寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)

寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)
    寬 帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)將在未來(lái)幾年中得到快速發(fā)展。轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星有效載荷設(shè)計(jì)將以傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)
發(fā)器為基礎(chǔ)，蛤是星上交換和處理有效載佝設(shè)計(jì)將利用寬帶衛(wèi)星和頻率資源。寬帶衛(wèi)星要取得
成功，關(guān)鍵是所提供的業(yè)務(wù)的價(jià)格要有競(jìng)爭(zhēng)力，而且要能夠適應(yīng)未來(lái)十年通信十場(chǎng)的急劇變化。
    衛(wèi)星可以有效彌補(bǔ)地面通信網(wǎng)之不足，但必須是提供通過(guò)太空傳輸所能提供的效果更好的
服務(wù)。
    有證據(jù)表明，只有那些往提供最大限度通信量的問(wèn)時(shí)還能靈活地適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)帶寬需求的設(shè)
計(jì)才能算是成功的設(shè)計(jì)。本文將要說(shuō)明衛(wèi)星通信能力的發(fā)展是如阿導(dǎo)致了能在星上處理信號(hào)從
而文現(xiàn)最大通信量和靈活性的全新一代衛(wèi)星的出現(xiàn)。適應(yīng)市場(chǎng)需求的變化
    未來(lái)衛(wèi)星系統(tǒng)面臨的市場(chǎng)需求將與地面通信面臨的一樣，即帶寬更寬，功能更強(qiáng)，價(jià)格更
低。通信容量最大和終端最簡(jiǎn)便的寬帶系統(tǒng)將有市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。但是，寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)的靈活性已具
有自身的優(yōu)勢(shì)。
    用戶(hù)將把始終在線(xiàn)的高速數(shù)據(jù)連接作為日常生活的一部分。但是，地面寬帶鏈路的有效距
離，無(wú)論有線(xiàn)還是無(wú)線(xiàn)，一般都小十于它們將要替代的話(huà)音系統(tǒng)的有效距離。這就有可能在城
市中產(chǎn)生許多寬帶“孤島”，在人煙稀少的地區(qū)情況會(huì)更加嚴(yán)重，而且沉重的系統(tǒng)費(fèi)用會(huì)使專(zhuān)
用的地問(wèn)系統(tǒng)非常不經(jīng)濟(jì)。在這些地區(qū)，衛(wèi)星自然成為應(yīng)該選擇的寬帶通信手段。
    衛(wèi)星一直是真正的提供全球服務(wù)的手段，因?yàn)閬?lái)自人空的信號(hào)井不區(qū)分接受它的是城市天
線(xiàn)還是鄉(xiāng)村天線(xiàn)。使下一代寬貸業(yè)務(wù)不同于過(guò)去衛(wèi)星系統(tǒng)的是其目標(biāo)價(jià)格可以同地面?zhèn)鬏斚喔?jìng)
爭(zhēng)。這表明衛(wèi)星提供的寬帶傳輸能夠連接難于利達(dá)的地區(qū)，從而成為一種真正的大規(guī)模市場(chǎng)業(yè)務(wù)。
    但是，廣大的地理區(qū)域意味著每顆地球同步衛(wèi)星將為多個(gè)國(guó)家服務(wù)，而且面臨的帶寬和業(yè)
務(wù)需求上會(huì)多種多樣。在某一時(shí)期，有些國(guó)家可能對(duì)Internet接人需求較多，向其他國(guó)家可能
會(huì)產(chǎn)生大量的視頻多點(diǎn)傳送或企業(yè)同數(shù)據(jù)需求。這些情況不但會(huì)隨著經(jīng)濟(jì)氣候的變化而變化，
而且每小時(shí)部可能發(fā)生變化，因?yàn)槊總�(gè)大陸部橫跨多個(gè)時(shí)區(qū)，同時(shí)特殊事件也會(huì)造成需求的突
然轉(zhuǎn)變。因此，只有采用最新的按需分配帶寬的技術(shù)，衛(wèi)星設(shè)計(jì)人員才能保證系統(tǒng)在其整個(gè)使
用期中始終具備優(yōu)良的費(fèi)效比。
寬帶業(yè)務(wù)的四種類(lèi)型
    用戶(hù)將在今后幾年中看到四種完全不同的寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)。第一種是一種混合了類(lèi)似DTH數(shù)據(jù)
傳輸?shù)膫魉图夹g(shù)，它已經(jīng)在諸如DirectPC這樣的產(chǎn)品中被應(yīng)用。用戶(hù)之間共享有限帶寬的衛(wèi)星
下行鏈路，用戶(hù)在網(wǎng)上的瀏覽速度會(huì)因此而提高，條件是同時(shí)在線(xiàn)的人數(shù)不能太多。用戶(hù)上行
傳輸使用的仍然是傳統(tǒng)的電話(huà)調(diào)制解調(diào)器，從而限制了所支持的業(yè)務(wù)。
    這些第一代衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)已經(jīng)被并不依賴(lài)調(diào)制解調(diào)器連接的雙向業(yè)務(wù)所取代。除簡(jiǎn)化連接
外，雙向業(yè)務(wù)提供了更專(zhuān)用的衛(wèi)星帶寬，而且可以更快地發(fā)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這種業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了
個(gè)人網(wǎng)站主機(jī)和有限的交互服務(wù)。
    這兩種早期的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)都依賴(lài)于已有的Ku波段（11GHz）衛(wèi)星，這使得它們可以很快地
聞署妥當(dāng)，但也正因?yàn)檫@樣，它們對(duì)于長(zhǎng)期應(yīng)用來(lái)悅，并不是最具費(fèi)效比和靈活性的資源。然
而，對(duì)于短期應(yīng)用來(lái)悅，它們會(huì)因額外的轉(zhuǎn)發(fā)器能力而產(chǎn)生收益，而且會(huì)贏(yíng)得地理上孤立的利
早期采用這些技術(shù)的這兩部分市場(chǎng)份額。
    真正的寬帶性能是任第三代系統(tǒng)中出現(xiàn)的，而且第三代系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入生產(chǎn)階段并將在2001
年下半年投放市場(chǎng)。第三代系統(tǒng)并不像第一和第二代系統(tǒng)那樣依賴(lài)傳統(tǒng)的Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器，而是
采用Ka波段（18－30GHz）來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間的傳輸。頻率更高的Ka波段系統(tǒng)可以輕松地實(shí)
現(xiàn)衛(wèi)星的點(diǎn)波束傳送，這種方式在與信道化交換結(jié)合時(shí)，一顆Ka波段衛(wèi)星提供的通信能力能夠
達(dá)到一顆Ku衛(wèi)星通信能力的4倍以上。雖然系統(tǒng)的成本會(huì)高一點(diǎn)，但是潛在用戶(hù)的數(shù)量會(huì)因此達(dá)
到大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)有的比例，而且每條線(xiàn)路的實(shí)際成本會(huì)大大降低。使用這些系統(tǒng)，Ka波段第一
次讓衛(wèi)星以可與城市地區(qū)地面?zhèn)魉痛篌w相當(dāng)?shù)膬r(jià)格為廣大用戶(hù)提供面向接入的線(xiàn)路。這種技術(shù)
在對(duì)接入業(yè)務(wù)的價(jià)格極其敏感的廣大住宅用戶(hù)市場(chǎng)有著廣闊的發(fā)展空間。
    點(diǎn)波束的使用是用早期開(kāi)發(fā)投入換來(lái)的。為了提供長(zhǎng)使用期和廣闊的地理范例所需的靈活
性，衛(wèi)星必須能夠任不同的波束之間轉(zhuǎn)換通信能力。這神能力要求星上交換機(jī)制，這種機(jī)制會(huì)
隨著波來(lái)數(shù)量的增加而變得更加復(fù)雜。另外，能勝任要求的星上交換機(jī)通常還能把衛(wèi)星的容量
提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，以適應(yīng)許多通信模式的需要，從而使得往開(kāi)發(fā)階段的早期投入是很情得的。
    第四代衛(wèi)星的出現(xiàn)
    前三代寬帶衛(wèi)星一般被看作是接入技術(shù)，也就是專(zhuān)門(mén)在用戶(hù)和Internet之間通過(guò)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)
衛(wèi)星或彎管式衛(wèi)星提供寬帶連接，與用調(diào)制解調(diào)器通過(guò)地面線(xiàn)路提供連接很相 似。無(wú)論那種連
接方式，每條線(xiàn)路每次都是接納一個(gè)用戶(hù)，而且數(shù)據(jù)的傳送路由選擇都是在中央設(shè)備中進(jìn)行的。
如果來(lái)自許多用戶(hù)的通信量往一個(gè)衛(wèi)星終端中加以組合問(wèn)連續(xù)地送入數(shù)據(jù)通道，這種系統(tǒng)可能
是一個(gè)效率極高的系統(tǒng)。然而，由于衛(wèi)星終端變得越來(lái)越小、越來(lái)越便宜，衛(wèi)星終端變成了單
個(gè)用戶(hù)的專(zhuān)用設(shè)簽，線(xiàn)路上就采用辭發(fā)通信模式。功率有限的衛(wèi)星下行鏈路并不是完全被數(shù)據(jù)
占滿(mǎn)，因此下行鏈路的通信能力并沒(méi)有被分分利用。
    隨著第三代Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)逐漸退出市場(chǎng)，第四代技術(shù)正逐步解決這種下行鏈路效率低問(wèn)
題。其方法是把通信路由功能從地面中央設(shè)備轉(zhuǎn)移到空間衛(wèi)星上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以將來(lái)自許
多猝發(fā)用戶(hù)的通信量在到達(dá)衛(wèi)星下行鏈路發(fā)射機(jī)之前進(jìn)行組合，從而大大提高了效率并圍．使
系統(tǒng)每年產(chǎn)生更多的收益。
    傳輸效率的提高可以為更多的用戶(hù)提供電多可用的按需帶寬和服務(wù)質(zhì)量（QoS），因?yàn)樗��?br />以動(dòng)態(tài)地、自動(dòng)地按需分配水使用的通信能力。用戶(hù)只在他們需要的時(shí)候按選擇的質(zhì)量等級(jí)為
所使用的業(yè)務(wù)付費(fèi)。
    星上處理的有效載荷荷設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)發(fā)式設(shè)計(jì)基本相同。但是，轉(zhuǎn)發(fā)式設(shè)計(jì)中采用的星上電路
交換被星上解調(diào)器、交換機(jī)和一組下行鏈路調(diào)制器所取代。除高效使用下行鏈路外，星載解調(diào)
器的采用提高了鏈路的性能，從而縮小用戶(hù)終端的體積，降低了傳送所需的功率，因?yàn)樾盘?hào)會(huì)
任噪音增大之前經(jīng)過(guò)再生。除隔離上行鏈路和下行鏈路干擾外，星載解調(diào)器還使接人高度安全，
保證了無(wú)關(guān)終端搶占下行鏈路。
    星上處理的寬帶衛(wèi)星的核心是一種快速數(shù)據(jù)分組交換機(jī)。不規(guī)則輸入的數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)緩沖后
再分發(fā)到各輸出信道，保證下行鏈路在任何通信條件下都保持最大的負(fù)荷量。這種“統(tǒng)計(jì)復(fù)用”，
即幾部分所使用的上行信道往下行信道中多路復(fù)用（帶寬分配），可以將容量完用于傳送用戶(hù)
數(shù)據(jù)。由于大多數(shù)業(yè)務(wù)是對(duì)衛(wèi)星上行鏈路以統(tǒng)計(jì)方式提供猝發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，所以，統(tǒng)計(jì)復(fù)用是一
種極為重要的傳送能力。
    從傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)模式問(wèn)這種處理模人新一代衛(wèi)星轉(zhuǎn)移時(shí)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商并不清楚哪種結(jié)構(gòu)可以
使吞吐量和收益最大化。有關(guān)方面的分析結(jié)果，量化了轉(zhuǎn)發(fā)器、電路交換和快速數(shù)據(jù)分組交換
結(jié)構(gòu)的吞吐率，從而確定出在網(wǎng)狀網(wǎng)中多媒體通信可以使用的基本通信能力和使用效率（平均
吞吐量）。該項(xiàng)研究使用的通信模型定義廠(chǎng)多種業(yè)務(wù)，包括廣播質(zhì)量級(jí)視頻、電視會(huì)議、語(yǔ)音
和網(wǎng)上瀏覽。結(jié)果表明，星上處理模式提高了平均杏吐量和用戶(hù)數(shù)據(jù)率。由于頻率能夠往沒(méi)有
地間設(shè)施條件下重復(fù)利用，處理模式的基本通信能力和平均吞吐量大大高于轉(zhuǎn)發(fā)模式，因?yàn)檗D(zhuǎn)
發(fā)結(jié)構(gòu)要求大量的地面互連才能實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)連接，即使這樣，由于每顆衛(wèi)星只有一個(gè)波束，所以
頻率復(fù)用是不可能實(shí)現(xiàn)的。
    電路交換結(jié)構(gòu)通過(guò)采用多波束來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率更用。波束內(nèi)的連接只能通過(guò)地面的連接關(guān)口站
才能實(shí)現(xiàn)。電路交換優(yōu)于轉(zhuǎn)發(fā)模式的地方是頻率復(fù)用。這兩種模式最適合傳統(tǒng)的廣播電視業(yè)務(wù)，
但并不能滿(mǎn)足分布在地理空間上的大量用戶(hù)之間的多媒體應(yīng)用的需要。快速數(shù)據(jù)介組交換模式
就成為滿(mǎn)足這一需要的最靈活、效率最高的解決方案，它能讓一個(gè)波束覆蓋的用戶(hù)直接與網(wǎng)絡(luò)
中的其他任何終端連接，而無(wú)需投資建設(shè)大量的地間設(shè)施�？焖贁�(shù)據(jù)分組交換模式還充分利用
了可變速率多媒體的猝發(fā)性質(zhì)，從而高效使用下行鏈路的基本通信能力。快速數(shù)據(jù)分組交換模
式有著電路交換和轉(zhuǎn)發(fā)模式無(wú)法比擬的巨大優(yōu)勢(shì)，它可以讓網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供商為用戶(hù)提供數(shù)千兆
的通信容量，滿(mǎn)足多種通信需求。
    此外，星載交換機(jī)葉以讓交換能力動(dòng)態(tài)地配置衛(wèi)星連接，為任意數(shù)量的特殊使用提供服務(wù)。
這就使所提供的多種業(yè)務(wù)可以根據(jù)市場(chǎng)需求的變化調(diào)整衛(wèi)星帶寬的分配，快速數(shù)據(jù)分組交換模
式對(duì)以處理某本的IP幀中繼、 ATM業(yè)務(wù)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和多路傳送視頻、企業(yè)網(wǎng)狀虛擬專(zhuān)用網(wǎng)（VPN）
和其他許多專(zhuān)用寬帶業(yè)務(wù)。
    星上處理與轉(zhuǎn)發(fā)有效載荷的主要區(qū)別就在于交換機(jī)。這種復(fù)雜的數(shù)據(jù)設(shè)備的續(xù)生成本比簡(jiǎn)
單的電路交換機(jī)略高一點(diǎn)，但與多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的投資相比要少得多。
星上處理寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)即將實(shí)現(xiàn)
    由于具有巨大的需求和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，多項(xiàng)第四代星上處理的設(shè)計(jì)正處在完善過(guò)程中，而且預(yù)
計(jì)對(duì)2003年會(huì)推向市場(chǎng)。用戶(hù)將會(huì)從寬帶解決方案的更新?lián)Q代中獲得巨大收益，因?yàn)樵诩�能�?br />高的同時(shí)價(jià)格會(huì)大幅度降低。而且，衛(wèi)星行業(yè)為寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)的成功實(shí)現(xiàn)做好了充分準(zhǔn)備。
摘自《衛(wèi)星通信廣播電視》