旋转游戏:卫星通信

                                                               图12-1 卫星通信系统结构

           在微波频带，整个通信卫星的工作频带约有500MHz宽度，为了便于放大和发射及减少变调干扰，一般在星上设置若干个转发器。每个转发器被分配一定的工作频带。目前的卫星通信多采用频分多址技术，不同的地球站占用不同的频率，即采用不同的载波。比较适用于点对点大容量的通信。近年来，时分多址技术也在卫星通信中得到了较多的应用，即多个地球站占用同一频带，但占用不同的时隙。与频分多址方式相比，时分多址技术不会产生互调干扰、不需用上下变频把各地球站信号分开、适合数字通信、可根据业务量的变化按需分配传输带宽，使实际容量大幅度增加。另一种多址技术是码分多址（CDMA），即不同的地球站占用同一频率和同一时间，但利用不同的随机码对信息进行编码来区分不同的地址。CDMA采用了扩展频谱通信技术，具有抗干扰能力强、有较好的保密通信能力、可灵活调度传输资源等优点。它比较适合于容量小、分布广、有一定保密要求的系统使用。

            12.1.1.2 卫星通信系统的分类
            1. 按照工作轨道区分，卫星通信系统一般分为以下3类。
            （1）低轨道卫星通信系统（LEO）：距地面500-2000Km，传输时延和功耗都比较小，但每颗星的覆盖范围也比较小，典型系统有Motorola的铱星系统。低轨道卫星通信系统由于卫星轨道低，信号传播时延短，所以可支持多跳通信；其链路损耗小，可以降低对卫星和用户终端的要求，可以采用微型/小型卫星和手持用户终端。但是低轨道卫星系统也为这些优势付出了较大的代价：由于轨道低，每颗卫星所能覆盖的范围比较小，要构成全球系统需要数十颗卫星，如铱星系统有66颗卫星、GLOBALSTAR有48颗卫星、Teledisc有288颗卫星。同时，由于低轨道卫星的运动速度快，对于单一用户来说，卫星从地平线升起到再次落到地平线以下的时间较短，所以卫星间或载波间切换频繁。因此，低轨系统的系统构成和控制复杂、技术风险大、建设成本也相对较高。
           （2）中轨道卫星通信系统（MEO）：距地面2000-20000Km，传输时延要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大，典型系统是国际海事卫星系统。中轨道卫星通信系统可以说是同步卫星系统和低轨道卫星系统的折衷，中轨道卫星系统兼有这两种方案的优点，同时又在一定程度上克服了这两种方案的不足之处。中轨道卫星的链路损耗和传播时延都比较小，仍然可采用简单的小型卫星。如果中轨道和低轨道卫星系统均采用星际链路，当用户进行远距离通信时，中轨道系统信息通过卫星星际链路子网的时延将比低轨道系统低。而且由于其轨道比低轨道卫星系统高许多，每颗卫星所能覆盖的范围比低轨道系统大得多，当轨道高度为10000Km时，每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5%，因而只要几颗卫星就可以覆盖全球。若有十几颗卫星就可以提供对全球大部分地区的双重覆盖，这样可以利用分集接收来提高系统的可靠性，同时系统投资要低于低轨道系统。因此，从一定意义上说，中轨道系统可能是建立全球或区域性卫星移动通信系统较为优越的方案。当然，如果需要为地面终端提供宽带业务，中轨道系统将存在一定困难，而利用低轨道卫星系统作为高速的多媒体卫星通信系统的性能要优于中轨道卫星系统。
           （3）高轨道卫星通信系统（GEO）：距地面35800km，即同步静止轨道。理论上，用三颗高轨道卫星即可以实现全球覆盖。传统的同步轨道卫星通信系统的技术最为成熟，自从同步卫星被用于通信业务以来，用同步卫星来建立全球卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。但是，同步卫星有一个不可克服的障碍，就是较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响到它在某些通信领域的应用，特别是在卫星移动通信方面的应用。首先，同步卫星轨道高，链路损耗大，对用户终端接收机性能要求较高。这种系统难于支持手持机直接通过卫星进行通信，或者需要采用12m以上的星载天线（L波段），这就对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求，不利于小卫星技术在移动通信中的使用。其次，由于链路距离长，传播延时大，单跳的传播时延就会达到数百毫秒，加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将进一步增加，当移动用户通过卫星进行双跳通信时，时延甚至将达到秒级，这是用户、特别是话音通信用户所难以忍受的。为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换功能，但这必将增加卫星的复杂度，不但增加系统成本，也有一定的技术风险。
            目前，同步轨道卫星通信系统主要用于VSAT系统、电视信号转发等，较少用于个人通信。表12-1列出了覆盖我国区域的在轨同步轨道通信卫星。

                                           

            2. 按照通信范围区分，卫星通信系统可以分为国际通信卫星、区域性通信卫星、国内通信卫星。
            3. 按照用途区分，卫星通信系统可以分为综合业务通信卫星、军事通信卫星、海事通信卫星、电视直播卫星等。
            4. 按照转发能力区分，卫星通信系统可以分为无星上处理能力卫星、有星上处理能力卫星。

            12.1.1.3 卫星通信系统的特点
            （1）下行广播，覆盖范围广：对地面的情况如高山海洋等不敏感，适用于在业务量比较稀少的地区提供大范围的覆盖，在覆盖区内的任意点均可以进行通信，而且成本与距离无关；
            （2）工作频带宽：可用频段从150MHz～30GHz。目前已经开始开发 Q、V 波段（40～50GHZ）。ka波段甚至可以支持155Mbit/s的数据业务；
            （3）通信质量好：卫星通信中电磁波主要在大气层以外传播，电波传播非常稳定。虽然在大气层内的传播会受到天气的影响，但仍然是一种可靠性很高的通信系统；
            （4）网络建设速度快、成本低：除建地面站外，无需地面施工。运行维护费用低；
            （5）信号传输时延大：高轨道卫星的双向传输时延达到秒级，用于话音业务时会有非常明显的中断；
            （6）控制复杂：由于卫星通信系统中所有链路均是无线链路，而且卫星的位置还可能处于不断变化中，因此控制系统也较为复杂。控制方式有星间协商和地面集中控制两种。

12.1.2 典型卫星移动通信系统
            凡是通过移动的卫星和固定的终端、固定的卫星和移动的终端或二者均移动的通信，均称为卫星移动通信系统。从20 世纪80年代开始，西方很多公司开始意识到未来覆盖全球、面向个人的无缝隙通信，即所谓4W（Whoever，Wherever，Whenever，Whatever）的巨大需求，相继发展以中、低轨道的卫星星座系统为空中转接平台的卫星移动通信系统，开展卫星移动电话、卫星直播/卫星数字音频广播、互联网接入以及高速、宽带多媒体接入等业务。至上世纪90年代，已建成并投入应用的主要有：铱星（Iridium）系统、Globalstar 系统、ORBCOMM系统、信使系统（俄罗斯）等。以下给出其中几种典型系统。
            1．铱星系统
           铱星系统属于低轨道卫星移动通信系统，由Motorola提出并主导建设，由分布在6个轨道平面上的66颗卫星组成，这些卫星均匀的分布在6个轨道面上，轨道高度为780km。主要为个人用户提供全球范围内的移动通信，采用地面集中控制方式，具有星际链路、星上处理和星上交换功能。铱星系统除了提供电话业务外,还提供传真、全球定位（GPS）、无线电定位以及全球寻呼业务。从技术上来说，这一系统是极为先进的，但从商业上来说，它是极为失败的，存在着目标用户不明确、成本高昂等缺点。目前该系统基本上已被放弃，仅有剩余的部分系统在为美国军方工作。卫星在失去控制后，将在再入大气层时被烧毁。
            2．Globalstar系统
           Globalstar系统设计简单，既没有星际电路，也没有星上处理和星上交换功能，仅仅定位为地面蜂窝系统的延伸，从而扩大了地面移动通信系统的覆盖，因此降低了系统投资，也减少了技术风险。Globalstar系统由48颗卫星组成，均匀分布在8个轨道面上，轨道高度为1389 km。它有4个主要特点：一是系统设计简单，可降低卫星成本和通信费用；二是移动用户可利用多径和多颗卫星的双重分集接收，提高接收质量；三是频谱利用率高；四是地面关口站数量较多。
            3．ICO全球通信系统
            ICO系统采用大卫星, 运行于10390 km 的中轨道，共有10颗卫星和2颗备份星, 布置于2个轨道面，每个轨道面5颗工作星，1颗备份星。提供的数据传输速率为140 kbit/ s ,但有上升到384kbit/s的能力。主要针对为非城市地区提供高速数据传输，如互联网接入服务和移动电话服务。
            4．Ellipso系统
            Ellipso系统是一种混合轨道星座系统。它使用17 颗卫星便可实现全球覆盖,比铱系统和Globalstar系统的卫星数量要少得多。在该系统中, 有10 颗星部署在两条椭圆轨道上, 其轨道近地点为632 km ,远地点为7604 km，另有7颗星部署在一条8050 km高的赤道轨道上。该系统初步开始为赤道地区提供移动电话业务，2002年开始提供全球移动电话业务。
            5． Orbcomm系统
            轨道通信系统Orbcomm是只能实现数据业务全球通信的小卫星移动通信系统,该系统具有投资小、周期短、兼备通信和定位能力、卫星质量轻、用户终端为手机、系统运行自动化水平高和自主功能强等优点。Orbcomm系统由36颗小卫星及地面部分（含地面信关站、网络控制中心和地面终端设施）组成，其中28 颗卫星在5个轨道平面上：第1轨道平面为2颗卫星, 轨道高度为736/749 km；第2至第4轨道平面的每个轨道平面布置8 颗卫星, 轨道高度为775km；第5轨道平面有2颗卫星，轨道高度为700km，主要为增强高纬度地区的通信覆盖；另外8 颗卫星为备份。
            6．Teledesic系统
            Teledesic系统是一个着眼于宽带业务发展的低轨道卫星移动通信系统。由840颗卫星组成，均匀分布在21个轨道平面上。由于每个轨道平面上另有4颗备用卫星，备用卫星总数为84颗，所以整个系统的卫星数量达到924颗。经优化后，投入实际使用的Teledesic系统已将卫星数量降至288 颗。Teledesic系统的每颗卫星可提供10万个16kb/ s的话音信道，整个系统峰值负荷时，可提供超出100万个同步全双工E1速率的连接。因此，该系统不仅可提供高质量的话音通信，同时还能支持电视会议、交互式多媒体通信、以及实时双向高速数据通信等宽带通信业务。

12.1.3 甚小天线地球站（VSAT）系统
            12.1.3.1 VSAT系统的概念
            VSAT是VERY SMALL APERTURETERMINAL的缩写，即“甚小孔径终端”。由于源于传统卫星通信系统，所以也称为卫星小数据站或个人地球站，这里的小指的是VSAT系统中小站设备的天线口径小，通常为0.3m-2.4m。VSAT是80年代中期利用现代技术开发的一种新的卫星通信系统，属于同步静止轨道通信系统，它通过卫星上的转发器来为多个小规模的地面设备提供点到多点的链路。利用这种系统进行通信具有灵活性强、覆盖范围大、可靠性高、成本低、使用方便以及终端设备体积小、安装方便、功耗小等特点。借助VSAT用户数据终端可直接利用卫星信道与远端的计算机进行联网，完成数据传递、文件交换或远程处理，从而摆脱了本地区的地面中继线问题，这在地面网络不发达、通信线路质量不好或难于传输高速数据的边远地区，如：乡村、油田，使用VSAT作为数据传输手段是一种很好的选择。目前，广泛应用于银行、饭店、新闻、保险、运输、旅游等部门。由众多甚小天线地球站组成的卫星通信网，被成为VSAT卫星通信网。
           VSAT网络一般由一个中心地面站、卫星和广泛分布在各地的VSAT小站组成。中心地面站是VSAT网络的管理控制中心，它由卫星天线、射频设备、中频设备及交换单元等系统组成。主站设有网络管理系统，负责对全网监测、管理、控制和维护，如实时监测、诊断各小站和主站本身的工作情况、测试信道质量、负责信道分配、统计、记费等。分布在各地的VSAT小站由天线、室外射频单元和室内数字处理单元组成。室内数字处理单元承担发送和接收数据的处理、操纵功能。其用户接口可以同时支持多种通信协议，它可以根据用户要求配置为不同的带宽，方便用户将各种终端设备接入VSAT网络。VSAT通信使用的卫星资源是C波段和Ku波段的卫星转发器，其中C波段极为拥挤而且天线尺寸较大；而ku波段拥挤程度较低且天线尺寸较小。目前使用较多的是天线尺寸小、不易受地面电磁干扰的Ku波段卫星转发器。

            12.1.3.2 VSAT系统的发展历史
           VSAT技术的迅速发展得益于80年代计算机的大量普及和计算机联网需求的大量增加。由于相当多的计算机通信业务是在一个主计算机与许多远端计算机之间进行的，而VSAT网络能非常经济、方便地解决地面通信网很难处理的这种点对多点寻址；加上当时的VSAT已综合了许多新的技术（如分组传输与交换技术、高效的多址接续技术、高集成度微处理器技术、协议的标准化、天线的小型化及高功率的卫星等），使得VSAT基本具备了前面所述的主要优点。因此，VSAT从80年代开始得到了迅速的发展，成为卫星通信中发展最快的一个领域。
            从VSAT的发展来看，可以分为三个阶段。
            （1）初期阶段：主要指1980年以前及以后2年。在此阶段，VSAT以采用C波段为主要标志，并且只能提供单向和低速数据业务；
            （2）第一代VSAT：指1983年～1988年这一时期的VSAT产品。此阶段的VSAT以采用Ku波段和星形结构进行数据传输为显著标志，并开发了一些新的多址方式；
            （3）第二代VSAT：指1988年到90年代中期。此阶段，VSAT已从单纯支持数据型业务向数据、话音、图形等综合业务方向转化，并且开始采用网状结构。
            到1993年底，全球已安装和预订的VSAT数超过了116000个。近几年来，每年的销售额约5.5亿美元，预计以后每年的增长率仍将在20％左右。
            12.1.3.3 VSAT系统的业务与网络结构
            VSAT通信网络的基本网络结构有星型、网状以及混合型三种，它们分别针对不同的业务需求。
           （1）星型网络：星型网络是VSAT网中应用最广泛的网络形式，各VSAT小站只与中心站发生通信联系，VSAT小站之间不能通过卫星直接互通，而只能经中心站的转接方能建立通信。它适用于具有大量数据需要被广播分配发送或是集中收集处理的单位，如：银行、新闻、交通、连锁店、气象地震监测等；如图12-2所示。
 

                                                                   图12-2 VSAT的星型网络结构

           （2）网状网络：网状网络不需要中心站的参与，各VSAT小站之间能够直接建立通信连接。网状拓扑适用于要求信道动态分配、以话音业务为主的网络，采用动态分配的方式提高信道利用率，仅在呼叫保持阶段占用信道，一旦呼叫释放，即将所占信道重新分配。网状网络由于通信不需经过中心站，因此相对星型网络也具有较小的端到端时延；如图12-3所示。
 

                                                          图12-3 VSAT的网状网络结构

           （3）混合型网络：混合型网络是一种最近发展起来的VSAT网络拓扑结构，它在传送实时性要求不高的业务（如数据）时采用星形结构，而在传送实时性要求较高的业务（如话音）时采用网状结构；当需进行点对点通信时采用网状结构，进行点对多点通信时采用星形结构。这种网络结构可充分利用前两种网络结构的优点，同时能最大限度地满足用户的要求。此外，由于此结构中允许两种网络结构并存，因此可采用两种完全不同的多址方式；如图12-4所示。
 

                                                              图12-4 VSAT的混合型网络结构

            12.1.4 卫星通信系统的发展趋势
            1．未来卫星通信系统主要有以下的发展趋势：
            （1）地球同步轨道通信卫星向多波束、大容量、智能化发展；
            （2）低轨卫星群与蜂窝通信技术相结合、实现全球个人通信；
            （3）小型卫星通信地面站将得到广泛应用；
            （4）通过卫星通信系统承载数字视频直播（DVB）和数字音频广播（DAB）；
            （5）卫星通信系统将与IP技术结合，用于提供多媒体通信和因特网接入，即包括用于国际、国内的骨干网络，也包括用于提供用户直接接入；
            （6）微小卫星和纳卫星将广泛应用于数据存储转发通信以及星间组网通信。
            2．卫星宽带IP技术
           近年来，第二代移动蜂窝系统的成功和因特网业务需求的急剧增长表明未来用户的需要是“能在任何地点和任何时间使用交互的非对称多媒体业务”。以多媒体业务和因特网业务为主的宽带卫星系统已成为当前通信发展的新热点之一。传统卫星网的使用价格昂贵，而且不能适应目前多媒体业务和因特网业务发展的需要，不适于开拓大众消费市场。面对其它通信系统的竞争，在技术上保证提供业务的低价优质，占领市场，是宽带多媒体卫星通信系统得以生存和发展的关键。进入90年代以来，商业网络逐渐向应用TCP/IP因特网协议的分组交换型网络发展。宽带IP卫星技术是这种网络发展趋势的结果，它是将IP网络层搭载在卫星传输链路上营运的技术。这一技术有利于吸收目前蓬勃发展的IP技术，与因特网进行互通，提供丰富的业务类型，IP网络的简单结构与易于运营也有助于降低业务提供成本，使卫星通信在面向普通用户的市场上可以和地面移动通信系统竞争。
           1996年，美国NASA的ACTS卫星进行了622Mbits/s的ATM试验，验证了TCP/IP协议在卫星ATM平台上传输的可行性。美国马里兰大学采用真实的多媒体信源在这个系统平台上进行了一个仿真分层网的通信实验。已经进入商用化的可以提供卫星IP传输的系统称之为卫星IP overDVB系统。通过该系统开展卫星因特网业务的初步尝试由休斯公司的DirecPC Turbo Internetservice成功实现。这些系统都是根据大多数多媒体业务用户的业务特点（下载大量视频、音频和数据信息，但上载信息很小）而设计的。它们使用非对称传输方式来降低用户终端费用，并在北美获得较大的市场。此外欧洲也在积极发展这样的非对称系统。但是这些早期的应用离未来对宽带卫星系统的要求还有一些距离，在市场定位上还处于探索阶段。目前美国和欧洲各国在卫星IP技术方面已经进行了一些尝试。1999年5月欧洲发射了ASTRA卫星，组成了一个宽带、面向大众的“空中因特网”卫星系统。
           目前提出的宽带IP卫星系统都采用基于ATM的传输技术，但是卫星ATM实现起来较为复杂，与现有的卫星传输技术有很大不同。未来宽带IP卫星通信技术的发展趋势包括： 系统结构继续沿卫星ATM方向发展，支持实时多媒体业务的卫星网与地面网间的交互控制、提高ATM卫星环境下端到端的TCP性能、支持移动性管理；而另一方面，全新的支持IP卫星传输的新系统结构也可能后来居上，这方面的关键技术研究包括卫星IP网络结构、支持卫星IP运行的网络层和传输层协议、IP的保密安全协议及相关问题对卫星链路产生的影响等