衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究與分析

薛中偉

92941部隊(duì) 遼寧 125000

0 前言

衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是將衛(wèi)星通信技術(shù)和Internet寬帶互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)發(fā)展成的一種新型的信息傳輸系統(tǒng)，也稱為衛(wèi)星因特網(wǎng)系統(tǒng)。衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像以及視頻信息的處理和傳送。由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的帶寬遠(yuǎn)小于光纖線路，因此幾十兆比特每秒就稱為寬帶通信。衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣，通信能力不受各種地區(qū)條件限制的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)的重要手段，尤其對(duì)于偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)，通過(guò)衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)和城市一樣共享互聯(lián)網(wǎng)資源。

1 衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)的基本原理

1.1 系統(tǒng)建設(shè)

衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建可以通過(guò)兩種途徑實(shí)現(xiàn)。一種是專門(mén)研制、發(fā)射專用的寬帶衛(wèi)星，利用寬帶衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行信息傳遞，用它運(yùn)行寬帶業(yè)務(wù)；另一種是利用通信或廣播衛(wèi)星現(xiàn)有的透明轉(zhuǎn)發(fā)器，在地球站建設(shè)寬帶終端來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)?？梢钥闯觯罢呤菍ｉT(mén)的衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有帶寬大、速率高的優(yōu)點(diǎn)，但是前期需要很大的投資，市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)較高。另一種做法是利用現(xiàn)有的空間資源開(kāi)展衛(wèi)星寬帶服務(wù)，即開(kāi)發(fā)適合衛(wèi)星寬帶服務(wù)的技術(shù)、技術(shù)產(chǎn)品(系統(tǒng)設(shè)備)，用它建設(shè)衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)，具有系統(tǒng)建設(shè)簡(jiǎn)單、技術(shù)基礎(chǔ)完善的優(yōu)點(diǎn)，但是在使用中帶寬容易受到限制。

1.2 工作模式

由于人們?cè)趯拵ЬW(wǎng)絡(luò)上接收數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)送數(shù)據(jù)量，因而衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一種非對(duì)稱的衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)。采用衛(wèi)星高速下載和地面反饋的外交互的工作模式，即采用衛(wèi)星鏈路作為下行數(shù)據(jù)鏈路，將其他通信網(wǎng)絡(luò)如電話撥號(hào)、局域網(wǎng)等作為上行數(shù)據(jù)鏈路，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的帶寬成本。

用戶在電腦上安裝一塊衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)PCI卡和衛(wèi)星接收天線相連，所有低帶寬的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可以通過(guò)MODEM從電話網(wǎng)絡(luò)上傳送出去。所有高帶寬的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)直接由衛(wèi)星高速向用戶提供所需服務(wù)。例如，用戶在瀏覽互聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)，將網(wǎng)址請(qǐng)求信號(hào)向網(wǎng)絡(luò)操作中心發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)操作中心在接到請(qǐng)求信號(hào)后，根據(jù)用戶要求獲取所需信息，再將信息上行到衛(wèi)星，衛(wèi)星通過(guò)高速寬帶網(wǎng)絡(luò)將信息下行到用戶的接收天線，最后用戶獲取了網(wǎng)址信息。衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的終端設(shè)備主要有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)PCI卡、用戶端軟件、衛(wèi)星接收天線，價(jià)格十分便宜。

1.3 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)有如下優(yōu)點(diǎn)：一是網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，不受地域限制，組網(wǎng)迅速方便。二是傳輸直接繞過(guò)公眾電信網(wǎng)絡(luò)，直接通過(guò)衛(wèi)星鏈路連接到寬帶網(wǎng)絡(luò)。三是衛(wèi)星業(yè)務(wù)傳遞的不對(duì)稱線路方案，可使ISP根據(jù)其業(yè)務(wù)需求使用所需轉(zhuǎn)發(fā)器的容量，深受網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的歡迎。四是經(jīng)濟(jì)高效。光纜建設(shè)通常要花幾年的時(shí)間及幾十億美元的投資，而衛(wèi)星的建設(shè)要比光纜快和經(jīng)濟(jì)得多。既使是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的寬帶業(yè)務(wù)，非對(duì)稱鏈路的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)也比光纖網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)有效。五是更適于局域網(wǎng)。由于短距離Internet的需求，通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連到骨干網(wǎng)的局域性連接越來(lái)越多。六是可作為多信道廣播業(yè)務(wù)的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)和多媒體的接入。

2 衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無(wú)線ATM技術(shù)

ATM是有線網(wǎng)絡(luò)寬帶系統(tǒng)的主要技術(shù)，在衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中采用無(wú)線ATM技術(shù)(WATM)作為星座的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其中包含衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)專用的信令協(xié)議和鏈路層傳輸協(xié)議。由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器具有星上處理能力，因而具有透明轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和有星上處理能力的衛(wèi)星系統(tǒng)都可以與ATM網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用，因此無(wú)線ATM技術(shù)是衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2 衛(wèi)星TCP/IP

TCP/IP是為地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，用于衛(wèi)星信道時(shí)會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)延、較高的差錯(cuò)率、前/反向信道非對(duì)稱等很多問(wèn)題，需加以解決才能順利工作。為了解決TCP/IP在衛(wèi)星信道上運(yùn)行的困難，可分為兩類解決方法：一在協(xié)議上改進(jìn)，克服衛(wèi)星通信信道容量的非對(duì)稱性及性能起伏，動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)信道的有效利用。二是在衛(wèi)星鏈路起始端設(shè)置網(wǎng)關(guān)(Gateway)，將TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換成較適合衛(wèi)星信道的算法，這樣可在衛(wèi)星段采用與衛(wèi)星鏈路特性匹配的傳輸協(xié)議，而通過(guò)TCP/IP協(xié)議網(wǎng)關(guān)與Internet和用戶終端連接。

2.3 空間交換技術(shù)

空間交換技術(shù)包括基帶星上處理技術(shù)(OBP)、星上交換技術(shù)(OBS)和星上尋址技術(shù)(OBR)，可以對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)寬帶資源進(jìn)行估計(jì)、分配和自適應(yīng)波束形成，是提高服務(wù)質(zhì)量(QoS)的重要手段，具有較高的通信質(zhì)量和頻譜利用率?；鶐BP的目的是提高鏈路的性能及有效性，降低費(fèi)用或增加容量，增加容量已是現(xiàn)階段的發(fā)展趨勢(shì)。更重要的是，把基帶OBP和OBS相結(jié)合會(huì)增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有效性和靈活性。

2.4 衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)的MAC層協(xié)議

MAC層協(xié)議對(duì)于有效合理的利用衛(wèi)星帶寬資源具有重要的影響，MAC方式直接影響著更高層協(xié)議的性能以及整個(gè)系統(tǒng)的QoS。MAC層協(xié)議保證分處兩地的通信節(jié)點(diǎn)有能力控制它們之間的分組交換，并有效地管理網(wǎng)絡(luò)帶寬，以充分利用資源。衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高信道流量、低傳輸時(shí)延、信道穩(wěn)定性、協(xié)議可實(shí)現(xiàn)性、信道重構(gòu)性和控制算法的低復(fù)雜度。

3 衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

在衛(wèi)星通信中，衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)新概念，其主要目標(biāo)是為多媒體和高數(shù)據(jù)速率的Internet應(yīng)用提供一種無(wú)所不在的通信方式。可以認(rèn)為，新一代衛(wèi)星系統(tǒng)是為了提供個(gè)人電信服務(wù)，與上一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別是提供的業(yè)務(wù)由低速業(yè)務(wù)及話音業(yè)務(wù)變?yōu)镮nternet和多媒體業(yè)務(wù)。我們正在進(jìn)入“Internet時(shí)代”，全球商務(wù)活動(dòng)的需要和人們對(duì)信息無(wú)止境的追求，刺激了企業(yè)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的爆炸性增長(zhǎng)，用戶一直在努力尋求可給他們帶來(lái)更多數(shù)據(jù)的解決方案，結(jié)果導(dǎo)致對(duì)帶寬需求的猛長(zhǎng)。對(duì)更高帶寬的追求導(dǎo)致了一個(gè)新市場(chǎng)的開(kāi)拓：一種付得起費(fèi)的、可靠的、安全的、可無(wú)縫隙地嵌入陸地網(wǎng)的衛(wèi)星寬帶通信方案。

目前，C頻段和Ku頻段已經(jīng)日趨飽和，發(fā)展Ka頻段衛(wèi)星通信已經(jīng)勢(shì)在必行，在單位時(shí)間內(nèi)，用戶得到的數(shù)據(jù)量大大增加，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延大大減小，可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，基于Ka頻段的衛(wèi)星通信寬帶網(wǎng)路系統(tǒng)必將給人們的生活帶來(lái)翻天覆地的變化。

[1] 孫威昌.亞洲寬帶通信衛(wèi)星的發(fā)展[J].國(guó)際太空.2011.

[2] 阮一峰.衛(wèi)星寬帶網(wǎng)新進(jìn)展[J].世界寬帶網(wǎng)絡(luò).2010.

[3] 楊千里.寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用前景[J].中國(guó)無(wú)線電管理.2001.

[4] 吳剛,劉承承.寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)特點(diǎn)探析[J].科技信息.2009.