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卫星通信组网控制和管理技术

作译者：胡谷雨,缪志敏,李华波等

出版时间：2023-01 千字数：470 版次：01-01 页数：317

开本：16开装帧： I S B N ：9787121443930

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纸质书定价：￥128.0

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第1章  卫星通信网	1
1.1  卫星通信的基本原理	4
1.1.1  卫星通信链路	4
1.1.2  卫星通信的工作频段	5
1.1.3  通信卫星及转发器	7
1.1.4  地球站的组成及功能	11
1.1.5  卫星通信的增益与损耗	13
1.1.6  卫星通信的多址接入方式	16
1.1.7  卫星通信的组网方式	18
1.2  预分配信道组网	21
1.2.1  预分配信道点对点组网	21
1.2.2  预分配信道多点组网	22
1.3  按需分配信道组网	23
1.3.1  分布式控制的SCPC	24
1.3.2  集中控制的按需分配	25
1.4  星状VSAT网络	26
1.4.1  VSAT网络	26
1.4.2  VSAT网络组成	28
1.5  网状VSAT网络	29
1.5.1  网状VSAT网络的拓扑	29
1.5.2  网状VSAT网络的按需分配	30
1.6  混合拓扑网络	31
1.7  DVB网络	32
1.7.1  DVB-S	32
1.7.2  DVB-RCS	33
1.7.3  IBIS	34
1.8  小结	35
第2章  网络管理原理与技术	37
2.1  网络管理模型	38
2.1.1  网络管理系统的组成要素	39
2.1.2  网络管理过程的驱动方式	41
2.1.3  电信管理网及Q3接口	41
2.2  网络管理功能	45
2.2.1  网络管理功能域	45
2.2.2  公共管理服务	46
2.2.3  配置管理	47
2.2.4  性能管理	48
2.2.5  故障管理	51
2.2.6  账务管理	53
2.2.7  安全管理	54
2.2.8  网络规划	55
2.2.9  资产管理	57
2.3  网络管理信息库	58
2.3.1  管理信息结构	58
2.3.2  管理信息库	60
2.3.3  被管对象类注册树	61
2.4  网络管理协议	62
2.4.1  CMIS/CMIP	64
2.4.2  SNMP	65
2.5  网络管理技术的发展	68
2.5.1  网络管理综合化	69
2.5.2  网络管理的智能化	70
2.6  小结	71
第3章  按需分配卫星通信网组网控制架构	72
3.1  按需分配的卫星通信网组网方式	73
3.2  组网控制架构	74
3.2.1  业务站的组成	74
3.2.2  组网控制中心站的组成	75
3.2.3  组网控制系统的组成	76
3.2.4  组网控制中心的备份	77
3.3  组网控制模型	77
3.4  组网控制功能	79
3.4.1  网络配置管理	80
3.4.2  链路按需建立	80
3.4.3  网络性能管理	81
3.4.4  网络账务管理	82
3.4.5  网络故障管理	83
3.4.6  网络安全管理	84
3.4.7  增强管理功能	84
3.5  被管对象模型	84
3.5.1  被管实体命名	85
3.5.2  被管对象状态	87
3.5.3  状态转换模型	88
3.6  星地资源联控	90
3.7  多网综合管理	91
3.8  小结	93
第4章  管控信息传输与操作协议	95
4.1  管控信息网络协议体系结构	95
4.2  管控操作协议	97
4.2.1  远程装载操作	98
4.2.2  命令响应操作	103
4.3  专用数据链路协议	107
4.3.1  管控信息传输链路的物理特性	107
4.3.2  共享卫星信道的多址接入方式选择	109
4.3.3  入向控制信道的ALOHA协议	110
4.3.4  误码率对ALOHA协议的影响	115
4.3.5  ALOHA协议有限次重发和拥塞控制	117
4.3.6  多载波ALOHA协议	119
4.3.7  不对称数据链路协议	126
4.4  管控信息网络的链路管理	131
4.4.1  CCU配置	131
4.4.2  入向控制信道的拥塞控制	132
4.5  小结	133
第5章  组网控制和资源分配	135
5.1  组网控制软件的基本架构	136
5.2  入退网控制与状态管理	138
5.2.1  业务站的入退网控制	138
5.2.2  业务站的身份认证	142
5.2.3  业务站的参数维护	145
5.2.4  状态一致性管理	146
5.3  业务链路接续控制	150
5.3.1  按申请建立业务链路	152
5.3.2  业务链路拆除	155
5.3.3  业务请求的排队和拥塞控制	157
5.3.4  虚拟子网	160
5.4  信道资源的优化分配	161
5.4.1  卫星通信中的干扰	162
5.4.2  卫星信道的马鞍形排列优化	164
5.4.3  动态优化的信道分配	166
5.4.4  静态优化的按序选择分配	167
5.5  业务站的发射功率控制	168
5.5.1  发射功率控制的依据	168
5.5.2  业务站的发射功率控制	170
5.5.3  简化的功率控制方案	171
5.5.4  控制信道的功率控制	172
5.5.5  透明转发器的功率占有率	173
5.5.6  转发器功率资源管理	174
5.6  网络运行日志	175
5.6.1  业务事件	176
5.6.2  运行事件	178
5.7  小结	179
第6章  网络运行管理	181
6.1  卫星资源管理	182
6.1.1  卫星资源配置管理	182
6.1.2  卫星资源监视管理	185
6.2  通信网管理	188
6.2.1  通信网管理对象建模	188
6.2.2  通信网资源管理	189
6.2.3  通信网性能管理	191
6.3  事件管理与故障管理	192
6.3.1  事件管理	193
6.3.2  故障管理	196
6.3.3  故障分析	196
6.4  网络运行评估与规划	200
6.4.1  评估指标制定	200
6.4.2  网络运行评估	202
6.4.3  网络规划	210
6.5  系统管理	212
6.5.1  安全管理	212
6.5.2  系统运行管理	213
6.5.3  性能与可靠性设计	214
6.6  小结	216
第7章  组网控制中心的备份	217
7.1  管理信息系统的备份技术	217
7.1.1  灾难恢复能力等级	218
7.1.2  灾备系统的架构与数据复制	220
7.1.3  数据库的备份方式	222
7.1.4  数据库的复制技术	223
7.2  组网控制中心的备份要求	224
7.2.1  组网控制中的数据	225
7.2.2  备份方式选择	225
7.2.3  热备份的目标和功能	227
7.3  组网控制中心的硬件设施备份架构	230
7.3.1  MIG与CCU的备份架构	231
7.3.2  管控服务器的本地备份架构	232
7.3.3  组网控制中心的异地备份架构	235
7.4  管控服务器的本地热备份	236
7.4.1  本地主备数据同步	236
7.4.2  本地主备切换控制	238
7.5  组网控制中心的异地备份	240
7.5.1  网络配置数据的异地同步	241
7.5.2  网络运行状态数据的异地同步	242
7.5.3  异地主备切换控制	244
7.6  小结	247
第8章  安全组网	248
8.1  卫星通信网特征	249
8.1.1  网络节点的特征	249
8.1.2  通信链路的特征	250
8.1.3  卫星通信网的其他特征	251
8.1.4  卫星通信网的层次结构	252
8.2  安全组网威胁	252
8.2.1  被动攻击	253
8.2.2  干扰攻击	255
8.2.3  重放攻击	257
8.2.4  仿冒攻击	259
8.2.5  劫持攻击	262
8.2.6  拒绝服务攻击	263
8.3  安全组网需求	265
8.3.1  安全通信	266
8.3.2  密钥管理	267
8.3.3  认证机制	268
8.3.4  安全多播	269
8.3.5  防御DoS攻击	270
8.3.6  安全成本	272
8.4  安全组网措施	272
8.4.1  安全基础设施	273
8.4.2  分层密钥体系	275
8.4.3  密码技术体系	278
8.4.4  安全身份认证	280
8.4.5  安全密钥管理	282
8.4.6  安全组网流程	289
8.5  小结	292
第9章  模拟测试与评估技术	293
9.1  动态测试的难题	294
9.2  基于业务站模拟器的测试架构	295
9.3  离散事件系统模拟方法	299
9.4  卫星通信网的离散系统模型	301
9.5  业务站模拟器	303
9.5.1  模拟器的功能	304
9.5.2  开关机模拟	305
9.5.3  SCU建链拆链模拟	306
9.5.4  其他考虑	308
9.6  卫星通信网的模拟评估	310
9.7  小结	311
后    记	313
参考文献	315

序言：《卫星通信组网控制和管理技术》一书总结了胡谷雨教授带领的团队近30年来所从事的部分科研工作。这里补充一些有关情况。
首先要指出，本书中涉及的这类卫星通信系统在国内早就开始使用了，不过所有的设备都是从国外进口的。要制造出国产的卫星通信系统，一种比较简单的办法是进行技术转让，即花大价钱把外国的技术买过来。但这类技术国外对我国是封锁的。更重要的是，在进口的设备上进行通信，在信息安全方面无法得到保障。因此，技术转让并不可行，很有必要研发国产的卫星通信系统。1990年，国营南京无线电厂（以下简称南京无线电厂）在国家计委的支持下启动了稀路由卫星通信系统（后来也称语音VSAT卫星通信系统）研制工作，并由我来负责其中组网控制系统的设计和组网控制中心的研制。
其次，我们在此之前并没有研制任何卫星通信系统组网控制中心的实际经验。我们的优势仅仅是在网络管理方面的研究在国内起步较早而已。南京无线电厂在寻找合作伙伴时也很了解我们的“家底”，因此在立项时，同时物色了上海另一家知名的研究所与我们同时开展组网控制中心设计。南京无线电厂认为这样就可以使投资的风险降低，因为这两家都研制失败的概率应当是比较小的。我当时感到压力非常大，因为确实不知道应当怎么下手。我也知道如果完不成任务，不仅会使南京无线电厂在经济上蒙受损失，而且我们的名声也将扫地，今后很少会有人把重要的科研任务下达给我们。几年后的结果是，上海那家研究所未能完成任务，而我们成功了。这也是科研的常态：失败乃是非常平常的事。
此外，当时南京无线电厂还向我们提出：“你们的组网控制中心如果研制成功了，我们不会给你们搞个什么技术鉴定，因为我们对技术鉴定不感兴趣。我们要搞的鉴定就是生产定型鉴定。”这就告诉我们，工厂必须生产出有用的产品。我们研究的网络管理不能仅停留在理论上，理论上即使是很先进的东西，就算得到如“国内首创”甚至“国际先进”的技术鉴定结论，对工厂却不一定有用。工厂最关心的是能够制造出真正的产品。因此，我们从事的组网控制中心的研制不是一个孤立的项目，而是必须使整个稀路由卫星通信系统达到生产定型的水平。这就要求我们的科研团队必须和其他有关的团队密切合作，因为其中的任何一个环节出了问题，整个系统就会失败。实际上，在整个研制工作中，我们与有关协作单位的关系非常融洽。即使在技术问题上的争论看起来非常激烈，但大家都是为了完成同一个目标，确实需要对许多技术上的问题讨论清楚，哪怕争得面红耳赤。这样就使我们能够及早发现问题，找出解决问题的关键，从而使整个系统能够按期达到生产定型的水平。
使我感到十分欣慰的是，在组网控制中心的研制队伍中，除我以外，都是年轻的学生。胡谷雨当时是刚入学不久的博士研究生，其他的有硕士研究生，也有高年级的本科生（在这批优秀的学生中，很多人后来都获得了博士学位和教授职称）。这些年轻人既有比较扎实的理论基础，又有很强烈的创新意识。在缺乏有关技术资料的情况下，大家团结一致，终于按期完成了有自主知识产权的组网控制中心研制任务。
相信本书的问世，能够对我国的卫星通信事业起到良好的推动作用。
前言：1962年12月，美国发射了低轨道通信卫星“中继1号”，并于1963年11月首次实现了横跨太平洋的电视转播，经卫星转发的远距离实时转播给人们留下了深刻的印象。1963年7月，美国发射了世界上第一颗同步通信卫星，并于1964年10月首次实现了奥运会的实况转播。1965年4月，美国又发射了商用的同步通信卫星，从此卫星通信进入了实用阶段。卫星通信具有通信距离远且通信成本与距离无关，通信质量高、传输信号稳定，通信两点间复杂的地理条件、自然灾害和人为事件不影响通信等优点，这些优点极大地吸引和促进了卫星通信事业的发展。
早期卫星通信主要用于实现两个地球站之间的固定通信链路，固定使用预先分配的卫星转发器资源（传输频带），通信链路不能按需随时调整，缺少灵活性。随着卫星通信用户的增多，每个用户的通信需求不再是全天候持续不断的，在特定的两个用户之间实现持续通信的地球站逐渐减少。尤其是地球站实现了小型化和低成本以后，地球站按需使用卫星资源、间断地为用户与不同地球站实现通信的应用需求日渐旺盛，地球站之间迫切需要实现按需分配多址（DAMA）组网。实现这种通信的早期卫星通信网络是VSAT网络，每个VSAT按需使用卫星资源，把数据发给中央站，中央站再转发给目的VSAT。但是，上述经中央站转发（双跳利用卫星转发）的VSAT组网方式不太适用于语音通信，语音通信的终端之间最好是单跳传输。为此世界上出现了稀路由卫星通信设备SPADE（SCPC PCM Multiple Access Demand Assignment Equipment），其实现了非中心控制的按需分配SCPC，但设备复杂，成本较高，在20世纪90年代被逐步淘汰。
1989年，美国休斯公司推出了演示版的TES（Telephony Earth System），展示了面向小型卫星通信地球站之间低业务量的语音/数据传输的网状卫星通信网，有的称其为语音VSAT卫星通信系统。TES的特点是，由一个组网控制中心负责对地球站之间的卫星通信频率和带宽进行按需分配，地球站之间利用分配的卫星信道实现一跳互通，比VSAT网络更适合语音通信，端到端传输时延从VSAT网络的双跳约540ms减小到单跳约270ms。TES对于有线通信困难且业务量不太大的偏远地区具有极大的吸引力。
1990年年初，具有敏锐眼光的国营南京无线电厂决策者们决定自行投资，依靠国内技术力量自主研制更适合语音业务传输、基于按需分配网状网的语音VSAT卫星通信系统，其后来被国家计委列入“八五”期间“国家重点企业技术开发项目”予以支持。该系统有时也称为稀路由卫星通信系统。鉴于笔者的博士生导师谢希仁教授已经指导学生在网络管理技术、卫星通信网管理系统分析改造等方面积累了一定的经验，国营南京无线电厂邀请谢希仁教授主持其中组网控制中心的研制，笔者作为核心成员参与了设计。研制工作主要包括组网控制系统的体系结构设计、管控信息传输协议的设计和组网控制中心的软件实现等。组网控制中心是整个稀路由卫星通信系统运行的核心中枢，要实现对全网各地球站的参数设置、运行状态控制、信道资源按需分配和点到点卫星通信链路接续等实时控制功能。
谢希仁教授带领团队边研究边设计，在研制过程中解决了组网控制中心设计实现的诸多技术难题，首创了不对称通信协议设计，提出了多载波ALOHA协议等思想和设计方案，并在模拟测试系统的支持下先于地球站对组网控制中心进行了较长时间的动态测试和运行试验，后来这个相对成熟的组网控制中心也支撑了地球站的联调联试。整个卫星通信系统于1995年通过原电子工业部组织的设计定型，以中国科学院陈芳允院士为首的鉴定委员会认为，该卫星通信系统“包括组网控制中心在内的部分指标还优于国外同类产品”。这个卫星通信系统入选1995年“电子十大科技成果”，并获原电子工业部科技进步一等奖。
上述稀路由卫星通信系统的研制成功，打破了国外公司对按需分配网状网卫星通信系统的垄断，积累了相关系统的研制经验，为其他类似系统的研制奠定了坚实的基础。后来，笔者所在科研团队又参与了多个按需分配组网卫星通信系统的组网控制系统设计和组网控制中心实现，都取得了成功，有的至今还在网运行。
本书就是笔者在多年的卫星通信网组网控制系统研究和技术开发基础上的技术总结和经验分享，记录了管理控制（简称管控）系统架构设计、管控信息传输链路协议设计、管控系统功能设计和管控系统联试调试等方面的技术积累，希望能够对从事相关工作的研究人员、系统设计和设备开发人员有所帮助与启发。
第1章作为卫星通信系统的入门知识，概要和相对通俗地介绍了卫星通信的基本原理和设备组成，以及卫星通信组网的多址接入方式和组网方式，以便学习计算机、网络和软件等相关专业的读者了解管控的对象——卫星通信网。
第2章作为网络管理理论和技术的铺垫，对网络管理的模型、功能、信息库、协议等核心技术做了简要介绍，以便读者能够更好地理解后续章节的组网控制原理和技术，因为卫星通信网的管控技术也是在各种网络管理标准规范的基础上发展起来的。
第3章讨论了卫星通信网组网控制系统的总体架构，分析了组网控制系统的一般组成、可行的架构，组网控制中心与管理控制代理之间的逻辑关系，以及被管对象模型，并详细介绍了组网控制中心的基本管理功能。后续各章都是本章相关部分深入设计和实现的细节。
第4章介绍的管控信息网络即管控信息传输通道，是实现卫星通信网组网控制的基础，主要讨论物理层之上，实现TDM广播/ALOHA信道上逐帧传送的专用数据链路协议和实现以信令为数据单元的管控操作协议。不对称数据链路协议设计可以提高管控信息的传输能力。管控操作协议则是针对不同应用特点设计的，分别是用于软件远程装载的DL协议和管控信令传输的CR协议。
第5章介绍了组网控制系统之组网控制中心的核心功能，围绕按申请分配卫星信道建立/拆除业务链路这个目标，分别讨论了业务站的入退网控制、业务链路的按申请建立与拆除、卫星信道资源的按申请分配与优化、业务站的发射功率控制和组网控制中心运行过程的日志记录等功能的实现原理。
第6章介绍的网络运行管理的目标是在合理的成本下为用户提供足够高质量的服务。网络运行状况是运营和维护卫星通信网的人员非常关心的，重点是对网络运行过程进行全方位监视和分析，了解网络业务量变化，考察按需建立链路是否及时，知道卫星通信资源是否短缺，掌握网络通信能力的变化，以便在必要时采取控制措施，保证网络运行效率，保持服务等级。
第7章介绍了组网控制中心的可靠性与备份相关的内容。一旦组网控制中心发生故障，甚至只是局部软件模块错乱，都有可能造成组网控制中心的实时控制功能失效，从而造成整个网络瘫痪。保证组网控制中心长期有效运行的不二途径是设置备份的组网控制中心，或者设置组网控制中心中易失效部件的备份。本章介绍了组网控制中心中主要部件的备份实现方案，以及异地的组网控制中心的备份实现方案。
第8章讨论了卫星通信网的安全运行与应用问题，从卫星通信网的无线通信特点入手，分析了安全组网的潜在威胁形式和影响。针对面临的安全威胁，本章讨论了卫星通信网组网的安全组网需求，并从安全基础设施、分层密钥体系、密码技术体系、安全身份认证、安全密钥管理和安全组网流程等方面介绍了安全组网相关技术。
第9章讨论了基于离散事件系统模拟的卫星通信网组网控制中心测试方法。用软件模拟业务站的可变功能，可以测试在大规模网络（成百上千个业务站）条件下组网控制中心的软件逻辑正确性及处理各种异常情况的能力，可以对组网控制中心进行长期测试、压力测试、异常输入测试，以便尽可能多地发现系统中存在的错误，并在正式投入应用前排除可能的软件错误。
本书第1章由缪志敏撰写，第2～4、7、9章由胡谷雨撰写，第5章由李华波撰写，第6章由赵洪华撰写，第8章由黄康宇撰写。另外，胡谷雨对每章进行了修改并对全书进行了统稿。

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