卫星宽带接入的解决方案分析

解放军理工大学通信工程学院 裘晓蓉 李广侠

　　摘 要 本文从介绍Ｉｎｔｅｒｎｅｔ与卫星宽带接入技术入手，针对宽带多媒体通信系统的要求和特点，提出了几种可能的卫星宽带接入的解决方案，以及其在远程教育等方面的应用实现。

１．引言

　　互联网在二十世纪已经成为人类生活中必不可少的一部分。进入二十一世纪后，随着全球信息网络技术的迅猛发展，基于宽带互联网的各项应用服务都发生了革命性的变化。宽带化和高速化将成为下一代互联网的重要标志，然而在目前的国内市场中，带宽不足而导致上网速度慢的问题仍是制约中国互联网发展的最大瓶颈。

　　以前的家庭大多主要采用传统Ｍｏｄｅｍ通过电话线拨号上网，它最快速度也只能达到５６ｋｂｐｓ。之后出现的Ｎ－ＩＳＤＮ“一线通”服务虽然增加了速度，降低了成本，但需拨号上网，仍属于窄带范围，不能满足宽带的需求。所谓的宽带是指在同一传输介质上，可以利用不同的频道进行多重的传输，并且使用户２４小时连接的非拨号接入，实现传输速率超过１．５４Ｍｂｐｓ。宽带接入方式多种多样，主要方法一是利用有线电视网络加Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ；一是ＤＤＮ专线接入技术及基于卫星通信ＤｉｒｅｃＰＣ的无线接入技术。目前最有能力的是ＸＤＳＬ和Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ两种方式，占市场的８０％左右，其余是卫星宽带接入、固定和移动无线接入等方式。

　　卫星通信在大区域稀路由、无缝隙通信方面有着其他通信方式无法比拟的优势，可以实现用户在任何时间、任何地点高速地从因特网上获取信息。在目前网络基础设施特别是宽带基础设施尚不发达的中国，卫星宽带接入不失为一种便捷而廉价的宽带接入手段。

２．卫星宽带接入技术

　　与地面通信系统相比，宽带卫星接入系统虽然有延时较长等缺点，但却具有一些地面网络无法比拟的优点，譬如：覆盖面广，具有极佳的广播性能；传输不受地理条件的限制，组网灵活；网络建设速度快，成本低；能够灵活高效地利用和扩展带宽；链路性能好，利于推广多元化的多媒体应用；技术成熟，标准稳定等等。作为地面网络的补充，宽带卫星接入系统对于地面网络不能到达的不发达地区来说是一种有效的通信方式。据统计，到２０００年底，全球使用卫星Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入业务的用户达到了３００万。有人估计，到２００５年卫星接入将占有北美１０％的高速Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入市场。

　　目前应用最广的卫星宽带接入系统是ＤｉｒｅｃＰＣ系统，它是美国休斯网络系统公司推出的高速宽带多媒体接入技术。它将高速宽带的传输技术和卫星数据广播技术相结合，以不对称传输方式弥补地面传输带宽不尽如人意的缺陷，同时又可以利用其下行带宽空闲时间进行数据、音频、视频信号的广播传送。ＤｉｒｅｃＰＣ系统的最大特点就是利用了卫星广播信道实现ＩＰ组播，通过ＤｉｒｅｃＰＣ综合业务平台，利用一台服务器能够对无数量限制的卫星单收站（即没有交互功能）同时发送单一的连续数据流而无时延。因此，网络成本会变得相当低廉，并可以达到从未有过的传送能力，而不必担心信道拥塞。ＤｉｒｅｃＰＣ系统最高支持２４Ｍ的速率进行组播，此种服务适合于类似ＭＥＰＧ－Ⅱ这类高品质、多频道流式视频传送以及音频流式传送。除ＤｉｒｅｃＰＣ系统外，较为流行的卫星宽带接入系统还有ＩＰ ｏｖｅｒ ＤＶＢ及用于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ干线传输的双向卫星系统ＩＰＳａｔ和Ｃｏｍｔｉｅｒ等。

３．几种可能的宽带卫星接入的解决方案

　　多媒体技术是一种新兴的信息交流方式，它不是简单的把声音、文字、图形和图像等几种媒体叠加后呈现在人们面前，而是通过有机的信息集成，为人们提供最优的视听品质。随着多媒体应用的逐步普及，传统的网络框架已不再适用，全交换和高速接入已成为新型网络结构的两大特点。因此，对网络技术的基本要求也相应加强。

　　首先，多媒体通信网络必须有足够的带宽。数据传输速率应该在１００Ｍｂｉｔ／ｓ以上，才能满足各类多媒体通信应用的需求；其次，网络必须保证多媒体通信的实时性和可靠性。语音和图像的延时都要小于０．２５ｓ，静止的图像要求小于１ｓ，对于共享数据要求没有误码；再有，系统必须保证精确的同步，这包括媒体间同步和媒体内同步；多媒体通信的最大特点就是交互性。它不仅要求具有高质量的多媒体数据传播能力，还要求具有一定的信息反馈能力，能及时传送用户的反馈信息。

　　一般现有的电信网、计算机网和ＣＡＴＶ网，虽然都可以用来传送多媒体信息，然而都各自存在不同的缺陷。加之全球范围内的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入、交互式多媒体业务、电视会议和其他带宽密集型应用的迅速增长，要求有更加灵活和成本低廉的宽带解决方案。

　　针对上述多媒体通信的要求，鉴于卫星宽带接入的特点，现主要提出两种加速因特网传输的卫星接入方案：一种是利用卫星的高速下载和地面反馈的外交互的方式，该方案是基于当前因特网信息流量非对称性（接收数据量往往远大于发送数据量）而提出的，采用卫星链路作为下行数据链路，将其他通信网络如电话拨号、局域网等作为上行数据链路。另一种是利用宽带卫星的双向传输，例如Ｔｅｌｅｄｅｓｉｃ系统可以给用户提供１６ｋｂｐｓ～２．０４８Ｍｂｐｓ的传输速率。

　　下面分析几种具体的卫星宽带接入的解决方案。

　　方案一：卫星与传统的Ｍｏｄｅｍ或专线相结合接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ

　　该方案其工作原理如下：用户的电脑装配一张卫星网络ＰＣＩ卡，并和一个大约７５厘米口径的卫星接收天线相连。所有低带宽、外向的信息（如网址要求）通过调制解调器从电话网络上送出，但所有高带宽、内向的信息（比如一个图像丰富的网站）都从卫星上直接发射到用户的电脑上。用户在浏览器软件上单击一个网址，网址要求信号由调制解调器送出到用户的ＩＳＰ。在这个要求信号离开用户ＰＣ机之前，用户端软件附加了一个ＩＰ头码到要求信号上。这个附加码指示用户ＩＳＰ把要求信号转到网络运行中心，ＮＯＣ接到要求信号后，把附加码去除，然后根据用户要求到相应的网站去获取所需信息，再将信息上传到卫星，以高速高带宽送到用户的接收天线，再到用户的ＰＣ机上或配置机顶盒ＳＴＢ（ｓｅｔ ｔｏｐ ｂｏｘ）的视频接收机中。这种卫星高速数据接入系统充分利用互联网不对称传输特点，采用ＤｉｒｅｃＰＣ技术，用户端只需１４．４ｋｂｐｓ以上Ｍｏｄｅｍ基本上网配置、卫星网络ＰＣＩ卡、用户端软件和０．７５ｍ卫星接收天线等设备即可。系统的交互速率可达２００－４００ｋｂｐｓ，最高可达３Ｍｂｐｓ高速单向广播式数据文件下载。

　　该系统比较适合于单向的远程教学，也可以用于会议电视及为各类教育机构、大中院校、成人教育等开设交互式远程教育课程等。但采用Ｍｏｄｅｍ拨号上网要受限于线路速度，最高不超过５６ｋｂｐｓ，而且上网的费用相对较高。即使采用光缆或卫星及微波等无线信道的专线连接方式能提高上行速度，但由于需要建立联网的站点且费用较高，使得它只适合于业务量大的单位和机构团体，不适合于广大个体用户。目前很多公司都采用这种类似的卫星宽带接入方式，如中国通信广播卫星公司推出的“中星在线”、广东电信推出的“星网通”业务以及科利华公司开发的卫星宽频互动教育平台等。

　　方案二：卫星与有线电视网相结合接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ

　　为了寻求一种对个体用户来说上网快、费用低、投资少、见效快的途径，不妨考虑卫星与有线电视网相结合的新型上网方式。有线电视网的ＨＦＣ网络是采用光纤和同轴电缆混合铺设，具有成本低、信号质量好、频带宽的特点，给家庭用户高速、快捷上网开辟了一条新途径。

　　由Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的高速接入供应商、本地ＩＳＰ有线电视台（ＣＡＴＶ网络）和用户终端组成。国际出口就是一个Ｉｎｔｅｒｎｅｔ高速接入供应商，在这里建立卫星上行的主站，下行数据经过发射无线送到卫星转发器。在有线电视台设立卫星接收站，把收到的数据经过电缆数据调制器、上变频器，变成有线电视网络需要的射频ＲＦ，用户在家中使用带有数据广播接收卡的计算机，将电缆中的信号解调并接收。同时用户的计算机配普通电话Ｍｏｄｅｍ，拨号到本地ＩＳＰ，把用户的请求信息传送到对方。本地ＩＳＰ在此起到路由的作用，沟通用户和远端的国际出口局。这样从地面Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上行到卫星与有线下行，构成了一条完整的双向数据通路。

　　这种新的接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的方法充分利用了现有的ＣＡＴＶ网的现状和卫星不对称单向广播的特点。有线电视网络仍然采用当前的单向传输，而卫星也采用单向广播传输，用户的回传信息则通过地面的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ传送到信息源。这种方式，有线台就不必要建设卫星上行站，而有线电视网也不必要进行双向改造，这就大大减少了资金的投入，缩短了建网的时间。从卫星到有线整个信道具有宽带特点，且价格低廉，让用户充分享受到高速上网的服务，是一种比较理想的宽带接入方式。

　　方案三：卫星与ＶＳＡＴ系统结合的双向传输网络

　　前述两种方案都利用地面网来实现信息的回传问题，但是地面网的信道比较拥挤，可能常常会发生阻塞和故障，此时不妨考虑利用ＶＳＡＴ网来接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ。由于ＶＳＡＴ系统具有覆盖范围大、结构灵活、组网迅速方便、易于实现多级连接，用户终端接入方式灵活等优点，使得它完全可以作为地面网的补充，甚至在某些场合成为唯一的可行方案。

　　除了使用ＶＳＡＴ网或地面网外，我们可以考虑使用双向ＶＳＡＴ小站通过卫星链路的回传信道来实现双向传输。一般来说小站的回传速率远小于下行广播速率，因此考虑采用星型（ｓｔａｒ ｎｅｔｗｏｒｋ）的ＶＳＡＴ系统。该系统的大量高速数据通过主站天线发射至卫星转发器，下行则通过数字视频广播（ＤＶＢ）传送至各个远端的ＶＳＡＴ小站，最后再通过相应的数据接口设备传送到某一用户的电脑，或是通过与局域网相连的某一ＰＣ机传送给多个用户。

　　由于主站与远端站间需要进行交互传输，因此远端站需要安装一个宽带双向（ｔｗｏ－ｗａｙ）终端。如果远端小站只接收Ｉｎｔｅｒｎｅｔ内容，则只需安装单向（ｏｎｅ－ｗａｙ）终端。一个双向终端主要包括室外单元（ＯＤＵ）和室内单元（ＩＤＵ）。ＯＤＵ包括ＲＦ部分的天线和ＨＰＡ。ＩＤＵ则配有机顶盒（ｓｅｔ ｔｏｐ ｂｏｘ）用于提供宽带交互式卫星系统网络接入的数据接口，连接ＯＤＵ和用户的ＰＣ。用户的需求和反馈信息通过该设备经由ＯＤＵ的ＲＦ天线和功放发射到卫星，并最终转发至主站接收。主站将经过基带处理的用户信息传到网管系统，在ＮＭＳ系统的帮助下及时从Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上获取所需信息传回用户。

　　该系统的网站设置简单，可根据需要在主站配置上增添新站点。其卫星接入方案可靠、安全，能提供稳定的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ服务。从主站到终端的前向信道采用ＤＶＢ－Ｓ标准，回传信道可采用近年来广受关注的ＤＶＢ－ＲＣＳ标准。实现快而且易管理、易获得，操作及维护费用低。在现实中被证实是可行的，比较适合于居民及小型企业的需求。但是它的主要缺点是系统的回传速率比较小。

　　对于某些小站回传速率较高的情况，我们可以考虑采用基于无主站“ｈｕｂｌｅｓｓ”的网状（ｍｅｓｈ ｎｅｔｗｏｒｋ）ＶＳＡＴ系统。该系统可以与星型ＶＳＡＴ系统结合使用，互通业务，从而形成混合网络（ｈｙｂｒｉｄ ｎｅｔｗｏｒｋ），但此时网络需要添加另一套独立的管理和操作体制，实现较复杂。

４．远程教育的应用实现

　　远程教育自从开始到现在，虽然只有短短三年，但其发展速度却很惊人。然而从内容方面考虑，目前的远程教育在互动教学方面还很不成熟。许多教育虽然是在网上进行的，但大多仍以教为主，学生与教师间缺乏实时的互动交流。而且学习视频受网速和带宽的限制，无法达到多媒体教学的良好效果。鉴于这种情况，我们不妨考虑采用基于卫星宽带接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的方式。

　　结合方案一和方案三的思想，采用空中和地面两种回传方式，这样就实现了空中、地面互为备份，用户可任选合适的通道接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的综合系统。该系统采用两种终端站，双向ＶＳＡＴ小站实现交互式的卫星双向传输；单向ＶＳＡＴ小站与地面网结合，只接收卫星的下行广播数据，而利用地面的回传信道构成双向回路。

　　假设该远程教育的中心站ｈｕｂ设于南京，计划首先覆盖江苏省，进而覆盖全国。该系统初步设计拥有５００个双向ＶＳＡＴ终端，２０００个单向终端。双向终端的天线不超过２ｍ ，其ＨＰＡ可选０．５ｗ／１ｗ／２ｗ，单向终端的天线不超过１．２ｍ。终端站可根据业务需要，选择天线（０．９６ｍ／１．２ｍ／１．８ｍ）和ＨＰＡ功率，以满足不同回传速率的需要。设计主站使用６ｍ－１０ｍ天线，ＨＰＡ最大不超过８０ｗ。拟订采用ｋｕ波段的卫星，如ＡｓｉａＳａｔ３Ｓ，转发器工作于饱和状态。前向链路设计采用ＴＤＭ接入方式，回传链路采用ＭＦ－ＴＤＭＡ接入方式，调制方式为ＱＰＳＫ。采用ＤＡＭＡ机制。网络的入向（ｉｎｂｏｕｎｄ）采用ＤＶＢ－ＲＣＳ标准，最大速率可达２Ｍｂｐｓ，出向（ｏｕｔｂｏｕｎｄ）采用ＤＶＢ－Ｓ标准，最大速率可达４８．５Ｍｂｐｓ。该远程教育系统适合操作平台：Ｗｉｎｄｏｗ９８，ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ，ＷｉｎｄｏｗｓＭｅ，ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ，Ｌｉｎｕｘ。网络数据接口符合ＰＣＩ２．１，ＵＳＢ１．１或１０／１００ＢａｓｅＴ标准。终端在ＮＭＳ中存有参数如ＶＳＡＴ ＩＤ，ＭＡＣ ＩＤ，终端信息需验证才能Ｏｎｌｉｎｅ。因此只有授权用户才能接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，享受ＩＳＰ提供的服务，从而保证信息的安全性。同时为 保证“永远在线”服务，考虑确保链路的可通率至少在９９．８％以上。

　　上述是远程教育系统实现的一个初步方案。以ＡｓｉａＳａｔ３Ｓ为例，根据粗略的链路预算结果表明该系统是可行的。由于目前ＤＶＢ及ＤＶＢ－ＲＣＳ标准的应用技术还不够成熟，地面和空中两种系统的兼容和网络管理还存在许多问题，因此还处于试验阶段，需要根据实际加以验证和修改。随着卫星宽带技术的逐步完善，相信在不久的将来，这种使用卫星宽带接入的远程教育系统一定能广为流行。

----《通信世界报》