对同步卫星通信网提出新要求

发布: 2010-10-20 00:53 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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对同步卫星通信网提出新要求
摘要  阐述对同步卫星通信网发展方向提出的一些新要求：改进卫星ATM宽带网
      结构和星上装置ATM交换机，有效承担Internet业务和采用按需提供带宽
      方式，提供数字电视广播和电视会议的应用。
关键词  卫星通信  宽带网  ATM   Internet电视
    同步卫星在赤道上空约36000km高度沿地球静止轨道（GEO）运行，多年来为
国际及远区通信与广播，包括电话和电视，作出了巨大的贡献。然而，随着通信
技术飞跃进步，通信业务种类加多和业务量快速增长，卫星通信需要有新的发展。
除了研制和发放低轨道（LEO）／中轨道（MEO）卫星族，准备开展全球移动通信
新业务外，最近也对潜力很大的同步卫星网提出许多新要求，期望该网能配合地
面通信网为NII／GII发挥新作用。
1卫星ATM宽带网
    如所周知，近年来用户使用的通信业务已不再限于电话，而是倾向于多种业
务，包括音频、视频和数据，都转换为数字信号，或者经过压缩编码过程，才进
入通信网，其中有些业务需要比普通电话通信高的数字速率。因此，陆地通信网
不可停留于传统PSTN电话网的状态，必须进化为具有宽带容量的通信网。此外，
宽带网中由电的时分复用（TDM）技术按信号数字速率组成若干等级，即155Mb／s、
622Mb／s、2.5Gb／s和10Gb／s，称之为同步数字系列（SDH）。通信网中线路传
输的数字速率就以该系列的某一级为依据，电的通信线路目前以10Gb／s为最高限
度。同时，宽带网又把每种信息业务的数字信号各自分成53个字节的固定长度，
称为信元（cell）。通信网的数字交换就按信元进行。这种复接和交换方式称为异
步转移模式（ATM）。近年来，国际上成立ATM论坛，展开大量活动，促进许多研究
机构和厂商积极从事ATM制式和设备的研制与开发。已建立的ATM通信网确实有能力
提供用户需要的业务质量（QoS），受到通信界的欢迎。因此，除了陆地有线通信
网准备建设ATM宽带网，数字速率可达Gb/s级外，还有大量无线通信网，包括各企
业单位专用的局域网（LAN）和各城市移动通信的数字式蜂窝网，也都有意向准备
采用ATM，这些就称为无线ATM（W－ATM）。在这种形势下，新一代同步卫星网也准
备构成卫星ATM宽带网（SA－TATM）。
    目前还在高空运行的同步卫星，其星上转发器装置没有信号处理和交换的功能，
称为“透明”的卫星。适用这种卫星的一种SA－TATM体系结构是：固定用户终端
（UT）由其抛物面天线接入卫星网，固定的专用ATM局域网加装地面接转站（GES），
经该站的抛物面天线接入卫星网，而且这些 ATM局域网可通过卫星互连。但是，由
于星上没有信号处理和交换功能，不能与陆地ATM网连成一体。这种卫星网拥有很
多UT和少量GES。UT可经过卫星与GES连通，传输速率从64kb／s至1.5Mb／s，两个
GES经过卫星互相连通，传输速率最高可达1.2Gb／s。
    SATATM网的另一种体系结构则容许移动的用户终端UT接入卫星，也容许移动
的ATM网经过GES接入卫星，甚至可使不同的移动ATM网经过GES和卫星互相连接，
也可使移动网与陆地固定ATM网互相连接，该移动网包括飞机和船舶用的移动网。
当然，对于这种卫星网，移动的UT和GES可能超过卫星某一射束（天线）的覆盖
范围而进入另一射束的覆盖范围，或越过某一卫星的覆盖范围而进入另一卫星的
覆盖范围，这就需要交接及选路等技术和设备。
    在上述固定接入的SATATM，个人用户设备及其固定UT经卫星与任一专用ATM
网的GES连通，利用标准ATM“用户网络接口”（UN）。两个专用ATM网的GES经过
星互相连通，则利用标准ATM“网络一网络接口”（NNI）。一般的GES内部没有
ATM交换机，故GES经卫星与陆地公用宽带通信网连通，也通过UNI。但如GES内部
装设ATM交换机，该网连通就用NNI，或用“专用网络一结点接口”（PNN）。
    如果能在同步卫星上装信号处理设备，由卫星本身执行ATM交换功能，卫星
ATM网就可由星上ATM交换机与地面网控中心（NCC）分担控制功能。地面终端与
卫星ATM接口可以既是UNI，又是NNI。在这种情况下，SATATM也有以下三种不同
的网结构：（1）ATM网络接入。远地用户ATM计算机可通过卫星的低速线路，连
接陆地公用 ATM网，该ATM用户与星上交换机间的ATM接口是UNI，而星上交换机
与陆地ATM网的ATM接口则是NNI。（2）ATM网络互连。卫星本身是ATM网的结点，
由高速卫星线路使陆地上各个不同的ATM网互连，它们的ATM接口都是NNI。（3）
网格形ATM。高空几个卫星组成网格形ATM网，既可提供陆地ATM网络接入，又可
提供陆地几个网的互连。这种网格形ATM网的星际ATM接口则是NNI。
    卫星网要发展成为宽带通信网，传送数字速率达到Gb／s级，就必须发掘利
用无线电频谱的更高瑞。同步卫星承担国际通信业务，长期以来一直利用微波的
C频段，即4／6GHz。现在发展宽带网则有必要认真考虑利用Ka频段，即20GHz～
30GHz。
2卫星网承担Internet业务
    90年代以来，Internet向全世界计算机用户正式开放，业务量猛烈增长，这
是分组交换的数据业务，使用互联网规约IP和传输控制规约TCP，通常简称IP业
务。传统的陆地固定公用通信网（PSTN）本来以传送电路交换的电话业务为主，
现在却受到增长快速的Internet分组数据业务的冲击。对此，卫星宽带网除了上
述ATM外，应能承办多种业务，特别是Internet的IP业务，既要满足数据业务量
需求，又应考虑开通IP电话和IP视频传输，乃至多媒体通信业务，而且保证这些
业务都能达到各自应有的业务质量要求。
    为了应付多种业务的不同频带宽度要求，卫星网特地设计“按需提供带宽
多址”方式（DAMA）。 Comsat设计的Linkway 2000系统具有提高频带使用效率
的优点，不仅适用于分组交换业务，还可用于电路交换业务。陆地固定公用通
信网的  ATM、IP、PSTN、ISDN等通信业务，都可经过地面接转站（gateway）
内的这种系统，再由抛物面天线与同步卫星连通。地面上各专用网的ATM交换
机、电话小交换机（PBX），以及局域网（LAN）连同路由器，都可各自经过这
种系统，再由抛物面无线与卫星连通。系统包含2Mb／s的调制解调器，也可使
每一结点的容量升级至32Mb／s。调制方式采用QPSK和BPSK，信道编码采用卷积
码和R－S码，在信噪比Eb/No＝5.5dB情况下，保证误码率不大于10-8 。卫星的
空中接口是多频率时分多址（TDMA），帧长度可在12～48ms间选用。
    为了使用卫星，陆地公用通信网设置地面接转站，它必然连接一个集中的网
控中心（NCC）和网管系统（NMS）。NCC集中管理频带宽度的使用及网容量的分
配，过去使用固定的带宽分配，近来则倾向于改用动态的带宽分配。由于卫星宽
带网用于多种业务，对分组交换业务和电路交换业务，DAMA应采用不同的带宽分
配方法。例如对ISDN业务，用户每次叫话，就分配固定的带宽，而对可变码速的
分组数据业务，则动态分配带宽，按发送业务、进入业务和系统内业务三种不同
情况，分配给每一终端不同的带宽。
    曾对卫星网按需分配带宽和固定分配带宽分别进行实验，并将结果互作比较，
比较结果得出两种不同的带宽利用效率（即总吞吐量（Mb／s）与网络带宽容量
（Mb／s）之比），说明DAMA有利。对于分组数据的文件转移，固然节约了带宽
的使用，对于电路交换的业务，DAMA的带宽效率比固定分配方式的大一倍。
      实际上，同步卫星宽带网不一定需要全
部使用DAMA方式，适当采用一些混合方式，可能更为有利。例如固定带宽分配
（FBA）与DAMA混合使用，卫星传输线路先保证一定的固定带宽，然后视实际业
务的需要，由DAMA提供更多的带宽。另一例子是随机接人（RA）与DAMA混合使用，
这是先由DAMA按需指定通路带宽，而其余带宽由RA接入。曾经做过模拟试验，表
明FBA／DAMA和RA／DAMA对有些应用有较好的性能，特别是前一种混合方式对实
时视频信息传输可保证必需的最低质量。不过，由于同步卫星线路的传输时延较
长，任何实际应用的业务要从DAMA方式真正得到好处，必须预先考虑得周密些。
总之，DAMA方式确实可节约卫星网使用的带宽容量。然而，在卫星网承担Inter
net业务传送WWW各种信息的情况下，计算机用户上网时，上行和下行线路的传输
占用带宽和占用时间很不对称，DAMA的设计大有精心考虑的余地。在
陆地现行循Internet通信网，这个问题一时尚难解决，不知有无可能从卫星网的
DAMA取得突破。
3卫星网提供数字电视广播等业务
    未来的卫星宽带网有可能发展前所未有的通信业务应用。这是因为卫星网与
陆地网相比，有其独特的优点。例如卫星网的星形结构可传播至广大地面的众多
用户，甚至有线网难以通达的边远地区用户。但是，同步卫星位于36000km高空
轨道，离地面委远，信号传输时延较大，单程约250ms，对有些通信所需的业务
质量很不利。尽管如此，同步卫星仍可提供不少有益的应用。
    单就星形结构而言，卫星可提供电视广播、可视会议、信息播发、大量文件
转移等应用。电视节目经过数字压缩编码过程 ，数字速率仍需几Mb/s-几十Mb/s,
属于宽带，适合在同步卫星宽带网传输和广播。虽然卫星的较大时延并不影响电
视广播地面用户的接收质量，但若带宽以内有明显的时延变化，却可能引起不良
影响。卫星网一般用于覆盖广大地区的数字电视广播，能保证达到规定的业务质
量。卫星宽带网用于多点至多点的通信业务，如电视会议。若对分组数据的丢失、
时延及时变化等要求不太严格，同步卫星宽带网可象陆地Internet网一样，提供
电视会议业务。有些与市场、商业或大众生活需要有关的信息数据，可由同步卫
星的星形结构来承担分发。大量文件数据的单向传送，需要很宽的频带，但容许
传输时延，卫星宽带网可以承担。在WWW数据传输、超文体传送，或双方计算机
交互性应用中，同步卫星网的传输性能没有象
陆地线路那样好，有待于设法改进。
    总之，GEO卫星有其独特优点，如经过精心设计，可能组成宽带网，配合陆
地光纤网发挥更大作用。