3. 卫星链路特性与信道模型

卫星链路与地面光纤、地面无线链路最本质的差别，在于它把“距离”和“动态性”同时放大到了极端。地面光纤的传播时延通常在毫秒级，而低轨（LEO）卫星单跳传播时延约 3～15 ms，地球静止轨道（GEO）单跳则高达约 120 ms；若再叠加星上处理、调制解调和地面网关排队，端到端往返时延（RTT）在 GEO 场景下常达到 500～600 ms。这个量级直接决定了 TCP 的慢启动、拥塞窗口增长和重传定时器行为，也决定了应用层交互协议是否可用。

理解卫星链路，需要把它拆成几个相互耦合的物理与信道维度：传播时延、带宽受限、误码率、雨衰、多普勒频移，以及链路间歇性中断。它们不是并列的“特性清单”，而是共同作用于网络层与传输层的约束条件。下面这张图给出这些特性到协议层影响的映射关系，可作为本节后续分析的索引。

传播时延与带宽时延积

传播时延本身不降低链路容量，但它决定了“管道”里能装多少数据。带宽时延积（BDP）= 带宽 × RTT。以一条 20 Mbps、RTT 为 550 ms 的 GEO 链路为例，BDP ≈ 20×10⁶ × 0.55 ≈ 11 Mbit，即约 1.375 MB。这意味着发送方必须维持约 1.375 MB 的在途数据，才能把链路填满。若 TCP 窗口只有 64 KB，吞吐量上限约为 64 KB / 0.55 s ≈ 116 KB/s，连 1 Mbps 都不到，链路利用率不足 5%。

因此，卫星传输层的第一个关键动作是扩大窗口。传统 TCP 的 16 位窗口字段最大 64 KB，必须启用窗口缩放选项（RFC 1323/7323），把窗口扩大到 1 MB 甚至更大。同时，慢启动的初始窗口（IW）也应适当增大，否则每次连接都要花数个 RTT 才能达到可用速率。

误码率与雨衰：丢包不等于拥塞

卫星信道的误码率随信噪比变化，Ku/Ka 频段在降雨时衰减可达数 dB 到十几 dB，直接推高误码率。对 TCP 而言，这会产生一个根本性误判：TCP 把丢包一律视为拥塞信号，触发拥塞窗口减半。但卫星链路上的丢包可能来自信道误码、雨衰或切换，与网络拥塞无关。这种“非拥塞丢包”会导致吞吐量无谓下降。

应对思路有三类。第一类是链路层前向纠错（FEC）与自动重传（ARQ），把大部分误码在链路层修复，减少传到传输层的丢包。第二类是显式拥塞通知（ECN）或 TCP 性能增强代理（PEP），由中间节点区分拥塞丢包与误码丢包。第三类是采用对非拥塞丢包更鲁棒的拥塞控制算法，例如在检测到丢包时结合 RTT 变化判断是否真的拥塞。

多普勒频移与同步

LEO 卫星相对地面站高速运动，载波频率会产生多普勒频移。以 2 GHz 载波、相对速度 7 km/s 估算，最大频偏约为 f_d = v·f_c / c ≈ 7000 × 2×10⁹ / 3×10⁸ ≈ 46.7 kHz。这个量级远超地面蜂窝系统的典型频偏，接收机必须进行频偏估计与补偿，否则解调性能急剧恶化。对网络层而言，多普勒本身不直接改变路由，但它影响链路建立时间和同步保持，间接造成链路可用性波动。

链路间歇性中断

LEO 星座中，卫星过顶时间通常只有几分钟到十几分钟，星间链路和馈电链路会因切换、遮挡、星蚀而间歇中断。这带来两个协议层问题：一是路由需要快速重收敛，传统 OSPF/BGP 的收敛时间可能跟不上拓扑变化；二是传输层连接可能因中断而超时断开，需要会话保持或连接迁移机制。

实际工程中，常采用“先建后断”（make-before-break）切换、多路径冗余传输、以及传输层连接迁移（如 MPTCP、QUIC 的连接 ID）来缓解。网络层则倾向于使用基于虚拟拓扑或接触图（Contact Graph）的路由，把可预测的卫星轨迹提前纳入路由计算，而不是等链路断了再收敛。

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