寬帶衛(wèi)星通信淺析

一、衛(wèi)星通信現(xiàn)狀概述

　　近年來，國際上已經(jīng)有很多人造衛(wèi)星被送上地球高空的適當高度和位置依次運行。其中有不少載有高科技裝置可以與地面互相通信，或向地面廣播。而很多國家已在不少的適當?shù)攸c設置了地面站，安裝了針對高空衛(wèi)星的地面天線，確保地面與衛(wèi)星間實行可靠通信。各國在大力建設和發(fā)展地面有線通信網(wǎng)的同時，也很想利用高空運行的衛(wèi)星配合陸地通信運用。特別在有些人口不很密集的地區(qū)，更想利用衛(wèi)星來配合陸地通信，以期取得良好效果。在這些地區(qū)散布著范圍較廣但不密集的用戶，可以利用衛(wèi)星作為用戶連至固定有線網(wǎng)的接入設施。在陸地通信網(wǎng)已經(jīng)構成寬帶多媒體通信網(wǎng)的環(huán)境下，利用衛(wèi)星建成寬帶衛(wèi)星接入(BSA，Broadband Satellite Access)系統(tǒng)被認為是較好而切合實際的方案，既經(jīng)濟又可靠。

　　利用高空衛(wèi)星來配合地面正規(guī)的骨干通信網(wǎng)，在過去由于一些技術上的難題而未能大量使用。直至最近幾年，國際上一些主要單位加緊進行研究，解決了不少問題，才使寬帶衛(wèi)星通信有可能真正付諸較多的重要應用，從而發(fā)揮了衛(wèi)星潛在的優(yōu)越作用，組成寬帶交互通信和較廣泛的應用。特別對于一些離骨干網(wǎng)較遠的小型企業(yè)單位和住家用戶，推行遠程醫(yī)療和遠程教育等設施，解決他們的實際困難問題，寬帶衛(wèi)星通信是必需的。

　　二、寬帶衛(wèi)星接入的各種形式

　　為了讓地面上眾多用戶能夠共同使用衛(wèi)星通信，每一用戶終端(UT，User Terminal)各自設置小型的地面站，并安裝對準衛(wèi)星方向的天線。用戶如欲與同一衛(wèi)星所屬的遠地對方用戶互相通信，在發(fā)信時可以通過用戶終端和地面站連往高空的衛(wèi)星，構成上行線路以發(fā)送通信信號。衛(wèi)星發(fā)射連往對方用戶地區(qū)的射線，可以把始發(fā)用戶的叫話信號傳給對方用戶，構成下行線路，使對方的用戶終端收到。對方用戶回發(fā)的信號，則經(jīng)過同一衛(wèi)星由相反方向到達原來用戶，實現(xiàn)雙方互通的會話通信。

　　相仿地，陸地固定通信網(wǎng)經(jīng)營者設置地面站，向衛(wèi)星發(fā)送和從衛(wèi)星接收各用戶的通信信號。但這些地面站內各有網(wǎng)關(Gateway)設備連接通信網(wǎng)經(jīng)營者，或經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)(Internet)連接通信網(wǎng)經(jīng)營者。另外，每一個這樣的衛(wèi)星網(wǎng)應該有主控制站(MCS，Master Control Station)，它與高空衛(wèi)星有直接聯(lián)系。

　　任一用戶發(fā)信時，他的信息信號從其地面站射向衛(wèi)星，這屬于上行通路。衛(wèi)星內部設置適當?shù)慕粨Q設備，可按發(fā)信人的意圖，選一個通路從衛(wèi)星傳向對方用戶的地面站，這就屬于下行通路。這樣，任一地上用戶每次使用通信，只需要一個上行的衛(wèi)星通路和一個下行的衛(wèi)星通路，但要求衛(wèi)星內部設置適當?shù)慕粨Q處理設備，稱為星上處理(OBP，On-Board Processing)。這樣的星上設備主要作用是變換頻率和相應放大，沒有調制解調作用。

三、多址通信和動態(tài)容量分配

　　在衛(wèi)星通信網(wǎng)中，上行通路傳送發(fā)信用戶依次發(fā)出的信號，可以使用時分多路技術(TDM，Time Division Multiplex)，讓前向通路得到良好利用。而在下行通路則廣泛使用多頻時分多址(MF-TDMA，Multiple Access)。這對低成本、低功率的小用戶終端傳送較低的傳輸速率很適宜。上行線路的所有用戶終端可以合用一個二維MF-TDMA幀，分成若干個不相覆蓋的時間頻率槽。由于每個UT發(fā)出的多媒體業(yè)務是突發(fā)的，因而多路合用必須是動態(tài)的，以保證通路的有效利用。這種動態(tài)容量分配(DCA，Dynamic Capacity Allocation)可以由一個集中站起協(xié)調作用。如有多個用戶終端爭取容量，則任一用戶終端不一定能夠獲得希望的全部容量，協(xié)調站還要考慮所有UT的需要。另外，衛(wèi)星與地面?zhèn)鞑ビ袝r延，用戶發(fā)出請求的時間與接收的容量分配需經(jīng)過兩個這樣的時延。如果由星上作安排，可能減少至一個時延。一般地，一個地面站經(jīng)過衛(wèi)星至另一地面站的時延約為270ms。上面講到利用衛(wèi)星的星上裝置設備，可以獲取一定的優(yōu)勢。但是，真正要求每個衛(wèi)星都裝置這樣的設備卻不容易實現(xiàn)。因此，在現(xiàn)行的寬帶衛(wèi)星接人系統(tǒng)，仍是利用地面上的MCS。

　　衛(wèi)星通信廣泛利用按需指定多址(DAMA，Demand Assigned Multiple Access)方式，這種方式需要較多時間從MCS取得必要的安排才能接通通路，實現(xiàn)與對方用戶通信。這通路將有較好的QoS(服務質量)，沒有時延抖動或業(yè)務丟失，平均保持時間可以長達幾分鐘，并在通話時間內保持固定的傳輸率，例如PCM的64kbit/s。可以認為，DAMA的效率一般是較高的，但對突發(fā)多媒體業(yè)務，因峰值與均值之比(PAR，Peak to Average Ratio)較大，DAMA不能用于很多用戶端。對于較短的數(shù)據(jù)信息，較長的建立時間是不利的。為了滿足要求，DCA必須得到改進?？梢钥紤]讓多媒體業(yè)務使用混合自由的DAMA(CFDAMA，Combined Free DAMA)方式，它可以把多余容量分配給有些用戶終端，得到一定的改進。它在大多數(shù)的通路利用情況下可以有較小的平均時延。

　　四、寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的IP/TCP運用

　　衛(wèi)星通信接入多媒體互聯(lián)網(wǎng)時，有必要采用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)。BSA系統(tǒng)是與用戶終端和網(wǎng)關兩處連接陸地網(wǎng)絡，它們都是采用IP協(xié)議的。衛(wèi)星的媒體接入控制(MAC，Medium Access Control)就以此為根據(jù)，前向通路的接口為IP-MPEG2-TS，回程通路則用IP-ATM，也可能是IP-MPEG2-TS接口。用戶終端可能裝置在公司和住家大廈的環(huán)境下。一個用戶終端可能適合一定地區(qū)內許多用戶使用。因此，用戶終端既要適應IP協(xié)議，又要適應以太網(wǎng)的LAN協(xié)議。

　　BSA系統(tǒng)的前向通路容量是固定的，每一網(wǎng)關都有固定容量，像陸地通信網(wǎng)一樣。因此，陸地通信網(wǎng)適用的不同業(yè)務(DiffServ)標準方案也適用于BSA的前向通路。像適用DiffServ的輸入結點那樣，BSA的用戶終端必須完成對信息業(yè)務分類等作用。BSA系統(tǒng)的返回通路是由很多用戶終端合用的，每一用戶終端的返回通路容量是可變的。因此，每一部分的DiffServ很難滿足要求。近年來國際上正在研究返回通路的DiffServ應用，包括CFDAMA、DCA和業(yè)務排隊。

　　為了保證發(fā)端至收端傳送數(shù)據(jù)信息的質量，傳輸控制協(xié)議(TCP，Transmission Contol Protocol)曾在地面通信網(wǎng)廣泛使用?，F(xiàn)在寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸過程的分組損失率一般高于地面通信網(wǎng)，因此更加需要TCP的幫助，而且TCP應該適應衛(wèi)星通路的環(huán)境而加以適當改進。對此，國際上曾研究和提出在衛(wèi)星通信中應用性能加強代理(PEP，Performance Enhancement Proxy)。線路層采用重新發(fā)送和糾正誤差等措施，以克服由傳輸誤差所引起的分組損失。發(fā)信/收信機可考慮利用TCP，使陸地部分線路得到終端，避免了衛(wèi)星部分的傳播時延長和損耗大。為了讓PEP與衛(wèi)星通路特性相匹配，曾考慮采用隨機早期檢測(RED，Random Early Detection)、TCP-Reno與TCP-Dvegas，以及分開的衛(wèi)星傳輸協(xié)議(STP，Satellite Transport Protocol))。國際上對于寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)在這些方面展開了廣泛研究。