衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡

衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡
摘要    在未來的通信領域中，衛(wèi)星ATM網(wǎng)將以其特有的優(yōu)勢發(fā)揮重要的作用。本文著重介紹
        衛(wèi)星ATM網(wǎng)的體系結構、關鍵技術和特點，另外還通過列舉國外正在進行的一些
         研究計劃，介紹衛(wèi)星ATM網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀。
關鍵詞  衛(wèi)星通信 ATM   通信網(wǎng)
    隨著微電子技術、通信技術和全球個人通信的進展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)以其特有的優(yōu)勢（如三
維無縫隙覆蓋能力、任意點對多點和多點對多點廣域復雜網(wǎng)絡的拓撲構成能力）可提供寬帶連
接、通信距離不敏感性和安全可靠性等，成為地面各種傳輸手段必不可少的支持和補充，而且
被認為是未來發(fā)展中國家通信體系以及發(fā)達國家建設多媒體通信和信息高速公路的關鍵部分。
    ATM是用于ISDN的一種交換和復用技術，它具有很強的靈活性和適應性，能向用戶提供包括
語音、圖像和數(shù)據(jù)在內的綜合業(yè)務，并能根據(jù)需要分配資源，提高資源的利用率。盡管ATM產(chǎn)生
于有線網(wǎng)，但由于衛(wèi)星ATM網(wǎng)能綜合這兩種技術的優(yōu)勢，以較少的投資就能為更廣闊的區(qū)域提供
ATM服務，所以受到廣泛的關注。
1 衛(wèi)星ATM網(wǎng)體系結構
    一種衛(wèi)星ATM網(wǎng)的體系結構如圖1所示，它包括衛(wèi)星通信網(wǎng)、地面ATM網(wǎng)和ATM衛(wèi)星交互單元
（ASIU， ATM  satellite Interworking unit）三部分。ASIU是該體系的關鍵部分，是連接地
面ATM網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)的橋梁，用于管理和控制系統(tǒng)資源，并具有管理整個系統(tǒng)的能力。ASIU的主要
作用包括實時帶寬分配、網(wǎng)絡接人控制、系統(tǒng)定時和同步控制、呼叫監(jiān)測、錯誤控制和業(yè)務控
制等。為了實現(xiàn)與ATM網(wǎng)絡無縫連接，ASIU應支持現(xiàn)有的 ATM信元傳輸方式，如 SONET/ SIJH、
PDH、PLCP等。當攜帶ATM信元的
  SONET/PDH/PLCP到達ASIU時，ATM信元就會從幀中被提取出來，然后根據(jù)業(yè)務類型將它們歸
類，
在送入衛(wèi)星信道之前，每個歸類后的信元流都按照一定的優(yōu)先次序放入一個緩沖區(qū)中。
  由于衛(wèi)星AIM網(wǎng)有其自身的特點，對它的協(xié)議分層模型應作適當?shù)男薷摹＜慈匀灰訟TM物理層、
ATM層、AAL層和高層這種四層結構為基礎，通過增加適合衛(wèi)星通信的物理層。多址連接控制層和
數(shù)據(jù)結構控制層來改造其下面三層低層結構，使之既具有與地面寬帶 ATM/B－ISDN網(wǎng)絡良好的互
連接性和互操作性，又能支持CBR、VBR、ABR、UBR業(yè)務的綜合傳輸以及多媒體業(yè)務的有效動態(tài)帶
寬分配和統(tǒng)計復接功能，并實現(xiàn)用戶的有效三線可移動性。另外，還要采用適當?shù)男l(wèi)星ATM適配
設備，或在地球站實施現(xiàn)有網(wǎng)絡協(xié)議與ATM協(xié)議轉換，以證現(xiàn)有衛(wèi)星通信網(wǎng)向衛(wèi)星ATM網(wǎng)的平滑過
渡和有效后向兼容。
2衛(wèi)星ATM網(wǎng)的關鍵技術
2.1衛(wèi)星系統(tǒng)和頻率的選擇
    根據(jù)衛(wèi)星所在軌道的類型，可將衛(wèi)星通信系統(tǒng)分為地球同步軌道系統(tǒng)（GEO）、中軌道系
統(tǒng)（MEO）和低軌道系統(tǒng)（LEO）三類。GEO系統(tǒng)具有覆蓋范圍大、跟蹤/指令容易、空間段技術
難度小和易于建網(wǎng)等優(yōu)點，但缺點是有效EIRP值小，地球站天線尺寸大，空間線路傳輸時延大。
MEO/LEO系統(tǒng)的優(yōu)點是衛(wèi)星高度低，傳輸損耗和時延小，并能以較為合適的仰角覆蓋地球的任何
角落，但是它不適合于傳輸優(yōu)質視像多媒體綜合業(yè)務，而且系統(tǒng)非常復雜，需要承擔的風險也
大。只有綜合運用各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)，才能取長補短，最終達到有效的三維無縫隙覆蓋目的。
    采用極高頻段（EHF）是未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，因為它能帶來下列好處：
   （1）EHF具有更寬的頻帶，能容納更多的用戶。
   （2）較小口徑的無線能產(chǎn)生高增益的窄波束，以致采用便攜式終端成為可能，便于真正實
現(xiàn)“動中通”。
   （3）經(jīng)閃爍環(huán)境后能較快恢復正常運行。
      大氣吸收和降雨對EHF傳輸性能的影響很大，使其性能惡化。然而，它們對UHF和SHF的影
響較小，因此要實現(xiàn)全天候的可靠通信，就要做到多頻段結合和互補。
2.2網(wǎng)絡結構的選擇
    衛(wèi)星通信網(wǎng)的結構主要有三種形式，即完全網(wǎng)格型、完全星型和網(wǎng)格型與星型相結合的網(wǎng)絡
結構。在網(wǎng)格型結構網(wǎng)絡中，任何站之間均可通過衛(wèi)星直接進行通信，它能滿足一些實時性業(yè)務
的要求。在星型結構網(wǎng)絡中，小站之間的通信必須經(jīng)過主站的轉發(fā)才能進行，它適用于傳輸對實
時性要求不高的業(yè)務。對于網(wǎng)格型與星型相結合的網(wǎng)絡結構，通信時采用網(wǎng)格型結構，申請信道
和進行網(wǎng)絡管理時則采用星型結構，這種網(wǎng)絡構造比較靈活，最適用于稀路由場合，并能傳輸對
實時性有要求的業(yè)務。由于各種網(wǎng)絡結構均有各自的特點，因而必須要根據(jù)具體條件作出選擇。
2.3衛(wèi)星鍵路的多址方式
    在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，F(xiàn)DMA、TDMA、CDMA以及它們的組合是主要的多址方式，在衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡
中，選用何種多址方式則要根據(jù)網(wǎng)絡結構及所要傳輸業(yè)務的性質。在網(wǎng)格型網(wǎng)絡結構中，由于
TDMA/ DA較適用于綜合業(yè)務環(huán)境，并能充分利用衛(wèi)星多點對多點通信的優(yōu)點，因而可作為首選的
多址方式。在星型網(wǎng)絡結構中，各站業(yè)務量相對較小，多載波TDMA是較好的多址方式，它實現(xiàn)起
來簡便，信道利用率高，從而能降低終端的成本。另外，為了平衡各載波之間的業(yè)務量，并使采
用同一載波各站的忙時錯開，還需要按業(yè)務量和忙時將所有的站分類。在網(wǎng)格型與星型相結合的
網(wǎng)絡結構中， SCPC/ DAMA將會得到較大的發(fā)展。這種多址方式除了綜合SCPC網(wǎng)絡擴展方便和
DAMA
信道利用率高的優(yōu)點之外，還能帶來網(wǎng)絡操作可靠、管理簡單。能同時接受所支持的各種業(yè)務靈
活組合等好處。實施SCPC/DAMA技術后，專用SCPC信道用于ATM信號發(fā)送。當用戶發(fā)出呼叫后，由
AIM UNI接口產(chǎn)生呼叫建立信息，該信息被捕入到ATM信元中，并利用專用的SCPC信道，將AIM信
元發(fā)送到衛(wèi)星網(wǎng)絡。呼叫建立過程結束后，ATM用戶信號借助于可用的SCPC信進行傳送。
    近年來，空分多址（SDMA）因能很好地與各種多址方式兼容，并能大大提高信道利用率而迅
速發(fā)展。SIDMA是指把衛(wèi)星要覆蓋的區(qū)域分割成許多個小區(qū)，衛(wèi)星陣列天也產(chǎn)生多個不同空間指
向的波束，每個小區(qū)被一個波束覆蓋，這樣不同波束覆蓋的小區(qū)可以重復使用同一頻率，大大提
高了頻率利用率和通信容量。SDMA是依靠DBF（digital beamforming）技術來實現(xiàn)的，DBF的基
礎
是將射頻模擬信號轉變成數(shù)字信號，這還使得在衛(wèi)星上進行再生中繼和信號處理成為現(xiàn)實。采用
這些技術的衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有通信線路質量好，上/下行線傳輸速度快、可靠性高，以及不同系統(tǒng)
之間連接方便等優(yōu)點。
2.4調制解調技術
    衛(wèi)星信道是功率受限信道，通常選用功率利用率最高的相移鍵控（PSK）調制方式。PSK的變
形有BPSK、QPSK和OQPSK，它們有相同的功率利用率。從帶寬效率來看，后兩者是前者的兩倍；從
抗干擾性能和復雜性來看，BPSK最簡單，同時抗干擾效果最差， OQPSK抗干擾能力最強，但實現(xiàn)
起來最復雜，QPSK的兩項指標均居于中間。采用T/4QPSK后，帶限濾波器引起的包絡起伏和非線性
放大引起的頻譜失真都大大減小，所以非常適合作為衛(wèi)星ATM網(wǎng)的調制方式。
2.5差錯控制技術
    研究表明，在衛(wèi)星ATM網(wǎng)中，采用交織技術能降低信元丟失率和檢測不出錯誤的概率。在ATM
信元頭引入交織技術后，能將突發(fā)錯誤分散到各個信元頭中，于是只有一個隨機比特錯誤的信元
頭可借助于ATM信元中的HEC加以糾正。ATM信息域的交織技術要根據(jù)AAL特點的不同而有所不同。
對于AAL1，只要對 SAR－PUD的前 8個字節(jié)采用全速交織技術，就能有效地防止突發(fā)錯誤。對于
AAL3/ 4，則需要對整個SAR－PUD進行交織。
    為了提高衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡的可靠性，還需要引人糾錯編碼技術，一般認為級聯(lián)編碼方式是一種
比較有效的方法。級聯(lián)碼的特點是在編碼之前增加外碼，外碼與內碼呈級聯(lián)關系。與單一碼相比，
它更易獲得高的編碼增益。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，通常選擇FEC碼作為卷積內碼，能夠糾正突發(fā)錯誤
的R－S（ Reed－Solomon）碼則被認為是一種非常適合于與FEC內碼級聯(lián)的外碼。此外，R－S碼
還
能帶來的好處是：（1）不需要在傳輸鏈路中增加額外功率，就能把它加到發(fā)射調制解調器中；
（2）它以碼元為基礎，為了使突發(fā)碼元錯誤以隨機形式分布，需要對碼元進行深交織和去交織，
這也使接收端的R－S解碼器能更有效地處理錯誤。當然，在ATM網(wǎng)中，需選擇最佳的交織深度，以
最大限度地提高糾錯能力。
2.6信元傳輸方式
      SDH是在改進PDH基礎上發(fā)展起來，并廣泛使用的，它的優(yōu)勢在于有效的插/分能力，快速自
愈能力，標準信號接口以及簡單的網(wǎng)絡運行、維護、管理和供應，特別是恢復能力和與凈負荷結
構無關的公用傳送。SDH傳輸?shù)淖畲筇攸c是采用指針來指示SDH幀信息域中第一個字節(jié)的位置，避
免了信息域與幀之間細微的相位和頻率變化所引起的數(shù)據(jù)丟失�；�于SDH的ATM信元傳輸能通過引
入信元描述機制，在網(wǎng)絡接收端能更好地實現(xiàn)對ATM信元的捕獲和同步。
3  衛(wèi)星ATM網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點
   表1列舉了近年來國外正在實施的衛(wèi)星ATM網(wǎng)計劃，說明它的可行性和發(fā)展現(xiàn)狀。
   衛(wèi)星ATM網(wǎng)綜合了衛(wèi)星通信和ATM技術的優(yōu)勢，具有以下特點：
  （1）可適應靈活的路由和業(yè)務需求特征，實現(xiàn)資源高效利用。
  （2）利用衛(wèi)星的點對多點和多點對多點連接能力，可為大量用戶提供有效的接續(xù)。
  （3）用戶不用花費太多，就可根據(jù)需要進入衛(wèi)星ATM綜合業(yè)務網(wǎng)絡。
  （4）采用相應的技術措施后，衛(wèi)星ATM可提供攜載業(yè)務的透明性，并具有靈活機動的組網(wǎng)能
力。
  （5）以較小的投入就能有效地為廣域稀散用戶和邊遠地區(qū)提供綜合業(yè)務
  （6）結合各類接入手段和SDH衛(wèi)星子系列運行，可適應不同比特率用戶和系統(tǒng)的接入。