宽带IP卫星通信技术现状和发展

电子科技大学　李兴 吴持其

一、宽带IP卫星通信技术的现状

　　近年来，第二代移动蜂窝系统的成功和因特网业务需求的急剧增长表明未来用户的需要是“能在任何地点和任何时间使用交互的非对称多媒体业务”。以多媒体业务和因特网业务为主的宽带卫星系统已成为当前通信发展的新热点之一。传统卫星网的使用价格昂贵，而且不能适应目前多媒体业务和因特网业务发展的需要，不能开拓大众消费市场。面对各种系统的竞争，如何在技术上保证提供业务的低价优质，占领市场，是宽带多媒体卫星通信系统得以生存和发展的关键。进入90年代以来，商业网络逐渐向应用TCP/IP因特网协议的分组交换型网络发展。宽带IP卫星技术是这种网络发展趋势的结果。它是将卫星业务搭载在IP网络层上营运的技术。这种技术有利于吸收采纳目前蓬勃发展的IP技术，降低技术成本。IP网络的传输特性也有助于降低业务成本，使卫星通信在大众消费市场上可以和地面系统竞争。

　　96年，美国NASA的ACTS卫星（Advanced Communications Technology Satellite）进行了622Mbits/s的ATM试验，验证了TCP/IP协议在卫星ATM平台上的可行性。美国马里兰大学采用真实的多媒体源在这个系统平台上进行了一个仿真分层网的通信实验。

　　已经进入商用化的可以提供卫星IP传输的系统称之为卫星IP over DVB系统。通过该系统开展卫星因特网业务的初步尝试由休斯公司的DirecPC Turbo Internet service成功实现。这些系统都是根据大多数多媒体业务用户的业务特点（下载大量视频、音频和数据信息，但上载信息很小）而设计的。它们使用非对称传输方式来降低用户终端费用，并在北美获得较大的市场。欧洲也在积极发展这样的非对称系统。

　　但是这些早期的应用离未来对宽带卫星系统的要求还有一些距离，在市场定位上还处于探索阶段。目前美国和欧洲各国在卫星IP技术方面做了一些尝试。99年5月11日欧洲发射了ASTRA卫星，组成宽带、面向大众的“空中因特网”卫星系统。

　　二、宽带IP卫星通信技术面临的挑战

　　目前提出的宽带IP卫星系统都采用基于ATM的传输技术。一些国家，如美国、欧洲、日本、澳大利亚对卫星ATM层和物理层性能测试的结果表明，ATM的性能可以满足ITU-T G.826和I.356的目标要求。如果系统采用RS块状编码、交织、FEC技术，卫星链路可达到准光纤链路质量，ATM可以作为卫星系统的数据传输技术。

　　但是卫星ATM实现起来较为复杂，与现在的卫星传输技术有很大不同。在卫星ATM的分层实现上，存在两种不同的观点，一种是不改变现有卫星的协议结构，只是将ATM协议放在非ATM的卫星协议平台上。另一种观点是卫星网采用完全的ATM结构，其中卫星部分的ATM层是S-ATM（以区别地面固定网中的ATM层），支持传统ATM业务、TCP/IP应用和UDP/IP应用。前者的优点是卫星平台对不同用户终端的协议标准是透明的；卫星访问协议止于关口站，不会为外界网看到；不需要修改现行的卫星标准。缺点是很难为各种不同的协议都提供最好的性能。具有这种分层结构的卫星ATM称之为在非ATM上的ATM封装。后者的优点是适用于一个高度集成的星地ATM环境。缺点是协议复杂，需要修改现有的各种卫星协议和网间接口协议。

　　在无线ATM移动性目标管理方面，目前已解决了ATM终端用户在大楼或校园内的实时移动管理问题，试验的移动距离从数米到数百米，数据率为2-24Mb/s，频段为2.4GHz或5GHz。但是，含有ATM交换机的子网整体的移动性管理至今未能解决。该领域内也鲜有工作。该应用的典型例子是在一架大型客机上有一个ATM网络提供机上数百名乘客通信和娱乐业务。在此环境下，终端用户相对服务平台不动，但整个ATM网相对地面网是移动的，两者之间通过卫星建立通信链路。一个新的移动管理目标是在全球卫星与飞机间通信的特定环境下网络段（即含有一个或一个以上交换机的ATM子网）的移动管理。这一目标可以发展为未来全球N-GEO宽带卫星ATM系统的移动管理目标。以Teledesic系统为例，该系统的288颗低轨相对静止卫星和地面设备都是移动的，其网络段的移动管理是一个重要的问题，直接影响系统性能。

　　三、宽带IP卫星通信技术的发展趋势

　　3.1　系统结构继续沿卫星ATM方向发展

　　（1）实时多媒体业务的网间交互控制

　　为满足多媒体业务需要，往往有不同的宽带网络技术如ATM、帧中继、高速以太风和不同的交换技术如ATM分组交换、IP交换和LAN交换，以便在同一个网际环境中提供所需的骨干数据传输服务。要实现实时的多媒体传输就必须将这些不同的网络技术和交换技术协调起来。在IP传输网方面，目前国外研究的重点是评估在高速IP风中能保证QoS的各种路由和资源管理策略，包括RSVP（Resource ReSerVation Protocol）、分组规划（packet scheduling如平等排队fair-queuing）和其它一些实时路由控制协议如RTP（Real-time Control Protocol）、RTCP（Real-Time Control Protocol）、RTSP（Real-Time Streaming Protocol）等。RSVP和分组规划是一种资源预留协议，位于IP协议栈的上面，需要下层路由的支持。RTP和RTCP协议一般运行在UDP/TCP的上面，用于解决端到端的实时业务传输的定时问题，包括定时对准（timestamping）、分组编号（sequence numbering）等。RTP和RTCP协议经过修改可以运行在CLNP（Connectionless Network Protocol）、IPX（Internetwork Packet Exchange）、AAL5/ATM或其它协议之上。RSVP根据实时视频数据流在业务提供者和用户之间连续流动的特点，在IP网上提供远端流控机制，使用户在一边播放已解码的实时数据帧，一边解压收到的数据帧的同时，能接收实时数据流，保证播放的连续性。在ATM传输网方面，一些研究者将一些IP网的路由技术和ATM相融合以期更好地解决卫星多媒体业务的QoS问题（如RSVP over ATM）。除此之外，在实时多媒体业务交换技术方面出现了一些新技术，如IP交换、tag交换、结合I-PNNI的MPOA（Multiprotocol over ATM）技术等。这些新技术将IETF（Internet Engineering Task Force）和ATM论坛新近研究的建议适用于卫星宽带网的环境，希望更好解决网际间实时多媒体业务传输的互操作问题。

　　（2）提高ATM卫星环境下端到端的TCP性能

　　未来的宽带卫星网将和地面ATM/BISDN一起构成宽带INTERNET网（由于卫星信道的延时较地面长，其拥塞控制与地面网有很大的不同）。为有效传送Internet业务，有必要分析一下端到端的TCP性能。地面终端通过星上交换机建立虚通道（VCs）来传输ATM信元。为实现有效的拥塞控制，除流控和VC管理外，地面终端还必须提供IP网和ATM网之间拥塞控制的机制。星上的ATM交换机必须采用信元和VC级的业务量管理机制。TCP主机也要利用各种拥塞控制机制来实现有效的带宽利用。但是目前在算法上还存在很多争议。

　　在实现与ATM/BISDN的互连方面需要对星地综合的宽带ATM网进行实时多媒体业务管理。

　　（3）移动管理

　　为了解决目前的移动管理协议效率低的问题，近期提出了若干新的移动管理方案。比如Tsuguo Kato等人提出的一种高效移动管理方案，该方案基于ATM面向连接和非连接方式的混合模型，为要求QoS保证的业务提供类似ATM-SVC（switched virtual connection）的路由，并为要求“尽力传输”的业务提供类似ATM-CL（connectionless）的路由。其路由策略依照逻辑子网原理进行优化。在支持含有ATM交换机的子网整体的移动性管理方面，Sankar Ray，Boeing提出了将ATM论坛的专用网络节点接口（Private Network-Node Interface，PNNI）V.1协议扩展为一个支持网络段移动的有关定位管理和路由的建议。

　　3.2　新系统结构可能后来居上

　　近年来IP和多媒体技术在卫星中的应用已成为一个研究热点。ITU-R第四研究组于1999年4月26日至5月7日在瑞士日内瓦举行了WP4A、WP4B、4SNG、SG4会议。在WP4B会议上，IP和多媒体技术在卫星中的应用作为新技术课题提案获得了通过，这对宽带卫星通信系统的发展具有重要影响。参加这次大会的有关人士认为，IP很有可能成为未来的主要通信网络技术，大有取代目前占主导的ATM技术的势头。IP数据包通过卫星传输的可用度和性能目标与ITU-T G.826和ITU-R S.ATM建议要求是不同的，有关研究将在2001年完成。关键技术研究包括卫星IP网络结构；支持卫星IP运行的网络层和传输层协议的性能需求；IP层协议或能加强卫星链路性能的更高层协议，需要作什么样的潜在改善；IP保密安全协议及相关问题对卫星链路的要求将产生什么影响；ITU-R为提供与ITU-T和其它标准化组织最合适的联络应作出什么样的安排等方面。这种技术若能实现与地面IP网络兼容，半直接影响卫星通信业务的发展。

　　卫星IP网络结构是地面宽带IP技术在通信领域内的演变和应用，是适应卫星分组业务和降低系统复杂性的一种尝试，目的在于廉价地提供用户满意的大流量分组数据业务，而无须ATM的干预。采用这种非ATM的IP over Satellite的方案与IP over ATM的方案相比有如下好处：

　　·开销小。Bell实验室的仿真表明如果采用IP over ATM over SONET的结构，大约有22％-29％的开销，而在其中SONET的开销大约是4％。因此，我们考虑将ATM层去掉，实现IP over SONET或者IP over SO-CDMA/TDMA。

　　·易于实现千兆分组网络。目前，采用ATM技术的多媒体卫星的实验干线速率已达622Mbps。但是在提升到吉比特时，ATM的开销大这一缺点制约了线速的继续提高。

　　·降低系统复杂度。在RS块状编码、交织和FEC等技术支持下，卫星链路可达准光纤质量。因此无需采用ATM复杂的QoS保证机制便能抵御无线信道的误码。日本KDD在其“KDD太比特（Terabit）高速公路计划（KTH21）”中明确提出不需要ATM交换和SDH终端设备实现高速网络。

　　具体的一些研究方向包括：

　　（1）提供基于LAN的IP互连

　　采用在发展中的Ipv6和RSVP，基于LAN的IP能支持具有不断变化QoS量级的实时业务，其方法是沿业务流的路径在各个中转路由器中保留资源。因为IPv6能够提供双向交互式业务如视频会议、web浏览，这些业务的传输要求和只要求“尽力（best-effort）传输”的业务（如ftp）不同，所以无线接口的数据链路层协议必须包括一个能把QoS要求变为合适的卫星MAC PDU的功能块。也就是说星上的动态容量分配（DCA）必须与IP层的QoS相配合，并控制端到端的无线LAN的QoS。

　　（2）适应卫星IP业务的MAC层协议

　　MAC层协议保证分处两地的通信节点有能力控制它们之间的分组交换，并有效地管理网络带宽，以充分利用资源。近年来，出现了一系列的MAC层协议，以适应各种应用环境的要求。但是这些MAC协议往往在满足一些应用要求的同时，无法满足另外一些应用要求。当我们只考虑卫星通信的MAC层协议时，首先，相当一些MAC协议由于卫星时延的限制而不在我们的考虑之内，如LAN和WAN的MAC层协议。第二，一些已被地面网络实用的MAC层协议，因为卫星和地面链路的传输时延不同，而应在卫星网络中重新评估。第三，卫星物理设备的改变是有限的，因此需要一个简单可行的控制机制。第四，卫星网的MAC协议应具备容错和生存能力，在网络拓扑发生变化或系统重构时，能正常工作。第五，有利于降低功耗和降低缓存容量，提高信道容量。宽带卫星IP网络的MAC层协议的设计目标是实现高信道流量、低传输时延、信道稳定性、协议可实现性、信道重构性和控制算法的低复杂度。目前，针对多媒体卫星系统的MAC层研究基本上都是关于MAC层和wmATM（wireless mobile ATM）的叠加模型的性能比较。Hassan Penyravi将现有的MAC层协议分成5类，比较了在NASA Mars地区网应用背景下，它们对多媒体的支持情况。Janez Bosic研究了在TDMA卫星网中采用优先权村记的MAC层协议来保证ATM传输的方案。

　　这些研究表明，目前尚无一个MAC层协议针对卫星多媒体业务做了优化工作。因此有必要提出一个适合卫星大容量IP分组业务的MAC层协议。我们借鉴了BELL实验室的用于IP over WDM的简单链路协议（SDL），并作适当的修改后用于卫星环境。97年ITU-R提出的骨干网的卫星SDH协议栈。其中SDH是卫星SDH，和地面的略有不同。

　　需要研究各种MAC协议的优缺点，特别是各种MAC层协议对多媒体业务的支持。影响MAC层的重要参数包括传输时延、带宽、分组大小和消息帧长度分布。在分析和仿真过程中，需要将特定的业务模型放入MAC层协议中，以研究其性能。

　　（3）星上IP交换机的结构研究

　　第三层交换是IP网络适应光传输能力和带宽飞速增长所必须的，也是超大规模集成电路，分布式处理等技术发展的结果。星上交换采用第三层交换技术，使得构建新传输体制下的宽带IP网络成为可能。

　　要提高IP交换机的吞吐量和减少分组在交换机中的排队时长，需要研究交换机的交换结构（Switching Fabrics）。这一问题和以往ATM交换机问题有相似处。实际工作时，有可能出现几个输入输出端口中的信元同时到达同一输出端口的情况，这种情况称为端口竞争。有时这种竞争情况还会发生在交换结构内部，称为内部阻塞（Internal Blocking）。对于交换机的每一个端口，可能有三个数据队列：输入队列、输出队列及广播队列，端口控制器用管理这三个队列。每个端口都有一定大上的缓冲存储器，用来缓存上述三个数据队列。需要研究内部无阻塞的交换结构。另外，还需研究交换机的其他功能：优先级设置、广播和组播功能。

　　（4）移动组播管理

　　在采用移动IP协议进行移动管理方面，移动IP组播是一个新的研究方向。IP组播业务已经占有商业骨干网业务的20％。而且随着web-caching和“推”业务的发展而日趋重要。当某个IP站点向Internet上的多个IP上点发送同一数据时，IP组播可以减少不必要的重叠发送，有效地利用网络的带宽，而且虽然增加了IP组播相关协议的处理，相对于多次相同的点到点的传输来说，仍旧减少了大量组播路由器和主机对于IP报的处理时间。卫星独有的拓扑结构简单和利于广播的特性决定了移动IP组播技术将在宽带IP卫星系统中的应用前景。目前存在的技术问题是如何将不对称广播类型的卫星网络与因特网的对称式和点到点的蜂窝式互联结构集成到一起。

　　3.3　自由空间光码分多址技术（SO-CDMA）

　　空间光码分多址技术是无线传输技术（RTT）中的关键技术。星际链路的多址方式十分重要，直接影响到系统的性能。

　　目前，在星际自由空间光通信中一般采用TDMA方式。但是由于传输距离很长，因而时延较大，难以达到TDMA系统要求的严格时钟同步。如果采用国际上最近提出的WDM方式，由于连续可调光源的生产存在较大的难度，所以难以满足WDM要求发射光源的频率在较大范围内连续可调的要求。我们建议，在卫星IP网络中采用空间光码分多址技术。空间光码分多址技术用相互独立的光脉冲序列作为每个发射光源的地址码，地址码之间相互正交，各信号源用各自的地址码调制，在接收端用相应的地址码进行解调。空间光码分多址技术有如下优点：

　　（1）码分多址特有的抗背景噪音的能力对星际通信特别有用。在自由空间通信系统中，接收机接收到的不仅有信号光，还有其它用户发射的光以及背景光，背景光较地面要强得多，因此对系统性能的影响极大。理论上可以采用光学滤光器滤除背景光噪声，但要得到带宽极窄、稳定性高的滤光器（比如原子滤光器）很困难。因为利用地址码的相关特性进行相关接收，系统具有很强的抗噪声能力。

　　（2）码分多址无需全网同步，就能良好地支持异步通信和突发业务。又由于只采用一个波长的光源，就无需可调频率的光源。

　　它唯一的缺点是占用的频带宽，但对有很宽带资源的光通信来说可以忽略。

　　目前，对空间光CDMA技术的研究主要集中在如下几个方面：扩频序列的选择、调制方式、信号检测方法（包括多径接收和多用户接收）、功率控制以及同步技术等。空间光CDMA是今后星际链路采用的最重要的方式之一。

　　四、构建我国的通信卫星骨干网的设想

　　在构建我国的通信卫星骨干网时，需要考虑目前的业务发展趋势和中小商业企业的需求。这个通信卫星网的特点是：

　　（1）双层卫星网络结构。卫星IP网络由双层卫星网组成，下层是各种通信低轨卫星，上层是作为数据中继和控制的GEO卫星，采用星上处理。低轨卫星将数据发往GEO卫星，GEO卫星将各个卫星发来的数据进行交换和路由，再发向若干地面控制站。地面控制中心把控制信息发向GEO卫星，再由GEO卫星把需要的信息发向各个低轨卫星。

　　（2）低轨卫星和GEO卫星之间的业务流量是非对称的。这种非对称的突发数据方式和多媒体业务很接近，在前向链路上有静止图像、动态影像、突发数据和话音等，在反向链路上基本是控制信息。因此完全可以采用目前国际上关于多媒体卫星系统研究的成果。

　　（3）鉴于我国卫星系统投资小、见效快的要求，我们建议卫星系统采用IP技术。

　　（4）在低轨和静止轨道卫星之间建立基于空间光CDMA的星际链路。空间光CDMA具有抗干扰、保密性好的特点。

　　（5）和地面通信系统的互连。可以和地面通信网组成一个综合系统，有利于实现天地一体化。因此，我们可以将我们构想的这个通信卫星网看作一个宽带多媒体卫星网的核心网。

　　随着多媒体业务和因特网业务需求的迅速增长，人们已开始更多地关注卫星宽带通信系统。3GPP Release99指出第三代移动通信系统将统一在IP核心网结构上。这也说明了未来通信网的发展趋势。宽带IP卫星系统开辟的新的市场也许会带来卫星通信的又一次大发展。

摘自《中国卫通》2003.4