寬帶衛(wèi)星通信概述

劉劍　黃國策　宋愛民
空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院微波室


　　摘要：介紹了寬帶衛(wèi)星通信的概念及發(fā)展現(xiàn)狀，討論了衛(wèi)星ATM、衛(wèi)星IP、星上處理技術(shù)，分析了寬帶衛(wèi)星中的雨衰、QoS問題，闡述了寬帶衛(wèi)星通信的發(fā)展策略及趨勢。


　　關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信　寬帶　衛(wèi)星ATM　衛(wèi)星IP　星上處理


　　一、寬帶衛(wèi)星通信的發(fā)展現(xiàn)狀


　　在衛(wèi)星通信中，寬帶衛(wèi)星通信是一個新概念，其主要目標(biāo)是為多媒體和高數(shù)據(jù)速率的Internet應(yīng)用提供一種無所不在的通信方式�？梢哉J(rèn)為，新一代衛(wèi)星系統(tǒng)是為了提供個人電信服務(wù)，與上一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別是砂載的業(yè)務(wù)由低速業(yè)務(wù)及話音業(yè)務(wù)變?yōu)镮nternet和多媒體業(yè)務(wù)。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，靜止軌道衛(wèi)星仍扮演著十分重要的角色，但應(yīng)全球個人通信的要求，寬帶移動衛(wèi)得通信是發(fā)展的必然趨勢，有關(guān)技術(shù)也在逐漸成熟。
　　目前約為20個Ｋａ（Ｋｕ）波段LEO/MEO/GEO寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，這些系統(tǒng)主要用于多信道廣播、Internet和Intranet的遠(yuǎn)程傳送以及作為地面多媒體通信系統(tǒng)的接入手段，成為實現(xiàn)全球無縫個人通信、Internet空中高速通道必不可少的手段。


　　二、寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)


　　1.衛(wèi)星ATM


　　ATM是有線網(wǎng)絡(luò)寬帶通信的主要技術(shù)，與無線相結(jié)合產(chǎn)生的研究方向一無線ATM（WATM）。WATM可以使用包括衛(wèi)星信道在內(nèi)的任何類型的無線信道，所以新一代移動衛(wèi)星系統(tǒng)把ATM結(jié)構(gòu)作為傳輸模型，而所用的衛(wèi)星通常具有多點波束，并具有星上處理能力。透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和有星上處理能力的衛(wèi)星系統(tǒng)都可以與ATM網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用。


　　具有星上處理功能的衛(wèi)星系統(tǒng)中，星上ATM交換機和地面NCC都執(zhí)行控制功能。負(fù)載交換機和地面終端間的接口可以是用戶－－網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）或網(wǎng)絡(luò)－網(wǎng)絡(luò)接口（NNI）。低速衛(wèi)星鏈路的用途是將遠(yuǎn)端ATM主機連接到陸地網(wǎng)絡(luò)上。這時，ATM主機和星上交換機間的接口是UNI，星上交換機和陸地ATM網(wǎng)絡(luò)間的接口是NNI。應(yīng)用高速數(shù)據(jù)鏈路時，有星上處理能力的衛(wèi)星是一個ATM節(jié)點，其接口是NNI。具有星際鏈路（ISL）的衛(wèi)星系統(tǒng)中，空中衛(wèi)星網(wǎng)中每一顆衛(wèi)星都是一個ATM節(jié)點，空中網(wǎng)絡(luò)不但提供網(wǎng)絡(luò)接入，而且還提供網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，衛(wèi)星之間的接口是NNI。


　　兩個衛(wèi)星移動終端之間及衛(wèi)星終端與連接于PSTN的固定終端之間的簡單的端到端通信說明了，有ISL互聯(lián)的移動衛(wèi)星系統(tǒng)中，無論是固定終端還是移動終端，之間都可以進(jìn)行高數(shù)據(jù)速率的遠(yuǎn)距離通信。這類系統(tǒng)中，直接通信的終端必須裝有衛(wèi)星適配單元，將必要的用戶終端協(xié)議轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星協(xié)議平臺上。衛(wèi)星適配單元不但有信道編碼、調(diào)制、解調(diào)等物理層功能，還包括射頻和天線部分。系統(tǒng)中衛(wèi)星的功能有：星上信號再生、復(fù)用/解復(fù)用，信道編譯碼及ATM交換。


　　另一種將使用ISL的移動衛(wèi)星系統(tǒng)與ATM網(wǎng)絡(luò)連接起來的方法，是把第一顆衛(wèi)星當(dāng)作一個ATM節(jié)點，把每一條ISL當(dāng)作單個虛通路連接（VCC），把連接的尋址路徑當(dāng)作ATM網(wǎng)絡(luò)的虛通道連接（VPC）。因此，把LEO衛(wèi)星作為ATM節(jié)點，我們便可以在空中建立一個完整的ATM網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用類似于ATM的算法。特別地，在移動衛(wèi)星系統(tǒng)中應(yīng)用VPC和VCC的概念可以利用ATM尋址和傳輸方案的優(yōu)點，而移動衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入陸地ATM網(wǎng)絡(luò)也變得更為簡便。


　　2.衛(wèi)星IP


　　TCP/IP是為地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的，用于衛(wèi)星信道時會出現(xiàn)長時延、較高的差錯率、前/反向信道非對稱等很多問題，需加以解決才能順利工作。


　　對于地球同步軌道衛(wèi)星，其單跳時延為270毫秒，在TCP傳輸控制協(xié)議中需要返回確認(rèn)，往返傳輸時間（RTT）為540ms。按TCP/IP協(xié)議，信道中任一比特發(fā)生差錯都要進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳。這種機制當(dāng)擁塞窗口太大時對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響，被稱做窗口效應(yīng)。此情況下衛(wèi)星信道的最大數(shù)據(jù)吞吐量將受到限制，它等于最大接收窗口/RTT。TCP協(xié)議的最大接收窗口一般為64千字節(jié)（kB）默認(rèn)為8kB，因此在雙向衛(wèi)星信道上的最大數(shù)據(jù)吞吐量為64kB/540ms=118.5kBps=948.15kbps。同時，在建鏈過程中有同步、應(yīng)答等握手信號，衛(wèi)星的長時延也必然影響其建立連接的過程。長時延還影響TCP協(xié)議中接收端“接收窗口”和發(fā)端“擁塞窗口”來進(jìn)行擁塞控制的機制，有時需等待幾十秒才能恢復(fù)到大擁塞窗口。對擁塞結(jié)束后的慢啟動過程也很不利。


　　為了解決TCP/IP在衛(wèi)星信道上運行的困難，可分為兩類解決方法：一在協(xié)議上改進(jìn)，IETF已經(jīng)提出了一些擴(kuò)展建議RFC，例如：RFC1323，克服長時延、大窗口、高誤碼情況下的效率下降；RFC2581、2001，克服衛(wèi)星通信信道容量的非對稱性及性能起伏，動態(tài)實現(xiàn)信道的有效利用，等等。二是在衛(wèi)星鏈路起始端設(shè)置網(wǎng)關(guān)，將TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換成較適合衛(wèi)星信道的算法，這樣可在衛(wèi)星段采用與衛(wèi)星鏈路特性匹配的傳輸協(xié)議，而通過TCP/IP協(xié)議網(wǎng)關(guān)與Internet和用戶終端連接。


　　3.星上處理（OBP）技術(shù)


　　OBP有很多種形式用于ATM衛(wèi)星通信，其主要目的是為VSAT地球站提供單跳連接。OBP大體上分為三級。一級；基帶OBP和OBS（星上交換）/OBR（星上尋址）；二級：中頻/射頻（IF/RF）處理和交換；三級：支持處理功能。一級通常與安全處理衛(wèi)星相對應(yīng)，典型的例子是Teledesic衛(wèi)星。二級大體上與部分處理衛(wèi)星相對應(yīng)，包括信號再生和中頻/射頻交換，但不包括基帶OBS。其它與通信并非直接聯(lián)系但支持通信功能的處理形式都劃為三級。本文只討論基帶OBP和OBS。


　　基帶OBP的目的是提高鏈路的性能及有效性，降低費用或增加容量，增加容量已是現(xiàn)階段的發(fā)展趨勢。更重要的是，把基帶OBP和OBS相結(jié)合會增加整個網(wǎng)絡(luò)的有效性和靈活性。OBS是“空中因特網(wǎng)”衛(wèi)星的必備要素。在SS-ATM（星上交換－ATM）中，OBP是基于信元的OBS。


　　基帶OBP除了信號放大和頻率轉(zhuǎn)換外，主要功能還包括：解調(diào)、解復(fù)用、檢錯、糾錯、轉(zhuǎn)換尋址和控制信息。它與信號再生和信號傳輸有關(guān)，包括數(shù)據(jù)的交換與尋址、波束形成、數(shù)據(jù)緩沖和數(shù)據(jù)復(fù)用。信號再生技術(shù)通常用于提高信噪比（S/N），降低BER。在衛(wèi)星ATM中，因為要保持10^-8或更低的BER，這一點尤其重要。除信號再生和信號交換外，基帶OBP還有大量的技術(shù)可以對系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化，例如波束形成。OBP不但能做到對干擾調(diào)零，還可進(jìn)行動態(tài)波束形成。也可實現(xiàn)天線增益和覆蓋范圍的動態(tài)按需分配，從而對衛(wèi)星的EIRP進(jìn)行靈活分配。


　　三、寬帶衛(wèi)星通信面臨的問題


　　1.雨衰


　　目前，寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)已采用Ka頻段，而Ka波段傳播特性受降雨衰耗的影響較大。但是從實驗和實際應(yīng)用的結(jié)果來看，采用自適應(yīng)功率控制（用于上行）和自適應(yīng)數(shù)字編碼（用于下行）可以解決這個問題。如NASA的ACTS采用了RS碼和卷積碼級聯(lián)，晴朗天氣情況下，其誤比特率可達(dá)到10^-12，有雨衰的情況下，至少99％的時間可以達(dá)到10^-11。


　　2.QoS問題


　　電信網(wǎng)絡(luò)中的QoS標(biāo)準(zhǔn)通常包括帶寬、吞吐量、實時性、主觀質(zhì)量和費用。把話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)擴(kuò)展到多媒體和寬帶應(yīng)用、把固定網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到移動網(wǎng)絡(luò)、把地面網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時，對系統(tǒng)組件的管理就變得更為復(fù)雜。為了獲得并保持期望的qoS，應(yīng)進(jìn)行控制和監(jiān)督，即QoS管理技術(shù)。這些技術(shù)不但用于交互式通信的開始（靜態(tài)功能），也用于交互通信的過程（動態(tài)功能）。靜態(tài)功能包括對QoS要求的定義、協(xié)商、接入控制及資源預(yù)留，而對實際所提供的QoS的測量、整理、保持、重新協(xié)商、匹配和同步，則屬于動態(tài)功能。在ATM衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，采用星上處理技術(shù)并把多路IP數(shù)據(jù)合并為單條VC時，QoS管理器就把IP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按等級劃分開，以充分利用帶寬。


　　四、寬帶衛(wèi)星通信發(fā)展策略及趨勢


　　1.更注重Internet接入


　　衛(wèi)星非常適合于傳輸Internet業(yè)務(wù)，優(yōu)點為：傳輸不受陸地電路影響，衛(wèi)星不對稱線路方案經(jīng)濟(jì)高效，更適于局域網(wǎng)，可作為多信道廣播業(yè)務(wù)的平臺。


　　2.開放標(biāo)準(zhǔn)與模塊化問題


　　已有的LEO/MEO GMPCs衛(wèi)星系統(tǒng)其全球標(biāo)準(zhǔn)化開放標(biāo)準(zhǔn)能力極差，很難形成規(guī)�；�能力。在下一步全球?qū)拵�MSS行程中，納入IMT-2000的類3G MSS軌道，進(jìn)行全球開放標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)�；�運作，并與相應(yīng)地面業(yè)務(wù)部分取得有效的綜合，是一條有效的出路。


　　3.商業(yè)策略


　　2001年國際衛(wèi)星大會上，由LEO/MEO GMPCS失利反思的一致看法是：獲得與地面業(yè)務(wù)相比擬的性能價格比是未來衛(wèi)星通信，包括其未來多模終端應(yīng)用發(fā)展的基本準(zhǔn)則。地面移動通信網(wǎng)絡(luò)容量及用戶數(shù)增長速度極快，以每年30％-50％的高速遞增，同時更新?lián)Q代速度也很快，在10-15年內(nèi)可能會快速發(fā)展。因此，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展必須適應(yīng)這種演進(jìn)競爭步伐，在提高性能價格比的前提下快速發(fā)展。



摘自　《數(shù)據(jù)通信》