衛(wèi)星系統(tǒng)新技術(shù)在中國的應(yīng)用發(fā)展(一)

陳如明
(信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局 北京 100037)

　　摘要 本文集中于衛(wèi)星系統(tǒng)新技術(shù)層面，并結(jié)合市場導(dǎo)向下的技術(shù)驅(qū)動重要性，在回顧衛(wèi)星軌道／頻譜資源規(guī)劃相關(guān)重要進(jìn)展基礎(chǔ)上，重點論述現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)新技術(shù)及其在中國的應(yīng)用機遇和發(fā)展策略考慮。


　　關(guān)鍵詞 寬帶衛(wèi)星系統(tǒng) 通用寬帶無線接入 第三代移動通信 2G/2.5G/3G/3G+/4G


1 引言


　　進(jìn)入21世紀(jì)的信息全球化及全球巨大的個人多媒體通信流量與無縫隙覆蓋需求，注定無線寬帶手段，包括各類衛(wèi)星手段，將會發(fā)揮愈來愈重要的戰(zhàn)略作用。


　　衛(wèi)星系統(tǒng)具有以下特征與重要作用：唯一的三維無縫隙覆蓋能力；獨特的靈活性與普遍服務(wù)能力；宏大區(qū)域的可搬移性與可移動性；廣域復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)成能力與廣域Internet交互連接能力；特有的廣域廣播與多播能力；對國際／區(qū)域／本地連接距離的不敏感性；較低的初期投入與快速財務(wù)回收；對應(yīng)急救災(zāi)及寬帶系統(tǒng)備份與故障搶救的快速靈活與安全可靠方面的獨特能力等。


　　衛(wèi)星系統(tǒng)可用于開發(fā)創(chuàng)建一系列產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，諸如DBS／DTH／DAB/DVB-IP、GPS／RNSS/GIS、VSAT／USAT等；廣泛的應(yīng)用、服務(wù)領(lǐng)域，諸如國際／區(qū)域／本地固定／移動通信、DBS／DTH／DAB廣播、GPS／RNSS／RDSS導(dǎo)航定位、GMDSS安全與應(yīng)急援救、遠(yuǎn)程教育與遠(yuǎn)程醫(yī)療、衛(wèi)星遙感與地球探測、氣象及地震預(yù)報以及包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、林牧、安保、軍事、科學(xué)研究、新聞報導(dǎo)、航空、海事和環(huán)境等各行各業(yè)。



2 寬帶無線演進(jìn)中的重要互補支持作用


　　關(guān)于通用無線接入的詳細(xì)討論可見參考文獻(xiàn)。通用無線接入包括地面移動接入（屬地面移動業(yè)務(wù)范疇）及地面固定無線接入（簡稱為FＷA,屬地面固定業(yè)務(wù)范疇）和衛(wèi)星接入（SA，相應(yīng)衛(wèi)星移動接入屬移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)MSS范疇）。無線接入按其網(wǎng)絡(luò)帶寬通常分為三類，一類為窄帶（Narrowband）接入，其攜載業(yè)務(wù)的每用戶比特速率�！�64kbit/s；第二類為寬帶（Wideband）接入，每一信道載波可提供高達(dá)2Mbit/s的比特速率；第三類為寬頻帶（Broadband,有時亦稱廣帶）接入，主要針對多媒體業(yè)務(wù)傳輸需求,每一信道載波傳輸速率可>2Mbit/s。實際上我們往往習(xí)慣將Wideband與Broadband無線接入統(tǒng)稱為寬帶無線接入。


　　衛(wèi)星接入是通用無線接入的重要組成部分。近些年來，衛(wèi)星接入被人們輕視與冷漠的主要原因與GMPCS系統(tǒng)在原先過份炒作基礎(chǔ)上的嚴(yán)重失利密切相關(guān)。WRC-９７大會上LEO／MEO／GEO衛(wèi)星移動與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)被炒得火熱，而事隔三年，隨著Iridium系統(tǒng)的破產(chǎn)慘敗，爾后ICO、Globalstar以及Orbcommm等大、小MEO／LEO系統(tǒng)均相繼陷入相當(dāng)困難的處境。此情況決非偶然，與地面移動無線接入和固定無線接入的蓬勃發(fā)展局面相對比，其根本問題是如何處理好技術(shù)驅(qū)動與市場驅(qū)動的基本關(guān)系，以及如何定位好衛(wèi)星業(yè)務(wù)與地面業(yè)務(wù)之間的基本市場格局和如何處理好衛(wèi)星業(yè)務(wù)與地面業(yè)務(wù)的有機綜合。


　　但是，歸根結(jié)蒂，衛(wèi)星通信在構(gòu)筑全球信息高速公路征程中的獨特戰(zhàn)略地位與作用，任何有識之士均不會忘卻,衛(wèi)星業(yè)務(wù)在WRC-2000大會上依然獲得密切關(guān)注。而且作為固定接入的GEO FSS系統(tǒng)，以INTELSAT系統(tǒng)為代表，依然處于相當(dāng)好的商業(yè)運作狀態(tài)，它對高速尋呼、短信息數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)聯(lián)網(wǎng)，對包括DTH、DBS、VOD在內(nèi)的視頻多媒體廣播、多播業(yè)務(wù)，對Internet業(yè)務(wù)的高速下載及遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療等多媒體業(yè)務(wù)廣域組網(wǎng)等依然發(fā)揮著獨特有效的作用。目前看來，采取快速剪裁市場需求的現(xiàn)代GEO衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計的思路較為可取，例如，可瞄準(zhǔn)寬帶IP業(yè)務(wù)市場，以帶寬處理能力較強的、傳播環(huán)境相對較好的C／Ku頻段為軸心，消除使用星上處理、星際鏈路及低軌／中軌多星座高風(fēng)險技術(shù)，星上仍采取適應(yīng)動態(tài)業(yè)務(wù)演變較靈活的透明彎管式、地面控制星上轉(zhuǎn)發(fā)器交叉連接這一基礎(chǔ)傳輸模式，借助多點蜂窩波束頻率再利用進(jìn)一步提高其頻譜利用效率，并可采用星上波束發(fā)射功率控制，以適應(yīng)傳輸條件的動態(tài)變化影響。在地面段采用高效率編碼與調(diào)制技術(shù)以增加功率／頻譜利用效率和降低天線尺寸、功耗及硬件成本；對每波束載波進(jìn)行動態(tài)調(diào)制與編碼參數(shù)調(diào)整以動態(tài)控制功率／帶寬資源分配利用；采用新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及管理手段進(jìn)一步實現(xiàn)多用戶共用同一頻帶時的動態(tài)帶寬管理及優(yōu)化Internet不對稱與突發(fā)數(shù)據(jù)特性的帶寬利用效率。從商業(yè)市場模式考慮與地面互補，實現(xiàn)廣域下行B2C寬帶Internet平臺服務(wù)，執(zhí)行高速Internet基本業(yè)務(wù)接續(xù)，多媒體VOD、VPN、電子娛樂等增值服務(wù)，以及對用戶最后一公里解決方案的ｘDSL、電纜、光纖和其它寬帶地面無線接入手段的廣域支持與補充，而其上行縱向，則可執(zhí)行B2B方式的垂直應(yīng)用，對ICP、ISP、電子商務(wù)的CSP地面移動應(yīng)用及分組數(shù)據(jù)中心等實施縱向連接支持應(yīng)用等。這樣其基本目標(biāo)為瞄準(zhǔn)“最后一公里”的終端用戶廣域接入，有巨大商業(yè)覆蓋面，并特別適合于Internet網(wǎng)及農(nóng)村邊遠(yuǎn)服務(wù)，可望幫助服務(wù)商從零售服務(wù)中獲得可觀的利潤。


　　衛(wèi)星通用無線接入可包括宏大區(qū)、宏區(qū)、小區(qū)、微小區(qū)、微微小區(qū)、移動、半移動（包括游牧）、固定等各種接入覆蓋模式，可有效覆蓋三維物理空間的任何一角落及有效連接至任何個人用戶，這對實現(xiàn)未來全球的個人通信而言，其實際連接覆蓋的普遍化與重要性不言而喻。其中衛(wèi)星接入在實現(xiàn)國際/區(qū)域/國內(nèi)靈活的宏大區(qū)廣域三維覆蓋接入方面的作用顯得尤為突出。


　　在未來寬帶演進(jìn)中，無論是寬帶無線接入中的寬帶衛(wèi)星接入，還是寬帶移動通信中的寬帶MSS的有機綜合，可以肯定地說，寬帶衛(wèi)星在未來全球個人多媒體無縫隙覆蓋連接，在實現(xiàn)廣域覆蓋的普遍服務(wù)等方面將會發(fā)揮出愈來愈重要的潛在戰(zhàn)略作用。同時亦可預(yù)期，隨著地面移動、地面固定及衛(wèi)星業(yè)務(wù)三者緊密綜合在一起，以及全球／區(qū)域／國內(nèi)的WWAN、WMAN、WLAN、WPAN等各類不同覆蓋域尺寸、不同頻段網(wǎng)絡(luò)的緊密綜合，為適應(yīng)這一多模、無縫隙、以IP為基礎(chǔ)的綜合多媒體業(yè)務(wù)運行環(huán)境下的靈活有效的公共資源管理，建立智能代理之類管理模式將成為一種發(fā)展趨勢，并可發(fā)揮出重要的現(xiàn)實作用。


　　此外，就技術(shù)層面看，寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)通常具有比寬帶地面系統(tǒng)更高的技術(shù)難度與更深的技術(shù)內(nèi)涵。如眾所知，由于固定無線接入比移動通信場合容易操作，智能天線、軟件（定義的）無線電以及一系列現(xiàn)代編碼調(diào)制及自適應(yīng)信號處理技術(shù)等功率/頻譜有效利用新技術(shù)以及IP QoS的物理層、MAC層、會聚層及應(yīng)用層方面有效的協(xié)議處理往往首先在固定無線接入中試驗與裝備應(yīng)用，從而，固定無線接入通常成為新一代移動通信的技術(shù)先導(dǎo)。與此相似，先進(jìn)的衛(wèi)星技術(shù)首先以先進(jìn)的地面技術(shù)作先導(dǎo)，但還必須緊密結(jié)合衛(wèi)星傳輸?shù)淖陨硖卣�，進(jìn)一步研制開發(fā)一系列特有的新技術(shù)，諸如GEO長時延、大傳輸衰耗影響處理，LEO／MEO多星座結(jié)構(gòu)優(yōu)化與自適應(yīng)覆蓋處理，多星座、多網(wǎng)絡(luò)跨協(xié)議漫游處理，高可靠、長壽命衛(wèi)星空間段星上處理、星際連接及衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)演進(jìn)，精確可靠的空間體站址保持、地面跟蹤以及端對端衛(wèi)星全I(xiàn)P結(jié)構(gòu)傳送運作時的有效QoS控制等。


3 現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)新技術(shù)


　　(1) 多維信號處理與電磁兼容分析及多維頻率共用技術(shù)


　　包括衛(wèi)星業(yè)務(wù)、地面業(yè)務(wù)及其彼此共用在內(nèi)，此多維含義可涉及頻率域、時間域、空間域、信號域、網(wǎng)絡(luò)域甚至顯示域，多天線發(fā)送接收在內(nèi)的多輸入、輸出（MIMO）多維時空處理為其典型示例。而且，對未來多頻段、多模式通用寬帶無線接入綜合業(yè)務(wù)運行場合，頻譜／軌道資源管理的廣寬地域分布、可延展性及充分靈活的特征必將導(dǎo)致分布式的智能代理型的新的多維智能資源管理要求。


　　(2) 靈活、有效及可擴展的多維資源管理技術(shù)


　　對于未來移動與固定、地面與衛(wèi)星、廣播與交互、公用與專用、廣域、局域與個人域等各類業(yè)務(wù)均綜合于一種以全I(xiàn)P為基礎(chǔ)的統(tǒng)一寬帶平臺上運作這一無縫隙與有機綜合的復(fù)雜運行環(huán)境，包括對上述頻譜、軌道資源管理在內(nèi)，必須利用多維智能代理之類手段，才能實現(xiàn)靈活、有效并具擴展性及規(guī)�；�的多維智能資源管理。借助自適應(yīng)智能天線覆蓋及軟件無線電控制的智能化頻譜、軌道資源管理，一方面可實施頻譜、軌道資源動態(tài)協(xié)調(diào)及時空等多維處理運作，同時，借助自適應(yīng)智能化調(diào)整發(fā)射功率、調(diào)制方式、帶寬資源等進(jìn)一步優(yōu)化空中接口參數(shù)及優(yōu)化無線IP QoS控制參數(shù)，從而使頻譜、軌道等資源可進(jìn)行更合理的有效協(xié)調(diào)，包括多層平臺聯(lián)合動態(tài)調(diào)整參數(shù)的智能運作在內(nèi)，以大大提高資源的利用效率。


　�。�3）智能天線與分布智能天線技術(shù)


　　現(xiàn)代天線波束成形、多點波束蜂窩結(jié)構(gòu)及分布智能天線技術(shù)，是實現(xiàn)高密度、多重頻率再利用并大幅度提高頻譜利用效率的最有效途徑，與多址連接技術(shù)在一起運作，可有效提高上、下行，特別是下行吞吐能力。這亦是第三代移動通信改進(jìn)系統(tǒng)性能及4G／5G發(fā)展的重要手段，是3G TD-SCDMA方案的核心技術(shù)，目前正擴展成TDD、FDD全面開發(fā)應(yīng)用。研制開發(fā)出穩(wěn)定性、快速收斂性等性能優(yōu)良的控制算法是其關(guān)鍵, 應(yīng)特別注意探討TDD及FDD模式下雙向智能天線運作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與優(yōu)良算法。對L/S頻段及Ka之類高頻段蜂窩結(jié)構(gòu)覆蓋的星上天線的智能控制、空中結(jié)構(gòu)展開以及經(jīng)濟的自適應(yīng)大范圍調(diào)整覆蓋能力等是實現(xiàn)系統(tǒng)有效頻率多重再利用與適應(yīng)性剪裁市場需求、提高競爭力的重要途徑。


　�。�4）軟件無線電與軟件定義的無線電技術(shù)


　　中頻處理的軟件（定義的）無線電技術(shù)將逐步成為現(xiàn)實，普遍裝備于新一代移動通信與寬帶無線接入系統(tǒng)中將會產(chǎn)生重大經(jīng)濟效益。新一代寬帶無線系統(tǒng)用戶實現(xiàn)成本量級水平的降低及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活變更，很大程度上是期望在統(tǒng)一硬件平臺基礎(chǔ)上的軟件無線電的有效支撐。廣泛借助DSP器件及相應(yīng)合理設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，推廣軟件（定義的）無線電技術(shù)應(yīng)用，可使衛(wèi)星通信設(shè)備，特別是地面段設(shè)備更靈活、小巧、穩(wěn)定、可靠。另外，還應(yīng)積極研究向快速綜合實時處理邁進(jìn)的DSP技術(shù)與算法，由軟件定義的無線電向射頻處理的真正軟件無線電技術(shù)邁進(jìn)。


　�。�5）現(xiàn)代編碼 / 調(diào)制及編碼調(diào)制技術(shù)


　　這是在語音及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)下大幅度提高功率/頻譜效率的又一重要途徑。應(yīng)重視小于2.4kbit/s速率的高性能聲碼器，由MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21支持的視頻圖像壓縮與管理技術(shù);多路語音壓縮倍增系數(shù)達(dá)10～16倍以上的DCME/PCME等各類數(shù)字電路倍譜技術(shù);優(yōu)良性能的信道編碼調(diào)制技術(shù)，除通常所知的TCM型、BCM型、SPORT型、恒包絡(luò)型、部分響應(yīng)型、實用型等編碼調(diào)制技術(shù)外，應(yīng)特別注意適應(yīng)移動通信衰落環(huán)境、非線性信道及多重圖像分辨率要求情況下的多重編碼調(diào)制、多信號間隔恒包絡(luò)編碼調(diào)制、多分辨率編碼調(diào)制，不對稱傳輸環(huán)境下的UEP碼調(diào)制，以及大幅度提高功率處理能力的串、并聯(lián)級聯(lián)碼調(diào)制，包括Turbo碼及Turbo編碼調(diào)制技術(shù)。尤其是卷積型及分組型Turbo碼及相應(yīng)編碼調(diào)制，在第三代移動通信、無線LAN、WLL、衛(wèi)星數(shù)據(jù)直播、多媒體多分辨率圖像通信、無線數(shù)據(jù)傳輸、LMDS寬帶無線接入、HDTV傳輸、吉比特以太網(wǎng)、低速率數(shù)字語音壓縮Internet、數(shù)字衛(wèi)星通信以及數(shù)據(jù)記錄存儲等各方面均將有廣泛的應(yīng)用。


另一方面聯(lián)合M-QAM運作的自適應(yīng)（x）-OFDM（y）方式（諸如C-OFDM、W-OFDM、V-OFDM、F-OFDM及OFDMA等）值得注意，它具備寬帶運行時的優(yōu)良抗色散能力及波形成形能力，可實現(xiàn)非（直）視距離(N-LOS)方式傳輸，包括與未來多載波寬帶CDMA組合運行，對現(xiàn)實工程裝備實施及對寬帶無線接入和寬帶移動通信新一代運作很有吸引力，而且QPSK/8PSK/16QAM/64QAM/（x）-OFDM（y）多調(diào)制方式自適應(yīng)可變運作，對自適應(yīng)覆蓋可調(diào)或傳輸性能自適應(yīng)控制有很好的可實現(xiàn)能力。應(yīng)該指出，以IP為平臺基礎(chǔ)的Shin衛(wèi)星系統(tǒng)即擬采用Turbo碼及OFDM技術(shù)，以有效提高其容量處理能力。


　�。�6）衛(wèi)星人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及自適應(yīng)信號處理與統(tǒng)計檢測技術(shù)


　　衛(wèi)星通信中有大量自適應(yīng)控制技術(shù)的用武之地，包括大時延閉環(huán)狀態(tài)下的自適應(yīng)控制技術(shù)、衛(wèi)星人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制技術(shù)、自適應(yīng)信號處理與統(tǒng)計檢測以及非線性自適應(yīng)學(xué)習(xí)與均衡技術(shù)等。對惡劣傳輸環(huán)境中的自適應(yīng)處理應(yīng)特別注意其優(yōu)良性能的快速盲算法，以及相應(yīng)自適應(yīng)非線性處理及降低狀態(tài)數(shù)與復(fù)雜度的實用軟判決最佳/次最佳序列檢測等高級檢測處理技術(shù)和有效處理市場剪裁要求的自適應(yīng)覆蓋技術(shù)等。


　�。�7）多媒體綜合業(yè)務(wù)傳送的多層次綜合業(yè)務(wù)工作平臺技術(shù)


　　尤其當(dāng)考慮與MSS及地面業(yè)務(wù)無縫隙覆蓋綜合時，這種設(shè)計哲理顯得更為重要，包括以SDH/ATM/IP技術(shù)為支撐的自適應(yīng)可變速率、可變業(yè)務(wù)類型與QoS要求，同時組合不同頻段和（或）不同分層覆蓋區(qū)模式及優(yōu)化星座結(jié)構(gòu)、LEO/MEO/GEO協(xié)同工作和（或）分步實施的地面通信與衛(wèi)星通信有機組合的三維運行綜合業(yè)務(wù)工作平臺。
　�。�8）流媒體技術(shù)


　　充分發(fā)揮衛(wèi)星廣播、多播（組播）能力的長處，組合流媒體技術(shù)，包括進(jìn)行緩存（Caching）處理、可變帶寬的動態(tài)資源及網(wǎng)絡(luò)管理、以及有效地組合“推”、“拉”技術(shù)的衛(wèi)星CDN（內(nèi)容分配網(wǎng)絡(luò)）平臺技術(shù)，以實現(xiàn)惡劣時延環(huán)境下IP為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)的高速多媒體在線高質(zhì)量連續(xù)傳送。


　　(9) 軟交換技術(shù)


　　這是使新一代網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活可變、前后向兼容性能優(yōu)良的核心技術(shù)。它采用分層的全開放網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，具有獨立的模塊化結(jié)構(gòu)；是一種業(yè)務(wù)驅(qū)動型網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)和呼叫控制可完全分離，呼叫與承載可完全分離；亦是一種基于統(tǒng)一協(xié)議的分組型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。它可適應(yīng)技術(shù)發(fā)展新趨勢，滿足不同用戶新需求；能快速提供新業(yè)務(wù)，涉足新領(lǐng)域，創(chuàng)造新的利潤增長點；亦可有效地降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與維護(hù)成本，從而對新一代移動通信全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成很有吸引力。


　　(10) 適應(yīng)IP或全I(xiàn)P為基礎(chǔ)的新應(yīng)用協(xié)議與算法的研究和開發(fā)


　　由于TCP／IP并非為衛(wèi)星通信所設(shè)計，難以直接按此控制好用戶端對端的QoS性能。為使以IP為基礎(chǔ)的衛(wèi)星Internet網(wǎng)絡(luò)之間及與地面Internet網(wǎng)絡(luò)一道取得更優(yōu)良的傳輸效率與吞吐性能，深入研究各種應(yīng)用協(xié)議與算法有重要意義。由于衛(wèi)星系統(tǒng)，特別是GEO衛(wèi)星系統(tǒng)，有長的傳輸時延，單跳往返時延（RTT，Round Trip Time）約為2×270＝540 ｍｓ，它對按TCP／IP協(xié)議確定的由其所謂管道（Pipe）效應(yīng)引起的數(shù)據(jù)重發(fā)和吞吐量、吞吐率受限（吞吐率=吞吐量/相應(yīng)傳輸帶寬中所傳輸?shù)脑�始�?shù)據(jù)速率，若吞吐量等于此數(shù)據(jù)速率，則吞吐率為最理想，即100％）有明顯的影響。根據(jù)Internet活動委員會（IAB）制訂的標(biāo)準(zhǔn)RFC 1072（Request For Comment 1072）中的定義，其數(shù)據(jù)管道＝RTT×數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)管道中任何一個數(shù)據(jù)包丟失均將導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳，將嚴(yán)重影響其實際最大數(shù)據(jù)吞吐量（Throughput）即其最大數(shù)據(jù)傳輸速率，而最大數(shù)據(jù)吞吐量＝最大接收窗口／RTT，因此RTT及最大接收窗口大小均直接影響最大吞吐量及最大吞吐率的大小。對于往返時延RTT大且傳輸速率及傳輸帶寬高的信道即稱為“長－寬信道”（Long-Fat Channel），上述GEO寬帶衛(wèi)星信道即為典型的“長—寬信道”，對TCP／IP衛(wèi)星系統(tǒng)不加以協(xié)議擴展改進(jìn)，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的管道效應(yīng)，影響其吞吐性能。


　　因此，首先必須對TCP/IP協(xié)議進(jìn)行一系列的擴展改進(jìn), 例如：可由幀結(jié)構(gòu)改進(jìn)、選擇性ARQ、慢啟動后的時遲ACK、選擇性ACK、前向ACK、ACK擁塞控制、TCP報頭壓縮、ACK壓縮與緊湊化、窗口尺寸設(shè)計等入手, 對此，Internet工程任務(wù)組（IETF，Internet Engineering Task Force）已提出了一些擴展建議，即如RFC 1323（“Long-Fat”Channel，Big Window Long Buffer，以克服長時延、大帶寬／高容量時的TCP傳輸瓶頸），RCF 2018（SACK, Selective Acknowledgement ,以改進(jìn)長時延、大窗口、高誤碼時的傳輸效率），RFC 2001及2518（TCP Congestion Control，Slow Start,Congestion Avoidance,Fast Retran-smit,Fast Reco-very等, 以實現(xiàn)動態(tài)信道有效利用及改進(jìn)衛(wèi)星信道非對稱性引起的性能起伏等）；也可采用欺騙（Spoofing）之類TCP/IP協(xié)議變換形式的網(wǎng)關(guān)技術(shù), 可使吞吐性能獲得數(shù)倍的改進(jìn)，如此等等, 均屬一些較典型的改進(jìn)IP衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)QoS性能的有效途徑。當(dāng)然，這些改進(jìn)工作還在進(jìn)一步深化與發(fā)展，包括在第三層、第四層直至更高的應(yīng)用層，以達(dá)到IP衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與 IP地面網(wǎng)絡(luò)綜合運行時的更滿意的QoS控制。當(dāng)然，涉及與地面系統(tǒng)的集成，包括新一代移動通信與無線接入，無疑 WAP、c-HTML/x-HTML、MSS IP OVER MPLS 以及Bluetooth等與個人連接和接入?yún)f(xié)議等相關(guān)的協(xié)議與算法亦均十分關(guān)鍵。


　　(11) DVB-IP及安全技術(shù)


　　眾所周知，Internet是衛(wèi)星通信進(jìn)一步發(fā)展的重要源動力，而DVB-IP則是衛(wèi)星寬帶多媒體業(yè)務(wù)發(fā)展的重要途徑。DVB (數(shù)字視頻廣播)是歐洲尤里卡計劃的一部分，為發(fā)展數(shù)字電視DTV業(yè)務(wù)而確定的一種標(biāo)準(zhǔn)，起源于20世紀(jì)９０年代初，由歐洲廣播用戶設(shè)備制造廠商和ELG（European Launching Group）論壇推進(jìn)而建立，相應(yīng)國家和組織可自愿參加，后即成為目前的DVB計劃，至2001年初，DVB計劃已包含了30多個國家與220多個組織，實際上已成為一種全球標(biāo)準(zhǔn)。DVB標(biāo)準(zhǔn)一般又細(xì)分為針對衛(wèi)星傳輸?shù)腄VB-S、針對有線電視傳輸?shù)腄VB-C和針對地面?zhèn)鬏數(shù)腄VB-T三種標(biāo)準(zhǔn)。由于地面?zhèn)鬏敆l件最為復(fù)雜、嚴(yán)峻，從而DVB-T標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)涵及對環(huán)境的技術(shù)對抗措施亦最為復(fù)雜與多樣化，這一點也就反映在不同國家的DTV-T標(biāo)準(zhǔn)的確定上。


DVB標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)性能與接口要求包括下述方面：數(shù)字信源壓縮編碼、節(jié)目數(shù)據(jù)流的復(fù)接、信道糾錯編碼、數(shù)字調(diào)制、數(shù)字加密和條件接收等，數(shù)字視頻壓縮算法統(tǒng)一采用MPEG-2，前向糾錯統(tǒng)一采用R-S碼，QAM調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)星座狀態(tài)數(shù)高達(dá)256，符號速率范圍6.0～6.9Msymbol／s等。CA是一項加密控制的有條件接收技術(shù)，涉及DVB-IP廣大用戶應(yīng)用時的申請、接入、付費、頻道控制，甚至防假等一系列要求。應(yīng)該指出，在解密節(jié)目抵達(dá)用戶后的信息安全與知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)和防非法拷貝方面，電子數(shù)字水印是一種重要的新技術(shù)途徑。


　�。�12）頻段擴展與新系統(tǒng)、新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用


　　基于目前L、S、C、Ku頻譜資源及GEO衛(wèi)星軌道資源的緊缺與擁塞，頻段擴展包括衛(wèi)星軍事應(yīng)用在內(nèi)，自然瞄準(zhǔn)X、Ka及V（Q/w），以及毫米波與紅外線范圍的所謂空中光纖。汲取以Iridium系統(tǒng)為首的LEO/MEO型GMPCS系統(tǒng)的失敗教訓(xùn)，除GEO系統(tǒng)外，仍應(yīng)協(xié)調(diào)實施與各計劃開發(fā)相應(yīng)的LEO/MEO NGSO衛(wèi)星系統(tǒng), 甚至建立新思路, 開發(fā)LEO/MEO型“靜止衛(wèi)星系統(tǒng)”, 其實，高度更低屬地面業(yè)務(wù)范疇的平流層氣艇高空平臺HAPS及高空飛機/氣球遠(yuǎn)程覆運行HALO等系統(tǒng)亦為其類似思路的派生產(chǎn)物。與新頻段開發(fā)，包括星際鏈路的開發(fā)在內(nèi)，除器件技術(shù)外，亦有一整套涉及相應(yīng)多址連接技術(shù)、自適應(yīng)處理技術(shù)等在內(nèi)的一系列新技術(shù)、新系統(tǒng)的研究開發(fā)工作需同時執(zhí)行。


　　由X頻段商用、至Ku/Ka、純Ka及EHF（V/Q/W）頻段擴充，這對解決未來愈來愈多的個人多媒體視頻業(yè)務(wù)需求及衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)邁向消費領(lǐng)域有重要意義。例如，從多點波束頻譜有效再利用角度看，新一代Ka頻段寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的容量潛力非常有吸引力，而且如果在衛(wèi)星處理設(shè)備中采用高速分組交換統(tǒng)計復(fù)用，還可在多點波束蜂窩式覆蓋基礎(chǔ)上，進(jìn)一步大大提高下行信道的負(fù)荷因子與復(fù)用能力，可大大改進(jìn)整個衛(wèi)星系統(tǒng)的用戶傳輸速率和信息吞吐量。


　　一般來說，Ku與Ka頻段的衛(wèi)星系統(tǒng)相比較，Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能/價格比方面有明顯吸引力。以相同帶寬資源作對比，Ka衛(wèi)星的造價比Ku衛(wèi)星約貴2倍左右，然其容量卻可高6～8倍，而且其終端尺寸還可縮小一倍多，約0.6m左右，可方便地走向家用消費品市場。因此可以說在性能價格比方面，Ka衛(wèi)星系統(tǒng)大約可有2～3倍或更多的得益。當(dāng)然，Ka頻段雨衰將更嚴(yán)重，沉降影響更嚴(yán)峻，而且就地面控制的星上自適應(yīng)覆蓋處理技術(shù)而言，比Ku頻段更不成熟，因此目前Ka頻段的自適應(yīng)控制技術(shù)，主要仍是運用FEC碼率及調(diào)制狀態(tài)速率自適應(yīng)可變技術(shù)改變其功率處理能力和進(jìn)行雨衰對抗，而未用整體的路由分集技術(shù)；采用多點波束跳越掃描覆蓋可能也是一種現(xiàn)實可行的出路。


　　歸根結(jié)蒂，由C頻段至Ku頻段再至Ka頻段是技術(shù)與市場需求演進(jìn)的必然結(jié)果，一般來說C頻段的寬帶視頻運營目標(biāo)為電視運營網(wǎng)絡(luò)及一些住宅用戶，此時天線直徑為2.4m左右，以分瓣組裝結(jié)構(gòu)為宜；到Ku頻段時，其頻率復(fù)用能力即可提高4倍左右，降到1～1.7m左右，用戶對象可較大規(guī)模普及企業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)用和住宅居民電視接收；進(jìn)一步進(jìn)入Ka頻段，將可適應(yīng)IP為基礎(chǔ)的寬帶多媒體高速數(shù)據(jù)傳遞要求，此時頻率復(fù)用相對Ku頻段仍可再提高4倍，天線直徑可再降低一倍或更多，達(dá)0.4～0.6m左右，適用對象可普及小型企業(yè)及家用住宅寬帶數(shù)據(jù)及視頻多媒體運行。當(dāng)然，從市場發(fā)展前后向兼容角度看，在不少場合Ku/Ka混合結(jié)構(gòu)仍不失為一種安全與明智的選擇。


　　另一方面，Internet已成為寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)的重要驅(qū)動力。DVB-IP衛(wèi)星統(tǒng)一平臺對衛(wèi)星消費用戶有很強的吸引力，而在亞洲Internet家庭用戶亦將快速增長，2001年約為1300萬左右，至2008年將增至2000萬以上。瞄準(zhǔn)IP為基本業(yè)務(wù)目標(biāo)的Ku/Ka衛(wèi)星平臺的帶寬處理能力也非常引人注目，以SHIN Satellite Public Company Limited平臺為例，這一IP為基礎(chǔ)的寬帶衛(wèi)星將由SS/Loral公司制造，據(jù)稱擬于2003年第一季度發(fā)射，其性能/價格比可與地面數(shù)字用戶線及電纜調(diào)制解調(diào)器相比擬，由于利用35個左右的多點波束加之廣域波束，進(jìn)行多重頻率再利用，其容量約可達(dá)40 Gbit/s，為目前最大衛(wèi)星容量的20倍左右；而且在功率處理方面，利用了先進(jìn)的Turbo碼編譯碼技術(shù)及OFDM技術(shù)，可使其傳輸效率比一般情況改進(jìn)100%左右。


　　（13）增加衛(wèi)星運行壽命的氙離子推進(jìn)及高效率太陽能電池技術(shù)


　　采用氙離子(Xenon Ion)發(fā)動機技術(shù)可獲得大幅度節(jié)省衛(wèi)星燃料的高效率衛(wèi)星姿態(tài)控制及軌位保持控制。對一顆15年壽命的衛(wèi)星，采用氙離子推進(jìn)將可節(jié)省90％的推進(jìn)劑用量，從而可大大節(jié)省衛(wèi)星發(fā)射價格或增長衛(wèi)星壽命。若使用能力較強的25 cm 160ｍＮ的氙離子發(fā)動機，每天僅需工作30min即可將衛(wèi)星軌位保持至0.005度，從而可有效處理多顆衛(wèi)星共用同一軌位(Co-location)的衛(wèi)星軌道位置的保持與控制。


　　與常用的硅太陽能電池相比較，砷化鉀太陽能電池可使轉(zhuǎn)換效率提高一倍左右，即由14％提高至30％左右，這可為實現(xiàn)10～20 kW大功率衛(wèi)星平臺運行奠定基礎(chǔ)。同時效率高、體積小、重量輕的鋰蓄電池可比現(xiàn)有鎳氫蓄電池提高一倍左右的功率能量密度。


　�。�14）現(xiàn)代星上處理技術(shù)


　　如上所述，即使是運用了多點蜂窩結(jié)構(gòu)覆蓋，大幅度提高Ka頻段衛(wèi)星頻率再利用及容量能力，但星上轉(zhuǎn)發(fā)若仍利用彎管式電路交換結(jié)構(gòu)，此時交換波束的連接只能通過相應(yīng)地面關(guān)口站執(zhí)行，而衛(wèi)星下行電路突發(fā)空隙便不能被數(shù)據(jù)填滿，這將嚴(yán)重影響衛(wèi)星下行電路的有效利用。另一方面，從ATM實施網(wǎng)狀網(wǎng)尋路觀點看，這亦可能導(dǎo)致通信連接效率很低，特別是當(dāng)連接終端數(shù)上升時更是如此［１］。例如，對ｎ個終端，要求Ｎ＝ｎ（ｎ－１）／２個全網(wǎng)狀電路連接，當(dāng)ｎ＝10，即有Ｎ＝45，此時即便用星上基帶電路交換處理恒定速率模式進(jìn)行處理亦難以奏效，導(dǎo)致對無連接通信呈現(xiàn)很不有效的利用，此時較有效的辦法即需在星上設(shè)置現(xiàn)代分組交換處理，不規(guī)則的數(shù)據(jù)流經(jīng)緩存后再按動態(tài)統(tǒng)計復(fù)接原理在下行電路中進(jìn)行最有效的統(tǒng)計復(fù)接交換處理，包括利用第三層寬帶IP交換技術(shù)，此時上行按FDM-TDMA多點波束高頻率再利用方式運行、下行按TDM動態(tài)統(tǒng)計復(fù)接多點波束高頻率再利用方式進(jìn)行工作，從而可使寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)吞吐量獲得量級性的提高。


　　相應(yīng)星上處理器的主要技術(shù)包括SAW（表面聲波）濾波信道化技術(shù)及快速開關(guān)切換技術(shù)，全數(shù)字FFT信道化，路由分配及波束成形技術(shù)，低功耗A／D、D／A，射頻固態(tài)功率放大及信號再生技術(shù)，Butler矩陣放大及其相組合的波束成形、信號緩存、路由分配、頻率轉(zhuǎn)換等射頻功率動態(tài)分配和軟件無線電控制技術(shù)，等等，再包括移動用戶終端處理技術(shù)在內(nèi)，以實現(xiàn)任意形式用戶終端與用戶終端之間的TDMA時隙分配及任意波束、頻率與時隙之間信號的快速、靈活的交換與通信。（未完待續(xù)）


摘自《電信科學(xué)》