宽带卫星通信系统发展现状与展望_忻向军

1 发展现状

宽带卫星通信系统概述

未来宽带卫星网络带宽由极高频（E H F）频段提供，如K a频段（20～30G H z），Q-V频段（40～50GHz）和W频段（76～110GHz）。20世纪90年代提出了各种宽带极高频卫星通信系统，表明了宽带卫星通信系统向高速率、极高频、双向和因特网接入发展的趋势。

宽带极高频卫星通信系统由一颗或多颗卫星组成。在宽带极高频卫星通信系统中，星上路由和星上交换技术的应用非常重要。典型例子是低地球轨道卫星通信系统中的“泰勒戴斯克”（Teledesic）系统，此系统于19世纪90年代提出并于2002年应用，其星座图由288颗低地球轨道卫星组成，实现“空间因特网”，向全球用户提供类似光纤网络服务质量（QoS）性能[误码率（BER）<10-10]的高质量语音、数据和多媒体信息服务。尽管此系统复杂、昂贵并最终作废，但仍然是宽带卫星因特网系统的一个好例子。

近10年，“高适应”（Hylas）卫星、“太空之路”（Spaceway）、“电星”（Telestar）、“双向”（Tooway）、“狂蓝”（WildBlue）和“O3b”等系统表明了宽带极高频卫星通信系统的发展趋势。所有这些系统不仅支持宽带通信应用与服务，如：高速、双向因特网接入（如视频下载、

宽带卫星通信系统

发展现状与展望

忻向军 张琦 王厚天（北京邮电大学）

随着全球信息高速公路因特网的飞速发展和普及，以及交互式多媒体业务的迅速增加，各行各业对宽带的需求越来越紧迫。宽带卫星通信将以其灵活、大范围的覆盖能力，成为无地面网络覆盖地区宽带接入的最佳解决方案。宽带通信卫星正引领着卫星通信的重大变革。Ku等商用频段能够提供的总容量已经无法满足与日俱增的用户带宽需求。Ka频段新型卫星宽带通信系统由于其较宽的可用频段、远端设备小巧、点波束增益高、安装便捷等特点，代表了当代商用民用通信卫星的最高水平，目前美国、加拿大、欧洲、阿联酋等国均发展了Ka 频段宽带卫星，成为宽带卫星系统的主流发展方向。根据欧洲咨询公司预测，未来卫星宽带市场还将进一步扩大，到2019年卫星宽带接入用户数量预计可达约1190万人，主要来自于北美和欧洲，此外，南美约有130万，中国地区约有90万，南亚越有80万等，各地区将主要通过Ka频段多点波束卫星来满足用户快速增长的需求。Ka 频段宽带卫星将成为世界各地未来卫星通信产业重要的发展趋势，将带来显著的社会经济价值。

码视听委员会（DAVIC）和数字视频广播组织等合作，以卫星数字视频广播（DVB-S/S2）标准为基础，建立了宽带卫星通信系统回传链路标准（DVB-RCS）。该标准于2000年由ETSI颁发，成为宽带卫星通信系统协议的一部分，并不断推出新版本。宽带卫星通信系统回传链路标准支持视频编码标准—MPEG2和异步传输模式两种信息传输方式，提供高带宽的前向链路和反向链路，采用多频时分多址接入方案。标准文件中定义了系统参考模型，媒体接入控制（MAC）层和物理层的实现机制，以及同步、控制管理和安全等实现过程。宽带卫星通信系统回传链路标准被广泛认为是第一个基于卫星的互联网接入的公开标准。

2000年后，国外开始着手制定宽带卫星通信系统I P协议。2003年，休斯公司的直播线路（Direcway）被电信行业协会（TIA）批准授权为卫星互联网协议（IPoS）标准。该标准除规定了系统与协议参考模型外，主要规定了物理层、数据链路层和网络是适配层的设计方法。

从1997年到1999年，再到2006年，美国有线电视实验室股份有限公司（CableLabs）发布了有线电视宽带接入标准（DOCSIS）1.0版、1.1版以及3.0版，定义了有线调制解调器的物理层和链路层规范。S-DOCSIS标准是有线电视宽带接入标准的改进版，以适用于宽带多媒体卫星通信系统。目前，很多国家已经部署了S-DOCSIS。

欧洲电信标准化协会（ETSI）在太空之路－3卫星系统的基础上提出了再生卫星网状网（RSM-A）标准，此标准规定了帧结构、信道编码、调制解调、无线传输和接收、无线链路控制和同步等空中接口和部分链路层设计方法。与之前标准不同的是再生卫星网状网标准，该标准是专门针对具有星上交换能力的卫星提出的宽带卫星通信系统标准。

2 宽带卫星通信系统关键技术研究

宽带卫星通信体制研究

现有宽带多媒体卫星通信系统的设计多数集中在数据链路层和物理层，物理层主要用于保证数据的可靠传输，而数据链路层则用于保证节点间数据帧的可靠传输。由于目前各国宽带多媒体卫星系统方案基本上均为静止轨道卫星，美国联邦通信委员会（FCC）先后两次推出宽带多媒体卫星系统计划，绝大多数为Ka频段静止轨道卫星通信系统，利用中低轨道星座卫星系统组网提供宽带多媒体的项目由于多种原因被推迟或取消。

现在已经应用的宽带多媒体卫星通信体制有宽带卫星通信系统回传链路标准、卫星互联网协议和“冲浪波束”（Surfbeam）等，卫星均采用透明转发模式，2007年的太空之路-3系统采用了欧洲电信标准化协议制定的再生卫星网状网标准，这一标准卫星加入了星上处理，它主要包括上行和下行链路的信道编码方式、调制方式、帧结构设计、载波划分、同步方案、射频传输、功率控制、多址接入方式等方面内容，大大提高了系统容量和频谱利用率。对现有的宽带多媒体卫星通信体制进行研究与比较，对制定适合我国国情的宽带多媒体卫星通信体制具有重要的意义 。

中国空间技术研究院通信卫星事业部、北京邮电大学卫星通信与网络联合实验室立足我国基本国情，在宽带卫星通信体制的制定方面进行了深入的研究，搭建了基于宽带卫星通信系统回传链路标准的半实物仿真平台。

在半实物仿真平台的搭建过程中，实验室利用opnet的可选附加模块SITL进行宽带多媒体卫星通信半实物仿真平台的搭建。选择半实物平台对宽带卫星通信系统回传链路标准协议进行实验和模拟。使用一种常用的称为现实-仿真-现实方式。

在现实-仿真-现实的配置方式中，现实数据通过虚拟网络发送，不需要转化，以DVB-RCS协议为依托的宽带多媒体卫星网络作为传输网络，经过的数据包受到虚拟网络的作用，如同经过了一个实际的网络。在服务器和终端可以实现网页访问业务、文件传输业务、视频点播、视频会议以及自动颜色管理等功能。

（a）发端用户视频显示

晴天小雨

启用自动颜色管理

大雨

（b）收端在不同条件下的接收情况

自动颜色管理场景演示

如自动颜色管理场景演示所示，在晴天条呈现雪花点，视频传输不再正常。

宽带卫星通信系统信道模型的研究

中地理环境的变化在这两种信道状态之间切换。

2）马尔科夫链三状态模型。在该模型中，根据不同的物理环境分为三个状态：直射状态（瑞斯模型）、中度衰落状态（Corazza模型）、深度衰落（-80dB）状态。状态之间的切换概率由马尔科夫转移概率矩阵决定。

宽带卫星通信系统媒体接入

控制层设计

近年来，以太空之路－3等为代表的宽带卫星系统均采用点波束、星上基带交换等技术来增加整颗星的通信容量，多址接入控制协议主要解决用户如何共享上行信道的问题，在MF-TDMA系统中，用户终端按照指定的媒体接入控制帧格式进行封装，并在指定的载波和时间上进行发送。

作为当前宽带卫星网络的重要课题，媒体接入控制在保障卫星信道利用率和业务端到端时延方面发挥重要的作用，目前针对卫星媒体接入控制协议的研究国内外有很多，比较有代表性的是：联合固定预约分配机制、自适应联合固定随机分配以及自由与按需分配相结合的方式（CFDAMA）协议等。其中自由与按需分配相结合的方式最早是由Le-Ngoc等人提出，由于其成功地结合了按需分配和自由分配方式，可以在负载不是很高时达到较好的信道利用率，同时可以保证较短的处理时延，该协议已经实用于基于卫星回传链路的数字视频广播系统，并采用MF-TDMA 技术作为用户接入卫星的多址方式。

中国空间技术研究院通信卫星事业部、北京邮电大学卫星通信与网络联合实验室在研究宽带卫星系统回传链路标准的基础上，将网络流量整形（Traffic Shaping）和速率限制（Rate Limiting）中的令牌桶机制引入宽带卫星多址接入资源分配方案。该方案不仅区分了用户的不同业务服务质量，而且采用令牌累积的方法在时间轴上引入关联保证业务的公平性与突发需求。仿真结果表明，通过令牌桶的引入，在不影响业务峰值的前提下，业务流量的波动控制在更小的范围内，减少了网络突发对其他业务产生的影响，同时，令牌的灵活转移也给网络管理员提供了便捷的可操作接口，易于对网络进行流量配置与管理，具有较高的实用价值。

在信关站应用层收集所接收到的返向业务量，交互业务（Telnet session）、电子邮件（Email）、数据库业务（DB）、文件传输协议（Ftp）与超文本传输协议（Http）五类业务共同组成了返向业务的总流量。令牌累积机制与非累积机制并不影响单帧分配的时隙利用率，故两种机制均可以使返向业务总流量达到设计的峰值业务速率2Mbit/s。而对两种情况下，5种返向业务流量送入微分器求导数。

累积令牌允许使用前次分配中未使用的确保令牌，一定程度上保护了流量较小的低等级业务，提高业务与用户的公平性。在令牌累积与非累积下的部分时延对比图收集了2个重分配机制下，4位售货员用户业务的整体返向时延，采用无累积的重分配方案时，处于不同优先级的用户服务质量有明显的差别，而采用了令牌累积重分配方案之后，4位用户的业务在保证有一定差异的情况下，避免抢占式分配带来的低等级业务过分“饥饿”现象。

3 宽带卫星通信技术发展趋势

星上处理（OBP）的技术趋势

在使星上设备小型化方面，国外提出了使用现场可编程门阵列（FPGA）。最新的FPGA具有先进的封装技术、抗辐射能力和现场可编程能力，在工程上容易实现星上处理硬件的高度小型化，而且速度较快，利于大批量生产。目前使用现场可编程门阵列受制在于抗辐射现场可编程门阵列的选通时间较难匹配和SRAM 现场可编程门阵列的容量较小。读写速度也不够快。加拿大康考迪亚（Concordia）大学和英国萨瑞（Surrey）大学对FPGA的使用作了有益的尝试。

在降低卫星制造成本方面，法国的K e V i n K y e o n y i L C h o i等提出，利用运行个人计算机机上的辅助设计工具，按照一定的标准挑选电子消费品市场上的廉价元器件，研制卫星使用的遥测、跟踪和指令（T T C）通信设备。

光技术的一个重要方面是在星际链路中的应用。星上处理可能的光应用包括多载波分接和解调、光交换。相挂阵（PAA）波束成型和光信号处理。现在，RF和光电子技术已经有了一些突破，但是总的来看，还很不成熟。

多址技术和调制技术的发展

为提高宽带移动卫星通信系统的容量和业务质量，必须发展新的传输技术和调制技术。近几年来码分多址方式和正交频分多路复用（OFDM）多载波调制方式受到了通信产品制造商的重视。码分多址的关键技术之一是联合信道估计和干扰消除。目前的码分多址研究重点是多用户接收机和信道估计器，用于实现多用户接收机的多用户检测技术，有助于通过消除干扰来提高系统容量。正交频分多路复用的难点是它对系统的同步要求，特别是突发状态下传输的符号时间恢复问题。常规同步算法不适用于具有快衰落特性以及突发传输要求的非地球静止轨道卫星信道，尤其是当信道中没有确认初始时间的前导时。在宽带卫星系统中，异步传输模式、码分多址和正交频分多路复用相结合是一种好的方案。

信道编码

宽带卫星系统要求在较差的信道误码率情况下传输高速数据，这就要求有高效率的信道编/解码技术，满足各类多媒体业务QoS的要求。

从编码的整体性能及最优解码方案的复杂性两个方面来综合考虑，宽带卫星移动信道的编码倾向于采用Turbo码、乘积码和通用链接码。但是在实现复杂度和性能方面难以兼顾。

另外，宽带多媒体业务质量要求的不同，使信道编码需要采用速率可变的差错控制编码。可变速率的差错保护可采用Turbo串行方案加联合卷积码的方法、非平衡差错保护（UEP）和块检测。这方面的工作可以分为：码搜索和差错性能分析，串行和并行Turbo解码算法，如何降低解码技术的复杂性等。另外利用源和信道的联合编码可以提高系统整体性能。

新业务分类方法

欧盟的欧委会科技合作委员会（COST） 252组织定义了一种新的业务分类方法。该方法使无线资源管理所需的参数减少到3个。2个是必须的，分别是希望得到的呼叫阻塞率和掉话率，在接入一个呼叫时或呼叫持续期间，它们由用户／应用定义。第3个参数是预计呼叫持续时间，是可选项（缺省值随业务不同而不同）。在进行无线资源管理的过程中，2个必选参数—业务希望得到的呼叫阻塞率和掉话率，可以分别用两个门限TNewCall和THo的高或低来确定它们的值。利用两种门限的不同组合可有区别地处理不同的新呼叫和切换请求。业务类型不同所对应的不同门限组合决定了对带宽等各个方面的不同要求。

媒体接入控制层协议设计

资源管理算法的理论建模是媒体接入控制协议设计中很重要的一个方面。卫星通信系统的频谱资源非常宝贵，为了满足用户服务质量要求，需要合理高效的无线资源管理算法做保障。无线资源管理的目标是在有限资源的条件下，为网络内无线用户终端提供业务质量保障，其基本出发点是在网络各类型业务量分布不均匀、信道特性因衰落和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和固定网络部分的可用资源，最大程度地提高网络资源利用率，同时防止网络发生拥塞。卫星网络无线资源管理方法高速有效的工作离不开协议的支持。传统的协议设计方式是根据开放系统互联的经典七层协议模型进行设计，这种分层的体系结构表明网络的所有功能是通过一系列叠加的层组织起来的。这种模块化的网络分层结构是针对计算机通信提出的，它具有简单、灵活、易于标准化和易于升级的优点，适合于网络状态相对固定的环境中。所以更加健全的协议体系对宽带卫星通信系统的设计来说有非常重要的意义。

4 结束语

随着多媒体业务和因特网业务需求的迅速增长，人们已经开始更多地关注卫星宽带通信系统。面对宽带卫星通信产业迅速发展这一不可阻挡的趋势，我们应积极抢占这一巨大市场，为宽带卫星产业良性发展保驾护航。