刘剑 黄国策 宋爱民
空军工程大学电讯工程学院微波室
摘要：介绍了宽带卫星通信的概念及发展现状，讨论了卫星ATM、卫星IP、星上处理技术，分析了宽带卫星中的雨衰、QoS问题，阐述了宽带卫星通信的发展策略及趋势。
关键词：卫星通信 宽带 卫星ATM 卫星IP 星上处理
一、宽带卫星通信的发展现状
在卫星通信中，宽带卫星通信是一个新概念，其主要目标是为多媒体和高数据速率的Internet应用提供一种无所不在的通信方式。可以认为，新一代卫星系统是为了提供个人电信服务，与上一代卫星网络的最大区别是砂载的业务由低速业务及话音业务变为Internet和多媒体业务。在卫星通信领域，静止轨道卫星仍扮演着十分重要的角色，但应全球个人通信的要求，宽带移动卫得通信是发展的必然趋势，有关技术也在逐渐成熟。
目前约为20个Ｋａ（Ｋｕ）波段LEO/MEO/GEO宽带卫星通信系统，这些系统主要用于多信道广播、Internet和Intranet的远程传送以及作为地面多媒体通信系统的接入手段，成为实现全球无缝个人通信、Internet空中高速通道必不可少的手段。
二、宽带卫星通信技术
1.卫星ATM
ATM是有线网络宽带通信的主要技术，与无线相结合产生的研究方向一无线ATM（WATM）。WATM可以使用包括卫星信道在内的任何类型的无线信道，所以新一代移动卫星系统把ATM结构作为传输模型，而所用的卫星通常具有多点波束，并具有星上处理能力。透明转发卫星网络和有星上处理能力的卫星系统都可以与ATM网络结合使用。
具有星上处理功能的卫星系统中，星上ATM交换机和地面NCC都执行控制功能。负载交换机和地面终端间的接口可以是用户－－网络接口（UNI）或网络－网络接口（NNI）。低速卫星链路的用途是将远端ATM主机连接到陆地网络上。这时，ATM主机和星上交换机间的接口是UNI，星上交换机和陆地ATM网络间的接口是NNI。应用高速数据链路时，有星上处理能力的卫星是一个ATM节点，其接口是NNI。具有星际链路（ISL）的卫星系统中，空中卫星网中每一颗卫星都是一个ATM节点，空中网络不但提供网络接入，而且还提供网络互联，卫星之间的接口是NNI。
两个卫星移动终端之间及卫星终端与连接于PSTN的固定终端之间的简单的端到端通信说明了，有ISL互联的移动卫星系统中，无论是固定终端还是移动终端，之间都可以进行高数据速率的远距离通信。这类系统中，直接通信的终端必须装有卫星适配单元，将必要的用户终端协议转换到卫星协议平台上。卫星适配单元不但有信道编码、调制、解调等物理层功能，还包括射频和天线部分。系统中卫星的功能有：星上信号再生、复用/解复用，信道编译码及ATM交换。
另一种将使用ISL的移动卫星系统与ATM网络连接起来的方法，是把第一颗卫星当作一个ATM节点，把每一条ISL当作单个虚通路连接（VCC），把连接的寻址路径当作ATM网络的虚通道连接（VPC）。因此，把LEO卫星作为ATM节点，我们便可以在空中建立一个完整的ATM网络，应用类似于ATM的算法。特别地，在移动卫星系统中应用VPC和VCC的概念可以利用ATM寻址和传输方案的优点，而移动卫星网络接入陆地ATM网络也变得更为简便。
2.卫星IP
TCP/IP是为地面网络设计的，用于卫星信道时会出现长时延、较高的差错率、前/反向信道非对称等很多问题，需加以解决才能顺利工作。
对于地球同步轨道卫星，其单跳时延为270毫秒，在TCP传输控制协议中需要返回确认，往返传输时间（RTT）为540ms。按TCP/IP协议，信道中任一比特发生差错都要进行数据重传。这种机制当拥塞窗口太大时对数据传输产生影响，被称做窗口效应。此情况下卫星信道的最大数据吞吐量将受到限制，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（kB）默认为8kB，因此在双向卫星信道上的最大数据吞吐量为64kB/540ms=118.5kBps=948.15kbps。同时，在建链过程中有同步、应答等握手信号，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协议中接收端“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大拥塞窗口。对拥塞结束后的慢启动过程也很不利。
为了解决TCP/IP在卫星信道上运行的困难，可分为两类解决方法：一在协议上改进，IETF已经提出了一些扩展建议RFC，例如：RFC1323，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。二是在卫星链路起始端设置网关，将TCP/IP协议转换成较适合卫星信道的算法，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Internet和用户终端连接。
3.星上处理（OBP）技术
OBP有很多种形式用于ATM卫星通信，其主要目的是为VSAT地球站提供单跳连接。OBP大体上分为三级。一级；基带OBP和OBS（星上交换）/OBR（星上寻址）；二级：中频/射频（IF/RF）处理和交换；三级：支持处理功能。一级通常与安全处理卫星相对应，典型的例子是Teledesic卫星。二级大体上与部分处理卫星相对应，包括信号再生和中频/射频交换，但不包括基带OBS。其它与通信并非直接联系但支持通信功能的处理形式都划为三级。本文只讨论基带OBP和OBS。
基带OBP的目的是提高链路的性能及有效性，降低费用或增加容量，增加容量已是现阶段的发展趋势。更重要的是，把基带OBP和OBS相结合会增加整个网络的有效性和灵活性。OBS是“空中因特网”卫星的必备要素。在SS-ATM（星上交换－ATM）中，OBP是基于信元的OBS。
基带OBP除了信号放大和频率转换外，主要功能还包括：解调、解复用、检错、纠错、转换寻址和控制信息。它与信号再生和信号传输有关，包括数据的交换与寻址、波束形成、数据缓冲和数据复用。信号再生技术通常用于提高信噪比（S/N），降低BER。在卫星ATM中，因为要保持10-8或更低的BER，这一点尤其重要。除信号再生和信号交换外，基带OBP还有大量的技术可以对系统性能进行优化，例如波束形成。OBP不但能做到对干扰调零，还可进行动态波束形成。也可实现天线增益和覆盖范围的动态按需分配，从而对卫星的EIRP进行灵活分配。
三、宽带卫星通信面临的问题
1.雨衰
目前，宽带卫星系统已采用Ka频段，而Ka波段传播特性受降雨衰耗的影响较大。但是从实验和实际应用的结果来看，采用自适应功率控制（用于上行）和自适应数字编码（用于下行）可以解决这个问题。如NASA的ACTS采用了RS码和卷积码级联，晴朗天气情况下，其误比特率可达到10-12，有雨衰的情况下，至少99％的时间可以达到10-11。
2.QoS问题
电信网络中的QoS标准通常包括带宽、吞吐量、实时性、主观质量和费用。把话音和数据业务扩展到多媒体和宽带应用、把固定网络扩展到移动网络、把地面网络扩展到卫星网络时，对系统组件的管理就变得更为复杂。为了获得并保持期望的qoS，应进行控制和监督，即QoS管理技术。这些技术不但用于交互式通信的开始（静态功能），也用于交互通信的过程（动态功能）。静态功能包括对QoS要求的定义、协商、接入控制及资源预留，而对实际所提供的QoS的测量、整理、保持、重新协商、匹配和同步，则属于动态功能。在ATM卫星网络中，采用星上处理技术并把多路IP数据合并为单条VC时，QoS管理器就把IP业务数据按等级划分开，以充分利用带宽。
四、宽带卫星通信发展策略及趋势
1.更注重Internet接入
卫星非常适合于传输Internet业务，优点为：传输不受陆地电路影响，卫星不对称线路方案经济高效，更适于局域网，可作为多信道广播业务的平台。
2.开放标准与模块化问题
已有的LEO/MEO GMPCs卫星系统其全球标准化开放标准能力极差，很难形成规模化能力。在下一步全球宽带MSS行程中，纳入IMT-2000的类3G MSS轨道，进行全球开放标准与规模化运作，并与相应地面业务部分取得有效的综合，是一条有效的出路。
3.商业策略
2001年国际卫星大会上，由LEO/MEO GMPCS失利反思的一致看法是：获得与地面业务相比拟的性能价格比是未来卫星通信，包括其未来多模终端应用发展的基本准则。地面移动通信网络容量及用户数增长速度极快，以每年30％-50％的高速递增，同时更新换代速度也很快，在10-15年内可能会快速发展。因此，宽带卫星通信系统的发展必须适应这种演进竞争步伐，在提高性能价格比的前提下快速发展。
摘自 《数据通信》
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