卫星移动数据通信网

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卫星移动数据通信网（杨传厚）
    摘要：支持宽带多媒体通信服务及移动性的卫星数据通信网是未来通信技术权有吸引
力的一个领域。它们有很大的复盖面，因而对中国这样幅员辽阔的国家有很重要的意义。
本文叙述了这种网络的结构及参数模型，并讨论了与它的发展有关的若干技术问题。
    关键词：卫星  移动性  宽带  数据通信网
    一、导言
    最近几年来移动数字电话及数据通信网、尤其是ATM宽带数据通信网发展很快，人们同
样也希望发展移动宽带数据网，无线ATM网是一种解决的方案。中国幅员辽阔，并且由于某
些地区地形的特点（高山、沙漠等人口较为稀少的地区），建立有线地面网络不经济甚至
不可行，而建立卫星移动数据网将有助于这种问题的解决。卫星移动通信网在一些领域可
以获得应用。例如：石油工业、海事及海洋工程、森林业以及军事等领域。
    卫星移动通信网的优点在于：
    （1）有很大的复盖面积，并且能很快及完全地复盖。
    （2）可以采用全球统一的标准及建立全球的通信网。
    （3）它特别适合于广大农村，以及其地形困难、建立地面有线网络不合算或不可行的
那些地区。
    （4）可用于急救及安全管理当局及其部门。
    卫星数据通信网的一个主要缺点是其传输时延相对比较大。
    本文主要内容是简要介绍卫星移动ATM网。
    这种网络很可能设计在Ka波段（20／30 GHz）工作。但也可以设计在传统的C或KU波段。
最近几年一些西方研究单位及商业公司在这方面已进行了研究并为此发射了若干试验卫星。
由于移动的宽带（ATM）网络对中国有很重要的意义，它应当成为中国通信技术本来发展的
一个方面。
    卫星移动ATM网络有两种网络结构：即透明的卫星ATM网及星上处理的卫星ATM网。在第
一种结构中，卫星起一种中继的作用；而在第二种结构中，卫星将作为一个ATM网络节点而
工作。
    二、结构
    1·透明卫星网络
    根据T1A TR34.1的定义，根据网络对移动性支持的类别，透明卫星数据通信网又分为
3种：
    （1）SATATMI1.1固定ATM网络结构；
    （2）SATATM1.2支持移动终端的ATM网络结构；
    （3）SATATM1.3支持移动网络的ATM网络结构。
    在SATATM1.1中，卫星用于固定的地面ATM网络的互连。
    SATATM1.2支持移动的用户终端以及由于卫星轨道运动与卫星有相对运动的终端（例如，
在中／低地球轨道的卫星，用户终端UT的移动性要求）。卫星网络支持位置管理（location 
Management）；而卫星的运动要求卫星支持切换（Hand off或Handover）。切换可能有下
面几种：
    ·从一个卫星到另一卫星的切换。这时用户终端UT或GWS从一个卫星的复盖区进入另一
卫星的复盖区。
    ·从一个卫星波束到另一卫星波束。这时UT或GWS从一个卫星的波束进入卫星的另～波
束复盖范围内。
    ·从一个GWS到另一GWS。这时卫星离开一个GWS的视线到另一GWS的视线。
    前面两种切换不要求在ATM层的再次路由（Rerouting）并可在卫星上完成；但第三种
切换要求在ATM层的ATM连接的重路由：它是因为两个GWS是通过两个分开的ATM交换机与地
面网相连。
    在SATATM 1.3中，卫星通信网提供了一个移动网络与一个固定网络或是两个移动网络
之间的高速互连。一种应用是连接移动的多用户与平台网络之间的互连。例如：飞机、船
舶、火车等通过卫星链路与地面ATM网络的互连。在理想的情况下网络的移动性要求支持
切换、也支持动态路由〔例如，加入地面网络的路由层次）。当移动平台从一个卫星的复
盖区进入另一卫星的复盖区时，正在进行的连接必须从以前的卫星及GWS切换到一个新的
卫星及GWS去。
    ATM论坛正在研究在 PNNI（专用网到网接口）协议的第二版中，将移动性的扩充包括
到再路由机制中去。根据这项研究工作，每一个网络都可把自己加入到固定网的路由层次
中去。
    2．有星戴处理的卫星ATM网络
    在星载处理卫星的ATM网中，星上有效负载交换机（payload Switch）实现 ATM交换，
所以控制功能是在卫星上ATM交换机及地面上的网控中心（或网控站）之间分配。
    根据T1A、TR34.1，这种网络又进一步分为三种结构：
    ·SATATM 2.1低速的卫星链路，用来将远处的ATM主机与地面网络相连（UNI）。星上
交换机与地面交换机之间的接口是NN1。
    ·SATATM 2.2卫星是一个通过高速链路与多个地面ATM网互连的ATM节点。接口是NNI类。
    ·SATATM 2.3通过卫星线路将若干个卫星形成一个ATM网络。
  三、网络实体及协议
    网络通常由下面实体构成：
    （1）用户终端（UT）。UT可支持若干不同接口：ATM  UNI，帧中继 UNI，NISDN BRI
（基础码速），PRI，TCP／IP，UT与卫星适配单元（SAU）相接。
    （2）卫星适配单元（SAU）。通常设计成一个实体以提供连接到卫星的功能。它完成
到卫星平台的协议转换，包括物理层的功能，如信道编码、调制解调、无线部件及天线部
分。传输码速从16 kbit/s到T1或E1。
    （3）有效负载（交换机）（P／L）。星上的卫星交换机完成复接及去复接、信道编码
及解码以及用多点波束配置以完成快速分组交换。
    （4）网关地球站（Gateway Earth Station－GWS），它们是用来接入到外部网络的地
球站。在GEO（地球轨道同步卫星）系统中，GWS的数量及位置只与消息流有关；但在非GEO
（LEO及MEO）系统中它们还与另外一些设计有关。
    （5）网控中心（NCC）
    它是控制整个卫星网络资源及运行的中心实体。此节点向GWS分配无线频率。NCC负责
完成呼叫路由及呼叫管理，如位置更新、切换（如果可用）、认证、登记、删去登记、记
费等等。在非GEO系统中这些运作在多于一个的GWS中以分布式完成。
    在卫星ATM网络中可有两种参考模型：对于透明卫星网络采用ATM协议包装（EncaPsul
ation）的办法，它很简单且容易实现；对于有星载处理的卫星ATM网络，为卫星、SAU、N
CC及GWS专门设计了一个卫星ATM层（S－ATM）。
    卫星数据通信网中的MAC层（媒体访问控制）协议与通常地面网络中的局域网不同，这
是由于卫星通信中传输时延要大得多。为此研究了许多种可用的协议，最普通的MAC层协议
有：固定时隙分配协议（Fixed Assignment）、按需请求分配协议（De－mand Assignment）、
随机访问（Random Access）、时隙保留协议（Reservation）及自适应（AdaPtive）协议。
    由于卫星通信网中传输时延较大，使得TCP／IP在卫星ATM网中运行的性能不佳，必须
采取某些措施加以改善，例如缓冲器管理。
    四、小结
    支持移动性的ATM网络是通信技术中一项重要新发展，它大大地扩展了数据通信网的通
信范围并对中国有很重要的意义。
    有两类卫星可供应用：透明卫星及有星载处理的卫星。为了进行设计及实现这项技术，
有一些技术问题需要更深入地研究，它们是：
    ·位置管理；
    ·由于移动性产生的路由及再路由；
    ·切换及移动性支持；
    ·网络结构及协议的选择（例如是否用S－ATM，MAC层协议等）；
    ·TCP／IP在卫星ATM网上运行的性能及其改善；
    ·流控及差错控制；
    ·网络管理及监控。