卫星组网概述
1 卫星组网的基本概念
1.1 物理定律(开普勒三定律)
- 卫星遵循椭圆轨道运行；
- 在相同的时间间隔内, 小行星与太阳之间的连线所扫过的面积相等（面积定律）;
- 公转周期_T_的平方与轨道椭圆半长轴_a_的立方成正比关系
1.2 常用轨道
地球同步轨道（geostationary earth orbit, GEO）的天体运行体，在距地面35768公里的高度上运行。
低地球轨道（low earth orbit, LEO）的空间实体在其运行轨迹范围为700公里至2000公里之间。
中地球轨道（medium earth orbit, MEO）的空间实体在其运行轨迹范围为8千公里至2万公里之间。
在非同步运行类型的空间实体中包含低地球轨道与中地球轨道的所有成员，在构建覆盖全球的网络系统时需采用多颗星群组进行配合；而此类空间实体的分布模式通常采用两类不同的编队策略进行划分：一类是Walker编队模式；另一类则是Ballad编队模式。
1.3 传输频段：
C（4-8GHz，固定卫星业务）、X（8-12）、Ku（12-18）、K（18-27）、Ka（27-40）。Ku趋于饱和，新一代宽带卫星使用Ka频段。
1.4 通信卫星基本工作流程
在卫星通信系统中，在卫星覆盖范围内的终端设备及地球站均采用发射天线通过反向链路将请求数据发送至多波束卫 biscorn, 多波束卫 biscorn接收信号后实施信号增强功能，并经由反向链路转发增放后的信号至中继站；随后中继站将处理后的数据返回并发送至通信卫 biscorn, 同样经过信号增强后经由反向链路发送至相关星小区, 最终完成数据请求与接收的完整流程。如果目标卫 biscorn不在当前信关区覆盖范围内，则需借助星间链路将其信号转发至目标卫 biscorn, 最终完成整个通信过程
1.5 多址技术
a) 频分多址FDMA：
频分多址通过将可用频率带宽划分为多个互不重叠的子频率带，并通过设置保护间隔来隔离不同的子频率带。在实际应用中，当多个地面站同时接入卫星转发器时，在接收端借助频率正交性特性，在经过专门滤波器处理后，能够有效提取所需信号。该方法的优点在于操作简便且可靠性高，在设计和实现时需要解决的关键技术包括：（1）严格的功率控制；（2）设置适当的保护间隔；（3）尽量减少互调的影响。
b)时分多址TDMA：
采用时分多址技术将各站发送的信号按时间分割，并让各个站点共享同一载波实现相互通信。将载波划分为若干个时隙区间，在这些间隔内每个站点都会发送数据信息到同一个覆盖范围内的卫星中继系统中去。这些间隔组合形成一个完整的通信周期称为一帧。每个站点在每一帧时间段内按特定的非冲突时隙使用卫星中继
为实现有效的通信管理必须合理规划帧结构并确保接收端能够正确解码发送的数据同时解决精确的同步问题从而避免不同突发信息在同一转发器上产生时间上的冲突
c)码分多址CDMA:
通过信号结构参数区分不同用户的地址，在每个用户发送的信号在结构上存在显著差异，并且彼此间保持准正交特性。然而，在频率域、时间域以及空间域上，所有信号都有可能产生重叠。码分多址技术采用具有强烈自相关特性和较弱互相关性的周期性码序列作为地址信息——称为扩频调制过程。将经过用户信息调制的载波经过处理后使其频谱展宽——称为扩频调制过程。接收端利用本地生成的一致地址码作为参考基准，并通过分析接收到信号的相关性差异来进行筛选判断——最终识别出与本地地址码完全一致的宽带信号，并将其恢复为窄带形式——这一过程被称为相关检测或者扩频解调过程
2 常见低轨卫星星座系统（待更新）
2.1 OneWeb星座
OneWeb星座采用了Ku/Ka频段技术，在18个圆形轨道面上布置了720颗卫星，并以1200公里的轨道高度运行；每个轨道面均遵循72度的倾角配置。
2.2 SpaceX星座
星链（Starlink）星座系统采用Ka+Ku频段运行，并配备总共4425颗在轨运行卫星。核心平台星座由1600颗功能模块化卫星组网完成，并均匀配置于多个轨道平面上。工作轨道平均高度为约7.8地球半径（约7.8R⊕），倾角约为53°。剩余的2825颗次核心平台卫星将通过分批 manner部署至各自指定的工作轨道上。这些次要部署的卫星将运行于不同高度的选择性轨道上：包括7.6R⊕, 7.9R⊕, 8.6R⊕, 和8.9R⊕等
3 组网的关键问题：
对于透明式转发型卫星而言，“弯管型传输卫星”被广泛使用。星载处理或交换类 satellite 被视为空中网络节点。
3.1单跳连接：
直接跨越地球两端的通信线路仅需单次卫星中继。多跳通信线路：通过地面中心站增强各通信终端间的信号联系。跨站通信架构以地面中心站为中心呈现星型结构。
3.2星间链路（ISL）
引入星间链路（ISL）技术的优点：由于卫星间的相对位置较为稳定，在空中区域建立星间链路网络结构后可实现对地面站的有效替代，并降低了地空通信流量的同时减少了对有限的频谱资源需求；该技术主要用于Ka及Ku频段以上的微波、毫米波和激光通信，在覆盖频率范围宽广的同时能够显著增强信息传输能力；对于不同轨道平面布置的卫星而言其存在主要问题是较高的相对运行速度导致追捕难度增加同时天线摆动会导致跟踪控制难度增大并伴随出现多普勒频移效应的问题
3.3切换
在确保源与目标之间通信的条件下，在运行过程中必须实现路径的动态调整以维持连接的有效性。当卫星运行轨迹变化时，其覆盖区域随之调整，并引发通信链路的转换。主要涉及两种不同的转换模式：一种是基于同一轨道平面的卫星转移；另一种则是跨越不同轨道平面的卫星转移。在同一个发射平台中使用的不同波束范围之间进行转换（即波束内部转换），以及跨越不同发射平台所使用的波束范围之间的转换（即波束外部转换）。
3.4 路由
统一轨道内各卫星之间的相对位置始终保持恒定状态；在与地球终端及其他轨道卫星相比，在传输过程中它们的位置及时延会持续变化。因此必须采用自适应路由技术来实现网络的有效运行；LEO星网中单颗星故障可能导致通信孤岛现象出现，在这种情况下路由算法需要充分考虑冗余链路以及星网对故障的容错能力。
集中式路由算法：所有卫星将卫星运行状态数据提交至一个中心节点，在此过程中该中心节点收集并整合所有卫星的数据后会自动计算出最优通信路径，并将此路径信息传输回所有参与通信的卫星
分布式路由算法主要关注所有卫星交换网络的度量信息；在QoS与网络资源利用效率之间进行平衡
根据卫星网络的特性可分为单层和多层两类特定类型。其中单层类型中Werner等研究者采用ATM技术实现LEO星间通信，并将其应用于LEO卫星网络中以实现高效的通信连接。该类方法主要将 routing strategy 包括了拓扑离散化和最优路径选择两大核心环节。在多层卫星网络 routing 研究领域主要研究内容包括以下几点：基于IP地址的空间分组方式；Lee等提出的层次式QoS routing协议通过将计算节点部署于MEO轨道段以降低LEO轨道段的通信负担从而显著提升了通信效率；此外还包含负载均衡控制技术以及组播数据传输相关方法等
相关文献：
低轨卫星网络路由关键技术研究_马延鹏
A routing protocol for hierarchical LEO/MEO satellite IP networks
IP routing issues in satellite constellation networks
The proposed path selection mechanism is designed to handle data packet routing within LEO satellite networks.
Topological design and routing for low-earth orbit satellite networks
4.卫星与地面网络的互联：
卫星承载SDH（数字同步系列）-Intelsat场景
卫星与MANET（Mobile wireless Ad Hoc Network）：在Ad Hoc网络中需要重点关注的问题包括路径选择方案的确定、配置与管理流程的有效实施、如何优化有限的传输带宽资源以提高数据传输效率、动态拓扑状态下链路变化对网络性能的影响分析、潜在节点干扰问题下的网络稳定性保障策略研究、能量消耗问题下的续航能力优化方法探索以及考虑移动性特性的动态拓扑变化模型构建。
卫星与MANET网络之间的互连所面临的主要问题包括网络资源的优化配置、链路可靠性、服务质量（QoS）与用户体验（QoE），以及成本与能源消耗最小化。
与异构网络的互联的一般性问题：业务，寻址，路由，演进
相关文献：
新一代低轨卫星网络和地面无线自组织网络融合技术的探讨_杨昕
An advanced dynamic routing mechanism has been developed utilizing MANET technology within a satellite network that encompasses both LEO and MEO orbital segments.
5.卫星承载ATM
4.1卫星突发错误对ATM层的影响：
该ATM网络设计目标是针对光纤通信这种具有稳定传输特性的物理介质而不考虑一般协议在不可靠信道上进行处理的一些特性。
突发错误对ATM数据传输层的影响最显著的是信元丢失率（CLR）的显著增加。
该技术采用8位差错控制字段来实现智能纠正1位发生于突发错误情况下的比特误差。
在突发错误的情况下 信元丢失率（CLR）与比特误差率（BER）之间呈现线性关系。
突发错误对AAL协议的影响
差错控制机制：
重传策略、前向纠错（FEC）和交织编码。基于前向纠错（FEC）技术和交织编码的交织机制能够有效减少突发错误的影响。
4.2宽带卫星网络的增强技术：
在对多个信元头部进行交互过程中，则可达成在随机单比特错误信道中ATM性能目标的实现。
RS编码与卷积FEC编码串联应用展现出显著效果。当信号长度超出RS编码能够校正的范围时，错误应分布至多个符号位，并以此发挥组内码的纠错潜力。
相关文献：
A dynamic routing mechanism is employed for ATM-based satellite personal communication networks.
Incorporating ATM-based path determination in satellite networks operating in LEO and MEO orbits, while incorporating intersatellite links.
6.卫星网络承载IP
6.1三种卫星承载IP的组网技术：
卫星通信网络支持传统卫星业务并通过分组交换式链路实现internet access以及internet subnets的互联；
2.基于VSAT概念的卫星共享介质包网络，支持数据服务类型的业务；
3.数字视频广播，经卫星基于DVB承载IP具有提供全球宽带接入的潜力。
6.2卫星网络中的移动IP
鉴于卫星网络与地面站之间的关系时有变化，在动态调整中需要建立家乡地址列表并传递给相关节点。
家乡地址（HoA）：移动节点的标识，由家乡网络分配，通常不变
交叠地址（CoA）：用于定位移动节点的位置标识符，根据接收地网络的分配规则确定，并随着位置的变化而调整。
Home agent: stores the mapping relationship between the home address and transfer address of mobile nodes.
可以将移动IP看作以下三个独立的机制协作完成：
CoA发现：代理公告（agent advertisement）和代理请求（agent solicitation）
CoA注册机制会在移动节点首次进入本地代理区域时自动启动，并向该区域内的所有节点发送包含CoA信息的注册消息。当家乡代理接收到这些消息后会整合必要的数据到路由表中 并立即确认这些消息的有效性之后再向移动节点返回确认应答
CoA隧道：隧道方式是所有移动代理都必须支持的默认封装方式。
6.3卫星IP组播
组播：它是从单一源向多个目的传输数据，并且也包括多个源向多个目的的数据传输方式。例如视频会议的应用场景。其优势主要体现在减少网络带宽的需求以及优化资源利用效率方面。具体而言，在实际应用中既可以采用尽力而为的方式实现资源分配，在确保可靠性的前提下也能提供稳定的服务质量。
IP组播的核心机制基于单播机制
星上可靠组播路由协议涉及两大关键问题：一是误码特性的影响；二是往返时延对实时性的作用。当存在大量组播终端用户时，数据损坏会导致接收方几乎不可能收到数据；同时，在高往返时延情况下（RTT），不仅会影响实时通信质量，并对诸如FTP这样的网络协议产生负面影响。目前已有研究表明，在处理延迟容忍网络（Delay-Tolerant Networks, DTN）方面已有诸多探索
相关文献：
容迟网络体系结构及其关键技术研究
低轨卫星DTN网络路由研究_陈利
Such an architecture is designed to enable efficient IP transport and routing in next-generation satellite network systems.
Multicast routing algorithms and protocols: A tutorial
Advanced IP Multicast Transmitter for Mobility Management in PMIPv6 within a Global Satellite Network
Delay and Disruption Tolerant Networking (DTN): An Effective Approach in the Field of Satellite Networking Applications
Delay-Tolerant Network Routing Algorithm
Contact Graph Routing belongs to the domain of DTN Space Networks. This technique encompasses three primary aspects: an overview of the routing mechanism, enhancements to improve efficiency, and a detailed analysis of its performance characteristics.
6.4 IP服务质量（IP QoS）
Intervis架构：基于QoS的综合服务方案。该方案旨在为基于IP的应用提供从头到尾的硬实现实证。支持应用程序明确设定服务质量参数，并由网络层则负责保障这些质量要求。资源预留与会话建立构成了该架构的核心特征。
综合服务相关的方法包括：资源预留协议（Reserve Service Protocol RSVP）、权限管理、流量分组管理、流量管理与控制、队列管理和调度安排。
QoS区分服务（Diffserv）架构旨在实现灵活且可扩展的服务区分能力，并通过避免传统综合服务架构所需的复杂信令机制来降低资源消耗。该架构支持根据不同优先级流量采用不同的处理策略以提高服务质量。其核心由两大部分组成：边缘部分负责对数据包进行分类标记和调整速率；核心部分则负责数据包的转发。
6.5 卫星数字视频广播
DVB-S和DVB-RCS架构：星载处理器（OBP）、管理节点、再生成卫星网关（RSGW）、下行链路卫星终端（RCST）
网络协议栈结构：RCST采用平等（Peer-to-Peer）通信模式与其他RCST形成网状或星型连接架构。卫星无关业务访问协议（SI-SAP）位于链路层与网络层之间。卫星网络协议涉及卫星链路控制（SLC）、卫星介质访问控制（SMAC）以及物理（PH）层。
SLC子层与网络层之间进行IP数据包交换；SMAC子层具备传送能力，并负责发送包含在TDM中的MPEG突发以及接收来自TDM中的MPEG包。
RCST物理层负责在同步和位纠错功能的物理介质上传输数据。
仿真平台：opnet,STK，openstack等
7 卫星网络对传输层的影响
7.1 卫星信道特点
卫星信道具有独特特性与地面信道不同，并可能会影响网络性能参数。
a) 卫星轨道高度导致的延迟使得GEO卫星单次请求至反馈所需时间约为半秒（仅计算理想传输时间），而700公里LEO卫星请求至反馈时间则约为9毫秒。
b) 该术语定义为在飞行中状态下的数据量即已被发送但尚未被确认的部分。
c) 卫星信道较高的误比特率会导致更高的数据丢失概率，在这种情况下TCP协议将被迫减少其滑动窗口大小。
d) 通常上行链路带宽较下行链路为小。
e) 变化的端到端时延将直接影响重传超时的时间尺度。
f) 低轨卫星常因连接频繁断开而导致数据丢失风险。