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宽带卫星通信浅析
一、卫星通信现状概述近年来，国际上已经有很多人造卫星被送上地球高空的适当高度和位置依次运行。其中有不少载有高科技装置可以与地面互相通信，或向地面广播。而很多国家已在不少的适当地点设置了地面站，安装了针对高空卫星的地面天线，确保地面与卫星间实行可靠通信。各国在大力建设和发展地面有线通信网的同时，也很想利用高空运行的卫星配合陆地通信运用。特别在有些人口不很密集的地区，更想利用卫星来配合陆地通信，以期取得良好效果。在这些地区散布着范围较广但不密集的用户，可以利用卫星作为用户连至固定有线网的接入设施。在陆地通信网已经构成宽带多媒体通信网的环境下，利用卫星建成宽带卫星接入(BSA，Broadband Satellite Access)系统被认为是较好而切合实际的方案，既经济又可靠。
利用高空卫星来配合地面正规的骨干通信网，在过去由于一些技术上的难题而未能大量使用。直至最近几年，国际上一些主要单位加紧进行研究，解决了不少问题，才使宽带卫星通信有可能真正付诸较多的重要应用，从而发挥了卫星潜在的优越作用，组成宽带交互通信和较广泛的应用。特别对于一些离骨干网较远的小型企业单位和住家用户，推行远程医疗和远程教育等设施，解决他们的实际困难问题，宽带卫星通信是必需的。二、宽带卫星接入的各种形式为了让地面上众多用户能够共同使用卫星通信，每一用户终端(UT，User Terminal)各自设置小型的地面站，并安装对准卫星方向的天线。用户如欲与同一卫星所属的远地对方用户互相通信，在发信时可以通过用户终端和地面站连往高空的卫星，构成上行线路以发送通信信号。卫星发射连往对方用户地区的射线，可以把始发用户的叫话信号传给对方用户，构成下行线路，使对方的用户终端收到。对方用户回发的信号，则经过同一卫星由相反方向到达原来用户，实现双方互通的会话通信。相仿地，陆地固定通信网经营者设置地面站，向卫星发送和从卫星接收各用户的通信信号。但这些地面站内各有网关(Gateway)设备连接通信网经营者，或经过互联网(Internet)连接通信网经营者。另外，每一个这样的卫星网应该有主控制站(MCS，Master Control Station)，它与高空卫星有直接联系。
任一用户发信时，他的信息信号从其地面站射向卫星，这属于上行通路。卫星内部设置适当的交换设备，可按发信人的意图，选一个通路从卫星传向对方用户的地面站，这就属于下行通路。这样，任一地上用户每次使用通信，只需要一个上行的卫星通路和一个下行的卫星通路，但要求卫星内部设置适当的交换处理设备，称为星上处理(OBP，On-Board Processing)。这样的星上设备主要作用是变换频率和相应放大，没有调制解调作用。三、多址通信和动态容量分配在卫星通信网中，上行通路传送发信用户依次发出的信号，可以使用时分多路技术(TDM，Time Division Multiplex)，让前向通路得到良好利用。而在下行通路则广泛使用多频时分多址(MF-TDMA，Multiple Access)。这对低成本、低功率的小用户终端传送较低的传输速率很适宜。上行线路的所有用户终端可以合用一个二维MF-TDMA帧，分成若干个不相覆盖的时间频率槽。由于每个UT发出的多媒体业务是突发的，因而多路合用必须是动态的，以保证通路的有效利用。这种动态容量分配(DCA，Dynamic Capacity Allocation)可以由一个集中站起协调作用。如有多个用户终端争取容量，则任一用户终端不一定能够获得希望的全部容量，协调站还要考虑所有UT的需要。另外，卫星与地面传播有时延，用户发出请求的时间与接收的容量分配需经过两个这样的时延。如果由星上作安排，可能减少至一个时延。一般地，一个地面站经过卫星至另一地面站的时延约为270ms。上面讲到利用卫星的星上装置设备，可以获取一定的优势。但是，真正要求每个卫星都装置这样的设备却不容易实现。因此，在现行的宽带卫星接人系统，仍是利用地面上的MCS。卫星通信广泛利用按需指定多址(DAMA，Demand Assigned Multiple Access)方式，这种方式需要较多时间从MCS取得必要的安排才能接通通路，实现与对方用户通信。这通路将有较好的QoS(服务质量)，没有时延抖动或业务丢失，平均保持时间可以长达几分钟，并在通话时间内保持固定的传输率，例如PCM的64kbit/s。可以认为，DAMA的效率一般是较高的，但对突发多媒体业务，因峰值与均值之比(PAR，Peak to Average Ratio)较大，DAMA不能用于很多用户端。对于较短的数据信息，较长的建立时间是不利的。为了满足要求，DCA必须得到改进。可以考虑让多媒体业务使用混合*的DAMA(CFDAMA，Combined Free DAMA)方式，它可以把多余容量分配给有些用户终端，得到一定的改进。它在大多数的通路利用情况下可以有较小的平均时延。四、宽带卫星系统的IP/TCP运用卫星通信接入多媒体互联网时，有必要采用互联网协议(IP)。BSA系统是与用户终端和网关两处连接陆地网络，它们都是采用IP协议的。卫星的媒体接入控制(MAC，Medium Access Control)就以此为根据，前向通路的接口为IP-MPEG2-TS，回程通路则用IP-ATM，也可能是IP-MPEG2-TS接口。用户终端可能装置在公司和住家大厦的环境下。一个用户终端可能适合一定地区内许多用户使用。因此，用户终端既要适应IP协议，又要适应以太网的LAN协议。BSA系统的前向通路容量是固定的，每一网关都有固定容量，像陆地通信网一样。因此，陆地通信网适用的不同业务(DiffServ)标准方案也适用于BSA的前向通路。像适用DiffServ的输入结点那样，BSA的用户终端必须完成对信息业务分类等作用。BSA系统的返回通路是由很多用户终端合用的，每一用户终端的返回通路容量是可变的。因此，每一部分的DiffServ很难满足要求。近年来国际上正在研究返回通路的DiffServ应用，包括CFDAMA、DCA和业务排队。为了保证发端至收端传送数据信息的质量，传输控制协议(TCP，Transmission Contol Protocol)曾在地面通信网广泛使用。现在宽带卫星系统传输过程的分组损失率一般高于地面通信网，因此更加需要TCP的帮助，而且TCP应该适应卫星通路的环境而加以适当改进。对此，国际上曾研究和提出在卫星通信中应用性能加强代理(PEP，Performance Enhancement Proxy)。线路层采用重新发送和纠正误差等措施，以克服由传输误差所引起的分组损失。发信/收信机可考虑利用TCP，使陆地部分线路得到终端，避免了卫星部分的传播时延长和损耗大。为了让PEP与卫星通路特性相匹配，曾考虑采用随机早期检测(RED，Random Early Detection)、TCP-Reno与TCP-Dvegas，以及分开的卫星传输协议(STP，Satellite Transport Protocol))。国际上对于宽带卫星通信系统在这些方面展开了广泛研究。