楊 森，吳 彥， 戰(zhàn)文杰

0 引言

星座衛(wèi)星通信是今后衛(wèi)星通信的主要發(fā)展方向之一，能夠支持多業(yè)務、多速率、多頻段、多體制、多軌道類型，能夠有效解決目前中國衛(wèi)星通信空間段資源不足、軌道類型單一、覆蓋范圍小、體系不完善、建設規(guī)模小、抗攻擊能力差、無星間鏈路、網(wǎng)絡化水平低、信息綜合能力弱等方面的問題[1]。而且因其寬覆蓋范圍、優(yōu)良的傳播能力和不受各種地域條件限制等優(yōu)點成為無線因特網(wǎng)接入的重要途徑。但是就中國實際國情，目前還難以建成一個能夠覆蓋全球的星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)，而首先建立一個區(qū)域覆蓋的星座系統(tǒng)，然后向全球覆蓋過渡，不但可行而且需要，這里研究的對象就是能夠覆蓋中國領土的24/3/1區(qū)域覆蓋Walker星座。

目前，24星Walker星座還處于理論研究和驗證階段，對于該系統(tǒng)的網(wǎng)絡性能，特別是對于TCP協(xié)議在該網(wǎng)絡中的性能，沒有現(xiàn)成的資料和數(shù)據(jù)可供參考。信道速率、分組長度、發(fā)送窗口的大小和誤碼率等條件的不同組合都會對TCP協(xié)議性能產(chǎn)生不同的影響[2]，首先在NS2中建立了24星的星座網(wǎng)絡模型[3]，然后在該模型下通過仿真給出TCP協(xié)議在各種情況下性能表現(xiàn)，為下一步的工作提供理論參考。

1 低軌星座衛(wèi)星通信中TCP協(xié)議的特殊性

TCP協(xié)議是一種端到端的協(xié)議，為了進行流量控制和擁塞控制，該協(xié)議采用了慢啟動、擁塞避免和滑動窗等機制，在地面網(wǎng)絡中運行非常成功。雖然與靜止衛(wèi)星通信相比，低軌星座衛(wèi)星通信的通信時延小很多，TCP協(xié)議中慢啟動算法帶來的問題并不明顯[4]。但是，低軌星座衛(wèi)星網(wǎng)絡具有變化幅度很大的分組往返時延（RTT，Round-Trip Time）、頻繁的切換、較高的信道誤碼率及信號衰落等特點，這些特點使得TCP協(xié)議在衛(wèi)星移動信道中的效率受到較大影響。

①衛(wèi)星移動引起信道的頻繁切換和網(wǎng)絡拓撲的不斷變化，使得分組的傳輸時延大幅變化，而且在某些時刻信道的分組丟失率極高；②雨衰、多徑衰落、陰影效應和切換等都會造成信道的誤碼率急劇增加，造成數(shù)據(jù)分組在衛(wèi)星信道上的丟失，而TCP協(xié)議無法區(qū)分由于擁塞和鏈路惡化造成的分組丟失，卻統(tǒng)一認為是由于擁塞而引起的，這就會降低網(wǎng)絡的吞吐量，而且當確認符（ACK，ACKnowledge Character）分組丟失時，吞吐量會進一步惡化[5]。

2 仿真模型

現(xiàn)采用比較流行的網(wǎng)絡仿真軟件NS2進行建模和仿真[3]，在該軟件下建立了一個24星的區(qū)域覆蓋的星座網(wǎng)絡模型，基于該模型對星座通信網(wǎng)絡的性能進行仿真。

2.1 區(qū)域覆蓋星座網(wǎng)絡模型

在NS2中建立一種區(qū)域覆蓋的24/3/1Walker星座網(wǎng)絡模型，該星座提供帶狀覆蓋區(qū)，可以覆蓋中國全部領土。星座中共有3個軌道面，每個軌道面的8顆衛(wèi)星建有持續(xù)的星際鏈路，軌道面之間依次通過不同的衛(wèi)星建立“接力型”星際鏈路，其中異軌衛(wèi)星間的“建鏈”情況如表1所示。

2.2 NS2中仿真場景參數(shù)設置

在NS2中除了設置星座系統(tǒng)的基本參數(shù)外，對星座網(wǎng)絡仿真場景的設置如表2所示。

表2 星座網(wǎng)絡仿真場景

3 仿真結果

3.1 網(wǎng)絡的傳輸時延

首先為了給出該網(wǎng)絡的傳輸時延，在位于北京和廣州的兩個終端之間建立用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP，User Datagram Protocol）連接，承載固定碼率（CBR，Constants Bit Rate）業(yè)務，假設上下行鏈路帶寬均為256 kb/s，分別給出網(wǎng)絡在一個回歸周期內(nèi)和一個軌道周期內(nèi)的時延特性如圖1和圖2所示。

圖1 一個回歸周期內(nèi)的網(wǎng)絡延時

圖2 一個軌道周期內(nèi)的網(wǎng)絡延時

在星座網(wǎng)絡中，隨著星際鏈路的切換，網(wǎng)絡傳輸延時發(fā)生巨大變化，但由于星座運行的規(guī)律性，網(wǎng)絡傳輸延時也呈現(xiàn)出規(guī)律性。圖1給出了一個軌道回歸周期的時延，也就是說該網(wǎng)絡的時延以回歸周期為周期重復。為了清楚的看到星座拓撲變化給傳輸延時帶來的影響，圖2給出了一個軌道周期內(nèi)的時延變化情況，可以看到隨著經(jīng)過的衛(wèi)星跳數(shù)變化，時延急劇變化。

3.2 TCP性能與信道速率和窗口大小的關系

同時，TCP協(xié)議的性能受到很多因素的影響，比如信道速率、分組長度、窗口大小、時延以及鏈路丟包率等，下面給出星座網(wǎng)絡中各種條件下的TCP性能，主要用平均吞吐量和平均分組傳輸時延衡量。由于在NS當中窗口大小是以分組數(shù)為單位的，因此，窗口大小和分組長度共同構成TCP中窗口，而且NS中的單向TCP協(xié)議的接收窗口通過初始設置為固定值。

當接收窗口為40個分組時，在各種信道速率下，吞吐量和分組傳輸時延與信道速率和分組長度之間的關系如圖3和圖4所示。

固定NS中的窗口，不斷調整分組長度等效于調整窗口的效果，從圖3可以看出，不管信道速率大小，增加分組長度對吞吐量的提升并不是很明顯，當分組長度從200增加到1 000字節(jié)時，吞吐量大約增加20%。但對分組傳輸時延的影響卻較大，當分組長度從200增加到1 000字節(jié)時，分組傳輸時延增加3倍。

圖3 吞吐量、信道速率和分組長度的關系

圖4 分組傳輸時延、信道速率和分組長度的關系

3.3 TCP各改進版本的比較

目前，針對各種特殊的信道條件已經(jīng)提出了多種TCP的改進版本。主要有：

①Tahoe：傳統(tǒng)的 TCP，基于丟包的擁塞避免和快速重傳，慢啟動。

②Reno：Tahoe對丟包非常敏感，1%的丟包率會導致吞吐率降低50%～75%。Reno在Tahoe基礎上增加了快速恢復，可以一定程度上緩解這一問題。

③Newreno：Reno的快速恢復算法在“快速恢復”了第一個丟失的segment，即收到一個非重復、有效的ACK之后就退出了快速恢復。這樣當同一個窗口中有多個segment丟失時，該算法只能對第一個丟失的包進行快速恢復，導致性能降低。Newreno的快速恢復算法做了小小的改進：在收到非重復、有效的ACK之后，只有這個ACK對發(fā)生丟包的窗口內(nèi)的所有數(shù)據(jù)做了確認，才退出快速恢復算法。

④Vegas對傳統(tǒng)TCP做了相當大的改進，具體如下：a. 更快速的重傳：為了避免對操作系統(tǒng)粗粒度時鐘的依賴，Vegas在每次重復的ACK到來時，都檢查對應的segment是否已經(jīng)可以超時重傳，另外，發(fā)生重傳時，如果重傳的segment是在上一個大小的擁塞窗口下發(fā)送的，則不對擁塞窗口做減半操作，這么做可以避免擁塞窗口被過分減小導致傳輸性能下降；b. 擁塞預測：利用吞吐率的變化調整擁塞窗口，而不是利用丟包來檢測擁塞。每收到一個有效的ACK，計算如下三個值：Expected=WindowSize/BaseRTT；Actual=SentData-ActualRTT；Diff=ExpectedActual，其中，BaseRTT是該連接上觀測到的最小的 RTT值；ActualRTT是被確認segment被發(fā)送到收到 ACK的時間間隔；SentData是ActualRTT內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)量。Vegas定義兩個常量a，b（a＜b)，當Diff＜a時，則線性增加擁塞窗口；當Diff＞b時，線性減少擁塞窗口。這種擁塞控制方式是在擁塞將要發(fā)生時控制，而不是在擁塞發(fā)生后控制；c. 慢啟動的改進：與擁塞預測的改進機制類似，通過監(jiān)視吞吐率的變化來決定是否離開慢啟動模式。TCP Vegas的最大優(yōu)點在于擁塞機制的觸發(fā)只與RTT的改變有關，而與包的具體傳輸時延無關。由于 TCP Vegas不是利用丟包來判斷網(wǎng)絡可用帶寬，而是以RTT的變化來判斷，因此能更精確地預測網(wǎng)絡的可利用帶寬，其公平性、效率都較好。

現(xiàn)在信道速率為256 kb/s、接收窗口為30、分組長度為800 Byte時，對各種版本的TCP協(xié)議在不同丟包率的情況下進行了仿真，平均吞吐量和平均時延分別如圖5和圖6所示。

圖5 各種TCP版本的平均吞吐量比較

圖6 各種TCP版本的平均延時比較

從圖5可以看出，在窄帶星座衛(wèi)星系統(tǒng)中，F(xiàn)ack的吞吐量始終最小，而NewReno的吞吐量最大，其他幾個版本的吞吐量都相差不多，而且丟包率不同時，有不同的性能。吞吐量對丟包率敏感，隨著丟包率的增加，吞吐量急劇惡化。在圖6中，當丟包率小于0.05時Vegas的時延明顯小于其他各個版本的，而且?guī)缀醪皇軄G包率的影響，表現(xiàn)出良好的性能，而其他版本的則相差不多。由于取的是時延的平均值，因此當丟包率稍微增加時，時延反而會變小，但當丟包率進一步增大時，時延則會迅速惡化。

4 結語

低軌星座系統(tǒng)由于具有良好的覆蓋性能和較小的分組傳輸時延，具有很好的應用前景，但高的誤碼率和變化的分組時延給網(wǎng)絡性能帶來較大影響，因此，如何利用該系統(tǒng)作為地面網(wǎng)絡的補充進行因特網(wǎng)接入是一個值得探討的問題。這里對平均吞吐量、平均傳輸時延與信道速率、窗口大小以及丟包率的關系進行了研究，并在不同丟包率的情況下，比較了TCP各個該進版本的性能，得到了一些有益的結論，為進一步的工作提供參考。

[1]張更新,張杭.衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)[M].北京:人民郵電出版社,2001:700-734.

[2]PARTRIDGE C, SHEPARD T. TCP-IP Performance over Satellite Links[J]. IEEE Transactions on Networking, 1997,11(05):44-49.

[3]徐雷鳴,龐博,趙耀.NS與網(wǎng)絡模擬[M]. 北京:人民郵電出版社,2003.

[4]BRAKMO L, MALLEY S, PETERSON L. TCP Vegas: New Techniques for Congestion Detection and Avoidance[C].USA:ACM, 1994:24-35.

[5]葉斌,胡谷雨,倪桂強. DSR路由信息存儲的無線 TCP性能改進方法[J].應用科學學報，2007, 25(03):34-38.