未来宽带多媒体卫星系统发展趋势和关键问题综述

未来宽带多媒体卫星系统发展趋势和关键问题综述（周乐柱、李斗）
引言
    本文综述了未来的宽带多媒体卫星系统。其关键技术与已经出现的第三代地面通信系统
（3G）相同，都是利用IP和IP／ATM提供多媒体信息服务。应用IP／ATM的未来卫星通信网络
基本上可以分为两类：“弯管”卫星中继和空中交换。本定将讨论这两类结构的优缺点，以
及关键问题和发展趋势。
1．未来的宽带卫星通信系统
    未来的宽带卫星通信系统将提供高速因特网接入及多媒体信息服务，其主要特征数据见
表1。
表1 下一代SATCOM系统















































































  
     
 
      系统
    
    
 
      运营

        时间
    
    
 
      卫星
    
    
 
      高度

        (公里)
    
    
 
      频带
    
    
 
      接入
    
    
 
      网络
    
    
 
      容量
    
    
 
      业务
    
  
  
     
Astrolink
    
2003
    
9 GEO
    
36000
    
Ka
    
FDMA TDMA
    
IP/ATM ISDN
    
6.5Gb/s
    
高速率 多媒体
  
  
     
Cyberstar
    
2001
    
3 GEO
    
36000
    
Ka
    
FDMA TDMA
    
IP/ATM帧中继
    
9.6Gb/s
    
因特网接入VOD宽带业务
  
  
     
Spaceway
    
2002
    
16 GEO

      20MEO 
    
36000

      10352 
    
Ka
    
FDMA TDMA
    
IP/ATM
    
ISDN4.4Gb/s帧中继
    
高速因特网BOD多媒体
  
  
     
SkyBridge
    
2001
    
80LEO(Wallker)
    
1469
    
Ku
    
CDMA FDMA TDMA
    
IP/ATM
    
>20Musers
    
高比特因特网接入多媒体服务
  
  
     
Teledesic
    
2002
    
288 LEO

      12planes of 24
    
1375
    
 
      
Ka60GHz
    
    
MF-TDMA ATDMA
    
IP/ATM ISDN
    
10.0Gb/s
    
空中因特网高质量话音/数据/图象
  
  
     
iSky(KaStar)
    
2001
    
2 GEO
    
36000
    
Ka
    
 
    
IP/ATM
    
 
    
因特网 DBS，PCS BoD
  

    各系统的特点简述如下：
    Antrolink—Ka波段Astrolink卫星星座包括9颗地球同步轨道（GEO）卫星。系统支持高
速率多媒体通信，采用星上处理和星上交换技术以提高效率和灵活性。每颗卫星都是通信网
络的节点，这与“弯管中继”转发不同。数据率范围为16kb／S到9.0Mb／S。其中384Kb/S的
数据率支持90Cm的大线，这使Antrolink适用于较大的移动平台。
    Cybrstar－Ka波段Cyberstar卫星星座由3颗GEO卫星组成。它可提供IP多路广播服务。
Cyberst，网络的容量是9.6Gb／S。IP多路广播的应用基于帧中继和ATM技术。
    Spaceway—Spaceway卫星星座由16颗高轨（GEO）卫星和20颗中轨（MEO）卫星组成。采
用Ka波段支持高速数据、因特网接入及资带多媒体信息服务。Snaceway的卫星结构基于传统
的弯管中继。它向采用0.66米小型终端的用户提供高质量的服务，数据率为16kb／S到6Mb／S。
Spaceway系统与地面ATM、综合业务数字网（ISDN）、帧中继及X.25标准兼容。
    Skybrrdge一Skybridge星库由80颗圆形低轨卫星（LEO）弯管式中继组成。系统将支持
先进的信息服务，如交互多媒体，数据率为16kb／S到60Mb／S。卫星设计基于弯管中继。与
表1中的其它系统不同，Skgbridge是一个Ku波段系统，选择Ku波段是因为Ku波段技术已经成熟。
    SxyBridge网关站通过ATM交换与地面网络接口。大多数服务将是基于IP的。Skgbridge
采用了码分、时分、倾分多址（CDMA/TDMA／FDMA）的混合波形，然而卫星本身是透明的（及
弯管式）。为提高容量，采用了点波束，每波束内频率复用。Skybridge将同时能容纳2千多
万用户。
    Teledeslc—Teledesic星座由288颗卫星组成，它们处于12平面、每个面24颗卫星。
Teledesic是一个Ka波段系统，每一个轨道面上的相邻卫星之间采用60GHZ的星际链路。
    Teledesic采用全星上处理和全星上交换。系统设计成一个“空中因特网”。它提供高质
量的话音、数据和多媒体信息服务。多址接入技术是上行链路的多频TDMA（MF一TDMA）与下
行链路的非同步TDMA（ATDMA）相结合。网络容量计划为10Gb／S。用户的上行速率可达2Mb／s，
下行速率可达64Mb／S。40.25°的最小仰角使系统利用率达99.9％的可视率。
    isky（Kastar）一isky以前称为Kastar，它集中向北美提供宽带数据和因特网服务。该
Ka波段系统可支持高速率双向因特网接入、直接广播服务（DBS），并可通过小口径天线（例
如26英寸）向家庭和办公室提供未来个人通信系统（PCS）服务。初始星座由两颗GEO卫星组
成。上行频率是19.2一20.0GHZ，下行频率是29.0－30.0GHZ。数据率可高达40Mb／S，典型数
据率为1.5一5Mb/s。
2．发展趋势和存在问题
    2.1Ka波段和更高频率
    从表1中的例子可见，很多未来的卫星系统都工作在Ka波段。一个主要原因是因为波频段
是可利用的。其它的一些频段可能也有利用价值，包括V波段（40-50GHz）及毫米波段（例如
60GHZ）。随着卫星系统和用户数量的增多，以及他们对带宽需求的日益增加，孤计会考虑利
用更高的顾率，尽管在这些频率范围存在着众所周知的而真和大气损耗。对Ka波段和更高频
率感兴趣的另一原因是可以应用小天线。然而，这必须综合考虑其他因素，例如在这些频率
下雨衰的增加，将导致采用大口径天线。
    2.2高轨卫星还是低轨卫星
    高轨卫星的大范围覆盖使它们成为多路广播的理想选择。然而，轨道越高意味着往返路
往延迟就越长，这使得GEO不太适合括台和交互图像服务。轨道较高也意味着发射费用就越高。
    LEO系统要求地面终端与卫星之间在相对短的时间内频繁地进行频率切换。此外，它们也
依赖于相邻卫星的交叉链路来增加覆盖。这增加了LEO系统的复杂度，也会导致延迟抖动的问
题，可能降低话音的质量。克服延迟抖动的一个方法是通过存储转发传送话音。Teledesic中
采用了这一方法。
    2.3增强型TCP
    这方面的研究已深入到TCP应用的各方面没TCP／IP在卫星链路中的性能。研究的问题包
括慢启动算法、适应大带宽时延力量的能力、拥塞控制、确认以及错误恢复机制等。
    慢启动算法特别不利于传输时间短于带宽时延分量的数据传输。因此，较大的初始商口
及字节计数法正在研究之中。特别是，当TCP连接数据率与往返路往延迟的分量超出了可用内
存时，性能将急剧下降。就这一点而言，LEO系统比GEO优越。对此有几种可能的解决办法。
一种是“欺骗”TCP方法，通过发送提前确认欺骗TCP协议进行连续传输。另一种方法是利用
选择性重复确认（SACK）方法，因特工程特别工作组（IETF）正人研究有关TCP的这种SACK。
甚于SACK的丢失恢复机制可以用来提高协议效率及长延迟链路中的阻塞控制。
    2.4IP、ATM及增强型的QOS保障
    IP、ATM或二者的混合（IP/ATM）预计将成为未来高效多媒体信息网络的基石。发展趋势
是实现日益灵活、面向分组和保证QOS的网络。在保证质量和速度的前提下，提供多项服务。
保证QOS是多媒体通信的基本要求。精确地分配各种服务的必需资源的能力（如优化资源利用），
对提高效率非常重要。
    ATM设计成可保证每种服务类别的QOS。而IP目前仅能通过最有效的传输支持一种QOS；但
在将来，IP预期能支持多种级别的QOS，因此也能支持多媒体服务。
    2.5卫星通信中IP的安全性
    随着电子商务的增加，对因特网安全性的要求也提高了。卫星的大范围覆盖更可能造成
信息被截取和破坏。因特网协议安全性（IP Sec）机制必须确保保密、认证、完整、接人控
制及密钢管理。保密意味着只有适当的用户才能接触到信息。认证要求验证用户的身份和接
入的权利。完整是指信后、尚未被破坏。接人控制要保证系统不允许未授权按人。密钢管理
对于多路广播卫星通信而言非常重要，关键问题是提供一个背效的方法来动态地产生和分配
密钥。该问题可能因为路由技术而进一步复杂化。
    2.6IP路由和ATM交换
    IP路由对于承载IP信息的网络问官是一个合理的选择。它也因广泛采用因特网群组管理
协议（IGMP）（RFC2236）支持多路广播传输而有意义。然而，IP路由对所有卫星网络，也许
特别是对于全网状结构LEO卫星网络的多路广播而言，提出了新的挑战。
    对于具有动态群组用户成员及随时变化的星际链路的系统而言，发展能够支持多路广播
传输的路由协议要比静态卫星通信链路复杂得多。地面因特网路由协议所依赖的拓扑信息，
为开放最短路径（OSPF）和路由信息协议RTP将很快变得过时了。
    地面上应用的路由，也可以在卫星上应用（星上路由OBR）。无论是哪种情况，与空间段
和地面段有关的信息（如卫星的标识符、星际链路接口；地面段的地理位置、主机标识符及
MAC信息，如CDMA编码、TDMA时隙或FDMA频率等）都是需要的。用于卫星通信的各种IP路由技
术的研究正在深入进行，包括隧道式传输、网络地址转换（NAT）（RFC2663）、边界网关协
议（BGP）（RFC1771）、具有多协议标记交换（MPLS）功能的TP／ATM以及应用于卫星网络的
基于权限的路由技术。将来，卫星网络的IP路由技术可能通过综合应用隧道式传输、NAT、边
界路由以及MPLS来实现。（这种技术特别适用于在ATM--卫星通信网络中支持IP路由）
    绝大多数将要建立的商用宽带卫星系统都是基于ATM的。交换／路由可能通过专用协议与
ATM或IP／ATM、封装和隧道式传输的结合来实现。例如，Teledesic将采用自己的专用协议，
用于星际链路和地空链路。Spaceway和Astrolink的军际链路和地空链路将采用ATM传输，同
时也采用传统的MAC／LLC和传统的信令。Skgbridge在地间段应用ATM（它没有星际链路或星
上处理、星上交换、星上路由）。这些系统都通过隧道式传输支持IP。
3．弯管式卫星中继还是空中交换
    在弯管式卫重中继系统中，卫星转发器只完成信号放大和频率转换。信号检测、解码和
协议转换等都不在星上进行。因此卫星基本上与信号形式无关，对协议是透明的。原则上，
任何持有合适终端的用户都可能接收到卫星的信号。这种情况被称为卫星转发ATM（SR－ATM）。
    采用星上交换要求具有基本的星上处理功能。具有全部星上交换功能的卫星称之为卫星
交换ATM（SS－ATM）。尽管目前呈上处理、星上交换和星上路由的应用还很少见，但预计未
来会增加，因为它们比透明的弯管式中继具有更优越的性能和更致密的网络功能。
    3.1星上处理、星上交换和星上路由
    星上处理的主要目标之一是向小型地面站提供竿跳连接。目前一些卫星通信系统已具有
不同程度的星上处理，星上交换和星上路由。有多种形式的星上处理可应用于ATM一卫星通信
网络。星上处理大致可分为以下三类：
    第1类：基带星上处理、早上交换和星上路由；
    第2类：中频／射频（IF／RF）星上处理和星上交换；
    第3类：支持处理。
    第1类通常称为全处理卫星，典型例子是卫星“空中交换”。第2类大致对应干部分处理
卫星。它可能包合信号的再生、射频或中频的交换，但不包含星卜基带交换。其它形式的处
理，虽与通信没有直接关系，但支持通信功能的处理划分到第3类。本文只考虑基带星上处理
和星上交换。
    3.2基带处理
    基带处理的目的是提高链路的性能和效率，这神提高可以降低费用并增加容量，而后者
又符合当前的发展趋势，例如宽带通信。也许最重要的是，星上处理和星上交换的结令，可
以提高整个网络的效率和灵活性。星上处理是空中交换构想的基本元素。在卫星交换ATM的
情况下，星广处理能实现基干蜂窝的星上交换。
    基带星上处理功能不限于信号放大和频率转换。主要功能包含解调、解复接、误码检错
和纠错，以及路由和控制信息的转移。基带星上处理中与信号再生和传输有关的例子包括数
据的交换或路由、波束成形、数据存储和数据复接。
    信号再生技术通常用来改善信噪比和减少误码率，这对于采用ATM的卫星通信可能特别重
要，因为它要求的误码率小于或等于10（负8次方）。对于星上处理而言，关键在于卫星不再
是透明的转发器。这就要求具有兼容性（例如为了通信联系，波形必须是一致的）。
    除了信号再生和交换外，基带易上处理还可以采用多种技术来优化系统性能。波未成形
就是最好的例子。星上处理可以采用动态波未成形和干扰消除技术。它可能实现类似天线增
益和覆盖的动态按需分配，这就能够灵活地分配卫星的等效全向辐射功率（EIRP）。
4．全星上处理卫星
    一个全星上处理的卫星交换一ATM一卫星通信系统（SS—ATMSATCOM）网络的概念描述从
中可以看到，卫星是ATM网络中的一个节点。与由地面控制的、较慢的中频和射频非动态交换
不同，对于小区级逻辑连接，其动态星上处理是可能的。在这个例子中，所有星上处理过程
都假设是在基带上进行的。
    4.1星上处理和卫星资源分配
    原则上，星上处理和星上交换的结合使资源分配能够由卫星完成。这是合理的，因为与
一个接火终端不同，卫星亘接利用可用资源的第一手资料，因此它能更有效地进行接人控制。
结果是，地面无需再对有效容量进行估计，由于卫星传输分集所引起的功率和延迟的不确定
性便消除了。
    虽然，对非ATM的星上处理和星上交换也可得到同样的结论，但是对ATM星上交换系统而
言，呈上资源分配的潜在优势更显著，因为ATM设计独特，在满足QOS要求的前提下，支持按
需灵活地分配任何数量的带宽直至满容量。
    当然，不是对所有的服务都同样处理。例如对于传统的TDM／FDMA链路，容量要么有，要
么没有，此时资源的分配更简单一些。
    4.2资源的估计
    一个与ATM一卫星通信和资源分配部相关的问题是可用资源的确定。有用资源的近似估计
可以通过对ATM交换中队列长度的测量来获得。但是，这仅仅是基于延迟的容量估计。而星上
处理可陵对满足QOS要求的可用资源的估计更为精确，因为它除了直接给出了一个用户的需求
和信号特点外，还给出了星上其它频率和功率的分配信息（即全处理卫星控制WAN接入和资源
分配）。
    4.3自适应波束成形和资源分配
    我们考虑采用TDMA，同时为了使增益和EIRP尽可能与用户群的需求相适应，并使ATM一卫
星通信应用于多路广播，我们使ATM虚电路（VC）和天线波束之间相关联。采用了与卫星网络
的拓扑结构和特点相适应的媒体接人控制（MAC）层。
    星上交换一ATM、灵活带宽分配能力、自适应波未成形技术以及把所要求的增益准确地聚
焦于相关区域的能力结合起来，使带宽、功率和EIRP形成一个资源池。理想的情况是，卫星
应能从该池中把所要求的容量精确地按需分配到任何用户或用户群中，而且满足服务要求、
QoS要求及适应终端的能力。这样，通过有效的控制，星上处理和ATM就能提高性能。
    这种控制可能是自动地在卫星上进行的，也可能是在地面上进行。虽然，全星上处理和
全星上交换在目前还不普遍，但随着处理能力和网络化需求的日益增加，在未来会越来越普
遍。今天，在采用星上处理和有限的卫墓中，绝大多数是由地面控制的。NASA的ACTS和ItalSat
是通过地问控制的星上基诺交换的典型例子。
5．服务平台
    要用性能不太优越的小终端向用户提供多媒体信息服务，就要求这种服务与终端（如手
机）和网络有效地结合起来。这个设想中的一个重要问题是服务平台的作用。服务平台可以
看作一个位于传输系统与支持分布式多媒体信息服务的底层网络之间的一个功能层。
    服务平台为分享计算和通信资源提供了基本的手段。它支持适应性和升级能力，还支持
服务管理和传输（如多路广播服务、安全性、QOS管理、同步和误差控制）。正因为如此，它
可能影响通信系统的许多方面。在未来通信系统通过具有星上处理能力的卫星向卫星用户终
端提供因特阿服务的情形下，服务平台的选择可能最终以某种方式影响到卫星网络和通信资
源的共享，以及卫星系统与分布多媒体网络的综合。
6．结束语
    未来卫星系统将提供一系列先进的信息服务。发展趋势是高速因特网接入，宽带多媒体
服务，以及通过IP和／或IP／ATM网络提供IP服务。服务范围可能从电子邮件、话音通信到宽
带多路广播及交互式图像。
    卫星结构可能通过星上处理、星上交换和／或星上路由来增强能力，也可能为了简单化
和灵活性，采用传统的透明转发器。星座可能是LEO、MEO，GEO或它什怕勺结合，这取决于所
要求的覆盖和支持的服务项目。随着可用频谱的日益缺乏，将更加普遍地采用Ka波段和更高
频率。较高的频率可以使用户终端更小，也就意味着移动性更好。也许最重要的是，已有的
和未来的卫星通信系统与地面网络的结合可以联结跨越最后一英里，把因特网服务扩展到企
业和家庭。
摘自《卫星通信广播电视》