衛(wèi)星移動(dòng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)

衛(wèi)星移動(dòng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)（楊傳厚）
    摘要：支持寬帶多媒體通信服務(wù)及移動(dòng)性的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是未來通信技術(shù)權(quán)有吸引
力的一個(gè)領(lǐng)域。它們有很大的復(fù)蓋面，因而對(duì)中國這樣幅員遼闊的國家有很重要的意義。
本文敘述了這種網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)模型，并討論了與它的發(fā)展有關(guān)的若干技術(shù)問題。
    關(guān)鍵詞：衛(wèi)星  移動(dòng)性  寬帶  數(shù)據(jù)通信網(wǎng)
    一、導(dǎo)言
    最近幾年來移動(dòng)數(shù)字電話及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、尤其是ATM寬帶數(shù)據(jù)通信網(wǎng)發(fā)展很快，人們同
樣也希望發(fā)展移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)，無線ATM網(wǎng)是一種解決的方案。中國幅員遼闊，并且由于某
些地區(qū)地形的特點(diǎn)（高山、沙漠等人口較為稀少的地區(qū)），建立有線地面網(wǎng)絡(luò)不經(jīng)濟(jì)甚至
不可行，而建立衛(wèi)星移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)將有助于這種問題的解決。衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)在一些領(lǐng)域可
以獲得應(yīng)用。例如：石油工業(yè)、海事及海洋工程、森林業(yè)以及軍事等領(lǐng)域。
    衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)在于：
    （1）有很大的復(fù)蓋面積，并且能很快及完全地復(fù)蓋。
    （2）可以采用全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及建立全球的通信網(wǎng)。
    （3）它特別適合于廣大農(nóng)村，以及其地形困難、建立地面有線網(wǎng)絡(luò)不合算或不可行的
那些地區(qū)。
    （4）可用于急救及安全管理當(dāng)局及其部門。
    衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是其傳輸時(shí)延相對(duì)比較大。
    本文主要內(nèi)容是簡要介紹衛(wèi)星移動(dòng)ATM網(wǎng)。
    這種網(wǎng)絡(luò)很可能設(shè)計(jì)在Ka波段（20／30 GHz）工作。但也可以設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的C或KU波段。
最近幾年一些西方研究單位及商業(yè)公司在這方面已進(jìn)行了研究并為此發(fā)射了若干試驗(yàn)衛(wèi)星。
由于移動(dòng)的寬帶（ATM）網(wǎng)絡(luò)對(duì)中國有很重要的意義，它應(yīng)當(dāng)成為中國通信技術(shù)本來發(fā)展的
一個(gè)方面。
    衛(wèi)星移動(dòng)ATM網(wǎng)絡(luò)有兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：即透明的衛(wèi)星ATM網(wǎng)及星上處理的衛(wèi)星ATM網(wǎng)。在第
一種結(jié)構(gòu)中，衛(wèi)星起一種中繼的作用；而在第二種結(jié)構(gòu)中，衛(wèi)星將作為一個(gè)ATM網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而
工作。
    二、結(jié)構(gòu)
    1·透明衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)
    根據(jù)T1A TR34.1的定義，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)性支持的類別，透明衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信網(wǎng)又分為
3種：
    （1）SATATMI1.1固定ATM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
    （2）SATATM1.2支持移動(dòng)終端的ATM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
    （3）SATATM1.3支持移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的ATM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
    在SATATM1.1中，衛(wèi)星用于固定的地面ATM網(wǎng)絡(luò)的互連。
    SATATM1.2支持移動(dòng)的用戶終端以及由于衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)與衛(wèi)星有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的終端（例如，
在中／低地球軌道的衛(wèi)星，用戶終端UT的移動(dòng)性要求）。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)支持位置管理（location 
Management）；而衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)要求衛(wèi)星支持切換（Hand off或Handover）。切換可能有下
面幾種：
    ·從一個(gè)衛(wèi)星到另一衛(wèi)星的切換。這時(shí)用戶終端UT或GWS從一個(gè)衛(wèi)星的復(fù)蓋區(qū)進(jìn)入另一
衛(wèi)星的復(fù)蓋區(qū)。
    ·從一個(gè)衛(wèi)星波束到另一衛(wèi)星波束。這時(shí)UT或GWS從一個(gè)衛(wèi)星的波束進(jìn)入衛(wèi)星的另～波
束復(fù)蓋范圍內(nèi)。
    ·從一個(gè)GWS到另一GWS。這時(shí)衛(wèi)星離開一個(gè)GWS的視線到另一GWS的視線。
    前面兩種切換不要求在ATM層的再次路由（Rerouting）并可在衛(wèi)星上完成；但第三種
切換要求在ATM層的ATM連接的重路由：它是因?yàn)閮蓚�(gè)GWS是通過兩個(gè)分開的ATM交換機(jī)與地
面網(wǎng)相連。
    在SATATM 1.3中，衛(wèi)星通信網(wǎng)提供了一個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與一個(gè)固定網(wǎng)絡(luò)或是兩個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)
之間的高速互連。一種應(yīng)用是連接移動(dòng)的多用戶與平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)之間的互連。例如：飛機(jī)、船
舶、火車等通過衛(wèi)星鏈路與地面ATM網(wǎng)絡(luò)的互連。在理想的情況下網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性要求支持
切換、也支持動(dòng)態(tài)路由〔例如，加入地面網(wǎng)絡(luò)的路由層次）。當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)從一個(gè)衛(wèi)星的復(fù)
蓋區(qū)進(jìn)入另一衛(wèi)星的復(fù)蓋區(qū)時(shí)，正在進(jìn)行的連接必須從以前的衛(wèi)星及GWS切換到一個(gè)新的
衛(wèi)星及GWS去。
    ATM論壇正在研究在 PNNI（專用網(wǎng)到網(wǎng)接口）協(xié)議的第二版中，將移動(dòng)性的擴(kuò)充包括
到再路由機(jī)制中去。根據(jù)這項(xiàng)研究工作，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都可把自己加入到固定網(wǎng)的路由層次
中去。
    2．有星戴處理的衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)
    在星載處理衛(wèi)星的ATM網(wǎng)中，星上有效負(fù)載交換機(jī)（payload Switch）實(shí)現(xiàn) ATM交換，
所以控制功能是在衛(wèi)星上ATM交換機(jī)及地面上的網(wǎng)控中心（或網(wǎng)控站）之間分配。
    根據(jù)T1A、TR34.1，這種網(wǎng)絡(luò)又進(jìn)一步分為三種結(jié)構(gòu)：
    ·SATATM 2.1低速的衛(wèi)星鏈路，用來將遠(yuǎn)處的ATM主機(jī)與地面網(wǎng)絡(luò)相連（UNI）。星上
交換機(jī)與地面交換機(jī)之間的接口是NN1。
    ·SATATM 2.2衛(wèi)星是一個(gè)通過高速鏈路與多個(gè)地面ATM網(wǎng)互連的ATM節(jié)點(diǎn)。接口是NNI類。
    ·SATATM 2.3通過衛(wèi)星線路將若干個(gè)衛(wèi)星形成一個(gè)ATM網(wǎng)絡(luò)。
  三、網(wǎng)絡(luò)實(shí)體及協(xié)議
    網(wǎng)絡(luò)通常由下面實(shí)體構(gòu)成：
    （1）用戶終端（UT）。UT可支持若干不同接口：ATM  UNI，幀中繼 UNI，NISDN BRI
（基礎(chǔ)碼速），PRI，TCP／IP，UT與衛(wèi)星適配單元（SAU）相接。
    （2）衛(wèi)星適配單元（SAU）。通常設(shè)計(jì)成一個(gè)實(shí)體以提供連接到衛(wèi)星的功能。它完成
到衛(wèi)星平臺(tái)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，包括物理層的功能，如信道編碼、調(diào)制解調(diào)、無線部件及天線部
分。傳輸碼速從16 kbit/s到T1或E1。
    （3）有效負(fù)載（交換機(jī)）（P／L）。星上的衛(wèi)星交換機(jī)完成復(fù)接及去復(fù)接、信道編碼
及解碼以及用多點(diǎn)波束配置以完成快速分組交換。
    （4）網(wǎng)關(guān)地球站（Gateway Earth Station－GWS），它們是用來接入到外部網(wǎng)絡(luò)的地
球站。在GEO（地球軌道同步衛(wèi)星）系統(tǒng)中，GWS的數(shù)量及位置只與消息流有關(guān)；但在非GEO
（LEO及MEO）系統(tǒng)中它們還與另外一些設(shè)計(jì)有關(guān)。
    （5）網(wǎng)控中心（NCC）
    它是控制整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源及運(yùn)行的中心實(shí)體。此節(jié)點(diǎn)向GWS分配無線頻率。NCC負(fù)責(zé)
完成呼叫路由及呼叫管理，如位置更新、切換（如果可用）、認(rèn)證、登記、刪去登記、記
費(fèi)等等。在非GEO系統(tǒng)中這些運(yùn)作在多于一個(gè)的GWS中以分布式完成。
    在衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)中可有兩種參考模型：對(duì)于透明衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)采用ATM協(xié)議包裝（EncaPsul
ation）的辦法，它很簡單且容易實(shí)現(xiàn)；對(duì)于有星載處理的衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)，為衛(wèi)星、SAU、N
CC及GWS專門設(shè)計(jì)了一個(gè)衛(wèi)星ATM層（S－ATM）。
    衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中的MAC層（媒體訪問控制）協(xié)議與通常地面網(wǎng)絡(luò)中的局域網(wǎng)不同，這
是由于衛(wèi)星通信中傳輸時(shí)延要大得多。為此研究了許多種可用的協(xié)議，最普通的MAC層協(xié)議
有：固定時(shí)隙分配協(xié)議（Fixed Assignment）、按需請(qǐng)求分配協(xié)議（De－mand Assignment）、
隨機(jī)訪問（Random Access）、時(shí)隙保留協(xié)議（Reservation）及自適應(yīng)（AdaPtive）協(xié)議。
    由于衛(wèi)星通信網(wǎng)中傳輸時(shí)延較大，使得TCP／IP在衛(wèi)星ATM網(wǎng)中運(yùn)行的性能不佳，必須
采取某些措施加以改善，例如緩沖器管理。
    四、小結(jié)
    支持移動(dòng)性的ATM網(wǎng)絡(luò)是通信技術(shù)中一項(xiàng)重要新發(fā)展，它大大地?cái)U(kuò)展了數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的通
信范圍并對(duì)中國有很重要的意義。
    有兩類衛(wèi)星可供應(yīng)用：透明衛(wèi)星及有星載處理的衛(wèi)星。為了進(jìn)行設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)，
有一些技術(shù)問題需要更深入地研究，它們是：
    ·位置管理；
    ·由于移動(dòng)性產(chǎn)生的路由及再路由；
    ·切換及移動(dòng)性支持；
    ·網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及協(xié)議的選擇（例如是否用S－ATM，MAC層協(xié)議等）；
    ·TCP／IP在衛(wèi)星ATM網(wǎng)上運(yùn)行的性能及其改善；
    ·流控及差錯(cuò)控制；
    ·網(wǎng)絡(luò)管理及監(jiān)控。