寬帶衛(wèi)星通信淺析

一、衛(wèi)星通信現(xiàn)狀概述

　　近年來(lái)，國(guó)際上已經(jīng)有很多人造衛(wèi)星被送上地球高空的適當(dāng)高度和位置依次運(yùn)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(guó)家已在不少的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)置了地面站，安裝了針對(duì)高空衛(wèi)星的地面天線，確保地面與衛(wèi)星間實(shí)行可靠通信。各國(guó)在大力建設(shè)和發(fā)展地面有線通信網(wǎng)的同時(shí)，也很想利用高空運(yùn)行的衛(wèi)星配合陸地通信運(yùn)用。特別在有些人口不很密集的地區(qū)，更想利用衛(wèi)星來(lái)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(hù)，可以利用衛(wèi)星作為用戶(hù)連至固定有線網(wǎng)的接入設(shè)施。在陸地通信網(wǎng)已經(jīng)構(gòu)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(rèn)為是較好而切合實(shí)際的方案，既經(jīng)濟(jì)又可靠。

　　利用高空衛(wèi)星來(lái)配合地面正規(guī)的骨干通信網(wǎng)，在過(guò)去由于一些技術(shù)上的難題而未能大量使用。直至最近幾年，國(guó)際上一些主要單位加緊進(jìn)行研究，解決了不少問(wèn)題，才使寬帶衛(wèi)星通信有可能真正付諸較多的重要應(yīng)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(yīng)用。特別對(duì)于一些離骨干網(wǎng)較遠(yuǎn)的小型企業(yè)單位和住家用戶(hù)，推行遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程教育等設(shè)施，解決他們的實(shí)際困難問(wèn)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(hù)能夠共同使用衛(wèi)星通信，每一用戶(hù)終端(UT，User Terminal)各自設(shè)置小型的地面站，并安裝對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星方向的天線。用戶(hù)如欲與同一衛(wèi)星所屬的遠(yuǎn)地對(duì)方用戶(hù)互相通信，在發(fā)信時(shí)可以通過(guò)用戶(hù)終端和地面站連往高空的衛(wèi)星，構(gòu)成上行線路以發(fā)送通信信號(hào)。衛(wèi)星發(fā)射連往對(duì)方用戶(hù)地區(qū)的射線，可以把始發(fā)用戶(hù)的叫話信號(hào)傳給對(duì)方用戶(hù)，構(gòu)成下行線路，使對(duì)方的用戶(hù)終端收到。對(duì)方用戶(hù)回發(fā)的信號(hào)，則經(jīng)過(guò)同一衛(wèi)星由相反方向到達(dá)原來(lái)用戶(hù)，實(shí)現(xiàn)雙方互通的會(huì)話通信。

　　相仿地，陸地固定通信網(wǎng)經(jīng)營(yíng)者設(shè)置地面站，向衛(wèi)星發(fā)送和從衛(wèi)星接收各用戶(hù)的通信信號(hào)。但這些地面站內(nèi)各有網(wǎng)關(guān)(Gateway)設(shè)備連接通信網(wǎng)經(jīng)營(yíng)者，或經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)(Internet)連接通信網(wǎng)經(jīng)營(yíng)者。另外，每一個(gè)這樣的衛(wèi)星網(wǎng)應(yīng)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(hù)發(fā)信時(shí)，他的信息信號(hào)從其地面站射向衛(wèi)星，這屬于上行通路。衛(wèi)星內(nèi)部設(shè)置適當(dāng)?shù)慕粨Q設(shè)備，可按發(fā)信人的意圖，選一個(gè)通路從衛(wèi)星傳向?qū)Ψ接脩?hù)的地面站，這就屬于下行通路。這樣，任一地上用戶(hù)每次使用通信，只需要一個(gè)上行的衛(wèi)星通路和一個(gè)下行的衛(wèi)星通路，但要求衛(wèi)星內(nèi)部設(shè)置適當(dāng)?shù)慕粨Q處理設(shè)備，稱(chēng)為星上處理(OBP，On-Board Processing)。這樣的星上設(shè)備主要作用是變換頻率和相應(yīng)放大，沒(méi)有調(diào)制解調(diào)作用。

三、多址通信和動(dòng)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(hù)依次發(fā)出的信號(hào)，可以使用時(shí)分多路技術(shù)(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(shí)分多址(MF-TDMA，Multiple Access)。這對(duì)低成本、低功率的小用戶(hù)終端傳送較低的傳輸速率很適宜。上行線路的所有用戶(hù)終端可以合用一個(gè)二維MF-TDMA幀，分成若干個(gè)不相覆蓋的時(shí)間頻率槽。由于每個(gè)UT發(fā)出的多媒體業(yè)務(wù)是突發(fā)的，因而多路合用必須是動(dòng)態(tài)的，以保證通路的有效利用。這種動(dòng)態(tài)容量分配(DCA，Dynamic Capacity Allocation)可以由一個(gè)集中站起協(xié)調(diào)作用。如有多個(gè)用戶(hù)終端爭(zhēng)取容量，則任一用戶(hù)終端不一定能夠獲得希望的全部容量，協(xié)調(diào)站還要考慮所有UT的需要。另外，衛(wèi)星與地面?zhèn)鞑ビ袝r(shí)延，用戶(hù)發(fā)出請(qǐng)求的時(shí)間與接收的容量分配需經(jīng)過(guò)兩個(gè)這樣的時(shí)延。如果由星上作安排，可能減少至一個(gè)時(shí)延。一般地，一個(gè)地面站經(jīng)過(guò)衛(wèi)星至另一地面站的時(shí)延約為270ms。上面講到利用衛(wèi)星的星上裝置設(shè)備，可以獲取一定的優(yōu)勢(shì)。但是，真正要求每個(gè)衛(wèi)星都裝置這樣的設(shè)備卻不容易實(shí)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(shí)間從MCS取得必要的安排才能接通通路，實(shí)現(xiàn)與對(duì)方用戶(hù)通信。這通路將有較好的QoS(服務(wù)質(zhì)量)，沒(méi)有時(shí)延抖動(dòng)或業(yè)務(wù)丟失，平均保持時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)幾分鐘，并在通話時(shí)間內(nèi)保持固定的傳輸率，例如PCM的64kbit/s。可以認(rèn)為，DAMA的效率一般是較高的，但對(duì)突發(fā)多媒體業(yè)務(wù)，因峰值與均值之比(PAR，Peak to Average Ratio)較大，DAMA不能用于很多用戶(hù)端。對(duì)于較短的數(shù)據(jù)信息，較長(zhǎng)的建立時(shí)間是不利的。為了滿(mǎn)足要求，DCA必須得到改進(jìn)。可以考慮讓多媒體業(yè)務(wù)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(hù)終端，得到一定的改進(jìn)。它在大多數(shù)的通路利用情況下可以有較小的平均時(shí)延。

　　四、寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的IP/TCP運(yùn)用

　　衛(wèi)星通信接入多媒體互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，有必要采用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)。BSA系統(tǒng)是與用戶(hù)終端和網(wǎng)關(guān)兩處連接陸地網(wǎng)絡(luò)，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(hù)終端可能裝置在公司和住家大廈的環(huán)境下。一個(gè)用戶(hù)終端可能適合一定地區(qū)內(nèi)許多用戶(hù)使用。因此，用戶(hù)終端既要適應(yīng)IP協(xié)議，又要適應(yīng)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(guān)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(wù)(DiffServ)標(biāo)準(zhǔn)方案也適用于BSA的前向通路。像適用DiffServ的輸入結(jié)點(diǎn)那樣，BSA的用戶(hù)終端必須完成對(duì)信息業(yè)務(wù)分類(lèi)等作用。BSA系統(tǒng)的返回通路是由很多用戶(hù)終端合用的，每一用戶(hù)終端的返回通路容量是可變的。因此，每一部分的DiffServ很難滿(mǎn)足要求。近年來(lái)國(guó)際上正在研究返回通路的DiffServ應(yīng)用，包括CFDAMA、DCA和業(yè)務(wù)排隊(duì)。

　　為了保證發(fā)端至收端傳送數(shù)據(jù)信息的質(zhì)量，傳輸控制協(xié)議(TCP，Transmission Contol Protocol)曾在地面通信網(wǎng)廣泛使用。現(xiàn)在寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸過(guò)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(yīng)該適應(yīng)衛(wèi)星通路的環(huán)境而加以適當(dāng)改進(jìn)。對(duì)此，國(guó)際上曾研究和提出在衛(wèi)星通信中應(yīng)用性能加強(qiáng)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(jī)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(shí)延長(zhǎng)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(jī)早期檢測(cè)(RED，Random Early Detection)、TCP-Reno與TCP-Dvegas，以及分開(kāi)的衛(wèi)星傳輸協(xié)議(STP，Satellite Transport Protocol))。國(guó)際上對(duì)于寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)在這些方面展開(kāi)了廣泛研究。