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空軍工程大學電訊工程學院微波室
摘要：介紹了寬帶衛(wèi)星通信的概念及發(fā)展現狀，討論了衛(wèi)星ATM、衛(wèi)星IP、星上處理技術，分析了寬帶衛(wèi)星中的雨衰、QoS問題，闡述了寬帶衛(wèi)星通信的發(fā)展策略及趨勢。
關鍵詞：衛(wèi)星通信 寬帶 衛(wèi)星ATM 衛(wèi)星IP 星上處理
一、寬帶衛(wèi)星通信的發(fā)展現狀
在衛(wèi)星通信中，寬帶衛(wèi)星通信是一個新概念，其主要目標是為多媒體和高數據速率的Internet應用提供一種無所不在的通信方式。可以認為，新一代衛(wèi)星系統是為了提供個人電信服務，與上一代衛(wèi)星網絡的最大區(qū)別是砂載的業(yè)務由低速業(yè)務及話音業(yè)務變?yōu)镮nternet和多媒體業(yè)務。在衛(wèi)星通信領域，靜止軌道衛(wèi)星仍扮演著十分重要的角色，但應全球個人通信的要求，寬帶移動衛(wèi)得通信是發(fā)展的必然趨勢，有關技術也在逐漸成熟。
目前約為20個Ｋａ（Ｋｕ）波段LEO/MEO/GEO寬帶衛(wèi)星通信系統，這些系統主要用于多信道廣播、Internet和Intranet的遠程傳送以及作為地面多媒體通信系統的接入手段，成為實現全球無縫個人通信、Internet空中高速通道必不可少的手段。
二、寬帶衛(wèi)星通信技術
1.衛(wèi)星ATM
ATM是有線網絡寬帶通信的主要技術，與無線相結合產生的研究方向一無線ATM（WATM）。WATM可以使用包括衛(wèi)星信道在內的任何類型的無線信道，所以新一代移動衛(wèi)星系統把ATM結構作為傳輸模型，而所用的衛(wèi)星通常具有多點波束，并具有星上處理能力。透明轉發(fā)衛(wèi)星網絡和有星上處理能力的衛(wèi)星系統都可以與ATM網絡結合使用。
具有星上處理功能的衛(wèi)星系統中，星上ATM交換機和地面NCC都執(zhí)行控制功能。負載交換機和地面終端間的接口可以是用戶－－網絡接口（UNI）或網絡－網絡接口（NNI）。低速衛(wèi)星鏈路的用途是將遠端ATM主機連接到陸地網絡上。這時，ATM主機和星上交換機間的接口是UNI，星上交換機和陸地ATM網絡間的接口是NNI。應用高速數據鏈路時，有星上處理能力的衛(wèi)星是一個ATM節(jié)點，其接口是NNI。具有星際鏈路（ISL）的衛(wèi)星系統中，空中衛(wèi)星網中每一顆衛(wèi)星都是一個ATM節(jié)點，空中網絡不但提供網絡接入，而且還提供網絡互聯，衛(wèi)星之間的接口是NNI。
兩個衛(wèi)星移動終端之間及衛(wèi)星終端與連接于PSTN的固定終端之間的簡單的端到端通信說明了，有ISL互聯的移動衛(wèi)星系統中，無論是固定終端還是移動終端，之間都可以進行高數據速率的遠距離通信。這類系統中，直接通信的終端必須裝有衛(wèi)星適配單元，將必要的用戶終端協議轉換到衛(wèi)星協議平臺上。衛(wèi)星適配單元不但有信道編碼、調制、解調等物理層功能，還包括射頻和天線部分。系統中衛(wèi)星的功能有：星上信號再生、復用/解復用，信道編譯碼及ATM交換。
另一種將使用ISL的移動衛(wèi)星系統與ATM網絡連接起來的方法，是把第一顆衛(wèi)星當作一個ATM節(jié)點，把每一條ISL當作單個虛通路連接（VCC），把連接的尋址路徑當作ATM網絡的虛通道連接（VPC）。因此，把LEO衛(wèi)星作為ATM節(jié)點，我們便可以在空中建立一個完整的ATM網絡，應用類似于ATM的算法。特別地，在移動衛(wèi)星系統中應用VPC和VCC的概念可以利用ATM尋址和傳輸方案的優(yōu)點，而移動衛(wèi)星網絡接入陸地ATM網絡也變得更為簡便。
2.衛(wèi)星IP
TCP/IP是為地面網絡設計的，用于衛(wèi)星信道時會出現長時延、較高的差錯率、前/反向信道非對稱等很多問題，需加以解決才能順利工作。
對于地球同步軌道衛(wèi)星，其單跳時延為270毫秒，在TCP傳輸控制協議中需要返回確認，往返傳輸時間（RTT）為540ms。按TCP/IP協議，信道中任一比特發(fā)生差錯都要進行數據重傳。這種機制當擁塞窗口太大時對數據傳輸產生影響，被稱做窗口效應。此情況下衛(wèi)星信道的最大數據吞吐量將受到限制，它等于最大接收窗口/RTT。TCP協議的最大接收窗口一般為64千字節(jié)（kB）默認為8kB，因此在雙向衛(wèi)星信道上的最大數據吞吐量為64kB/540ms=118.5kBps=948.15kbps。同時，在建鏈過程中有同步、應答等握手信號，衛(wèi)星的長時延也必然影響其建立連接的過程。長時延還影響TCP協議中接收端“接收窗口”和發(fā)端“擁塞窗口”來進行擁塞控制的機制，有時需等待幾十秒才能恢復到大擁塞窗口。對擁塞結束后的慢啟動過程也很不利。
為了解決TCP/IP在衛(wèi)星信道上運行的困難，可分為兩類解決方法：一在協議上改進，IETF已經提出了一些擴展建議RFC，例如：RFC1323，克服長時延、大窗口、高誤碼情況下的效率下降；RFC2581、2001，克服衛(wèi)星通信信道容量的非對稱性及性能起伏，動態(tài)實現信道的有效利用，等等。二是在衛(wèi)星鏈路起始端設置網關，將TCP/IP協議轉換成較適合衛(wèi)星信道的算法，這樣可在衛(wèi)星段采用與衛(wèi)星鏈路特性匹配的傳輸協議，而通過TCP/IP協議網關與Internet和用戶終端連接。
3.星上處理（OBP）技術
OBP有很多種形式用于ATM衛(wèi)星通信，其主要目的是為VSAT地球站提供單跳連接。OBP大體上分為三級。一級；基帶OBP和OBS（星上交換）/OBR（星上尋址）；二級：中頻/射頻（IF/RF）處理和交換；三級：支持處理功能。一級通常與安全處理衛(wèi)星相對應，典型的例子是Teledesic衛(wèi)星。二級大體上與部分處理衛(wèi)星相對應，包括信號再生和中頻/射頻交換，但不包括基帶OBS。其它與通信并非直接聯系但支持通信功能的處理形式都劃為三級。本文只討論基帶OBP和OBS。
基帶OBP的目的是提高鏈路的性能及有效性，降低費用或增加容量，增加容量已是現階段的發(fā)展趨勢。更重要的是，把基帶OBP和OBS相結合會增加整個網絡的有效性和靈活性。OBS是“空中因特網”衛(wèi)星的必備要素。在SS-ATM（星上交換－ATM）中，OBP是基于信元的OBS。
基帶OBP除了信號放大和頻率轉換外，主要功能還包括：解調、解復用、檢錯、糾錯、轉換尋址和控制信息。它與信號再生和信號傳輸有關，包括數據的交換與尋址、波束形成、數據緩沖和數據復用。信號再生技術通常用于提高信噪比（S/N），降低BER。在衛(wèi)星ATM中，因為要保持10-8或更低的BER，這一點尤其重要。除信號再生和信號交換外，基帶OBP還有大量的技術可以對系統性能進行優(yōu)化，例如波束形成。OBP不但能做到對干擾調零，還可進行動態(tài)波束形成。也可實現天線增益和覆蓋范圍的動態(tài)按需分配，從而對衛(wèi)星的EIRP進行靈活分配。
三、寬帶衛(wèi)星通信面臨的問題
1.雨衰
目前，寬帶衛(wèi)星系統已采用Ka頻段，而Ka波段傳播特性受降雨衰耗的影響較大。但是從實驗和實際應用的結果來看，采用自適應功率控制（用于上行）和自適應數字編碼（用于下行）可以解決這個問題。如NASA的ACTS采用了RS碼和卷積碼級聯，晴朗天氣情況下，其誤比特率可達到10-12，有雨衰的情況下，至少99％的時間可以達到10-11。
2.QoS問題
電信網絡中的QoS標準通常包括帶寬、吞吐量、實時性、主觀質量和費用。把話音和數據業(yè)務擴展到多媒體和寬帶應用、把固定網絡擴展到移動網絡、把地面網絡擴展到衛(wèi)星網絡時，對系統組件的管理就變得更為復雜。為了獲得并保持期望的qoS，應進行控制和監(jiān)督，即QoS管理技術。這些技術不但用于交互式通信的開始（靜態(tài)功能），也用于交互通信的過程（動態(tài)功能）。靜態(tài)功能包括對QoS要求的定義、協商、接入控制及資源預留，而對實際所提供的QoS的測量、整理、保持、重新協商、匹配和同步，則屬于動態(tài)功能。在ATM衛(wèi)星網絡中，采用星上處理技術并把多路IP數據合并為單條VC時，QoS管理器就把IP業(yè)務數據按等級劃分開，以充分利用帶寬。
四、寬帶衛(wèi)星通信發(fā)展策略及趨勢
1.更注重Internet接入
衛(wèi)星非常適合于傳輸Internet業(yè)務，優(yōu)點為：傳輸不受陸地電路影響，衛(wèi)星不對稱線路方案經濟高效，更適于局域網，可作為多信道廣播業(yè)務的平臺。
2.開放標準與模塊化問題
已有的LEO/MEO GMPCs衛(wèi)星系統其全球標準化開放標準能力極差，很難形成規(guī)�；芰�。在下一步全球寬帶MSS行程中，納入IMT-2000的類3G MSS軌道，進行全球開放標準與規(guī)�；\作，并與相應地面業(yè)務部分取得有效的綜合，是一條有效的出路。
3.商業(yè)策略
2001年國際衛(wèi)星大會上，由LEO/MEO GMPCS失利反思的一致看法是：獲得與地面業(yè)務相比擬的性能價格比是未來衛(wèi)星通信，包括其未來多模終端應用發(fā)展的基本準則。地面移動通信網絡容量及用戶數增長速度極快，以每年30％-50％的高速遞增，同時更新換代速度也很快，在10-15年內可能會快速發(fā)展。因此，寬帶衛(wèi)星通信系統的發(fā)展必須適應這種演進競爭步伐，在提高性能價格比的前提下快速發(fā)展。
摘自 《數據通信》
