宽带卫星通信的星上处理技术.pdf

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1、?年第!期空 间电子技术宽带卫星通信的星上处理技术王凯东?田斌?易克初!西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室,西安#%摘要卫星通信具有重要的战略意义,世界范围内兴起的 电信自由化运动,为卫星工业的发展提供了发展动力和广阔前景,使之成 为当前通信领域的研究热 点之一,而具有星上处理、星上交换、星上路由技术的宽带卫 星通信网络则是卫 星通信的技术发展方 向。本文讨论了宽带卫星通信网络的发展趋势,对与此相关 的 关健技术进行了论迷,并对新一代宽带卫 星通信 系统在未来网络中的地位和应用 问题提出了作者的看法。主题词宽带卫 星通信星上交换星上 处理星上路由#引言在未来的几年内,将有大批新型 的宽带

2、多媒体卫星通信系统发展起来。这些宽带卫星通信系统可提供更加丰富的业务服务,如可视电话、&()(接人、交互式多媒体应用等。用户数据率可高达每秒几十兆比特,用户终端主要是固定式!如+,(终端%,也包括 台式终端和移动终端。宽带卫星网络相对于宽带地面网络具有如下特点.?能够快速组网,可短时间内为在全球范围内的终端用户提供多媒体业务服务/?对于许多偏远地区,宽带卫星网络比宽带地面网络更加经济/?宽带卫星 网络特别适合于提供多媒体广播业务和多媒体文件的分发业务。这些优点使得宽带卫星网络在军事战争、民用抢险救灾等领域中将发挥非常独特的作用。但是,宽带卫星网络的容量远远低于宽带地面固定干线网络。是作为地面网

3、络的有效补充和延伸,宽带卫星网络更适用于广域范围和全球多媒体业务。宽带卫星网络的典型应用如下.可视电话和视频会议!+012 34252673 89:81;012 3 2 8 8 24:;022%电子商务!)一。8 82 2%电子邮件和传真!):0 5:81:%空 间电子技术?年第!期#%&一&一玩()+,交互式远程教学和培训.&#/%&)压眺/%0之/#1/+2#/13远程医疗2 4(+%3共享应用56/喇/7 4%/&83分布式游戏8 :&+1/(83广域服务;找劝+?姚接人 4&硒叭入 消入?%8 83企业内联网和外联网伪耳幻#/&.&8/+&#/&83文件传输 42#/8=#3远程办

4、公 24%(:&13信息广播、多播.=#(/&:46%/8&;#/+%/8&3?宽带卫星构成方案和星上处理关键技术?星座选择决定系统业务能力和质量的关键因素地球覆盖面积,卫星的数量和重量、发射费用,地面段的复杂度和费用,网络拓扑结构,切换速度。卫星的优点是覆盖面积大颗卫星 即可实现全球夜盖3,与地球同步。缺点是重量重,发射费用高,时延长和路径损耗大。?8 系统使用!颗卫星可增加到颗 3,衡9#8&/#系统使用颗卫星,.8 系统使用?颗卫星。0和 卫星的优点是重量轻,发射费用低,时延和路径损耗小。缺点是夜盖面积小需多颗卫星才能实现全球覆盖3,相对地面高速运动切换、多普勒频移3。2 4+8%

5、系统使用?颗 王卫星,队如#+1系统使用?颗 卫卫星,5/%环旧系统使用 颗?颗王但?年首先在北美使用?颗 颗备份3。?频段选择随着卫星系统和用户数量的增多,以及对带宽需求的日益增加,除传统的和:频段外,还会考虑利 用/及更高的频段。很多下一代宽带卫星系统都工作在/频段如?8&以,汤9#8&/#,5/%印衬/,2 4+8%,8 等等3。其它的一些频段可能也有利用价值)波段!?一?卜 压,毫米波段例如?3。采用/波段和更高频段的优点是可以采用小口径天线,但缺点是雨衰和大气损耗严重。?“空间交换,技术尽管“透明转发”9&3技术中卫星转发器只完成信号放大和频率切换,与信号形式无关,对网络协 议透明,

6、具有简单、灵活的特点。具有星上处理的”空间交换”8&%6&6 83技术因具有更优越的性能和更复杂的网络功能而受到人们的广泛重视。”空间交换”具有基带星上处理旧73、星上交换 一;拍#+8&%6 13和星上路由 一致泊#+劝:&13功能,可向小型地面站提供单跳连接,可以进行卫星及网络资源的估计、分配、自适应波束成形。提高服务质量353的重要手段之一是采用星上交换。与传统的基于透明转发的集线器交换相比,星上交换具有较高的通信质量和频谱利用率。因为只需要单跳?年第!期王凯东等宽带卫星通信的星上处理技术而不是双跳链路,无线链路的数目减少 了一半,无线传输时间也减少了一半。由于无线传输是卫星通信的主要误

7、码来源,采用星上交换大大降低了传输误码率,提高了通信传输质量。通过多波束点波束混合技术,已经实现了不相邻点波束之间的频率复用。与地面蜂窝系统相类似,多波束交换把系统的服务区分成无数的小区相应于卫星中的天线阵点波束区3,并通过不相邻点波束之间的频率复用提高了频谱利用率。星上交换的缺点是一旦完成系统设置,升级交换软件将很困难,也不能改动硬件。由于应用和流量特性的不确定性,且大带宽延迟积和昂贵抗辐射设备、缓存容量设计、交换结构选择、提速工艺选取都是费时的研究工作,星上交换具有极大的挑战性。?!星际链路【.5 03随着宽带卫星通信系统的发展,采用.5 0将成为一种发展趋势,如?8,5/%,2 4

8、+8%系统都带有星 际链路。.8 0可大幅减少地面关口站的数量,避免长距离的地面线路。可迁回地面网,其网络安全性将受到政府和军队用户的特别重视。.8 0在技术上提出许多挑战,如凝视天线、7?2师&1,/:8&,&#/13补偿等。.5 0的应用需要与星上处理;7,一;拍记7#%巴犯 13技术相结合。?多址接入控制?3叭方式可对合理、有效地利用卫星资源起到很重要作用。?方式直接影响了更高层协议的性能和系统的服务质量53。在卫星通信网中,人主要包括固定分配 +?5 51&3、随机接人巨+(?%8 83、按需分配0地+?88 1田叽&3三种方式。固定分配?+?5 5 1(&:4&74?%8 83主要包

9、括?、2?、?方式。?和2?优点是每个用户站拥有专用信道,可保证服务质量,53。缺点是资源利用率低,缺乏灵活性。因此这种分配方式只适用于业务固定的小规模卫星通信网。?是最早用于卫星通信的固定分配叭方式。2?因能补偿转发器的非线性特性,目前应用非常普遍。?抗干扰能力强,便于系统扩容。随机接人?匕+(?%8 8:4&4?%8 83随着技术的进步,小型经济的用户终端越来越普及,促进了卫星应用 的家庭化和个人化。由于用户数目多,而每个用户的业务又是突发性的,采用随机接人方式更加有利。在随机接入过程中,每个用户站在传输数据时并不考虑其它用户站的工作状态,因此易于形成碰撞或冲突。碰撞后的重传会增加平均时延

10、,而频率碰撞还会造成低通过率,所以随机接人方式不能保证服务质量心扣53。按需分配八?块(/+?5 51上&:4&4?%883按用户需求动态分配 系统频带。完成成功的请求后,频带一般按 阁或2?方式分配,保证数据传输时不发生碰撞。分配可以是集中式控制,也可以是分布式控制。集中式控制可以在地面或卫星上进行,其时延不同,采用分布式控制时,每个用户站通过卫星广播信道接收所有的请求信息,并作出自己的决定,时延小、可靠性强。资源分配可以是显式的,也可以是隐式的。显式分配中所有用户站共享一个专用信道,用于传输请求分配信息,请求分配成功后,通过数据信道传输数据。在隐式分配中,一个成功传输的数据帧中有一个特定的

11、时隙用于指示下一个数据帧的分配信息,一旦该时隙空闲,就表示传输结束,其它用户可以竞争下一帧中的该时隙,以便传输自己的数据。这种分配方式非常适用于速率相对固定的业务传输,如话空间电子技术?年第!期音和视频通信。7#&一#&+即阳+?5 51(&7?3和#8&一 一=#8&一:&粉+#+0地(/+?5 5,1 比屺&7?3都是同时采用 了显式和隐式两种分配方式。?星上网络技术下一代宽带卫星通信系统的网络技术将采用2 7了.7协议族、?2协议、_;一5数字平台,这是宽带卫星通信系统获得广泛应用的关键。2744 7采用4 7技术可实现卫星 网与地面.2 2网的无缝连接,直接支持.7多播传输和.71肠5

12、。27.7和工田 7协议是.下以沙犯2的基础,卫星宽带网将提供基于27和7应用服务。但卫星链路中的长时延和高误码率将影响两种协议的性能,特别是使2.协议的性能变得很差。27在卫星链路中必须改进如下性能慢启动算法,补偿大时延带宽乘积的能力,拥塞控制、确认以及错误恢复机制等。?2目前发展中的大部分宽带卫星通信系统都是基于?2或者.7.?2 的。?2的特点主要有固定长度分组 +4 1&67/&83、虚连接)#&:/4%&舫3、统计复用8&8&8&司(:4&4 飞3、综合业务和独立 于网络灰抖%&吸犷/&+/+、服务质量可协商:/4&=8 成%1&/&3、减少控制功能+:已。叻&以=%&/4&3

13、。);一5+1&/4)+9姗+%/8&18/&4 4&3目前在世界范围内已得到广泛而成功的应用。通过一些特殊的传输模式,可利用_;一5数字平台来传输软件,支持.2砂花2业务,提供交互式电视服务等。利用_;一5可 以进行以下几种方式的数据传输?:4:06 2提供简单的端到端传输/?玩4:48 在终端用户之间传输同步和实时数据流/5 40一6拍权 3528 2 4038:#)匕40 8%的问题。其解决方案为?静态路由!4:4 0)劝408%,特点是简单,但用户数过多时不易实现/?路由协议修正!(&尸代&(&%,接收端应能识别来自发送端的有用路由信息,保持连接,接收端通过地面反向信道定期向所有发送端

14、发放其路由信息/隧道式路由!()&%,利用链路层的路由处理来隐藏网络的非对称性,通过封装和拆装建立起用户 和+一,间的虚拟双向链路。此外采用星上处理!旧6%和星际链路!&,%的)系统,因其传输时延小和具有全连通性,特别适用于下一代宽带卫星通信系统。因此路由技术能否适应)星座的动态变化,成为此类&王系统的关键技术。两类重要的适应卫星 星座变化的动态路由技术为5,一+(!1 0 242一4021”:0 4:543卯7盯 拍4吨%和+!;0 4耐以对2%。前向纠错技术由于卫星链路的信道误码率!例如#一一#一左右%较光纤信道误码率!#一,以下%高很多,并且错误的类型也较复杂!既存在随机错误,也存在突发

15、错误%,因此需采用特殊的差错控制技术以支持多媒体业务在宽带卫星(通信网中的应用。宽带卫星(通信网的差错控制目前趋向于采用棍合纠错编码技术,即在物理层采用前 向纠错!咫%控制,而在数据链路控制层采用重传技术!%来恢复)不能纠正的错误信元。对于咫可采用级连纠错编码技术。其中,内码可采用约束长度较短!小于%的卷 积?年第!期王凯东等宽带卫星通信的星上处理技术码,外码为一5编码与交织编码。由于在编码器复杂性相同的情况下卷积码可以较好地纠正和检测出随机错误和短突发错误,相应地在接收端应采用维特比软判决译码。由于移动信道存在衰落如/少1 6衰落3,由此会产生突发性错误,在采用卷积码后还 应在外层采用5编码

16、。由于?2信元长度较短,因此应在伽罗华/4 8 3域选用长度较短的一5码。交织编码是对付深衰落的有效手段,但它会增加处理延迟,具体实现中可根据信道衰落的变化情况采用可变深度的交织编码技术。采用上述纠错编码方案时应对不同业务而有所差异,例如话音对时延比较敏感,但对差错率要求不高,中可简化对话音业务的差错控制。?无线技术自适应抗干扰技术,用户终端采用该技术有利于提高卫星通信系统 的传输速率。软件无线电即通过软件来定义无线功能。采用基于软件的无线接口,就意味着要用数字信号处理 573的方法来代替特定的硬件电路,去实时地执行必要的无线和 网络功能及算法。软件无线电提供了多业务和多标准环境下的灵活性,而

17、不必受任何标准的限制。下一代卫星通信宽带网络系统及其采用的星上处理技术介绍 户&以 系统?年 月发射首先为北美地区服务,?!年完成星座发射,?年容量饱和,星座是由!颗卫星第四颗星备用,可增加到颗3组成 占用!个同步卫星轨道位置,每颗卫星约吨左右,?年设计寿命,频率为/波段,可提供!个“用户”波束,另加?个“关口站”波束,多址技术为人,2?,网络技术为.7?2,.5,最大数据吞吐率为9。,支持高速率多媒体通信。采用星上处理和 星上?2交换技术,每颗卫星都是通信网络的节点,三颗星 三个关口站用光纤互联。有三类用户?类用户约?个3采用?一 米的天线,最大数据率为上行链路?9 8、下行链路?一!伪8,

18、;类用户约4护 个3采用 一 !米天线,最大数据率为上行链路!9、下行链路!一4 98,类用户约?个3采用 米天线,最大数据率为上行链路?598、下行链路?一 98。服务提供商关口站约?个3采用!米天线,上行链路 98,下行链路?98。尽管卫星成本加大了,但其容量比传统的透明转发卫星9 +一7 8/&46&3扩大了约?倍,提供基于实际使用的精确计费。为商业应用提供数据、视频和话音服务,交互式或双向高速连接,点对点或点对多点的服务。?9#8&/#系统运营时间?年,星座颗卫星,频率/波段,多址技术?,2?,网络技术.7.?2,帧中继,容量 9 48,业务因特网接人,_,宽带业务。哪%/系统运营时间

19、第一颗卫星已经制造完毕,?年发射,?年投人北美使用?颗加一颗备份3,?年投人亚太使用,星座 颗卫星,?颗州田卫星?公里3,频率/波段,天线尺寸大小关口站 米一?!米,地 面站?米一 米,多址技术?,2?,网络技术倒?2交换,帧中继,容量为!98,业务高速因特网,宽带多媒体信息服务。卫星结构基于星上处理、星上交换和点波束技术。可采用?米天线的小型终端用户提空间电子技术?年第!期供高质量服务,数据率在 9阳到 9 的范围内,下行链路上数量级。与地面?2、.5、帧中继及?标准兼容。!5 ;#+1 系统运营时间?年,星座?颗0卫星!公里3,频率:波段因为目前:波段技术比较成熟3,多址技术田?.2习?混

20、合形式,网络技术.7.?2,超过?千万用户,业务高速因特网接人,交互多媒体。卫星设计基于透明转发。用户数据率由 9 48到?9 8。采用了点波束,每波束内频率复用的方式,以提高容量。丁飞4+8%系统运营时间?!年,星座?颗0 卫星 公里3卫星处于?个平面、每平面?!颗卫星,频率/波段,每个轨道面上的相邻卫星间有?卜 七的星际链路,上行链路是多频矛?一2?3,下行链路是非 同步2?2?3,网络技术.7 4八2,.压3,容量?9 48,有“空中因特网.&#&一6 一&6一53”的称号,可提供高质量话音数据视频,采用全星上处理和全星上交换。用户的上行速率可达 98,下行速率可达!9。!?的最小仰角,

21、的可视率。.5系统运营时间?年,星座?颗卫星,频率/波段,网络技术侧?2,可提供高速率双向因特网接人,直接广播服务旧53,通过小口径天线?米向家庭和办公室提供未来个人通信系统753服务,用户数据速率可高达!?9 48,典型数据率是在 一59 48范围内。!结束语本文较全面地介绍 了下一代卫星通信宽带网络的星上处理关键技术与国外的发展现状。可以看出,星上基带处理和适于卫星链路的网络协议技术是下一代卫星通信宽带网的技术核心,有关下一代卫星通信宽带网关键技术的研究还正在发展之中。因此,我国应加快星上处理技术和下一代卫星通信宽带网的研究,以跟上世界宽带卫星通信技术的发展趋势。参考文献6#坦叮可初:倒司

22、讥(以妇4/&=(习卿沈们刃卜&(?阳!供电系统#笼司喊%系妇 匕,户旧廿&()系统,沙邻+,系统弘如&.!系统/&司时%/印时0 0 城0 ,0 1 训充气称充眺0?23系统4中国卫星通棺广播电视技术第五届国际研讨会5 枯(+6(!,(+优园789:#;资料汇编,业京,9的#年中国卫星通信广播电视系统应用研讨会5口#(+豁89:#一?;资料汇编,花明,9:#年月#48#日中国卫星在因特网中的应用技术研讨会56(!段卿%!沁!,7!,坛(+89:5?;资料汇编,月 七京,95?;:年月9 9日一97日#:段小明/星上 衬(叭交换卫星通信系统的关健技术研究/博士论文,西安电子科技大学,#年#9月(黄胶/克服星上交换的津碍/无线电通信技术,95?;#年第9 4卷第期