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未來寬帶多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展趨勢和關鍵問題綜述（周樂柱、李斗）
引言
本文綜述了未來的寬帶多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)。其關鍵技術與已經(jīng)出現(xiàn)的第三代地面通信系統(tǒng)
（3G）相同，都是利用IP和IP／ATM提供多媒體信息服務。應用IP／ATM的未來衛(wèi)星通信網(wǎng)絡
基本上可以分為兩類：“彎管”衛(wèi)星中繼和空中交換。本定將討論這兩類結構的優(yōu)缺點，以
及關鍵問題和發(fā)展趨勢。
1．未來的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)
未來的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)將提供高速因特網(wǎng)接入及多媒體信息服務，其主要特征數(shù)據(jù)見
表1。
表1 下一代SATCOM系統(tǒng)
| 系統(tǒng) | 運營 時間 | 衛(wèi)星 | 高度 (公里) | 頻帶 | 接入 | 網(wǎng)絡 | 容量 | 業(yè)務 |
| Astrolink | 2003 | 9 GEO | 36000 | Ka | FDMA TDMA | IP/ATM ISDN | 6.5Gb/s | 高速率 多媒體 |
| Cyberstar | 2001 | 3 GEO | 36000 | Ka | FDMA TDMA | IP/ATM幀中繼 | 9.6Gb/s | 因特網(wǎng)接入VOD寬帶業(yè)務 |
| Spaceway | 2002 | 16 GEO 20MEO | 36000 10352 | Ka | FDMA TDMA | IP/ATM | ISDN4.4Gb/s幀中繼 | 高速因特網(wǎng)BOD多媒體 |
| SkyBridge | 2001 | 80LEO(Wallker) | 1469 | Ku | CDMA FDMA TDMA | IP/ATM | >20Musers | 高比特因特網(wǎng)接入多媒體服務 |
| Teledesic | 2002 | 288 LEO 12planes of 24 | 1375 | Ka60GHz | MF-TDMA ATDMA | IP/ATM ISDN | 10.0Gb/s | 空中因特網(wǎng)高質量話音/數(shù)據(jù)/圖象 |
| iSky(KaStar) | 2001 | 2 GEO | 36000 | Ka | IP/ATM | 因特網(wǎng) DBS，PCS BoD |
各系統(tǒng)的特點簡述如下：
Antrolink—Ka波段Astrolink衛(wèi)星星座包括9顆地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星。系統(tǒng)支持高
速率多媒體通信，采用星上處理和星上交換技術以提高效率和靈活性。每顆衛(wèi)星都是通信網(wǎng)
絡的節(jié)點，這與“彎管中繼”轉發(fā)不同。數(shù)據(jù)率范圍為16kb／S到9.0Mb／S。其中384Kb/S的
數(shù)據(jù)率支持90Cm的大線，這使Antrolink適用于較大的移動平臺。
Cybrstar－Ka波段Cyberstar衛(wèi)星星座由3顆GEO衛(wèi)星組成。它可提供IP多路廣播服務。
Cyberst，網(wǎng)絡的容量是9.6Gb／S。IP多路廣播的應用基于幀中繼和ATM技術。
Spaceway—Spaceway衛(wèi)星星座由16顆高軌（GEO）衛(wèi)星和20顆中軌（MEO）衛(wèi)星組成。采
用Ka波段支持高速數(shù)據(jù)、因特網(wǎng)接入及資帶多媒體信息服務。Snaceway的衛(wèi)星結構基于傳統(tǒng)
的彎管中繼。它向采用0.66米小型終端的用戶提供高質量的服務，數(shù)據(jù)率為16kb／S到6Mb／S。
Spaceway系統(tǒng)與地面ATM、綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（ISDN）、幀中繼及X.25標準兼容。
Skybrrdge一Skybridge星庫由80顆圓形低軌衛(wèi)星（LEO）彎管式中繼組成。系統(tǒng)將支持
先進的信息服務，如交互多媒體，數(shù)據(jù)率為16kb／S到60Mb／S。衛(wèi)星設計基于彎管中繼。與
表1中的其它系統(tǒng)不同，Skgbridge是一個Ku波段系統(tǒng)，選擇Ku波段是因為Ku波段技術已經(jīng)成熟。
SxyBridge網(wǎng)關站通過ATM交換與地面網(wǎng)絡接口。大多數(shù)服務將是基于IP的。Skgbridge
采用了碼分、時分、傾分多址（CDMA/TDMA／FDMA）的混合波形，然而衛(wèi)星本身是透明的（及
彎管式）。為提高容量，采用了點波束，每波束內頻率復用。Skybridge將同時能容納2千多
萬用戶。
Teledeslc—Teledesic星座由288顆衛(wèi)星組成，它們處于12平面、每個面24顆衛(wèi)星。
Teledesic是一個Ka波段系統(tǒng)，每一個軌道面上的相鄰衛(wèi)星之間采用60GHZ的星際鏈路。
Teledesic采用全星上處理和全星上交換。系統(tǒng)設計成一個“空中因特網(wǎng)”。它提供高質
量的話音、數(shù)據(jù)和多媒體信息服務。多址接入技術是上行鏈路的多頻TDMA（MF一TDMA）與下
行鏈路的非同步TDMA（ATDMA）相結合。網(wǎng)絡容量計劃為10Gb／S。用戶的上行速率可達2Mb／s，
下行速率可達64Mb／S。40.25°的最小仰角使系統(tǒng)利用率達99.9％的可視率。
isky（Kastar）一isky以前稱為Kastar，它集中向北美提供寬帶數(shù)據(jù)和因特網(wǎng)服務。該
Ka波段系統(tǒng)可支持高速率雙向因特網(wǎng)接入、直接廣播服務（DBS），并可通過小口徑天線（例
如26英寸）向家庭和辦公室提供未來個人通信系統(tǒng)（PCS）服務。初始星座由兩顆GEO衛(wèi)星組
成。上行頻率是19.2一20.0GHZ，下行頻率是29.0－30.0GHZ。數(shù)據(jù)率可高達40Mb／S，典型數(shù)
據(jù)率為1.5一5Mb/s。
2．發(fā)展趨勢和存在問題
2.1Ka波段和更高頻率
從表1中的例子可見，很多未來的衛(wèi)星系統(tǒng)都工作在Ka波段。一個主要原因是因為波頻段
是可利用的。其它的一些頻段可能也有利用價值，包括V波段（40-50GHz）及毫米波段（例如
60GHZ）。隨著衛(wèi)星系統(tǒng)和用戶數(shù)量的增多，以及他們對帶寬需求的日益增加，孤計會考慮利
用更高的顧率，盡管在這些頻率范圍存在著眾所周知的而真和大氣損耗。對Ka波段和更高頻
率感興趣的另一原因是可以應用小天線。然而，這必須綜合考慮其他因素，例如在這些頻率
下雨衰的增加，將導致采用大口徑天線。
2.2高軌衛(wèi)星還是低軌衛(wèi)星
高軌衛(wèi)星的大范圍覆蓋使它們成為多路廣播的理想選擇。然而，軌道越高意味著往返路
往延遲就越長，這使得GEO不太適合括臺和交互圖像服務。軌道較高也意味著發(fā)射費用就越高。
LEO系統(tǒng)要求地面終端與衛(wèi)星之間在相對短的時間內頻繁地進行頻率切換。此外，它們也
依賴于相鄰衛(wèi)星的交叉鏈路來增加覆蓋。這增加了LEO系統(tǒng)的復雜度，也會導致延遲抖動的問
題，可能降低話音的質量�？朔舆t抖動的一個方法是通過存儲轉發(fā)傳送話音。Teledesic中
采用了這一方法。
2.3增強型TCP
這方面的研究已深入到TCP應用的各方面沒TCP／IP在衛(wèi)星鏈路中的性能。研究的問題包
括慢啟動算法、適應大帶寬時延力量的能力、擁塞控制、確認以及錯誤恢復機制等。
慢啟動算法特別不利于傳輸時間短于帶寬時延分量的數(shù)據(jù)傳輸。因此，較大的初始商口
及字節(jié)計數(shù)法正在研究之中。特別是，當TCP連接數(shù)據(jù)率與往返路往延遲的分量超出了可用內
存時，性能將急劇下降。就這一點而言，LEO系統(tǒng)比GEO優(yōu)越。對此有幾種可能的解決辦法。
一種是“欺騙”TCP方法，通過發(fā)送提前確認欺騙TCP協(xié)議進行連續(xù)傳輸。另一種方法是利用
選擇性重復確認（SACK）方法，因特工程特別工作組（IETF）正人研究有關TCP的這種SACK。
甚于SACK的丟失恢復機制可以用來提高協(xié)議效率及長延遲鏈路中的阻塞控制。
2.4IP、ATM及增強型的QOS保障
IP、ATM或二者的混合（IP/ATM）預計將成為未來高效多媒體信息網(wǎng)絡的基石。發(fā)展趨勢
是實現(xiàn)日益靈活、面向分組和保證QOS的網(wǎng)絡。在保證質量和速度的前提下，提供多項服務。
保證QOS是多媒體通信的基本要求。精確地分配各種服務的必需資源的能力（如優(yōu)化資源利用），
對提高效率非常重要。
ATM設計成可保證每種服務類別的QOS。而IP目前僅能通過最有效的傳輸支持一種QOS；但
在將來，IP預期能支持多種級別的QOS，因此也能支持多媒體服務。
2.5衛(wèi)星通信中IP的安全性
隨著電子商務的增加，對因特網(wǎng)安全性的要求也提高了。衛(wèi)星的大范圍覆蓋更可能造成
信息被截取和破壞。因特網(wǎng)協(xié)議安全性（IP Sec）機制必須確保保密、認證、完整、接人控
制及密鋼管理。保密意味著只有適當?shù)挠脩舨拍芙佑|到信息。認證要求驗證用戶的身份和接
入的權利。完整是指信后、尚未被破壞。接人控制要保證系統(tǒng)不允許未授權按人。密鋼管理
對于多路廣播衛(wèi)星通信而言非常重要，關鍵問題是提供一個背效的方法來動態(tài)地產生和分配
密鑰。該問題可能因為路由技術而進一步復雜化。
2.6IP路由和ATM交換
IP路由對于承載IP信息的網(wǎng)絡問官是一個合理的選擇。它也因廣泛采用因特網(wǎng)群組管理
協(xié)議（IGMP）（RFC2236）支持多路廣播傳輸而有意義。然而，IP路由對所有衛(wèi)星網(wǎng)絡，也許
特別是對于全網(wǎng)狀結構LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡的多路廣播而言，提出了新的挑戰(zhàn)。
對于具有動態(tài)群組用戶成員及隨時變化的星際鏈路的系統(tǒng)而言，發(fā)展能夠支持多路廣播
傳輸?shù)穆酚蓞f(xié)議要比靜態(tài)衛(wèi)星通信鏈路復雜得多。地面因特網(wǎng)路由協(xié)議所依賴的拓撲信息，
為開放最短路徑（OSPF）和路由信息協(xié)議RTP將很快變得過時了。
地面上應用的路由，也可以在衛(wèi)星上應用（星上路由OBR）。無論是哪種情況，與空間段
和地面段有關的信息（如衛(wèi)星的標識符、星際鏈路接口；地面段的地理位置、主機標識符及
MAC信息，如CDMA編碼、TDMA時隙或FDMA頻率等）都是需要的。用于衛(wèi)星通信的各種IP路由技
術的研究正在深入進行，包括隧道式傳輸、網(wǎng)絡地址轉換（NAT）（RFC2663）、邊界網(wǎng)關協(xié)
議（BGP）（RFC1771）、具有多協(xié)議標記交換（MPLS）功能的TP／ATM以及應用于衛(wèi)星網(wǎng)絡的
基于權限的路由技術。將來，衛(wèi)星網(wǎng)絡的IP路由技術可能通過綜合應用隧道式傳輸、NAT、邊
界路由以及MPLS來實現(xiàn)。（這種技術特別適用于在ATM--衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中支持IP路由）
絕大多數(shù)將要建立的商用寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)都是基于ATM的。交換／路由可能通過專用協(xié)議與
ATM或IP／ATM、封裝和隧道式傳輸?shù)慕Y合來實現(xiàn)。例如，Teledesic將采用自己的專用協(xié)議，
用于星際鏈路和地空鏈路。Spaceway和Astrolink的軍際鏈路和地空鏈路將采用ATM傳輸，同
時也采用傳統(tǒng)的MAC／LLC和傳統(tǒng)的信令。Skgbridge在地間段應用ATM（它沒有星際鏈路或星
上處理、星上交換、星上路由）。這些系統(tǒng)都通過隧道式傳輸支持IP。
3．彎管式衛(wèi)星中繼還是空中交換
在彎管式衛(wèi)重中繼系統(tǒng)中，衛(wèi)星轉發(fā)器只完成信號放大和頻率轉換。信號檢測、解碼和
協(xié)議轉換等都不在星上進行。因此衛(wèi)星基本上與信號形式無關，對協(xié)議是透明的。原則上，
任何持有合適終端的用戶都可能接收到衛(wèi)星的信號。這種情況被稱為衛(wèi)星轉發(fā)ATM（SR－ATM）。
采用星上交換要求具有基本的星上處理功能。具有全部星上交換功能的衛(wèi)星稱之為衛(wèi)星
交換ATM（SS－ATM）。盡管目前呈上處理、星上交換和星上路由的應用還很少見，但預計未
來會增加，因為它們比透明的彎管式中繼具有更優(yōu)越的性能和更致密的網(wǎng)絡功能。
3.1星上處理、星上交換和星上路由
星上處理的主要目標之一是向小型地面站提供竿跳連接。目前一些衛(wèi)星通信系統(tǒng)已具有
不同程度的星上處理，星上交換和星上路由。有多種形式的星上處理可應用于ATM一衛(wèi)星通信
網(wǎng)絡。星上處理大致可分為以下三類：
第1類：基帶星上處理、早上交換和星上路由；
第2類：中頻／射頻（IF／RF）星上處理和星上交換；
第3類：支持處理。
第1類通常稱為全處理衛(wèi)星，典型例子是衛(wèi)星“空中交換”。第2類大致對應干部分處理
衛(wèi)星。它可能包合信號的再生、射頻或中頻的交換，但不包含星卜基帶交換。其它形式的處
理，雖與通信沒有直接關系，但支持通信功能的處理劃分到第3類。本文只考慮基帶星上處理
和星上交換。
3.2基帶處理
基帶處理的目的是提高鏈路的性能和效率，這神提高可以降低費用并增加容量，而后者
又符合當前的發(fā)展趨勢，例如寬帶通信。也許最重要的是，星上處理和星上交換的結令，可
以提高整個網(wǎng)絡的效率和靈活性。星上處理是空中交換構想的基本元素。在衛(wèi)星交換ATM的
情況下，星廣處理能實現(xiàn)基干蜂窩的星上交換。
基帶星上處理功能不限于信號放大和頻率轉換。主要功能包含解調、解復接、誤碼檢錯
和糾錯，以及路由和控制信息的轉移�；鶐巧咸幚碇信c信號再生和傳輸有關的例子包括數(shù)
據(jù)的交換或路由、波束成形、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)復接。
信號再生技術通常用來改善信噪比和減少誤碼率，這對于采用ATM的衛(wèi)星通信可能特別重
要，因為它要求的誤碼率小于或等于10（負8次方）。對于星上處理而言，關鍵在于衛(wèi)星不再
是透明的轉發(fā)器。這就要求具有兼容性（例如為了通信聯(lián)系，波形必須是一致的）。
除了信號再生和交換外，基帶易上處理還可以采用多種技術來優(yōu)化系統(tǒng)性能。波未成形
就是最好的例子。星上處理可以采用動態(tài)波未成形和干擾消除技術。它可能實現(xiàn)類似天線增
益和覆蓋的動態(tài)按需分配，這就能夠靈活地分配衛(wèi)星的等效全向輻射功率（EIRP）。
4．全星上處理衛(wèi)星
一個全星上處理的衛(wèi)星交換一ATM一衛(wèi)星通信系統(tǒng)（SS—ATMSATCOM）網(wǎng)絡的概念描述從
中可以看到，衛(wèi)星是ATM網(wǎng)絡中的一個節(jié)點。與由地面控制的、較慢的中頻和射頻非動態(tài)交換
不同，對于小區(qū)級邏輯連接，其動態(tài)星上處理是可能的。在這個例子中，所有星上處理過程
都假設是在基帶上進行的。
4.1星上處理和衛(wèi)星資源分配
原則上，星上處理和星上交換的結合使資源分配能夠由衛(wèi)星完成。這是合理的，因為與
一個接火終端不同，衛(wèi)星亙接利用可用資源的第一手資料，因此它能更有效地進行接人控制。
結果是，地面無需再對有效容量進行估計，由于衛(wèi)星傳輸分集所引起的功率和延遲的不確定
性便消除了。
雖然，對非ATM的星上處理和星上交換也可得到同樣的結論，但是對ATM星上交換系統(tǒng)而
言，呈上資源分配的潛在優(yōu)勢更顯著，因為ATM設計獨特，在滿足QOS要求的前提下，支持按
需靈活地分配任何數(shù)量的帶寬直至滿容量。
當然，不是對所有的服務都同樣處理。例如對于傳統(tǒng)的TDM／FDMA鏈路，容量要么有，要
么沒有，此時資源的分配更簡單一些。
4.2資源的估計
一個與ATM一衛(wèi)星通信和資源分配部相關的問題是可用資源的確定。有用資源的近似估計
可以通過對ATM交換中隊列長度的測量來獲得。但是，這僅僅是基于延遲的容量估計。而星上
處理可陵對滿足QOS要求的可用資源的估計更為精確，因為它除了直接給出了一個用戶的需求
和信號特點外，還給出了星上其它頻率和功率的分配信息（即全處理衛(wèi)星控制WAN接入和資源
分配）。
4.3自適應波束成形和資源分配
我們考慮采用TDMA，同時為了使增益和EIRP盡可能與用戶群的需求相適應，并使ATM一衛(wèi)
星通信應用于多路廣播，我們使ATM虛電路（VC）和天線波束之間相關聯(lián)。采用了與衛(wèi)星網(wǎng)絡
的拓撲結構和特點相適應的媒體接人控制（MAC）層。
星上交換一ATM、靈活帶寬分配能力、自適應波未成形技術以及把所要求的增益準確地聚
焦于相關區(qū)域的能力結合起來，使帶寬、功率和EIRP形成一個資源池。理想的情況是，衛(wèi)星
應能從該池中把所要求的容量精確地按需分配到任何用戶或用戶群中，而且滿足服務要求、
QoS要求及適應終端的能力。這樣，通過有效的控制，星上處理和ATM就能提高性能。
這種控制可能是自動地在衛(wèi)星上進行的，也可能是在地面上進行。雖然，全星上處理和
全星上交換在目前還不普遍，但隨著處理能力和網(wǎng)絡化需求的日益增加，在未來會越來越普
遍。今天，在采用星上處理和有限的衛(wèi)墓中，絕大多數(shù)是由地面控制的。NASA的ACTS和ItalSat
是通過地問控制的星上基諾交換的典型例子。
5．服務平臺
要用性能不太優(yōu)越的小終端向用戶提供多媒體信息服務，就要求這種服務與終端（如手
機）和網(wǎng)絡有效地結合起來。這個設想中的一個重要問題是服務平臺的作用。服務平臺可以
看作一個位于傳輸系統(tǒng)與支持分布式多媒體信息服務的底層網(wǎng)絡之間的一個功能層。
服務平臺為分享計算和通信資源提供了基本的手段。它支持適應性和升級能力，還支持
服務管理和傳輸（如多路廣播服務、安全性、QOS管理、同步和誤差控制）。正因為如此，它
可能影響通信系統(tǒng)的許多方面。在未來通信系統(tǒng)通過具有星上處理能力的衛(wèi)星向衛(wèi)星用戶終
端提供因特阿服務的情形下，服務平臺的選擇可能最終以某種方式影響到衛(wèi)星網(wǎng)絡和通信資
源的共享，以及衛(wèi)星系統(tǒng)與分布多媒體網(wǎng)絡的綜合。
6．結束語
未來衛(wèi)星系統(tǒng)將提供一系列先進的信息服務。發(fā)展趨勢是高速因特網(wǎng)接入，寬帶多媒體
服務，以及通過IP和／或IP／ATM網(wǎng)絡提供IP服務。服務范圍可能從電子郵件、話音通信到寬
帶多路廣播及交互式圖像。
衛(wèi)星結構可能通過星上處理、星上交換和／或星上路由來增強能力，也可能為了簡單化
和靈活性，采用傳統(tǒng)的透明轉發(fā)器。星座可能是LEO、MEO，GEO或它什怕勺結合，這取決于所
要求的覆蓋和支持的服務項目。隨著可用頻譜的日益缺乏，將更加普遍地采用Ka波段和更高
頻率。較高的頻率可以使用戶終端更小，也就意味著移動性更好。也許最重要的是，已有的
和未來的衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面網(wǎng)絡的結合可以聯(lián)結跨越最后一英里，把因特網(wǎng)服務擴展到企
業(yè)和家庭。
摘自《衛(wèi)星通信廣播電視》
