卫星-CATV-Internet

2019-11-03 18:34:45

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供稿：网友

何淑贞　王日远

本文作者何淑贞女士，信息产业部电信科学技术第四研究所高级工程师；王日远先生，高级工程师。关键词：卫星传输　Internet　卫星internet　卫星-CATV-Internet

　　Internet的发展正进入成熟期，但需要克服由于增长太快而带来的麻烦。Internet的三大困境主要来自于骨干网、接入网、服务器3大瓶颈。解决这三大瓶颈有多种方案，本文就现有成熟的技术——卫星通信与Internet结合、CATV与Internet结合这一组方案加以探讨。

一 Internet与卫星通信网的结合

1. Internet的困境

　　Internet是一个计算机网络的网络(Network of Networks)，即网际网。它是由许许多多ip自治域系统通过路由器互联构成复合的网络系统。这种网际网势必在网络和内容分布上都具有不平衡性，一方面表现在发达地区的网络设施较为健全，而边远地区网络设施稀少；另一方面表现在信息内容主要集中在少数发达地区。例如，美国是Internet的发源地，许多信息内容来自美国，因此，来自美国的带宽要比去美国的带宽要宽得多，IDC的大规模建设将加剧这种不平衡性。虽然采取加大带宽、提高交换速度、多播技术等一系列措施，但终究没有从根本上改变传递信息过程中的多跳、存储转发和点到点传输的工作模式。加之，Internet的大规模商用，网上内容的爆炸性增长，特别是流媒体的流行，给Internet带来骨干网阻塞，远程接入困难，内容分发、传递速度慢等诸多问题。

2. 卫星通信网与Internet的优势互补

　　Internet的结构决定其不对称性，而卫星通信网具有广播特性，上、下行链路也不对称，且具有空间跨越大、覆盖面积大、远程连接、直接一次投送到户、实时传输等优点，而这正是目前Internet网所需求的。

　　由表1可见，卫星通信是Internet网的重要补充，两者的结合是一种技术上的必然趋势。我们称这种结合为卫星Internet网。它的基础是VSAT系统，具有广播功能，以IP为网络服务平台，以Internet应用为服务对象。

3. 卫星Internet简介

a. 卫星Internet的组成

　　卫星Internet的典型结构由一个专用的数据中心和一个星状的VSAT卫星网构成，见图1。

　　数据中心的功能有：信息处理，即信息内容的获取、接收、封装、发布；系统管理，包括用户管理、用户认证、网络管理、计费。

　　卫星网的功能有：双向通信，即为远程用户提供Internet接入服务；单向广播，数据广播、多播和投送；交互，一般通过地面网实现交互。

b. 卫星Internet的应用

　　由图1可见，Internet上的信息通过数据中心进行一系列处理后，进入卫星地面站，由地面主站发往卫星，远端的用户，无论是集体用户还是个体用户，都可以通过卫星信道获取所要的信息内容；另一方面卫星也可以将用户所需的内容推送到用户的硬盘上，这一切也可以通过卫星Internet的运营商来完成。根据用户和业务的需要，卫星Internet可以通过增加上行载波数、卫星数、上行站数来保证网络的可扩展性。此时的卫星Internet可以作为一个开放、宽带、具有实时广播功能的网络平台，可以提供更广泛的服务。

　　卫星Internet是以卫星线路为物理传输介质的IP网络系统，在IP层和物理层之间的链路层协议是DVB/MPEG-2。DVB通过扩充MPEG-2的复用部分和业务信息说明等功能，提供了视频、音频和数据复用的集成传输机制，使得DVB系统成为集视频、音频和数据于一体的多媒体系统。对于IP应用，通过数据封装/复用，将原始IP数据转换到DVB/MPEG-2传输流，从而使DVB成为支持Internet应用的一种重要载体。其中的封装器更成了IP世界和DVB世界的“红娘”。DVB标准的制定，对Internet和广播电视网的融合、特别是对卫星Internet的发展产生了极大的推动作用。

　　基于DVB/MPEG-2的卫星Internet，通过54MHz转发器可获得45Mb/s左右的数据传输速率，加之其广播和复用功能，使Internet如虎添翼，借助卫星的功能飞向太空，使卫星Internet成为一种全新的网络系统和信息服务系统，卫星In-ternet具有VSAT、ISP、音频、视频广播等多种属性，它横跨电信、互联网和广播电视三大行业，可进行交互式应用，通过地面网络的外交互和卫星线路的内交互进行交互式应用，克服了Internet的瓶颈。

4. VSAT系统与Internet接入的几种方式

　　VSAT是卫星通信中的主流技术，把卫星高速宽带广播的特点扩展到Internet的应用中，为众多新应用提供有效的解决方案。实际上，VSAT早已成为Internet的一部分。VSAT系统在Internet接入方面的应用有以下方式。

a. VSAT为大型ISP提供远程Internet连接

　　卫星的不对称线路方案深受ISP欢迎。卫星Internet市场中的不对称卫星连接，其下行和上行业务量的比值约为8:1。由于美国是Internet网的发源地，据统计，目前大约80%的Internet信息内容存于美国本土的计算机上，一般从美国发出的分组数据业务约为接收的4～8倍。因此，世界各地的ISP需要来自美国的更多的带宽，而去美国的路由则相对少得多，显然卫星VSAT符合这一不对称需求，可为大型ISP提供远程Internet连接。

b. VSAT将Internet延伸到边远地区

　　要将Internet用光纤延伸到边远地区或山区，在短时间内几乎是不可能的，而VSAT可以做到这一点。一颗同步卫星可覆盖全球1/3的范围，为通信能力不足等特殊环境提供点到点的相互连接，在大ISP和其下属的小ISP之间提供连接。这种连接主要在一个国家内部，例如中国科技网网络中心为它在全国的50多个入口点的连接，金桥信息网的VSAT服务网，中国教育网的高速卫星通道网等，都属于这种应用。

c. VSAT直接连到计算机

　　由于卫星通信和计算机等一系列新技术的发展，形成以VSAT系统为基础的新构架，称为Direct to PC或PC-VSAT，卫星通过点到多点连接方式将ISP服务器直接连到用户计算机，使众多公司无论大小，甚至个人用户，均可利用空间数据通信的强大功能。

　　其工作过程是：用户通过拨号方式访问数据库或网络，然后通过卫星接收天线和专用接收设备，用高达数百kb/s乃至数Mb/s的高速率接收、下载数据库或网上的信息。这种方式充分发挥了现有电话线的接入功能和卫星通信的广播功能。它具有易于安装、避免网络阻塞、价格便宜、下载通道容量大，以及具有与光纤近似的服务等级和IP广播服务等优点，因而成为发展的重点。

　　卫星连到计算机业务的终端产品有：配有Modem的PC，卫星接收适配卡，小型卫星接收天线(口径只有60～90cm，可以装在个人用户的晾台上)，系统软件等。

5. 卫星-Internet的独特优势

　　现有两种加速Internet传输的卫星解决方案，一种是利用宽带卫星的双向传输，给用户提供16kb/s～2.048Mb/s的传输速率；另一种是利用卫星的高速下载和地面反馈的外交互的方式，它是基于当前Internet信息流量非对称性而提出的。对于当前常用的Internet业务，接收的数据远远大于发送的数据量，在这种传统的交互式卫星通信技术中，信息的往返传输都在同一种物理链路上实现，而在外交互式卫星通信技术中，则采用卫星链路作为下行数据链路，将其他通信网络，如电话拨号、局域网等作为上行链路，这大大缓解了Internet网的拥塞现象，并降低了整个系统的成本。

　　卫星Internet的宽带应用有两个关键技术，多播技术和推技术，这是有别于其他地面网的。多播技术可以减少网络流量，降低网络堵塞的可能性。推技术，一是根据用户的要求提供信息，并发给用户；一是自动搜集用户最可能感兴趣的信息发送给用户。

　　卫星Internet在传输信息时绕过了陆地电路，可以避开拥挤的公众电信网络，也可以不通过繁忙的海底电缆，而通过空中卫星链路到Internet下载文件，从而为Internet的发展开辟了空中通道。

　　卫星Internet不对称线路方案可以使ISP根据其业务需求，灵活租用所需转发器的容量，成为ISP寻求访问在美国的Web“内容”的最佳途径。

　　卫星的建设相对于光缆要快和经济得多。采用卫星链路接入Internet较光纤专线经济得多；对于点到多点的ISP的不对称业务，卫星是最经济、高效的解决方案，并且能很快地扩充业务；对于点到点的业务，卫星也比光纤经济有效。

　　由于全球经济一体化的发展，跨国公司不断增多，短距离的Internet需求增多，通过卫星连接到骨干网的局域网越来越多。通过卫星Internet，可以把跨国公司的办公室连接起来，进行文件传递、远程学习和培训等应用。

　　当Internet逐渐演变成广播媒体时，卫星Internet将大有用武之地，因为卫星本身就是一种有效的广播媒体，它具有从单个轨道位“广播”到全球1/3的独特功能。在Internet上进行信息传输，平均要经过15跳，丢包率有时要高达20%，其根本原因是Internet由许多独立的子网构成，信息在传递过程中需要多跳，每个节点是存储转发而不是直通。而卫星与Internet的结合，是“天—地”结合，通过卫星系统将内容投送到Internet的边缘，内容提供商(ICP)可以发送任何更新的音频或视频节目到用户，或将远程用户直接接入骨干网，从而解决骨干网阻塞和内容分发的问题。

二卫星-CATV-Internet的结合

1. 卫星-CATV-Internet的新颖联姻

　　目前，与Internet的连接方法主要是电话线连接和专线连接。电话线连接方式受限于线路速度，最高不超过56kb/s。且上网的费用对于老百姓来说还较高。专线的连接方式是指利用光缆、电缆、或卫星及微波等无线信道，或租用DDN专线将个人用户或单位的局域网接入Internet，专线连接的优点是可以建立一个站点，传输速度快，但联网费用昂贵，只适合于业务量大的单位和机构团体用户，不适合广大个体用户。

　　为了寻求一种上网快、费用低、投资少、见效快的途径，我们发现了卫星与有线电视网相结合的新的连接Internet的方式。

　　有线电视网的HFC网络是采用光纤和同轴电缆混合铺设的，具有成本低、信号质量好、频带宽的特点，给家庭用户高速、快捷上网开辟了一条新途径。

　　通过有线电视网接入Internet，有线台要首先接入Internet，即有线台建立一个从Internet到有线网络的网关。有线台采用何种方法接入，将影响到整个网络用户的上网质量。显然，有线台采用普通电话线接入是不行的，只能选择专线接入，DDN专线是接到本地电信部门的Internet网关，由本地到信息来源地(www站点)之间，要经过很多路由，而且会受到国内Internet主干线路的速率限制，因此，用户去外地或国外站点时，速度依然较慢。再者，国内的许多中、小城市尚未开通Internet接入服务，无法申请到DDN专线。而利用卫星专线就可以解决这一难题。

　　这种新的接入Internet的方法充分利用现有的CATV网的现状和卫星不对称单向广播的特点。具体来说就是：CATV仍然采用当前的单向传输，而卫星也采用单向广播传输，用户的回传信息则通过地面的Internet传送到信息源。采用这种方式，有线台就不必建立卫星上行站，而有线电视网也不必进行双向改造，这就大大降低了资金的投入，也大大地缩短了建网的时间。

2. 卫星与CATV相结合的系统

　　由于Internet用户使用最多的操作是浏览www站点，具有下行数据量远远大于上行数据量的特点，这种卫星信道和有线网络都是单向传送下行数据，而利用拨号回传上行数据的结构正符合这一特点。其系统框图如图2所示。

　　图2中的国际出口就是一个Internet高速接入供应商，在这里建立卫星上行的主站，下行数据经过发射天线送到卫星转发器。在有线电视台设立卫星接收站，把收到的数据经过电缆数据调制器、上变频器，变成有线电视网络需要的射频RF，用户在家中使用带有数据广播接收卡的计算机，将电缆中的信号解调并接收。同时用户的计算机配普通电话Modem，拨号到本地ISP，把用户的请求信息传送到对方。本地ISP在此起到路由的作用，沟通用户和远端的国际出口局。这样，从地面Internet上行到卫星与有线下行，构成了一条完整的双向数据通路。由于从卫星到有线整个信道具有宽带特点，且价格低廉，因此可让用户享受到高速上网的服务。

　　有线电视台需配置的相关设备及技术要求有：有线电视台需要卫星接收天线和卫星数据接收机，根据所用的卫星信道选择C波段或Ku波段的天线；有线电视台还需配置数据广播的设备，其目的是把接收到的数据再转发出去，数据广播通常采用QPSK或QAM调制，在PAL制8MHz带宽内达到10～37Mb/s的速率。

　　Internet接入供应商需安装卫星主站、相应的数据调制器，其接口是计算机网络接口。因从国外来的数据在这里也要分流，既同主干相连，又分别接卫星主站和一台代理服务器，需要加网关设备。其配置图如图3所示。本地ISP的作用是让用户接入Internet。在这种特殊系统下，用户需要两次登录，用户首先要与远端的代理服务器连通，通过用户认证之后，才能使用卫星高速下行的服务。如果没有本地ISP，用户就需要拨打长途电话到Internet接入供应商，取得认证。用户可以普通拨号上网登录取得认证，第二次登录就是通过本地ISP与代理服务器之间连接后采用Web页面的方式登录。