寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)（上）

文 馮少棟 張更新 李廣俠

解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院衛(wèi)星重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

圖1 寬帶通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)典型應(yīng)用場(chǎng)景

1 組網(wǎng)方式概述

寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)是全球?qū)拵ㄐ啪W(wǎng)的一部分，完整的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)由終端用戶、核心網(wǎng)、接入網(wǎng)及分發(fā)網(wǎng)四部分構(gòu)成(如圖1所示)。其中核心網(wǎng)由高速交換節(jié)點(diǎn)（交換機(jī)或路由器）組成，負(fù)責(zé)大容量的高速連接和交換；接入網(wǎng)位于網(wǎng)絡(luò)邊緣，與用戶終端系統(tǒng)進(jìn)行交互，為用戶提供接入服務(wù)；分發(fā)網(wǎng)介于核心網(wǎng)與接入網(wǎng)之間，用于連接接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，并以廣播或組播方式將Internet內(nèi)容推送至邊緣的ISP緩存服務(wù)器。由于系統(tǒng)具有帶寬資源豐富、廣域覆蓋和組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，因此在核心網(wǎng)、分發(fā)網(wǎng)和接入網(wǎng)中都有用武之地。從圖2中可以看出，利用該系統(tǒng)點(diǎn)到點(diǎn)的高速傳輸能力，可為ISP提供干線節(jié)點(diǎn)的洲際連接；利用系統(tǒng)點(diǎn)到多點(diǎn)的組播廣播能力，可實(shí)現(xiàn)Internet內(nèi)容向邊緣緩存服務(wù)器的高速推送；利用系統(tǒng)多點(diǎn)到點(diǎn)的共享接入能力，可使眾多邊遠(yuǎn)地區(qū)的用戶利用衛(wèi)星解決“最后一公里”的接入問(wèn)題。表1—表3給出了寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)在不同網(wǎng)域中的具體應(yīng)用模式。表 3接入網(wǎng)應(yīng)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組網(wǎng)方式有網(wǎng)狀網(wǎng)、星狀網(wǎng)、組播網(wǎng)、廣播網(wǎng)四種，其中在網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶終端之間通過(guò)衛(wèi)星可以直接通信(如圖3所示)，而在星狀網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶終端之間無(wú)法互通，需通過(guò)中心站進(jìn)行中轉(zhuǎn)(如圖4所示)。其中網(wǎng)狀網(wǎng)和星狀網(wǎng)可提供雙向通信服務(wù)，而廣播、組播僅可提供單向通信服務(wù)。

四種組網(wǎng)方式中，實(shí)現(xiàn)難度由低到高依次為廣播網(wǎng)、組播網(wǎng)、星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度決定了終端的造價(jià)，因此，實(shí)現(xiàn)難度越大，造價(jià)也就越高。從實(shí)現(xiàn)角度，通常后一種組網(wǎng)方式能夠兼容實(shí)現(xiàn)前一種組網(wǎng)方式，如圖5所示。

廣播網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)，原因在于其終端無(wú)需發(fā)射裝置，安裝簡(jiǎn)單，便于維護(hù)；組播組網(wǎng)在廣播組網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加了控制功能，使得非授權(quán)用戶即使處于衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)也無(wú)法接收，最常見(jiàn)的手段是CA加密，還有更高層的手段，如通過(guò)IP組播協(xié)議等；星狀網(wǎng)中的終端具有收發(fā)功能，為了能夠盡可能地降低制造成本，終端采用小口徑天線較低功率射頻單元，通過(guò)天線口徑較大通信能力較強(qiáng)的中心站中轉(zhuǎn)。網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)增強(qiáng)星上處理能力或終端處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)終端之間的直接互通。

星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)的區(qū)別還在于：

在星狀網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶終端與主站之間是多對(duì)一的關(guān)系，每個(gè)用戶終端只能和唯一的主站進(jìn)行通信，該主站往往也充當(dāng)了與地面網(wǎng)連接即信關(guān)站的功能；而在網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶終端與信關(guān)站之間是多對(duì)多的關(guān)系，一個(gè)終端可以與多個(gè)信關(guān)站通信，以接入不同的網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)提供商；

在星狀網(wǎng)系統(tǒng)中，前向鏈路與反向鏈路采用不同的空中接口體制，例如前向采用TDM廣播方式，反向采用MFTDMA方式；在網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)中，前向鏈路與反向鏈路的空中接口體制可以相同。

隨著業(yè)務(wù)及網(wǎng)絡(luò)融合步伐的加快，寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)已涵蓋了四種基本組網(wǎng)方式，而且根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器類型及多波束類型的不同還出現(xiàn)了更多分支，具體劃分見(jiàn)圖6。

表1 核心網(wǎng)應(yīng)用

表2 分發(fā)網(wǎng)應(yīng)用

圖3 網(wǎng)狀網(wǎng)通信示意

表3 接入網(wǎng)應(yīng)用

圖4 星狀網(wǎng)通信示意

圖5 各種組網(wǎng)方式的兼容實(shí)現(xiàn)

2 透明轉(zhuǎn)發(fā)器星狀組網(wǎng)

在基于透明轉(zhuǎn)發(fā)器星狀組網(wǎng)的系統(tǒng)中，普通用戶終端之間無(wú)法直接互通，需通過(guò)主站(同時(shí)也是信關(guān)站)中轉(zhuǎn)。這樣的系統(tǒng)，通常包括一個(gè)主站和若干用戶終端，主站包括信關(guān)站（GW）和網(wǎng)控中心（NCC），NCC主要完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和控制，信關(guān)站完成與Internet等其它地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。用戶終端可連接一個(gè)或多個(gè)用戶網(wǎng)絡(luò)。在這樣的系統(tǒng)中，前向鏈路（主站到用戶終端）與反向鏈路空中接口體制是不同的。例如前向鏈路可采用DVB－S/S2[1]標(biāo)準(zhǔn)體制，反向鏈路采用DVB－RCS[2]標(biāo)準(zhǔn)體制。同時(shí)前反向鏈路都是為多用戶終端共享的，但共享方式不同，前向鏈路采用基帶復(fù)用調(diào)度技術(shù)，將發(fā)往不同用戶終端的數(shù)據(jù)復(fù)用到一條連續(xù)的廣播鏈路上，而反向鏈路是通過(guò)媒體接入控制（MAC）技術(shù)，使來(lái)自不同用戶的業(yè)務(wù)形成一條或多條TDMA突發(fā)流。透明轉(zhuǎn)發(fā)器星狀組網(wǎng)系統(tǒng)中的信關(guān)站也稱為透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信關(guān)站（TSGW）。

2.1 單波束

單波束典型的應(yīng)用場(chǎng)景為目前大規(guī)模商用的DVB－RCS系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：

網(wǎng)絡(luò)控制中心（Network Control Center NCC）：負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行與控制，提供網(wǎng)絡(luò)參考時(shí)鐘，生成系統(tǒng)控制與定時(shí)信號(hào)，完成系統(tǒng)控制面和管理面的相關(guān)功能，作為網(wǎng)絡(luò)的核心管理單元，NCC還可以進(jìn)一步劃分為兩個(gè)功能模塊：

（1）網(wǎng)絡(luò)控制中心（NCC）：主要完成系統(tǒng)控制面的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的控制，具體功能包括會(huì)話控制、連接準(zhǔn)入控制、接入控制、資源分配等。

（2）網(wǎng)絡(luò)管理中心（NMC）：主要完成系統(tǒng)管理面的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各網(wǎng)元的管理，具體功能包括：性能、故障、計(jì)費(fèi)、配置和安全管理。

上行站(Feeder)：主要用于發(fā)送上行廣播信號(hào)，在DVB－RCS系統(tǒng)中該信號(hào)為DVB－S或DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)格式，該信號(hào)中通常包括系統(tǒng)控制信息、定時(shí)信息和業(yè)務(wù)信息，這些信息在基帶復(fù)用成連續(xù)的TS碼流進(jìn)行發(fā)送，在實(shí)際系統(tǒng)中上行站通常為NCC的一個(gè)功能模塊。

圖6 寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)組網(wǎng)方式分類

圖7 透明轉(zhuǎn)發(fā)器星狀組網(wǎng)示意

信關(guān)站(Gateway GW)：主要完成系統(tǒng)用戶面的相關(guān)功能，如通過(guò)前向信道（DVB－S/S2格式）發(fā)送數(shù)據(jù)和信令，通過(guò)反向信道（DVB－RCS格式）接收來(lái)自用戶終端的數(shù)據(jù)與信令。同時(shí)信關(guān)站還與外部網(wǎng)絡(luò)相連，其中包括Internet、服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)、PSTN、ISDN等。在實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中NCC與GW通常在同址建設(shè)，也稱為主站(NCC/GW)。

用戶終端(User Terminal UT)：與用戶網(wǎng)絡(luò)相連，為用戶提供接入服務(wù)。

需要強(qiáng)調(diào)的是信關(guān)站和NCC的功能實(shí)際上是有分別的，信關(guān)站實(shí)際上完成用戶面的功能，由中頻處理單元、射頻處理單元，天線等一系列設(shè)備組成，而NCC主要完成控制和管理面的功能，主是運(yùn)行在服務(wù)器上的一系列軟件。

通常一個(gè)DVB－RCS系統(tǒng)有一個(gè)NCC和成百上千個(gè)用戶終端。根據(jù)業(yè)務(wù)需要，信關(guān)站可以有多個(gè)，每個(gè)信關(guān)站都可以與外網(wǎng)相連，服務(wù)特定的一組（或一群）用戶終端，為它們提供寬帶接入等服務(wù)。但目前典型的DVB－RCS系統(tǒng)大都只配置一個(gè)信關(guān)站，該信關(guān)站與NCC相連，并兼有上行站的功能。一個(gè)Hub加若干用戶終端（也稱遠(yuǎn)端站）是目前最常見(jiàn)的基于星狀網(wǎng)透明轉(zhuǎn)發(fā)器組網(wǎng)配置形式。在這樣的系統(tǒng)中，NCC/GW可為用戶提供可保證(或區(qū)分）的服務(wù)質(zhì)量保障，這種服務(wù)質(zhì)量保障主要通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一是通過(guò)信關(guān)站前向鏈路調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)；

二是通過(guò)用戶終端反向鏈路調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還可通過(guò)資源分配算法在不同的用戶終端之間進(jìn)行區(qū)分服務(wù)。

如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)NCC，每個(gè)NCC管理不同的子網(wǎng)，則需要更高層的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中心（NOC）通過(guò)NOCNCC接口來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)NCC之間資源的分配，此外對(duì)于衛(wèi)星的管理和控制通過(guò)衛(wèi)星運(yùn)行中心（SOC）來(lái)完成。但一般情況下，網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)NCC，NOC的功能也就集成到NCC當(dāng)中。

圖8 IPstar星狀組網(wǎng)＿相同波束

在單波束情況下，用戶終端與主站處于同一波束，用戶終端與主站可以直接互通，用戶終端之間無(wú)法互通。主要是由于用戶終端收發(fā)體制不同，例如在DVB－RCS系統(tǒng)中，用戶終端發(fā)送采用DVB－RCS體制，而接收采用DVBS/S2體制，與此相對(duì)，主站接收采用DVB-RCS體制，發(fā)送采用DVB-S/S2，顯而易見(jiàn)，在衛(wèi)星不做任何處理的情況下，用戶終端由于收發(fā)體制不同是無(wú)法互通的。但這一點(diǎn)并不是絕對(duì)的，后面我們可以看到，在衛(wèi)星增加再生處理功能之后，同樣是收發(fā)體制不同的用戶終端就可以直接互通了。

另外波束覆蓋范圍內(nèi)有可能會(huì)有多個(gè)系統(tǒng)存在，每個(gè)系統(tǒng)由不同的NCC控制，首先這些系統(tǒng)之間通過(guò)頻率嚴(yán)格隔離，另外NCC還可通過(guò)接入鑒權(quán)認(rèn)證機(jī)制防止個(gè)別用戶終端通過(guò)更改收發(fā)頻率入網(wǎng)。

2.2 多波束

在多波束系統(tǒng)中，用戶終端與主站有可能不在同一波束，而主站需接收同一網(wǎng)內(nèi)位于不同波束中用戶終端發(fā)送的信號(hào)，并確定網(wǎng)內(nèi)所有終端都能夠收到主站發(fā)送的信號(hào)，根據(jù)星上波束交聯(lián)方式的不同可有以下兩種場(chǎng)景：

(1)主站位于各個(gè)用戶終端波束的交疊區(qū)，用戶波束之間通過(guò)頻率隔離，主站可以收到來(lái)自各個(gè)用戶波束的信號(hào)，同時(shí)主站發(fā)送的信號(hào)可以廣播方式播發(fā)至各個(gè)用戶波束。

(2)用戶終端與主站均位于不同的波束，用戶終端位于用戶波束，主站位于饋電波束，衛(wèi)星通過(guò)靜態(tài)交鏈方式連接各個(gè)波束，此時(shí)主站與衛(wèi)星之間的上下行鏈路（即饋電鏈路）及用戶終端與衛(wèi)星之間的鏈路(用戶鏈路)需采用不同的頻段，避免波束之間的干擾。

典型基于透明轉(zhuǎn)發(fā)器星狀組網(wǎng)的多波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)為IPstar系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式為上述第二種情況。該衛(wèi)星于2005年8月11日發(fā)射升空，主要系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表4。該衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器，同一波束及不同波束用戶終端之間的通信需要通過(guò)信關(guān)站中繼，如圖8和圖9所示。

該系統(tǒng)中的衛(wèi)星鏈路分前向鏈路、反向鏈路和廣播鏈路。

（1）前向鏈路：經(jīng)IPstar衛(wèi)星從信關(guān)站（Ka 波段）到用戶終端（Ku 波段）的寬帶鏈路。該鏈路采用TDMOFDM體制，根據(jù)下行鏈路波束類型不同可分為三類：點(diǎn)波束、補(bǔ)充點(diǎn)波束、賦形波束。點(diǎn)波束是類似蜂窩小區(qū)的高功率波束，直徑400 公里，點(diǎn)波束之間采用三色頻率復(fù)用技術(shù)，大大提高了頻譜的利用效率。在我國(guó)點(diǎn)波束有22個(gè)，主要覆蓋大陸東部沿海主要城市人口密度稠密地區(qū)。賦形波束是EIRP值相對(duì)較低的寬波束，在我國(guó)主要覆蓋大陸西部沙漠人口密度小的地區(qū)。補(bǔ)充點(diǎn)波束實(shí)際上和點(diǎn)波束相同，主要作用是作為人口稠密地區(qū)帶寬需求的補(bǔ)充。在我國(guó)目前有兩個(gè)補(bǔ)充點(diǎn)波束，分別覆蓋北京和香港地區(qū)。

圖9 IPstar星狀組網(wǎng)＿相鄰波束

表4 IPstar系統(tǒng)參數(shù)

（2）反向鏈路：經(jīng)IPstar 衛(wèi)星從用戶終端（Ku 波段）到信關(guān)站（Ka波段）的窄帶鏈路。該鏈路采用MFTDMA體制，與前向鏈路一樣根據(jù)上行鏈路波束類型不同可分為三類：點(diǎn)波束、補(bǔ)充點(diǎn)波束、賦形波束。

（3）廣播鏈路是從信關(guān)站（Ka 波段）到用戶終端（Ku 波段）的單向鏈路，專為廣播應(yīng)用設(shè)計(jì)，服務(wù)區(qū)大致是所有點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域的總和。

目前該系統(tǒng)在中國(guó)有三個(gè)信關(guān)站，分別設(shè)在北京、上海和廣州，通過(guò)信關(guān)波束與衛(wèi)星通信，三個(gè)信關(guān)站可服務(wù)覆蓋我國(guó)22 個(gè)點(diǎn)波束和2 個(gè)補(bǔ)充點(diǎn)波束。根據(jù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器交鏈配置，三個(gè)信關(guān)站分別連接不同的用戶點(diǎn)波束。EIRP值較低的賦形波束主要覆蓋人口稀疏的地區(qū)。在我國(guó)賦形波束與上海信關(guān)波束相連。廣播波束主要完成對(duì)所有用戶的廣播，與所有信關(guān)波束相連，只要配置相應(yīng)的上行設(shè)備，便可實(shí)現(xiàn)廣播業(yè)務(wù)的播發(fā)。(未完待續(xù))

[1]E t s i. D ig i t a l V id e o Broadcasting (DVB);Second generation framing structure,channel coding and modulation systems for Broadcasting,Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications[S]. 2009.

[2]E t s i. D ig i t a l V id e o Broadcasting (DVB);Interaction channel for satellite distribution systems[S]. 2009.