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一、寬帶IP衛(wèi)星通信技術的現(xiàn)狀
近年來，第二代移動蜂窩系統(tǒng)的成功和因特網業(yè)務需求的急劇增長表明未來用戶的需要是“能在任何地點和任何時間使用交互的非對稱多媒體業(yè)務”。以多媒體業(yè)務和因特網業(yè)務為主的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)已成為當前通信發(fā)展的新熱點之一。傳統(tǒng)衛(wèi)星網的使用價格昂貴，而且不能適應目前多媒體業(yè)務和因特網業(yè)務發(fā)展的需要，不能開拓大眾消費市場。面對各種系統(tǒng)的競爭，如何在技術上保證提供業(yè)務的低價優(yōu)質，占領市場，是寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)得以生存和發(fā)展的關鍵。進入90年代以來，商業(yè)網絡逐漸向應用TCP/IP因特網協(xié)議的分組交換型網絡發(fā)展。寬帶IP衛(wèi)星技術是這種網絡發(fā)展趨勢的結果。它是將衛(wèi)星業(yè)務搭載在IP網絡層上營運的技術。這種技術有利于吸收采納目前蓬勃發(fā)展的IP技術，降低技術成本。IP網絡的傳輸特性也有助于降低業(yè)務成本，使衛(wèi)星通信在大眾消費市場上可以和地面系統(tǒng)競爭。
96年，美國NASA的ACTS衛(wèi)星（Advanced Communications Technology Satellite）進行了622Mbits/s的ATM試驗，驗證了TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星ATM平臺上的可行性。美國馬里蘭大學采用真實的多媒體源在這個系統(tǒng)平臺上進行了一個仿真分層網的通信實驗。
已經進入商用化的可以提供衛(wèi)星IP傳輸?shù)南到y(tǒng)稱之為衛(wèi)星IP over DVB系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)開展衛(wèi)星因特網業(yè)務的初步嘗試由休斯公司的DirecPC Turbo Internet service成功實現(xiàn)。這些系統(tǒng)都是根據(jù)大多數(shù)多媒體業(yè)務用戶的業(yè)務特點（下載大量視頻、音頻和數(shù)據(jù)信息，但上載信息很�。┒O計的。它們使用非對稱傳輸方式來降低用戶終端費用，并在北美獲得較大的市場。歐洲也在積極發(fā)展這樣的非對稱系統(tǒng)。
但是這些早期的應用離未來對寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的要求還有一些距離，在市場定位上還處于探索階段。目前美國和歐洲各國在衛(wèi)星IP技術方面做了一些嘗試。99年5月11日歐洲發(fā)射了ASTRA衛(wèi)星，組成寬帶、面向大眾的“空中因特網”衛(wèi)星系統(tǒng)。
二、寬帶IP衛(wèi)星通信技術面臨的挑戰(zhàn)
目前提出的寬帶IP衛(wèi)星系統(tǒng)都采用基于ATM的傳輸技術。一些國家，如美國、歐洲、日本、澳大利亞對衛(wèi)星ATM層和物理層性能測試的結果表明，ATM的性能可以滿足ITU-T G.826和I.356的目標要求。如果系統(tǒng)采用RS塊狀編碼、交織、FEC技術，衛(wèi)星鏈路可達到準光纖鏈路質量，ATM可以作為衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸技術。
但是衛(wèi)星ATM實現(xiàn)起來較為復雜，與現(xiàn)在的衛(wèi)星傳輸技術有很大不同。在衛(wèi)星ATM的分層實現(xiàn)上，存在兩種不同的觀點，一種是不改變現(xiàn)有衛(wèi)星的協(xié)議結構，只是將ATM協(xié)議放在非ATM的衛(wèi)星協(xié)議平臺上。另一種觀點是衛(wèi)星網采用完全的ATM結構，其中衛(wèi)星部分的ATM層是S-ATM（以區(qū)別地面固定網中的ATM層），支持傳統(tǒng)ATM業(yè)務、TCP/IP應用和UDP/IP應用。前者的優(yōu)點是衛(wèi)星平臺對不同用戶終端的協(xié)議標準是透明的；衛(wèi)星訪問協(xié)議止于關口站，不會為外界網看到；不需要修改現(xiàn)行的衛(wèi)星標準。缺點是很難為各種不同的協(xié)議都提供最好的性能。具有這種分層結構的衛(wèi)星ATM稱之為在非ATM上的ATM封裝。后者的優(yōu)點是適用于一個高度集成的星地ATM環(huán)境。缺點是協(xié)議復雜，需要修改現(xiàn)有的各種衛(wèi)星協(xié)議和網間接口協(xié)議。
在無線ATM移動性目標管理方面，目前已解決了ATM終端用戶在大樓或校園內的實時移動管理問題，試驗的移動距離從數(shù)米到數(shù)百米，數(shù)據(jù)率為2-24Mb/s，頻段為2.4GHz或5GHz。但是，含有ATM交換機的子網整體的移動性管理至今未能解決。該領域內也鮮有工作。該應用的典型例子是在一架大型客機上有一個ATM網絡提供機上數(shù)百名乘客通信和娛樂業(yè)務。在此環(huán)境下，終端用戶相對服務平臺不動，但整個ATM網相對地面網是移動的，兩者之間通過衛(wèi)星建立通信鏈路。一個新的移動管理目標是在全球衛(wèi)星與飛機間通信的特定環(huán)境下網絡段（即含有一個或一個以上交換機的ATM子網）的移動管理。這一目標可以發(fā)展為未來全球N-GEO寬帶衛(wèi)星ATM系統(tǒng)的移動管理目標。以Teledesic系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)的288顆低軌相對靜止衛(wèi)星和地面設備都是移動的，其網絡段的移動管理是一個重要的問題，直接影響系統(tǒng)性能。
三、寬帶IP衛(wèi)星通信技術的發(fā)展趨勢
3.1 系統(tǒng)結構繼續(xù)沿衛(wèi)星ATM方向發(fā)展
（1）實時多媒體業(yè)務的網間交互控制
為滿足多媒體業(yè)務需要，往往有不同的寬帶網絡技術如ATM、幀中繼、高速以太風和不同的交換技術如ATM分組交換、IP交換和LAN交換，以便在同一個網際環(huán)境中提供所需的骨干數(shù)據(jù)傳輸服務。要實現(xiàn)實時的多媒體傳輸就必須將這些不同的網絡技術和交換技術協(xié)調起來。在IP傳輸網方面，目前國外研究的重點是評估在高速IP風中能保證QoS的各種路由和資源管理策略，包括RSVP（Resource ReSerVation Protocol）、分組規(guī)劃（packet scheduling如平等排隊fair-queuing）和其它一些實時路由控制協(xié)議如RTP（Real-time Control Protocol）、RTCP（Real-Time Control Protocol）、RTSP（Real-Time Streaming Protocol）等。RSVP和分組規(guī)劃是一種資源預留協(xié)議，位于IP協(xié)議棧的上面，需要下層路由的支持。RTP和RTCP協(xié)議一般運行在UDP/TCP的上面，用于解決端到端的實時業(yè)務傳輸?shù)亩〞r問題，包括定時對準（timestamping）、分組編號（sequence numbering）等。RTP和RTCP協(xié)議經過修改可以運行在CLNP（Connectionless Network Protocol）、IPX（Internetwork Packet Exchange）、AAL5/ATM或其它協(xié)議之上。RSVP根據(jù)實時視頻數(shù)據(jù)流在業(yè)務提供者和用戶之間連續(xù)流動的特點，在IP網上提供遠端流控機制，使用戶在一邊播放已解碼的實時數(shù)據(jù)幀，一邊解壓收到的數(shù)據(jù)幀的同時，能接收實時數(shù)據(jù)流，保證播放的連續(xù)性。在ATM傳輸網方面，一些研究者將一些IP網的路由技術和ATM相融合以期更好地解決衛(wèi)星多媒體業(yè)務的QoS問題（如RSVP over ATM）。除此之外，在實時多媒體業(yè)務交換技術方面出現(xiàn)了一些新技術，如IP交換、tag交換、結合I-PNNI的MPOA（Multiprotocol over ATM）技術等。這些新技術將IETF（Internet Engineering Task Force）和ATM論壇新近研究的建議適用于衛(wèi)星寬帶網的環(huán)境，希望更好解決網際間實時多媒體業(yè)務傳輸?shù)幕ゲ僮鲉栴}。
�。�2）提高ATM衛(wèi)星環(huán)境下端到端的TCP性能
未來的寬帶衛(wèi)星網將和地面ATM/BISDN一起構成寬帶INTERNET網（由于衛(wèi)星信道的延時較地面長，其擁塞控制與地面網有很大的不同）。為有效傳送Internet業(yè)務，有必要分析一下端到端的TCP性能。地面終端通過星上交換機建立虛通道（VCs）來傳輸ATM信元。為實現(xiàn)有效的擁塞控制，除流控和VC管理外，地面終端還必須提供IP網和ATM網之間擁塞控制的機制。星上的ATM交換機必須采用信元和VC級的業(yè)務量管理機制。TCP主機也要利用各種擁塞控制機制來實現(xiàn)有效的帶寬利用。但是目前在算法上還存在很多爭議。
在實現(xiàn)與ATM/BISDN的互連方面需要對星地綜合的寬帶ATM網進行實時多媒體業(yè)務管理。
（3）移動管理
為了解決目前的移動管理協(xié)議效率低的問題，近期提出了若干新的移動管理方案。比如Tsuguo Kato等人提出的一種高效移動管理方案，該方案基于ATM面向連接和非連接方式的混合模型，為要求QoS保證的業(yè)務提供類似ATM-SVC（switched virtual connection）的路由，并為要求“盡力傳輸”的業(yè)務提供類似ATM-CL（connectionless）的路由。其路由策略依照邏輯子網原理進行優(yōu)化。在支持含有ATM交換機的子網整體的移動性管理方面，Sankar Ray，Boeing提出了將ATM論壇的專用網絡節(jié)點接口（Private Network-Node Interface，PNNI）V.1協(xié)議擴展為一個支持網絡段移動的有關定位管理和路由的建議。
3.2 新系統(tǒng)結構可能后來居上
近年來IP和多媒體技術在衛(wèi)星中的應用已成為一個研究熱點。ITU-R第四研究組于1999年4月26日至5月7日在瑞士日內瓦舉行了WP4A、WP4B、4SNG、SG4會議。在WP4B會議上，IP和多媒體技術在衛(wèi)星中的應用作為新技術課題提案獲得了通過，這對寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展具有重要影響。參加這次大會的有關人士認為，IP很有可能成為未來的主要通信網絡技術，大有取代目前占主導的ATM技術的勢頭。IP數(shù)據(jù)包通過衛(wèi)星傳輸?shù)目捎枚群托阅苣繕伺cITU-T G.826和ITU-R S.ATM建議要求是不同的，有關研究將在2001年完成。關鍵技術研究包括衛(wèi)星IP網絡結構；支持衛(wèi)星IP運行的網絡層和傳輸層協(xié)議的性能需求；IP層協(xié)議或能加強衛(wèi)星鏈路性能的更高層協(xié)議，需要作什么樣的潛在改善；IP保密安全協(xié)議及相關問題對衛(wèi)星鏈路的要求將產生什么影響；ITU-R為提供與ITU-T和其它標準化組織最合適的聯(lián)絡應作出什么樣的安排等方面。這種技術若能實現(xiàn)與地面IP網絡兼容，半直接影響衛(wèi)星通信業(yè)務的發(fā)展。
衛(wèi)星IP網絡結構是地面寬帶IP技術在通信領域內的演變和應用，是適應衛(wèi)星分組業(yè)務和降低系統(tǒng)復雜性的一種嘗試，目的在于廉價地提供用戶滿意的大流量分組數(shù)據(jù)業(yè)務，而無須ATM的干預。采用這種非ATM的IP over Satellite的方案與IP over ATM的方案相比有如下好處：
·開銷小。Bell實驗室的仿真表明如果采用IP over ATM over SONET的結構，大約有22％-29％的開銷，而在其中SONET的開銷大約是4％。因此，我們考慮將ATM層去掉，實現(xiàn)IP over SONET或者IP over SO-CDMA/TDMA。
·易于實現(xiàn)千兆分組網絡。目前，采用ATM技術的多媒體衛(wèi)星的實驗干線速率已達622Mbps。但是在提升到吉比特時，ATM的開銷大這一缺點制約了線速的繼續(xù)提高。
·降低系統(tǒng)復雜度。在RS塊狀編碼、交織和FEC等技術支持下，衛(wèi)星鏈路可達準光纖質量。因此無需采用ATM復雜的QoS保證機制便能抵御無線信道的誤碼。日本KDD在其“KDD太比特（Terabit）高速公路計劃（KTH21）”中明確提出不需要ATM交換和SDH終端設備實現(xiàn)高速網絡。
具體的一些研究方向包括：
�。�1）提供基于LAN的IP互連
采用在發(fā)展中的Ipv6和RSVP，基于LAN的IP能支持具有不斷變化QoS量級的實時業(yè)務，其方法是沿業(yè)務流的路徑在各個中轉路由器中保留資源。因為IPv6能夠提供雙向交互式業(yè)務如視頻會議、web瀏覽，這些業(yè)務的傳輸要求和只要求“盡力（best-effort）傳輸”的業(yè)務（如ftp）不同，所以無線接口的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議必須包括一個能把QoS要求變?yōu)楹线m的衛(wèi)星MAC PDU的功能塊。也就是說星上的動態(tài)容量分配（DCA）必須與IP層的QoS相配合，并控制端到端的無線LAN的QoS。
�。�2）適應衛(wèi)星IP業(yè)務的MAC層協(xié)議
MAC層協(xié)議保證分處兩地的通信節(jié)點有能力控制它們之間的分組交換，并有效地管理網絡帶寬，以充分利用資源。近年來，出現(xiàn)了一系列的MAC層協(xié)議，以適應各種應用環(huán)境的要求。但是這些MAC協(xié)議往往在滿足一些應用要求的同時，無法滿足另外一些應用要求。當我們只考慮衛(wèi)星通信的MAC層協(xié)議時，首先，相當一些MAC協(xié)議由于衛(wèi)星時延的限制而不在我們的考慮之內，如LAN和WAN的MAC層協(xié)議。第二，一些已被地面網絡實用的MAC層協(xié)議，因為衛(wèi)星和地面鏈路的傳輸時延不同，而應在衛(wèi)星網絡中重新評估。第三，衛(wèi)星物理設備的改變是有限的，因此需要一個簡單可行的控制機制。第四，衛(wèi)星網的MAC協(xié)議應具備容錯和生存能力，在網絡拓撲發(fā)生變化或系統(tǒng)重構時，能正常工作。第五，有利于降低功耗和降低緩存容量，提高信道容量。寬帶衛(wèi)星IP網絡的MAC層協(xié)議的設計目標是實現(xiàn)高信道流量、低傳輸時延、信道穩(wěn)定性、協(xié)議可實現(xiàn)性、信道重構性和控制算法的低復雜度。目前，針對多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)的MAC層研究基本上都是關于MAC層和wmATM（wireless mobile ATM）的疊加模型的性能比較。Hassan Penyravi將現(xiàn)有的MAC層協(xié)議分成5類，比較了在NASA Mars地區(qū)網應用背景下，它們對多媒體的支持情況。Janez Bosic研究了在TDMA衛(wèi)星網中采用優(yōu)先權村記的MAC層協(xié)議來保證ATM傳輸?shù)姆桨浮?
這些研究表明，目前尚無一個MAC層協(xié)議針對衛(wèi)星多媒體業(yè)務做了優(yōu)化工作。因此有必要提出一個適合衛(wèi)星大容量IP分組業(yè)務的MAC層協(xié)議。我們借鑒了BELL實驗室的用于IP over WDM的簡單鏈路協(xié)議（SDL），并作適當?shù)男薷暮笥糜谛l(wèi)星環(huán)境。97年ITU-R提出的骨干網的衛(wèi)星SDH協(xié)議棧。其中SDH是衛(wèi)星SDH，和地面的略有不同。
需要研究各種MAC協(xié)議的優(yōu)缺點，特別是各種MAC層協(xié)議對多媒體業(yè)務的支持。影響MAC層的重要參數(shù)包括傳輸時延、帶寬、分組大小和消息幀長度分布。在分析和仿真過程中，需要將特定的業(yè)務模型放入MAC層協(xié)議中，以研究其性能。
�。�3）星上IP交換機的結構研究
第三層交換是IP網絡適應光傳輸能力和帶寬飛速增長所必須的，也是超大規(guī)模集成電路，分布式處理等技術發(fā)展的結果。星上交換采用第三層交換技術，使得構建新傳輸體制下的寬帶IP網絡成為可能。
要提高IP交換機的吞吐量和減少分組在交換機中的排隊時長，需要研究交換機的交換結構（Switching Fabrics）。這一問題和以往ATM交換機問題有相似處。實際工作時，有可能出現(xiàn)幾個輸入輸出端口中的信元同時到達同一輸出端口的情況，這種情況稱為端口競爭。有時這種競爭情況還會發(fā)生在交換結構內部，稱為內部阻塞（Internal Blocking）。對于交換機的每一個端口，可能有三個數(shù)據(jù)隊列：輸入隊列、輸出隊列及廣播隊列，端口控制器用管理這三個隊列。每個端口都有一定大上的緩沖存儲器，用來緩存上述三個數(shù)據(jù)隊列。需要研究內部無阻塞的交換結構。另外，還需研究交換機的其他功能：優(yōu)先級設置、廣播和組播功能。
�。�4）移動組播管理
在采用移動IP協(xié)議進行移動管理方面，移動IP組播是一個新的研究方向。IP組播業(yè)務已經占有商業(yè)骨干網業(yè)務的20％。而且隨著web-caching和“推”業(yè)務的發(fā)展而日趨重要。當某個IP站點向Internet上的多個IP上點發(fā)送同一數(shù)據(jù)時，IP組播可以減少不必要的重疊發(fā)送，有效地利用網絡的帶寬，而且雖然增加了IP組播相關協(xié)議的處理，相對于多次相同的點到點的傳輸來說，仍舊減少了大量組播路由器和主機對于IP報的處理時間。衛(wèi)星獨有的拓撲結構簡單和利于廣播的特性決定了移動IP組播技術將在寬帶IP衛(wèi)星系統(tǒng)中的應用前景。目前存在的技術問題是如何將不對稱廣播類型的衛(wèi)星網絡與因特網的對稱式和點到點的蜂窩式互聯(lián)結構集成到一起。
3.3 自由空間光碼分多址技術（SO-CDMA）
空間光碼分多址技術是無線傳輸技術（RTT）中的關鍵技術。星際鏈路的多址方式十分重要，直接影響到系統(tǒng)的性能。
目前，在星際自由空間光通信中一般采用TDMA方式。但是由于傳輸距離很長，因而時延較大，難以達到TDMA系統(tǒng)要求的嚴格時鐘同步。如果采用國際上最近提出的WDM方式，由于連續(xù)可調光源的生產存在較大的難度，所以難以滿足WDM要求發(fā)射光源的頻率在較大范圍內連續(xù)可調的要求。我們建議，在衛(wèi)星IP網絡中采用空間光碼分多址技術�？臻g光碼分多址技術用相互獨立的光脈沖序列作為每個發(fā)射光源的地址碼，地址碼之間相互正交，各信號源用各自的地址碼調制，在接收端用相應的地址碼進行解調�？臻g光碼分多址技術有如下優(yōu)點：
�。�1）碼分多址特有的抗背景噪音的能力對星際通信特別有用。在自由空間通信系統(tǒng)中，接收機接收到的不僅有信號光，還有其它用戶發(fā)射的光以及背景光，背景光較地面要強得多，因此對系統(tǒng)性能的影響極大。理論上可以采用光學濾光器濾除背景光噪聲，但要得到帶寬極窄、穩(wěn)定性高的濾光器（比如原子濾光器）很困難。因為利用地址碼的相關特性進行相關接收，系統(tǒng)具有很強的抗噪聲能力。
（2）碼分多址無需全網同步，就能良好地支持異步通信和突發(fā)業(yè)務。又由于只采用一個波長的光源，就無需可調頻率的光源。
它唯一的缺點是占用的頻帶寬，但對有很寬帶資源的光通信來說可以忽略。
目前，對空間光CDMA技術的研究主要集中在如下幾個方面：擴頻序列的選擇、調制方式、信號檢測方法（包括多徑接收和多用戶接收）、功率控制以及同步技術等。空間光CDMA是今后星際鏈路采用的最重要的方式之一。
四、構建我國的通信衛(wèi)星骨干網的設想
在構建我國的通信衛(wèi)星骨干網時，需要考慮目前的業(yè)務發(fā)展趨勢和中小商業(yè)企業(yè)的需求。這個通信衛(wèi)星網的特點是：
�。�1）雙層衛(wèi)星網絡結構。衛(wèi)星IP網絡由雙層衛(wèi)星網組成，下層是各種通信低軌衛(wèi)星，上層是作為數(shù)據(jù)中繼和控制的GEO衛(wèi)星，采用星上處理。低軌衛(wèi)星將數(shù)據(jù)發(fā)往GEO衛(wèi)星，GEO衛(wèi)星將各個衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)進行交換和路由，再發(fā)向若干地面控制站。地面控制中心把控制信息發(fā)向GEO衛(wèi)星，再由GEO衛(wèi)星把需要的信息發(fā)向各個低軌衛(wèi)星。
（2）低軌衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星之間的業(yè)務流量是非對稱的。這種非對稱的突發(fā)數(shù)據(jù)方式和多媒體業(yè)務很接近，在前向鏈路上有靜止圖像、動態(tài)影像、突發(fā)數(shù)據(jù)和話音等，在反向鏈路上基本是控制信息。因此完全可以采用目前國際上關于多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)研究的成果。
�。�3）鑒于我國衛(wèi)星系統(tǒng)投資小、見效快的要求，我們建議衛(wèi)星系統(tǒng)采用IP技術。
�。�4）在低軌和靜止軌道衛(wèi)星之間建立基于空間光CDMA的星際鏈路�？臻g光CDMA具有抗干擾、保密性好的特點。
（5）和地面通信系統(tǒng)的互連�？梢院偷孛嫱ㄐ啪W組成一個綜合系統(tǒng)，有利于實現(xiàn)天地一體化。因此，我們可以將我們構想的這個通信衛(wèi)星網看作一個寬帶多媒體衛(wèi)星網的核心網。
隨著多媒體業(yè)務和因特網業(yè)務需求的迅速增長，人們已開始更多地關注衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)。3GPP Release99指出第三代移動通信系統(tǒng)將統(tǒng)一在IP核心網結構上。這也說明了未來通信網的發(fā)展趨勢。寬帶IP衛(wèi)星系統(tǒng)開辟的新的市場也許會帶來衛(wèi)星通信的又一次大發(fā)展。
摘自《中國衛(wèi)通》2003.4
