寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展及應用前景

　　一、寬帶熱——虛火，還是務實？

　　寬帶衛(wèi)星通信是整個寬帶通信系統(tǒng)的一部分，因此，應先看看當前寬帶通信的情況如何。

　　近幾年來，“寬帶”成為通信領(lǐng)域的頭號熱點。寬帶傳輸、寬帶交換、寬帶無線、寬帶接入、寬帶衛(wèi)星……都向?qū)拵Э繑n，不講寬帶就不時髦，就沒有吸引力。有幾本知名雜志也改了名，如美國的《Satellite
Communications》（衛(wèi)星通信）改為《Satellite Broadband》（衛(wèi)星寬帶）；原《世界有線電視信息》改名為《世界寬帶網(wǎng)絡》。

　　而今年以來，各種媒體對寬帶通信的報道不能說是“鋪天蓋地”，也差不多是“連篇累牘”。然而，對于寬帶熱，我覺得還應該有理性的認識——

　　其一，人人都認準了：“路，一定是越走越寬的”。從社會發(fā)展的角度來看，昔日的“羊腸小道”變成了當今的三上三下甚至六上六下的高速路、超級高速路。電信從莫爾斯電報、電話，發(fā)展到現(xiàn)在的多媒體、幾百路的數(shù)字電視（DTV），沒有寬帶行么？從技術(shù)的角度看，光通信技術(shù)的發(fā)展速度大約出乎很多人的預料，沒多少年就有了10G、40G
DWDM，又在向全光網(wǎng)跑步前進。有人要用，有市場需求，所以技術(shù)發(fā)展神速。從市場角度看，老的程控交換、第二代移動通信系統(tǒng)的建設已經(jīng)或正在逐步飽和，制造商、運營商、服務商下一步的機會何在？新的“熱點”何在？到那里去賺錢？自然是唯“寬帶”馬首是瞻�？梢�，方向是明確的，但是競爭這么激烈，“炒作”也是免不了的。分析寬帶的人、準備投資寬帶的人還是應從自己的目標出發(fā)，做一點“去偽存真”的工作。

　　其二，究竟多大的帶寬算是“寬帶”，并無統(tǒng)一標準。一是和此種手段的以前水平比，是一個發(fā)展、漸變的過程；二是要適應業(yè)務發(fā)展，太寬了，一時還用不上；帶寬不夠則無法發(fā)揮作用，以后也用不上。能在一段時間內(nèi)適應某類業(yè)務的需要、占領(lǐng)某類市場，就是好技術(shù)。

　　其三，在中國，寬帶市場的發(fā)展尚需時日，看樣子不大容易在幾個月、一年之內(nèi)就指數(shù)率地“瘋長”起來。其原因主要兩點：廣大老百姓需要的內(nèi)容不夠豐富，北美衛(wèi)星的帶寬主要用活動視頻／衛(wèi)星電視，中國尚未提供衛(wèi)星電視到戶的業(yè)務，靠話音和少量數(shù)據(jù)不足以支持很寬的衛(wèi)星帶寬。即，車少、貨少，路寬了也沒用；另外，費用也是問題，按目前的成本計，寬帶業(yè)務的設備及運營費難以很快降到老百姓可以敞開使用的水平。做寬帶光網(wǎng)的人常說，當帶寬無限時單位頻帶的價格趨近于零，可惜現(xiàn)實并非如此，美國的光纖容量據(jù)說利用率僅2.7％，中國的情況恐怕不會更好，是否也說明一些問題。人們都認為，從長遠看，在城市、居民密集區(qū)，光纖應會是寬帶接入的主流，但決不是現(xiàn)在干線光通信的技術(shù)，因為成本太高，無法承受�；蛘邠Q個說法，不能用過去建設光纜數(shù)據(jù)網(wǎng)的經(jīng)驗建光纜城域網(wǎng)。推動應用、降低價格，應是發(fā)展產(chǎn)業(yè)的先導。

　　結(jié)論只能是，寬帶的確是技術(shù)和網(wǎng)絡發(fā)展的方向，也已有部分需求，但不能期待“寬帶”在短期內(nèi)出現(xiàn)奇跡，應冷靜思考，積極因應，防止把“寬帶”吹成一個大泡沫，需要努力做些扎實工作來推動它。

　　按網(wǎng)絡層次及范圍，寬帶網(wǎng)可分為干線網(wǎng)、接入網(wǎng)、入戶網(wǎng)（用戶駐地網(wǎng)，這部分是將要逐步開放運營的）。干線網(wǎng)我國已有了八縱八橫光纜網(wǎng)，以及聯(lián)通、網(wǎng)通、鐵通等的若干萬公里光纜，廣電網(wǎng)還有20至30萬公里光纖，無疑這是寬帶干線的主體。目前的焦點集中在寬帶接入網(wǎng)及駐地入戶網(wǎng)，這是投資比干線網(wǎng)要大得多的建設。

　　現(xiàn)在常提到的寬帶技術(shù)大致有：

　　DWDM（密集波分復用）為代表的各種光通信技術(shù)（包括干線及接入，甚至入戶）；

　　HFC（混合光纖同軸技術(shù)），在同軸有線電視基礎(chǔ)上建設（Cable Modem）；

　　xDSL（以各種ADSL為代表的銅線上的數(shù)字用戶環(huán)路）；

　　衛(wèi)星寬帶技術(shù)（以數(shù)字視頻DVB帶動IP數(shù)據(jù)為主要代表）；

　　LMDS（本地多點分配業(yè)務），剛開放了3.5GHz，下一步還會有5.8GHz和24-26GHz；

　　千兆以太網(wǎng)（5類線的結(jié)構(gòu)化布線）；

　　無線本地環(huán)路，如802.11，等。

　　可見，衛(wèi)星寬帶只是寬帶技術(shù)群中的一員，是不可缺少的一員，但不會成為老大。

　　二、衛(wèi)星寬帶的發(fā)展狀況

　　現(xiàn)在的衛(wèi)星寬帶是適應Internet的商業(yè)化興起而發(fā)展起來的。不過，追溯衛(wèi)星通信發(fā)展的歷史，它從一出現(xiàn)就進入了寬帶應用——模擬電視傳送，近些年又應用于數(shù)字電視、衛(wèi)星直播。但它的“現(xiàn)代化”——與IP技術(shù)的結(jié)姻，則是因Internet、多媒體、流媒體（Stream
Nedia）的出現(xiàn)，是近幾年的事。

　　1.系統(tǒng)

　　衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡的實現(xiàn)，大體有兩種途徑。一種是研制、發(fā)射專用的寬帶衛(wèi)星（或者說是有寬帶有效載荷——轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星），用它運行寬帶業(yè)務；另一種則是利用通信或廣播衛(wèi)星現(xiàn)成的透明轉(zhuǎn)發(fā)器，靠地球站寬帶終端來實現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡業(yè)務。前者是專門的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)，曾有不少廠商、單位提出過種種不同方案、計劃。比較出名的有：

　　Teledesic這是億萬富豪比爾·蓋茨與美國無線大王克雷格·麥考共同經(jīng)營的龐大計劃。原計劃投資90億美元，發(fā)射840顆衛(wèi)星（外加10％備份，衛(wèi)星總數(shù)近千個，故筆者曾將其譯為“千星座”），系統(tǒng)速率達10Gpbs，工作在Ka頻段，鄰星之間有60GHz的星間鏈路，地面用幾十公分口徑小天線收發(fā)。它的設計是針對Internet的高速發(fā)展和隨時、隨地、靈活接入的需要，號稱“天上因特網(wǎng)”（Internet
in the Sky），用戶可得到的最高速率為64Mbps（下行）和2Mbps（上行）。后來，由于地面光纜網(wǎng)等競爭手段的迅速發(fā)展，Teledesic計劃不斷推遲，方案一再修改，衛(wèi)星總數(shù)減為288顆，近日據(jù)傳還將減少衛(wèi)星的數(shù)量。

　　Astrolink由洛克希德·馬丁、自由媒體、Telespazio（屬意大利電信）、ＴＲＷ等公司投資建造的由９顆地球同步軌道衛(wèi)星構(gòu)成的星座系統(tǒng)。工作在Ｋａ頻段，總能力將達6.5Gbps，采用IP／ATM／ISDN技術(shù)體制。為全球提供高速因特網(wǎng)通信及公司集團數(shù)據(jù)鏈路服務，安裝在屋頂?shù)男√炀�即可使用戶接入，用戶速率有400Kbps、2Mbps、20Mbps可選。預計的系統(tǒng)造價達36億美元，計劃第一期發(fā)射4顆衛(wèi)星，于2003年向全世界提供服務�，F(xiàn)因籌資出現(xiàn)困難，僅得13.25億美元，決定將第一期衛(wèi)星數(shù)改為兩顆，先開通北美、歐洲業(yè)務。

　　SpaceWay由現(xiàn)已并入波音公司的原休斯公司策劃，計劃用16顆地球同步軌道衛(wèi)星和20顆中地球軌道衛(wèi)星組成星座，工作在Ka頻段，采用IP／ATM／FR／ISDN技術(shù)體制，總能力有4.4Gbps。用戶使用66公分口徑小天線即可獲得16kbps至16Mbps的服務。原計劃2002年開始工作。

SkyBridge法國阿爾卡特公司策劃建設，原打算用80顆低地球軌道衛(wèi)星，工作在Ku頻段，采用IP／ATM體制，向2000萬用戶提供速率從16
kbps到60Mbps的因特網(wǎng)和數(shù)據(jù)服務，家庭用戶的速率可為20Mbps（下行）和2Mbps（上行）。其方案是用200個直徑700公里的蜂窩及140個網(wǎng)關(guān)站覆蓋全球。最早時計劃2001年投入服務，因市場、投資等原因，已宣布無限期推遲。

　　Cyberstar、iSky等，不擬一一介紹。 可以看出，建設專門的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)來提供衛(wèi)星寬帶服務，需要很大的投資，市場風險較大。在當前信息產(chǎn)業(yè)、通信產(chǎn)業(yè)低迷的情況下，縮小計劃，延后出臺，是必然之舉。

　　另一種做法是利用現(xiàn)有空間資源開展衛(wèi)星寬帶服務，即開發(fā)適合衛(wèi)星寬帶服務的技術(shù)、技術(shù)產(chǎn)品（系統(tǒng)設備），用它建設衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡。

　　2.技術(shù)

　　很多技術(shù)都可以用于衛(wèi)星寬帶服務，但為了迎合因特網(wǎng)大發(fā)展的趨勢，目前衛(wèi)星寬帶的主流技術(shù)是：

　　（1）TCP／IP

　�。�2）DVB（以歐洲為主的數(shù)字視頻廣播標準）

　　（3）CA（條件接收，Conditional Access）

　　（4）Streaming Media（流媒體的流量、擁塞控制等）

　�。�5） 其他

　　大家都知道，TCP／IP協(xié)議原是為地面網(wǎng)絡設計的，用到衛(wèi)星信道上就會出現(xiàn)很多問題，需加以解決才能順利工作。衛(wèi)星信道的主要問題是：長時延、較高的差錯率（10E－5至10E－7，且時有突發(fā)性）、非對稱的前／返向信道。

對于地球同步軌道衛(wèi)星，其單跳時延為270毫秒（ms），在TCP傳輸控制協(xié)議中需要返回確認，傳輸往返時延（RTT
－Round TrIP Time）為2×270 ＝540ms。TCP協(xié)議中存在所謂數(shù)據(jù)管道，其大�。叫诺纻鬏斔俾省罵TT。譬如，衛(wèi)星信道傳輸速率為54Mbps時，其數(shù)據(jù)管道的大小就是29.16Mbits。它表示傳輸中還沒有被確認的數(shù)據(jù)量，按TCP／IP協(xié)議規(guī)定，管道中任一比特發(fā)生差錯都要引發(fā)數(shù)據(jù)的重傳。這種機制當管道太大時（例如，通常將大小超過100000比特者稱為長時延管道），有可能對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生很大甚至災難性影響，叫做管道效應。在此情況下衛(wèi)星信道的最大數(shù)據(jù)吞吐量將受到限制，因為它等于最大接收窗口／RTT。TCP協(xié)議的最大接收窗口一般為64千字節(jié)（kBytes），因此在雙向衛(wèi)星信道上的最大數(shù)據(jù)吞吐量為
64 kBytes／540ms＝118.5kBytes／＝948.15 kbps。同時，因為在建鏈過程中有同步、應答等握手信號（SYN－
SYNACK－SYN），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(xié)議中按收端“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最大擁塞窗口。對擁塞結(jié)束后的慢啟動過程也很不利。還有其它，不在此贅述。

　　為了解決TCP／IP在衛(wèi)星信道運行的困難，人們想了很多辦法，大體可分二類：一類是在協(xié)議上改進；另一類是在衛(wèi)星鏈路起始端設置網(wǎng)關(guān)（Gateway），將TCP／IP協(xié)議轉(zhuǎn)換成較適合在衛(wèi)星信道上走的算法。

　　前一類的例子是，TCP／IP協(xié)議的擴展（Extension）。因特網(wǎng)工程技術(shù)組（IETF）已經(jīng)提出了一些擴展建議（RFC），例如：

　　RFC1323，克服長時延、高信道容量下的TCP瓶頸；

　　RFC2018，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(xiàn)信道的有效利用，等等。

　　后一類是在衛(wèi)星地球站設傳輸網(wǎng)關(guān)，這樣可在衛(wèi)星段采用與衛(wèi)星鏈路特性匹配的傳輸協(xié)議，而通過TCP／IP協(xié)議網(wǎng)關(guān)與因特網(wǎng)和用戶終端連接。所謂“欺騙”（Spoofing）就是在很多衛(wèi)星系統(tǒng)中常用的方法之一。這種辦法可充分利用衛(wèi)星通信的特點，但軟件開發(fā)和維護的工作量較大。舉例：美國Mentat公司研制的SkyX信關(guān)站，在擁塞規(guī)避、數(shù)據(jù)確認、窗口尺度等方面做了許多改進，在衛(wèi)星段用了特殊的協(xié)議，大大提高了傳輸效率。經(jīng)國際衛(wèi)星組織（Intelsat）技術(shù)實驗室、美國宇航局（NASA）下屬的多家機構(gòu)在網(wǎng)上測試，效果奇佳。在一次因特網(wǎng)接入測試中，用一條10
Mbps的典型衛(wèi)星電路，同時運行50個網(wǎng)頁（Web）連接。SkyX網(wǎng)關(guān)得出的吞吐量是7.7 Mbps，而用端到端TCP連接時僅2.7 Mbps，接近3倍。下載大文件時的差別更明顯，當同時工作的50個連接中有一個是一個5MB文件，用端到端TCP下載時，花了357.5秒，用SkyX信關(guān)站時僅15.3秒，快了23倍�？梢姡�在大量用于因特網(wǎng)連接的衛(wèi)星系統(tǒng)上，是可以做很多技術(shù)改進的。

　　其他技術(shù)，例如“緩存”（Caching）在不少地方采用后，改善了流媒體的連續(xù)性，有利于擁塞和流量控制，減少了感知時延（絕對時延很難降低）。

　　DVB標準在寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡中也常被采用，形成所謂DVB－IP體制，是將衛(wèi)星電視與衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信結(jié)合的統(tǒng)一平臺，很可能會成為寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的主流工業(yè)標準。美國時代華納與美國在線（AOL）的融合，將會促使這兩種技術(shù)標準的結(jié)合。它適合于傳送活動圖像為主的業(yè)務，在視頻流的空擋中往往插入IP數(shù)據(jù)流，不但提供多種業(yè)務，還提高了信道利用率。當然，多了一層“封裝”（Encapsulation），開銷也大一些，影響效率。所以在很少有活動視頻業(yè)務的場合，不需要DVB－IP，只要IP寬帶即可。由于直播電視等巨大市場的帶動，DVB－IP標準的小型接收設備（機頂盒等）供貨商較多，價格也更適宜，這也是選擇技術(shù)體制的一種考慮。

　　和寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的重要應用相關(guān)聯(lián)的另一技術(shù)是條件接收（CA），是一項加密控制接收的技術(shù)。涉及衛(wèi)星直播電視、衛(wèi)星遠程教育、培訓等的申請、接入、付費和特別節(jié)目的臨時快速申請／開通、頻道控制、防假冒／克隆等。且用戶量可能達幾百萬、幾千萬，還涉及卡技術(shù)、芯片、卡操作系統(tǒng)（COS）等，不少國外公司已經(jīng)進軍中國，算通公司等國內(nèi)單位也已加入到開發(fā)行列，并已取得一些成績。

　　從衛(wèi)星寬帶設備的全系統(tǒng)看，國內(nèi)廠家還缺少有競爭力的產(chǎn)品。清華大學等單位集成開發(fā)了一些適合遠程教育、培訓的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，但投入不足，市場占有率不高。美國休斯網(wǎng)絡系統(tǒng)公司開發(fā)的DirecPC、DirecTV占有衛(wèi)星寬帶國際市場相當份額，在中國也有公司建設運行。此類設備型號不少，僅舉一例：

　　DirecPC 4.0-DirecPC的早期版本并無DVB格式，后來為了上述競爭的原因，也有了DVB封裝，且有了衛(wèi)星回傳及地面回傳多種方式。它的出向載波最大可達48
Mbps DVB－IP，入向速率則最高可達128 kbps。每個小站可享受的最大下行速率為400 kbps。用3個轉(zhuǎn)發(fā)器可支持約45000個用戶。據(jù)年初的數(shù)據(jù)，DirecPC的用戶在美國已有2400萬。休斯網(wǎng)絡系統(tǒng)公司將和AOL聯(lián)手推出AOL
PLUS，使DirecPC 與家庭中的MPEG-4視頻及Internet等更緊密結(jié)合。

　　除了基帶方面的技術(shù)之外，要發(fā)展衛(wèi)星寬帶網(wǎng)，射頻技術(shù)的進步也是十分重要的。其中突出的一點是發(fā)展更高頻段的技術(shù)，當前除用好Ku頻段外，要努力開發(fā)Ka(20／30
GHz）頻段。Ka頻段的帶寬更大、干擾協(xié)調(diào)更容易、星上多波束天線較易實現(xiàn)，這都會使系統(tǒng)容量成倍增加，地面終端天線口徑也可以更小。

　　三、開發(fā)衛(wèi)星寬帶應用，推動衛(wèi)星寬帶市場發(fā)展

　　技術(shù)雖好，沒有符合需求的應用，也占領(lǐng)不了市場，形成不了大產(chǎn)業(yè)。好的應用應符合較廣大群體的需要、能以市場可接受的價格實現(xiàn)良性運營、能與其它業(yè)務融通、結(jié)合發(fā)展。同時，衛(wèi)星寬帶應用也一定要發(fā)揮衛(wèi)星通信的特長。衛(wèi)星通信的主要特點是：覆蓋廣闊、天然的廣播性（組播）、建設快速、配置部署靈活機動等。衛(wèi)星通信的這些特點使它在中國的信息網(wǎng)建設中成為一種不可替代的手段。中國地域遼闊、人口眾多、經(jīng)濟快速發(fā)展，發(fā)展不平衡。1000多萬平方公里的陸地和海洋，縱橫距離都大過5000公里，平原僅占30％多，其余為高原（26％）、山區(qū)（31％多）、丘陵（10％）。13億人口中有約8億多在農(nóng)村，約1／5的行政村還沒有通電話。

　　衛(wèi)星通信還是很有用武之地的。衛(wèi)星寬帶的應用當前大致可分為干線、接入兩部分：

　　干線——很大部分是做因特網(wǎng)信息的傳送。例如，Intelsat近幾年有相當大的容量是做因特網(wǎng)的跨國互聯(lián)，僅從北美到各地區(qū)的衛(wèi)星因特網(wǎng)互聯(lián)就有約1000Mbps。泛美衛(wèi)星（PanAmSaT）、新天空（New
Skies）也都有不少容量用于Internet互聯(lián)。中國主要的因特網(wǎng)骨干網(wǎng)幾乎都用衛(wèi)星實現(xiàn)互聯(lián)。

接入——如前面說到的DirecPC是衛(wèi)星寬帶接入。吉來特（Gilat）衛(wèi)星網(wǎng)絡公司與Microsoft、EchoStar合作運行的StarBand衛(wèi)星網(wǎng)絡也是衛(wèi)星寬帶接入。從業(yè)務或行業(yè)看，近期大家都要搶的是：

　　*遠程教育、培訓

　　*大企業(yè)集團（跨國、全國）專網(wǎng)

　　*銀行、證券等金融行業(yè)

　　*寬帶智能小區(qū)接入

　　*西部大開發(fā)的因特網(wǎng)互聯(lián)

　　*軟件、數(shù)據(jù)投遞

　　*數(shù)字電視

　　*其它

　　其實，很多應用要去發(fā)掘、設計，譬如現(xiàn)在已有或?qū)�會大發(fā)展的資格考試輔導、專業(yè)人士繼續(xù)教育積分、保險推銷員等流動性較大人員的不斷培訓等，都是潛在的應用和市場。

　　希望寬帶及衛(wèi)星寬帶通信能認真吸取.COM公司的教訓，不要只熱衷于圈地、熱衷于燒錢、熱衷于上市，而是認真做些調(diào)查，認真做些應用設計，認真做些應用軟件開發(fā)，扎扎實實推動衛(wèi)星寬帶產(chǎn)業(yè)向前走。