卫星互联网无线接入技术研究

本文针对新型卫星互联网系统的技术发展进行了总结与优化分析。其核心内容涵盖初始入网技术（包括参数配置与优化设计）、路由访问技术和通信传输技术等方面。通过详细探讨初始入网过程中的多层对等协议思路以及基于IP的快速接入体系构建方法，在提升系统效率的同时实现了对信关站和终端之间的高效通信与信令管理。此外，在路由访问技术和通信传输技术中，本文提出了基于逻辑信道的封装格式优化方案以及差错控制机制的设计思路，并通过多层对等协议实现了卫星互联网系统的可靠性和扩展性。总体而言，本文为卫星互联网系统的快速部署与高效运行提供了技术支持与理论参考框架。

摘 要

无线接入被视为卫星互联网系统的关键核心技术，在实现卫星组网通信传输方面发挥着关键作用。经过对无线接入技术的深入研究探索，在此基础上提出了网络接入优化设计思路以及多层对等协议方案。具体而言，则是对宽带卫星互联网的入网机制、路由访问策略以及通信传输流程展开了细致分析。该方案具有良好的灵活性与扩展性特征，在保障随机实时接入能力的同时实现了高效可靠的传输性能，并为业务功能的拓展提供了强有力的技术支撑

内容目录：

1 业界进展情况

2 初始入网技术

2.1 参数配置

2.2 系统定时

2.3 同步

2.4 测距

2.5 注册

2.6 身份验证

3 路由访问技术

3.1 系统信息接收

3.2 寻址和路由

3.3 访问会话

3.4 带宽请求和分配

3.5 过渡到空闲状态

4 通信传输技术

4.1 封装格式

4.2 分段和打包

4.3 逻辑信道

4.4 差错控制

5 结 语

基于 SpaceX公司的Starlink项目的新型卫星互联网发展在对卫星终端与接入网络间IP服务传输方面提出了更高的要求。该新型 satellite internet 发展在提高 satellite communication link utilization, enhancing security, 并适应 IP-based and wideband communication demands necessitated comprehensive technical designs for satellite internet wireless access. 本文重点研究了 satellite internet 的入网初步阶段、路由与访问策略以及通信传输技术等关键环节的技术方案与初步设计方案。

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业界进展情况

我国卫星互联网目前仍处于方案论证及试验卫星阶段。主要发展趋势包括以低轨卫星为主的用户接入体系、卫星网络融合组网模式以及不依赖海外站星间链路的数据落地应用等方向。建立基于卫星互联网的快速接入体系将成为未来该领域发展的关键技术方向之一。本文提出的无线接入网络优化设计与多层对等协议框架能够为构建新型设计体系提供理论支撑和实践指导。一方面，在全球范围内大规模部署卫星以实现无缝覆盖的需求下，在节点密集的网络环境中进行内网广播可能导致物理环路产生进而引发区域通信中断；另一方面，在现有入网认证流程较为复杂的情况下频繁执行完整认证工作会导致时间和资源消耗过大；因此需要设计更加安全高效的入网机制并配备完善的差错控制措施以减少资源浪费提高系统效率。本文针对上述问题从路由访问策略和通信传输机制两方面展开优化研究并提出了相应的解决方案该方法对于推动我国卫星互联网系统的工程化具有重要的参考价值

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初始入网技术

终端必须在完成入网通信前实施初始接入流程。在初始接入阶段所需的具体参数（包括但不限于卫星定位坐标、转发器工作频率、地址编码以及加密密钥等信息）则由卫星互联网网络管理员进行指定。

2.1 参数配置

在初始入网过程中需要配置以下参数：

（1）卫星轨道位置，以度为单位。

（2）出站载波的特性，即频率、符号率、调制和编码。

（3）转发器极化。

（4）终端的纬度和经度。

（5）信关站 IP 数据包处理器的 IP 地址。

（6）终端在系统内的内部地址。

（7） 支 持 网 络 时 分 多 址（Time Division Multiple Access，TDMA）突发的终端能力。

（8）扩频增益选项。

（9）卫星互联网通信参数。

改写说明

2.2 系统定时

终端通过接收和解析出向路由载波，并进一步提取系统定时和其他相关信息。该出向路由载波将为终端提供详细的信息。

（1）符号时钟。用于获取本地频率参考和入向路由载波频率。

（2）超帧编号数据包。由信关站每 360 毫秒传输 1 次。

端口识别（Port Identification, PID）是一种技术手段。其主要作用在于提前筛除路由中可能包含的控制与通信数据。

（4）终端在通道中监视包含 PID 地址的信息。

2.3 同步

该过程即为将设备在入口方向上的通信过程与接入控制站接收入口方向的数据帧的时间基准进行对齐的过程。

在同步环节中,终端从卫星互联网通信站点发送到路由载波端口接收的超帧中识别并获取了相关标记,用于计算初始定时偏差.该终端利用来自远程通信站点及卫星星历提供的基本地理位置数据(包括经度与纬度坐标),对入路数据传输所需的初始时间偏移进行粗略评估.

2.4 测距

测距旨在通过获取精确的定时偏移估计来支持入向路由传输。在完成测距任务的过程中, 终端通过指定的入向路由信道发送相关信号。收信站接收到测距脉冲后, 在估算并确定需要对终端进行校准以实现其与入向路由传输同步的基础上, 计算出所需的时钟校正值, 并将其发送给终端。

在测距期间, 信关站估算终端的功率水平, 同时设置该终端的入向路由功率. 终端发送出向路由载波的接收信号以测量其强度.

2.5 注册

注冊是向受授權的終端機器人分配其內部地址的具体過程。此外،该系統还会為終端機器人分配所需的加密秘钥,使得該終端機器人能够通過解密信息與相關機構進行通信

注冊資訊數據與對應的卫星互聯網內部地址字段及加密密鑰字段進行關聯連接歸 StringBuffer中

根据数据库中的参数设置，在信关站的基础上为终端提供有权使用的不同服务类型生成地址和相应的加密密钥。在卫星互联网内部地址的安装过程中，在终端设备上进行配置并完成必要的参数设置。通过出向路由加载的方式将加密密钥发送至终端设备以实现安全通信。

通过生成式模型对其他用于加密实际用户信息的秘密共享参数进行编码。注册节点接收生成的这些临时密码，并将其存储于专用解码设备中，在系统处于启用状态时可解析相关路由数据。

注册完成后终端即可投入卫星互联网系统的运行工作。卫星互联网用户的注册流程如图1所示。数据网络的物理传输网络（IP over SDH, IPoS）通过链路结合协议对数据包实施封装处理，并将分组信息嵌入帧中的信息字段中进行传输。在注册过程中IPoS用户需配置远程终端的符号率其中符号编码主要采用前向差错控制（Forward Error Control FEC）技术以实现后续通信步骤；对于IPoS远程终端在接收到用户请求后将反馈设备序列号客户名称以及联系方式同时发送适配器条件更新信息（Periodic Adapter Condition Access Update PACAU）随后通过解密用户提供的密钥发送周期元素广播（Periodic Element Broadcast PEB）指令以完成与服务端的通信连接；而IPoS服务站的主要职责是完成所需服务配置文件等相关操作。

图 1 卫星互联网用户注册过程

2.6 身份验证

卫星互联网无需终端认证流程。终端的身份可通过其解析出方向路由消息的能力进行证明，并该消息包含了随后用来解密用户数据的密钥信息。

部署于终端设备中的主密钥（Master Key, MK）应当与信关站生成加密密钥时所使用的MK保持一致。未经授权的终端设备不具备与受信任的关键 Station（CRLS）相关联的有效主密钥数据集，因此无法解码来自其自身的路由流量。

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路由访问技术

3.1 系统信息接收

在发送信息至信关站之前，请确保了解用户接入信道的路由载频情况，并熟悉该信道的数据传输速率及信号编码方案。

将组织内的入向路由划分为若干个入向路由组，并由卫星互联网实现入向路由的自动负载均衡和高度的可靠性。各相关业务单元会定期通过出向路由发送关于各入向路由组的实时更新信息。

下行链路载波为终端设备提供了与卫星互联网下行链路相关联的所有上行链路组的突发时间表。该计划则明确了以下几个关键信息：

（1）允许终端传输的入向路由频率和突发类型。

（2）突发的持续时间和位置。

信关站还会发布所有进入方向接入域的所有流量负载级别。终端根据所掌握的流量负载数据选择装载最少的方向接入域。此外，终端还可以通过接收到的广播信道提供的流量数据来动态调整这些方向接入域。该广播数据始终由终端持续监控，并用于获取可使用的方向接入域及其内部资源情况。卫星互联网系统信息接收过程如图 2 所示。

图 2 卫星互联网系统信息接收过程

在空闲模式下，在端点设备必须监视并接收所有的 routing group 定义数据包（Routing Group Definition Packet, RGDP），这些数据包包含了各条目 route 的详细信息。随后，在这些 RGDP 数据包的基础上进行广播操作。当需要切换至活跃模式时，在满足可用性和已被公布的负载条件下，在已配置的所有 routing groups 中进行目标 routing group 的选择。完成目标 routing group 的选定之后，在未被占用频段上发送所需的 bandwidth request，并持续监控该选定的目标 routing group 的 bandwidth allocation status。一旦 bandwidth 赋予成功，则立即执行 burst 发送操作以完成资源分配过程。

3.2 寻址和路由

该系统为卫星互联网分配了一组固定IP地址；这些IP地址既能提供唯一的全球网络标识,又能对应于每个终端所属的全球信关站,同时具备内部子网卫星互联网专用IP的支持能力。该信关站负责将全球IP地址与内部子网卫星互联网专用IP之间的转换任务（采用网络地址转换技术简称NAT）。

在寻址和路由过程中会为系统内的每个节点分配一个静态IP地址。一旦用户成为该卫星互联网系统的成员，则该分配下来的IP地址将保持不变。所有节点所使用的IP地址都是为了使公共网络中的主机能够通过卫星互联网与其相关联的目的设备之间建立通信而设置的目的地址。当节点需要与外部设备建立连接时，在发送给中间节点（信关站）的数据包中必须包含目标设备对应的IP地址信息。此外，在通过地面网络传输的数据包中也会包含外部设备的目标IP地址字段，以便实现对目标设备的有效路由。

当终端实施NAT策略时,仅当该设备已与全球唯一的公网IP地址绑定后方能成功建立连接.

卫星互联网内部不采用IP地址作为路径选择依据，在该网络中实现基于卫星网内部节点使用的MAC地址相关的第2层协议来进行路径标识与选择。
终端系统在其注册过程中自动生成并配置其唯一标识。
不同终端设备与同一信关站关联时所使用的外部IP地址及对应的本地MAC地址信息被存储在此处。

对于经由出向路由送达信关站的IP数据包而言，在完成终端IP地址与内部卫星互联网MAC地址间的对应关系建立后，在接收后的IP数据包被封装成协议数据单元（PDU）的过程中，则包含了用于卫星互联网系统路由所需的内部MAC地址信息。

内部 MAC 寻址在卫星互联网系统内提供了以下 3 种连接类型 。

点对点（End to End Communication, E2E）是一种通信模式。通过单播地址配置，在信关站与卫星互联网接收设备之间实现信息的一一同步传输。

（2）单点对多点（Point to Multipoint, PTM）。通过多播地址传输相同的指令信息至一组卫星互联网终端。

该系统采用了广播地址技术，在信关站实现了相同信息的向各处的卫星互联网接收设备传输

在入向路由方向上,终端将通过入向路由载波的形式发送信息.将IP数据包封装好后包含IP地址,该IP地址标识将会经过入向路由到达互联网路由器的最终目标节点.在准备通过地面互联网发送IP数据包之前,信关站会先去除卫星网内部的路由封装信息.

3.3 访问会话

卫星互联网向用户提供了一个虚拟空间中的'持续在线'服务，在完成注册后无需再进行电话连接或会话建立操作。在这种'始终在线'模式下，所有已注册的卫星互联网终端将通过分配的IP地址与内部网络相连，并持续地与外部互联网保持IP连接状态，在此状态下无需启动或终止任何会话过程。 ground station serves as the connection point for integrating satellite internet with terrestrial networks.

当处于空闲模式时，信关站持续保持接收IP数据包的状态。终端需要与信关站进行控制数据包交换，以便获取用于传输的入口接入带宽。

卫星互联网网络平台对于依据用户 IP 地址配置的用户主机与互联网服务器之间的连接服务透明化处理。

3.4 带宽请求和分配

为了获取必要的带宽资源，在卫星互联网系统中指定的入向路由组上进行带宽申请。该终端借助Aloha信道发送相应的BAR类型数据包。

信关站负责处理所有带宽请求，并通过与特定入向路由组相关的多播逻辑信道发送确认带宽请求。当信关站确定要在某个入向路由组上进行带宽分配时，则必须发射带宽分配包（Bandwidth Allocation Packets, BAP），此数据包将明确标识该入向路由组内的活动终端及其所占用的时隙信息。在终端完成分配时隙后的突发传输中, 信关站将指示哪些突发被正确接收. 带宽资源分配流程如图3所示. 网际访问点（Internet Access Point, IAP）作为无线网络与传统网络之间的关键节点, 其功能类似于网桥角色，在无线网络与传统网络之间实现帧数据的转发.

图 3 带宽请求分配过程

3.5 过渡到空闲状态

当终端完成数据传输并在未获得所需带宽分配的情况下时,它会切换为空闲模式.该切换由信关站负责管理,即使当前状态下无需发送任何数据,当终端成功获取所需带宽后仍需执行发送操作.一旦处于空闲状态,该终端将发起新的带宽申请请求以恢复正常的入路通信功能.

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通信传输技术

卫星互联网系统中可靠的信息传输基于以下条件。

（1）拥有每种信息类型专用的封装格式。

（2）将信息分割成不同封装格式长度限制范围内的片段。

（3）传达预先建立的消息类型的逻辑通道的定义。

（4）不同类型逻辑通道具有错误保护、错误检测和错误控制的能力。

终端互联网用户通信可以按照以下步骤通过卫星互联网系统。

（1）PC 向 终 端 的 室 内 接 收 单 元（Indoor Receive Unit，IRU）发送 IP 数据包。

（2）IRU 在入向路由载波上分段、封装和传输每个 IP 数据包。

（3）信关站将从终端接收的突发中重组每个 IP 数据包。

信关站采用接收到的数据包中的目标地址，并经由互联网实现与目标主机的通信连接

目标主机接收的数据包在信关站暂时存储后,随后通过通信接口完成发送至终端的过程.

4.1 封装格式

终端与接入站对等层中的进程通过指定为PDUs 的设置格式实现相互交互。主要包含三类典型的PDU：物理层面的状态机（PHYSICAL STATE MACHINE, PHYSICAL SM）、以太网介质访问控制状态机（ETHernet MEDIA ACCESS CONTROL STATE MACHINE, ETH MAC SM）以及接入线路状态机（ACCESS LINE STATE MACHINE, ACCESS LINE SM）。这些信息按照本文所述的形式通过空中接口进行交换

不同对等层之间的 PDUs 交换如图 4 所示。

图 4 对等层之间的 PDUs 交换

4.2 分段和打包

将卫星互联网系统之间传输的封装格式称为 PDU。

跨卫星互联网对等层使用的 PDU 格式包含头部、服务数据单元以及有效载荷和尾部，并通过各层均特意为之的方式进行规范。

原语SAP包含卫星协议各层次所需的具体信息与指令配置。
由高层PDU打包的信息经由较低层次的SDU传输至相应位置。
其中特别地，在多路复用器子层中采用DVB-MPEG兼容协议进行分组传输。
该编码方案可使不同服务共用同一个输出端口。

卫星互联网出站方向使用的不同封装格式如图 5 所示。

图 5 卫星互联网出向数据流

入口路由的打包方式如图6所示，其与未采用多路复用层的出口路由打包方式相同。

图 6 卫星互联网入向路由数据流

4.3 逻辑信道

卫星互联网中的相关类型信息包括用户、控制及管理数据等，在传输过程中主要借助逻辑信道这一专用通道来实现数据流动。该逻辑信道设计为单方向通道，在接收方向和发送方向均已明确设定相应的功能模块以确保通信过程的一致性和可靠性。

出向路由逻辑信道根据输入信息的特征进行分类。

（1）通信信道。用于传输用户平面和管理平面的信息。

（2）控制信道。用于传输控制平面的信息。

在入向路由方向上, 卫星互联网通过提供通信与控制信道的支持, 实现特定端点至关站（采用星型架构）或端点间直接通信（采用网状架构）的PTP连接建立. 根据所使用的信道带宽特性, 可判断其是否允许多个端点共享使用或是专供某一个端点使用, 进而对相关的逻辑信道进行分类. 卫星互联网总共将这类逻辑信道划分为两大类.

空闲信度属于通信系统中的一个重要组成部分。它们是由多个卫星互联网终端进行竞争性地使用和共享的一种特殊资源，在通信领域中也被称为Aloha 信任号段。一般而言，在这些空闲信任号段上会发送控制信息。

（2）分配信道。为某个特定的卫星互联网终端而专门设置了一组信道，在预定的时间间隔内负责传输用户的各项数据信息。这些通道不仅用于发送主站信号，还被用来发送控制信息。

此外，空闲的信道资源也可被用来支持用户的通信活动。见图 7所示，通信信道类型及其连接关系得到了详细说明。

图 7 通信信道类型及其连接

在出向路由与入向路由的方向上分别设置了不同类别的逻辑控制信道类型，如图 8所示。

图 8 逻辑控制信道类型

4.4 差错控制

在卫星互联网系统中，误差控制措施是基于协议栈各层级上综合运用相应误差控制策略实现的。具体来说，在协议栈的不同层级上分别采用相应的误差控制策略进行综合运用。

（1）物理子层中的 FEC。

（2）MAC子层中的循环冗余检测（Cyclic Redundancy Check, CRC）负责处理低密度奇偶校验码（LDPC Code）的入向路由；BCH码则专门负责纠正和检测Turbo编码过程中的突发错误。

（3）控制 SLC/MAC 段重复的规程。

卫星互联网中 FEC 的设计在出向路由和入向路由方向是不同的。

（1） 出 向 路 由 方向 使 用 Reed-Solomon、BCH 和 LDPC 的级联编码。

（2）入向路由方向使用 Turbo 编码或 LDPC编码。

在不同逻辑信道上进行卫星互联网中的重复行为涉及三种不同的操作模式：一是未确认的操作流程、二是经过确认的操作程序以及三是竞争访问机制。

4.4.1 未确认的操作

未确认的操作涉及出向路由方向上的所有逻辑信道以及各种寻址模式。
在这些未确认的操作中，在发现传输错误或格式错误时（ MAC PDU 未被确认并不得重新发送）。

4.4.2 确认的操作

卫星互联网在入路数据传输链路、数据信道以及逻辑信道上支持确认操作。确认操作采用基于自动重传请求的技术来实现错误纠正。该技术通过发送额外的数据包来重新发送损坏的数据。

该协议支持选择性再传机制，在此机制中仅限于输出端路径层未完成确认的相关入站流量异常报文将被终端进行再发。

信关站和终端的错误检测基于 MAC 子层中包含的 CRC 字段。

4.4.3 竞争访问

采用回退-重试机制进行竞争访问以协调多个终端对这些入向路由逻辑信道的需求。这类无冲突管理能力的入向路由逻辑信道被称为Aloha信道。通过改进Aloha协议的技术手段使得多样性Aloha设计能够在同一时间一个频段内实现不同终端间的同步发送从而有效降低冲突的发生概率。

用于管理通信过程中的信息传输的主要方式是Aloha信道。它主要负责协调并限制来自终端设备的入路方向上的带宽请求。此外，在实际应用中，该系统通常会将这两种类型的消息进行整合处理。

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结 语

新型卫星互联网的发展将显著增强基于IP的双向宽带卫星网络能力该系统能够兼容星型和网状的结构本文深入研究了现有技术并对现有方案进行了创新性改进在此基础上构建了一种新的多层对等协议该协议能够有效开发出一套专门针对信关站与终端之间通信需求的技术框架这种框架不仅能够隔离出与卫星相关的功能还能够独立出其他不涉及 satellite 的功能从而形成了一个清晰的层次化架构为了实现这一目标我们重点研究了以下几项关键技术：1 系统级的设计方案2 数据传输机制3 接入方式优化4 多业务协同运行支持方案通过以上技术手段我们成功地为以下关键应用提供了解决方案：1 卫星互联网系统的随机实时接入2 卫星网络互联的技术支撑3 宽带传输能力的提升4 多业务类型下的系统扩展能力得到了全面覆盖