衛(wèi)星系統(tǒng)新技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用發(fā)展(一)

陳如明
(信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局 北京 100037)

　　摘要 本文集中于衛(wèi)星系統(tǒng)新技術(shù)層面，并結(jié)合市場(chǎng)導(dǎo)向下的技術(shù)驅(qū)動(dòng)重要性，在回顧衛(wèi)星軌道／頻譜資源規(guī)劃相關(guān)重要進(jìn)展基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)新技術(shù)及其在中國(guó)的應(yīng)用機(jī)遇和發(fā)展策略考慮。


　　關(guān)鍵詞 寬帶衛(wèi)星系統(tǒng) 通用寬帶無線接入 第三代移動(dòng)通信 2G/2.5G/3G/3G+/4G


1 引言


　　進(jìn)入21世紀(jì)的信息全球化及全球巨大的個(gè)人多媒體通信流量與無縫隙覆蓋需求，注定無線寬帶手段，包括各類衛(wèi)星手段，將會(huì)發(fā)揮愈來愈重要的戰(zhàn)略作用。


　　衛(wèi)星系統(tǒng)具有以下特征與重要作用：唯一的三維無縫隙覆蓋能力；獨(dú)特的靈活性與普遍服務(wù)能力；宏大區(qū)域的可搬移性與可移動(dòng)性；廣域復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)成能力與廣域Internet交互連接能力；特有的廣域廣播與多播能力；對(duì)國(guó)際／區(qū)域／本地連接距離的不敏感性；較低的初期投入與快速財(cái)務(wù)回收；對(duì)應(yīng)急救災(zāi)及寬帶系統(tǒng)備份與故障搶救的快速靈活與安全可靠方面的獨(dú)特能力等。


　　衛(wèi)星系統(tǒng)可用于開發(fā)創(chuàng)建一系列產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，諸如DBS／DTH／DAB/DVB-IP、GPS／RNSS/GIS、VSAT／USAT等；廣泛的應(yīng)用、服務(wù)領(lǐng)域，諸如國(guó)際／區(qū)域／本地固定／移動(dòng)通信、DBS／DTH／DAB廣播、GPS／RNSS／RDSS導(dǎo)航定位、GMDSS安全與應(yīng)急援救、遠(yuǎn)程教育與遠(yuǎn)程醫(yī)療、衛(wèi)星遙感與地球探測(cè)、氣象及地震預(yù)報(bào)以及包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、林牧、安保、軍事、科學(xué)研究、新聞報(bào)導(dǎo)、航空、海事和環(huán)境等各行各業(yè)。



2 寬帶無線演進(jìn)中的重要互補(bǔ)支持作用


　　關(guān)于通用無線接入的詳細(xì)討論可見參考文獻(xiàn)。通用無線接入包括地面移動(dòng)接入（屬地面移動(dòng)業(yè)務(wù)范疇）及地面固定無線接入（簡(jiǎn)稱為FＷA,屬地面固定業(yè)務(wù)范疇）和衛(wèi)星接入（SA，相應(yīng)衛(wèi)星移動(dòng)接入屬移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)MSS范疇）。無線接入按其網(wǎng)絡(luò)帶寬通常分為三類，一類為窄帶（Narrowband）接入，其攜載業(yè)務(wù)的每用戶比特速率常≤64kbit/s；第二類為寬帶（Wideband）接入，每一信道載波可提供高達(dá)2Mbit/s的比特速率；第三類為寬頻帶（Broadband,有時(shí)亦稱廣帶）接入，主要針對(duì)多媒體業(yè)務(wù)傳輸需求,每一信道載波傳輸速率可>2Mbit/s。實(shí)際上我們往往習(xí)慣將Wideband與Broadband無線接入統(tǒng)稱為寬帶無線接入。


　　衛(wèi)星接入是通用無線接入的重要組成部分。近些年來，衛(wèi)星接入被人們輕視與冷漠的主要原因與GMPCS系統(tǒng)在原先過份炒作基礎(chǔ)上的嚴(yán)重失利密切相關(guān)。WRC-９７大會(huì)上LEO／MEO／GEO衛(wèi)星移動(dòng)與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)被炒得火熱，而事隔三年，隨著Iridium系統(tǒng)的破產(chǎn)慘敗，爾后ICO、Globalstar以及Orbcommm等大、小MEO／LEO系統(tǒng)均相繼陷入相當(dāng)困難的處境。此情況決非偶然，與地面移動(dòng)無線接入和固定無線接入的蓬勃發(fā)展局面相對(duì)比，其根本問題是如何處理好技術(shù)驅(qū)動(dòng)與市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的基本關(guān)系，以及如何定位好衛(wèi)星業(yè)務(wù)與地面業(yè)務(wù)之間的基本市場(chǎng)格局和如何處理好衛(wèi)星業(yè)務(wù)與地面業(yè)務(wù)的有機(jī)綜合。


　　但是，歸根結(jié)蒂，衛(wèi)星通信在構(gòu)筑全球信息高速公路征程中的獨(dú)特戰(zhàn)略地位與作用，任何有識(shí)之士均不會(huì)忘卻,衛(wèi)星業(yè)務(wù)在WRC-2000大會(huì)上依然獲得密切關(guān)注。而且作為固定接入的GEO FSS系統(tǒng)，以INTELSAT系統(tǒng)為代表，依然處于相當(dāng)好的商業(yè)運(yùn)作狀態(tài)，它對(duì)高速尋呼、短信息數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)聯(lián)網(wǎng)，對(duì)包括DTH、DBS、VOD在內(nèi)的視頻多媒體廣播、多播業(yè)務(wù)，對(duì)Internet業(yè)務(wù)的高速下載及遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療等多媒體業(yè)務(wù)廣域組網(wǎng)等依然發(fā)揮著獨(dú)特有效的作用。目前看來，采取快速剪裁市場(chǎng)需求的現(xiàn)代GEO衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路較為可取，例如，可瞄準(zhǔn)寬帶IP業(yè)務(wù)市場(chǎng)，以帶寬處理能力較強(qiáng)的、傳播環(huán)境相對(duì)較好的C／Ku頻段為軸心，消除使用星上處理、星際鏈路及低軌／中軌多星座高風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)，星上仍采取適應(yīng)動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)演變較靈活的透明彎管式、地面控制星上轉(zhuǎn)發(fā)器交叉連接這一基礎(chǔ)傳輸模式，借助多點(diǎn)蜂窩波束頻率再利用進(jìn)一步提高其頻譜利用效率，并可采用星上波束發(fā)射功率控制，以適應(yīng)傳輸條件的動(dòng)態(tài)變化影響。在地面段采用高效率編碼與調(diào)制技術(shù)以增加功率／頻譜利用效率和降低天線尺寸、功耗及硬件成本；對(duì)每波束載波進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制與編碼參數(shù)調(diào)整以動(dòng)態(tài)控制功率／帶寬資源分配利用；采用新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及管理手段進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多用戶共用同一頻帶時(shí)的動(dòng)態(tài)帶寬管理及優(yōu)化Internet不對(duì)稱與突發(fā)數(shù)據(jù)特性的帶寬利用效率。從商業(yè)市場(chǎng)模式考慮與地面互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)廣域下行B2C寬帶Internet平臺(tái)服務(wù)，執(zhí)行高速Internet基本業(yè)務(wù)接續(xù)，多媒體VOD、VPN、電子娛樂等增值服務(wù)，以及對(duì)用戶最后一公里解決方案的ｘDSL、電纜、光纖和其它寬帶地面無線接入手段的廣域支持與補(bǔ)充，而其上行縱向，則可執(zhí)行B2B方式的垂直應(yīng)用，對(duì)ICP、ISP、電子商務(wù)的CSP地面移動(dòng)應(yīng)用及分組數(shù)據(jù)中心等實(shí)施縱向連接支持應(yīng)用等。這樣其基本目標(biāo)為瞄準(zhǔn)“最后一公里”的終端用戶廣域接入，有巨大商業(yè)覆蓋面，并特別適合于Internet網(wǎng)及農(nóng)村邊遠(yuǎn)服務(wù)，可望幫助服務(wù)商從零售服務(wù)中獲得可觀的利潤(rùn)。


　　衛(wèi)星通用無線接入可包括宏大區(qū)、宏區(qū)、小區(qū)、微小區(qū)、微微小區(qū)、移動(dòng)、半移動(dòng)（包括游牧）、固定等各種接入覆蓋模式，可有效覆蓋三維物理空間的任何一角落及有效連接至任何個(gè)人用戶，這對(duì)實(shí)現(xiàn)未來全球的個(gè)人通信而言，其實(shí)際連接覆蓋的普遍化與重要性不言而喻。其中衛(wèi)星接入在實(shí)現(xiàn)國(guó)際/區(qū)域/國(guó)內(nèi)靈活的宏大區(qū)廣域三維覆蓋接入方面的作用顯得尤為突出。


　　在未來寬帶演進(jìn)中，無論是寬帶無線接入中的寬帶衛(wèi)星接入，還是寬帶移動(dòng)通信中的寬帶MSS的有機(jī)綜合，可以肯定地說，寬帶衛(wèi)星在未來全球個(gè)人多媒體無縫隙覆蓋連接，在實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋的普遍服務(wù)等方面將會(huì)發(fā)揮出愈來愈重要的潛在戰(zhàn)略作用。同時(shí)亦可預(yù)期，隨著地面移動(dòng)、地面固定及衛(wèi)星業(yè)務(wù)三者緊密綜合在一起，以及全球／區(qū)域／國(guó)內(nèi)的WWAN、WMAN、WLAN、WPAN等各類不同覆蓋域尺寸、不同頻段網(wǎng)絡(luò)的緊密綜合，為適應(yīng)這一多模、無縫隙、以IP為基礎(chǔ)的綜合多媒體業(yè)務(wù)運(yùn)行環(huán)境下的靈活有效的公共資源管理，建立智能代理之類管理模式將成為一種發(fā)展趨勢(shì)，并可發(fā)揮出重要的現(xiàn)實(shí)作用。


　　此外，就技術(shù)層面看，寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)通常具有比寬帶地面系統(tǒng)更高的技術(shù)難度與更深的技術(shù)內(nèi)涵。如眾所知，由于固定無線接入比移動(dòng)通信場(chǎng)合容易操作，智能天線、軟件（定義的）無線電以及一系列現(xiàn)代編碼調(diào)制及自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)等功率/頻譜有效利用新技術(shù)以及IP QoS的物理層、MAC層、會(huì)聚層及應(yīng)用層方面有效的協(xié)議處理往往首先在固定無線接入中試驗(yàn)與裝備應(yīng)用，從而，固定無線接入通常成為新一代移動(dòng)通信的技術(shù)先導(dǎo)。與此相似，先進(jìn)的衛(wèi)星技術(shù)首先以先進(jìn)的地面技術(shù)作先導(dǎo)，但還必須緊密結(jié)合衛(wèi)星傳輸?shù)淖陨硖卣鳎�進(jìn)一步研制開發(fā)一系列特有的新技術(shù)，諸如GEO長(zhǎng)時(shí)延、大傳輸衰耗影響處理，LEO／MEO多星座結(jié)構(gòu)優(yōu)化與自適應(yīng)覆蓋處理，多星座、多網(wǎng)絡(luò)跨協(xié)議漫游處理，高可靠、長(zhǎng)壽命衛(wèi)星空間段星上處理、星際連接及衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)演進(jìn)，精確可靠的空間體站址保持、地面跟蹤以及端對(duì)端衛(wèi)星全I(xiàn)P結(jié)構(gòu)傳送運(yùn)作時(shí)的有效QoS控制等。


3 現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)新技術(shù)


　　(1) 多維信號(hào)處理與電磁兼容分析及多維頻率共用技術(shù)


　　包括衛(wèi)星業(yè)務(wù)、地面業(yè)務(wù)及其彼此共用在內(nèi)，此多維含義可涉及頻率域、時(shí)間域、空間域、信號(hào)域、網(wǎng)絡(luò)域甚至顯示域，多天線發(fā)送接收在內(nèi)的多輸入、輸出（MIMO）多維時(shí)空處理為其典型示例。而且，對(duì)未來多頻段、多模式通用寬帶無線接入綜合業(yè)務(wù)運(yùn)行場(chǎng)合，頻譜／軌道資源管理的廣寬地域分布、可延展性及充分靈活的特征必將導(dǎo)致分布式的智能代理型的新的多維智能資源管理要求。


　　(2) 靈活、有效及可擴(kuò)展的多維資源管理技術(shù)


　　對(duì)于未來移動(dòng)與固定、地面與衛(wèi)星、廣播與交互、公用與專用、廣域、局域與個(gè)人域等各類業(yè)務(wù)均綜合于一種以全I(xiàn)P為基礎(chǔ)的統(tǒng)一寬帶平臺(tái)上運(yùn)作這一無縫隙與有機(jī)綜合的復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境，包括對(duì)上述頻譜、軌道資源管理在內(nèi)，必須利用多維智能代理之類手段，才能實(shí)現(xiàn)靈活、有效并具擴(kuò)展性及規(guī)�；�的多維智能資源管理。借助自適應(yīng)智能天線覆蓋及軟件無線電控制的智能化頻譜、軌道資源管理，一方面可實(shí)施頻譜、軌道資源動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)及時(shí)空等多維處理運(yùn)作，同時(shí)，借助自適應(yīng)智能化調(diào)整發(fā)射功率、調(diào)制方式、帶寬資源等進(jìn)一步優(yōu)化空中接口參數(shù)及優(yōu)化無線IP QoS控制參數(shù)，從而使頻譜、軌道等資源可進(jìn)行更合理的有效協(xié)調(diào)，包括多層平臺(tái)聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)的智能運(yùn)作在內(nèi)，以大大提高資源的利用效率。


　　（3）智能天線與分布智能天線技術(shù)


　　現(xiàn)代天線波束成形、多點(diǎn)波束蜂窩結(jié)構(gòu)及分布智能天線技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)高密度、多重頻率再利用并大幅度提高頻譜利用效率的最有效途徑，與多址連接技術(shù)在一起運(yùn)作，可有效提高上、下行，特別是下行吞吐能力。這亦是第三代移動(dòng)通信改進(jìn)系統(tǒng)性能及4G／5G發(fā)展的重要手段，是3G TD-SCDMA方案的核心技術(shù)，目前正擴(kuò)展成TDD、FDD全面開發(fā)應(yīng)用。研制開發(fā)出穩(wěn)定性、快速收斂性等性能優(yōu)良的控制算法是其關(guān)鍵, 應(yīng)特別注意探討TDD及FDD模式下雙向智能天線運(yùn)作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與優(yōu)良算法。對(duì)L/S頻段及Ka之類高頻段蜂窩結(jié)構(gòu)覆蓋的星上天線的智能控制、空中結(jié)構(gòu)展開以及經(jīng)濟(jì)的自適應(yīng)大范圍調(diào)整覆蓋能力等是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有效頻率多重再利用與適應(yīng)性剪裁市場(chǎng)需求、提高競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。


　�。�4）軟件無線電與軟件定義的無線電技術(shù)


　　中頻處理的軟件（定義的）無線電技術(shù)將逐步成為現(xiàn)實(shí)，普遍裝備于新一代移動(dòng)通信與寬帶無線接入系統(tǒng)中將會(huì)產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)效益。新一代寬帶無線系統(tǒng)用戶實(shí)現(xiàn)成本量級(jí)水平的降低及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活變更，很大程度上是期望在統(tǒng)一硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上的軟件無線電的有效支撐。廣泛借助DSP器件及相應(yīng)合理設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，推廣軟件（定義的）無線電技術(shù)應(yīng)用，可使衛(wèi)星通信設(shè)備，特別是地面段設(shè)備更靈活、小巧、穩(wěn)定、可靠。另外，還應(yīng)積極研究向快速綜合實(shí)時(shí)處理邁進(jìn)的DSP技術(shù)與算法，由軟件定義的無線電向射頻處理的真正軟件無線電技術(shù)邁進(jìn)。


　　（5）現(xiàn)代編碼 / 調(diào)制及編碼調(diào)制技術(shù)


　　這是在語音及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)下大幅度提高功率/頻譜效率的又一重要途徑。應(yīng)重視小于2.4kbit/s速率的高性能聲碼器，由MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21支持的視頻圖像壓縮與管理技術(shù);多路語音壓縮倍增系數(shù)達(dá)10～16倍以上的DCME/PCME等各類數(shù)字電路倍譜技術(shù);優(yōu)良性能的信道編碼調(diào)制技術(shù)，除通常所知的TCM型、BCM型、SPORT型、恒包絡(luò)型、部分響應(yīng)型、實(shí)用型等編碼調(diào)制技術(shù)外，應(yīng)特別注意適應(yīng)移動(dòng)通信衰落環(huán)境、非線性信道及多重圖像分辨率要求情況下的多重編碼調(diào)制、多信號(hào)間隔恒包絡(luò)編碼調(diào)制、多分辨率編碼調(diào)制，不對(duì)稱傳輸環(huán)境下的UEP碼調(diào)制，以及大幅度提高功率處理能力的串、并聯(lián)級(jí)聯(lián)碼調(diào)制，包括Turbo碼及Turbo編碼調(diào)制技術(shù)。尤其是卷積型及分組型Turbo碼及相應(yīng)編碼調(diào)制，在第三代移動(dòng)通信、無線LAN、WLL、衛(wèi)星數(shù)據(jù)直播、多媒體多分辨率圖像通信、無線數(shù)據(jù)傳輸、LMDS寬帶無線接入、HDTV傳輸、吉比特以太網(wǎng)、低速率數(shù)字語音壓縮Internet、數(shù)字衛(wèi)星通信以及數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)等各方面均將有廣泛的應(yīng)用。


另一方面聯(lián)合M-QAM運(yùn)作的自適應(yīng)（x）-OFDM（y）方式（諸如C-OFDM、W-OFDM、V-OFDM、F-OFDM及OFDMA等）值得注意，它具備寬帶運(yùn)行時(shí)的優(yōu)良抗色散能力及波形成形能力，可實(shí)現(xiàn)非（直）視距離(N-LOS)方式傳輸，包括與未來多載波寬帶CDMA組合運(yùn)行，對(duì)現(xiàn)實(shí)工程裝備實(shí)施及對(duì)寬帶無線接入和寬帶移動(dòng)通信新一代運(yùn)作很有吸引力，而且QPSK/8PSK/16QAM/64QAM/（x）-OFDM（y）多調(diào)制方式自適應(yīng)可變運(yùn)作，對(duì)自適應(yīng)覆蓋可調(diào)或傳輸性能自適應(yīng)控制有很好的可實(shí)現(xiàn)能力。應(yīng)該指出，以IP為平臺(tái)基礎(chǔ)的Shin衛(wèi)星系統(tǒng)即擬采用Turbo碼及OFDM技術(shù)，以有效提高其容量處理能力。


　�。�6）衛(wèi)星人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及自適應(yīng)信號(hào)處理與統(tǒng)計(jì)檢測(cè)技術(shù)


　　衛(wèi)星通信中有大量自適應(yīng)控制技術(shù)的用武之地，包括大時(shí)延閉環(huán)狀態(tài)下的自適應(yīng)控制技術(shù)、衛(wèi)星人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制技術(shù)、自適應(yīng)信號(hào)處理與統(tǒng)計(jì)檢測(cè)以及非線性自適應(yīng)學(xué)習(xí)與均衡技術(shù)等。對(duì)惡劣傳輸環(huán)境中的自適應(yīng)處理應(yīng)特別注意其優(yōu)良性能的快速盲算法，以及相應(yīng)自適應(yīng)非線性處理及降低狀態(tài)數(shù)與復(fù)雜度的實(shí)用軟判決最佳/次最佳序列檢測(cè)等高級(jí)檢測(cè)處理技術(shù)和有效處理市場(chǎng)剪裁要求的自適應(yīng)覆蓋技術(shù)等。


　�。�7）多媒體綜合業(yè)務(wù)傳送的多層次綜合業(yè)務(wù)工作平臺(tái)技術(shù)


　　尤其當(dāng)考慮與MSS及地面業(yè)務(wù)無縫隙覆蓋綜合時(shí)，這種設(shè)計(jì)哲理顯得更為重要，包括以SDH/ATM/IP技術(shù)為支撐的自適應(yīng)可變速率、可變業(yè)務(wù)類型與QoS要求，同時(shí)組合不同頻段和（或）不同分層覆蓋區(qū)模式及優(yōu)化星座結(jié)構(gòu)、LEO/MEO/GEO協(xié)同工作和（或）分步實(shí)施的地面通信與衛(wèi)星通信有機(jī)組合的三維運(yùn)行綜合業(yè)務(wù)工作平臺(tái)。
　�。�8）流媒體技術(shù)


　　充分發(fā)揮衛(wèi)星廣播、多播（組播）能力的長(zhǎng)處，組合流媒體技術(shù)，包括進(jìn)行緩存（Caching）處理、可變帶寬的動(dòng)態(tài)資源及網(wǎng)絡(luò)管理、以及有效地組合“推”、“拉”技術(shù)的衛(wèi)星CDN（內(nèi)容分配網(wǎng)絡(luò)）平臺(tái)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)惡劣時(shí)延環(huán)境下IP為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)的高速多媒體在線高質(zhì)量連續(xù)傳送。


　　(9) 軟交換技術(shù)


　　這是使新一代網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活可變、前后向兼容性能優(yōu)良的核心技術(shù)。它采用分層的全開放網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，具有獨(dú)立的模塊化結(jié)構(gòu)；是一種業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)型網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)和呼叫控制可完全分離，呼叫與承載可完全分離；亦是一種基于統(tǒng)一協(xié)議的分組型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。它可適應(yīng)技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì)，滿足不同用戶新需求；能快速提供新業(yè)務(wù)，涉足新領(lǐng)域，創(chuàng)造新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)；亦可有效地降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與維護(hù)成本，從而對(duì)新一代移動(dòng)通信全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成很有吸引力。


　　(10) 適應(yīng)IP或全I(xiàn)P為基礎(chǔ)的新應(yīng)用協(xié)議與算法的研究和開發(fā)


　　由于TCP／IP并非為衛(wèi)星通信所設(shè)計(jì)，難以直接按此控制好用戶端對(duì)端的QoS性能。為使以IP為基礎(chǔ)的衛(wèi)星Internet網(wǎng)絡(luò)之間及與地面Internet網(wǎng)絡(luò)一道取得更優(yōu)良的傳輸效率與吞吐性能，深入研究各種應(yīng)用協(xié)議與算法有重要意義。由于衛(wèi)星系統(tǒng)，特別是GEO衛(wèi)星系統(tǒng)，有長(zhǎng)的傳輸時(shí)延，單跳往返時(shí)延（RTT，Round Trip Time）約為2×270＝540 ｍｓ，它對(duì)按TCP／IP協(xié)議確定的由其所謂管道（Pipe）效應(yīng)引起的數(shù)據(jù)重發(fā)和吞吐量、吞吐率受限（吞吐率=吞吐量/相應(yīng)傳輸帶寬中所傳輸?shù)脑�始�?shù)據(jù)速率，若吞吐量等于此數(shù)據(jù)速率，則吞吐率為最理想，即100％）有明顯的影響。根據(jù)Internet活動(dòng)委員會(huì)（IAB）制訂的標(biāo)準(zhǔn)RFC 1072（Request For Comment 1072）中的定義，其數(shù)據(jù)管道＝RTT×數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)管道中任何一個(gè)數(shù)據(jù)包丟失均將導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳，將嚴(yán)重影響其實(shí)際最大數(shù)據(jù)吞吐量（Throughput）即其最大數(shù)據(jù)傳輸速率，而最大數(shù)據(jù)吞吐量＝最大接收窗口／RTT，因此RTT及最大接收窗口大小均直接影響最大吞吐量及最大吞吐率的大小。對(duì)于往返時(shí)延RTT大且傳輸速率及傳輸帶寬高的信道即稱為“長(zhǎng)－寬信道”（Long-Fat Channel），上述GEO寬帶衛(wèi)星信道即為典型的“長(zhǎng)—寬信道”，對(duì)TCP／IP衛(wèi)星系統(tǒng)不加以協(xié)議擴(kuò)展改進(jìn)，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的管道效應(yīng)，影響其吞吐性能。


　　因此，首先必須對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行一系列的擴(kuò)展改進(jìn), 例如：可由幀結(jié)構(gòu)改進(jìn)、選擇性ARQ、慢啟動(dòng)后的時(shí)遲ACK、選擇性ACK、前向ACK、ACK擁塞控制、TCP報(bào)頭壓縮、ACK壓縮與緊湊化、窗口尺寸設(shè)計(jì)等入手, 對(duì)此，Internet工程任務(wù)組（IETF，Internet Engineering Task Force）已提出了一些擴(kuò)展建議，即如RFC 1323（“Long-Fat”Channel，Big Window Long Buffer，以克服長(zhǎng)時(shí)延、大帶寬／高容量時(shí)的TCP傳輸瓶頸），RCF 2018（SACK, Selective Acknowledgement ,以改進(jìn)長(zhǎng)時(shí)延、大窗口、高誤碼時(shí)的傳輸效率），RFC 2001及2518（TCP Congestion Control，Slow Start,Congestion Avoidance,Fast Retran-smit,Fast Reco-very等, 以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信道有效利用及改進(jìn)衛(wèi)星信道非對(duì)稱性引起的性能起伏等）；也可采用欺騙（Spoofing）之類TCP/IP協(xié)議變換形式的網(wǎng)關(guān)技術(shù), 可使吞吐性能獲得數(shù)倍的改進(jìn)，如此等等, 均屬一些較典型的改進(jìn)IP衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)QoS性能的有效途徑。當(dāng)然，這些改進(jìn)工作還在進(jìn)一步深化與發(fā)展，包括在第三層、第四層直至更高的應(yīng)用層，以達(dá)到IP衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與 IP地面網(wǎng)絡(luò)綜合運(yùn)行時(shí)的更滿意的QoS控制。當(dāng)然，涉及與地面系統(tǒng)的集成，包括新一代移動(dòng)通信與無線接入，無疑 WAP、c-HTML/x-HTML、MSS IP OVER MPLS 以及Bluetooth等與個(gè)人連接和接入?yún)f(xié)議等相關(guān)的協(xié)議與算法亦均十分關(guān)鍵。


　　(11) DVB-IP及安全技術(shù)


　　眾所周知，Internet是衛(wèi)星通信進(jìn)一步發(fā)展的重要源動(dòng)力，而DVB-IP則是衛(wèi)星寬帶多媒體業(yè)務(wù)發(fā)展的重要途徑。DVB (數(shù)字視頻廣播)是歐洲尤里卡計(jì)劃的一部分，為發(fā)展數(shù)字電視DTV業(yè)務(wù)而確定的一種標(biāo)準(zhǔn)，起源于20世紀(jì)９０年代初，由歐洲廣播用戶設(shè)備制造廠商和ELG（European Launching Group）論壇推進(jìn)而建立，相應(yīng)國(guó)家和組織可自愿參加，后即成為目前的DVB計(jì)劃，至2001年初，DVB計(jì)劃已包含了30多個(gè)國(guó)家與220多個(gè)組織，實(shí)際上已成為一種全球標(biāo)準(zhǔn)。DVB標(biāo)準(zhǔn)一般又細(xì)分為針對(duì)衛(wèi)星傳輸?shù)腄VB-S、針對(duì)有線電視傳輸?shù)腄VB-C和針對(duì)地面?zhèn)鬏數(shù)腄VB-T三種標(biāo)準(zhǔn)。由于地面?zhèn)鬏敆l件最為復(fù)雜、嚴(yán)峻，從而DVB-T標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)涵及對(duì)環(huán)境的技術(shù)對(duì)抗措施亦最為復(fù)雜與多樣化，這一點(diǎn)也就反映在不同國(guó)家的DTV-T標(biāo)準(zhǔn)的確定上。


DVB標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)性能與接口要求包括下述方面：數(shù)字信源壓縮編碼、節(jié)目數(shù)據(jù)流的復(fù)接、信道糾錯(cuò)編碼、數(shù)字調(diào)制、數(shù)字加密和條件接收等，數(shù)字視頻壓縮算法統(tǒng)一采用MPEG-2，前向糾錯(cuò)統(tǒng)一采用R-S碼，QAM調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)星座狀態(tài)數(shù)高達(dá)256，符號(hào)速率范圍6.0～6.9Msymbol／s等。CA是一項(xiàng)加密控制的有條件接收技術(shù)，涉及DVB-IP廣大用戶應(yīng)用時(shí)的申請(qǐng)、接入、付費(fèi)、頻道控制，甚至防假等一系列要求。應(yīng)該指出，在解密節(jié)目抵達(dá)用戶后的信息安全與知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和防非法拷貝方面，電子數(shù)字水印是一種重要的新技術(shù)途徑。


　�。�12）頻段擴(kuò)展與新系統(tǒng)、新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用


　　基于目前L、S、C、Ku頻譜資源及GEO衛(wèi)星軌道資源的緊缺與擁塞，頻段擴(kuò)展包括衛(wèi)星軍事應(yīng)用在內(nèi)，自然瞄準(zhǔn)X、Ka及V（Q/w），以及毫米波與紅外線范圍的所謂空中光纖。汲取以Iridium系統(tǒng)為首的LEO/MEO型GMPCS系統(tǒng)的失敗教訓(xùn)，除GEO系統(tǒng)外，仍應(yīng)協(xié)調(diào)實(shí)施與各計(jì)劃開發(fā)相應(yīng)的LEO/MEO NGSO衛(wèi)星系統(tǒng), 甚至建立新思路, 開發(fā)LEO/MEO型“靜止衛(wèi)星系統(tǒng)”, 其實(shí)，高度更低屬地面業(yè)務(wù)范疇的平流層氣艇高空平臺(tái)HAPS及高空飛機(jī)/氣球遠(yuǎn)程覆運(yùn)行HALO等系統(tǒng)亦為其類似思路的派生產(chǎn)物。與新頻段開發(fā)，包括星際鏈路的開發(fā)在內(nèi)，除器件技術(shù)外，亦有一整套涉及相應(yīng)多址連接技術(shù)、自適應(yīng)處理技術(shù)等在內(nèi)的一系列新技術(shù)、新系統(tǒng)的研究開發(fā)工作需同時(shí)執(zhí)行。


　　由X頻段商用、至Ku/Ka、純Ka及EHF（V/Q/W）頻段擴(kuò)充，這對(duì)解決未來愈來愈多的個(gè)人多媒體視頻業(yè)務(wù)需求及衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)邁向消費(fèi)領(lǐng)域有重要意義。例如，從多點(diǎn)波束頻譜有效再利用角度看，新一代Ka頻段寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的容量潛力非常有吸引力，而且如果在衛(wèi)星處理設(shè)備中采用高速分組交換統(tǒng)計(jì)復(fù)用，還可在多點(diǎn)波束蜂窩式覆蓋基礎(chǔ)上，進(jìn)一步大大提高下行信道的負(fù)荷因子與復(fù)用能力，可大大改進(jìn)整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的用戶傳輸速率和信息吞吐量。


　　一般來說，Ku與Ka頻段的衛(wèi)星系統(tǒng)相比較，Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能/價(jià)格比方面有明顯吸引力。以相同帶寬資源作對(duì)比，Ka衛(wèi)星的造價(jià)比Ku衛(wèi)星約貴2倍左右，然其容量卻可高6～8倍，而且其終端尺寸還可縮小一倍多，約0.6m左右，可方便地走向家用消費(fèi)品市場(chǎng)。因此可以說在性能價(jià)格比方面，Ka衛(wèi)星系統(tǒng)大約可有2～3倍或更多的得益。當(dāng)然，Ka頻段雨衰將更嚴(yán)重，沉降影響更嚴(yán)峻，而且就地面控制的星上自適應(yīng)覆蓋處理技術(shù)而言，比Ku頻段更不成熟，因此目前Ka頻段的自適應(yīng)控制技術(shù)，主要仍是運(yùn)用FEC碼率及調(diào)制狀態(tài)速率自適應(yīng)可變技術(shù)改變其功率處理能力和進(jìn)行雨衰對(duì)抗，而未用整體的路由分集技術(shù)；采用多點(diǎn)波束跳越掃描覆蓋可能也是一種現(xiàn)實(shí)可行的出路。


　　歸根結(jié)蒂，由C頻段至Ku頻段再至Ka頻段是技術(shù)與市場(chǎng)需求演進(jìn)的必然結(jié)果，一般來說C頻段的寬帶視頻運(yùn)營(yíng)目標(biāo)為電視運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)及一些住宅用戶，此時(shí)天線直徑為2.4m左右，以分瓣組裝結(jié)構(gòu)為宜；到Ku頻段時(shí)，其頻率復(fù)用能力即可提高4倍左右，降到1～1.7m左右，用戶對(duì)象可較大規(guī)模普及企業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)用和住宅居民電視接收；進(jìn)一步進(jìn)入Ka頻段，將可適應(yīng)IP為基礎(chǔ)的寬帶多媒體高速數(shù)據(jù)傳遞要求，此時(shí)頻率復(fù)用相對(duì)Ku頻段仍可再提高4倍，天線直徑可再降低一倍或更多，達(dá)0.4～0.6m左右，適用對(duì)象可普及小型企業(yè)及家用住宅寬帶數(shù)據(jù)及視頻多媒體運(yùn)行。當(dāng)然，從市場(chǎng)發(fā)展前后向兼容角度看，在不少場(chǎng)合Ku/Ka混合結(jié)構(gòu)仍不失為一種安全與明智的選擇。


　　另一方面，Internet已成為寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)的重要驅(qū)動(dòng)力。DVB-IP衛(wèi)星統(tǒng)一平臺(tái)對(duì)衛(wèi)星消費(fèi)用戶有很強(qiáng)的吸引力，而在亞洲Internet家庭用戶亦將快速增長(zhǎng)，2001年約為1300萬左右，至2008年將增至2000萬以上。瞄準(zhǔn)IP為基本業(yè)務(wù)目標(biāo)的Ku/Ka衛(wèi)星平臺(tái)的帶寬處理能力也非常引人注目，以SHIN Satellite Public Company Limited平臺(tái)為例，這一IP為基礎(chǔ)的寬帶衛(wèi)星將由SS/Loral公司制造，據(jù)稱擬于2003年第一季度發(fā)射，其性能/價(jià)格比可與地面數(shù)字用戶線及電纜調(diào)制解調(diào)器相比擬，由于利用35個(gè)左右的多點(diǎn)波束加之廣域波束，進(jìn)行多重頻率再利用，其容量約可達(dá)40 Gbit/s，為目前最大衛(wèi)星容量的20倍左右；而且在功率處理方面，利用了先進(jìn)的Turbo碼編譯碼技術(shù)及OFDM技術(shù)，可使其傳輸效率比一般情況改進(jìn)100%左右。


　�。�13）增加衛(wèi)星運(yùn)行壽命的氙離子推進(jìn)及高效率太陽能電池技術(shù)


　　采用氙離子(Xenon Ion)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)可獲得大幅度節(jié)省衛(wèi)星燃料的高效率衛(wèi)星姿態(tài)控制及軌位保持控制。對(duì)一顆15年壽命的衛(wèi)星，采用氙離子推進(jìn)將可節(jié)省90％的推進(jìn)劑用量，從而可大大節(jié)省衛(wèi)星發(fā)射價(jià)格或增長(zhǎng)衛(wèi)星壽命。若使用能力較強(qiáng)的25 cm 160ｍＮ的氙離子發(fā)動(dòng)機(jī)，每天僅需工作30min即可將衛(wèi)星軌位保持至0.005度，從而可有效處理多顆衛(wèi)星共用同一軌位(Co-location)的衛(wèi)星軌道位置的保持與控制。


　　與常用的硅太陽能電池相比較，砷化鉀太陽能電池可使轉(zhuǎn)換效率提高一倍左右，即由14％提高至30％左右，這可為實(shí)現(xiàn)10～20 kW大功率衛(wèi)星平臺(tái)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。同時(shí)效率高、體積小、重量輕的鋰蓄電池可比現(xiàn)有鎳氫蓄電池提高一倍左右的功率能量密度。


　�。�14）現(xiàn)代星上處理技術(shù)


　　如上所述，即使是運(yùn)用了多點(diǎn)蜂窩結(jié)構(gòu)覆蓋，大幅度提高Ka頻段衛(wèi)星頻率再利用及容量能力，但星上轉(zhuǎn)發(fā)若仍利用彎管式電路交換結(jié)構(gòu)，此時(shí)交換波束的連接只能通過相應(yīng)地面關(guān)口站執(zhí)行，而衛(wèi)星下行電路突發(fā)空隙便不能被數(shù)據(jù)填滿，這將嚴(yán)重影響衛(wèi)星下行電路的有效利用。另一方面，從ATM實(shí)施網(wǎng)狀網(wǎng)尋路觀點(diǎn)看，這亦可能導(dǎo)致通信連接效率很低，特別是當(dāng)連接終端數(shù)上升時(shí)更是如此［１］。例如，對(duì)ｎ個(gè)終端，要求Ｎ＝ｎ（ｎ－１）／２個(gè)全網(wǎng)狀電路連接，當(dāng)ｎ＝10，即有Ｎ＝45，此時(shí)即便用星上基帶電路交換處理恒定速率模式進(jìn)行處理亦難以奏效，導(dǎo)致對(duì)無連接通信呈現(xiàn)很不有效的利用，此時(shí)較有效的辦法即需在星上設(shè)置現(xiàn)代分組交換處理，不規(guī)則的數(shù)據(jù)流經(jīng)緩存后再按動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)復(fù)接原理在下行電路中進(jìn)行最有效的統(tǒng)計(jì)復(fù)接交換處理，包括利用第三層寬帶IP交換技術(shù)，此時(shí)上行按FDM-TDMA多點(diǎn)波束高頻率再利用方式運(yùn)行、下行按TDM動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)復(fù)接多點(diǎn)波束高頻率再利用方式進(jìn)行工作，從而可使寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)吞吐量獲得量級(jí)性的提高。


　　相應(yīng)星上處理器的主要技術(shù)包括SAW（表面聲波）濾波信道化技術(shù)及快速開關(guān)切換技術(shù)，全數(shù)字FFT信道化，路由分配及波束成形技術(shù)，低功耗A／D、D／A，射頻固態(tài)功率放大及信號(hào)再生技術(shù)，Butler矩陣放大及其相組合的波束成形、信號(hào)緩存、路由分配、頻率轉(zhuǎn)換等射頻功率動(dòng)態(tài)分配和軟件無線電控制技術(shù)，等等，再包括移動(dòng)用戶終端處理技術(shù)在內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)任意形式用戶終端與用戶終端之間的TDMA時(shí)隙分配及任意波束、頻率與時(shí)隙之間信號(hào)的快速、靈活的交換與通信。（未完待續(xù)）


摘自《電信科學(xué)》