卫星系统新技术应用发展策略（一）

2019-11-03 18:37:15

字体：大中小

来源：转载

供稿：网友

陈如明信息产业部无线电管理局

　　摘要：随着卫星通信在全世界的普及，结合中国及西部大开发需要，本文全面论述现代卫星通信系统新技术的特点及其在中国应用机遇和发展策略

　　关键词：宽带卫星系统卫星直播业务编码／调制设计自适应信号检测／信号处理低轨／中轨／静止轨道离子推进卫星发射

引言

　　自１９４５年英国空军雷达军官、科学家亚瑟·克拉克（ＡｒｔｈｕｒＣ,Ｃｌａｒｋｅ）在"无线世界"（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｗｏｒｌｄ）杂志上发表了《地球外的中继》（Extraterrestrial Relaying）一文、提出了三颗ＧＥＯ卫星可按１２０° 轨道间隔进行覆盖全球的通信这一革命性概念以来，卫星系统作为一种新兴的技术与业务手段，无论从越洋通信至区域、国内乃至个人通信，还是从ＧＥＯ/ ＭＥＯ/ ＬＥＯ的固定／半移动／移动通信、ＤＢＳ／ＤＴＨ／ＤＡＢ广播、DVB-ip多媒体、ＧＰＳ／ＲＮＳＳ／ＲＤＳＳ导航定位，直至ＧＭＤＳＳ应急援救、ＲＳＳ遥感乃至气象／地震预报、远程医疗／教育、空间探测／科学试验等各行各业的各类应用，尚且从各类空间段卫星制造、星际链路构成，直至商业火箭发射与保险, 乃至地面段各类ＶＳＡＴ／ＵＳＡＴ甚至微型个人终端的诞生，真可谓创建了五十余年人间科技辉煌与卓越的社会政治、经济贡献，当然亦经历了众多波澜起伏与曲折坎坷！

　　进入２１世纪的信息全球化及全球巨大的个人多媒体通信流量与无缝隙覆盖需求，注定了无线宽带应用，包括各类卫星手段，将会发挥其愈来愈重要的战略作用。而各类卫星系统的重要特征，涵盖在下述三个方面：首先在于它在未来全球／区域／国家信息社会中的一系列独特特征与作用；它对各行各业、各类实际应用的广泛性与普遍性；以及它在未来宽带无线演进中通用无线接入及ＷＷＡＮ、ＷＭＡＮ、ＷＬＡＮ与ＷＰＡＮ等各类综合业务应用，服务内涵中不可缺少的互补支持作用：

　　 ① 卫星系统的独特特征与重要作用 [1]

　　　　 · 唯一的三维无缝隙覆盖能力；

　　　　 · 独特的灵活性与普遍服务能力；

　　　　 · 宏大区域的可搬移性与可移动性；

　　　　 · 广域复杂网络拓扑构成能力与广域Internet互连接能力；

　　　　 · 特有的广域广播与多播能力；

　　　　 · 对国际／区域／本地连接距离的不敏感性；

　　　　 · 较低的初期投入与快速财务回收；

　　　　 · 对应急救灾及宽带系统备份与故障抡救的快速灵活和安全可靠方面的独特能力，等等。

　　 ② 卫星系统的广泛服务应用与众多产出领域

　　　　 ·可开发创建一系列大规模量产的产业领域，诸如ＤＢＳ／ＤＴＨ／ＤＡＢ/ＤＶＢ－ＩＰ，ＧＰＳ／ＲＮＳＳ/ＧＩＳ，ＶＳＡＴ／ＵＳＡＴ , 等等；

　　　　 ·各行各业的广泛应用、服务领域，诸如国际／区域／本地固定／移动通信，ＤＢＳ／ＤＴＨ／ＤＡＢ广播、ＧＰＳ／ＲＮＳＳ／ＲＤＳＳ导航定位，ＧＭＤＳＳ安全与应急援救、远程教育与远程医疗，卫星遥感与地球探测，气象及地震预报，以及包括工业、农业、渔业、林牧、安保、军事、科学研究、新闻报导、航空、海事和环境等各行各业；

　　　　 ·对（中）西部大开发及农村边远地区通信和普遍服务的独特重要作用。

　　③ 宽带无线演进中不可缺少的重要互补支持作用

　　涉及通用无线接入的详细讨论可见文献［４］。通用无线接入包括地面移动接入（属地面移动业务范畴）及地面固定无线接入（常简称为ＦＷＡ,属地面固定业务范畴）和卫星接入（ＳＡ，相应卫星移动接入属移动卫星业务ＭＳＳ范畴）。无线接入按其网络带宽分类通常有三类，一类为所谓窄带（Ｎａｒｒｏｗｂａｎｄ）接入，常携载业务的每用户比特速率≤６４ｋｂｉｔ／ｓ；第二类为宽带（Wideband）接入，其每一信道载波可提供高达2Mbit/s的比特速率，目前IMT-2000原始定义的最高比特速率2Mbit/s即属此范畴；第三类即指宽频带（Broadband,有时亦称广带）接入，主要针对实际多媒体业务传输需求，其每一信道载波传输速率>2Mbit/s。实际上国内习惯往往将Ｗｉｄｅｂａｎｄ与Ｂｒｏａｄｂａｎｄ无线接入统称为宽带无线接入。

　　需要特别指出：卫星接入是通用无线接入的重要组成部分。然而近年来，卫星接入为人们轻视与冷漠的主要原因与ＧＭＰＣＳ系统在原先过份炒作基础上的严重失利密切相关联。ＷＲＣ－９７大会上ＬＥＯ／ＭＥＯ／ＧＥＯ卫星移动与卫星固定业务被炒得火热，而事隔三年，随着Ｉｒｉｄｉｕｍ系统的破产惨败，尔后ＩＣＯ、Ｇｌｏｂａｌｓｔａｒ以及Ｏｒｂｃｏｍｍｍ等大、小ＭＥＯ／ＬＥＯ系统均相继陷入相当困难的处境。此情况决非偶然 , 与地面移动无线接入和固定无线接入的蓬勃发展局面相对比，其根本问题在于如何协调好技术驱动与市场驱动的基本关系，以及如何定位好卫星业务与地面业务之间的基本市场格局和如何处理好两者之间的有机综合。为此，早先ＬＥＯ／ＭＥＯ／ＧＥＯ卫星移动与固定业务狂热驱动下提出的四十多个大、小ＬＥＯ系统、２０余个Ｋｕ／Ｋａ频段宽带卫星系统以及１５个左右Ｖ／Ｑ／Ｗ之类更高频段的宽带多媒体卫星系统提案目前均处于冷静思考、调整战略、寻求其合理发展途径的低潮阶段。２０００年５～６月在土耳其Ｉｓｔａｎｂｕｌ举行的ＷＲＣ－２０００大会上也明显地呈现出了这种低潮气氛，尽管当时Ｔｅｌｅｄｅｓｉｃ公司宣布了与ＩＣＯ融合的新闻，也未引起近3000名与会代表的兴奋与激情。然而卫星通信在构筑全球信息高速公路征程中的独特战略地位与作用任何有识之士均不会忘却，冷静考虑与安排卫星业务诸如卫星广播数字压缩直播ＤＢＳ、ＤＴＨ业务，卫星无线电导航（ＲＮＳＳ）与全球定位（ＧＰＳ）业务，以至包括卫星移动业务（ＭＳＳ）在内，依然在WＲＣ－２０００大会上获得密切关注与相应的进展。而且作为固定接入的ＧＥＯ　ＦＳＳ系统，以ＩＮＴＥＬＳＡＴ系统为代表，依然处于相当好的商业运作状态，它对高速寻呼、短信息数据业务联网，对包括ＤＴＨ、ＤＢＳ、ＶＯＤ在内的视频多媒体广播、多播业务，对Internet业务的高速下载及远程教育、远程医疗等多媒体业务广域组网等依然发挥着独特有效的作用。通常看来，采取快速剪裁市场需求的现代ＧＥＯ卫星系统设计的思路较为可取，例如，可瞄准宽带ＩＰ业务市场，以带宽处理能力较强的、传播环境依然相对较好的（Ｃ／）Ｋｕ频段为轴心，摒除使用星上处理、星际链路及低轨／中轨多星座高风险技术，星上仍采取适应动态业务演变较灵活的透明弯管式、地面控制星上转发器交叉连接这一基础传输模式，并借助空间段取用多点蜂窝波束频率再利用进一步提高其频谱效率，采用星上波束发射功率控制，以适应传输条件的动态变化影响；在地面段采用高效率编码与调制技术以便增加功率／频谱利用效率和降低天线尺寸、功耗及硬件成本；对每波束载波进行动态调制与编码参数调整达到动态控制功率／带宽资源分配利用；采用新的网络协议及管理手段进一步实现多用户共用同一频带时的动态带宽管理及优化Internet不对称与突发数据特性的带宽利用效率。从商业市场模式考虑与地面业务互补，实现广域下行Ｂ２Ｃ宽带Internet平台服务，执行高速Internet基本业务接续，多媒体ＶＯＤ、ＶＰＮ、电子娱乐等增值服务，以及对用户最后一公里解决方案的ｘＤＳＬ、电缆、光纤和其它宽带地面无线接入手段的广域支持与补充，而其上行纵向，则可执行Ｂ２Ｂ方式的垂直应用，对ＩＣＰ、ＩＳＰ、电子商务的ＣＳＰ地面移动应用及分组数据中心等实施纵向连接支持应用等等。这样其基本目标为瞄准"最后一公里"的终端用户广域接入，有巨大商业覆盖面，并特别适合于ＩＮＴＥＲＮＥＴ网及农村边远地区服务，可望帮助服务商同时从零售服务中获得可观的利润。

　　一方面，涉及卫星接入的通用无线接入可综合包括宏大区、宏区、小区、微小区、微微小区、移动、半移动（包括游牧）、固定等各种接入覆盖模式，可有效覆盖三维物理空间的任何一角落及有效连接至任何个人用户，这对实现未来全球的个人通信而言，其实际连接覆盖的普遍化与重要性不言而喻。而且无线接入与Internet联合运作的所谓无线Internet及移动IP ，以及更进一步以Bluetooth /UWBT / WLAN之类手段实现以微微小区个人接入为中心展开的无线个人(区)域网络接入将成为未来全球个人通信世界的最重要的环节之一。其中卫星接入在实现国际/区域/国内灵活的宏大区广域三维覆盖接入方面的作用显得尤为突出。

　　另一方面，从整体宽带无线发展轨迹看，宽带无线接入，包括在物理层、MAC层及应用层方面的大刀阔斧的系统结构与技术装备改进，无论是TDD模式、还是FDD模式, 均在向新一代宽带无线接入系统迈进，这亦是新一代宽带移动通信前向演进的技术基础与源动力。而宽带移动通信的演进脉络的原委与必然性在文献[5]中已作了详细的论述，相应其2.5G/2.75G→3G→3G+/4G的系统演进轨迹为：

　　　　 · GSM→WAP/x-HTML-GPRS/EDGE（IS-136→EDGE）→WCDMA→HSPA（HSDPA/HSUPA）→ (4G)…-FDD；

　　　　 · IS-95A（IS-95A+）→IS-95B→cdma2000 1X →（GSM 1X）→ cdma2000 1X EV-DO→cdma2000 1X EV-DV（cdma2000 3X?）→ (4G)…-FDD；

　　　　 · GSM→TD-SCDMA（UTRA-TDD?）→ETD-SCDMA/TD-LAS? → (4G)…-TDD ；

　　而对应传输速率演进轨迹为:

　　9.6kbit/s→14.4kbit/s→56/64kbit/s→114/153kbit/s→308/384kbit/s→2.0Mbit/s→2.4Mbit/s→5.2/6.0Mbit/s→≥10/20Mbit/s…→…(4G, 高速移动.→≥20/30~100Mbit/s ; 接近固定.→≥156~1000Mbit/s)

　　日本等拟在4G捷足先登的国家将4G的速率标准拟订为高速（250km/nr）移动状态时达20-30Mbit/s、室内或基本静止状态时达100-156Mbit/s；而ITU-R WP 8FVision工作组则拟将4G速率标准设定得更高，即如250km/小时高速移动时为100Mbit/s、室内或基本静止状态时为1000Mbit/s 。此不同标准的设定, 显然 , 将直接影响ITU定义的IMT-2000（3G）的持续期。

宽带无线演进至４Ｇ／５Ｇ将实现在统一的ＩＰ核心平台上集成接入各类不同业务，将实施移动业务与固定业务的融合、广播业务与交互业务的融合、专用业务与公众业务的融合，等等，并取得较好的全ＩＰ　ＱｏＳ控制。在未来宽带演进中，无论是宽带无线接入中的宽带卫星接入，还是宽带移动通信中的宽带ＭＳＳ的有机综合，宽带卫星在未来全球个人多媒体无缝隙覆盖连接、在推进我国西部大开发、实现广域覆盖的普遍服务等方面将会发挥出重要的潜在战略作用。同时亦可预期，随着地面移动、地面固定及卫星业务三者紧密综合在一起，随着全球／区域／国内意义上的ＷＷＡＮ、ＷＭＡＮ、ＷＬＡＮ、ＷＰＡＮ以及W B A N等各类不同覆盖域尺寸、不同频段网络紧密综合在一起，为适应这一多模、无缝隙、以ＩＰ为基础的综合多媒体业务运行环境下的灵活有效的公共资源管理，建立智能代理之类管理模式将成为一种发展趋势，并可发挥出重要的现实作用。

　　此外，就技术层面看，同宽带固定无线接入新一代宽带移动通信的关系相类似，宽带卫星系统技术通常具有比宽带地面系统技术更高的技术难度与更深的技术内涵。众所周知，由于固定无线接入比移动通信场合容易实现操作，即智能天线、软件（定义的）无线电以及一系列现代编码调制及自适应信号处理技术等功率/频谱有效利用新技术以及ＩＰ　ＱｏＳ的物理层、ＭＡＣ层、会聚层及应用层方面有效联手的协议处理往往首先容易在固定无线接入中试验与装备应用；从而，固定无线接入通常成为新一代移动通信的技术先导，第三代后的第四代移动通信系统结构的一种重要设想即为对各种新老交替的无线通信接入手段，包括新一代FWA技术及移动通信技术、多媒体广播技术和Bluetooth Pico-cell接入技术相组合，借助中介会聚桥接适配系统与以IP为基础的核心网相连接，从而构成此新一代 (第四代或第五代)宽带移动通信系统，形成固定与移动的有机融合。与此相似，先进的卫星技术首先以先进的地面技术作先导，但还必须紧密结合卫星传输的自身特征，进一步研制开发一系列特有的新技术，诸如ＧＥＯ长时延、大传输衰耗影响处理，ＬＥＯ／ＭＥＯ多星座结构优化与自适应覆盖处理，多星座、多网络跨域协议漫游处理，高可靠、长寿命卫星空间段星上处理、星际连接及卫星发射技术演进，精确可靠的空间体站址保持、地面跟踪以及端对端卫星全ＩＰ结构传送运作时的有效ＱｏＳ控制等等，这充分显示卫星系统更深的高技术内涵。

　　本文较多集中于卫星系统新技术层面，并结合市场导向下技术驱动的重要性，重点论述现代卫星系统新技术及其在中国的应用机遇和发展策略。

1 现代卫星系统新技术

1.1 新设计范畴

　　现代卫星系统可以预见的演进方向为：

　　　　 ·剪裁市场需求的自适应星座结构；

　　　　 ·多媒体综合业务运行的多层结构通用平台，包括混合频段运行演进扩展，ＬＥＯ／ＭＥＯ／ＧＥＯ混合结构，同轨位的多卫星布局及虚拟卫星系统概念应用；

　　　　 ·点波束及蜂窝式小区覆盖的卫星天线波束成形；

　　　　 ·选择星上处理和／或星际链路结构的决策；

　　　　 ·IP/ATM混合结构及向全ＩＰ系统的前向演进；

　　　　 ·卫星发射、空间设备控制和维护新概念，包括海上发射、航天飞机发射及维护包括由ＥＬＶＳ至ＲＬＶＳ火箭发射概念的演进等；

　　　　 ·增加卫星工作寿命及增加可布局卫星在轨数目的倾轨卫星的运行；

　　　　 ·为改进无线ＩＰ　ＱｏＳ及连续欣赏多媒体节目的流媒体（Streaming　Media ）及内容分发网络（ＣＤＮ）概念与技术；

　　　　·针对卫星系统有别于地面系统业务的一些不同特征的特种对抗措施，这些特殊特征诸如长时延影响、高速功率控制、多模多协议切换漫游、频谱扩展和相关带宽影响、不同类别的多普勒频移与时延处理,等；

　　　　 ·超大型卫星和／或中、小（微或皮）型卫星云团串(Cluster)结构的决择；

　　　　 ·低高度ＧＥＯ型空间体概念，包括地面业务范畴的平流层高空汽艇平台（ＨＡＰＳ或ＳＴＳ）及飞机／气球型高空远程运行网络（ＨＡＬＯ）概念等。

1.2 新系统技术

　　下述十八个专题将涉及卫星系统新技术的开发与应用

（1）多维信号处理与电磁兼容分析及多维频率共用技术

　　包括卫星业务、地面业务本身及其彼此共用在内，此多维含义可涉及频率域、时间域、空间域、信号域、网络域,甚至显示域; 多天线发送接收在内的多输入、输出（MIMO）多维时空处理为其典型示例。而且，对多维频率共用及多维电磁兼容分析而言，未来多频段、多模式通用宽带无线接入综合业务运行及频谱／轨道资源管理的宽广地域分布、可延展性及充分灵活的特征必将导致需要具备分布式智能代理型的新型多维智能资源管理要求。

（2）灵活、有效及可扩展的多维资源管理技术

　　对于未来移动与固定, 地面与卫星, 广播与交互, 公用与专用, 广域、局域与个人域等各类业务均综合于一种以全IP为基础的统一宽带平台上运作这一无缝隙与有机综合的复杂运行环境，包括对上述频谱、轨道资源管理在内，必须利用多维智能代理之类手段，才能实现灵活、有效并具扩展性及规模化的多维智能资源管理。借助自适应智能天线覆盖及软件无线电控制的智能化频谱、轨道资源管理，可实施频谱、轨道资源动态协调及时空等多维处理运作，同时，借助自适应智能化调整发射功率、调制方式、带宽资源等进一步优化空中接口参数及优化无线ＩＰ　ＱｏＳ控制参数，从而使频谱、轨道等资源可进行更合理的有效协调，包括多层平台联合动态调整参数的智能运作在内，以大大提高资源的利用效率。

（3）智能天线与分布智能天线技术

　　现代天线波束成形、多点波束蜂窝结构及智能天线与分布智能天线技术，这是实现高密度、多重频率再利用并大幅度提高频谱利用效率的最有效途径，包括与多址连接技术在一起运作，可有效提高上、下行，特别是下行吞吐能力。这亦是第三代移动通信改进系统性能及４Ｇ／５Ｇ发展的重要手段，是3G TD-SCDMA方案的核心技术，目前正扩展成TDD、FDD全面开发应用。研制开发出稳定性、快速收敛性等性能优良的控制算法属其关键, 应特别注意探讨TDD及FDD模式下双向智能天线运作的系统结构与优良算法。对L/S频段及Ka之类高频段蜂窝结构覆盖的星上天线的智能控制、空中结构展开以及经济的自适应大范围调整覆盖能力等是实现系统有效频率多重再利用适应剪裁市场需求、提高竞争力的重要途径。

（4）软件无线电与软件定义的无线电技术

　　预计中频处理的软件（定义的）无线电技术将逐步成为现实可行。普遍装备于新一代移动通信与宽带无线接入系统中将会产生重大技术与经济效益。新一代宽带无线系统用户成本具有量级水平的有效降低及系统结构的灵活变更，很大程度上期望在统一硬件平台基础上软件无线电的有效支撑。借助目前已广泛有效使用的DSP器件及相应合理系统结构设计，推广软件（定义的）无线电技术应用，使卫星通信设备，特别是地面段设备更灵活、小巧、稳定、可靠，并积极研究向快速综合实时处理迈进的DSP技术与算法，由软件定义的无线电向射频处理的真正软件无线电技术迈进。

（5）现代编码 / 调制技术

　　这是有效提高语音及数据传输状态下大幅度提高其功率/频谱效率的又一重要途径。一方面，重视小于2.4kbit/s速率的高性能声码器，由MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21支持的视频图像压缩与管理技术; 多路语音压缩如倍增系数达10-16倍以上的DCME/PCME等各类数字电路倍增技术; 性能优良的信道编码调制技术，除通常所知的TCM型、BCM型、SPORT型、恒包络型、部分响应型、实用型等编码调制技术外，应特别注意适应移动通信衰落环境、非线性信道及多重图像分辨率要求情况下的多重编码调制、多信号间隔恒包络编码调制、多分辨率编码调制，不对称传输环境下的UEP码调制、以及大幅度提高功率处理能力的串、并联级联码调制，包括Turbo码及Turbo编码调制技术。尤其是卷积型及分组型Turbo码及相应编码调制，对第三代移动通信、WLAN、WLL、卫星数据直播、多媒体多分辨率图像通信、无线数据传输、LMDS宽带无线接入、HDTV传输、吉比特以太网、低速率数字语音压缩Internet、数字卫星通信以及数据记录存储等各方面将具有广泛的应用前景。

　　另一方面，联合M-QAM运作的自适应（x）-OFDM（y）方式（诸如C-OFDM、W-OFDM、V-OFDM、F-OFDM及OFDMA等）值得关注：它具备宽带运行时的优良抗色散能力及波形成形能力，可实现非（直）视距离(N-LOS)方式传输，包括与未来多载波宽带ＣＤＭＡ组合运行，对现有工程装备实施和对宽带无线接入及新一代宽带移动通信投入运作很有吸引力，而且QPSK/8PSK/16QAM/64QAM/（x）-OFDM（y）多调制方式自适应可变运作，对自适应覆盖可调或传输性能自适应控制有良好的实施能力。应该指出，以IP为平台基础的Shin卫星系统即拟采用Turbo码及OFDM技术，籍以有效提高其容量处理能力。

（6）卫星人工神经网络技术及自适应信号处理与统计检测技术

　　卫星通信中有大量自适应控制技术的用武之地，包括大时延闭环状态下的自适应控制技术、卫星人工神经网络自适应控制技术、亦包括多用户联合检测在内的自适应信号处理与统计检测以及非线性自适应学习与均衡技术等。对恶劣传输环境中的自适应处理应特别注意其优良性能的快速盲算法，以及相应自适应非线性处理及降低状态数与复杂度的实用软判决最佳/次最佳序列检测等高级检测处理和有效处理市场剪裁要求的自适应覆盖技术等。对这些方面, 美国NASA、欧洲ESA及UMTS作了较多研究工作，一些著名研究项目有如SECOMS ( Satellite EHF Communication for Multimedia mobile Service) , SINUS ( Satellite Integration into Network for UMTS Services), INSURED ( INtegrated Satellite UMTS Real Environment Demonstration), NEWTEST ( High- Performance Neural Network Signal Processing Schemes for Wireless Terrestrial and Satellite Transmission ) 及 TOMAS ( Inter-Trial Test-bed of Mobile applications for Satellite Communications) ,等。

　　（7）多媒体综合业务传送的多层次综合业务工作平台技术

当我们考虑MSS及地面业务无缝隙覆盖综合时，这种设计原理显得更为重要，包括以SDH/ATM/IP技术为支撑的自适应可变速率、可变业务类型与QoS要求，同时组合不同频段和（或）不同分层覆盖区模式及优化星座结构、LEO/MEO/GEO协同工作和（或）分步实施的地面通信与卫星通信有机组合的三维运行综合业务工作平台技术。

（8）流媒体技术

　　充分发挥卫星广播、多播（组播）能力的长处，组合流媒体技术，包括进行缓存（Caching）处理、可变带宽的动态资源及网络管理、以及有效组合"推"、"拉"技术的卫星CDN（内容分配网络）平台技术，有可能在恶劣时延环境下实现IP为基础的网络高速多媒体在线高质量连续传送。

　　(9) 软交换技术

　　这是实现新一代网络结构灵活可变、前后向兼容性能优良的核心技术。它采用分层的全开放网络构架，具有独立的模块化结构；是一种业务驱动型网络，业务和呼叫控制可完全分离，呼叫与承载可完全分离；亦是一种基于统一协议的分组型网络体系结构。它可适应技术发展新趋势，满足不同用户新需求；能快速提供新业务，涉足新领域，创造新的利润增长点；它亦可有效地降低网络建设与维护成本，从而对新一代移动通信全IP网络形成具有很大吸引力。

（10）适应IP或全IP为基础及全球个人通信运行的新应用协议、算法及应用软件的研究和开发应用

　　由于ＴＣＰ／ＩＰ并非专为卫星通信所设计，难以直接控制好用户端对端的ＱｏＳ性能。从而结合Inetenet VIA Satellite的各种应用，为使以IP为基础的卫星Inetenet网络之间及与地面Inetenet网络一道取得更优良的传输效率与吞吐性能，深入研究各种应用协议与算法具有重要意义。由于卫星系统，特别是ＧＥＯ卫星系统，有较长的传输时延，单跳往返时延（ＲＴＴ，Ｒｏｕｎｄ　Ｔｒｉｐ　Ｔｉｍｅ）约为２Ｘ２７０＝５４０（ｍｓ），它对按ＴＣＰ／ＩＰ协议确定的由其所谓管道（Ｐｉｐｅ）效应引起的数据重发和吐吞量及吐吞率受限（吐吞率=吐吞量/相应传输带宽中所传输的原始数据速率，若吞吐量等于此数据速率，则吞吐率为最理想，即１００％）明显有直接的影响。根据Inetenet活动委员会（ＩＡＢ）制订的标准ＲＦＣ１０７２（Ｒｅｑｕｅｓｔ　fｏｒ　Ｃｏｍｍｅｎｔ　１０７２）中的定义，其数据管道＝ＲＴＴ×数据传输速率，数据管道中任何一个数据包丢失均将导致数据重传，将严重影响其实际最大数据吞吐量（Ｔｈｒｏｕｇｐｕｔ）即其最大数据传输速率，而最大数据吞吐量＝最大接收窗口／ＲＴＴ，因此ＲＴＴ及最大接收窗口大小均直接影响最大吞吐量及最大吞吐率的大小。对于ＲＴＴ大且传输速率及传输带宽高的信道即称为"长－宽信道"（Ｌｏｎｇ－Ｆａｔ　Ｃｈａｎｎｅｌ），上述ＧＥＯ宽带卫星信道即为典型的"长-宽信道"，若对ＴＣＰ／ＩＰ卫星系统不加以协议扩展改进，将会产生严重的管道效应，影响其吞吐性能。从而，首先必须对TCP/IP协议进行一系列的扩展改进, 例如：可由帧结构改进、选择性ARQ、慢启动后的时延ACK、选择性ACK、前向ACK、ACK拥塞控制、TCP报头压缩、ACK压缩与紧凑化、窗口尺寸设计等入手, 对此，Inetenet工程任务组（ＩＥＴＦ，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔａｓｋ　Ｆｏｒｃｅ）已提出了一些扩展建议，即如　ＲＦＣ１３２３（Ｂｉｇ　Ｗｉｎｄｏｗ　Ｌｏｎｇ　Ｂｕｆｆｅｒ，以克服长时延、大带宽／高容量时的ＴＣＰ传输瓶颈），ＲＦＣ２０１８（SACK, Selective Acknowledgement , 用于改进长时延、大窗口、高误码时的传输效率），ＲＦＣ２００１及２５１８（ＴＣＰ　Ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｓｌｏｗ　Ｓｔａｒｔ，Ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　Ａｖｏｉｄａｎｃｅ，Ｆａｓｔ　Ｒｅｔｒａｎｓｍｉｔ，　Ｆａｓｔ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ等, 以实现动态信道有效利用及改进卫星信道非对称性引起的性能起伏等）；也可采用欺骗（Spoofing）之类TCP/IP协议变换形式的网关技术入手，可使吞吐性能获得数倍的改进；在如何解决一定区域范围内Inetenet网络拥塞时，利用卫星手段的有效跳越跨接，以及IP Over Satellite时的最佳路由选择; 多ISP运行条件下为克服目前Proxy/VPN服务器解决方案呈现出的快速下载无效，无法进入动态速率控制、动态转发器分配及自动出入等一系列毛病, 此时有一种所谓"空中隧道"（Tunnel inSky）协议可能可较好地解决这一问题，并估计可提高卫星IP上行传输效率达45%左右，如此等等, 均属一些较典型的改进ＩＰ卫星网络Ｑｏｓ性能的有效途径。当然，这些改进工作还在进一步深化与发展，包括在第三层、第四层直至更高的应用层，以取得ＩＰ卫星网络与ＩＰ地面网络综合运行时更为满意的Ｑｏｓ控制。而涉及卫星与地面系统的集成和地面系统及网络的演进，包括新一代移动通信与无线接入及适应ＮＧＮ、ＮＧＢＷ及开放系统结构的应用软件等，无疑, WAP、c-HTML/x-HTML、Brew、MSS IP over MPLS、BICC、SIP、 API、Parlay、 MGCP、 H.248/Megaco、Grid Computing (网格计算) 、CORBA、 Middleware(中间件) 以及Bluetooth、IEEE802.15.3/15.3a等与个人连接和接入及ＮＧＮ等相关的协议、算法与应用软件技术均十分关键。

　　（11）DVB-IP及安全控制条件接收ＣＡ技术与电子数字水印之类盗版防护技术

　　如众所知，数字视频广播（DVB，Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｉｄｅｏ　Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ）是欧洲尤里卡计划的一部分，为发展数字电视（ＤＴＶ）业务而确定的一种标准，起源于上世纪９０多代初，由欧洲广播用户设备制造厂商和ＥＬＧ（Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｌａｕｎｃｈｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ）论坛推动而建立，相应国家和组织可自愿参加，后即成为目前的ＤＶＢ计划，至２００１年初，ＤＶＢ计划已包含了３０多个国家与２２０多个组织，实际上已成为一种全球标准。ＤＶＢ标准一般又细分为针对卫星传输的ＤＶＢ－Ｓ、针对有线电视传输的ＤＶＢ－Ｃ和针对地面传输的ＤＶＢ－Ｔ三种标准。由于地面传输多径传播等传输条件最为复杂、严峻，从而ＤＶＢ－Ｔ标准内涵及对环境的技术对抗措施亦最为复杂与多样化，这一点也就反映在不同国家的ＤＴＶ－Ｔ标准的确定上，包括覆盖ＨＤＴＶ在内的我国情况亦属如此。

　　DVB标准的技术性能与接口要求包括下述方面：数字信源压缩编码，节目数据流的复接、信道纠错编码、数字调制、数字加密和条件接收等，数字视频压缩算法统一采用ＭＰＧ－２，前向纠错统一采用Ｒ－Ｓ码，ＱＡＭ调制标准星座状态数高达２５６，符号速率范围６.０～６.９Ｍｓｙｍ／s等。而Inetenet是卫星通信进一步发展的重要源动力，其中ＤＶＢ－ＩＰ则是卫星宽带多媒体业务发展的重要途径其中ＣＡ是一项加密控制的有条件接收技术，涉及ＤＶＢ－ＩＰ广大用户应用时的申请、接入、付费、频道控制、甚至防假等一系列要求；而且，应该指出，在解密节目抵达用户后的信息安全与知识产权保护和防非法拷贝方面，电子数字水印（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ）是一种重要的新技术应用。

（12）频段扩展与新系统、新技术的开发应用

　　目前，鉴于L、S、C、Ku频谱资源及GEO卫星轨道资源的紧缺与拥塞，频段扩展，包括卫星军事应用在内，自然瞄准X、Ka及V（Q/w），直到毫米波与红外线范围的所谓空中光纤。我们一方面要汲取以Iridium系统为首的LEO/MEO型GMPCS系统失败的教训，除GEO系统外，仍应协调实施相应各计划开发中的LEO/MEO NGSO卫星系统, 甚至建立新思路, 开发LEO/MEO型"静止卫星系统"。其实，高度更低属地面业务范畴的平流层气艇高空平台HAPS及高空飞机/气球远程覆盖运行HALO等系统亦为其类似思路的派生产物。此外，新频段开发，包括星际链路的开发在内，除器件技术外，亦有一整套涉及相应多址连接技术、自适应处理技术等在内的新技术、新系统的研究开发工作需同时进行。

　　由X频段商用、至Ku/Ka、纯Ka及EHF（V/Q/W）频段扩充，这对解决未来愈来愈多的个人多媒体视频业务需求及卫星产业迈向消费领域有重要意义。例如，以Ka卫星系统为例，从多点波束频谱有效再利用角度看，新一代Ka频段宽带卫星系统的容量潜力非常有吸引力，而且在卫星处理设备中采用高速分组交换统计复用，还可在多点波束蜂窝式覆盖基础上，进一步大大提高下行信道的负荷因子与复用能力，可大大改进整个卫星系统的用户传输速率和信息吞吐量。例如，同样以48波束的电路交换同快速分组交换统计复用处理进行对比，电路交换方式时只能取得0.5G bit/s左右的吞吐量，而卫星上分组交换统计复接模式运作时约可提高半个量级以上的吞吐效率，即达到3.5G bit/s左右的吞吐量。

　　一般说来，Ku与Ka频段的卫星系统相比较，Ka频段卫星通信系统性能/价格比方面有明显吸引力。以相同带宽资源作对比，Ka卫星的造价比Ku卫星约贵2倍左右，然其容量能力却可高6-8倍，而且其终端尺寸还可缩小一倍多（直径约为0.6m左右）真正可方便地走向家用消费品市场。因此可以说在性能价格比方面，Ka卫星系统大约可有2~3倍或更多的得益。当然，Ka频段雨衰将更严重，沉降物影响更严峻，而且就地面控制的星上自适应覆盖处理技术而言，比Ku频段更不成熟，因此目前Ka频段的自适应控制技术，主要仍是运用FEC码率及调制状态速率自适应可变技术改变其功率处理能力和进行雨衰对抗，而未能采用整体的路由分集技术；采用多点波束跳越扫描覆盖以快速经济地剪裁市场需求或许是一种现实可行的出路。

　　归根结蒂，由C频段至Ku频段再至Ka频段这是一种技术与市场需求演进的必然结果，一般说来C频段的宽带视频运营目标确定电视运营网络和相应运营商及一些住宅用户。此时，天线尺寸为2.4m左右，以分瓣组装结构为宜；到Ku频段时，其频率复用能力即可提高4倍左右，天线缩小降到1.7m~1m左右，用户对象可较大规模普及到企业数据及住宅居民电视接收；再进一步进入Ka频段，将可适应IP为基础的宽带多媒体高速数据传递要求，此时频率复用相对Ku频段仍可再提高4倍，天线直径可再降低到0.6m~0.4m左右，适用对象可普及小型企业及家用住宅宽带数据及视频多媒体运行。当然，从市场发展前后向兼容角度看，不少场合Ku/Ka混合结构仍不失为一种安全与明智的选择。

　　另一方面，Internet已成为宽带卫星业务的重要驱动力。DVB-IP卫星统一平台对发展卫星消费用户有极强的吸引力，而在亚洲Internet家庭用户亦将快速增长，2001年约为1300万户左右，到2008年将增至2000万户以上；瞄准IP为基本业务目标的Ku/Ka卫星平台的带宽处理能力也非常引人注目，以SHIN Satellite Public Company Limited平台为例，这以IP为基础的宽带卫星将由SS/Loral公司制造，据称拟于2003年上半年发射，采取高效率、低用户成本运作，而性能/价格比可与地面数字用户线及电缆调制解调器相比拟，由于利用35个左右的多点波束加之广域波束，进行多重频率再利用，其容量约可达40Gbit/s，这为目前一般最大卫星容量的20倍左右；而且在功率处理方面，利用了先进的Turbo码编译码技术及ＯＦＤＭ技术，可使其传输效率比一般情况改进100%左右。值得相关运行商重点关注。

（13）增加卫星运行寿命的氙离子推进及高效率太阳能电池技术

　　采用氙离子(Xenon Ion)发动机技术可获得大幅度节省卫星燃料的高效率卫星姿态控制及轨位保持控制。对一颗１５年寿命的卫星，采用氙离子推进将可节省９０％的推进剂用量，从而可大大节省卫星发射价格或延长卫星寿命。若使用能力较强的２５厘米１６０ｍＮ的氙离子发动机，每天仅需工作３０分钟即可将卫星轨位保持至０.００５度，从而可有效处理多颗卫星共用同一轨位(Ｃｏ－ｌｏｃａｔｉｏn)的卫星轨道位置的保持与控制。

　　与常用的硅太阳能电池相比较，砷化钾太阳能电池包括其多节运行可使转换效率提高一倍左右，即由１４％提高至３０％左右，这可为实现１０～2 0千瓦大功率卫星平台运行奠定基础。同时效率高、体积小、重量轻的锂蓄电池可比现有镍氢蓄电池提高一倍左右的功率能量密度能力。（未完待续）

----《西部通信》