摘 要:隨著衛(wèi)星通信在全世界的普及,結(jié)合中國及西部大開發(fā)需要,本文全面論述現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)新技術(shù)的特點及其在中國應(yīng)用機遇和發(fā)展策略
關(guān)鍵詞:寬帶衛(wèi)星系統(tǒng) 衛(wèi)星直播業(yè)務(wù) 編碼/調(diào)制設(shè)計 自適應(yīng)信號檢測/信號處理 低軌/中軌/靜止軌道離子推進 衛(wèi)星發(fā)射
引 言
自1945年英國空軍雷達軍官、科學(xué)家亞瑟·克拉克(Arthur C,Clarke)在"無線世界"(Wireless World)雜志上發(fā)表了 《地球外的中繼》(Extraterrestrial Relaying)一文、提出了三顆GEO衛(wèi)星可按120° 軌道間隔進行覆蓋全球的通信這一革命性概念以來,衛(wèi)星系統(tǒng)作為一種新興的技術(shù)與業(yè)務(wù)手段,無論從越洋通信至區(qū)域、國內(nèi)乃至個人通信,還是從GEO/ MEO/ LEO的固定/半移動/移動通信、DBS/DTH/DAB廣播、DVB-IP多媒體、GPS/RNSS/RDSS導(dǎo)航定位,直至GMDSS應(yīng)急援救、RSS遙感乃至氣象/地震預(yù)報、遠程醫(yī)療/教育、空間探測/科學(xué)試驗等各行各業(yè)的各類應(yīng)用,尚且從各類空間段衛(wèi)星制造、星際鏈路構(gòu)成,直至商業(yè)火箭發(fā)射與保險, 乃至地面段各類VSAT/USAT甚至微型個人終端的誕生,真可謂創(chuàng)建了五十余年人間科技輝煌與卓越的社會政治、經(jīng)濟貢獻,當然亦經(jīng)歷了眾多波瀾起伏與曲折坎坷!
進入21世紀的信息全球化及全球巨大的個人多媒體通信流量與無縫隙覆蓋需求,注定了無線寬帶應(yīng)用,包括各類衛(wèi)星手段,將會發(fā)揮其愈來愈重要的戰(zhàn)略作用。而各類衛(wèi)星系統(tǒng)的重要特征,涵蓋在下述三個方面:首先在于它在未來全球/區(qū)域/國家信息社會中的一系列獨特特征與作用;它對各行各業(yè)、各類實際應(yīng)用的廣泛性與普遍性; 以及它在未來寬帶無線演進中通用無線接入及WWAN、WMAN、WLAN與WPAN等各類綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用,服務(wù)內(nèi)涵中不可缺少的互補支持作用:
① 衛(wèi)星系統(tǒng)的獨特特征與重要作用 [1]
· 唯一的三維無縫隙覆蓋能力 ;
· 獨特的靈活性與普遍服務(wù)能力;
· 宏大區(qū)域的可搬移性與可移動性;
· 廣域復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)成能力與廣域Internet互連接能力;
· 特有的廣域廣播與多播能力;
· 對國際/區(qū)域/本地連接距離的不敏感性;
· 較低的初期投入與快速財務(wù)回收;
· 對應(yīng)急救災(zāi)及寬帶系統(tǒng)備份與故障掄救的快速靈活和安全可靠方面的獨特能力,等等。
② 衛(wèi)星系統(tǒng)的廣泛服務(wù)應(yīng)用與眾多產(chǎn)出領(lǐng)域
·可開發(fā)創(chuàng)建一系列大規(guī)模量產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,諸如DBS/DTH/DAB/DVB-IP,GPS/RNSS/GIS,VSAT/USAT , 等等;
·各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用、服務(wù)領(lǐng)域,諸如國際/區(qū)域/本地固定/移動通信,DBS/DTH/DAB廣播、GPS/RNSS/RDSS導(dǎo)航定位,GMDSS安全與應(yīng)急援救、遠程教育與遠程醫(yī)療,衛(wèi)星遙感與地球探測,氣象及地震預(yù)報,以及包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、林牧、安保、軍事、科學(xué)研究、新聞報導(dǎo)、航空、海事和環(huán)境等各行各業(yè);
·對(中)西部大開發(fā)及農(nóng)村邊遠地區(qū)通信和普遍服務(wù)的獨特重要作用。
、 寬帶無線演進中不可缺少的重要互補支持作用
涉及通用無線接入的詳細討論可見文獻[4]。通用無線接入包括地面移動接入(屬地面移動業(yè)務(wù)范疇)及地面固定無線接入(常簡稱為FWA,屬地面固定業(yè)務(wù)范疇)和衛(wèi)星接入(SA,相應(yīng)衛(wèi)星移動接入屬移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)MSS范疇)。無線接入按其網(wǎng)絡(luò)帶寬分類通常有三類,一類為所謂窄帶(Narrowband)接入,常攜載業(yè)務(wù)的每用戶比特速率≤64kbit/s;第二類為寬帶(Wideband)接入,其每一信道載波可提供高達2Mbit/s的比特速率,目前IMT-2000原始定義的最高比特速率2Mbit/s即屬此范疇;第三類即指寬頻帶(Broadband,有時亦稱廣帶)接入,主要針對實際多媒體業(yè)務(wù)傳輸需求,其每一信道載波傳輸速率>2Mbit/s。實際上國內(nèi)習(xí)慣往往將Wideband與Broadband無線接入統(tǒng)稱為寬帶無線接入。
需要特別指出:衛(wèi)星接入是通用無線接入的重要組成部分。然而近年來,衛(wèi)星接入為人們輕視與冷漠的主要原因與GMPCS系統(tǒng)在原先過份炒作基礎(chǔ)上的嚴重失利密切相關(guān)聯(lián)。WRC-97大會上LEO/MEO/GEO衛(wèi)星移動與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)被炒得火熱,而事隔三年,隨著Iridium系統(tǒng)的破產(chǎn)慘敗,爾后ICO、Globalstar以及 Orbcommm等大、。停牛希蹋牛舷到y(tǒng)均相繼陷入相當困難的處境。此情況決非偶然 , 與地面移動無線接入和固定無線接入的蓬勃發(fā)展局面相對比,其根本問題在于如何協(xié)調(diào)好技術(shù)驅(qū)動與市場驅(qū)動的基本關(guān)系,以及如何定位好衛(wèi)星業(yè)務(wù)與地面業(yè)務(wù)之間的基本市場格局和如何處理好兩者之間的有機綜合。為此,早先LEO/MEO/GEO衛(wèi)星移動與固定業(yè)務(wù)狂熱驅(qū)動下提出的四十多個大、。蹋牛舷到y(tǒng)、20余個Ku/Ka頻段寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)以及15個左右V/Q/W之類更高頻段的寬帶多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)提案目前均處于冷靜思考、調(diào)整戰(zhàn)略、尋求其合理發(fā)展途徑的低潮階段。2000年5~6月在土耳其Istanbul舉行的WRC-2000大會上也明顯地呈現(xiàn)出了這種低潮氣氛,盡管當時Teledesic公司宣布了與ICO融合的新聞,也未引起近3000名與會代表的興奮與激情。然而衛(wèi)星通信在構(gòu)筑全球信息高速公路征程中的獨特戰(zhàn)略地位與作用任何有識之士均不會忘卻,冷靜考慮與安排衛(wèi)星業(yè)務(wù)諸如衛(wèi)星廣播數(shù)字壓縮直播DBS、DTH業(yè)務(wù),衛(wèi)星無線電導(dǎo)航(RNSS)與全球定位(GPS)業(yè)務(wù),以至包括衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)(MSS)在內(nèi),依然在WRC-2000大會上獲得密切關(guān)注與相應(yīng)的進展。而且作為固定接入的GEO。疲樱酉到y(tǒng),以INTELSAT系統(tǒng)為代表,依然處于相當好的商業(yè)運作狀態(tài),它對高速尋呼、短信息數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)聯(lián)網(wǎng),對包括DTH、DBS、VOD在內(nèi)的視頻多媒體廣播、多播業(yè)務(wù),對Internet業(yè)務(wù)的高速下載及遠程教育、遠程醫(yī)療等多媒體業(yè)務(wù)廣域組網(wǎng)等依然發(fā)揮著獨特有效的作用。通?磥,采取快速剪裁市場需求的現(xiàn)代GEO衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計的思路較為可取,例如,可瞄準寬帶IP業(yè)務(wù)市場,以帶寬處理能力較強的、傳播環(huán)境依然相對較好的(C/)Ku頻段為軸心,摒除使用星上處理、星際鏈路及低軌/中軌多星座高風(fēng)險技術(shù),星上仍采取適應(yīng)動態(tài)業(yè)務(wù)演變較靈活的透明彎管式、地面控制星上轉(zhuǎn)發(fā)器交叉連接這一基礎(chǔ)傳輸模式,并借助空間段取用多點蜂窩波束頻率再利用進一步提高其頻譜效率,采用星上波束發(fā)射功率控制,以適應(yīng)傳輸條件的動態(tài)變化影響;在地面段采用高效率編碼與調(diào)制技術(shù)以便增加功率/頻譜利用效率和降低天線尺寸、功耗及硬件成本;對每波束載波進行動態(tài)調(diào)制與編碼參數(shù)調(diào)整達到動態(tài)控制功率/帶寬資源分配利用;采用新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及管理手段進一步實現(xiàn)多用戶共用同一頻帶時的動態(tài)帶寬管理及優(yōu)化Internet不對稱與突發(fā)數(shù)據(jù)特性的帶寬利用效率。從商業(yè)市場模式考慮與地面業(yè)務(wù)互補,實現(xiàn)廣域下行B2C寬帶Internet平臺服務(wù),執(zhí)行高速Internet基本業(yè)務(wù)接續(xù),多媒體VOD、VPN、電子娛樂等增值服務(wù),以及對用戶最后一公里解決方案的xDSL、電纜、光纖和其它寬帶地面無線接入手段的廣域支持與補充,而其上行縱向,則可執(zhí)行B2B方式的垂直應(yīng)用,對ICP、ISP、電子商務(wù)的CSP地面移動應(yīng)用及分組數(shù)據(jù)中心等實施縱向連接支持應(yīng)用等等。這樣其基本目標為瞄準"最后一公里"的終端用戶廣域接入,有巨大商業(yè)覆蓋面,并特別適合于INTERNET網(wǎng)及農(nóng)村邊遠地區(qū)服務(wù),可望幫助服務(wù)商同時從零售服務(wù)中獲得可觀的利潤。
一方面,涉及衛(wèi)星接入的通用無線接入可綜合包括宏大區(qū)、宏區(qū)、小區(qū)、微小區(qū)、微微小區(qū)、 移動、半移動(包括游牧)、固定等各種接入覆蓋模式,可有效覆蓋三維物理空間的任何一角落及有效連接至任何個人用戶,這對實現(xiàn)未來全球的個人通信而言,其實際連接覆蓋的普遍化與重要性不言而喻。而且無線接入與Internet聯(lián)合運作的所謂無線Internet及移動IP ,以及更進一步以Bluetooth /UWBT / WLAN之類手段實現(xiàn)以微微小區(qū)個人接入為中心展開的無線個人(區(qū))域網(wǎng)絡(luò)接入將成為未來全球個人通信世界的最重要的環(huán)節(jié)之一。其中衛(wèi)星接入在實現(xiàn)國際/區(qū)域/國內(nèi)靈活的宏大區(qū)廣域三維覆蓋接入方面的作用顯得尤為突出。
另一方面,從整體寬帶無線發(fā)展軌跡看,寬帶無線接入,包括在物理層、MAC層及應(yīng)用層方面的大刀闊斧的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)裝備改進,無論是TDD模式、還是FDD模式, 均在向新一代寬帶無線接入系統(tǒng)邁進,這亦是新一代寬帶移動通信前向演進的技術(shù)基礎(chǔ)與源動力。而寬帶移動通信的演進脈絡(luò)的原委與必然性在文獻[5]中已作了詳細的論述,相應(yīng)其2.5G/2.75G→3G→3G+/4G的系統(tǒng)演進軌跡為:
· GSM→WAP/x-HTML-GPRS/EDGE(IS-136→EDGE)→WCDMA→HSPA(HSDPA/HSUPA)→ (4G)…-FDD;
· IS-95A(IS-95A+)→IS-95B→cdma2000 1X →(GSM 1X)→ cdma2000 1X EV-DO→cdma2000 1X EV-DV(cdma2000 3X?)→ (4G)…-FDD;
· GSM→TD-SCDMA(UTRA-TDD?)→ETD-SCDMA/TD-LAS? → (4G)…-TDD ;
而對應(yīng)傳輸速率演進軌跡為:
9.6kbit/s→14.4kbit/s→56/64kbit/s→114/153kbit/s→308/384kbit/s→2.0Mbit/s→2.4Mbit/s→5.2/6.0Mbit/s→≥10/20Mbit/s…→…(4G, 高速移動.→≥20/30~100Mbit/s ; 接近固定.→≥156~1000Mbit/s)
日本等擬在4G捷足先登的國家將4G的速率標準擬訂為高速(250km/nr)移動狀態(tài)時達20-30Mbit/s、室內(nèi)或基本靜止狀態(tài)時達100-156Mbit/s;而ITU-R WP 8FVision工作組則擬將4G速率標準設(shè)定得更高,即如250km/小時高速移動時為100Mbit/s、室內(nèi)或基本靜止狀態(tài)時為1000Mbit/s 。 此不同標準的設(shè)定, 顯然 , 將直接影響ITU定義的IMT-2000(3G)的持續(xù)期。
寬帶無線演進至4G/5G將實現(xiàn)在統(tǒng)一的IP核心平臺上集成接入各類不同業(yè)務(wù),將實施移動業(yè)務(wù)與固定業(yè)務(wù)的融合、廣播業(yè)務(wù)與交互業(yè)務(wù)的融合、專用業(yè)務(wù)與公眾業(yè)務(wù)的融合,等等,并取得較好的全IP。眩铮涌刂。在未來寬帶演進中,無論是寬帶無線接入中的寬帶衛(wèi)星接入,還是寬帶移動通信中的寬帶MSS的有機綜合,寬帶衛(wèi)星在未來全球個人多媒體無縫隙覆蓋連接、在推進我國西部大開發(fā)、實現(xiàn)廣域覆蓋的普遍服務(wù)等方面將會發(fā)揮出重要的潛在戰(zhàn)略作用。同時亦可預(yù)期,隨著地面移動、地面固定及衛(wèi)星業(yè)務(wù)三者緊密綜合在一起,隨著全球/區(qū)域/國內(nèi)意義上的WWAN、WMAN、WLAN、WPAN以及W B A N等各類不同覆蓋域尺寸、不同頻段網(wǎng)絡(luò)緊密綜合在一起,為適應(yīng)這一多模、無縫隙、以IP為基礎(chǔ)的綜合多媒體業(yè)務(wù)運行環(huán)境下的靈活有效的公共資源管理,建立智能代理之類管理模式將成為一種發(fā)展趨勢,并可發(fā)揮出重要的現(xiàn)實作用。
此外,就技術(shù)層面看,同寬帶固定無線接入新一代寬帶移動通信的關(guān)系相類似,寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)通常具有比寬帶地面系統(tǒng)技術(shù)更高的技術(shù)難度與更深的技術(shù)內(nèi)涵。眾所周知,由于固定無線接入比移動通信場合容易實現(xiàn)操作,即智能天線、軟件(定義的)無線電以及一系列現(xiàn)代編碼調(diào)制及自適應(yīng)信號處理技術(shù)等功率/頻譜有效利用新技術(shù)以及IP。眩铮拥奈锢韺、MAC層、會聚層及應(yīng)用層方面有效聯(lián)手的協(xié)議處理往往首先容易在固定無線接入中試驗與裝備應(yīng)用;從而,固定無線接入通常成為新一代移動通信的技術(shù)先導(dǎo),第三代后的第四代移動通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一種重要設(shè)想即為對各種新老交替的無線通信接入手段,包括新一代FWA技術(shù)及移動通信技術(shù)、多媒體廣播技術(shù)和Bluetooth Pico-cell接入技術(shù)相組合,借助中介會聚橋接適配系統(tǒng)與以IP為基礎(chǔ)的核心網(wǎng)相連接,從而構(gòu)成此新一代 (第四代或第五代)寬帶移動通信系統(tǒng),形成固定與移動的有機融合。與此相似,先進的衛(wèi)星技術(shù)首先以先進的地面技術(shù)作先導(dǎo),但還必須緊密結(jié)合衛(wèi)星傳輸?shù)淖陨硖卣,進一步研制開發(fā)一系列特有的新技術(shù),諸如GEO長時延、大傳輸衰耗影響處理,LEO/MEO多星座結(jié)構(gòu)優(yōu)化與自適應(yīng)覆蓋處理,多星座、多網(wǎng)絡(luò)跨域協(xié)議漫游處理,高可靠、長壽命衛(wèi)星空間段星上處理、星際連接及衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)演進,精確可靠的空間體站址保持、地面跟蹤以及端對端衛(wèi)星全IP結(jié)構(gòu)傳送運作時的有效QoS控制等等,這充分顯示衛(wèi)星系統(tǒng)更深的高技術(shù)內(nèi)涵。
本文較多集中于衛(wèi)星系統(tǒng)新技術(shù)層面,并結(jié)合市場導(dǎo)向下技術(shù)驅(qū)動的重要性,重點論述現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)新技術(shù)及其在中國的應(yīng)用機遇和發(fā)展策略。
1 現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)新技術(shù)
1.1 新設(shè)計范疇
現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)可以預(yù)見的演進方向為:
·剪裁市場需求的自適應(yīng)星座結(jié)構(gòu);
·多媒體綜合業(yè)務(wù)運行的多層結(jié)構(gòu)通用平臺,包括混合頻段運行演進擴展,LEO/MEO/GEO混合結(jié)構(gòu),同軌位的多衛(wèi)星布局及虛擬衛(wèi)星系統(tǒng)概念應(yīng)用;
·點波束及蜂窩式小區(qū)覆蓋的衛(wèi)星天線波束成形;
·選擇星上處理和/或星際鏈路結(jié)構(gòu)的決策;
·IP/ATM混合結(jié)構(gòu)及向全IP系統(tǒng)的前向演進;
·衛(wèi)星發(fā)射、空間設(shè)備控制和維護新概念,包括海上發(fā)射、航天飛機發(fā)射及維護包括由ELVS至RLVS火箭發(fā)射概念的演進等;
·增加衛(wèi)星工作壽命及增加可布局衛(wèi)星在軌數(shù)目的傾軌衛(wèi)星的運行;
·為改進無線IP QoS及連續(xù)欣賞多媒體節(jié)目的流媒體(Streaming Media )及內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(CDN)概念與技術(shù);
·針對衛(wèi)星系統(tǒng)有別于地面系統(tǒng)業(yè)務(wù)的一些不同特征的特種對抗措施,這些特殊特征諸如長時延影響、高速功率控制、多模多協(xié)議切換漫游、頻譜擴展和相關(guān)帶寬影響、不同類別的多普勒頻移與時延處理,等;
·超大型衛(wèi)星和/或中、小(微或皮)型衛(wèi)星云團串(Cluster)結(jié)構(gòu)的決擇;
·低高度GEO型空間體概念,包括地面業(yè)務(wù)范疇的平流層高空汽艇平臺(HAPS或STS)及飛機/氣球型高空遠程運行網(wǎng)絡(luò)(HALO)概念等。
1.2 新系統(tǒng)技術(shù)
下述十八個專題將涉及衛(wèi)星系統(tǒng)新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用
(1)多維信號處理與電磁兼容分析及多維頻率共用技術(shù)
包括衛(wèi)星業(yè)務(wù)、地面業(yè)務(wù)本身及其彼此共用在內(nèi),此多維含義可涉及頻率域、時間域、空間域、信號域、網(wǎng)絡(luò)域,甚至顯示域; 多天線發(fā)送接收在內(nèi)的多輸入、輸出(MIMO)多維時空處理為其典型示例。而且,對多維頻率共用及多維電磁兼容分析而言,未來多頻段、多模式通用寬帶無線接入綜合業(yè)務(wù)運行及頻譜/軌道資源管理的寬廣地域分布、可延展性及充分靈活的特征必將導(dǎo)致需要具備分布式智能代理型的新型多維智能資源管理要求。
(2)靈活、有效及可擴展的多維資源管理技術(shù)
對于未來移動與固定, 地面與衛(wèi)星, 廣播與交互, 公用與專用, 廣域、局域與個人域等各類業(yè)務(wù)均綜合于一種以全IP為基礎(chǔ)的統(tǒng)一寬帶平臺上運作這一無縫隙與有機綜合的復(fù)雜運行環(huán)境,包括對上述頻譜、軌道資源管理在內(nèi),必須利用多維智能代理之類手段,才能實現(xiàn)靈活、有效并具擴展性及規(guī);亩嗑S智能資源管理。借助自適應(yīng)智能天線覆蓋及軟件無線電控制的智能化頻譜、軌道資源管理,可實施頻譜、軌道資源動態(tài)協(xié)調(diào)及時空等多維處理運作,同時,借助自適應(yīng)智能化調(diào)整發(fā)射功率、調(diào)制方式、帶寬資源等進一步優(yōu)化空中接口參數(shù)及優(yōu)化無線IP QoS控制參數(shù),從而使頻譜、軌道等資源可進行更合理的有效協(xié)調(diào),包括多層平臺聯(lián)合動態(tài)調(diào)整參數(shù)的智能運作在內(nèi),以大大提高資源的利用效率。
(3)智能天線與分布智能天線技術(shù)
現(xiàn)代天線波束成形、多點波束蜂窩結(jié)構(gòu)及智能天線與分布智能天線技術(shù),這是實現(xiàn)高密度、多重頻率再利用并大幅度提高頻譜利用效率的最有效途徑,包括與多址連接技術(shù)在一起運作,可有效提高上、下行,特別是下行吞吐能力。這亦是第三代移動通信改進系統(tǒng)性能及4G/5G發(fā)展的重要手段,是3G TD-SCDMA方案的核心技術(shù),目前正擴展成TDD、FDD全面開發(fā)應(yīng)用。研制開發(fā)出穩(wěn)定性、快速收斂性等性能優(yōu)良的控制算法屬其關(guān)鍵, 應(yīng)特別注意探討TDD及FDD模式下雙向智能天線運作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與優(yōu)良算法。對L/S頻段及Ka之類高頻段蜂窩結(jié)構(gòu)覆蓋的星上天線的智能控制、空中結(jié)構(gòu)展開以及經(jīng)濟的自適應(yīng)大范圍調(diào)整覆蓋能力等是實現(xiàn)系統(tǒng)有效頻率多重再利用適應(yīng)剪裁市場需求、提高競爭力的重要途徑。
(4)軟件無線電與軟件定義的無線電技術(shù)
預(yù)計中頻處理的軟件(定義的)無線電技術(shù)將逐步成為現(xiàn)實可行。普遍裝備于新一代移動通信與寬帶無線接入系統(tǒng)中將會產(chǎn)生重大技術(shù)與經(jīng)濟效益。新一代寬帶無線系統(tǒng)用戶成本具有量級水平的有效降低及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活變更,很大程度上期望在統(tǒng)一硬件平臺基礎(chǔ)上軟件無線電的有效支撐。借助目前已廣泛有效使用的DSP器件及相應(yīng)合理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計,推廣軟件(定義的)無線電技術(shù)應(yīng)用,使衛(wèi)星通信設(shè)備,特別是地面段設(shè)備更靈活、小巧、穩(wěn)定、可靠,并積極研究向快速綜合實時處理邁進的DSP技術(shù)與算法,由軟件定義的無線電向射頻處理的真正軟件無線電技術(shù)邁進。
(5)現(xiàn)代編碼 / 調(diào)制技術(shù)
這是有效提高語音及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)下大幅度提高其功率/頻譜效率的又一重要途徑。一方面,重視小于2.4kbit/s速率的高性能聲碼器,由MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21支持的視頻圖像壓縮與管理技術(shù); 多路語音壓縮如倍增系數(shù)達10-16倍以上的DCME/PCME等各類數(shù)字電路倍增技術(shù); 性能優(yōu)良的信道編碼調(diào)制技術(shù),除通常所知的TCM型、BCM型、SPORT型、恒包絡(luò)型、部分響應(yīng)型、實用型等編碼調(diào)制技術(shù)外,應(yīng)特別注意適應(yīng)移動通信衰落環(huán)境、非線性信道及多重圖像分辨率要求情況下的多重編碼調(diào)制、多信號間隔恒包絡(luò)編碼調(diào)制、多分辨率編碼調(diào)制,不對稱傳輸環(huán)境下的UEP碼調(diào)制、以及大幅度提高功率處理能力的串、并聯(lián)級聯(lián)碼調(diào)制,包括Turbo碼及Turbo編碼調(diào)制技術(shù)。尤其是卷積型及分組型Turbo碼及相應(yīng)編碼調(diào)制,對第三代移動通信、WLAN、WLL、衛(wèi)星數(shù)據(jù)直播、多媒體多分辨率圖像通信、無線數(shù)據(jù)傳輸、LMDS寬帶無線接入、HDTV傳輸、吉比特以太網(wǎng)、低速率數(shù)字語音壓縮Internet、數(shù)字衛(wèi)星通信以及數(shù)據(jù)記錄存儲等各方面將具有廣泛的應(yīng)用前景。
另一方面,聯(lián)合M-QAM運作的自適應(yīng)(x)-OFDM(y)方式(諸如C-OFDM、W-OFDM、V-OFDM、F-OFDM及OFDMA等)值得關(guān)注:它具備寬帶運行時的優(yōu)良抗色散能力及波形成形能力,可實現(xiàn)非(直)視距離(N-LOS)方式傳輸,包括與未來多載波寬帶CDMA組合運行,對現(xiàn)有工程裝備實施和對寬帶無線接入及新一代寬帶移動通信投入運作很有吸引力,而且QPSK/8PSK/16QAM/64QAM/(x)-OFDM(y)多調(diào)制方式自適應(yīng)可變運作,對自適應(yīng)覆蓋可調(diào)或傳輸性能自適應(yīng)控制有良好的實施能力。應(yīng)該指出,以IP為平臺基礎(chǔ)的Shin衛(wèi)星系統(tǒng)即擬采用Turbo碼及OFDM技術(shù),籍以有效提高其容量處理能力。
(6)衛(wèi)星人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及自適應(yīng)信號處理與統(tǒng)計檢測技術(shù)
衛(wèi)星通信中有大量自適應(yīng)控制技術(shù)的用武之地,包括大時延閉環(huán)狀態(tài)下的自適應(yīng)控制技術(shù)、衛(wèi)星人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制技術(shù)、亦包括多用戶聯(lián)合檢測在內(nèi)的自適應(yīng)信號處理與統(tǒng)計檢測以及非線性自適應(yīng)學(xué)習(xí)與均衡技術(shù)等。對惡劣傳輸環(huán)境中的自適應(yīng)處理應(yīng)特別注意其優(yōu)良性能的快速盲算法,以及相應(yīng)自適應(yīng)非線性處理及降低狀態(tài)數(shù)與復(fù)雜度的實用軟判決最佳/次最佳序列檢測等高級檢測處理和有效處理市場剪裁要求的自適應(yīng)覆蓋技術(shù)等。對這些方面, 美國NASA、歐洲ESA及UMTS作了較多研究工作,一些著名研究項目有如SECOMS ( Satellite EHF Communication for Multimedia mobile Service) , SINUS ( Satellite Integration into Network for UMTS Services), INSURED ( INtegrated Satellite UMTS Real Environment Demonstration), NEWTEST ( High- Performance Neural Network Signal Processing Schemes for Wireless Terrestrial and Satellite Transmission ) 及 TOMAS ( Inter-Trial Test-bed of Mobile Applications for Satellite Communications) ,等。
。7) 多媒體綜合業(yè)務(wù)傳送的多層次綜合業(yè)務(wù)工作平臺技術(shù)
當我們考慮MSS及地面業(yè)務(wù)無縫隙覆蓋綜合時,這種設(shè)計原理顯得更為重要,包括以SDH/ATM/IP技術(shù)為支撐的自適應(yīng)可變速率、可變業(yè)務(wù)類型與QoS要求,同時組合不同頻段和(或)不同分層覆蓋區(qū)模式及優(yōu)化星座結(jié)構(gòu)、LEO/MEO/GEO協(xié)同工作和(或)分步實施的地面通信與衛(wèi)星通信有機組合的三維運行綜合業(yè)務(wù)工作平臺技術(shù)。
(8) 流媒體技術(shù)
充分發(fā)揮衛(wèi)星廣播、多播(組播)能力的長處,組合流媒體技術(shù),包括進行緩存(Caching)處理、可變帶寬的動態(tài)資源及網(wǎng)絡(luò)管理、以及有效組合"推"、"拉"技術(shù)的衛(wèi)星CDN(內(nèi)容分配網(wǎng)絡(luò))平臺技術(shù),有可能在惡劣時延環(huán)境下實現(xiàn)IP為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)高速多媒體在線高質(zhì)量連續(xù)傳送。
(9) 軟交換技術(shù)
這是實現(xiàn)新一代網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活可變、前后向兼容性能優(yōu)良的核心技術(shù)。它采用分層的全開放網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架,具有獨立的模塊化結(jié)構(gòu);是一種業(yè)務(wù)驅(qū)動型網(wǎng)絡(luò),業(yè)務(wù)和呼叫控制可完全分離,呼叫與承載可完全分離;亦是一種基于統(tǒng)一協(xié)議的分組型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。它可適應(yīng)技術(shù)發(fā)展新趨勢,滿足不同用戶新需求;能快速提供新業(yè)務(wù),涉足新領(lǐng)域,創(chuàng)造新的利潤增長點;它亦可有效地降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與維護成本,從而對新一代移動通信全IP網(wǎng)絡(luò)形成具有很大吸引力。
(10)適應(yīng)IP或全IP為基礎(chǔ)及全球個人通信運行的新應(yīng)用協(xié)議、算法及應(yīng)用軟件的研究和開發(fā)應(yīng)用
由于TCP/IP并非專為衛(wèi)星通信所設(shè)計,難以直接控制好用戶端對端的QoS性能。從而結(jié)合Inetenet VIA Satellite的各種應(yīng)用,為使以IP為基礎(chǔ)的衛(wèi)星Inetenet網(wǎng)絡(luò)之間及與地面Inetenet網(wǎng)絡(luò)一道取得更優(yōu)良的傳輸效率與吞吐性能,深入研究各種應(yīng)用協(xié)議與算法具有重要意義。由于衛(wèi)星系統(tǒng),特別是GEO衛(wèi)星系統(tǒng),有較長的傳輸時延,單跳往返時延(RTT,Round。裕颍椋稹。裕椋恚澹┘s為2X270=540(ms),它對按TCP/IP協(xié)議確定的由其所謂管道(Pipe)效應(yīng)引起的數(shù)據(jù)重發(fā)和吐吞量及吐吞率受限(吐吞率=吐吞量/相應(yīng)傳輸帶寬中所傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)速率,若吞吐量等于此數(shù)據(jù)速率,則吞吐率為最理想,即100%)明顯有直接的影響。根據(jù)Inetenet活動委員會(IAB)制訂的標準RFC1072(Request for。茫铮恚恚澹睿簟。保埃罚玻┲械亩x,其數(shù)據(jù)管道=RTT×數(shù)據(jù)傳輸速率,數(shù)據(jù)管道中任何一個數(shù)據(jù)包丟失均將導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳,將嚴重影響其實際最大數(shù)據(jù)吞吐量(Througput)即其最大數(shù)據(jù)傳輸速率, 而最大數(shù)據(jù)吞吐量=最大接收窗口/RTT,因此RTT及最大接收窗口大小均直接影響最大吞吐量及最大吞吐率的大小。對于RTT大且傳輸速率及傳輸帶寬高的信道即稱為"長-寬信道"(Long-Fat。茫瑁幔睿睿澹欤,上述GEO寬帶衛(wèi)星信道即為典型的"長-寬信道",若對TCP/IP衛(wèi)星系統(tǒng)不加以協(xié)議擴展改進,將會產(chǎn)生嚴重的管道效應(yīng),影響其吞吐性能。從而,首先必須對TCP/IP協(xié)議進行一系列的擴展改進, 例如:可由幀結(jié)構(gòu)改進、選擇性ARQ、慢啟動后的時延ACK、選擇性ACK、前向ACK、ACK擁塞控制、TCP報頭壓縮、ACK壓縮與緊湊化、窗口尺寸設(shè)計等入手, 對此,Inetenet工程任務(wù)組(IETF,Internet。牛睿纾椋睿澹澹颍椋睿纭。裕幔螅搿。疲铮颍悖澹┮烟岢隽艘恍⿺U展建議,即如 RFC1323(Big。祝椋睿洌铮鳌。蹋铮睿纭。拢酰妫妫澹,以克服長時延、大帶寬/高容量時的TCP傳輸瓶頸),RFC2018(SACK, Selective Acknowledgement , 用于改進長時延、大窗口、高誤碼時的傳輸效率),RFC2001及2518(TCP Congestion。茫铮睿簦颍铮,Slow。樱簦幔颍,Congestion。粒觯铮椋洌幔睿悖,Fast Retransmit, Fast Recovery等, 以實現(xiàn)動態(tài)信道有效利用及改進衛(wèi)星信道非對稱性引起的性能起伏等);也可采用欺騙(Spoofing)之類TCP/IP協(xié)議變換形式的網(wǎng)關(guān)技術(shù)入手,可使吞吐性能獲得數(shù)倍的改進;在如何解決一定區(qū)域范圍內(nèi)Inetenet網(wǎng)絡(luò)擁塞時,利用衛(wèi)星手段的有效跳越跨接,以及IP Over Satellite時的最佳路由選擇; 多ISP運行條件下為克服目前Proxy/VPN服務(wù)器解決方案呈現(xiàn)出的快速下載無效,無法進入動態(tài)速率控制、動態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)器分配及自動出入等一系列毛病, 此時有一種所謂"空中隧道"(Tunnel inSky)協(xié)議可能可較好地解決這一問題,并估計可提高衛(wèi)星IP上行傳輸效率達45%左右,如此等等, 均屬一些較典型的改進IP衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)Qos性能的有效途徑。當然,這些改進工作還在進一步深化與發(fā)展,包括在第三層、第四層直至更高的應(yīng)用層,以取得IP衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與IP地面網(wǎng)絡(luò)綜合運行時更為滿意的Qos控制。而涉及衛(wèi)星與地面系統(tǒng)的集成和地面系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的演進,包括新一代移動通信與無線接入及適應(yīng)NGN、NGBW及開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用軟件等,無疑, WAP、c-HTML/x-HTML、Brew、MSS IP over MPLS、BICC、SIP、 API、Parlay、 MGCP、 H.248/Megaco、Grid Computing (網(wǎng)格計算) 、CORBA、 Middleware(中間件) 以及Bluetooth、IEEE802.15.3/15.3a等與個人連接和接入及NGN等相關(guān)的協(xié)議、算法與應(yīng)用軟件技術(shù)均十分關(guān)鍵。
。11)DVB-IP及安全控制條件接收CA技術(shù)與電子數(shù)字水印之類盜版防護技術(shù)
如眾所知,數(shù)字視頻廣播(DVB,Digital。郑椋洌澹铩。拢颍铮幔洌悖幔螅簦椋睿纾┦菤W洲尤里卡計劃的一部分,為發(fā)展數(shù)字電視(DTV)業(yè)務(wù)而確定的一種標準,起源于上世紀90多代初,由歐洲廣播用戶設(shè)備制造廠商和ELG(European。蹋幔酰睿悖瑁椋睿纭。牵颍铮酰穑┱搲苿佣,相應(yīng)國家和組織可自愿參加,后即成為目前的DVB計劃,至2001年初,DVB計劃已包含了30多個國家與220多個組織,實際上已成為一種全球標準。DVB標準一般又細分為針對衛(wèi)星傳輸?shù)模模郑拢、針對有線電視傳輸?shù)模模郑拢煤歪槍Φ孛鎮(zhèn)鬏數(shù)模模郑拢匀N標準。由于地面?zhèn)鬏敹鄰絺鞑サ葌鬏敆l件最為復(fù)雜、嚴峻,從而DVB-T標準內(nèi)涵及對環(huán)境的技術(shù)對抗措施亦最為復(fù)雜與多樣化,這一點也就反映在不同國家的DTV-T標準的確定上,包括覆蓋HDTV在內(nèi)的我國情況亦屬如此。
DVB標準的技術(shù)性能與接口要求包括下述方面:數(shù)字信源壓縮編碼,節(jié)目數(shù)據(jù)流的復(fù)接、信道糾錯編碼、數(shù)字調(diào)制、數(shù)字加密和條件接收等,數(shù)字視頻壓縮算法統(tǒng)一采用MPG-2,前向糾錯統(tǒng)一采用R-S碼,QAM調(diào)制標準星座狀態(tài)數(shù)高達256,符號速率范圍6.0~6.9Msym/s等。而Inetenet是衛(wèi)星通信進一步發(fā)展的重要源動力,其中DVB-IP則是衛(wèi)星寬帶多媒體業(yè)務(wù)發(fā)展的重要途徑其中CA是一項加密控制的有條件接收技術(shù),涉及DVB-IP廣大用戶應(yīng)用時的申請、接入、付費、頻道控制、甚至防假等一系列要求;而且,應(yīng)該指出,在解密節(jié)目抵達用戶后的信息安全與知識產(chǎn)權(quán)保護和防非法拷貝方面,電子數(shù)字水印(Digital。祝幔簦澹颍恚幔颍耄椋睿纾┦且环N重要的新技術(shù)應(yīng)用。
(12)頻段擴展與新系統(tǒng)、新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用
目前,鑒于L、S、C、Ku頻譜資源及GEO衛(wèi)星軌道資源的緊缺與擁塞,頻段擴展,包括衛(wèi)星軍事應(yīng)用在內(nèi),自然瞄準X、Ka及V(Q/w),直到毫米波與紅外線范圍的所謂空中光纖。我們一方面要汲取以Iridium系統(tǒng)為首的LEO/MEO型GMPCS系統(tǒng)失敗的教訓(xùn),除GEO系統(tǒng)外,仍應(yīng)協(xié)調(diào)實施相應(yīng)各計劃開發(fā)中的LEO/MEO NGSO衛(wèi)星系統(tǒng), 甚至建立新思路, 開發(fā)LEO/MEO型"靜止衛(wèi)星系統(tǒng)"。其實,高度更低屬地面業(yè)務(wù)范疇的平流層氣艇高空平臺HAPS及高空飛機/氣球遠程覆蓋運行HALO等系統(tǒng)亦為其類似思路的派生產(chǎn)物。此外,新頻段開發(fā),包括星際鏈路的開發(fā)在內(nèi),除器件技術(shù)外,亦有一整套涉及相應(yīng)多址連接技術(shù)、自適應(yīng)處理技術(shù)等在內(nèi)的新技術(shù)、新系統(tǒng)的研究開發(fā)工作需同時進行。
由X頻段商用、至Ku/Ka、純Ka及EHF(V/Q/W)頻段擴充,這對解決未來愈來愈多的個人多媒體視頻業(yè)務(wù)需求及衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)邁向消費領(lǐng)域有重要意義。例如,以Ka衛(wèi)星系統(tǒng)為例,從多點波束頻譜有效再利用角度看,新一代Ka頻段寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的容量潛力非常有吸引力,而且在衛(wèi)星處理設(shè)備中采用高速分組交換統(tǒng)計復(fù)用,還可在多點波束蜂窩式覆蓋基礎(chǔ)上,進一步大大提高下行信道的負荷因子與復(fù)用能力,可大大改進整個衛(wèi)星系統(tǒng)的用戶傳輸速率和信息吞吐量。例如,同樣以48波束的電路交換同快速分組交換統(tǒng)計復(fù)用處理進行對比,電路交換方式時只能取得0.5G bit/s左右的吞吐量,而衛(wèi)星上分組交換統(tǒng)計復(fù)接模式運作時約可提高半個量級以上的吞吐效率,即達到3.5G bit/s左右的吞吐量。
一般說來,Ku與Ka頻段的衛(wèi)星系統(tǒng)相比較,Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能/價格比方面有明顯吸引力。以相同帶寬資源作對比,Ka衛(wèi)星的造價比Ku衛(wèi)星約貴2倍左右,然其容量能力卻可高6-8倍,而且其終端尺寸還可縮小一倍多(直徑約為0.6m左右)真正可方便地走向家用消費品市場。因此可以說在性能價格比方面,Ka衛(wèi)星系統(tǒng)大約可有2~3倍或更多的得益。當然,Ka頻段雨衰將更嚴重,沉降物影響更嚴峻,而且就地面控制的星上自適應(yīng)覆蓋處理技術(shù)而言,比Ku頻段更不成熟,因此目前Ka頻段的自適應(yīng)控制技術(shù),主要仍是運用FEC碼率及調(diào)制狀態(tài)速率自適應(yīng)可變技術(shù)改變其功率處理能力和進行雨衰對抗,而未能采用整體的路由分集技術(shù);采用多點波束跳越掃描覆蓋以快速經(jīng)濟地剪裁市場需求或許是一種現(xiàn)實可行的出路。
歸根結(jié)蒂,由C頻段至Ku頻段再至Ka頻段這是一種技術(shù)與市場需求演進的必然結(jié)果,一般說來C頻段的寬帶視頻運營目標確定電視運營網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)運營商及一些住宅用戶。此時,天線尺寸為2.4m左右,以分瓣組裝結(jié)構(gòu)為宜;到Ku頻段時,其頻率復(fù)用能力即可提高4倍左右,天線縮小降到1.7m~1m左右,用戶對象可較大規(guī)模普及到企業(yè)數(shù)據(jù)及住宅居民電視接收;再進一步進入Ka頻段,將可適應(yīng)IP為基礎(chǔ)的寬帶多媒體高速數(shù)據(jù)傳遞要求,此時頻率復(fù)用相對Ku頻段仍可再提高4倍,天線直徑可再降低到0.6m~0.4m左右,適用對象可普及小型企業(yè)及家用住宅寬帶數(shù)據(jù)及視頻多媒體運行。當然,從市場發(fā)展前后向兼容角度看,不少場合Ku/Ka混合結(jié)構(gòu)仍不失為一種安全與明智的選擇。
另一方面,Internet已成為寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)的重要驅(qū)動力。DVB-IP衛(wèi)星統(tǒng)一平臺對發(fā)展衛(wèi)星消費用戶有極強的吸引力,而在亞洲Internet家庭用戶亦將快速增長,2001年約為1300萬戶左右,到2008年將增至2000萬戶以上;瞄準IP為基本業(yè)務(wù)目標的Ku/Ka衛(wèi)星平臺的帶寬處理能力也非常引人注目,以SHIN Satellite Public Company Limited平臺為例,這以IP為基礎(chǔ)的寬帶衛(wèi)星將由SS/Loral公司制造,據(jù)稱擬于2003年上半年發(fā)射,采取高效率、低用戶成本運作,而性能/價格比可與地面數(shù)字用戶線及電纜調(diào)制解調(diào)器相比擬,由于利用35個左右的多點波束加之廣域波束,進行多重頻率再利用,其容量約可達40Gbit/s,這為目前一般最大衛(wèi)星容量的20倍左右;而且在功率處理方面,利用了先進的Turbo碼編譯碼技術(shù)及OFDM技術(shù),可使其傳輸效率比一般情況改進100%左右。值得相關(guān)運行商重點關(guān)注。
(13)增加衛(wèi)星運行壽命的氙離子推進及高效率太陽能電池技術(shù)
采用氙離子(Xenon Ion)發(fā)動機技術(shù)可獲得大幅度節(jié)省衛(wèi)星燃料的高效率衛(wèi)星姿態(tài)控制及軌位保持控制。對一顆15年壽命的衛(wèi)星,采用氙離子推進將可節(jié)。梗埃サ耐七M劑用量,從而可大大節(jié)省衛(wèi)星發(fā)射價格或延長衛(wèi)星壽命。若使用能力較強的25厘米160mN的氙離子發(fā)動機,每天僅需工作30分鐘即可將衛(wèi)星軌位保持至0.005度,從而可有效處理多顆衛(wèi)星共用同一軌位(Co-location)的衛(wèi)星軌道位置的保持與控制。
與常用的硅太陽能電池相比較,砷化鉀太陽能電池包括其多節(jié)運行可使轉(zhuǎn)換效率提高一倍左右,即由14%提高至30%左右,這可為實現(xiàn)10~2 0千瓦大功率衛(wèi)星平臺運行奠定基礎(chǔ)。同時效率高、體積小、重量輕的鋰蓄電池可比現(xiàn)有鎳氫蓄電池提高一倍左右的功率能量密度能力。(未完待續(xù))
----《西部通信》