宽带卫星通信系统技术发展及应用前景

　　一、宽带热——虚火，还是务实？

　　宽带卫星通信是整个宽带通信系统的一部分，因此，应先看看当前宽带通信的情况如何。

　　近几年来，“宽带”成为通信领域的头号热点。宽带传输、宽带交换、宽带无线、宽带接入、宽带卫星……都向宽带靠拢，不讲宽带就不时髦，就没有吸引力。有几本知名杂志也改了名，如美国的《Satellite
Communications》（卫星通信）改为《Satellite Broadband》（卫星宽带）；原《世界有线电视信息》改名为《世界宽带网络》。

　　而今年以来，各种媒体对宽带通信的报道不能说是“铺天盖地”，也差不多是“连篇累牍”。然而，对于宽带热，我觉得还应该有理性的认识——

　　其一，人人都认准了：“路，一定是越走越宽的”。从社会发展的角度来看，昔日的“羊肠小道”变成了当今的三上三下甚至六上六下的高速路、超级高速路。电信从莫尔斯电报、电话，发展到现在的多媒体、几百路的数字电视（DTV），没有宽带行么？从技术的角度看，光通信技术的发展速度大约出乎很多人的预料，没多少年就有了10G、40G
DWDM，又在向全光网跑步前进。有人要用，有市场需求，所以技术发展神速。从市场角度看，老的程控交换、第二代移动通信系统的建设已经或正在逐步饱和，制造商、运营商、服务商下一步的机会何在？新的“热点”何在？到那里去赚钱？自然是唯“宽带”马首是瞻。可见，方向是明确的，但是竞争这么激烈，“炒作”也是免不了的。分析宽带的人、准备投资宽带的人还是应从自己的目标出发，做一点“去伪存真”的工作。

　　其二，究竟多大的带宽算是“宽带”，并无统一标准。一是和此种手段的以前水平比，是一个发展、渐变的过程；二是要适应业务发展，太宽了，一时还用不上；带宽不够则无法发挥作用，以后也用不上。能在一段时间内适应某类业务的需要、占领某类市场，就是好技术。

　　其三，在中国，宽带市场的发展尚需时日，看样子不大容易在几个月、一年之内就指数率地“疯长”起来。其原因主要两点：广大老百姓需要的内容不够丰富，北美卫星的带宽主要用活动视频／卫星电视，中国尚未提供卫星电视到户的业务，靠话音和少量数据不足以支持很宽的卫星带宽。即，车少、货少，路宽了也没用；另外，费用也是问题，按目前的成本计，宽带业务的设备及运营费难以很快降到老百姓可以敞开使用的水平。做宽带光网的人常说，当带宽无限时单位频带的价格趋近于零，可惜现实并非如此，美国的光纤容量据说利用率仅2.7％，中国的情况恐怕不会更好，是否也说明一些问题。人们都认为，从长远看，在城市、居民密集区，光纤应会是宽带接入的主流，但决不是现在干线光通信的技术，因为成本太高，无法承受。或者换个说法，不能用过去建设光缆数据网的经验建光缆城域网。推动应用、降低价格，应是发展产业的先导。

　　结论只能是，宽带的确是技术和网络发展的方向，也已有部分需求，但不能期待“宽带”在短期内出现奇迹，应冷静思考，积极因应，防止把“宽带”吹成一个大泡沫，需要努力做些扎实工作来推动它。

　　按网络层次及范围，宽带网可分为干线网、接入网、入户网（用户驻地网，这部分是将要逐步开放运营的）。干线网我国已有了八纵八横光缆网，以及联通、网通、铁通等的若干万公里光缆，广电网还有20至30万公里光纤，无疑这是宽带干线的主体。目前的焦点集中在宽带接入网及驻地入户网，这是投资比干线网要大得多的建设。

　　现在常提到的宽带技术大致有：

　　DWDM（密集波分复用）为代表的各种光通信技术（包括干线及接入，甚至入户）；

　　HFC（混合光纤同轴技术），在同轴有线电视基础上建设（Cable Modem）；

　　xDSL（以各种ADSL为代表的铜线上的数字用户环路）；

　　卫星宽带技术（以数字视频DVB带动IP数据为主要代表）；

　　LMDS（本地多点分配业务），刚开放了3.5GHz，下一步还会有5.8GHz和24-26GHz；

　　千兆以太网（5类线的结构化布线）；

　　无线本地环路，如802.11，等。

　　可见，卫星宽带只是宽带技术群中的一员，是不可缺少的一员，但不会成为老大。

　　二、卫星宽带的发展状况

　　现在的卫星宽带是适应Internet的商业化兴起而发展起来的。不过，追溯卫星通信发展的历史，它从一出现就进入了宽带应用——模拟电视传送，近些年又应用于数字电视、卫星直播。但它的“现代化”——与IP技术的结姻，则是因Internet、多媒体、流媒体（Stream
Nedia）的出现，是近几年的事。

　　1.系统

　　卫星宽带网络的实现，大体有两种途径。一种是研制、发射专用的宽带卫星（或者说是有宽带有效载荷——转发器的卫星），用它运行宽带业务；另一种则是利用通信或广播卫星现成的透明转发器，靠地球站宽带终端来实现宽带网络业务。前者是专门的宽带卫星系统，曾有不少厂商、单位提出过种种不同方案、计划。比较出名的有：

　　Teledesic这是亿万富豪比尔·盖茨与美国无线大王克雷格·麦考共同经营的庞大计划。原计划投资90亿美元，发射840颗卫星（外加10％备份，卫星总数近千个，故笔者曾将其译为“千星座”），系统速率达10Gpbs，工作在Ka频段，邻星之间有60GHz的星间链路，地面用几十公分口径小天线收发。它的设计是针对Internet的高速发展和随时、随地、灵活接入的需要，号称“天上因特网”（Internet
in the Sky），用户可得到的最高速率为64Mbps（下行）和2Mbps（上行）。后来，由于地面光缆网等竞争手段的迅速发展，Teledesic计划不断推迟，方案一再修改，卫星总数减为288颗，近日据传还将减少卫星的数量。

　　Astrolink由洛克希德·马丁、自由媒体、Telespazio（属意大利电信）、ＴＲＷ等公司投资建造的由９颗地球同步轨道卫星构成的星座系统。工作在Ｋａ频段，总能力将达6.5Gbps，采用IP／ATM／ISDN技术体制。为全球提供高速因特网通信及公司集团数据链路服务，安装在屋顶的小天线即可使用户接入，用户速率有400Kbps、2Mbps、20Mbps可选。预计的系统造价达36亿美元，计划第一期发射4颗卫星，于2003年向全世界提供服务。现因筹资出现困难，仅得13.25亿美元，决定将第一期卫星数改为两颗，先开通北美、欧洲业务。

　　SpaceWay由现已并入波音公司的原休斯公司策划，计划用16颗地球同步轨道卫星和20颗中地球轨道卫星组成星座，工作在Ka频段，采用IP／ATM／FR／ISDN技术体制，总能力有4.4Gbps。用户使用66公分口径小天线即可获得16kbps至16Mbps的服务。原计划2002年开始工作。

SkyBridge法国阿尔卡特公司策划建设，原打算用80颗低地球轨道卫星，工作在Ku频段，采用IP／ATM体制，向2000万用户提供速率从16
kbps到60Mbps的因特网和数据服务，家庭用户的速率可为20Mbps（下行）和2Mbps（上行）。其方案是用200个直径700公里的蜂窝及140个网关站覆盖全球。最早时计划2001年投入服务，因市场、投资等原因，已宣布无限期推迟。

　　Cyberstar、iSky等，不拟一一介绍。 可以看出，建设专门的宽带卫星系统来提供卫星宽带服务，需要很大的投资，市场风险较大。在当前信息产业、通信产业低迷的情况下，缩小计划，延后出台，是必然之举。

　　另一种做法是利用现有空间资源开展卫星宽带服务，即开发适合卫星宽带服务的技术、技术产品（系统设备），用它建设卫星宽带网络。

　　2.技术

　　很多技术都可以用于卫星宽带服务，但为了迎合因特网大发展的趋势，目前卫星宽带的主流技术是：

　　（1）TCP／IP

　　（2）DVB（以欧洲为主的数字视频广播标准）

　　（3）CA（条件接收，Conditional Access）

　　（4）Streaming Media（流媒体的流量、拥塞控制等）

　　（5） 其他

　　大家都知道，TCP／IP协议原是为地面网络设计的，用到卫星信道上就会出现很多问题，需加以解决才能顺利工作。卫星信道的主要问题是：长时延、较高的差错率（10E－5至10E－7，且时有突发性）、非对称的前／返向信道。

对于地球同步轨道卫星，其单跳时延为270毫秒（ms），在TCP传输控制协议中需要返回确认，传输往返时延（RTT
－Round TrIP Time）为2×270 ＝540ms。TCP协议中存在所谓数据管道，其大小＝信道传输速率×RTT。譬如，卫星信道传输速率为54Mbps时，其数据管道的大小就是29.16Mbits。它表示传输中还没有被确认的数据量，按TCP／IP协议规定，管道中任一比特发生差错都要引发数据的重传。这种机制当管道太大时（例如，通常将大小超过100000比特者称为长时延管道），有可能对数据传输产生很大甚至灾难性影响，叫做管道效应。在此情况下卫星信道的最大数据吞吐量将受到限制，因为它等于最大接收窗口／RTT。TCP协议的最大接收窗口一般为64千字节（kBytes），因此在双向卫星信道上的最大数据吞吐量为
64 kBytes／540ms＝118.5kBytes／＝948.15 kbps。同时，因为在建链过程中有同步、应答等握手信号（SYN－
SYNACK－SYN），卫星的长时延也必然影响其建立连接的过程。长时延还影响TCP协议中按收端“接收窗口”和发端“拥塞窗口”来进行拥塞控制的机制，有时需等待几十秒才能恢复到最大拥塞窗口。对拥塞结束后的慢启动过程也很不利。还有其它，不在此赘述。

　　为了解决TCP／IP在卫星信道运行的困难，人们想了很多办法，大体可分二类：一类是在协议上改进；另一类是在卫星链路起始端设置网关（Gateway），将TCP／IP协议转换成较适合在卫星信道上走的算法。

　　前一类的例子是，TCP／IP协议的扩展（Extension）。因特网工程技术组（IETF）已经提出了一些扩展建议（RFC），例如：

　　RFC1323，克服长时延、高信道容量下的TCP瓶颈；

　　RFC2018，克服长时延、大窗口、高误码情况下的效率下降；

　　RFC2581、2001，克服卫星通信信道容量的非对称性及性能起伏，动态实现信道的有效利用，等等。

　　后一类是在卫星地球站设传输网关，这样可在卫星段采用与卫星链路特性匹配的传输协议，而通过TCP／IP协议网关与因特网和用户终端连接。所谓“欺骗”（Spoofing）就是在很多卫星系统中常用的方法之一。这种办法可充分利用卫星通信的特点，但软件开发和维护的工作量较大。举例：美国Mentat公司研制的SkyX信关站，在拥塞规避、数据确认、窗口尺度等方面做了许多改进，在卫星段用了特殊的协议，大大提高了传输效率。经国际卫星组织（Intelsat）技术实验室、美国宇航局（NASA）下属的多家机构在网上测试，效果奇佳。在一次因特网接入测试中，用一条10
Mbps的典型卫星电路，同时运行50个网页（Web）连接。SkyX网关得出的吞吐量是7.7 Mbps，而用端到端TCP连接时仅2.7 Mbps，接近3倍。下载大文件时的差别更明显，当同时工作的50个连接中有一个是一个5MB文件，用端到端TCP下载时，花了357.5秒，用SkyX信关站时仅15.3秒，快了23倍。可见，在大量用于因特网连接的卫星系统上，是可以做很多技术改进的。

　　其他技术，例如“缓存”（Caching）在不少地方采用后，改善了流媒体的连续性，有利于拥塞和流量控制，减少了感知时延（绝对时延很难降低）。

　　DVB标准在宽带卫星网络中也常被采用，形成所谓DVB－IP体制，是将卫星电视与卫星数据通信结合的统一平台，很可能会成为宽带卫星系统的主流工业标准。美国时代华纳与美国在线（AOL）的融合，将会促使这两种技术标准的结合。它适合于传送活动图像为主的业务，在视频流的空挡中往往插入IP数据流，不但提供多种业务，还提高了信道利用率。当然，多了一层“封装”（Encapsulation），开销也大一些，影响效率。所以在很少有活动视频业务的场合，不需要DVB－IP，只要IP宽带即可。由于直播电视等巨大市场的带动，DVB－IP标准的小型接收设备（机顶盒等）供货商较多，价格也更适宜，这也是选择技术体制的一种考虑。

　　和宽带卫星系统的重要应用相关联的另一技术是条件接收（CA），是一项加密控制接收的技术。涉及卫星直播电视、卫星远程教育、培训等的申请、接入、付费和特别节目的临时快速申请／开通、频道控制、防假冒／克隆等。且用户量可能达几百万、几千万，还涉及卡技术、芯片、卡操作系统（COS）等，不少国外公司已经进军中国，算通公司等国内单位也已加入到开发行列，并已取得一些成绩。

　　从卫星宽带设备的全系统看，国内厂家还缺少有竞争力的产品。清华大学等单位集成开发了一些适合远程教育、培训的宽带卫星通信系统，但投入不足，市场占有率不高。美国休斯网络系统公司开发的DirecPC、DirecTV占有卫星宽带国际市场相当份额，在中国也有公司建设运行。此类设备型号不少，仅举一例：

　　DirecPC 4.0-DirecPC的早期版本并无DVB格式，后来为了上述竞争的原因，也有了DVB封装，且有了卫星回传及地面回传多种方式。它的出向载波最大可达48
Mbps DVB－IP，入向速率则最高可达128 kbps。每个小站可享受的最大下行速率为400 kbps。用3个转发器可支持约45000个用户。据年初的数据，DirecPC的用户在美国已有2400万。休斯网络系统公司将和AOL联手推出AOL
PLUS，使DirecPC 与家庭中的MPEG-4视频及Internet等更紧密结合。

　　除了基带方面的技术之外，要发展卫星宽带网，射频技术的进步也是十分重要的。其中突出的一点是发展更高频段的技术，当前除用好Ku频段外，要努力开发Ka(20／30
GHz）频段。Ka频段的带宽更大、干扰协调更容易、星上多波束天线较易实现，这都会使系统容量成倍增加，地面终端天线口径也可以更小。

　　三、开发卫星宽带应用，推动卫星宽带市场发展

　　技术虽好，没有符合需求的应用，也占领不了市场，形成不了大产业。好的应用应符合较广大群体的需要、能以市场可接受的价格实现良性运营、能与其它业务融通、结合发展。同时，卫星宽带应用也一定要发挥卫星通信的特长。卫星通信的主要特点是：覆盖广阔、天然的广播性（组播）、建设快速、配置部署灵活机动等。卫星通信的这些特点使它在中国的信息网建设中成为一种不可替代的手段。中国地域辽阔、人口众多、经济快速发展，发展不平衡。1000多万平方公里的陆地和海洋，纵横距离都大过5000公里，平原仅占30％多，其余为高原（26％）、山区（31％多）、丘陵（10％）。13亿人口中有约8亿多在农村，约1／5的行政村还没有通电话。

　　卫星通信还是很有用武之地的。卫星宽带的应用当前大致可分为干线、接入两部分：

　　干线——很大部分是做因特网信息的传送。例如，Intelsat近几年有相当大的容量是做因特网的跨国互联，仅从北美到各地区的卫星因特网互联就有约1000Mbps。泛美卫星（PanAmSaT）、新天空（New
Skies）也都有不少容量用于Internet互联。中国主要的因特网骨干网几乎都用卫星实现互联。

接入——如前面说到的DirecPC是卫星宽带接入。吉来特（Gilat）卫星网络公司与Microsoft、EchoStar合作运行的StarBand卫星网络也是卫星宽带接入。从业务或行业看，近期大家都要抢的是：

　　*远程教育、培训

　　*大企业集团（跨国、全国）专网

　　*银行、证券等金融行业

　　*宽带智能小区接入

　　*西部大开发的因特网互联

　　*软件、数据投递

　　*数字电视

　　*其它

　　其实，很多应用要去发掘、设计，譬如现在已有或将会大发展的资格考试辅导、专业人士继续教育积分、保险推销员等流动性较大人员的不断培训等，都是潜在的应用和市场。

　　希望宽带及卫星宽带通信能认真吸取.COM公司的教训，不要只热衷于圈地、热衷于烧钱、热衷于上市，而是认真做些调查，认真做些应用设计，认真做些应用软件开发，扎扎实实推动卫星宽带产业向前走。

摘自《中国无线电管理》