|2.3 传输组网|

2.3.1 传输技术

2.3.1.1 卫星宽带传输技术

目前在C、Ku、Ka频段的固定卫星业务（Fixed Satellite Service,FSS）领域，卫星通信常采用前传链路TDM、回传链路MF-TDMA的技术方案。最具代表性的为ETSI发布的DVB-S(2)/RCS标准。目前主要宽带卫星采用的通信技术体制见表2-1。

20世纪90年代初，为适应卫星广播电视的快速发展，数字视频广播（Digital Video Broadcast,DVB）标准开始得到研究和发展。从1994年欧洲电信标准组织（ETSI）发布DVB-S的第一个版本，DVB-S标准在世界范围内得到广泛应用，成为卫星广播电视领域的主流传输标准。进入21世纪后，随着通信业务需求的快速变化，DVB-S标准已不能满足客户的业务需求，亟待改进。比如，DVB-S标准传输速率低，无法传输高清电视（HDTV）信号；无法进行 IP 组网等。为解决这些问题，2005年3月，在DVB-S标准基础上，ETSI发布了DVB-S2标准（即数字视频广播第二代标准），融合了2000年以来卫星通信技术领域发展的最新研究技术成果。DVB-S2标准的指导思想是在合理的系统建设复杂程度下获得最优的链路传输性能并具备良好的可扩展性。

我国的数字视频广播技术发展基本沿用国际标准。1995年，中央电视台完成我国首次卫星数字电视广播，通过卫星向全国播出数字压缩加扰电视节目，其技术标准采用了美国的 Digicipher 标准。目前，随着技术的发展，模拟卫星数字电视已经基本退出市场，我国各卫星电视频道基本都采用了DVB-S和DVB-S2技术。

DVB-S2标准的技术特点如下。

（1）灵活丰富的信号输入接口匹配：DVB-S2设备可接收如基本数据流、MPEG-2传输复用流等多种格式的单输入流或多输入流、比特流、IP流或ATM流，输入信号既可以是连续的数据流，也可以是离散的数据包。

（2）灵活高效的多编码率多调制传输技术：DVB-S2系统支持1/4～9/10等11种编码率，支持QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等高阶调制方式，可根据链路情况灵活选择，增加了用户的选择余地。

（3）高性能的前向纠错编码系统：DVB-S2前向纠错编码采用内码与外码级联的方式，内码使用低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code,LDPC），外码采用BCH码，这种内外码相结合的编码方案在距离理论上的香农极限0.7～1dB的情况下可得到准无误（Quasi Error Free,QEF）码的接收（DVB-S2的QEF标准为在解码器接收5Mbit/s 的单路电视节目时，每传输1h 产生少于一次无法校正的差错）。

（4）自适应调制与编码（Adaptive Modulation and Coding,AMC）技术：DVB-S2设备根据终端与信关站所处的不同信号传输环境，提供实时可变的自适应编码调制方式。在该方式下，可自动进行编码与调制优化，信号差的链路使用低阶调制，信号强的链路使用高阶调制，从而增强系统抗雨衰等干扰的能力，提高系统射频信号传输的可靠性。

（5）多种可选择的频谱滚降系数：在设定传输参数时，用户可自主选择0.2、0.25、0.35共3种滚降系数进行平方根升余弦滤波整形，用以满足用户音频、视频、数据等多类型传输业务需求。

通过采用上述先进的编码和调制技术，DVB-S2系统具备以下优点：能够支持更多的传输业务类型及信源格式；更优的信道编码增益；更高的信道频谱利用率及传输效率（与第一代卫星传输标准 DVB-S 相比，其系统传输容量提高30%左右，也就是说，DVB-S2传输能节省30%的带宽）；能够后向兼容DVB-S标准。这些显著的优点使得DVB-S2标准在世界卫星数字广播传输领域极具市场竞争力。

在2005—2014年，数字卫星电视广播行业发生了很大的变化，主要包括以下几个方面。

（1）需求变化。包括超高清电视（Ultra-High Definition TV,UHDTV）的卫星直播到户、基于电视广播卫星的“电视无处不在”、基于电视广播卫星的高速IP数据接入以及提供基于电视广播卫星的多/全业务服务以增加收入、在甚小口径天线终端（Very Small Aperture Terminal,VSAT）应用场景中增加用户数目以获得更多收益，同时以更高的服务等级协议来大幅提高用户体验。

（2）外部竞争形式的变化。引起上述需求变化的原因，一是卫星电视广播运营商自身的自然演进；二是外部竞争形式的变化（主要来自于地面的有线数据网络的大发展），使得越来越多的人认为地面的高速有线数据网络迟早会取代卫星通信；三是一些诸如NS3的非标准化的专有技术在频谱效率上较大程度（30%～60%）地超过了DVB-S2。

在上述背景下，必须对DVB-S2标准进行升级，在更高频谱效率、更大接入速率、更好移动性能、更强健的服务能力提供、更小成本这5方面取得新的突破。为此，2012年，由Newtec牵头，DVB卫星电视行业的运营商、设备制造商、卫星专家等成员单位及成员（主要分布于欧洲、美国、远东地区）开始着手研究DVB-S2X标准。2014年2月27日，在DVB指导委员会第76次大会上，DVB-S2X标准被正式批准。DVB-S2X不能与DVB-S2后向兼容，因此也可称为是DVB第三代数字卫星电视广播标准。采用DVB-S2X后，卫星直播到户业务的频谱效率可提高20%～30%，某些专业应用的频谱效率甚至可提高50%。

与DVB-S2相比较，DVB-S2X的技术创新包括如下几点。

（1）更小的滚降系数，DVB-S2X采用的滚降系数分别为0.15、0.10、0.05。

（2）高级滤波技术，将频谱两侧的旁瓣滤除，结合滚降系数的调整使得DVB-S2X的频谱效率较DVB-S2提升幅度可达到15%。

（3）支持WBT（Wide Band Transponder）单载波传输技术，使用较大的载波配置，可实现较小的转发器功率回退；同时又通过“虚拟载波”技术将频谱占据整个转发器的单载波信号划分为若干个时间片，在多个业务之间实现时分复用，接收机只需要根据其所需时间片内的虚拟载波进行后继处理，减少了处理复杂度。

（4）重新定义了扰码序列，DVB-S2仅有一个缺省扰码，DVB-S2X则新定义了6个，可更好地解决同信道干扰（Co-Channel Interference,CCI）问题。

（5）更高阶调制和更小的编码调制分辨力粒度，DVB-S2X 采用了高达256APSK的调制方式，编码调制（MODulation and CODing,MODCOD）的分辨粒度从DVB-S2标准的28档提升至112档，且引入了噪声及预失真技术、面向移动接收的极低信噪比（Very Low Signal to Noise Ratio,VLSNR）接收以及非线性编码与调制等关键技术，其前向纠错（Forward Error Correction,FEC）编码较DVB-S2性能也有明显改进：据文献报道，综合多种措施，其频谱效率较DVB-S2提升可达51%。

（6）采用了信道/转发器绑定技术来提高统计复用的频谱利用效率。

2.3.1.2 卫星移动通信传输技术

从20世纪90年代开始，随着移动卫星业务（Mobile Satellite Service,MSS）的发展，关于卫星与地面移动通信相互融合的讨论与尝试就从未停止。早期的MSAT系统采用地面模拟蜂窝网技术；Thuraya 系统在设计过程中采用了类似GSM/GPRS 体制的GMR（GEO-Mobile Radio）标准；低轨卫星星座铱星和GlobalStar的空中接口则分别是以GSM和IS-95作为蓝本。Inmarsat-4卫星系统采用的IAI-2标准以及ETSI发布的S-UMTS标准均基于WCDMA框架设计。美国光平方公司的SkyTerra采用辅助地面组件（Ancillary Terrestrial Component,ATC）技术，卫星系统与地面基站复用同一频段，空中接口信号格式几乎相同，终端可以在卫星与地面基站间无缝切换，用户无须使用双模终端即可在全美国范围内使用SkyTerra提供的WiMAX、LTE等4G无线宽带网络。

在国内，从2010年开始，我国启动了一系列基于LTE标准的卫星移动通信技术研究，并于2012年5月向国际电信联盟提交了卫星通信系统LTE标准草案。2016年发射的天通一号卫星在空中接口的设计上也借鉴并部分采用了3GPP R6的标准，但是在物理层上采用了窄带单载波传输体制。

随着5G技术的日益成熟，卫星与5G的融合也引起了许多关注。3GPP从R14版本开始关注卫星通信与5G的融合，并重点分析了卫星可给5G移动通信带来的优势。其在R15中对卫星通信与地面5G的融合做了进一步的研究，主要成果集中在技术报告 TR38.811与 TR22.822两个文件中。前者阐述了5G 系统中非地面网络（Non-Terrestrial Network,NTN）的作用与角色，并列举了卫星接入网服务于5G的用例，介绍了非地面网络候选架构以及5个非地面网络参考部署场景、传输特征和信道模型。后者对卫星融入5G的使用情形做了进一步的描述，并列出了12个具体用例，包括星地网络间漫游、卫星广播和多播、卫星物联网、卫星组件的临时使用、卫星的最优路由和指向、卫星跨界服务的连续、通过5G卫星的非直连、NR和5G核心网间的5G 固定回传链路等。3GPP的 R16阶段主要开展了针对卫星5G 系统架构和新空中接口支持非地面网络的解决方案等方面的研究。在2018年6月的3GPP RAN全会上，3GPP提交了新提案TR38.821，重点关注5G中使用卫星接入的研究。包括针对典型场景的链路级和系统级性能仿真验证以及针对 NTN对5G物理层的影响、层2和层3的可选解决方案以及无线接入网的框架和对应的接口协议的研究。

在3GPP的NTN体系中，卫星5G空中接口协议栈可以分为用户平面协议栈和控制平面协议栈，如图2-27所示。根据组网形态不同，基站可以布置在星上，也可以布置在地面上。

（1）PHY层

控制面和用户面共有协议。PHY层负责与物理层相关的信道的接收发送功能。主要完成基带信号接收/发送、调制/解调、编码/解码、测量、信道估计等工作。目前NTN研究倾向于下行采用OFDM，上行采用SC-FDMA传输技术，结合LDPC编码和Polar编码技术，通过载波宽带等参数调整来适应卫星场景。

（2）MAC层

控制面和用户面共有协议。MAC 层通过传输信道与其下的物理层连接，通过逻辑信道与其上的RLC层连接。因此MAC层可以在逻辑信道和物理信道间复用和解复用：处于发送侧的MAC层从通过逻辑信道接收到的MAC SDU中构造MAC PDU，也称为传输块；处于接收侧的MAC层从通过传输信道接收到的MAC PDU中恢复MAC SDU。MAC层还具有混合自动重传请求（HARQ）功能，由一个HARQ实体来完成。另外，MAC层还提供多种控制功能，如DRX控制、调度、RACH信令处理、定时提前控制等，这些控制功能由一个控制器来完成。

（3）RLC层

控制面和用户面共有协议。RLC层位于PDCP层（“上层”）和MAC层（“下层”）之间。它通过业务接入点（SAP）与 PDCP 层通信，通过逻辑信道与 MAC层通信。RLC层重排PDCP PDU的格式使其适应MAC层指定的大小，即RLC发送机分块/串联PDCP PDU,RLC接收机重组RLC PDU来重构RLC SDU。另外，如果RLC PDU由于MAC层进行HARQ过程而导致接收乱序，RLC层将对这些RLC PDU重新排序。RLC层的功能是通过RLC实体来实现的。RLC实体可以配置3种数据传输模式：透明模式（TM）、非确认模式（UM）和确认模式（AM）。在AM中，为支持重传而定义了特殊的功能。当使用UM或者AM时，星载基站在无线承载建立过程中根据核心网承载的QoS要求来确定选择哪种模式。

（4）PDCP层

控制面和用户面共有协议。PDCP层主要完成4个功能，包括用户平面数据的压缩和解压缩、安全性功能（用户和控制平面协议的加密和解密、控制平面数据的完整性保护和验证）、切换支持功能（在切换时对向上层发送的PDU顺序发送和重排序，对映射到RLC应答模式下的用户平面数据的无损切换）、丢弃超时的用户平面数据。

（5）SDAP层

用户面协议。SDAP的主要服务和功能包括：QoS流和数据无线承载之间的映射；标记下行和上行数据包中的QoS流ID（QFI）；为每个单独的PDU会话配置SDAP的单个协议实体。

（6）RRC层

控制面协议。RRC层在接入层中起主要控制功能。RRC协议支持“公共”NAS信息（即适用于所有卫星终端的信息）和专用NAS信息（只适用于特定卫星终端的信息）的传输。除此之外，对于处于 RRC_IDLE 状态的终端，RRC 还支持被叫通知。RRC协议涉及的功能领域很多，主要包括系统信息、RRC连接控制、网络控制的Inter-RAT移动性、频带内/频间/Inter-RAT移动性的测量配置和上报、NAS信息传输、卫星终端无线接入能力信息的传输等。

（7）NAS层

控制面协议。NAS层协议主要负责移动性管理和会话管理。移动性管理主要包括用户注册、注销、寻呼、业务请求、位置区域更新、GUTI 重分配、鉴权和安全等功能；会话管理主要包括链路的建立、更改、释放以及QoS协商等功能。

值得提及的是，卫星通信系统与地面移动通信系统在部署环境、信道传播特征等方面存在很多差异，这些因素为直接利用5G协议支撑卫星服务带来了许多挑战，如由于星地之间的高时延低可靠特性，星地之间的接口可能无法直接使用5G蜂窝系统中的接口协议栈，包括NAS协议、NG-AP。底层传输协议可能也因为LEO场景中大多普勒频移、快速时延变化等特性无法直接使用，因此接口协议需要根据星地传输链路的特性进行适配或调整，例如调整NAS协议中的定时器时长设置等。在2019年12月西班牙锡切斯举行的会议上，3GPP公布了R17阶段的23个标准立项。在R17阶段，3GPP将继续非地面网络（NTN）的5G NR增强的标准工作研究，以卫星与高空平台和5G的融合探索高精度定位、覆盖增强、多播广播等方向。

2.3.1.3 卫星中继传输技术

CCSDS协议体系专为空间链路设计，针对传输距离远、节点动态性高、链路时延变化大、链路不对称、间歇性的链路连接等问题进行优化，协议体系较为完善。在其30年的运行过程中，已开发推出了百余项建议，覆盖了空间数据系统的体系结构、信息传输、语义表述、信息管理等方面。

起初，CCSDS针对当时大量在轨运行的常规航天器和地基常规航天测控网，制订了适用于低中速率的普通在轨系统（Common Orbiting System,COS）协议为适应新的系统和新的空间任务。20世纪90年代后，CCSDS与国际空间站共同开发了适用于中高数据速率的高级在轨系统（Advanced Orbiting System,AOS）。AOS是针对具有多种业务数据处理空中测控通信平台提出的标准，目前在中继卫星空间站载人飞行器等中，已经有了相当多的应用。自20世纪90年代起，为适应地面互联网的快速发展，CCSDS又针对性地对空间通信协议相继进行了多次修改和升级，允许在网络层使用地面互联网IPv4和IPv6数据包，并参考地面IP技术开发了一套涵盖网络层到应用层的空间通信协议规范：SCPS-FP（文件协议）、SCPS-TP（传输协议）、SCPS-NP（网络协议）、SCPS-SP（安全协议）等。

CCSDS协议体系结构自下而上包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

（1）物理层

CCSDS 规定了射频与调制系统，用于空间飞行器与地面站之间链路的物理层标准。在调制上，CCSDS支持QPSK、8PSK、16APSK、32APSK以及64APSK，与链路层配合可实现VCM（Variable Coding and Modulation）功能。输出成形滤波器为平方根升余弦滤波器，滚降系数支持0.2、0.25、0.3和0.35。

（2）数据链路层

CCSDS数据链路层定义了数据链路协议子层和同步与信道编码子层。数据链路协议子层规定了传输高层数据单元的方法。数据链路层以传送帧（Transfer Frame）为传输单元。同步与信道编码子层规定了在空间链路上传送帧的同步与信道编码方法。

CCSDS开发了数据链路层协议子层的以下4种协议：TM空间数据链路协议、TC空间数据链路协议、AOS空间数据链路协议以及Proximity-1空间链路协议。这些协议提供了在单条空间链路上的数据传输功能，统称为空间数据链路协议（Space Data Link Protocol,SDLP）。与之相对应，CCSDS还开发了数据链路层的同步与信道编码子层3个标准：TM同步与信道编码、TC同步与信道编码以及Proximity-1空间链路协议的编码与同步层标准。TM和AOS空间数据链路协议基于TM同步与信道编码标准，TC 空间数据链路协议基于 TC 同步与信道编码标准。Proximity-1空间链路协议具有数据链路层和物理层的功能，其中，Proximity-1空间链路协议的数据链路层基于Proximity-1编码与同步层。

TM同步与信道编码在编码上支持卷积码、Reed-Solomon码、Tubro码和LDPC编码。其中卷积码是在码率1/2、拘束长度7的基础编码上通过打孔获得2/3、3/4、5/6以及7/8码率编码。Tubro编码采用的码率为1/2、1/3、1/4和1/6，信息位长度分别为1784bit、3568bit、7136bit 和8920bit。LDPC 编码支持两个集合：基础的（8176,7156）码，码率1/2、2/3和4/5；在（8176,7156）码基础上截短、删除形成的码率223/255码率的（8160,7136）码，可与前面提到的 Reed-Solomon （参数（255,223））配合实现级联使用。

（3）网络层

网络层空间通信协议实现空间数据系统的路由功能，空间数据系统包括星上子网和地面子网两大部分。CCSDS开发了两种网络层协议：空间分组协议（Space Packet Protocol,SPP）和空间通信协议规范−网络协议（Space Communication Protocol Specification-Network Protocol,SCPS-NP），网络层数据单元通过空间数据链路协议传输。SPP的核心是提前配置LDP（Logical Data Path），并用Path ID代替完整的端地址标识 LDP，从而提高空间信息传输效率，但只适合静态路由的通信场合。LDP 是单向的，可以是点到点或多播路由。不同用户（对应于不同的LDP）可以利用复用/去复用方法共享逻辑信道。在某些情况下，SPP的协议数据单元的源和目的地址可以标识为相应的应用进程，此时，该协议既作为网络层协议，又作为应用层协议。作为一种网络层协议，与标准IP相比，SCPS-NP有3方面改进：NP提供4种分组供用户在效率和功能之间选用，既支持面向连接的路由也支持面向无连接的路由；与IP的ICMP（Internet Control Message Protocol）相比，SCMP（Space Control Message Protocol）提供了链路中断消息。IPv4和IPv6分组可以通过空间数据链路协议传输，或与SPP、SCPS-NP复用或独用空间数据链路。

为适应地面互联网的快速发展、与TCP/IP协议族兼容，CCSDS于2012年9月发布了IP over CCSDS Space Links正式推荐标准（蓝皮书），在其空间链路层协议（AOS、TC、TM、Proximity-1）上实现IP数据分组的传输。

（4）传输层

CCSDS开发了传输层SCPS-TP，向空间通信用户提供端到端传输服务。CCSDS还开发了CCSDS文件传输的协议（CCSDS File Delivery Protocol,CFDP）,CFDP既提供了传输层的功能，又提供了应用层文件管理功能。传输层协议的PDU通常由网络层协议传输，在某些情况下，也可以直接由空间数据链路协议传输，互联网的TCP、UDP可以基于SCPS-NP、IPv4或IPv6。

SCPS安全协议SCPS-SP和互联网安全协议IPSec可以与传输协议结合使用，提供端到端数据保护能力。

（5）应用层

应用层空间通信协议向用户提供端到端应用服务，如文件传输和数据压缩。CCSDS开发了3个应用层协议：SCPS文件协议SCPS-FP、无损数据压缩、图像数据压缩。每个空间项目也可选用非 CCSDS 建议的特定应用协议，以满足空间项目的特定需求。应用层PDU通常由运输层协议传输，某些情况下，也可以直接由网络层协议传输。互联网中的应用协议也可以基于SCPS-TP、TCP、UDP。其中，CCSDS文件传输协议CFDP具有传输层和应用层功能。

目前，CCSDS 建议的大部分已转化为国际标准或各国航天机构的内部标准。CCSDS已被较多的航天机构采纳和应用，并且经过了多次航天任务考验。据统计，国际上采用CCSDS建议的航天任务已超过600个。

2.3.2 组网技术

当前，卫星网络以“基于电路交换的组网方案”和“基于分组交换/路由技术的组网方案”为两个主要的发展方向。“基于电路交换技术”主要有星载交换时分多址（SS-TDMA）、基于数字信道化柔性交换等，电路交换方案虽然具有与上层协议无关、设备可靠性高以及易于体制更新等优点，但是其资源分配方式不够灵活，资源利用率低下，且难以适应空间多星协同组网应用需求。与此同时，“基于分组交换/路由技术的组网方案”通过统计复用、按需分配等关键技术提高了网络的资源利用率，更加适合用户业务具有多速率、复杂服务质量（Quality of Service,QoS）要求等特征的应用环境，获得了更为广泛的关注。从20世纪90年代开始，在该方向依次提出了卫星ATM、卫星IP以及卫星MPLS等组网方案。

（1）卫星ATM组网技术

异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode,ATM）是一种面向连接的网络技术，它采用如图2-28所示的53byte 定长信元结构。ATM 是宽带综合业务数字网（Broadband Integrated Service Digital Network,B-ISDN）的核心，它为不同类型的业务提供了统一的传输平台。国际电信联盟（ITU）根据业务源、目的端之间的时间同步关系、业务的速率特性以及连接方式将业务分为固定比特率（Constant Bit Rate,CBR）业务、实时可变比特率（realtime Variable Bit Rate,rt-VBR）业务、非实时可变比特率（non-realtime Variable Bit Rate,nrt-VBR）业务、可用比特率（Available Bit Rate,ABR）业务以及未指定比特率（Unspecified Bit Rate,UBR）业务，制订了不同的ATM适配层协议（AAL1～AAL5）将不同形式的高层数据装载到统一的信元内传输。

ATM使用虚通道（Virtual Path,VP）进行信元传输。业务传输开始前，ATM网络使用信令建立信元传输所需的VP，配置虚通道标识符（Virtual Path Identifier, VPI）和虚信道标识符（Virtual Channel Identifier,VCI）。传输开始后，ATM交换机根据信元包头中的 VPI/VCI 识别其所属的 VP，将其交换至相应的物理出端口。节点为隶属于不同 VP 的信元提供独立的资源调度，信元所享受服务之间的解耦保证了每个业务流的服务质量。为了使交换更具弹性，实现高速交换，ATM支持两种粒度的虚连接：虚信道连接（Virtual Channel Connection,VCC）和虚通道连接（Virtual Path Connection,VPC），它与物理链路之间的关系如图2-29所示。ATM为 VC 的建立提供两种可用的方式，分别为交换虚通道连接（Switched Virtual Connection,SVC）和永久虚通道连接（Permanent Virtual Connection,PVC）。前者由业务驱动，需要进行复杂的信令交换。后者由网络管理人员配置，信令过程比较简单，但是只能针对聚合业务流做比较粗糙的处理。

ATM在业务流之间采用统计复用的资源分配方式，系统按照业务合同保障业务的服务速率、时延以及时延抖动等QoS参数。由于业务流的不可预测性可能导致网络出现拥塞，ATM还引入了一整套复杂的业务量控制机制和拥塞处理机制，内容包括接纳控制、优先级控制、信元丢弃、业务量整形、拥塞指示以及网络资源管理等机制。

ATM具有端到端QoS保证、完善的流量控制和拥塞控制、灵活的动态带宽分配与管理、支持多种类型业务等突出优势。如何将它与卫星通信相结合成为20世纪90年代卫星网络研究的一个重要方向。经过一段时间的探索，卫星ATM技术形成了比较完备的方案，成果覆盖组网方案、协议架构、星上交换结构、信元设计、信令设计以及IP业务支持等问题。

从总体上看，卫星 ATM技术并没有脱离地面 ATM技术的基本框架，大部分研究只是针对卫星通信特点在某一个技术细节上进行了必要修改。由于 ATM的信令机制比较复杂，现有的方案不倾向在星上搭载一个完整的ATM交换机，实现完整的 SVC处理。但是，如果只支持 PVC，又丧失了 ATM资源分配灵活的特点。此外，卫星ATM没有很好地解决IP业务的服务问题，沿用UBR对IP进行服务难以保证服务质量，对IP业务使用的 AAL5方案进行重新定义又难以与地面系统相兼容。

与学术研究同步，各国也提出了一些卫星ATM的工程实施计划。表2-2给出一些具有代表性的卫星ATM系统，涵盖了多种形式的卫星轨道、星上处理结构以及用户业务。

尽管卫星ATM技术的学术研究和工程实践取得一些成就，但是发展前景却并不乐观。由于系统成本难以承受，一些中低轨道卫星系统的计划，如Teledesic和Skybrideg在中途或改变设计方案或进入暂停状态。而在同步轨道卫星方面，一些支持ATM业务的系统，如Anik F2，多采用透明转发器，将卫星视为接入ATM网络的透明通道，没有体现ATM的优势。随着地面ATM系统的衰落，用户难以直接产生 ATM业务，这些系统的后继卫星也逐渐边缘化了对 ATM业务的支持。

（2）卫星IP组网技术

互联网协议（Internet Protocol,IP）为多网融合提供了一个综合平台，占据了当前数据业务的大部分流量，成为当前最为重要的一种组网技术。IP位于网络分层模型中的网络层，它采用长度可变的数据包，其结构如图2-30所示。

IP技术具有很强的适应性，它可以运行在任何物理介质和二层网络上，可以保证异种网络的互通，即“IP over everything”。与ATM技术不同，早期的IP技术根据数据包内“地址信息”采用“逐跳转发”的“无连接模式”进行数据传输。这种模式的QoS保障采取端到端的原则，所有控制都由网外的终端控制，网内节点只进行简单的转发。由于终端只能被动地对网络状态进行响应，因而业务的传输过程具有很强的不确定性，QoS保障难以实现。为了解决这个问题，IETF提出了综合服务模型IntSer和差分服务模型DiffServ。前者类似ATM的SVC，终端使用资源预留协议（Resource Reservation Protocol,RSVP）在业务传输前建立一条传输所用的虚路径，路径上的所有节点在网络层为单个业务流分配和调度资源，网络层上其他业务流的状态不影响业务获得的服务。后者类似ATM的PVC，将业务流分为若干类，节点在网络层上为每一类的聚合业务分配和调度资源，网络层上业务获得服务不受其他类业务的干扰。

单纯在网络层进行处理的IntServ和DiffServ模型无法从根本上解决IP业务的QoS保障问题，这是因为业务服务质量还受到链路层ATM、帧中继乃至于MAC层技术的影响。因此，卫星IP网络通常结合下层承载技术的特性进行联合设计以获得一个优化的业务系统。“IP over ATM”“IP over HDLC/帧中继”和“IP over DVB”是当前卫星IP技术的主要应用模式。在这些方案中，研究人员的注意力并不集中在如何设计一个星载IP路由器上，而是更加关心如何将具有IP业务的QoS需求与下层能够提供的服务结合在一起。

当然，也有在卫星上直接搭载IP路由器的尝试。英国萨里卫星公司于2003年发射了UK-DMC卫星，星上搭载实验性质的Cisco IP路由器，实现了星上观测设备与地面测控站之间的IP数据交换。

（3）卫星MPLS网络组网技术

多协议标签交换（Multi-Protocol Label Switching,MPLS）技术为TCP/IP框架中的网络层和链路层的结合提供了一套体系架构，使所有针对网络层的复杂操作都能映射为对标记的操作，解决了IP和承载网络的交互问题。与ATM不同，MPLS不是一个完整的网络体制，它必须和IP结合在一起。

MPLS 技术的核心是标记，但其本身并没有对标记形式做严格的规定，这使MPLS能够使用VPI/VCI等链路层分组字段作为标记，进而将ATM、帧中继等异构网络纳入一个统一的体制中。

在MPLS网络中，IP层的路由信息和业务服务质量参数映射到链路层可以理解的信息，并利用标记来标识具有相同属性的业务流。数据传输开始前，网络首先根据业务的IP层信息进行转发等价类（Forwarding Equivalence Class,FEC）定义，然后为FEC建立类似VCC/VPC的标记交换路径（Label Switch Path,LSP），并为其预先分配资源。数据传输开始后，LSP上的每个节点仅依据链路层分组的标记字段进行转发，而不需要提取IP层的任何信息，提高了转发效率。

MPLS 网络业务传输示意图如图2-31所示，业务在 LSP 入口边界标记路由器（Ingress Label edge Router,Ingress LER）上根据业务所属的FEC为IP数据包附加标记。在LSP上，LSR按照标记进行分组转发和资源调度。业务沿LSP传输至LSP出口边界标记路由器（Engress LER）时，去除标记，恢复IP数据包，投递给终端用户。

MPLS很好地实现了IP技术和二层网络技术的融合，2003年以后，如何在卫星通信中实施MPLS技术成为一个新的卫星网络研究方向。当前，卫星MPLS网络的研究在以下几个问题上取得了一些成果：（1）卫星 MPLS 网络组网方案，包括地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit,GEO）卫星系统方案和低地球轨道（Low Earth Orbit,LEO）卫星系统方案；（2）MPLS/IP框架下LEO星座中业务的QoS路由方案；（3）卫星网络IP流量工程问题。

卫星MPLS网络包含4种通信节点：卫星节点、网络控制中心、卫星网络接入设备和网关站，每种节点的功能如下。

•卫星节点：具有星上交换能力的 GEO 卫星。卫星不是一个完整的 LSR，它只处理业务的传输，而不处理信令。

•网络控制中心：与卫星一起构成一个完整的LSR，处理MPLS网络的信令，这个网元分担了卫星处理的压力，减轻了星上载荷处理的压力。

•卫星网络接入设备：地面用户IP子网到卫星MPLS网络的接入点，担任LER的功能。卫星MPLS系统不能延伸至业务终端。因此，卫星用户接入设备应该连接具有一定规模子网的地面设备，可能是卫星地面站，也可能是机载、车载或者船载卫星网络接入设备，但一般不可能是手机等小型用户设备。

•网关站：网关站有两种类型，一种连接地面MPLS网络，称为MPLS网络网关站；另一种连接地面异构网络（如ATM、帧中继等），称为异构网络网关站。前者是LSR，处理边界上的传输分组格式转换、标记格式转换、QoS协商以及LSP的维护任务；后者是LER，主要功能是通过MPLS隧道LSP为二层异构网络数据分组提供点到点的“电路”传输服务。

图2-31的架构特别适合于未来大规模空间网络的组网应用。在LEO、MEO星座蓬勃发展的当下，如何处理星座的动态路由特性成为一个难点问题。由于轨道较低，LEO和MEO星座的卫星之间以及卫星与地面终端之间存在动态时变的拓扑互联关系，地面IP路由协议往往难以收敛。图2-32给出了王俊峰等在参考文献[28]中对地面常见OSPF和RIP在铱星星座中的收敛情况的研究成果，在LEO卫星星座网络中，RIP和OSPF协议的收敛速率均表现出很长的拖尾特征，在最恶劣的情况下甚至无法在下一次ISL切换发生前收敛。Iridium星座中不同路由协议的收敛速率分布如图2-33所示。

在MPLS架构中，LSP的配置可以是路由协议驱动的，也可以是通过预先计算配置的。这使得MPLS很容易与当前星座系统普遍采用的“快照序列路由”算法结合在一起。Gounder 等提出的在“快照序列路由算法”中，将一个卫星系统周期内的卫星网络的动态拓扑结构分离成一系列的静态拓扑结构，卫星系统在某一个特定时刻的网络拓扑都有一个已经定义的卫星网络“快照”与之对应，而且每当ISL发生变化（新增或断开）时，则认为是一个新的快照。这样，卫星网络的拓扑结构就可以表示为一系列拓扑结构快照的循环，循环周期就是卫星系统周期。卫星拓扑快照的生成属于卫星网络拓扑结构的抽取，运算量是随着卫星网络中的节点数的增加而指数增加的，但这些计算可以离线在地面网络的计算中心完成，然后再上传到卫星上使用。在这个过程中可同步更新MPLS LSP的配置，从而保证在拓扑变化时，任意两个终端或者终端与信关站（MPLS LER）之间的交换路径仍然能够维持、业务传输不中断。