寬帶衛星通信淺析

寬帶衛星通信淺析

一、衛星通信現狀概述

　　近年來，國際上已經有很多人造衛星被送上地球高空的適當高度和位置依次運行。其中有不少載有高科技裝置可以與地面互相通信，或向地面廣播。而很多國家已在不少的適當地點設置了地面站，安裝了針對高空衛星的地面天線，確保地面與衛星間實行可靠通信。各國在大力建設和發展地面有線通信網的同時，也很想利用高空運行的衛星配合陸地通信運用。特別在有些人口不很密集的地區，更想利用衛星來配合陸地通信，以期取得良好效果。在這些地區散布著范圍較廣但不密集的用戶，可以利用衛星作為用戶連至固定有線網的接入設施。在陸地通信網已經構成寬帶多媒體通信網的環境下，利用衛星建成寬帶衛星接入(BSA，Broadband Satellite Access)系統被認為是較好而切合實際的方案，既經濟又可靠。

　　利用高空衛星來配合地面正規的骨干通信網，在過去由于一些技術上的難題而未能大量使用。直至最近幾年，國際上一些主要單位加緊進行研究，解決了不少問題，才使寬帶衛星通信有可能真正付諸較多的重要應用，從而發揮了衛星潛在的優越作用，組成寬帶交互通信和較廣泛的應用。特別對于一些離骨干網較遠的小型企業單位和住家用戶，推行遠程醫療和遠程教育等設施，解決他們的實際困難問題，寬帶衛星通信是必需的。

　　二、寬帶衛星接入的各種形式

　　為了讓地面上眾多用戶能夠共同使用衛星通信，每一用戶終端(UT，User Terminal)各自設置小型的地面站，并安裝對準衛星方向的天線。用戶如欲與同一衛星所屬的遠地對方用戶互相通信，在發信時可以通過用戶終端和地面站連往高空的衛星，構成上行線路以發送通信信號。衛星發射連往對方用戶地區的射線，可以把始發用戶的叫話信號傳給對方用戶，構成下行線路，使對方的用戶終端收到。對方用戶回發的信號，則經過同一衛星由相反方向到達原來用戶，實現雙方互通的會話通信。

　　相仿地，陸地固定通信網經營者設置地面站，向衛星發送和從衛星接收各用戶的通信信號。但這些地面站內各有網關(Gateway)設備連接通信網經營者，或經過互聯網(Internet)連接通信網經營者。另外，每一個這樣的衛星網應該有主控制站(MCS，Master Control Station)，它與高空衛星有直接聯系。

　　任一用戶發信時，他的信息信號從其地面站射向衛星，這屬于上行通路。衛星內部設置適當的交換設備，可按發信人的意圖，選一個通路從衛星傳向對方用戶的地面站，這就屬于下行通路。這樣，任一地上用戶每次使用通信，只需要一個上行的衛星通路和一個下行的衛星通路，但要求衛星內部設置適當的交換處理設備，稱為星上處理(OBP，On-Board Processing)。這樣的星上設備主要作用是變換頻率和相應放大，沒有調制解調作用。

三、多址通信和動態容量分配

　　在衛星通信網中，上行通路傳送發信用戶依次發出的信號，可以使用時分多路技術(TDM，Time Division Multiplex)，讓前向通路得到良好利用。而在下行通路則廣泛使用多頻時分多址(MF-TDMA，Multiple Access)。這對低成本、低功率的小用戶終端傳送較低的傳輸速率很適宜。上行線路的所有用戶終端可以合用一個二維MF-TDMA幀，分成若干個不相覆蓋的時間頻率槽。由于每個UT發出的多媒體業務是突發的，因而多路合用必須是動態的，以保證通路的有效利用。這種動態容量分配(DCA，Dynamic Capacity Allocation)可以由一個集中站起協調作用。如有多個用戶終端爭取容量，則任一用戶終端不一定能夠獲得希望的全部容量，協調站還要考慮所有UT的需要。另外，衛星與地面傳播有時延，用戶發出請求的時間與接收的容量分配需經過兩個這樣的時延。如果由星上作安排，可能減少至一個時延。一般地，一個地面站經過衛星至另一地面站的時延約為270ms。上面講到利用衛星的星上裝置設備，可以獲取一定的優勢。但是，真正要求每個衛星都裝置這樣的設備卻不容易實現。因此，在現行的寬帶衛星接人系統，仍是利用地面上的MCS。

　　衛星通信廣泛利用按需指定多址(DAMA，Demand Assigned Multiple Access)方式，這種方式需要較多時間從MCS取得必要的安排才能接通通路，實現與對方用戶通信。這通路將有較好的QoS(服務質量)，沒有時延抖動或業務丟失，平均保持時間可以長達幾分鐘，并在通話時間內保持固定的傳輸率，例如PCM的64kbit/s?？梢哉J為，DAMA的效率一般是較高的，但對突發多媒體業務，因峰值與均值之比(PAR，Peak to Average Ratio)較大，DAMA不能用于很多用戶端。對于較短的數據信息，較長的建立時間是不利的。為了滿足要求，DCA必須得到改進?？梢钥紤]讓多媒體業務使用混合自由的DAMA(CFDAMA，Combined Free DAMA)方式，它可以把多余容量分配給有些用戶終端，得到一定的改進。它在大多數的通路利用情況下可以有較小的平均時延。

　　四、寬帶衛星系統的IP/TCP運用

　　衛星通信接入多媒體互聯網時，有必要采用互聯網協議(IP)。BSA系統是與用戶終端和網關兩處連接陸地網絡，它們都是采用IP協議的。衛星的媒體接入控制(MAC，Medium Access Control)就以此為根據，前向通路的接口為IP-MPEG2-TS，回程通路則用IP-ATM，也可能是IP-MPEG2-TS接口。用戶終端可能裝置在公司和住家大廈的環境下。一個用戶終端可能適合一定地區內許多用戶使用。因此，用戶終端既要適應IP協議，又要適應以太網的LAN協議。

　　BSA系統的前向通路容量是固定的，每一網關都有固定容量，像陸地通信網一樣。因此，陸地通信網適用的不同業務(DiffServ)標準方案也適用于BSA的前向通路。像適用DiffServ的輸入結點那樣，BSA的用戶終端必須完成對信息業務分類等作用。BSA系統的返回通路是由很多用戶終端合用的，每一用戶終端的返回通路容量是可變的。因此，每一部分的DiffServ很難滿足要求。近年來國際上正在研究返回通路的DiffServ應用，包括CFDAMA、DCA和業務排隊。

　　為了保證發端至收端傳送數據信息的質量，傳輸控制協議(TCP，Transmission Contol Protocol)曾在地面通信網廣泛使用?，F在寬帶衛星系統傳輸過程的分組損失率一般高于地面通信網，因此更加需要TCP的幫助，而且TCP應該適應衛星通路的環境而加以適當改進。對此，國際上曾研究和提出在衛星通信中應用性能加強代理(PEP，Performance Enhancement Proxy)。線路層采用重新發送和糾正誤差等措施，以克服由傳輸誤差所引起的分組損失。發信/收信機可考慮利用TCP，使陸地部分線路得到終端，避免了衛星部分的傳播時延長和損耗大。為了讓PEP與衛星通路特性相匹配，曾考慮采用隨機早期檢測(RED，Random Early Detection)、TCP-Reno與TCP-Dvegas，以及分開的衛星傳輸協議(STP，Satellite Transport Protocol))。國際上對于寬帶衛星通信系統在這些方面展開了廣泛研究。