數(shù)字衛(wèi)星通信簡介

+ 沈偉民 中國電信股份有限公司上海分公司應(yīng)急通信局

數(shù)字衛(wèi)星通信簡介

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本文主要以地球站數(shù)字業(yè)務(wù)為例，例舉了衛(wèi)星通信中的三類數(shù)字業(yè)務(wù)：IDR和IBS系統(tǒng)、DVB-S系統(tǒng)和VSAT系統(tǒng)。

INTELSAT IDR IBS ISDN DVB 4：2：2 BER IESS VSAT FTDMA TDM

在現(xiàn)代衛(wèi)星通信是數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，各種新理論、新技術(shù)在這一領(lǐng)域內(nèi)的成功應(yīng)用為信息傳輸開拓了更為廣闊的天地。本文就以上海地球站傳輸?shù)母鞣N數(shù)字業(yè)務(wù)為例，對數(shù)字衛(wèi)星通信作一簡單介紹。

一、IDR和IBS系統(tǒng)

IDR是國際衛(wèi)星通信組織INTELSAT為適應(yīng)ITU-T（包括G系列和I系列）推薦的各種數(shù)字傳輸速率而開發(fā)的一種中等數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)。其信息傳輸速率正好處于SCPC（速率為56Kb/s）和TDMA（最高速率為120Mb/s）中間，即64Kb/s～44.736Mb/s。由于IDR傳輸速率及通信質(zhì)量符合ISDN要求，其電路不僅能建立專用的數(shù)字通信網(wǎng)而且還能與國際公眾電話網(wǎng)相連接。通過IDR電路可用作各種國際或國內(nèi)通信業(yè)務(wù)，如話音通信、數(shù)據(jù)傳輸、文字資料分配、ISDN等。

對于傳輸速率低于2Mb/s的衛(wèi)星數(shù)字電路稱為LRE（低速率編碼）IDR，如1024Kb/s、512Kb/s、64Kb/s等。它是為滿足稀路由用戶沒有足夠量而要用E1（速率為2048Kb/s）或T1（速率為1544Kb/s）標(biāo)準(zhǔn)速率進(jìn)行傳輸而建立的一種IDR電路。

IBS是INTELSAT開發(fā)的另一種衛(wèi)星綜合數(shù)字業(yè)務(wù)，可提供話音、數(shù)據(jù)、電視會議等各種商用應(yīng)用業(yè)務(wù)，其傳輸速率為64Kb/s～8.448Mb/s。與IDR不同，IBS可使用面向用戶的地球站，通過小型天線建立具有臨時性線路和永久性線路的通信網(wǎng)。IBS電路一般不能與國際公用電話交換網(wǎng)連接。

IBS與IDR的工作原理是一致的：將2Mb/s的PCM基群信號通過調(diào)相以頻分多址形式傳輸，其傳輸制式為TDM/PSK/FDMA。在技術(shù)上，IBS與IDR也是幾乎相同的。它們都采用FEC（前向糾錯編碼，碼率為1/2或3/4）、RS外編碼（可選項(xiàng)）、Viterbit軟判決譯碼（IBS中可以是序列譯碼）、QPSK（IBS中可以是BPSK）調(diào)制方式；為充分利用衛(wèi)星信道，可采用DCME（電路倍增設(shè)備）；對于低速率電路還采用了Drop&Insert技術(shù)。

為了提供令人滿意的傳輸質(zhì)量IESS（INTELSAT地球站標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定了相對應(yīng)于ISDN標(biāo)準(zhǔn)的QoS（服務(wù)質(zhì)量）。如對于C波段，晴天條件下，IDR和一般IBS系統(tǒng)提供的BER在99.9%時間內(nèi)等于或優(yōu)于10-8；在惡劣天氣條件下，99.96%時間內(nèi)BER等于或優(yōu)于10-3。對于采用可選技術(shù)如RS編碼的系統(tǒng)質(zhì)量更高。從IS-VII衛(wèi)星開始，INTELSAT推薦名為TCM/IDR和TCM/IBS系統(tǒng)。在信息速率64Kb/s～44.736Kb/s范圍內(nèi)使用內(nèi)碼碼率為2/3的格狀編碼（TCM）和外碼碼率為219/201的RS編碼組成的FEC編碼系統(tǒng)并且采用8PSK調(diào)制技術(shù)。這兩種系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量優(yōu)于一般IDR和IBS系統(tǒng)而且節(jié)約了衛(wèi)星帶寬資源，使得通信成本更加低廉。

目前地球站主要建立的IDR系統(tǒng)中，有低速率電路、2Mb/s電路以及45Mb/s的Internet電路。

二、DVB-S系統(tǒng)

DVB-S是一種歐洲制式的衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播方式，它符合歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)ETS 300 421并得到國際電聯(lián)ITU的批準(zhǔn)，目前成為包括我國在內(nèi)的世界各國數(shù)字衛(wèi)星廣播的主流方式。為適應(yīng)不斷增長的數(shù)字電視傳送的需求，INTELSAT于2003年1月1日起正式將全球波束38/38轉(zhuǎn)發(fā)器原來用于模擬電視傳送的通道CH-12全部改為數(shù)字電視通道。

與模擬衛(wèi)星廣播相比，DVB-S提供了高質(zhì)量的電視節(jié)目傳送。數(shù)字信號在傳輸過程中有一些天然的優(yōu)點(diǎn)：具有再生能力、抗干擾性強(qiáng)、不易失真等，使得畫面有效像素可達(dá)720×576即達(dá)到數(shù)字演播室的節(jié)目質(zhì)量；同時由于采用了視音頻壓縮技術(shù)，在傳送畫面的同時可傳輸多路優(yōu)質(zhì)音頻。其次，DVB-S傳輸帶寬小，所需發(fā)射功率低。信號傳輸帶寬與傳輸碼率有關(guān)，傳輸碼率又與圖像內(nèi)容有關(guān)。運(yùn)動圖像越多，傳輸碼率越大，占用的頻帶越寬。如體育節(jié)目比卡通片、電影節(jié)目需要傳送的碼率大。目前，INTESAT對于一路SCPC電視節(jié)目分配的帶寬可達(dá)9MHz，完全有能力傳送一路符合ITUREC. TB 601建議的演播室質(zhì)量的4：2：2信號。而原來的模擬通道則達(dá)20MHz。數(shù)字電視的圖像質(zhì)量與誤碼率（BER）有關(guān)，與模擬衛(wèi)星廣播相比發(fā)端可以用較小的發(fā)射功率，收端接收到相應(yīng)較小的載噪比后就能在相應(yīng)的BER范圍內(nèi)得到較高的滿意度。在模擬衛(wèi)星廣播中，為了提高節(jié)目傳輸質(zhì)量需要較高的載噪比，發(fā)信地球站高功放（HPA）輸出要達(dá)數(shù)百瓦，而DVB-S只要幾十瓦就足夠了。最后，DVB-S便于實(shí)行節(jié)目的有條件接收。有條件接收就是采用一定的加擾措施，確保滿足一定條件的用戶才能收看到傳送的節(jié)目，付費(fèi)電視業(yè)務(wù)就是一種有條件接收。顯而易見，采用數(shù)字信號之后加擾就成為非常容易的事情了。

DVB-S的關(guān)鍵技術(shù)是碼率壓縮和通道編碼方法。同DVB-C、DVB-T系統(tǒng)一樣，DVB-S采取通用的MPEG-2視頻和音頻編碼。模擬信號PCM數(shù)字化后每秒的數(shù)據(jù)量為100Mbit，CCIR601格式為216Mbit，MPEG-2是將如此巨大的數(shù)據(jù)量進(jìn)行去除冗余度以壓縮碼率，為下一步衛(wèi)星通道編碼提供合適的傳輸流。為了能在同一個信道中同時傳送多路電視節(jié)目，必須首先將多個節(jié)目的比特流采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用的方法復(fù)合成一個傳輸包，這樣能在不同碼率需要的節(jié)目間靈活地分配總數(shù)碼率。對需要有條件接收的電視信號，還可以通過加擾系統(tǒng)和密鑰管理系統(tǒng)進(jìn)行加密以便于收費(fèi)管理。為了適合進(jìn)一步的衛(wèi)星信道傳輸還要進(jìn)行通道編碼，DVB-S稱之為衛(wèi)星信道適配器。它包括由各種碼率（1/2、2/3、3/4、5/6、7/8）的卷積編碼為內(nèi)碼（收信端用Viterbit軟譯碼）和188/204碼率的RS編碼為外碼構(gòu)成的FEC編碼，卷積交織技術(shù)，QPSK或8PSK的調(diào)制技術(shù)等。

DVB-S是一個服務(wù)性能良好的系統(tǒng)。在接收機(jī)內(nèi)，內(nèi)碼輸入端有很大的誤碼率時系統(tǒng)仍能很好地工作，這一誤碼率在10-1到10-2。經(jīng)內(nèi)碼校正輸出即可達(dá)到10-4或更低的誤碼率（超過10-3被認(rèn)為是RS解碼的極限）。這一誤碼率相應(yīng)于外碼輸出近似無誤碼（QEF），即誤碼率可在10-10到10-11。根據(jù)IESS-503建議，對內(nèi)碼碼率采用3/4的衛(wèi)星數(shù)字電視傳輸其Viterbit解碼輸出BER要達(dá)到2×10-4，極限EB/ NO=5.9dB（射頻段測得），相應(yīng)與RS解碼輸出BER為10-10。在EB/NO=7.9dB條件下，RS解碼輸出BER為10-13。在INTELSAT技術(shù)實(shí)驗(yàn)室測量表明BER大于10-8的數(shù)字電視主觀上開始有質(zhì)量降低的感覺。

三、VSAT系統(tǒng)

VSAT的中文意思是甚小型孔徑終端，通常是指天線口徑小于2.5m，由主站應(yīng)用管理軟件高度監(jiān)測和控制的小型地球站。VSAT系統(tǒng)誕生于20世紀(jì)80年代初，首先由美國的赤道通信公司推出。90年代以后在全世界范圍內(nèi)VSAT系統(tǒng)保持了高度發(fā)展的勢頭。

VSAT主要用于專用網(wǎng)，典型的用戶群包括銀行和商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)、航空公司和賓館預(yù)定機(jī)構(gòu)、分支機(jī)構(gòu)分布較廣的大型零售商店。近年來VSAT也用來Internet接入、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

VSAT與一般衛(wèi)星通信系統(tǒng)的差別首先在于VSAT是業(yè)務(wù)不平衡網(wǎng)絡(luò)。VSAT系統(tǒng)由主站、衛(wèi)星和一系列遠(yuǎn)端小站組成。出主站鏈路（Outbound）的速率可以從9.6Kb/s至8.448Kb/s，甚至更高。而入主站鏈路（Inbound）的最大速率目前為153.6Kb/s。出站鏈路的數(shù)據(jù)流可以是連續(xù)的，而入站鏈路的信息必須是猝發(fā)性工作，業(yè)務(wù)量很小。所以說，出站鏈路與入站鏈路的業(yè)務(wù)量是不平衡的。

其次，VSAT具有自身特色的傳輸體制。VSAT系統(tǒng)中的主站一般是以廣播方式給各小站發(fā)布信息，最常用的傳輸方式是時分復(fù)用。該信息被廣播出去即可被網(wǎng)內(nèi)所有VSAT小站接收，也可通過地址編碼將信息傳送到指定的小站。而各小站對主站的通信是將各數(shù)據(jù)按照一定的多址協(xié)議，如SCPC、FDMA、TDMA、CDMA、ALOHA、FTDMA等。為了提高信道利用率，在某些系統(tǒng)中采用上述某種形式的按申請分配多址方式（DAMA），信道的分配是根據(jù)網(wǎng)內(nèi)VSAT小站的請求來動態(tài)分配。

再次，VSAT系統(tǒng)如何克服延時效應(yīng)帶來的問題是衡量信號質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)利用率的關(guān)鍵因素。VSAT的延時除了與通信設(shè)備、數(shù)據(jù)處理等工作有關(guān)外，還與衛(wèi)星鏈路傳輸時延有關(guān)。在網(wǎng)狀VSAT系統(tǒng)中，各小站間可以任意建立通信鏈路，其鏈路傳輸時延約為250ms。而在星狀網(wǎng)中，各小站間需通過主站以“雙跳”（Double Hop）方式建立通信，顯然其傳輸時延需加倍。由于傳輸時延增大，話音傳輸效果會明顯的感到不自然。對于需要發(fā)出確認(rèn)和響應(yīng)信號的運(yùn)用TCP/IP協(xié)議的VSAT通信中，這種傳輸時延更大。因?yàn)門CP/IP是一種可靠的協(xié)議，它是通過滑動窗口策略來實(shí)現(xiàn)流量控制、擁塞控制及流量恢復(fù)的。接收端一旦達(dá)到最大窗口尺寸，發(fā)送端數(shù)據(jù)將停止發(fā)送，只有在確認(rèn)信息被收到后，才會再次啟動發(fā)送。由于存在固有的衛(wèi)星鏈路時延，發(fā)送端總是在接收窗口達(dá)到極限后才能收到接收端發(fā)出的確認(rèn)信息。這樣就會使TCP協(xié)議擁塞和流量恢復(fù)策略的性能降低。除此之外，按照滑動窗口滑動策略，最大傳輸速率（最大數(shù)據(jù)吞吐量）受到最大接受窗口和衛(wèi)星鏈路延時的限制，即最大數(shù)據(jù)吞吐量=最大接收窗口÷衛(wèi)星鏈路時延。在TCP協(xié)議中最大接收窗口為64K字節(jié)，衛(wèi)星雙跳時延為0.5s，則最大數(shù)據(jù)吞吐量=64×1024×8÷0.5=1.049Mb/s。這就意味著即使衛(wèi)星信道的發(fā)送速率超過1.049Mb/s，它實(shí)際的最大發(fā)送速率也被限制在該值以內(nèi)。因此如何補(bǔ)償衛(wèi)星時延是VSAT系統(tǒng)要考慮的重要的技術(shù)因素。

最后，VSAT系統(tǒng)中主站和遠(yuǎn)端小站需要配備合適的收、發(fā)信設(shè)備。VSAT是一個不平衡網(wǎng)絡(luò)，為適應(yīng)遠(yuǎn)端小站天線小、發(fā)射功率低的特點(diǎn)，主站需要配備高功率放大器（HPA）、低噪聲接收器（LNA）、上/下變頻器等微波放大設(shè)備以及大口徑的天線，如Ku波段為3.5～8m，C波段為7～13m。

下面以地球站的SkyBlaster系統(tǒng)為例介紹VSAT工作過程和主要技術(shù)。

SkyBlaster網(wǎng)絡(luò)由主站（Hub）、衛(wèi)星通道、若干遠(yuǎn)端站組成的星型交互式VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)。主站有一個出站鏈路單元、一個入站鏈路單元、若干應(yīng)用服務(wù)器和一個網(wǎng)管系統(tǒng)（NMS）。遠(yuǎn)端站是VSAT，有天線、室外單元（ODU）、PC機(jī)、衛(wèi)星接收卡和發(fā)射卡等組成。系統(tǒng)的控制與管理由主站通過NMS進(jìn)行。NMS連續(xù)地獲得最新的系統(tǒng)狀態(tài)。應(yīng)用部分包括視頻編碼、多點(diǎn)廣播、Internet接入等由主站專門的相關(guān)服務(wù)器負(fù)責(zé)。遠(yuǎn)端小站既可以當(dāng)作供個人使用，也可作為服務(wù)器通過LAN供多用戶使用。

SkyBlaster運(yùn)用全方位的DVB解決方案。由應(yīng)用服務(wù)器產(chǎn)生的IP數(shù)據(jù)流通過以太網(wǎng)送到主站傳輸服務(wù)器（HTS）進(jìn)行處理，然后送到IPE進(jìn)行IP打包并以DVB數(shù)據(jù)流格式輸出至DVB調(diào)制器，進(jìn)行一系列適合于衛(wèi)星通道傳送的處理。如采用QPSK或8PSK（入站鏈路中采用MSK解調(diào)）、卷積編碼（小站接收用Viterbi譯碼）、RS編碼等，調(diào)制器輸入數(shù)據(jù)速率為1.0Mb/s～52Mb/s。

SkyBlaster系統(tǒng)運(yùn)行著一個簡單的地址欺騙系統(tǒng)。每個遠(yuǎn)端小站具有兩個IP地址：一個地址是回傳信道地址；另一個是SkyBlaster板卡地址。遠(yuǎn)端小站客戶發(fā)送的請求命令由回傳信道發(fā)出，盡管這個請求的源地址按道理應(yīng)當(dāng)是回傳信道的地址，但在此時被換成了SkyBlaster卡的地址。這樣，來自被訪問服務(wù)器的應(yīng)答就通過一系列設(shè)備到達(dá)遠(yuǎn)端SkyBlaster卡。在遠(yuǎn)端小站內(nèi)部把上述SkyBlaster地址映射到回傳信道地址，對于遠(yuǎn)端小站應(yīng)用本身而言，面對的是一個透明的IP信道。

SkyBlaster采用TCP/IP流量優(yōu)化方案。SkyBlaster在主站安裝了TCP/SAT服務(wù)器，并在所有遠(yuǎn)端SkyBlaster客戶端都安裝并運(yùn)行TCP/SAT客戶軟件。當(dāng)一個遠(yuǎn)端小站要下載信息時，主站與該地的SkyBlaster客戶端計(jì)算機(jī)的TCP/SAT客戶端之間開放一個TCP/IP會話。在TCP/SAT客戶端與主站的TCP/SAT服務(wù)器之間使用一個在UDP上面的專有協(xié)議建立一個會話。然后，TCP/SAT服務(wù)器與遠(yuǎn)端小站所請求訪問的服務(wù)器之間建立一個TCP/IP會話。這樣在引起時延的衛(wèi)星鏈路上傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)不采用TCP協(xié)議，而是UDP協(xié)議，從而解決了衛(wèi)星信道吞吐量問題。

SkyBlaster提供可靠的IP多點(diǎn)廣播。IP多點(diǎn)廣播克服了TCP/IP協(xié)議點(diǎn)對點(diǎn)低效率傳輸?shù)南拗?，允許單個數(shù)據(jù)拷貝到所有指定的應(yīng)用，從而顯著地改善了網(wǎng)絡(luò)性能和效率。而且廣播是衛(wèi)星固有的能力，它極大地簡化了IP多點(diǎn)廣播。然而多點(diǎn)廣播通信是基于UDP協(xié)議的，UDP協(xié)議雖然提供了高效及時的用戶數(shù)據(jù)報服務(wù)，但它是一種無連接不可靠的通信。為了使多點(diǎn)廣播可靠，SkyBlaster采用了有效的否定應(yīng)答機(jī)制來取代肯定應(yīng)答。用這種方法也不會造成入境信道過載。

SkyBlaster使用FTDMA作為其多址方式。SkyBlaster入站鏈路結(jié)構(gòu)以一個二維（時間和頻率）接入機(jī)制為基礎(chǔ)，是將TDMA和FDMA組合在一起的多址方式。帶寬按頻率劃分為幾個信道；時域則按時隙劃分為若干個單元。每次傳輸時，遠(yuǎn)端小站隨機(jī)選擇一個頻率信道以突發(fā)方式進(jìn)行發(fā)送，每次發(fā)送都從某個時隙的起始處開始。每個遠(yuǎn)端小站發(fā)送數(shù)據(jù)的突發(fā)速率可以是38.4Kb/s、76.8Kb/s、153.6Kb/s。系統(tǒng)采用改進(jìn)的時隙ALOHA訪問方式，多個遠(yuǎn)端小站在TDMA基礎(chǔ)上共享同一個衛(wèi)星入站鏈路帶寬，這是一種競爭機(jī)制。每個遠(yuǎn)端小站在預(yù)定義的可用帶寬范圍內(nèi)隨機(jī)選擇一個頻率以突發(fā)方式發(fā)送信息。若發(fā)生了碰撞，則在隨后一個時隙再次隨機(jī)選擇一個頻率重傳數(shù)據(jù)包，從而將兩次碰撞的概率減至最小。這種隨機(jī)訪問（RA）方式對于那些短消息、輕負(fù)荷的交互式業(yè)務(wù)非常適用。對于大業(yè)務(wù)量的站點(diǎn)會自動停止對共享資源的使用，而使用事先分配的專用頻率信道（DA方式）。SkyBlaster采用了靈活的隨機(jī)訪問以及專用訪問機(jī)制，如自動專用接入（ADA）、部分專用接入（PDA）、雙入境比特率、日夜模式等。

總之，SkyBlaster系統(tǒng)為寬帶通信提供了一個優(yōu)越的、基于IP解決方案的、高可靠的數(shù)據(jù)通信，目前廣泛地應(yīng)用于公司培訓(xùn)、交互式商務(wù)電視、數(shù)據(jù)傳送、Internet接入等。