软件定义网络（SDN）
在卫星组网中的发展与应用
一、摘要
近年来，新技术的引入，推动了通信领域的发展，许多传统通信领域正在引入新技术以提高服务能力，例如，把软件定义网络技术（SDN）、网络虚拟化和网络功能虚拟化技术（NFV）引入卫星通信与地面网络融合领域，可有效提高组网的灵活性、可扩展性，解决与地面网络无缝集成的问题，并进一步降低成本，进而为用户提供更多更好的服务。
本文将重点讲述SDN技术在卫星通信中的应用。
二、简介
近年来，卫星网络在通信领域的潜在优势得到更广泛关注，在网络技术方面，天地一体化网络已经提出并成为发展趋势。然而，下一代卫星网络技术的发展仍面临许多困难，一方面，分布式路由算法收敛速度慢，网络配臵复杂、模糊，缺乏灵活的路由技术支持。另一方面，卫星网络的特点对网络性能提出了挑战，例如，动态拓扑属性导致路由算法不稳定，星地间的远距离通信导致网络更新更耗时。此外，卫星系统使用的各种通信技术和协议使跨系统互联难上加难。SDN技术的应用将有效解决这些问题。
三、背景
SDN起源于2006年斯坦福大学的Clean Slate研究课题。
2009年，Mckeown教授正式提出了SDN概念。利用分层的思想，SDN将数据与控制相分离。在控制层，包括具有逻辑中心化和可编程的控制器，可掌握全局网络信息，方便运营商和科研人员管理配臵网络和部署新协议等。在数据层，包括哑的（dumb）交换机（与传统的二层交换机不同，专指用于转发数据的设备）。交换机仅提供简单的数据转发功能，可以快速处理匹配的数据包，适应流量日益增长的需求。两层之间采用开放的统一接口（如OpenFlow等）进行交互。控制器通过标准接口向交换机下发统一标准规则，交换机仅需按照这些规则执行相应的动作即可。因此，SDN技术能够有效降低设备负载，协助网络运营商更好地控制基础设施，降低整体运营成本，成为最具前途的网络技术之一。因此，SDN被MIT列为“改变世界的十大创新技术之一”。SDN相关技术研究迅速开展起来，成为近年来的研究热点。2013年，SIGCOMM会议收录了多篇相关文章，甚至将SDN列为专题来研讨，带动了SDN相关研究的蓬勃发展。
从广义上讲，SDN指的是可利用上层开放的应用资源接口实现，软件编程控制的各类基础网络；从狭义上讲SDN就是基于标准Open Flow (转发面开放协议)实现的软件定义网络。SDN的核心思想：通过将网络设备的控制面和数据面分离，实现对网络流量的灵活控制。与传统网络的最大不同是，SDN中包含两种关键设备：Open—Flow交换机和控制器。其中控制器负责汇总各个OpenFlow交换机上的数据，根据规则转发每一条数据流。
OpenFlow交换机除了向控制器提供数据以外，还根据控制器的指令，将数据流转发到相应的端口。SDN的核心理念是通过将网络设备的控制面和数据面分离，实现对网络流量的灵活控制。SDN 将原有以硬件配臵为核心的网络转变软件化的网络，可以实现网络管理的灵活、便捷。传统的网络以路由器、交换机等硬件设备为主使用TCP／IP协议簇来实现网络的控制和管理。传统的网络结构是分布式的，每个路由器根据自己所获取的路由信息进行数据包的转发，多个路由器的故障不会对网络产生较大影响。这种网络模式可以最大限度地保持网络的稳定性，但是网络的利用率较低、扩展性较差、管理难度大。与之相反的是，SDN网络致力于建立一个集中式的网络管理结构，网络控制器负责网络内所有数据流的管理，每一条数据流都有一条数据通道。因此这种结构下，网络的利用率较高，网络传输效率也较高，但是同时也导致网络的复杂度巨大。SDN的另一个重要特点是可以灵活管理互联网应用的部署，网络优化策略更易实现。传统的网络结构中，不能实现针对某个应用的网络控制策略，对于所有的数据流一视同仁。而SDN可以通过网络控制器根据业务的优先级，为不同业务的数据流建立数据转发通道。
四、优点
SDN在卫星网络应用的优点：
一是灵活、可控的动态路由算法：目前大多数卫星系统采用静态路由方法，以保证卫星网络的可靠性和可控性，例如铱系统，
而传统的控制结构是不灵活的。近几年，动态路由算法、分布式链路状态收集和路由计算方法被大量使用。虽然它们能适应网络流量变化的特点，但是分布式算法降低了卫星网络的可控性。每颗卫星都很难得到全球网络视野，导致在很多情况下不能够产生最优化的路由和配臵策略。将SDN技术引入控制结构，就可以解决效率问题。软件定义网络技术分离数据平面和控制平面，并采用集中控制结构与全球网络，以计算全局路由路径和配臵策略。同时，可以根据交通状况和客户的要求调整这些策略，改进传统的灵活性卫星网络的静态路由算法。
二是迅速部署和更新卫星网络配置：随着空间应用的增加，卫星的数量和载荷的复杂性都在增加，相比地面网络，改变整个卫星网络的配臵是非常困难的。SDN的中央控制特性简化和标准化了卫星节点的处理功能，并且所有复杂的网络控制和计算功能都设臵在地面站和NOCC。所有接受新的配臵信息的卫星都可以自动更新无需额外的人工干预。此外，在星间链路或GEO卫星广播单层间转发新的路由表和配臵策略还可以加快全球配臵的更新过程。
三是提供灵活的，细致的，可扩展的网络控制：SDN在卫星组网架构中，路由计算和全球网络视图可以更灵活地适应时变网络状态，例如业务量分布平衡，多播路径修改和节点故障管理等。在传统的卫星网络，低效的控制结构和相对固定的路由策略，无法支持更细致的管理和不断变化的客户要求。而在SDN架构中，
我们可以为特定客户设计网络管理策略NOCC，不仅关注路由管理同时也对客户访问、通信计费和客户漫游进行控制。一旦网络需要扩展，SDN可以在一瞬间有效地的修改和更新全局网络配臵。
四是卫星协同覆盖和干扰规避：相较于客户的控制策略，卫星之间的合作和资源共享更加值得关注，传统的分布式协作覆盖算法将导致过量的卫星间图，降低了资源利用效率。而在SDN架构中，卫星只需要互动NOCC即可在规定的时间内完成全球覆盖调整和干扰回避。
五是卫星系统有更好的相容性：目前，软件定义的无线电（SDR）技术已经发展成为卫星的有效负载。其硬件可编程为多模式操作，无需改变硬件本身，即可完成无线电重配臵、远程升级以及容纳新的应用和服务等功能。SDR技术主要提供了可编程物理层，与软件定义的网络相结合技术，整个卫星网络系统可以提供可编程性和灵活性，从物理层到互联层。这将使未来卫星网络系统可以互连更多的异构航天系统和终端，具备了更好的向后兼容性。
六是较低的卫星系统成本：新的架构降低了系统的成本，新卫星的所有控制逻辑将由地面实现，这使得卫星设计更加简单，配臵和更新组建更加容易。使用地面成熟的SDN技术，卫星的设计和实现成本可以在很大程度上降低。同时，新的控制结构的ISL转发和GEO广播可以减少地面站，有效降低了总系统的投资。
五、引用
1、Future Space-based Communications Infrastructures based on High Throughput Satellites and Software Defined Networking T. Rossi, M. De Sanctis, E. Cianca, C. Fragale, M. Ruggieri
2、Software Defined Networking andVirtualization for Broadband Satellite Networks
Lionel Bertaux, Samir Medjiah, Pascal Berthou, Slim Abdellatif, AkramHakiri, Patrick Gelard, Fabrice Planchou, and Marc Bruyere
3、Software Defined Satellite Networks: Benefits andChallenges
Zhu Tang, Baokang Zhao, Wanrong Yu, Zhenqian Feng, Chunqing Wu National University of Defense Technology
4、Performance Evaluation of Software Defined and Cognitive Wireless Network Based Disaster Resilient System
Goshi Sato, Noriki Uchida, Yoshitaka Shibata1g
浅谈军事通信卫星发展及趋势 【摘要】现代防御技术指挥控制与通信中，通信卫星成了指挥、控制、通信和情报收集的重要工具，是满足决策部门、军事指挥部门、军政领导通信需要，应付突发事件的一种有效手段。本文阐述了军事通信卫星在现代战争中的作用并对其发展及趋势进行分析。 【关键词】军事战略；卫星通信；应用状况；发挥作用；发展趋势 引言 卫星通信系统实际上也是一种微波通信，它以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信，卫星通信的主要目的是实现对地面的“无缝隙”覆盖。卫星通信是以卫星作为中继的一种通信方式，是在地面微波中继通信和空间电子技术的基础上发展起来的，具有通信距离远、覆盖范围广、不受地面条件的约束、建站成本与通信距离无关、灵活机动、能多址连接且通信容量较大等优点，在全球许多领域应用效果很好，尤其在军事上已成为军事通信卫星提供的现代通信手段，可为军事指挥员提供灵活的全球通信覆盖能力和战术机动性，这种通信能力是其他通信手段无法比拟的，在军事C4ISR系统中，卫星通信起着关键的作用。 一、卫星通信在国外军事及战略上的应用状况 迄今只有美、俄两国拥有独立的卫星导航定位能力，美国的“全球定位系统”（GPS）和俄罗斯的“全球导航卫星系统”（GLONASS）是世界上广泛应用的两种现役导航卫星系统。这两个系统的导航卫星都采用多普勒测速和时间测距的导航方法。GPS的定位精度可达15m，测速精度为0.1m/s，授时精度为100ns。GLONASS的三个相应数据分别为30～100m、0.15m/s和1μs。美国军方认为未来的战争将是“信息战争”，而且还认为夺取制信息权和制天权是未来战争取胜的关键。以侦察卫星、预警卫星、通信卫星和导航卫星为代表的航天系统是夺取信息优势的重要武器，因此，夺取制天权是夺取制信息权的重要保障。 军用航天系统的迅速发展极大地提高了武器装备的整体作战效能，已成为直接支援作战行动不可替代的手段。美国建立了世界上最庞大的军用通信卫星系统，包“舰队卫星通信”系统、“特高频后继星”系统、“卫星数据系统”、“国防卫星通信系统”、“军事星”通信卫星系统和“跟踪与数据中继卫星系统”……这些卫星通信系统所承担的主要任务各不相同，有的用于为某一军种或三军提供战术通信，有的用于为国防部和国家指挥当局提供战略通信。 二、卫星通信在军事及战略上发挥决定性作用 卫星通信网络是利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，从而实现两个或多个地面站之间通信的网络。通信卫星的作用相当于离地面很高的中继站，卫星通信网络分为延迟转发式通信网络和立即转发式通信网络。现代防御技术指挥
卫星移动通信在军事方面的应用 [定义] 卫星移动通信是指车辆、舰船、飞机及单兵在运动中利用卫星作为中继器进行的通信。 卫星移动通信系统由通信卫星、测控站、网管和众多的移动站组成。通信卫星可利用具有大型天线的大型同步轨道卫星，也可利用众多中、低轨道运行的小型卫星。测控站用于对卫星的定点位置或运行轨道测量跟踪和进行控制管理。网管站是本系统和其它电信网络连接的枢纽。网络管理中心协调各站的正常工作，以保证本卫星通信网正常运转。系统中可以有不同类型的移动站。 卫星移动通信的工作频段选择是一个十分重要的问题，必须考虑其电波应能穿过电离层，传播损耗和其它附加损耗应尽可能小，同时具有较宽的可用频段以及技术可行性。在卫星移动通信系统中，移动站一般使用低增益宽波束，它接收到的来波有直射波、地面反射波和散射波。这三种来波合成，会使移动站接受信号电平发生相当大的随机起伏，产生所谓的"多经衰落"，多经衰落严重时可使通信中断。 卫星移动通信系统有不同的分类方法。按卫星波束覆盖区域，可分为区域性卫星移动通信系统和全球卫星移动通信系统；按服务对象，可分为陆地卫星移动通信系统、航海卫星移动通信系统和航空卫星移动通信系统；按所用通信卫星的类型来分，可分为静止轨道（GEO）卫星移动通信系统和中/低高度轨道（MEO、LEO）卫星移动通信系统，而目前中/低高度轨道在卫星移动通信系统中发展最为显著。 无论GEO、MEO或LEO卫星移动通信的发展体现了本世纪末卫星通信的两个特点：一是面向移动电话服务，亦即窄带话音／数据服务的低轨(LEO)卫星应用；二是面向高速率信息高速公路的宽带数据服务，亦即Ka和Ku频段的低轨(LEO)卫星应用。但应注意到，在发展区域性移动电话和数据业务时，仍然不能忽视静止卫星(GEO)的成熟技术和有利条件，GEO卫星系统仍将平行地发展。 [相关技术]卫星通信；卫星移动通信；卫星通信技术 [技术难点] 无论是静止轨道卫星移动通信系统，还是中/低轨道卫星移动通信系统总的技术难点是：设备小型化、卫星智能化、网络综合化、信道带化、频率高频化轨道多样化等；就空间段而言，解决好处理转发器、自适应天线、星际链路、GEO轨道发展卫星群、非GEO轨道小卫星、轨道综合；就地面段而言应解决好自适应天
军事卫星通信系统的现状 及未来发展趋向 7’ 卫星通信在军事应用方面具有一系列的优点，例如：覆盖区域广，建设成本不随距离增 加而变化，快速延伸到新的定位点，高度灵活的网络功能，犬容量；可靠而大范围地对移动 体(舰船、飞机、车辆等)的通信服务j在战时可实现对指令和控制信息的转换和传输。军 用卫星通信不同于商业网络，它要受许多非常规性因素的影响，要具有在敌方威胁下生存的 能力。它可能遇到电子干扰，截获，通信信道／卫星控制链路的电子诱骗，空间或地面系统的实际破坏和来自于核战争的一些其他效应军用卫星通信系统应具备以下几个特性： ①在一个大范围的网络结构下提供有效的服务灵活性； ②具有为不同容量和不同终端尺寸的各种用户提供服务的能力j ⑨能适应大量低占空度(1ow-duty—cy cl e)移动用户需求的便利性； ④具有和其他网络或通信媒体的兼容性； @在不同管辖区域的卫星通信终端问的相互可操作性； @ 成本效益高和改善频谱的利用率。 2 战术卫星通信的增长 迄今为止，军事卫星通信系统还主要是有限制的固定终端，用大的天线和宽频带传输 高数据速率。战术军事通信的需求则要求发展可空中运输的终端，它可在狭小的道路上被很快运抵到一个新的位置上，并在短时问内开通，完成安全和可靠的通信。这些终端可随着部 队移动，运送到边远地区，并且敌方环境和恶劣气候条件下通信设备可短时间内建立起通 路。 由于高速移动的部件设备和运动平台(如舰船、飞机)指挥和控制的需要，卫星系统的 建造围绕较低的频段(UHF)发展，以满足关键战术通信的要求。UHF系统使用具有宽波 束的小型天线，它不需要高精度的点波束指向机构，且容易适合于移动平台。虽然，uHF 终端可以做得较小并相对价廉，但它可利用的带宽和扰干扰能力有限。需要改进的卫星通信 服务既来自于战术上的也来自战略上的用户需求，这样就导致了向更高频段的应用。随着卫 星通信系统应用的增长，一系列新的需求正在促进军事应用向更稳固和更灵活的系统发展。 3 抗威胁的对策 为了具备在不同情况威胁下能提供通信生存的能力，军事卫星通信系统与商用系统的要 1 https://www.doczj.com/doc/a418483948.html, 论文网论文大全https://www.doczj.com/doc/a418483948.html, 论文网论文大全 求是不同的。卫星通信具有固有的致命弱点：易受电子干扰和被非法截获。对卫星转发器的 干扰是一种严重的威胁；来自飞机或类似的这类平台有可能对下行链路进行干扰。因此，对 卫星或对地面，或对两者兼而有之，采取了一些对付威胁的手段。最为普遍采用的是频谱扩 展技术和天线调零技术。在军事卫星通信系统里，还采用了低截获概率技术(LPI)和复杂 的编码方法。 5．] 频谱扩展技术 频谱的扩展是一项取决于用户的抗干扰技术，即用户使用一种扩展功能来扩展其信号而 又不为敌方复制。接收机收到信号后则完成反方向的消去扩展功能。所需的信号超过干扰信
目录 一、引言 (1) 二、军事卫星通信的概况 (1) 三、军事卫星通信的系统结构 (2) 1．多轨道、多卫星结构 (2) 2．引进星际链路 (3) 3．转发器的多卫星搭载 (3) 4．多系统与多业务结合 (3) 四、军事卫星技术的发展趋势 (4) 1．多频段使用并重点向EHF发展 (4) 2．更多地使用星上处理技术 (5) 3．使用多种波束形式的天线 (5) 4．星上资源的自主控制和自适应分配 (5) 5．研究抗干扰能力强的信号形式及措施 (5) 6．先进的多址技术 (6) 五、总结 (6)
军事卫星通信 摘要：卫星通信在现在高技术战争中的作用越来越重要，各军事大国都在大力发展军事卫星通信，而目前卫星通信又处于一个大的发展时期，可以预见在未来的十年到二十年时间内，卫星通信将面临许多重大的改革。 关键词：军事卫星通信卫星系统 Abstract: satellite communication in the role of the high-tech war now is more and more important, the military powers are strongly in develop military satellite communications, satellite communication and at present and in a bigger development period, can foresee in the next ten years to twenty years time, satellite communications will face many major reform. Keyword s: military satellite communications satellite system 一、引言 1991年的海湾战争中，美国动用了12类50多颗各种军用和商用卫星构成战略侦察网，将沙特、伊、科边境的战况,及时传送到远在10000多千米之处的美国五角大楼，五角大楼将收到的情报进行处理，然后将最新信息发给前线的多国部队，以便做出反应，以精确制导技术以及陆、海、空三位一体的作战体系，将伊拉克的重要军事目标摧毁或者占领，使伊拉克的通信系统陷入瘫痪，并在100个小时内结束战斗，同时将己方伤亡减少到最低。 在海湾战争中，美国的军事卫星通信系统的成功运用，震惊了全世界，引起了全世界各个国家、地区争先发展本国的卫星通信系统，并在原先的制陆权、制海权、制空权的基础上，提出了制天权，由此可见卫星通信的重要作用。 我国也不甘落后，大力发展卫星通信并取得了重大的成就。 二、军事卫星通信的概况 国外从60年代起便开发军用通信卫星及军用地球终端，最早投人应用的是美国的第一代DSCSf~ IDCSP)系统，它使用多颗周期为22小时的赤道准同步轨道卫星，于1967年正
浅谈军事卫星通信的干扰 摘要：本文主要研究了军事卫星通信系统所面临的抗干扰问题，对其干扰因素进行了分析，简要探析卫星通信系统的抗干扰技术，设计出干扰分析决策系统。 关键词：卫星通信干扰抗干扰 现今，空间已经成为影响各国军事主导权的重要领域，而空间的战场是靠通信卫星来掌控的，但是由于卫星的四周并无封闭的区域，其只能自始至终敞开暴露在空中，极易受到对方各种方式的攻击，因此卫星通信中的干扰与抗干扰的话题，始终成为这一领域关注的焦点。以下篇幅，笔者将对现阶段卫星通信所面临的干扰及抗干扰因素作以总结，并针对干扰及抗干扰问题，提出自己的浅薄之见。 一、卫星通信所面临的干扰 作为特殊信道的卫星信道由两条链路组成：上行链路和下行链路。对卫星通信系统的干扰通常是通过对这两条链路进行的。 （1）对上行链路的干扰 正是由于通信卫星都暴露在空中的确定轨道上，因此极容易被敌方发现并进行相应的干扰。而一旦上行链路中的转发器受到了干扰，那么通过此转发器的所有用户都会受到影响。 （2）对下行链路的干扰 由于地面站天线具有方向性，若想干扰通信卫星，必须使得干扰机接近信号接收地面站。对于军事卫星来说，不同种类的卫星受到干扰的程度各不相同。对于战略卫星而言，各国的地面站会设定一定的保护措施，使得敌方难以接近，因此干扰效果会大打折扣。而对于战术卫星来讲，由于其距离敌方较近，受到干扰的效果会较强。 （3）对卫星的干扰 若卫星本身受到干扰，则整个卫星通信系统将面临瘫痪的状态。由于卫星距离地球站以及干扰机相近，与二者之间的关系又是共视的，且卫星天线覆盖范围较广。因此，即使对天线的方向图进行了赋型处理，但是只要在邻国或公海有足够的EIRP，那么在卫星天线所能覆盖到得范围内，干扰地球站的信号就能对卫星起到干扰效果。 二、卫星通信的抗干扰技术 由于卫星通信干扰源的差异性，对通信系统产生的影响不尽相同。因此，为了确保卫星通信系统的正常运行，必须采用综合的手段与其对抗。 （一）扩展频谱技术 1.直接序列扩频（DS）抗干扰 直接序列扩频信号通过高码率的扩频码序列来实现信号的频谱扩展，从而使得单位频带内的功率变小，使信号的功率谱密度变低。在此情况下，通信便可在热噪声和信道噪声的掩饰下，使对方忽略信号的存在。而在接收端采用相同的扩频码技术进行解扩从而恢复扩展后的信号。由于干扰信号与扩频码的非相关性，接收端在解扩时可实现对干扰信号的处理增益。 2.跳频抗干扰 跳频技术是目前主要应用于军用通信中的技术，它可以有效地避开干扰，发挥通信应有的效能。跳频是利用载波频率的随机跳变性来实现在一个远大于信号带宽的带宽内躲避干扰。对方如果要达到完全干扰信号的目的，那么必须要干扰