宽带卫星通信概述

宽带卫星通信概述刘剑黄国策宋爱民（空军工程大学电讯工程学院微波室）摘要：介绍了宽带卫星通信的概念及发展现状，讨论了卫星ＡＴＭ、卫星１Ｐ、星上处理技术，分析了宽带卫星通信中的雨衰、ＱｏＳ问题，阐述了宽带卫星通信的发展策略及趋势。关键词：卫星通信宽带卫星ＡＴＭ卫星ＩＰ星上处理一ｒｆ＾，ｌ＾／Ｎｑ¨风域，静止轨道Ｔｉ星仍扮演着十分草要的角色，但应争球个人通信的要求，宽带移动卫星通信是发展的必然趋势，有关技术也在逐渐成熟。目前约有２０个Ｋａ（Ｋｕ）波段ＬＥＯ／ＭＥ（）／ＧＥｏ宽带卫星通信系统，这些系统主要用于多信道广播、Ｉｎｔｅｒｎｃｌ和Ｉｎｔｒａｎｅｔ的远程传送以及作为地面多媒体通信系统的接人手段，成为实现全球无缝个人通信、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ李中高速通道必不口Ｉ少的手段。主要的宽带卫星通信系统总结如表１。传输速率（Ｍｂ舻）（电容齄）标准：００１高速：ｌ５５（１３６２２ｌ２４４一、宽带卫星通信的发展现状在卫星通信巾，宽带卫星通信是一个新概念，其主要目标是为多媒体和高数据速率的ＩｎｔｅｒｎｅＩ应用提供一种无所不在的通信方式。叫以认为，新＋代卫星系统是为了提供个人电信服务’１］，与上一代卫星网络的最大区别是承载的业务由低速数据业务及话音业务变为Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和多媒体业务。在ｌｊ星通信领表ｌ系统名称运营时间卫星高度（ｋｍ）频段ＫａＴｅ】ｅｄｅｓｊｃ２００５２８８Ｉ，Ｅｏ６０ＧＨ２部分宽带卫星通信系统提案网络结构１Ｐ，ＡＴＭＩＳｎＮ旱｝．交换挫＾古案ＭＦ—Ｔ１）ＭＡＡＴＤＭＡＣＤＭＡ１ＩＪＭＡ卜１ｊ）ＭＡ、Ｉｋ务分组交换３Ｇｂｕｓ）。空中目特嘲”，高质量谙音、数据、观频高比特率Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接ｓｋｙｂ埘ｇｅ８０ＬＥＯＫｕＩＰ／ＡＴＭＩＰ／ＡＩ‘、１Ｎ，Ａ＾，交互式多媒体业务０．０ｌ６～５¨１６ＧＥｏ２０ＭＥｏＡ¨ｒｏ】ｍｋ９ＧＥ（）ＩｓｕＮ，帧中继ＩＰ／ＡＴＭＫａＩＰＫａ１ＳＤＮ基于ＡｒＭＭＦ—ＴｎＭＡＦｎＭＡＭＦＴＤＭＡＦＤＭＡＭＦ—１１）ＭＡ（１ｎＭＡ高速Ｉｎｔ…ｅｔ媒体ＢｏＤ多（１¨Ｇ岫ｓ）００１６８～４４８２００３基于ＡＴＭ“；５Ｃｂｏｓ）高速多媒体业务Ｃｖｂｅｒｓｔａｒ３ＧＥ０７ＡＴＭ帧巾继分组交换０∞４一一６２２【９Ｉｎｔ…ｅｔ接人，ＶｏＤ宽带服务６Ｇｂ阱）二、宽带卫星通信技术１．卫星ＡＴＭ“ｏ和有星上处理能力的卫星系统都可以与ＡＴＭ网络结合使用。具有星上处理功能的卫星系统中，星上ＡｒＭ交换机和地面Ｎｃｃ都执行控制功能。负载交换机和地面终端间的接口可以是用户一网络接ｕ（ＵＮｌ）或网络一网络接口（ＮＮＩ）。低速卫星链路的用途是将远端ＡＴＭ主机连接到陆地网络上。这时．ＡＴＭ主机和星上交换机问的接口足ｕＮｌ，星上交换机和陆地ＡＴＭ网络问的接口是ＮＮＩ。应用高速数据链ＡＴＭ是有线网络宽带通信的主要技术，与无线相结合产生新的研究方向一无线ＡＩ’Ｍ（ｗＡＴＭ）。ｗＡＴＭ可以使用包括卫星信道在内的任何类型的无线信道，所以新一代移动１ｉ星系统把ＡＴＭ结构作为传输模型，而所用的卫星通常具有多点波束，并具有星Ｅ处理能力。透明转发卫星网络收稿日期：２００２—１０—１９万方数据　路时，有星ｔ处理能力的卫星是一个ＡＴＭ节点，其接ＩＩ是ＮＮｌ。具有星际链路（１ｓ１．）的卫星系统中，卒中卫星网中的每一颗卫星都是一个ＡＴＭ节点，空中网络小但提供网络接入，而日还提供网络互联，卫星之间的接口是ＮＮｌ。图１Ｉ。Ｅｏ卫星系统中通过ＩｓＴ．简单的端到端通信两个卫星移动终端Ｍ。和Ｍ。、之间及卫星终端Ｍ。与连接于ＰｓｆＩ、Ｎ的崮定终端Ｆａ之间的简单的端到端通信如Ｊ冬｛１所示（假设移动终端可以直接接＾Ｉ，Ｅ（）ｊ！旱，而且卫星问通过ｌＳＩ。互联）。此图简单地说明ｒ，有ＩｓＬ互联的移动卫星系统中，无论是固定终端主垂是移动终端．之间都可以进行高数据速率的远距离通信。这类系统中，直接通信的终端必须装有卫星适配单元，将必要的用户终端协｝义转换到卫星协议平台上。卫星适酉已单兀不但有信道编码、调制、解漏等物理层功能，还包括射频和天线部分。系统中卫星的功能有：旱上信号再生、复用／解复用，信道编译码及ＡＴＭ交换。另一种将使用ＩｓＩ。的移动卫星系统与ＡＴＭ网络连接起来的方法，是把每一颗卫晕当作一个ＡＴＭ节点，把每一条ＩｓＬ当作单个虚通路连接（Ｖ（、【１Ｊ．把连接的寻址路径当作ＡＴＭ网络的虚通道连接（ＶＰｃ）。因此。把Ｉ。Ｅｏ卫星作为ＡＴＭ节点，我们便可以在宅中建立一个完整的ＡＴＭ网络，应用类似下ＡＴＭ的算法。特别地。在移动卫星系统中应用ＶＰｃ和ｖｃｃ的概念可以利用ＡＴＭ寻址和传输＾案的优点，而移动卫星网络接入陆地ＡＴＭ网络也变得更为简便。２．卫星ＩＰ”’…Ｔ（：Ｐ门Ｐ是为地面网络设计的，用于ｐ星信道时会出现长时延、较高的差错率、前／反向信道非对称等很多问题，需加以解决才能顺利工作。对于地球同步轨道且星，其单跳时延为２７０毫秒（ｎ、ｓ），在ＴｃＰ传输控制协议中需要返回确认，往返传输时间（ＲＴＴ）为５４０ｍｓ。按ＴｃＰ／１Ｐ协议，信道万　方数据中仟一比特发生差错都要进行数据重传。这种机制当拥塞窗口太大时对数据传输产生影响，被称做窗口效应。此情况下卫星信道的最大数据吞吐量将受到限制，它等丁最大接收窗ｕ／ＲＴＴ。ＴｃＰ协｝义的最大接收窗口一般为６４千字节（ｋＢ）（默认为８ｋＢ），因此在双向卫星信道上的最大数据吞吐量为６４ｋＢ／５４０ｍｓ一１１８．５ｋＢｐｓ篁９４８．１５ｋｈｐｓ。同时，存建链过程中有同步、应答等握手信号．１］－星的长时延也必然影响其建立连接的过程。长时延还影响ＴｃＰ协议中按收端“接收窗¨”和发端“拥塞窗口”来进行拥塞控制的机制，有时需等待几十秒才能恢复到最大拥寒窗口。对拥塞结束后的慢启动过程也很不利。为ｒ解决ＴｃＰ／ｌＰ在ｐ星信道上运行的困难，可分为两类解决方法：一在协议ｒ改进，ＩＥＴＦ已经提｝Ｈｆ一蝤扩展建议（ＲＦｃ），例如：ＲＦｃｌ３２３，克服长时延、高信道容量下的ｒｃＰ瓶颈；ＲＦｃ２０１８，克服长时延、大窗口、高误码情况下的效率下降；ＲＦｃ２５叭、２００１，克服卫星通信信道容量的非对称性及性能起伏，动态实现信道的有效利用，等等。二是在卫星链路起始端设置网关，将，ＩＣＰ／ＩＰ协议转换成较适合卫晕信道的算法。这样可在卫星段采用与ＪＪ星链路特性匹配的传输协议，而通过ＴｃＰ／ＩＰ协议网关与ＩｎｔｅｒｎＰＩ和用户终端连接。３．星上处理（ｏＢＰ）技术“９１ｏＢＰ有很多种形式用于ＡＴＭ卫星通信．其主要目的是为ｖｓＡＴ地球站提供单跳连接。ｏＢＰ大体上分为三级。一级：基带ｏＢＰ和ｏＢｓ（星上交换）／ＯＢＲ（星卜寻址）；二级：中频／射频（ＩＦ／ＲＦ）处理和交换；三级：支持处理功能。一级通常与完全处理卫星相列应，典型的例子是Ｔｅｌｅｄｅｓｌｃ卫星。二级大体上与部分处理卫星相对应，包括信号再生和中频／射频交换，但不包括基带ＯＢｓ。其它与通信并非直接联系但支持通信功能的处珲形式都划为三级。本文只讨论基带ＯＢＰ和（）ＢＳ。基带ｏＨＰ的目的足提高链路的性能及有效性，降低费用或增加容量，增加容量已是现阶段的发展趋势。更重要的是，把基带ＯＢＰ和ｏＢｓ相结合会增加整个网络的有效性和灵活性。ｏＢＳ足“空中因特网”ｊＪ星的必备要素。在ｓｓＡＴＭ（星上交换一ＡＴＭ）中，ｏＢＰ是基于信元的ｏＢｓ。基带ＯＢＰ除了信号放大和频率转换外，主要功能还包括：解调、解复用、检错、纠错、转换寻址和控制信息。它与信号再生和信号传输有关，包括数据的交换与寻址、波束形成、数据缓冲和数据复＿｝｛ｊ。信号再牛技术通常用于提高信噪比（ｓ／Ｎ），降低ＢＥＲ。在卫星ＡＩｌＭ中，因为要保持１０。８或更低的ＢＥＲ，这点尤其重要。除信号再生和信号交换外，基带（）ＢＰ还有大最的技术可以对系统性能进行优化，例如波束形成。ｏＢＰ不但能做到对干扰调零，还可进行动态波束形成。也可实现天线增益和覆盖范围的动态按需分配，从而对卫星的ＥＩＲＰ进行灵活分配。图２中把卫星当作ＡＴＭ网络的一个空中节点，可以在信元级上对逻辑连接进行动态星上交换。图２有完整星上处理和星上交换的ＡＴＭ卫星网络三、宽带卫星通信面临的问题１．雨衰目前，宽带口星系统已采用Ｋａ波段，而Ｋａ波段传播特性受降雨衰耗的影响较大。但是从实验和实际应用的结果来看，采用自适应功率控制（用于上行）和自适应数字编码（用于下行）可以解决这个问题Ｌｌ∥。如ＮＡｓＡ的ＡｃＴｓ采用了Ｒｓ码和卷积码级联，晴朗天气情况下，其误比特率可达到１０”，有雨衰的情况下，至少９９％的时间可以达到１０“Ⅲ。２．Ｑｏｓ问题‘“电信网络中的ＱｏＳ标准通常包括带宽、吞吐量、实时性、主观质量和费用。把话音和数据业务扩展到多媒体和宽带应用、把固定网络扩展到移动网络、把地面网络扩展到卫星网络时，对系统组件的管理就变得更为复杂。为ｒ获得并保持期望的Ｑｏｓ，应进行控制和监督，即Ｑ。ｓ管理技术。这些技术不但用于交互式通信的开始（静态功能），也用于交互通信的过程（动态功能）。静态功能包括对Ｑｏｓ要求的定义、协商、接人控制及资源预留，而对实际所提供的Ｑｏｓ的测量、整理、保持、重新坍商．匹配和同万　方数据步，则属于动态功能，在ＡＴＭ卫星网络中，采用星上处理技术并把多路１Ｐ数据合并为单条Ｖｃ时，Ｑｏｓ管理器就把１Ｐ业务数据按等级划分开，以充分利用带宽。四、宽带卫星通信发展策略及趋势１．更注重Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入卫星非常适合于传输Ｉｎｔｅｒｎｅｔ业务，优点为““：传输不受陆地电路影响，卫星不对称线路方案经济高效，更适于局域网，可作为多信道广播业务的平台。２．开放标准与模块化问题已有的Ｉ，Ｅ０／ＭＥｏＧＭＰｃＳ卫星系统其全球标准化及开放标准能力极差，很难形成规模化能力。在下一步全球宽带Ｍｓｓ行程中，纳入１ＭＴ一２０００的类３ＧＭｓｓ轨道，进行全球开放标准与规模化运作，并与相应地面、Ｉｋ务部分取得有效的综合．是一条有效的出路。３．商业策略２００１年周际卫星大会上。由ＬＥ０／ＭＥｏＧＭ—ＰＣＳ失利反思的一致看法是：获得与地面业务相比拟的性能价格比是未来卫星通信，包括其未来多模终端应用发展的基本准则。地面移动通信网络容量及用户数增长速度极快，以每年３０“～５０％的高速递增，同时更新换代速度也很快，在ｌｏ～１５年内可能会快速发展。因此，宽带卫星通信系统的发展必颁适应这种演进竞争步伐，在提高性能价格比的前提下快速发展。参考文献ｌＡｂｂａ￥Ｊ岫ｌ巾ｕｕｒ．ＢｒｏｎｄＢａｎｄＳａＩｅｌｌＩｔｅＮ咖ｏｒｋｓＴｈｅＧｌｏｂａｌＩＴＢｒｌｄｇｅ．Ｐｒｏｃ．ｏｆｔｈｅｌＦＥＥ．２（）Ｏｌ，８９（１）：８８—１似２ＳＰＡＣＥＷＡＹＴＭｈｔⅦ：／／ｗｗｗ．ｈⅡ８ｃｏｎｌ３ＳｋｙＲｒｌｄｇｅＵ眦ＬｌｓＩｔｓＰｌ…ｆ∞Ｂｒｏａｄｂ８ｎｄＩＰＳｅｒｖｌｃ骼ｍＺ００１．４手勇前，曹志刚宽带＿】；【星通信在中目的发展及前景．国际太空．２００ｎ（１２）：３～８５ＤａｖｉｄＳ．Ｒｏｓｅｎｅｒ，““．ＡＰ…ｉｄｅｄｂｙＡｓｔｒｏ】１ｎｋｈｏｐ：／／㈣．ａｓｔｒｏｌｌｎｋ．ｃｏｍＲ０ｂ“５ｔＨｌｄｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＮｅｔｗｏｒｋ６刘彦等ＴｃＰ在卫星通信中的应用和改进电子技术．１９９９．（７）：１５～１７７Ｓａｓ…ＫⅢａ，“ｄ，．Ｒｅａｌｌｚｍｚｚ／，、…ｌ’ｐａｐｃｒｓＦ【ｌｔｕｒｅＢｒｏａｄｂａｎｄＳａｔｅｌｌｈｅＮｅｔｗｏｒｋＳｅｒｖｌｃｅ．ｈＩｔｐｃ。ｍ８李兴等．宽带卫星通信技术的现状与发展．电信科学，２０００（２）；１～５９ｎＣＰａｌｔｅＴ，ＣａｓｅＳｔｕｄｙｔＡＮｅｗＧｃｎｅｒａｔ蚺ｎ。ｆ‰ｔｅｌｌｎｅＡ９口ｌＫａ１０陈金玲．卫星１ｎ【ｅｒｎｅｔ：互联网接＾的新热点ｈ”ｐ：／／㈣ｃｈｌｔｌｏｎＳａｌｅｌ】１ｔｅＢｒｏａｄｂａｎｄ．２００１．２（７）：２６ｎａｔｅｌ…ｍｃ。ｍ．ｃｎ１２陈如明．卫星通讯发展面临六大挑战．帆ｃｎ—ｔｅｌｅｃｏｍ．ｃｏｍ—１ｌＳ８ｔｅｌＩｉｔｅＢｒｏａｄｂａ玎ｄ’８Ｐｕｌｓｅ．ＳａｔｅｌｌｌｔｅＢｒｏａｄｂａｎｄ．２０。】，２（８）ｌ１２