未来十年卫星通信领域需要攻关的关键技术分析

未来十年卫星通信领域的关键技术分析未来十年卫星通信领域的关键技术分析 摘要摘要 由于科学技术的发展和多媒体业务的需求 现代通信技术发展异常迅速 文 章通过对卫星通信应用现状和难点的介绍 分析了卫星通信技术在当今全球信息 化浪潮中所处的地位 作用及遇到的挑战 探讨了其在未来的应用竞争环境中所 具有的优势和劣势 总结了演变趋势及需要解决的关键技术问题 给出了它在未 来通信网中的发展趋势 关键词关键词 星上处理 异步转移模式 宽带 IP 卫星通信 1 卫星通信发展现状卫星通信发展现状 卫星通信技术发展十分迅速 20 世纪 60 年代时 卫星通信只是在军事上 得到了应用 到了 70 年代时 卫星通信的发展达到了顶峰 90 年代时 光纤 通信诞生了 这对卫星通信造成了一次冲击 但卫星有它自己独特的特点 如 卫星具有多址连接方式 可以按需分配带宽等特点 这些是光纤通信所不能及 的 所以卫星通信在偏远地区 越洋通信中被优先选用 星上交换作为卫星通 信的核心部分 受到国内外学者的深度研究 星上技术结合 ATM 使得卫星 ATM 技术成为卫星领域的一个研究热点 目前许多国家就卫星 ATM 已经展 开了深入研究 期望在未来有一个质的飞跃 2 现今卫星通信遇到的难点现今卫星通信遇到的难点 2 1 卫星通信的成本因素卫星通信的成本因素 众所周知 在长距离通信中 最需要的技术就是卫星通信 因为卫星通信 具有通信容量大 覆盖地域广 不受地理条件限制和通信方式机动灵活等优点 但是随着对通信资费的调整后 长途通信费用大幅下降 但卫星的转发器费用 却并没有因此而改变 因此使得卫星通信成本还是很高 2 2 卫星通信中宽带卫星通信中宽带 IP 问题问题 当前 宽带 IP 卫星通信中基本上都是采用 ATM 传输技术 因为 ATM 的性能可以满足欧美等地的性能指标要求 但当系统采用 RS 块编码 交织以 及 FEC 技术时 虽然提高了卫星链路的传输质量 却也在无形中增加了卫星 ATM 实现的复杂度 这与现在运用的卫星通信技术是不相同的 2 3 卫星通信中数据速率问题卫星通信中数据速率问题 当前是信息时代 需要有更加快捷的方式来及时地传输信息 而传统的基 于频分复用和码分复用技术已经无法满足卫星通信的需求 随之出现了分组交 换技术 同时 长距离的传输也带来了延时问题 这就需要通过快而有效的方 法来解决延时对实时数据的影响问题 3 卫星通信系统中的关键技术卫星通信系统中的关键技术 3 1 数据压缩技术数据压缩技术 随着科学技术的发展 数据压缩技术已经发展得很成熟 尤其是在数据处 理相关领域 数据压缩可以给通信带来很大的方便 例如节约了时间 提高了 频带利用率 节约了存储空间等 数据压缩标准有很多 但被人们广泛采用的 标准主要是对静止图像压缩编码的 ISO 标准以及 CCITT 的 H 26 标准 而在卫 星通信中主要采用的是 MPEG62 该项技术主要是面向对象的 而且在多媒体 同步方面发挥了很好的作用 同时它的实时交换 实施表现等方面也做得很完 美 3 2 智能天线系统智能天线系统 降雨以及大地对电磁波的吸收从很大程度上导致高频段的卫星 ATM 网络 产生突发错误 而且卫星本身也存在各种限制和随机错误 这就需要通过智能 天线的多波束来覆盖到更广的区域 例如 可以采用多波束快速跳变系统 同 时在低轨道系统中采用蜂窝式天线来实现跟踪和同频复用功能 星上和同步轨 道系统要想构成蜂窝式覆盖图就必须要采用相控阵列天线 3 3 多址接入技术多址接入技术 针对接入方式 ATM TDMA 多址接入方式比 FDMA 和 CDMA 更适合星 上处理卫星对多址接入的要求 因为此种方式有较好的信息传输角度 网络应 用灵活性好等特点 但是 TDMA 方式对速率和发射功率要求很高 这在无形 中就增加了解调器的实现难度 同时也增加了载波功率与噪声功率密度的比值 的要求 为了克服上述问题 该领域专家提出了一种新的方式 采用多频质的 TDMA 即 MF TDMA Multiple Frequency TDMA 多址接入技术 它是将 FDMA 于 TDMA 相结合 这样可以降低每个 TDMA 链路的接入速率和调制 解调器的工作速率 同时对上行链路的值 C N0 C N0 E N0 Rb 的要求也减弱了 3 4 卫星激光通信技术卫星激光通信技术 卫星通信要求速率很高 这就需要采用激光进行通信 卫星通信采用激光 可以提升卫星的通信量和保密性 减轻了卫星的重量和大小 在大气层外 没 有大气的干扰 通信更加准确 同时也降低了误码率 运用激光可以提升数据 的传输速率以及系统的可靠性 同时卫星通信也互不干扰 最主要的是 采用 激光通信可以大幅度地降低延时 使信息能够得到及时传输 激光的这些优点 都被发挥得淋漓尽致 有专家预测 激光技术运用到卫星通信中将是很有前途 的 对通信行业的发展起到不可替代的作用 3 5 信道纠错编码技术信道纠错编码技术 众所周知 在卫星通信中难免会产生错误 尤其是在卫星通信的过程中 ATM 信元在面对突发错误时会产生很大的错误 在 ATM 信元中 位于 ATM 信头的最后一个字节是信头差错控制 HEC 它主要是通过检测和纠正单 比特错误以及检测是否有多比特来保护 ATM 信头 所以 在出现丢失信元或 者信元误插现象时 主要是由于 HEC 在多比特发生错误时没有发生作用 因 此提出了采用交织技术来降低信元丢失率和检测不出错误的概率来保护 ATM 信头 改善信息的传输质量 采用 MF TDMA 的多址接入方式的星上 ATM 系统可为不同的地球站提 供不同的 QoS 服务 而不同的 QoS 需要不同的误码率 BER 和信元丢失率 CLR 因此针对不同的业务需要进行不同的编码 使整个系统的灵活性增强 3 6 新型高效的数字调制及信道编码技术新型高效的数字调制及信道编码技术 目前 应用较成熟的有正交频分复用多载波调制技术 OFDM 和 16 QAM 调 制等 在信道编码上 可以结合天线分集技术采用定时格码中的定时快码 亦 可采用 Turbo 乘积码 TPC 技术 Turbo 乘积码是一个由小的分组码 如汉明码 校验码或两者的混合码 组成的二维或三维阵列 为提高纠错效率 可增加 1 个 超轴 构成的所谓增强型 TPC 在数字解调过程中 可采用多载波群路整 体解调技术 即用 1 套解调装置同时解调多载波 然后经过基带交换矩阵和存 储装置 在转换成 TDM 形式的基带信号 这样可以节省带宽 大大提高解调 速度 3 7 多媒体准信息同步技术多媒体准信息同步技术 大致可将多媒体信息分作两类 一是连续同步 即媒体之间连续两个小时 以上的视频或音频的同步 二是时间驱动的同步 即一个事件和因其导致的相 应动作的同步 卫星多媒体通信要实现信息的同步 可通过反馈法 缓冲法以 及时间戳法来完成 当前已开发出 多业务流同步协议 和 多信息流会话协 议 前者和同步时钟近似 后者主要支持分布式协议应用中的时间因果 3 8 宽带宽带 IP 卫星通信技术卫星通信技术 宽带 IP 主要有两个方向 一是系统结构继续沿袭卫星 ATM 二是完全放 弃固有的 ATM 建议 建立一套新的协议 3 8 1 改进 ATMA 在未来 宽带卫星网和地面 ATM BISDN 一起构成宽带 Internet 网 为了使 Internet 业务能够更好地被传送 必须强化 TCP 的功能 ATM 信元的传输时依 靠地面终端 利用卫星上的交换机通过开设虚通道来实现的 为了能够有效的 控制拥挤堵塞现象 VC 管理和流量控制必须要此采用的途径 此外 还需要 地面终端为控制 ATM 网和 IP 网间的拥挤堵塞现象提供相应的机制 对于卫星 上的 ATM 交换机 则必须使用信元和 VC 级的业务量管理机制 TCP 主机需 要建立各种可靠地控制拥塞机制 以便宽带利用能够有效地实现 不过就目前 而言 算法还达不到统一 还需要更深层次的的研究 ATM 与 BISDN 要想互联成功 必须对 ATM 网采用多媒体的业务管理 ATM 技术比较适合以固定的方式接入 在移动卫星通信中 当前移动管理的协 议效率比较低 需要采取新的方案来解决之一问题 3 8 2 建立新系统协议结构 这些年来 多媒体以及 IP 技术广泛应用于卫星通信中 已经成为一个热点 话题 在 1999 年举办的 WP4B 会议上 会议通过了二者应用于卫星的新课题 天 这十分有利于宽带卫星的进步 专业人士认为 在未来 IP 极有可能代替 ATM 成为通信网络技术的主流 其关键技术有卫星 IP 结构 IP 保密安全协议等 4 卫星通信系统未来的发展趋势卫星通信系统未来的发展趋势 随着卫星通信技术的发展 卫星通信的使用范围越来越广 服务水平也越 来越高 虽然卫星通信在发展的过程中遇到了不小的困难 遭受了很大挫折 但是卫星通信的前景依然让人看好 卫星通信的发展与一个国家的经济 国防 发展密切相关 未来卫星通信将沿着数字化 网络化 以及信息化这 三化 方向前进 针对卫星通信的未来发展趋势而言 我们应该在现有的基础上提高 频段频谱的利用率 同时将 IP 与 ATM 技术相结合去建立卫星宽带综合业务数 字通信网 国家信息高速公路 要进一步去实现建立小型化 智能化 经济 化未来的卫星通信网 实现移动用户间可以利用卫星进行通信 而不再需要基 站 如果将卫星与 Internet 网络相连 实现卫星互联网技术 这样就可以利用 宽带卫星进行双向传输 并且下载和地面网络反馈的速度也得到了大幅提升 同时也大大减