衛(wèi)星通信的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)

張昆鵬

[摘要]通過(guò)對(duì)衛(wèi)星通信應(yīng)用現(xiàn)狀的介紹，分析衛(wèi)星通信技術(shù)在當(dāng)今全球信息化浪潮中所處的地位、作用及遇到的挑戰(zhàn)，探討其在未來(lái)的應(yīng)用競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中所具有的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，總結(jié)演變趨勢(shì)及需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，給出它在未來(lái)通信網(wǎng)中的主要應(yīng)用模式。

[關(guān)鍵詞]衛(wèi)星通信 寬帶IP 數(shù)據(jù)壓縮

中圖分類號(hào)：TN92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0420027－01

衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)靈活、通信容量大、通信線路質(zhì)量穩(wěn)定可靠、機(jī)動(dòng)性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，是其他通信技術(shù)無(wú)法比擬的。然而，隨著全球信息化進(jìn)程的加快，人們對(duì)信息的需求呈多樣化、復(fù)雜化趨勢(shì)，通信已進(jìn)入高速、寬帶、大容量、多媒體、多業(yè)務(wù)、可移動(dòng)及個(gè)性化時(shí)代。

一、衛(wèi)星通信現(xiàn)階段的問(wèn)題和難點(diǎn)

（一）高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的瓶頸

由于數(shù)字化進(jìn)程的加快和分組交換技術(shù)的成功應(yīng)用，傳統(tǒng)的基于頻分多址和碼分多址的衛(wèi)星通信很難適應(yīng)傳輸高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。由于衛(wèi)星通信長(zhǎng)時(shí)延的存在(0.27s)，在WAN和LAN中基于競(jìng)爭(zhēng)的多址方式（如CSWA/CD）及差錯(cuò)控制協(xié)議（如TCP）均不再適用。因此，位于遠(yuǎn)地點(diǎn)的LAN利用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)必須要有快速有效的轉(zhuǎn)換協(xié)議，還需減小時(shí)延對(duì)實(shí)時(shí)通信的影響。

（二）衛(wèi)星通信應(yīng)用寬帶IP的難點(diǎn)

目前，提出的寬帶IP衛(wèi)星系統(tǒng)都采用基于ATM的傳輸技術(shù)。歐、美等對(duì)衛(wèi)星ATM層和物理層性能研究測(cè)試的結(jié)果表明：ATM的性能可以滿足ITU-TG.826和I.356的性能指標(biāo)要求。如果系統(tǒng)采用RS塊狀編碼、交織及FEC技術(shù)，衛(wèi)星鏈路可達(dá)到準(zhǔn)光纖鏈路質(zhì)量，ATM可以作為衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。但是，衛(wèi)星ATM實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜，與現(xiàn)存的衛(wèi)星傳輸技術(shù)有很大不同，如衛(wèi)星ATM的分層實(shí)現(xiàn)。

二、現(xiàn)代衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向

（一）數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)在數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域已相當(dāng)成熟。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)壓縮均可為通信系統(tǒng)在時(shí)間、頻帶、能量上帶來(lái)高效率。ISO對(duì)靜止圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)以及CCITT的H.26標(biāo)準(zhǔn)已成為多媒體壓縮的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。其中MPEG62設(shè)計(jì)中采用了面向?qū)ο蟮姆椒ǎ貏e注重交互性和多媒體同步、實(shí)時(shí)表現(xiàn)、實(shí)時(shí)交換、最終形式等方面。目前已被多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)所采用。

（二）智能衛(wèi)星天線系統(tǒng)

由于傳送多媒體信息的需要，通常要求通信系統(tǒng)的帶寬在2500MHz以上，多媒體通信系統(tǒng)因此選擇了Ku甚至Q和V波段。但K以上波段雨衰相當(dāng)嚴(yán)重，而衛(wèi)星功率亦受限。因此，研究智能高性能天線非常必要。為了構(gòu)成較大范圍的多波束覆蓋，可采用多波束快速跳變系統(tǒng)；在低軌道系統(tǒng)中地面接收天線可用蜂窩式天線覆蓋圖做同頻再用，并具有跟蹤功能；星上天線采用相控陣天線；同步軌道系統(tǒng)可用多饋源或相控陣天線形成蜂窩式覆蓋圖。

（三）寬帶IP衛(wèi)星通信技術(shù)的研究

為了使衛(wèi)星通信能夠適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)的需要，寬帶IP衛(wèi)星通信技術(shù)的研究進(jìn)一步加快。ITU-R第四研究組于1999年4月就在瑞士日內(nèi)瓦舉行了WP4A、WP4B、4SNG、SG4會(huì)議。在WP4B會(huì)議上，IP和多媒體技術(shù)在衛(wèi)星中的應(yīng)用作為新技術(shù)課題提案獲得了通過(guò)，對(duì)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展具有重要影響。參加這次大會(huì)的有關(guān)人士認(rèn)為：IP很有可能成為未來(lái)的主要通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，大有取代目前占主導(dǎo)的ATM技術(shù)的勢(shì)頭。IP數(shù)據(jù)包通過(guò)衛(wèi)星傳輸?shù)目捎枚群托阅苣繕?biāo)與ITU-TG.826和ITU-RS.ATM建議要求是不同的，有關(guān)研究在2001年已完成。關(guān)鍵技術(shù)研究包括：衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；支持衛(wèi)星IP運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議的性能需求；IP層協(xié)議或能加強(qiáng)衛(wèi)星鏈路性能的更高層協(xié)議，需要做什么樣的潛在改善；IP保密安全協(xié)議及相關(guān)問(wèn)題對(duì)衛(wèi)星鏈路的要求將產(chǎn)生什么影響；ITU-R為提供與ITU-T和其他標(biāo)準(zhǔn)化組織最合適的聯(lián)絡(luò)應(yīng)做出什么樣的安排等方面。這種技術(shù)若能實(shí)現(xiàn)與地面IP網(wǎng)絡(luò)兼容，會(huì)直接推動(dòng)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的發(fā)展。

（四）新型高效的數(shù)字調(diào)制及信道編碼技術(shù)

目前，應(yīng)用較成熟的有正交頻分復(fù)用多載波調(diào)制技術(shù)(OFBM)和16-QAM調(diào)制等。在信道編碼上，可結(jié)合天線分集技術(shù)采用定時(shí)格碼中的定時(shí)塊碼、Reed-Solomon碼，亦可采用Turbo乘積碼TPC技術(shù)。Turbo乘積碼是一個(gè)由小的分組碼（如漢明碼、校驗(yàn)碼或兩者的混合碼)組成的二維或三維陣列，為提高糾錯(cuò)效率，可增加1個(gè)“超軸”構(gòu)成所謂增強(qiáng)型TPC。在數(shù)字解調(diào)過(guò)程中，可采用多載波群路整體解調(diào)技術(shù)，即用1套解調(diào)裝置同時(shí)解調(diào)多載波，然后經(jīng)過(guò)基帶交換矩陣和存儲(chǔ)裝置，再轉(zhuǎn)換成TDM形式的基帶信號(hào)。這樣可以節(jié)省帶寬，大大提高解調(diào)速度。

（五）多址連接技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展

數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)已采用多覆蓋和星上交換技術(shù)（SS/TDMA)，然而，在TDMA方式，當(dāng)傳輸速率增加時(shí)，就需要增大衛(wèi)星天線的口徑和高功放的輸出功率，顯然上述方法受到極大限制。一種有效的解決方法是將一個(gè)高速率的TDMA信道用不同的頻率分成幾個(gè)較低的速率的TDMA信道，即采用頻分多路方式的FDMA（FDM/TDMA）來(lái)替代高速率的TDMA信道，以降低每一信道的速率。

（六）衛(wèi)星激光通信技術(shù)

未來(lái)的衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)率卻要求工作在數(shù)百或數(shù)千Mbit/s，因此，只能由激光通信來(lái)實(shí)現(xiàn)。激光通信技術(shù)主要應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)星際互聯(lián)。因?yàn)樾请H通信在外層空間進(jìn)行，不受大氣層的影響，可充分發(fā)揮激光的優(yōu)點(diǎn)。為了減小全球衛(wèi)星通信中的“雙跳”法帶來(lái)的信號(hào)長(zhǎng)時(shí)延，利用“星際激光鏈路”技術(shù)會(huì)取得意想不到的優(yōu)勢(shì)。據(jù)專家測(cè)算：在理想的情況中，衛(wèi)星激光通信在比微波通信數(shù)據(jù)速率高一個(gè)數(shù)量級(jí)的情況下，天線孔徑尺寸卻比微波通信衛(wèi)星減小一個(gè)數(shù)量級(jí)；用激光作為載體進(jìn)行空間無(wú)線電通信，若話路帶寬為4kHz，則可容納100億條話路；若彩色電視帶寬為10MHz，則可同時(shí)傳送l000萬(wàn)套節(jié)目而互不干擾?？梢钥隙?，未來(lái)的衛(wèi)星之間進(jìn)行激光通信是很有前途的。

三、結(jié)束語(yǔ)

新型的VSAT數(shù)字衛(wèi)星終端將把通信延伸到桌面，一個(gè)建立在新興技術(shù)、衛(wèi)星光互聯(lián)、頻率復(fù)用和高能系統(tǒng)之上的嶄新的數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)必將誕生。

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