宽带卫星通信技术的现状与发展

宽带卫星通信技术的现状与发展宽带卫星通信技术的现状与发展 本文综述了宽带卫星通信技术的现状 介绍已解决的关键技术问题 包括 卫星数据传输技术和关键器件 以及星上处理 交换技术等 在文章的中间部 分 详细阐述困扰宽带卫星系统发展的一些新的技术问题 最后 展望未来宽 带卫星技术的发展趋势 1 宽带卫星通信技术的现状 宽带卫星通信技术的现状 发展宽带卫星系统已成为当前通信的新热点之一 但要满足未来的需要 必须解决卫星网与服务质量 QOS 有关的系统设计问题 面对各种系统的竞 争 如何在技术上保证提供业务肥价优质 以及占领市场 是宽带多媒体卫星 通信系统得以生存和发展的关键 前期的卫星宽带系统被称为卫星宽带接入系统 1996 年 美国 NASA 的 ACTS 卫星 Advaned CommuniCations TechnologySatellite 进行了 155 54Mbit s 的 ATM 试验 目前 已经进入商用化的典型系统 如 Direct PC 和 Direct TV 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 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 宽带卫星通信系统的研究 如欧洲先进通信技术和 业务 ACTS the European advanced Communications technologies and services 计划的若干项目 SECOMS satelliteEHF communications for mbile multimedia services ASSET ACTS satellite switching end to end trials WISDOM wideband satellite demonstration of multimedia 和 ACCORD ACTS broad communicationjoint trials and demonstration 等 都集中在可提供 2Mbit s 速率的新系统设计上 同时 以支持宽带业务为目的的一些同步和非同步卫星 通信系统相继出现 1999 年 5 月 11 日欧洲发射了 ASTRA 卫星 组成宽带 面 向大众的 空中因特网 卫星系统 现代宽带卫星系统的特点是工作在更高的频段 采用基于 ATM 的传输技 术和主要提供多媒体和因特网业务 其市场由三个基本部分组成 在线个人客 户 多媒体业务提供商和在线企业集团 目前 宽带卫星系统已采用 Ka 波段 而 Ka 波段传播特性受降雨衰耗的影 响较大 这一点为人们所普遍关注 但是从实验和实际应用的结果来看 采用 自适应功率调整和自适应数字编码可以解决这个问题 地面光纤网采用 ATM 技术来提供宽带综合业务 而误码率较高的卫星定 带系统在采用 ATM 技术提供多媒体业务时 需考虑保证 QOS 的问题 一些国 家 如美国 欧洲 日本 澳大利亚对卫星 ATM 层和物理层性能测试的结果 表明 ATM 的性能可以满足 ITU TG 826 和 I 356 的目标要求 如果系统采用 RS 块状编码 交织 FEC 技术 卫星链路可达到准光纤链路质量 ATM 可以 作为卫星系统的数据传输技术 而具有星上交换处理的卫星 ATM 系统却有着 光纤网络所不及的如下优点 卫星可以在广阔的地理范围内 包括偏远地区 农村 城市和无人区 提 供 ATM 业务 卫星通信系统可以在全球范围内灵活地实现按需分配带宽 它不受复杂的 地面网络拓扑的影响 减少了中间多次分配的环节 当在不同的地区接入 ATM 网络用户时 卫星可以方便地提供多变的网络 构成 指网间接口标准 协议层次等 和进行灵活的容量分配 利用卫星通信的广播性和易于 多 点到多点通信的特性 结合 VSAT 技 术 可以快速地建立 ATM 网的 多 点到多点的应用 可以方便地为无法预测带宽要求和业务特征的连接分配备用信道 这样既 可以保证该连接的业务质量又可以充分利用资源 按照用户的要求 可方便地安装 ATM 卫星站 为新用户在需要的时候在 任何地点接入网络 网络扩展相对容易 卫星可以作为地面光纤 ATM 网的安全备份 在地面网出现故障或拥塞时 确保路由畅通 在 Ka 波段关键器件方面 近来有了突破性进展 使廉价用户终端的制造 问题得以逐步解决 这些进展包括高集成度半导体 如 ASIC 的发展 20GHz 波段的低噪音放大器和 30GHz 波段的高功率转发器的研制成功 更高效 率的空间行波管放大器 卫星总线技术 高功率太阳能板和电子推进系统 火 箭发射技术的提高也降低了卫星单位重量的发射成本 提高了最大负荷 星上处理技术是提高卫星系统性能的有效手段 对提高系统的频谱利用率 克服雨衰影响等都十分有效 所以几乎所有的宽带卫星系统都采用星上处理技 术 波束成形 星上 ATM 交换和星上功控技术正在不断地完善 2 现代宽带卫星通信技术面临的挑战 现代宽带卫星通信技术面临的挑战 宽带卫星通信现在遇到了频谱的限制 宽带卫星与其它卫星系统及地面系 统的协调 国际标准化工作的相互协调与各国法律的特定要求 商业上的问题 和通信技术等方面的挑战 下面就通信技术上的挑战做具体的阐述 1 卫星 卫星 ATM 技术实现技术实现 卫星 ATM 实现起来较为复杂 与现在的卫星传输技术有很大不同 在卫 星 ATM 的分层实现上 存在两种不同的观点 一种是不改变现有卫星的协议 结构 只是将 ATM 协议放在非 ATM 的卫星协议平台上 另一种观点是卫星网 采用完全的 ATM 结构 其中卫星部分的 ATM 层是 S ATM 以区别地面固定 网中的 ATM 层 支持传统 ATM 业务 TCP IP 应用和 UDP IP 应用 前者 的优点是卫星平台对不同用户终端的协议标准是透明的 卫星访问协议止于关 口站 不会为外界网看到 不需要修改现行的卫星标准 缺点是很难为各种不 同的协议提供最好的性能 具有这种分层结构的卫星 ATM 称之为在非 ATM 上 的 ATM 封装 后者的优点是适用于一个高度集成的星地 ATM 环境 缺点是协 议复杂 需要修改现有的各种卫星协议和网间接口协议 2 波束成形技术 波束成形技术 传统上 卫星采用焦点反馈式抛物面天线实现波束成形 这种无线在增益 要求高时 如在 GEO 应用环境中 特别有用 但是抛物面反射器缺少灵活性 而且频率越高 抛物面加工精度的要求也越高 近来 使用简单发射单元的平 面阵列实现波束成形技术受到人们的关注 该方法的主要优点是波束成形是全 数字的 并采用自适应处理技术 增大了设计的自由度 同时平面天线的制造 成本相对于抛物面天线低 重量也轻 但是平面结构的天线如果用于 GEO 卫星 增益较小而且单元间有相互耦合 目前需要在不同的应用环境 GEO MEO LEO 中对抛物面反射器和平面阵列的优缺点做出定量的比较 3 移动移动管理的有效性问题管理的有效性问题 下面将介绍目前的两种主要移动管理机制 它们存在效率低的问题 而新 的移动管理方案的研究情况在下面介绍 移动移动 IP mobile IP 在移动 IP 中采用了三角路由的方法来解决移动节点 MN 的路由问题 这种三角路由移动 IP 管理的方法要求对传统协议所作的扩展很小 因此是提供 移动性管理的最佳方案之一 但是每个发给移动终端的数据包都要发到源管局 这种低效率的路由机制造成了网络资源的浪费和 QOS 的可能降低 特别是在公 用网中 通用分组无线系统 通用分组无线系统 GPRS general packe tradio system ETSI 为蜂窝系统制订了 GPRS 标准协议 每一个移动终端终身都与一个网 关 GPRS 节点 GGSN gateway GPRS Supportnode 和一个本地位置寄存器 HLR 相关 移动终端在 HLR 中记录了其最新的位置信息 该信息即是正在 为它服务的 GPRS 节点 SGSN serving GPRS support node 地址 当一个发 送主机向移动终端发出一个数据包时 GGSN 接收该数据包并从 HLR 中得到该 数据包的目的移动终端的定位信息 然后 GGSN 用 SGSN 地址将数据包封装成 一个新包 再发往移动终端 可见 GPRS 也存在路由的低效率 显然 上述两种移动管理机制从路由最优的观点看都存在问题 低效的路 由可导致 QoS 的下降和网络的阻塞 4 业务分类问题 业务分类问题 ATM 论坛定义了 5 种不同的业务类型 囊括了所有不同的应用和用户业务 它们是恒定比特率 CBR 实时可变比特率 rt VBR 非实时可变比特率 nrt VBR 可用比特率 ABR 和未定义比特率 UBR 业务 在一个 ATM 网络中 当一个连接开始建立 SETUP 消息报文就带着必须的信息与要 接入的网络会晤 地面固定的 ATM 网在不破坏现有连接的条件下 为新呼叫 分配 OOS 参数 包括 ATM 信元丢失率 绝对信元传输时延和信元延迟的科动 但是对于无线 ATM 网络 会有其它因素影响业务性能 如无线信道衰落造成 的高误码率 切换造成的业务中断等 所以 沿用 ATM 现有的业务分类方法 是不合适的 3 宽带卫星通信技术的发展趋势 宽带卫星通信技术的发展趋势 3 1 系统结构系统结构 1 新传输技术 新传输技术 近年来 IP 和多媒体技术在卫星中的应用已成为一个研究热点 ITU R 第 四研究组于 1999 年 4 月 26 日一 5 月 7 日在瑞士日内瓦举行了 WP4A WP4B 4SNG SG4 会议 在 WP4B 会议上 IP 和多媒体技术在卫星 中的应用作为新技术课题提案获得了通过 这对宽带卫星通信系统的发展具有 重要影响 参加这次大会有关人士认为 IP 很有可能成为未来的主要通信网络 技术 大有取代目前占主导的 ATM 技术的势头 IP 数据包通过卫星传输的可 用度和性能目标与 ITU TG R26 和 ITU RS ATM 建议要求是不同的 有关研 究将在 2001 年完成 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的性能需求 IP 层协议或能加强卫星链路性能的更高层协 议 需要作什么样的潜在改善 IP 保密安全协议及相关问题对卫星链路的要求 将产生什么影响 ITU R 为提供与 ITU T 和其它标准化组织最合适的联络应 作出什么样的安排等方面 这种技术若能实现与地面 IP 网络兼容 将影响卫星 通信业务的变革 2 实时多媒体业务的网间交互控制 实时多媒体业务的网间交互控制 为满足多媒体业务需要 往往有不同的宽带网络技术如 ATM 帧中继 高 速以太网 和不同的交换技术如 ATM 分组交换 IP 交换和 IAN 交换 以便在 同一个网际环境中提供所需的骨干数据传输服务 要实现实时的多媒体传输就 必须将这些不同的网络技术和交换技术协调起来 在 IP 传输网方面 目前国外 研究的重点是评估在高速 IP 网中能保证 QOS 的各种路由和资源管理策略 包 括 RSVP resourcereservation protocol 分组规划 packet scheduling 如平等排 队 fai queuing 和其它一些实时路由控制协议如 RTP real time transport protocol RTCP real time control plotocol RTSP Real time streaming protocol 等 RSVP 和分组规划是一种资源预保留协议 位于 IP 协议栈的上面 需要下层路由的支持 RTP 和 RTCP 协议一船运行在 UDP TCP 的上面 用于 解决端到端的实时业务传输的定时问题 包括定时对准 timestamping 分组 编号 sequence numbering 等 RTP 和 RTCP 协议经过修改可以运行在 CLNP connectionless networkprotocol IPX internetwork pocket exchange AAL5 ATM 或其它协议之上 RSVP 根据实时视频数据流在业务提供者和用 户之间连续流动的特点 在 IP 网上提供远端流控机制 使用户在一边播放已解 码的实时数据帧 一边解压收到的数据帧的同时 能接收实时数据流 保证播 放的连续性 在 ATM 传输网方面 一些研究者将一些 IP 网的路由技术和 ATM 相融合以期更好地解决卫星多媒体业务的 QOS 问题 如 RSVP Over ATM 除 此之外 在实时多媒体业务交换技术方面出现了一些新技术 如 IP 交换 tag 交换 结合 I PNNI 的 MPOA Multiprotocol Over ATM 技术等 这些新技术 将 IETF Internet Engineering Taskforce 和 ATM 论坛新近研究的建议用于卫星 宽带网的环境 希望更好地解决网际间实时多媒体业务传输的互操作问题 美 国马里兰大学采用多媒体源进行了包括宽带卫星网在内的一个仿真分层网的通 信实验 3 提高 提高 ATM 卫星环境下的端到瑞的卫星环境下的端到瑞的 TCP 性能性能 未来的宽带卫星网将和地面 ATM BISDN 一起构成宽带 Internt 连接 由 于卫星信道的延时较地面长 其拥塞控制与地面网有很大的不同 为有效传送 Internet 业务 有必要分析一下端到瑞的 TCP 性能 地面终端通过星上交换机 建立虚通道 VC 来传输 ATM 信元 为实现有效的拥塞控制 除流控和 VC 管理外 地面终端还必须提供 IP 网和 ATM 网之间拥塞控制的机制 星上的 ATM 交换机必须采用信元和 VC 级的业务量管理机制 TCP 主机也要利用各种 拥塞控制机制来实现有效的带宽利用 但是目前在算法上还存在很多争议 在实现与 ATM BISDN 的互连方面需要对星地综合的宽带 ATM 网进行实 时多媒体业务管理 4 提供基于 提供基于LAN的的 IP 互连互连 采用在发展中的 IPV6 和 RSVP 基于 LAN 的 IP 能支持具有不断变化 QoS 量级的实时业务 其方法是沿业务流的路径在各个 IP 中转路由器中保留资源 因为 IPV6 能够提供双向交互式业务如视频会议 Web 浏览 这些业务的传输 要求和只要求 尽力 best effort 传输 的业务 如 FTP 不同 所以无线接 口的数据链路层协议必须包括一个能把 QoS 要求变为合适的卫星 MAC PDU 的 功能块 也就是说星上的动态容量分配 DCA 必须与 IP 层的 QoS 相配合 并控制端到端的无线 LAN 的 QOS 3 2 移动管理移动管理 为了解决目前的移动管理协议效率低的问题 近期提出了若干新的移动管 理方案 比如 Tsuguo Kato 等人提出的一种高效移动管理方案 该方案基于 ATM 面向连接和非连接方式的混合模型 为要求 QoS 保证的业务提供类似 ATM SVC switched virtual connection 的路由 并为要求 尽力传输 的业务 提供类似 ATM CL connectionless 的路由 其路由策略依照逻辑子网原理 进行优化 在无线 ATM 移动性目标管理方面 目前已解决了 ATM 终端用户在大楼或 校园内的实时移动管理问题 试验的移动距离从数米到数百米 数据率为 2 24Mbit s 频段为 2 4GHz 或 5GHz 但是 含有 ATM 交换机的子网整体的 移动性管理至今未能解决 该领域内也鲜有工作 该应用的典型例子是在一架 大型客机上有一个 ATM 网络提供机上数百名乘客通信和娱乐业务 在此环境 下终端用户相对服务平台不动 但整个 ATM 网相对地面固定网是移动的 两 者之间通过卫星建立通信链路 一个新的移动管理目标是在全球卫星与飞机间 通信的特定环境下网络段 即含有一个或一个以上交换机的 ATM 子网 的移 动管理 这 目标可以发展为未来全球 N GEO 宽带卫星 ATM 系统的移动管 理目标 以 Teledesic 系统为例 该系统的 288 额低轨卫星相对静止卫星和地面 都是移动的 其网络段的移动管理是一个重要的问题 直接影响系统性能 Sankar Ray Boeing 提出了将 ATM 论坛的专用网络节点接口 PNNI private network node interface V 1 协议扩展为一个支持网络段移动的有关定位管理和 路由的建议 由于用户与网络之间或网络与子网之间的移动性 还必须将切换引入 ATM 如果没有切换支持 在一次正在进行的呼叫中 会因为链路变化所造成 的丢失将被应用层以一种类似其处理临时链路失败的方法处理 短暂的中断对 某些业务应用是不好的 甚至是致命的 特别是接入点经常变化时 这种中断 会频繁发生 目前 这方面的研究正在进行 3 3 OBP 星上处理 的技术趋势 星上处理 的技术趋势 在使星上设备小型化方面 国外提出了使用 FPGA 现场可编程门阵列 最新的 EPGA 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 FPGA 受制在于抗辐射 FPGA 的选通时间较难匹配和 SRAM FPGA 的容量 较小 读写速度也不够快 加拿大 Concordia 大学和英国 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 KeVin Kyeony iL Choi 等提出 利用 运行 PC 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 TTC telemetry tlacking command 通信设备 光技术的一个重要方面是在星际链路中的应用 OBP 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 3 4 多址技术和调制技术的发展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 CDMA 多址方式和 OFDM orthogonal frequency division multiplexing 多载波调制方式受到了通信产品制造商的重视 CDMA 的关键技术之一是联合信道估计和干扰消除 目前的 CDMA 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 OFDM 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 NON GEO 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 ATM 与 CDMA 以及 OFDM 相结合是一种好的