宽带卫星网络（精选10篇）
宽带卫星网络 篇1
摘要：Ka宽带卫星通信系统中,点波束和频率复用技术的应用可以大幅提高系统容量,但是机载、车载用户在不同波束间移动时会面临越区切换的问题。为实现对用户移动性的管理,结合Ka宽带卫星通信网络特点,借鉴地面网络的移动IP技术,提出了一种适用于卫星网络的移动性管理机制。该机制采用双向隧道封装技术,实现移动用户在不同波束之间、信关站之间移动时IP业务的高效传输。基于OPNET建模仿真结果表明,这种机制能够保证用户移动过程中IP业务传输不中断,解决了卫星多波束网络中用户移动性管理的问题。
关键词：Ka卫星,宽带卫星网络,移动性,移动IP
0 引言
用户需求推动和卫星通信技术的发展使得Ka卫星通信系统成为未来宽带卫星通信发展的方向。Ka宽带卫星通信系统具有丰富的频率资源,并能够通过点波束和频率复用技术[1]进一步提高系统容量,满足支持大容量用户通信的需求,提高卫星通信系统的性价比和市场竞争力。Ka宽带卫星通信系统支持的终端更小、组网更加灵活[1],可广泛地应用于偏远地区的宽带Internet接入、机载、船载和车载等领域,保证用户能够享受到与地面线路类似的通信体验。
Ka宽带卫星通信系统由于采用了点波束技术,机载、车载等用户在通信过程中必然会面对由于用户移动性带来的越区切换问题。为保证IP业务在用户移动过程中不中断,本文结合地面网络的移动IP技术,通过在全网部署统一的家乡代理,各信关站波束内部署外地代理,移动用户在外地代理和家乡代理之间采用双向隧道技术,既解决了用户移动性管理问题,又不会额外占用卫星信道带宽,保证了移动用户IP业务的高效传输。
1 Ka宽带卫星通信系统网络组成
未来网络将是基于全IP的[2]。Ka宽带卫星通信系统只有利用成熟的IP技术构建宽带卫星IP网络,与地面Internet无缝对接[2],才能更好地为用户提供与地面网络类似的话音、网页浏览和视频通信等服务。
为克服卫星网络长延时、高误码等导致的IP业务应用传输效率下降的问题,合理、高效使用卫星网络资源,通常采用TCP加速[3]、HTTP加速[4]、IP数据压缩[5]和Qo S等技术对IP业务进行卫星增强处理。远端站由于体积受限,通常在卫星终端集成IP业务处理模块实现IP业务增强处理;信关站由于要处理来自大量远端站的业务则通常部署专用的IP业务处理设备实现这一功能。
Ka宽带卫星通信系统的网络组成[6,7,8]如图1所示。远端站的卫星终端主要由IP业务处理模块和调制解调模块组成。信关站主要由调制解调器、网络管理中心(部署在主用信关站)、IP业务处理设备和与地面网络互连的路由器组成。
远端站的卫星终端在开机入网时,可获得一个全网唯一的IP地址。用户的业务经卫星发送到信关站后,在信关站通过路由方式实现与卫星网其他用户通信,或通过NAT方式访问互联网。当移动用户在不同波束之间或不同信关站之间移动时,需要设计移动性管理机制,以保证用户业务通信的不中断。
2 现有IP网络移动性管理技术
现有IP网络实现用户移动性管理的关键技术是移动IP技术(MIP)。它能保证移动节点跨IP网络移动和漫游时,用户无需修改IP地址便可享用原网络中一切服务。移动IP主要分为MIPv4和MIPv6,2种技术原理基本相同,但在具体实现上有所差别,MIPv6更多依赖于IPv6本身的协议机制。而目前卫星网络中IPv4广泛使用。因此,本文主要以MIPv4为例对移动IP技术进行说明。
用户的移动性管理涉及的网络实体主要包括:移动节点、家乡代理、外地代理和通信节点[9,10,11]。具体过程为:
①移动节点移动到新的接入点后,从外地代理的广播消息中获得转交地址。
②移动节点通过移动IP的信令消息向家乡代理注册转交地址,同时请求外地代理为其提供服务。
③此后家乡代理接收到发给移动节点的数据包后,根据移动节点的转交地址对数据包进行封装,通过隧道将数据包发往转交地址。在转交地址节点解封装将原始数据包送给移动节点。
④由移动节点发出的数据包可直接经外地代理在IP网络中路由到达目的节点。
由此可见,MIPv4可以解决移动节点在IP网络的移动性问题。但是,由移动节点发出的数据包却被直接路由到了通信对端,而由通信对端送给移动节点的数据包需要通过隧道送到移动节点,存在典型的“三角路由”问题,并且移动IPv4还具有更新时延大,切换性能低等问题。
3 适用于卫星网络的移动性管理机制
3.1 适用于卫星网络的移动性管理机制的设计
为有效应对卫星链路长延时,Ka宽带卫星通信系统需要对IP业务进行卫星增强处理,通常需要对用户数据进行缓存。如果用户的移动性管理采用MIPv4技术时,移动节点发出的数据包经外地代理被直接路由到了通信对端。当移动节点在不同波束和不同信关站之间移动过程中,外地代理一直在变化。相应的,外地代理缓存的数据包会丢失。因此,采用MIPv4技术无法满足卫星通信的需求。
本文结合Ka宽带卫星通信网络特点,借鉴地面网络的移动IP技术,提出了一种适用于卫星网络的移动性管理机制。该机制中卫星网络所有卫星移动用户使用一个统一的家乡代理,每个波束内使用一个外地代理,外地代理和家乡代理都可以集成在IP业务处理设备中实现,如图2所示。
外地代理可从网管中心获得本网内唯一的家乡代理的IP地址等信息,网管中心根据移动节点的实时位置信息通知家乡代理用户当前所在的外地代理的IP地址等信息,保证家乡代理和外地代理之间通信正常。
移动用户开通后,首先向网管中心注册当前的位置信息。网管中心将这一信息通知移动节点的家乡代理。
用户在移动过程中基于当前位置进行检测,在检测到可能发生切换时向网管中心发送切换请求。网管中心做出切换决策,通知移动节点家乡代理当前移动用户所在外地代理的IP地址等相关信息,移动节点家乡代理后续发往移动用户的数据包,都先发送到新的外地代理。网管中心把切换后波束的物理层与逻辑资源详细信息发送给移动用户。移动用户在新的波束重新调整发射和接收载波进行通信。
移动用户发送的业务数据首先发送到本波束内的外地代理,外地代理采用隧道封装技术将业务数据发送给家乡代理,家乡代理解封装后将业务数据发往通信对端;对于发往移动用户的业务数据,首先被路由到家乡代理,家乡代理采用隧道封装技术将业务数据发送给外地代理,外地代理解封装后直接将业务发往移动用户。
3.2 数据通信流程
用户在移动过程中,业务数据的通信流程都相同,涉及移动节点(包括用户、IP业务处理模块和调制解调模块)、信关站的调制解调器、外地代理和家乡代理。下面以移动用户初始位于信关站1所在的波束为例,对移动用户的数据通信流程进行详细说明。
3.2.1 移动用户发往目的用户的数据流程
移动卫星终端接收到本地的IP业务数据后进行Qo S调度和TCP加速等处理后发送给本地调制单元,调制单元调制、编码后数据通过卫星发送到信关站1。
经信关站1的调制解调设备将数据解码、解调后,发送给本波束的外地代理,外地代理的IP业务处理设备检测到业务数据包的源IP地址为移动网段的IP地址,则将数据进行IP隧道封装,封装IP头的源地址为外地代理IP业务处理设备,目的IP地址为家乡代理IP业务处理设备,然后将数据发送路由器。
路由器将数据转发给家乡代理进行解封装和IP业务增强处理等,然后将数据转发到互联网的最终目的用户。
3.2.2 目的用户发往移动用户的数据流程
对于发往移动用户的数据,路由器根据路由表将目的网段为移动用户标识网段的数据转发给家乡代理。家乡代理对数据进行IP增强处理后,按照用户当前的位置信息,查找当前用户所在波束。将数据进行IP隧道封装,封装IP头的源地址为家乡代理IP业务处理设备,目的IP地址为当前用户所在波束的外地代理IP业务处理设备,发送路由器。
路由器将数据发送给当前用户所在波束的外地代理。外地代理进行数据解封装后,发往本波束的调制设备,经编码、调制后通过卫星发往移动用户卫星终端。
移动用户卫星终端进行数据解调、解码及IP增强处理后将数据转发给最终的用户终端。
4 仿真结果分析
为了验证卫星网络移动性管理机制的有效性,利用OPNET仿真软件按照图2搭建了仿真环境。仿真环境中,卫星网络采用移动性管理机制,移动用户的业务类型为IP话音业务,业务在110 s时开始通信,在150 s时用户发生波束切换。用户在移动过程中IP话音业务的通信情况仿真结果如图3所示。
由图3可见,用户发生切换时,由于底层物理链路的终端,IP业务在150 s时会产生一定的丢包,机传输速率下降。但是,切换完成后IP业务能很快恢复到原有速率传输。仿真结果表明,本文设计的移动性管理机制能够保证用户在卫星网络中移动时IP业务不中断,有效解决了多波束宽带卫星IP网络中用户的移动性问题。
5 结束语
移动性管理是多波束Ka宽带卫星通信系统必须要解决的问题。本文设计的移动性管理机制具有实现简单、高效的特点,整个网络采用统一的家乡代理管理移动用户,在实现用户移动性的同时能够保证移动用户的IP数据业务缓存的数据不会丢失,保证了卫星网络中业务的高效传输。同时,由于移动用户经过隧道封装业务数据都是在地面设备转发、传输,不会额外占用卫星信道带宽资源,卫星信道利用率高。
参考文献
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宽带卫星网络 篇2
首颗WGS卫星已经完成了工厂试验以及严格的任务担保评审，并即将运往位于美国佛罗里达州的发射场，将于8月搭乘“宇宙神”5火箭发射升空。这颗卫星将被放置在环境受控的集装箱内，用美国空军C-5飞机运往卡纳维拉尔角空军基地。
一颗WGS卫星提供的通信容量比目前在轨的整个国防卫星通信系统星座提供的容量还大。WGS能够增强并最终取代国防卫星通信系统，以及目前由超高频后继卫星提供的全球广播服务功能。WGS还能降低政府对商业卫星通信的依赖。WGS能够在X波段和Ka波段工作，能够提供其他卫星通信系统不能提供的重要的作战特征。WGS拥有18个可重新配置的覆盖区域，能够在各种覆盖区域内进行广播或多点传输，能够连接位于任意覆盖区域内或所有覆盖区域内的用户，即使用户在不同频段工作也可连接。
宽带卫星网络 篇3
Inmarsat媒体业务总监Martin Turner告诉记者:“我们非常看重中国市场, Inmarsat的服务将使中国客户从中受益。”
事实上, 日前中央电视台对“蛟龙号”在马里亚纳海沟进行深海科学考察的现场报道中就已经使用了Inmarsat的海事流媒体技术, 通过连接BGAN两台终端, 确保了信号的稳定和直播的质量。此外, 凤凰卫视、深圳新闻等中国媒体机构也是其在中国的重要客户。
据了解, BGAN能够通过单一小巧的用户终端在全球范围内同时提供语音及宽带数据的移动卫星服务, 能够为实时视频和音频广播提供BGAN X-Stream技术传输, 其速率超过384Kbit/s。
并非竞争关系
尽管都在提供语音视频和数字传输服务, 但是面对电信运营商提供的3G/4G技术, Inmarsat并不会有很大的冲击。Martin Turner表示:“我并不认为这几种技术是竞争关系, 相反, 3G/4G和BGAN应该是互补关系。”
事实上, 对于媒体等对传输质量要求很高的行业来说, 尽管3G/4G技术同样也有吸引力, 但是与BGAN相比, 前者明显具有局限性。首先, 影响客户选择的最大因素是价格, 与BGAN全球一张网相比, 3G/4G在全球有较高的漫游费用。
此外, 3G/4G技术是一个大众化的产品, 在人口相对密集的城市, 使用的体验较好, 但是在偏远地区、海上和空中则无法实现通信;而Inmarsat的任何一个卫星都可以对这一地域的通信进行补充。
对媒体这样的客户来说, 当遇到突发重大事件的报道时, 公众网络将会变得异常拥挤, 而Inmarsat则可以提供较为通畅的传输体验, 可以避免受到网络阻塞的影响。
同时, Inmarsat Global Xpress服务部企业和媒体业务总监Rash Jhanjee认为, “在一些领域, 我们也可以跟电信运营商展开合作”。
布局下一代卫星网络
对于开拓新的市场空间, Rash Jhanjee告诉记者, Inmarsat将于2013年布局下一代卫星网络Globa Xpress。
据了解, 在2013年第三季度, Inmarsat将在欧洲、中东和非洲地区发射三枚新型Inmarsat-5卫星。
国内外卫星宽带多媒体传输发展 篇4
随着视频会议、远程医疗、远程教育、电子购物、远程监控、应急通信等交互式多媒体应用的日趋普及，用户的多媒体业务需求快速增长，卫星宽带多媒体传输逐渐成为世界各国卫星通信研究的新热点。近年来，欧美一些发达国家陆续建设了多个卫星宽带多媒体系统，中国的卫星宽带多媒体传输技术虽较欧美有一定差距，但已将推进卫星宽带多媒体系统建设作为未来卫星通信的重要发展方向之一。
欧奠：先进技术带来更多服务
欧美地区发达国家早在20世纪80年代就全面开展了卫星多媒体传输技术的研究，90年代开始进入规模商用阶段。1997年，美联邦通信委员会（FCC）启动多媒体卫星通信系统牌照申请工作，各公司可以自主申请卫星多媒体专用频段，包括Ka频段、Q/V频段和Ku频段。
进入21世纪后，全球卫星宽带多媒体进入了快速发展阶段.欧美发达国家陆续建设了多个卫星宽带多媒体系统.较有代表性的有：麦考通信公司的Teledesic系统、休斯公司的太空之路（Spaceway）系统、欧洲卫星通信组织的Eutelsat系统、欧洲航空局的Artemis卫星系统、EuroSkyway卫星系统、美国Viasat公司的Ka宽带星系统等。
Teledesic系统是由微软公司和麦考通信公司筹建的一个着眼于宽带业务发展的低轨道卫星通信系统。系统原计划由840颗卫星组成，均匀分布在21个轨道平面上，实际使用后简化到288颗：Teledesic系统的每颗卫星可提供lo万个16kb/s的话音信道，整个系统峰值负荷时，可提供超出100万个同步全双TEl速率的连接。该系统同时支持视频会议、交互式多媒体通信以及双向高速数据业务。Teledesic系统以卫星为通信节点，构建星间交换网络，具备全球覆盖能力，是名副其实的“全球空间互联网”，但由于其后续投入巨大.投资回报率低，发展受到了很大的制约。
休斯公司从2000年起开始研制太空之路（spaceway）卫星宽带多媒体系统，采用分阶段部署的方案。2005年，由休斯公司和波音公司共同研制的太空之路1号（SpacewayF1）成功进入预定轨道，这是美国直播电视公司DirectTy的首颗Ka频段高清直播卫星，标志着电视直播进入高清时代。2006年，太空之路2号（Spaceway F2）发射升空，为DirectTy的八个新市场提供本地高清电视节目广播服务。太空之路1号和2号一同工作，使得DirectTV公司具备传送1500多个本地高清频道和150多个国家高清频道的能力。2007年发射的太空之路3号（spaceway-3）是第三代卫星宽带技术的代表，其星载转发器全部为Ka频段，数据传输能力可达到同期Ku频段卫星的五到八倍，支持全网格结构的多媒体IP接入。其核心技术为星上IP交换处理技术和多点波束技术、在星上即可完成对地面用户数据的接收、处理和路由等功能，实现数据的单跳传输，大大降低数据延迟，从而使卫星网格传输成为可能，点对点速率高达440Mbps。
2010年，欧洲卫星通信组织和美国卫讯公司合作开发的Eutelsat卫星是欧洲首颗全Ka频段大容量宽带多媒体通信卫星，该星采用了最先进的Ka波段点波束设计，用于向欧洲、中东及非洲部分地区提供高速宽带、视频和数据应用等服务。Eutelsat系统的地面网络由10个与互联网骨干网相接的地面站组成，地面站采用了美国卫讯公司的SurfBeam技术和设备，搭载82个Ka波段237MHz宽带转发器，即82个点波束，每个点波束数据吞吐量为457Mb，卫星频率复用率极高，可达20次，总吞吐量达到70Gb/s，是标准Ku波段通信卫星的38倍，用户终端数量可达200万。
2011年，美国卫星通信设备及宽带服务提供商Viasat的首颗宽带通信卫星Viasat 1升空，这是全球首颗总数据吞吐量超过100Gbps的全Ka波段的大型宽带多媒体卫星，其总容量超过140Gbps，超过北美地区其他所有商用卫星容量总和。作为下一代宽带通信卫星的代表，Viasat 1卫星应用Ka波段多点波束和频率复用技术，使卫星总带宽增加到最大限度。该卫星的超大容量可满足未来十年加速增长的多媒体互联网接入服务对卫星带宽的需求，并可以更快的数据传输速度和更高的数据量，使用户能以合理的价格获得更好的宽带体验。
Viasat 1卫星共有72个点波束，其中63个点波束为美国本土提供多媒体宽带互联网业务，其他9个点波束则为加拿大农村地区用户提供宽带服务。该系统由星上系统以及SurBeam2地面系统组成，地面系统包括卫星用户终端（Ka波段蝶形天线和卫星调制解调器）、网关卫星地面站及网络操作中心，提供多种形式的多媒体业务。该系统不仅满足地面用户的媒体密集型网站流量、视频通话、流媒体视频剪辑、新闻采集、动态HD视频共享等住宅型多媒体应用需求，还可以满足各种专业多媒体应用的需要，如SNG、HDTV直播等，可为飞机和火车上的乘客提供多媒体接入服务。借助该系统，用户无论在何处居住或工作，都可以获得等同DSL的多媒体通信服务。
中国：从卫星电视起步
我国卫星多媒体应用的起步，源于卫星广播电视。1985年，中央电视台通过租用国际通信卫星向全国传输模拟电视信号，正式拉开我国卫星广播电视业务的序幕。进入21世纪、我国迎来了数字卫星电视直播的快速发展阶段。2001年，中国空间技术研究院开始研制新一代大型通信卫星平台——“东方红四号”，该平台可适用于进一步研制大容量通信广播卫星和大型直播卫星。2003年，该平台的关键技术全部研制完成。2006年，采用该平台的“鑫诺二号”直播卫星发射，这是我国首颗电视直播卫星，配置22路Ku频段高功率转发器。其后陆续成功发射鑫诺三号、中星9号、中星10号、中星6A、中星2A等多颗广播和直播电视卫星。目前，我国大陆地区已实现几十套卫星高清电视节目和100多套标清数字电视节目的广播，“村村通”和“户户通”直播卫星用户超过3000万户。
与卫星广播相比，其他宽带卫星多媒体应用在我国虽得到一定的发展，但普及面不大。较有代表性的有双威通信网络有限公司经营的高速Turbo 163平台、中国通信广播卫星公司经营的“中星宽带”平台和“中星在线”系统、东方家园信息公司使用的电子商务卫星网络系统、上海建华卫星网络公司等单位经营的“宽带之星”系统、中国卫星通信公司的IPSTAR～.星宽带系统等。Turb0163系统自2001年起开始运营，定位为全国性空中宽带网络服务平台，转发卫星采用“亚太3号”同步轨道卫星。该系统采用休斯公司的DirectPG信息接入技术，为用户提供高速上网、多媒体远程教学、多媒体证券行情传输等业务。中国通信广播卫星公司研制的“中星宽带卫星多媒体”平台集成先进的视频会议系统，集音视频和数据协同操作为一体，能提供多种方式的数据共享功能，采用DVB标准进行传输。其功能包括卫星多媒体节目实时传输和投递、卫星广播/组播模式视频会议、远程教育等。中国卫通IPSTARTJ星宽带系统是基于IPSTAR卫星的低成本、高容量卫星宽带平台，该系统将卫星通信与基于IP的宽带业务结合，与地面宽带网络互为备份和补充，能同时满足千万级用户的宽带多媒体传输需求。其主要业务包括MPEG4视频流直播、双向互动视频、新闻采集和TV回程服务、视频点播、应急可视信息采集、视频监控、移动中继、链路备份等。
总体上看，我国卫星多媒体业务还是以卫星广播和直播业务为主，其他卫星多媒体应用规模相对较小，大多集中在特定行业内，并未形成大规模普及应用。
未来走向何方？
从国际卫星通信发展来看，Ka频段卫星通信已成为下一代宽带多媒体卫星通信发展的主要方向。Ka卫星通信系统将发展成远程空间宽带信息传输的主要形式，其与地面无线宽带通信、地面有线宽带通信共同构成覆盖全球的信息高速公路网。预计5年后，Ka新星数量将为现在5倍以上，单颗Ka星的容量可高达几百Gbps，Ka资源将占固定轨道卫星资源的80%以上。目前，我国卫星多媒体业务基本上还是承载在Ku频段和c频段上，由于这些频段已属于过度开发，拥挤不堪，严重制约我国卫星宽带多媒体的进一步发展。所以，全面开发Ka频段多媒体卫星系统迫在眉睫。
完整的卫星宽带多媒体系统包括空间段、地面段和用户段三部分，其中空间段由一颗或多颗专用宽带多媒体卫星转发器组成，地面段由网络管理中心以及多个卫星信关站组成.用户段由多种形态的多媒体业务终端组成。从空间段上看，我国尚缺乏自主研制的Ka频段多媒体卫星，拥有专用的宽带多媒体卫星是地面应用规模开展的前提。目前，国外运营的宽带多媒体卫星系统主要有低轨道、中高轨道和同步轨道三种类型。其中，同步轨道卫星系统具有单颗星覆盖面广，技术相对成熟、研制成本和后续运营成本低等优点，更适合我国在发展Ka宽带多媒体卫星初期采用。同时，我国应开展星上处理和交换技术的研制和应用，逐步转变卫星透明转发的角色，实现真正的“空中网络交换”。
我国卫星多媒体的发展在地面段上也面临着极大的挑战。首先，中国在网络架构、空中接口标准方面缺乏统一成熟的标准，需进一步消化吸收国际主流的卫星宽带通信标准，制定适合我国国情的Ka卫星宽带通信系统的通信体制，并设计完整的空中接口协议和地面信关站接口协议，研究多波束卫星的组网方式，优化资源配置，增加系统容量，为网络运营商提供灵活的运营模式：其次，信关站是卫星宽带多媒体网络的通信枢纽，卫星宽带多媒体网络与地面通信网络是互补的关系，必须着重实现信关站与Internet及移动通信网的互联互通，提供多媒体业务在网际问的无缝传输，这是实现天地一体化的宽带多媒体网络的关键：另外，Ka频段卫星终端的发展方向是小型化、低成本、低功耗，这需要全面掌握终端的天线、射频以及基带等部件关键技术才能实现。目前，射频前端的器件设计和制造技术仍被国外厂商垄断，需加强与国外卫星厂商的联合开发和技术合作，采取集成创新和自主研发并举的技术路线，推进大功率器件、低噪声放大器、有源和无源滤波器、变频器等射频关键器件的自主创新。基带以及应用部分的关键技术可以更多地在传统卫星频段终端的成熟技术基础上进行开发，着重设计具有自主知识产权的基带信号处理算法以及基带芯片。
宽带卫星网络 篇5
关键词：传输控制协议,分布式Qo S路由,卫星IP组播
21世纪最为重要的一项技术成果就是通信技术。随着科学技术的不断发展和进步,宽带卫星通信网络等多项新型的通信技术开始得到更多的应用,并且极大的丰富了多媒体通信方式,推动了通信技术的进一步发展。宽带卫星通信技术在一些高速数据业务以及时延要求较低的业务上具有良好的应用效果。其具有地面覆盖率广、网络一体化程度高等优点,因而成为了通信技术领域当前的研究热点。而在宽带卫星IP通信网络的运行过程中,可靠传输技术的应用起到了重要的作用。
1 宽带卫星通信网络概述
宽带卫星IP通信网络的传输技术在通信技术的发展和完善上起到了重要的作用。要了解快带卫星网络的特点,首先要对宽带卫星网络以及宽带卫星通信的发展现状进行一定的了解。
1.1 宽带卫星通信网络发展现状
通信技术以及多媒体技术的发展为宽带卫星通信的发展奠定了良好的基础。当前,世界各国都在致力于缎带卫星通信技术的研发中,并且取到了一定的进展。
宽带卫星通信系统在远距离通信方面发挥了良好的效果。它极大的丰富了通信的方式,并且能够实现从话音到数据、从单一通信到多媒体通信的转变。宽带卫星通信系统的应用范围很广,无论是企业、多媒体供应商、卫星数字电视、远程教育等领域在应用这一系统后都能得到良好的效果。未来对于宽带卫星通信技术的研究将主要集中在个人服务的完善方面,在一些高速数据领域中,宽带卫星也有着更为广阔的应用空间。
1.2 宽带卫星通信的发展前景
互联网的快速发展为宽带卫星通信技术的应用打开了市场。从互联网出现至今,多媒体网络已经经历了多个阶段的发展,并且在规模上不断的拓展,已经形成了全球化的体系,几乎涵盖了所有的通信系统,并且还在进一步的发展和完善过程中。当前,对多媒体网络的完善和创新主要集中在改进IP业务质量方面。而宽带卫星通信系统的应用则能够进一步提高远距离传输的覆盖范围,相关的通信设备也能够得到相应的完善和创新。互联网功能的完善将进一步推动宽带卫星系统的发展和应用。
2 宽带卫星通信网络中的传输技术
宽带卫星IP通信网络技术是宽带卫星通信系统中最为核心的内容。在下文中,将针对宽带卫星通信系统中可靠关键技术的三个技术层面进行详细的分析。
2.1 物理层技术
在宽带卫星通信系统的物理层上,一般采用卫星间双向通信道路,也就是所谓的星间链路。星间链路能够提高系统空间段的灵活性,还具有应用成本低的优点。低层协议的有效性与合理性对星间链路数据传输的稳定性有着极大的影响。根据导航和采集的数据来看,可靠的数据传输对自治星座有着极大的影响,因此必须提高数据传输的可靠性和准确性,既要保障所有有效的数据都能够得到及时的传输,还要防止在传输的过程中出现信息的重复。此外,还要防止出现延时、顺序错误等现象。系统的抗干扰能力、保密能力、数据传输的功率、距离等也会对宽带卫星网络数据传输的效果产生一定的影响,也需要进行适当的考虑。
2.2 网络层技术
网络层技术主要包括三个方面的内容,分别是路由、组播、Qo S。星座系统的实质是一个动态的轨道卫星系统,并且大多数星座轨道都具有星际链路。如何控制星际链路之间的切换是一个关键的问题,而实现这一切换则会在一定程度上增加卫星网络拓扑结构的复杂性。在星座系统中有一种极轨道星座,其卫星的相对运动速率很高,很难在两个相反轨道上的星座之间建立起有效的星际链路。还有另一种是玫瑰星座,它具有完全环形的拓扑结构,可以通过星际链路来实现星座之间的路径连接。但卫星高速的运行速率以及拓扑结构的不断变化给路由的设置造成了很大的困难,导致地轨卫星系统中的信息无法得到及时的更新和完善,为此必须根据实际的运行情况和需求,对卫星的移动进行一定的屏蔽。具有星际链路的星座系统无论是太空还是地面部分上都具有较大的信道容量,为此天空与地面之间的连接问题就成为了技术关键。通常可以通过将组播应用于数据传输而拓展数据的传输范围,确保更广泛的地面终端都能够接收到卫星系统传输出来的信息,从而突破无线接口的限制,与此同时还能利用虚拟电路对信号进行复制和分组。
Qo S管理机制主要有两种服务类型,分别是差别服务和综合服务。但是,在实际通信的过程中,卫星链路自身所有的一些性质有可能会对其性能产生一定的破坏和影响,为了避免这一情况的发生,应当尽量实现无缝连接。
2.3 传输层技术
在宽带时延较大的宽带卫星系统中,网络有可能会出现严重的堵塞现象,从而影响到正常的通信业务,甚至可能造成信息的丢失或通信的终端。出现网络堵塞的主要原因是宽带卫星网络受到TCP分组流的影响。TCL的分组流有时还会影响其自身的功能。当前的是假定应用在带宽时延乘积较小,其瓶颈链路的缓冲区容量远远大于网络的带宽时延乘积和信道误码率很低的网络环境中。卫星信道是典型的长肥管道带宽时延乘积大,对当前广泛使用协议的性能会产生较大影响。
3 结语
综上所述,宽带卫星IP通信网络的可靠传输技术在宽带卫星系统的运行过程中发挥着重要的作用。为了促进宽带卫星通信网络的进一步完善和发展,应当对可靠传输技术进行不断的研究和优化,并推动卫星系统功能的不断优化。
参考文献
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宽带卫星网络 篇6
电信市场不断发展壮大, 出现了一些新的特征:一是各家运营商争相采用最新技术, 新业务也不断涌现;二是互联网使用的增长、多媒体业务需求和通用移动性需求的增加;三是各种业务间的融合更加广泛和紧密。当前传统网络的能力已接近饱和, 无法满足这些新特征所带来的新需求;另一方面, 地面通信无法覆盖人烟稀少的偏远地区, 也无法在灾后提供紧急通信能力。于是人们把目光转向了太空, 宽带卫星多媒体 (BSM) 等宽带卫星IP系统应运而生, 为这些问题提供了解决方案。
BSM使用户能够通过卫星终端接入到全球互联网中, 为用户提供覆盖全球的宽带卫星服务。它采用基于I P协议的分组 (包) 传输及可交互的模块化控制, 以标准化的方式提供IP业务, 同时具有与其他IP网络进行互连与集成的能力。现有的BSM标准是由欧洲电信标准协会 (ETSI) 卫星地面站与系统 (SES) 技术委员会于2007年提出的, 主要由欧洲的许多国家采用并实施。
此外, ETSI与国际电信联盟 (ITU) 、互联网工程任务组 (IETF) 及第三代合作伙伴计划 (3GPP) 等组织还致力于推动下一代网络 (NGN) 计划, 该计划涉及固定网络和移动网络技术的融合、业务的全球覆盖、NGN与传统网络的互连与集成, 能够解决传统网络面对新兴电信市场时所遇到的问题。
NG N的上层业务与底层传输技术相互独立, 其最重要的特点是支持通用移动性, 允许用户不管位置是否变化、所处的接入网是否变化, 都具有业务接入的能力。因此, NGN可以被看作是未来的通用网络, 是一个将基于IP的不同网络技术集合在一起的聚合网络。BSM网络就是其中的一种技术, 它与NGN的互连与集成需要考虑卫星网络自身的特性。同时, BSM作为现有宽带卫星IP系统的代表, 它与NGN网络的融合对卫星系统成功融入下一代通信网络具有推动作用。
本文将主要针对BSM系统与NGN的集成进行介绍, 以及BSM系统与NGN的功能架构, BSM与NGN互连时NG N对B S M所产生的影响, B S M与NG N集成的适应性解决方案及应用场景。
二、BSM和NGN
ETSI SES技术委员会在对BSM所做的标准规范中, 非常重要的一点就是定义了独立于卫星的业务接入点 (SI-SAP) , 它将上层业务与底层传输技术分离开来。而ETSI中致力于NGN研究的电信和互联网融合业务及高级网络协议 (TISPAN) , 将NGN的架构划分为业务层和传输层, 并在业务功能与网络功能之间提供开放的接口。这与BSM系统架构的层次划分类似, 为两者的互连与集成提供了便利。此外, NGN允许“外部”网络业务在NGN架构中使用其自带的协议, 以实现与其他网络的交互, 这将有利于将更多的网络 (从有线电视网到4G网络) 融入到NGN的基础架构之中。
1. BSM系统的架构
SI-SA P是BSM架构上层协议与底层协议的接口, 在逻辑上可以分为三种类型:用户、控制和管理 (分别对应SI-U-SAP、SI-C-SA P和SI-M-SA P) , 分别用于对不同的功能进行适配。上层包括L3层及以上各层;底层包括L1层与L2层, 在BSM中底层又分为卫星链路控制层 (SLC) 、卫星媒体接入层 (SMAC) 和卫星物理层 (SPHY) 。
BSM系统的功能架构如图1所示。
在上层协议和底层协议中, 分别定义了相应的适配功能SIAF和SDAF, 其中SIAF用于L3层与SI-SAP的连接, 并对上层I P协议进行适配;SDA F用于L2层与SI-S A P连接, 并对底层B S M资源进行访问。S I A F可以提供BSM地址解析、路由适应、Qo S管理和安全管理等功能, 以此来支持上层的IP路由、IP层Qo S管理和安全管理。SDAF可以提供用户数据封装、BSM地址解析和队列管理等功能, 并支持BSM资源管理和安全管理。
2. NGN的功能架构
ETSI的NGN架构遵从国际电信联盟电信标准化部 (ITU-T) 提出的NGN通用参考模型, 由业务层和基于IP的传输层构成。
图2中所示的NGN功能架构还包括了相关的物理设备, 如终端和网关。BSM系统可以作为接入网络取代其中的接入传输功能。
尽管IP多媒体子系统 (IMS) 是NG N业务层的核心, 它也只是许多个服务控制子系统之一。其他的服务控制子系统包括PSTN仿真 (PES) 和流服务等。IMS原本旨在使用基于SIP的信令来控制和传送实时对话业务, 现在经过演进, 已经可以支持许多其他业务, 如IPTV等融合业务。
除了服务控制子系统, 业务层还包括许多通用的功能实体, 它们都能由多个子系统进行访问, 如图3所示。这些通用功能实体包括:用于普通身份管理的用户信息服务器功能 (UPSF) ;用于移动用户的签约定位功能 (SLF) ;用于特定应用的应用服务器功能 (ASF) ;用于集成传统网络的网络交互功能 (IWF) 。
传输层在网络附着子系统 (NASS) 和资源与准入控制子系统 (RACS) 的控制下, 向NGN用户设备提供了基于IP的连接。这些子系统隐藏了IP层以下用于接入网和核心网的传输技术。这个功能架构中的每个子系统由一组功能实体和相关接口进行限定。因此, 实现时可以由需要支持的商业模型、业务或能力来选择相应的功能实体进行组合。
传输层包含一个传输控制子层和若干传输处理功能实体, 如图4所示。
传输控制子层可以进一步分为紧密协作的两个子系统:网络附着子系统 (NASS) , 资源和准入控制子系统 (RACS) 。NASS管理网络附着的各个方面, 例如IP地址分配 (如DHCP) 、网络级用户认证、网络接入授权和接入网络配置等。RACS负责准入控制、资源预约、策略控制和内网互联 (NAT traversal) 。
传输处理功能用于支持数据包转发和路由, 包括:向通过NGN的不同通信网络间提供转译服务的媒体网关功能 (MGF) ;在两个IP传输域间充当中继的边界网关功能 (BGF) ;在附着网络的Qo S要求下, 进行资源控制的资源控制执行功能 (RCEF) ;在用户设备和NASS之间提供接入中继功能 (ARF) ;进行信令转换的信令网关功能 (SGF) ;提供特定的多媒体功能的媒体资源功能处理器 (MRFP) ;提供接入网与NGN接入控制功能实体间接口的接入管理功能 (AMF) ;提供传输承载的基本传输功能 (BTF) 等。
三、BSM与NGN的互连
将BSM系统融入NGN的目标, 一是将用户和会话管理功能转移到标准化的NGN功能实体, 二是将资源管理整合到BSM系统中。因此, 它们互连与集成的一个关键部分就是实现与会话相关的信令转换与传送, 以及资源的调度与管理。
BSM系统应用范围广泛, 包括VoIP, IPTV, IP视频和应急通信等。在不同的应用案例中, 要实现与NGN的融合, BSM系统需要满足相应的NGN要求, 并做出一定调整与改进。为了与NGN更好地结合, BSM网络功能的演进理念可以简单地总结为:
⊙再利用已有的BSM网络功能, 尤其是TS 102 292中定义的卫星独立自适应功能。
⊙通过相同的基础设施, 聚合业务。
⊙通过NGN/IMS架构和IMS核心构件, 实现卫星移动业务与固定业务的聚合。
1. NGN的业务与交互要求
N G N需要具有创造、开发和管理各种可能的 (现有的或未知的) 业务的能力。这包括使用各种不同媒体 (文本、音频、视频等) 的业务, 各种不同编码方案的业务, 数据业务和会话型业务, 单播业务及多播和广播业务, 实时业务和非实时业务, 以及时延敏感型业务和非时延敏感型业务。同时, NGN架构还需要提供业务相关的应用程序接口 (API) 。
NGN提供的业务需要满足以下功能要求:
(1) 将用户与特定的接入方式和特定的终端设备相分离, 实现游牧。
(2) 任何接入网都可以提供业务应用;业务内容可与接入方式匹配, 并可由终端功能进行调整。
(3) 进行授权、认证和计帐, 并对资源使用量进行监管。
(4) 为所有用户终端、接入网络和业务应用提供通用模型。
(5) 多个业务可以基于用户事务和状态实现自适应协调。
NG N与接入网络 (如BSM) 之间有两种基本的互连方法:一是面向业务的连接 (SOIX) , 在业务层进行互连;二是面向连通性的连接 (Co Ix) , 在传输层进行互连。对于SOIX来说, 业务互操作性依赖于业务层及传输层共同的Qo S能力。而对Co Ix来说, 高层业务对于底层连接而言是未知的, 这种方式不会对业务的网络性能、Qo S和安全要求进行保障, 进而无法保证互操作性。因此, 只有SOI X能够完全满足NGN关于互操作性的要求。
2. BSM/NGN特有的业务要求
针对不同业务, BSM系统的应用要求不尽相同。下面是BSM系统与NGN结合 (BSM/NGN) 的几个典型使用案例及其业务要求。
(1) Vo IP。Vo IP业务可以通过NGN中IMS实现业务层控制, 并由BSM提供网络传输相关的功能。当一个Vo I P设备通过I MS注册Vo I P业务时, 注册消息中的会话描述协议 (SDP) 部分包含该设备允许的速率和所使用编解码方法等细节。因此, BSM的带宽请求可以在IMS级进行处理。同时, 通过这部分内容可以区分传输方式, 所以将这部分从BSM中去除, 加入到NGN的IMS中, 使得BSM传输完全与业务分离。另外, 通过BSM提供Vo I P业务涉及的技术还包括会话发起协议 (SIP) 信令压缩、话音活动检测及Qo S反馈等。
(2) IPTV和IP视频。对于BSM运营商来说, IPTV和IP视频在传输方面有许多相似的特点, 如基于IP、分组 (包) 传送等;但是由于IPTV运营商和BSM运营商之间的关系, 不同于IP视频运营商与BSM运营商之间的关系, 它们的商业模式有所不同。另一方面, 智能手机、平板电脑功能不断完善, 它们将成为BSM/NGN提供IPTV和IP视频业务的一个新的应用场景。
(3) 应急通信。BSM的应急通信业务有两个功能:提供紧急通信 (由ETSI EMTEL规范定义) ;支持第一应答 (基于NGN的政府应急电信服务, NGN-GETS) 。应急通信业务最显而易见的使用案例就是通过BSM网络在灾后建立灾区与外界的即时通信。BSM系统的第一应答服务可以通过NGN基础设施与陆地集群无线电 (TETRA) 通信网络相连, 实现与灾区外通信网络的即时接入。这需要BSM/NGN架构在实现过程中采用通用网关, 便于BSM网络与地面网络的互连。
四、BSM与NGN的集成
1. BSM/NGN的功能架构
针对BSM及NGN各自的架构特点和应用要求, ETSI于2011年3月发布了“BSM网络上提供NGN业务”的技术规范。该规范提出了一个融合了BSM的NGN功能架构, 如图5所示。这个架构采用了以下功能配置:
⊙BSM系统本身没有Qo S策略执行子系统, 因此在接入网边界的BSM IP边缘节点 (如卫星终端中心站或路由器) 上实现资源控制和执行功能 (RCEF) 。对于已经建立Qo S机制的BSM系统, 需要实现接入功能 (AF) , 其实质是对BSM系统与NGN之间的Qo S信令进行协议转换。对于NGN而言, BSM网络是一个接入网络, 使用IMS作为其与NGN交互的中介。
⊙UE里的应用客户端与NASS中的实体 (如业务控制和应用) 进行直接通信。此外, UE也可通过在边缘节点中实现的接入中继功能 (ARF) 与NASS中的实体进行间接通信。
⊙在核心网与接入网边界节点实现核心网边界网关功能 (C-BGF) ;核心网边界节点位于接入网与核心网边界的核心网侧。
BSM网络与NGN业务控制及管理功能之间的接口隶属于网络控制中心 (NCC) 、网络管理中心 (NMC) 和RCEF, 它们都位于SI-SA P之上, 不会涉及底层传输的相关操作。
(1) BSM/NGN中的RACS
NGN的业务层包括一些应用功能 (A F) , 用来实现对IP承载资源的控制。在IMS中的AF包括代理呼叫会话控制功能 (P-CSCF) 和互连边界控制功能 (IBCF) 等。AF对应用层Qo S信息进行映射, 例如, P-CSCF将会话描述协议 (SDP) 中定义的参数, 映射为通过Gq’参考点发送到基于业务的策略决策功能 (SPDF) 的Qo S请求信息。图6为BSM/NGN中的资源和准入控制子系统 (RACS) 架构, 其中的接口由TISPAN定义。
基于业务的策略决策功能 (SPDF) , 向AF提供了一个单独的接触点。在SPDF所在的每一个管理域 (如BSM系统) 中, SPDF充当的是基于业务的策略控制 (SPB) 的最终决定点。SPDF也与相邻管理域中相连的SPDF进行通信, 以提供预约请求。SPDF通过使用由网络运营商制订的业务策略规则来决定策略。
BSM网络作为接入网络时, 资源和准入控制功能 (RACF) 转化为接入-资源准入控制功能 (A-RACF) 。A-R ACF充当的是策略决定点 (PDP) , 用于接入允许控制和资源操作控制。A-RACF接收来自SPDF, RCEF或位于同一操作域的其他x-RACF的Qo S资源请求, 并作出接受或拒绝的决定。
(2) BSM/NGN中的NASS
在图7所示的架构中, 网络接入配置功能 (NACF) 负责向UE分配IP地址及其他的网络配置参数;连接性会话位置和资源库功能 (CLF) 登记了分配给UE的IP地址和由NACF提供的网络位置信息之间的关联;用户认证和授权功能 (UA A F) 基于NASS用户配置文件, 为网络接入完成NASS的用户认证及授权检查;配置文件数据库功能 (PDBF) 实体包含了NASS的用户认证数据 (NASS用户身份、所支持的认证方法列表、关键资料等) 和所需的网络接入配置相关的信息;CNG (用户网络网关) 配置功能 (CNGCF) 用于CNG的初始化和更新。
BSM系统中有两个功能实体与NA SS联系较为紧密:接入管理功能 (AMF) 用于将UE发送的网络接入请求转化为NASS可以理解的格式;接入中继功能 (ARF) 充当的是U E与NA SS之间的中继, 在向NA SS转发U E的网络接入请求前, ARF可以加入本地配置信息。
2. BSM/NGN的应用场景
将BSM网络集成到NGN中有很多种可能的场景, 它们的复杂度和能力各不相同。ETSI TS 102 462中定义了BSM的QoS架构, 这将作为BSM网络传输层QoS控制的基础。但是这种类型的QoS控制并不是通用有效的;因此, 考虑没有嵌入Qo S控制的BSM网络, 将更具有普遍意义。
(1) 基于星状网络的IMS业务接入
这个场景只提供最基本的功能实体, 复杂度最低 (如图8所示) , 同时由NGN核心网络提供动态Qo S管理和统一用户管理, 使得这个模型更易于向NGN过渡。在这个场景中, BSM的网络功能实体都集中在中心ST, 这可以看作是一个卫星星状网络拓扑结构。所有附加的BSM/NGN功能实体位于传输层。这些功能实体与NGN核心业务层相连, 用于端到端的Qo S控制;同时也与NCC/NMC相连, 用于卫星技术特有的资源控制和功能, 如UE注册。
上行时ST的Qo S是基于固定的报文分级, 这是由于ST中没有相关的资源执行功能实体。但在下行时, 中心站可以通过资源控制及执行功能 (RCEF) 实体提供动态的Qo S。
NASS提供接入注册及U E初始化, 用于接入NGN业务。NASS还提供网络级的用户认证, 管理接入网络的IP地址空间, 并对接入会话进行验证。此外, NASS向UE通知NGN业务/应用子系统的联系点。随后, 这些功能将通过BSM网络发起个人用户会话;除了资源管理功能, 将不直接涉及NCC/NMC。这对于面向会话的使用案例 (如VoIP或I PT V) 尤其重要, 因为这些业务需要BSM网络处理大量具有特定要求的个人会话, 如果每次处理都要经过NCC/NMC, 将会占用许多额外的资源。
B S M网络跟其他许多卫星网络一样, 受限于资源瓶颈而需要对SIP信令进行压缩。此外, 还需要自适应功能来处理BSM时延以及由时延对信令效率和性能所产生的影响。
R ACS负责基于策略的资源预约和接入控制。 ACS还支持BSM网络边缘进行网络地址及端口转换, 并辅助远程网络地址转换。此外, RACS还涉及流量策略、端对端Qo S和传输层计费的设置和修改等方面。
(2) 基于网状网络的IMS业务接入
如图9所示, 作为前一个场景的进一步加强, 这个场景对卫星链路两端的ST都加入了RCEF, 以此来建立动态的Qo S分级, 这将特别适合于网状卫星网络。此架构适用于应急业务和智能电网应用, 因为在这两个应用中, 本地ST可以不依赖中心站而对BSM网络接入进行管理和监督。
这个场景中RASS和RACS的功能与前一个场景的基本相同。
(3) IMS对等互连
在图10所示的场景中, BSM作为骨干网, 用于连接孤立的ISP (互联网业务提供商) 和MSP (移动性业务提供商) , 同时支持通过IMS实现信令交互。卫星网状网络适合于这种配置, 可以避免双跳时延。卫星网络运营商不需要对整个IMS进行操作, 但需要通过少量的IMS核心元件进行Qo S管理。在BSM作为地面网络的应急后备案例中, 采用这个场景最为理想。
3. BSM为适应NGN所做的改进
将BSM融入NGN, 还需要对一些功能实体做改进, 包括 (但不限于) 策略和资源管理交互功能、IMS接口、受限于BSM资源瓶颈的SIP信令改进等。改进涉及的方面有:
(1) 将NGN/IMS提供的聚合业务作为BSM系统业务的扩展。主要由网络互连功能实体 (IWF) 和用于高层交互的应用服务器 (AS) 实现。
(2) 调节ST/GWY以支持向NGN/IMS演进, 内容包括所有用于BSM网络传输的特定需求 (时延、损耗和瓶颈资源) 。
为了实现演进, BSM/NGN架构中需要增加的功能有:
⊙基于策略的网络管理:用于商用策略服务器和BSM专用IW F之间的跨网络实施。
⊙SIP注册和基于SIP的设备发现机制:用于使用本地BSM ST/GWY信令或使用商用及定制信令的应用服务器之间的互联互通。
⊙BSM用户文件管理:基于IMS配置文件, 用来管理横跨BSM-地面聚合网络的多用户身份, 同时对BSM管理用户功能不作附加要求。
⊙呈现和应用服务器:用于增加的个性化业务和附加值业务, 如IPTV和移动视频。
五、结束语
NGN概念为卫星通信进一步融入全球通信网络提供了机会。同时, NGN架构可以用于卫星网络和陆地网络间的无缝融合。实现BSM系统与NGN的互连与集成, 是对卫星网络采用NGN架构这一新的网络模型所做的探索, 本文即是针对此所做的介绍。ETSI“BSM网络上提供NGN服务”规范, 定义了BSM网络与NGN架构的集成和互用性, 旨在鼓励发展可以利用这一新网络模式的下一代卫星网络。因此, 深入了解BSM与NGN融合的相关标准, 对构建我国自主的宽带卫星系统, 以及促进宽带卫星系统向下一代通信网络基础设施演进, 可以起到很好的借鉴作用。
参考文献
宽带卫星网络 篇7
人为或自然灾害导致有线线路中断,会带来各种各样的损失。企业中断与客户的联系,造成业务中断, 带来经济及信任危机; 医疗无法及时进行,会导致抢救失误; 大型自然灾害面前,被困人员与外界无法联系, 导致营救困难等。为了应对有线线路中断情况下各种通信业务的需求,需要大力开展宽带卫星通信业务。
本文介绍了几种宽带卫星通信方式,同时将卫星通信与光纤通信做了对比,从而总结出卫星通信的优势。由此可见,推广宽带卫星通信必要性。最后,针对实际场景设计了一套宽带卫星通信系统。
1几种宽带卫星通信方式
在现有的卫星通信方式中,北斗卫星系统是我国自主开发发射的卫星系统,该系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务,以致引起对该系统的广泛研究［3］。但是,北斗卫星目前尚未提供任何宽带通信业务,因此并不能作为宽带卫星通信的一种方式。
1. 1 Direct PC
Direct PC( 直播电脑) 从直播电视( Direct TV) 演化而来,增强了交互的功能,它采用非对称方式利用卫星网络传输数据。该方式适用于Internet业务,即典型的上传与下载不对称业务,其不对称性表现在上行与下行数据传输方式和速率的不同上。对于上行数据,用户通过拨号或其他方式,例如ISDN、专线等接入互联网,用户的上行数据沿接入互联网的方式上传。但对于下行数据,比如浏览网页、下载文件等服务请求,将转给网络操作中心( Network Operations Center,NOC) 来处理, 由NOC到互联网上去获取用户所需的内容,然后由NOC发射到卫星上,通过卫星传输通道高速地传送到用户的接收天线上,再到用户PC。其传输链路示意图如图1所示。也就是经由两个不同通道传送资料,使资料的传递更快速且不会出现大量拥塞。当使用高速卫星网络服务( Turbo Internet Service) 时,下载速度为400 kbit · s－ 1,而卫星多媒体传送服务( Multimedia Transmission Service) 和卫星封包快递服务( Package Delivery Service) ,带宽就更高达3 Mbit·s－ 1［4］。
1. 2 IPStar宽带卫星系统
IPStar宽带卫星系统［5］的网络配置是基于关口站星形拓扑。一个用户终端从与IPStar关口站相连的波束收到信号或者向与IPStar关口站相连的波束发射信号,而关口站提供连接到其它网络的能力。大部分被IPStar服务覆盖的地区都有一个或多个关口站,这样IPSTAR用户可以快速连接到地面网络,获得各种应用。图2所示为IPStar宽带卫星系统的链路示意图。
IPStar系统的94个Ku波束覆盖整个亚太地区, 其中IPSTAR -1卫星用23个Ku点波束、1个Ku成型波束、1个Ku广播波束覆盖中国大陆,在中国大陆有北京、上海、广州3个关口站,相互之间通过地面光缆相连接。卫星通信容量45 Gbit·s－ 1( 前向25/回传20,支持1 300万用户) ,IPSTAR - 1卫星为中国大陆提供约12 Gbit·s－ 1的通信能力。
1. 3 LinkStar宽带VSAT系统
LinkStar系统［6］具有星型网络拓扑结构的TDM/ TDMA VSAT卫星通信网络,能在大量远端用户和网络主站之间提供基于IP的多业务、高吞吐率的数据连接。这种数据传输的业务量是非对称的,可根据用户具体的业务流向及其流量,对从网络主站到远程终端的一条大容量出境卫星链路,以及多条同时从远程终端到网络主站的中、低容量的入境卫星链路的信道带宽进行有针对性的设计,从而保证高效地满足用户应用的需求。图3所示为LinkStar系统的链路示意图。
LinkStar是由美国卫讯全球有限公司生产的一种双向、按需分配带宽的宽带VSAT系统,它围绕DVB - RCS标准而设计,用于服务提供商、ISP和企业网络, 可为市场带来相比其他TDMA网络更高的效率和数据速率。LinkStar结合宽带通路和高速返回信道来满足对带宽需求较多的IP数据应用。
1. 4海事卫星
在各种重大自然灾害面前,海事卫星电话起到了重要作用,并且第四代海事卫星BGAN( Broadband lo- bal Area Network) 已基本覆盖全球。BGAN的网络结构如图4所示。
海事卫星BGAN系统在国内没有建立卫星地面站, 信号不能在中国直接落地。为满足部分用户对于信息安全的需求,中宇通信公司制定了虚拟关口站( POP) 方案, 来解决数据本地化接续和信息安全监控方面的问题。
综上所述,为降低卫星通信的费用,并且可以覆盖全球范围,采用Direct PC( 或IPStar、LinkStar) 与海事卫星及铱星系统相结合的方式,实现全球卫星通信。 当然,依据企业的需求,可以设定指定区域内的卫星通信,从而进一步降低卫星通信费用。
2卫星通信与光纤通信的对比
多年来,有线通信和无线通信共同组成最有效、最经济的信息传输网。两种通信方式各有其优点,无论哪一种也无法独占或排斥其他方式,应使它们互相密切配合,各自充分发挥作用。
光纤通信技术,作为有线通信的一种重要方式,已成为现代通信的主要支柱之一,并在现代电信网中发挥重要作用。其在近年来发展迅速、应用广泛。而无线通信中的卫星通信就是地球上的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。这二者各有特长和优缺点,在规划建设通信网时必须善于配合选用,使它们互相补充,以获取最佳的总效能。卫星通信与光纤通信的比较如表1所示。
如表1所示,相对于光纤通信,卫星通信有其缺点,比如费用高、辐射大、信号闪烁及延时问题,但是其仍然具有优势,不可被光纤取代。光纤通信方式只能将通信的范围延伸到光纤铺设的位置上,而卫星通信方式可以通信至卫星覆盖的任何区域。卫星通信方式不易受陆地灾害的影响,可靠性高且部署快,不必开挖铺设光缆,开通方便快捷; 同时电路的设计也灵活,可将话务量或者数据流量按照需要分配。
综上可见,卫星通信是不可或缺的一种通信方式, 不仅不会被光纤通信所替代,并且在发生自然灾害的情况下,作为企业、政府、个人的备用通信方式,可以减少损失。随着卫星通信技术的发展和成本的降低,其可以作为一种主要的通信方式。同时,在有线铺设不到位的国家或者区域,卫星通信则成为该地区与外界进行通信的非常必要的手段。
3实际场景下宽带卫星通信系统建设
综上所述,卫星通信是一种不可或缺的通信手段。 针对目前多元业务需求,宽带卫星通信尤显重要。而对于已有的宽带卫星通信方式,如何在实际建设中实现也是一个重要问题。本文提出一种实际场景下的卫星通信系统建设方案,可以作为企业及政府等部门的参考。图5所示为实际场景下宽带卫星建设方案。在该系统中,已有的硬件设施是铺设完备的PON网络。
对于Direct PC方式,上行需要连接到NOC,如图1所示。PON网络的ONU口可以作为该宽带卫星通信的上行链路接口,而一旦进入到已有的有线网络中,就可以通过路由到达NOC。对于IPStar和LinkStar系统来说,可以采用用户端到关口站的方式,即将卫星发送和接收的信息通过有线方式传送到相应的关口局或NOC。数据从关口局或NOC建立与卫星的双向通道,并通过有线双向通道传送到客户端。对于海事BGAN系统,也可以通过ONU,将用户端与BGAN终端连接起来,从而建立卫星通信的双向链路。
以上设计方式充分利用了已有的有线资源,但也依赖有线系统的连接方式。倘若在指定区域内没有多余有线网络,也可以建立起相应的宽带卫星通信系统。用户直接通过卫星接收与发送数据,如图6所示。在这种宽带卫星通信方式中,IPStar系统、LinkStar系统和BGAN系统是适用的,而不适合于Direct PC的通信方式。
4结束语
海事卫星宽带技术航空应用探析 篇8
自从海事卫星(Inmarsat)在1990年初提供第一个航空卫星通信系统以来.其航空通信业务一直在不断发展。目前,海事卫星航空通信系统为飞行在世界各地的飞机提供双向话音、传真、数据和互联网接入服务。如今,海事卫星新的全球宽带系统已经开始在空中提供接入服务,从过去只能以每秒几千比特的速率来进行话音与低速数据通信,发展到现在能够提供几百千比特到几兆比特的链路,各种新的业务与应用不断出现,乘客在飞机上实现电话通信和互联网接入已经不再是一个梦想。
二、海事卫星通信系统
国际海事卫星组织成立于1979年,海事卫星从第一代演进至如今的第四代,已成为世界上惟一能为海、陆、空三大领域提供全球、全时、全天候公众通信和遇险安全通信服务的机构。海事卫星航空通信系统主要由三部分组成:卫星、地面站和机载卫星通信终端。如图1所示。
第四代海事卫星采用三颗高轨道地球同步卫星,卫星与机载终端间使用L波段进行通信,发射频率为1525Hz～1559Hz,接收频率为1626.5Hz～1660.5Hz,该频段具有很强的抗雨雪衰减的能力,被称为通信的“黄金频段”。
地面站由抛物面天线、射频系统与信道终端设备、控制与信号处理设备等组成。地面站提供卫星网络与全球电信网、互联网之间的系统连接。地面站与卫星之间使用C波段4～6GHz频率进行通信。来自地面诸如空中交通管制中心、航空公司总部等机构的通信服务是经由地面站,通过现有公众电话网络和互联网接续至飞机。地面站是卫星和陆地网络通信的关键节点,负责处理机载航空终端的业务申请、交换,分配用户资源,容量等,提供语音、数据通信业务的建立。
航空宽带卫星终端接收和处理来自卫星的射频信号并将其发送,卫星终端与各种机载系统、外围通信设备或网络设备相连接,使用基于标准IP协议的宽带业务,建立起飞行中的通信系统,为驾驶舱和客舱提供语音、数据接入服务以及安全通信服务。
三、海事卫星宽带网络航空应用的技术特点
海事卫星航空宽带网络技术与3G技术相融合,可提供高速的数据服务,首次将陆地IP通信网、移动3G网中的丰富应用延伸到空中服务,并可根据航空领域不同需求,提供个性化的定制服务。
(1)海事卫星是惟一提供航空全球覆盖、双向电话、数据、传真、多媒体公众通信服务及遇险安全通信服务的移动卫星通信网络。
第四代海事卫星每颗卫星支持1个全球波束、19个区域宽点波束,193个窄点波束。每个窄点波束一般可容纳6～8个信道.最多25个信道。每个信道频宽200kHz,可支持492kb/s传输速率。单颗卫星信道总数可达630个,信道可按照实际需要实现在不同窄点波束下的动态调配,有效地保障了飞机上不同应用服务的通信需求。
(2)海事卫星数字IP通信技术的发展,使航空通信跨入了互联网时代,满足了人们基于网络的各种应用需求。
海事卫星宽带系统采用了分组交换技术,并引入公网3G标准,在适应移动卫星通信特点进行专用功能开发的同时,更注重符合RFC2865,RFC2866标准及WCDMA3GPP等3G标准。其地面站的设计借鉴了陆地移动3G通信网的标准,在核心网上分为电路交换域和分组交换域两部分。电路交换域支持传统的电路语音、ISDN等传统海事卫星业务,同时增加了短信业务;分组交换域支持提供标准IP业务和6个等级的流媒体IP业务。其中标准IP业务主要为典型TCP/IP应用设计,如网页浏览,电子邮件、FTP、即时通信等,此业务设计为共享卫星信道,通信闲时高速率,通信忙时低速率,并根据终端产生的IP流量收费,这就大幅度提高了对频率资源的利用率,有效地降低了通信成本。而流媒体IP业务主要应用在对带宽,延时有较高质量要求的情况下,比如视频传输、视频会议,大容量文件传输等UDP应用。此业务设计为独享卫星信道带宽,并可提供从卫星到陆地接续网络的全程QoS保证,从而确保用户通信带宽和质量。IP业务信道分配的示意图如图2所示。
(3)海事卫星宽带通信技术的发展,使空地链路具备了可以承载更大流量的能力,使得航空通信服务的内容得以极大丰富。
海事卫星宽带网络采用特有的TCP PEP加速技术,用于解决卫星网络环境中因长时延、高误码率和非对称信道带宽等因素所导致的TCP传输性能低下问题。通过TCP PEP可使上传速率提升70%,在某些格式的文件传输中甚至高达300%,针对小数据量、间断发送的数据传输效果明显,如电子邮件。此外,为满足在飞行途中对高速互联网接入的需求,还可在地面接续系统中部署软,硬件产品,通过压缩技术将传统IP数据包变小后进行传输,从而实现了提高传输速度的目的。这就意味着乘客在旅途中,可以在更短的时间内发送或接收更多的数据信息,保证其在最短的时间内完成数据通信的需求。
(4)海事卫星宽带网络的全IP化、与陆地互联网一致的全球统一的接口标准是海事卫星航空宽带终端满足不同国家、不同应用的关键。
通用移动通信系统(UMTS)是国际标准化组织制定的全球3G标准之一,是应用于陆地通信的3G网络协议,不能直接应用在海事卫星宽带网络中,需要对UMTS协议做一些调整。海事卫星航空宽带网络仍然采用3GPP移动通信技术标准网络结构,包括核心网(CN)、无线接入网(RNC)和用户终端(UE)三部分。在网络结构不变的同时,海事卫星航空宽带非接入层协议与UMTS也保持一致。只是在无线接入网和用户终端之间的Uu接口接入层协议,使用了海事卫星专用的IAI-2接口协议代替了原有的WCDMA协议,以更好地适应卫星链路的需要。核心网和无线接入网之间的lu接口保持不变。
四、海事卫星宽带技术在航空通信领域的应用解决方案
现代科技的进步使卫星通信终端的体积越来越小,使各种机型的飞机安装使用更加方便。从驾驶舱到客舱,从飞行员到乘客,航空领域使用海事卫星宽带通信服务有了更多选择。航空宽带卫星通信系统的应用主要有以下四个方面:
1. 安全通信应用
安全问题从来都是航空业中优先级最高的议题。2009年法航AF447航班空难和2010年4月冰岛火山灰事件,使得航空业内对航空安全通信数据链的高效传输需求更加迫切,而飞行数据的实时采集以及飞机上的卫星数据通信链系统变得至关重要。海事卫星传统航空业务(Aero-H/I/L/H+)是国际民航组织(ICAO)批准的全球惟一的基于卫星通信的航空安全通信系统。现阶段,国际海事卫星组织正在努力争取尽早在航空宽带上实现安全通信服务,并将提供更高的网络容量和使用效率。中期目标是加强飞机飞行时重要数据的实时传输能力,如飞机的运行状态、飞行任务的进展情况以及与航空器运行相关的重要信息的传输;长期目标则是在航空宽带上实现大数据量的传输.满足驾驶舱安全服务和客舱乘客通信与娱乐的多种应用,方便飞行管理和客舱人员的使用。
目前,海事卫星航空宽带机载终端使用高、中增益的天线类型,以满足跨洋飞行的要求。ARINC781卫星通信体系架构提供了机载设备升级的可能性。国际海事卫星组织也计划通过航空宽带的IP数据通信能力以支持未来航空导航系统(FANS)的使用。
2. 客舱公众应用
2005年初,美国波音公司和德国汉莎航空公司宣布联手推出了空中无线宽带上网服务,使乘客能在飞机上浏览互联网和收发电子邮件。空客公司在2005年9月20日宣布推出全球首个客舱“无线网络系统”,乘客可以像在地面上一样,自由地在飞机浏览网页、收发电子邮件、IP电话。面向乘客的机载移动通信和无线互联网通信等客舱内的无线网络系统,已成为航空公司的迫切需求。在乘客旅行过程中,向旅客提供高效率的机上娱乐设施客舱服务,已经变成航空公司运营不可或缺的一部分。
基于海事卫星宽带技术搭建的客舱无线网络系统,就是把各种无线应用方式都集成到飞机电子体系架构中的一种技术系统。它使乘客可以在飞机上打电话和上网,而不用顾及是否会干扰飞机的飞行。
3. GSM客舱应用
通过海事卫星网络接入,实现在飞机上GSM手机通信,可由下述方案实现:机载卫星通信系统控制面板由乘务人员监控;航空宽带终端包括天线、低噪放和机舱卫星数据单元:配置单元模块负责系统控制、与其他系统交联接口、数据库储存;机载GSM基站用于收发信号、控制手机发射功率;机上控制模块产生白噪声隔离手机与地面GSM基站的通信,确保手机接入机载GSM基站;天线耦合单元将机载基站和航空宽带终端的射频单元信号进行合路;用于互联的漏波天线贯穿客舱天花板上方,发射射频信号;无线接入点可为具有Wi-Fi功能的终端或智能手机提供无线通信连接。图5为机载GSM卫星通信系统解决方案示意图。
4. 航空公司飞行管理应用
从驾驶舱到客舱,从旅客到飞行员,海事卫星航空宽带通信系统可以提供一套完整的卫星通信应用解决方案。即将话音、数据、飞行数据、航空天气预报、以及更多的所有的管理内容都集成在一个包。其中包括:起飞前的申报和许可;机场各航站楼的数字信息服务;为飞行员提供航站楼气象信息:指定起飞和降落时间:位置报告;飞行计划;电子邮件,无线设备和互联网的短信服务。
五、结束语
应用于航空通信领域的海事卫星经历了连续20多年的良性发展,通信系统具有全球覆盖广、可靠性高、高带宽、移动性强,使用灵活方便等特点。海事卫星航空宽带的高安全性和高效率适应航空通信未来发展的方向。航空宽带使用单一、紧凑的卫星通信系统,适用于各种类型的飞机,在为航空运输业安全、生产、管理带来更大便利和更高效益的同时,也使公众通信服务延伸到了空中这一最后的角落。
摘要：本文介绍了海事卫星航空通信系统的组成,分析了海事卫星宽带网络系统的技术特点,探讨了海事卫星宽带技术在航空安全通信服务、客舱通信服务、GSM客舱服务、航空飞行管理等领域的技术应用,对海事卫星宽带技术在航空领域的发展前景进行了展望。
关键词：海事卫星,宽带技术,航空应用
参考文献
宽带卫星网络 篇9
Inmarsat有限公司合作伙伴与商务关系副总裁Perry Melton说：“BGAN是第一个能够通过轻便小巧的终端设备，以宽带数据传输速度为全球用户提供语音和数据连接的移动通信服务，中国对于我们来说是一个关键市场。调查显示，中国是全球宽带接入的重要市场，到2007年中国将有5700万宽带用户，而今年是3400万。这个快速增长对Inmarsat来说至关重要。BGAN的核心竞争力在于它适用于各种地域环境、各种移动通讯工具，即便是在没有通信网络的偏远地区，也一样能够保障用户进行有效性的沟通。”
今年初，Inmarsat成功发射了第一颗Inmarsat-4卫星。该卫星位于印度洋上空，覆盖欧洲和亚太地区。Inmarsat已经投资15亿美元发展新一代卫星网络，该网络将对中国以及亚太地区的移动卫星通信产生巨大影响。
Inmarsat正准备发射第二颗Inmarsat-4卫星，该卫星位于大西洋上空，将为美洲地区提供服务，届时两颗Inmarsat-4卫星将覆盖全球面积达85％。借助Inmarsat-4卫星的强大功能，Inmarsat将在2005年底推出BGAN服务。BGAN是一种IP电路交换服务，向用户提供语音通话和包括互联网接入、视频会议、LAN等的高带宽服务，接入速度达每秒492k字节。
宽带卫星网络 篇10
宽带卫星通信系统应用卫星通信和互联网技术, 其主要目标是为高数据带宽和多媒体的互联应用提供一种灵活高效的卫星通信方式, 具有覆盖面广、高带宽、组网方式灵活、可靠性高等特点, 是卫星通信应用领域的前沿技术和发展热点。
合理利用宽带卫星通信系统的技术, 了解国外军事领域的应用模式和发展趋势, 可指导我国宽带卫星通信系统在军事领域应用的快速发展。
1 宽带卫星通信系统简介
1.1 概念
宽带卫星通信系统是使用网络通讯 (Transmission control protocol/Internet protocol, TCP/IP) 协议族的卫星通信系统, 是数字多媒体、卫星广播、互联网的有机结合, 是卫星通信宽带化的一个方向, 为一系列通信应用提供了统一的服务平台。
宽带卫星通信系统网络结构是地面宽带IP技术在卫星通信领域内的演变和应用, 是适应卫星分组业务和降低系统复杂性的一种尝试, 目的在于向用户提供大流量分组数据业务, 而无须异步传输模式 (Asynchronous transfer mode, ATM) 的干预。它以卫星系统为基础, 以网络协议 (Internet protocol, IP) 为服务平台, 以网络 (Internet) 应用为服务对象。Internet的结构决定其不对称性, 而且具有空间跨越大、覆盖面广等特点, 卫星通信是Internet的补充, 两者的结合是技术上的必然结合。
1.2 分类
根据不同的分类标准, 宽带卫星通信系统可进行不同分类: (1) 根据卫星有效载荷可分为“透明”宽带卫星通信系统和星上处理能力宽带卫星通信系统。“透明”卫星不涉及信息处理, 协议集中在地面, 星上处理技术可提高系统的灵活度。 (2) 根据用途可分为中继型和面向用户型。中继型卫星可作为中继链路为分布在不同地区的宽带网络提供互联能力, 面向用户型卫星通过用户网络接口 (UNI) 直接为大量的终端用户提供接入链路。 (3) 根据轨道情况分为高轨道、中高度轨道和低高度轨道卫星。其中低轨道卫星信道传输延时小, 适合实时业务。
1.3 特点
宽带卫星通信系统具有以下特点:
(1) 覆盖面大。无论是中、低轨道 (Medium/Low earth orbit, MEO/LEO) 还是同步轨道 (Geostationary earth orbit, GEO) 宽带卫星通信系统, 其广域覆盖能力是光纤等地面传输手段无法匹敌的。一颗地球静止轨道卫星的波束覆盖范围可达数千公里。
(2) 部署性强。宽带卫星通信系统既可以和地面系统相结合, 又能绕开复杂的地面网建立独立的卫星网络。卫星终端具备快速部署、即插即用的特点。
(3) 高带宽、大容量。宽带卫星系统采用高功率和高频段, 其通信容量和通信速率可与陆地光纤相媲美。
(4) 组网灵活。利用先进的星上、星际交换处理技术和点波束覆盖技术, 可充分发掘卫星传输的不对称性所带来的优势, 使带宽按需动态分配, 可灵活的满足点对点、点对多点、多点对多点的通信需求。
(5) 带宽利用率高。由于宽带卫星通信支持非对称广播业务, 提供按需分配带宽功能, 因此卫星接入与光纤接入手段相比具有明显的性价比优势。
(6) 可靠性高。在突发事件及自然灾害条件下, 卫星通信手段具有比地面传输网络更高的可靠性, 这种可靠性在提升全球及地域通信网络的整体性能方面不容忽视。
1.4 关键技术
宽带卫星通信系统中采用的关键技术主要有:星上处理交换技术、多波束天线技术、抗雨衰技术以及网络管理技术等。
(1) 星上处理交换技术
在高频段的卫星通信中, 具有星上处理功能的卫星显示出其特殊的优势, 星上处理技术正成为发展趋势和关键技术。星上处理与交换的主要作用是对卫星上行链路中的传输信息进行解码、解调和复用, 将这些数据信号恢复成基带信号, 经基带交换后再将基带信号重新进行编码、调制和复用, 并按照路由信息将其送到相应的下行链路中, 传送到对应的地面站。具有星上处理能力的转发器使用译码后, 信号中的信息进行动态路由选择或进行相应处理, 更有效地利用卫星资源, 提高系统效率。因此, 针对卫星链路的特点研究适合于宽带卫星通信系统的低复杂度、低误码性能的星上信号处理技术。
(2) 多波束天线技术
适应宽带卫星通信系统终端小型化、业务宽带化和服务个性化的趋势, 采用传统的全球波束和区域波束天线已难以满足需求, 由于多波束天线能够以高增益覆盖较大的地面区域, 且可以根据需要调整波束形状的特点, 所以正成为宽带卫星通信重点研究的关键技术。
(3) 抗雨衰技术
宽带通信卫星大多工作在Ku, Ka甚至更高频段。与传统的工作频段相比, 由于这些频段具有高频特性, 因此在以往的卫星通信系统设计中可忽略或很少考虑的雨衰问题必须重新考虑。采用自适应功率调整和自适应数字编码调制 (ACM) 能有助于解决这个问题。在宽带卫星通信系统中, 对于高频段雨衰特性及雨衰补偿技术的研究是关系到系统性能的关键之一。
(4) 网络管理技术
宽带卫星通信系统具有系统容量大、用户数目多、传输信息量大的特点, 且拥有星上处理和交换的能力, 系统结构往往包含复杂的拓扑结构, 所以宽带卫星系统需要具备网络管理能力, 通过网络管理对宽带卫星系统中的资源和操作进行全面的监视和控制。因此, 必须有针对性地研发适合宽带卫星通信系统的网络管理技术。
1.5 组网方式及其特点
宽带卫星通信系统的双向组网方式有网状网、星状网两种, 其中在网状网系统中, 用户终端之间通过卫星可以直接通信, 如图1, 而在星状网系统中, 用户终端之间无法直接互通, 需通过中心站进行中转, 如图2。
在宽带通信网中根据数据业务及信令的流向不同, 宽带卫星网络的实现方式有以下3种。
(1) 通过透明转发器以星状网方式进行组网
系统通常由1个主站和若干用户终端组成, 所有业务都要流经主站, 用户终端之间的通信需用“双跳”完成, 主站完成系统无线资源的分配、用户的管理与控制、业务的路由与交换等功能, 另外还提供与地面网络的互联互通和业务接入服务。
该组网模式的特点是:采用了集中管理的方式, 其主站相对比较复杂, 采用大口径天线和大功率功放, 而用户终端结构相对简单, 天线口径和功放都比较小, 便于安装, 网络可以容纳的终端数达上万个, 扩容方便[1]。
(2) 通过透明转发器以网状网方式进行组网模式
系统内由1个主控站和若干用户终端构成。主控站负责全网同步、无线资源分配和帧计划下发, 所有信令都要流经主控站, 终端之间可以直接建立业务连接。
该组网模式的特点:由于终端之间需要直接互通, 所以功放体积、天线口径都比较大, 缺点是网络能够容纳的终端数不能太多, 适合有几十个终端的小型网络。
(3) 通过再生式转发器以网状网方式进行组网模式
这是一种新型的卫星组网方式。系统内通常由1个主站和若干用户终端组成, 用户终端之间可以直接通过卫星完成单跳通信。
该组网模式的特点:通过采用星上处理、星上交换和星上路由实现系统内终端的全网状通信, 无线资源分配在星上完成。
2 美军发展现状与应用
2.1 美军宽带全球卫星通信系统
宽带全球卫星系统 (World geodetic system, WGS) 是美国一种高容量军用卫星通信系统, 承担美军多领域的卫星通信和战地宽带通信业务, 该系统提供超高频 (SHF) 宽带和抗干扰通信。其星座由14颗 (12颗主用) 组成, 星座位于地球同步轨道, 覆盖范围为南北纬75°之间[2]。
系统包括9个X频段波束和10个Ka频段波束, 其中8个X频段波束分别由独立的传输和接收相控阵天线负责信息的传送与接收, 第9个X频段为反向偏震频段, 10个独立可调的Ka频段波束由双工方向架固定式抛物面天线提供, 这些增强型连接能力将为全球用户之间的话音、数据和图像通信提供充足的带宽。
卫星上最关键的部位是数字信道选择器, 这些数字信道可分为1 872个子信道, 每个信道的传输带宽为2.6 MHz, 可同时支持多点传输和广播服务, 也能为网络控制提供非常有效灵活的上行链路频谱监控能力, 从而可以同时覆盖几个不同的用户系统, 增加覆盖范围。
WGS可提供X频段与Ka频段双向通信服务, 提供单向Ka频段广播服务以及X频段与Ka频段的跨频通信服务。由于具有这种跨频段通信能力, 使得其在一个频段上接收到的信号, 可以在另一个频段上进行传送, 这种从一个频段向另一个频段发送通信的能力, 使得作战人员能够把一个文件或流视频向上发送到一部X频段终端, 并向下发送到一部Ka频段终端, 反之亦可。有了这样一种技术, 美国海、陆、空三军就能利用该系统向全球任何地方快速发送大容量信息, 进行X和Ka两个频段间安全保密、抗干扰的跨频通信, 使三军部队具有更大的作战灵活性、更强的作战能力和连通性, 可完成上一代军事通信卫星所无法提供的许多重要功能。
此外, WGS还能支持多种网络拓扑结构, 其中包括广播中枢辐射、网状和点对点。在一定条件下, 该卫星的天线模式还具有识别能力, 因而也能提供一定的保护, 避免来自不同距离友军的干扰。
2.2 美军宽带全球卫星通信系统应用
(1) 直接应用于作战
美军在首颗宽带全球卫星通信系统发射半年后就将其用于军事行动, 目前该卫星已可以向太平洋地区的部队转发通信, 极大地满足了这些部队对军用带宽的需求, 提升了跨卫星通信信道的通信能力, 因此, 它在美军的整个通信计划中占有了重要一席, 已成为美军重要的军事通信链路。
在作战应用中, 宽带全球卫星通信系统Ka频段的效用更为突出。Ka频段可以使宽带全球卫星通信系统回传大量信息, 并在广阔的地区进行接收[3]。
(2) 应用于战术级作战人员信息网
战术级作战人员信息网 (W1N-T) 是美军实现转型的四大计划之一, 近年来得到了快速发展。该计划的短期目标是:在宽带全球卫星通信系统可用时, 利用其宽带军用Ka频段的通信, 减少对商用Ku频段的依赖, 相应地提高网络的通信能力和高带宽动中通能力。
(3) 应用于无人机和其他战略系统
美空军在伊拉克和阿富汗的无人机 (UAV) 行动几乎全都依赖于商业卫星通信能力的支援, 在更新型的无人机投入服役后, 美军自身拥有的卫星将会承担更为重要的作用, 宽带全球卫星通信系统是其中的重要支持者。
宽带全球卫星通信系统将以前所未有的速率为无人机提供支持。全部6颗卫星发射完毕后, 前3颗可以支持8架无人机, 并以137Mb/s的速率同时传输数据, 后3颗增加射频旁路技术, 可将来自“全球鹰”无人侦察机上的图像传输速率从137 Mb/s提高到274Mb/s。
对无人机的支持只是该卫星星座所提供的其中一种通信能力。此外, 他们还可以为美军战略司令部和各作战司令部、战术部队和已部署部队、国防信息系统网、国防分发系统、空中C4I、白宫通信局、国防支持计划局以及美国情报机构提供帮助[4]。
2.3 发展趋势
(1) 网络的综合管理技术。军事和民用网络的共存产生了二者综合问题, 目前, 信息管理系统 (Information management system, IMS) 能帮助资源规划部门确定最佳资源分配方式, 但在管理过程中应注意军用和民用的区分, 完善频段、极化、频率复用、对抗干扰和闪烁、结构术语分类技术。
(2) 高频段、大功率、大容量。卫星技术正向Ka频段和Q/V高频段、可携载的转发器数达50台以上、支持每秒数十吉比特数据容量发展。
(3) 抗干扰技术。现代化战争中, 作战双方会采用多种干扰手段, 所以扩展频谱调制, 旁瓣对消等技术正逐渐被重视。
(4) 反导技术。未来战争中, 卫星将是导弹重点打击的目标, 如何提高抗毁能力避免打击, 发展隐身、诱饵等技术是未来的发展方向[5]。
3 我军宽带卫星通信系统应用需求
(1) 飞机、舰船远程作战需求。航空兵飞机、舰船编队在远距离执行任务过程中, 最重要的是获取周边态势, 及时准确接收发送指挥命令, 因此, 可靠、大容量的信息传输手段是作战的基础和前提。宽带卫星通信系统具备远程传输、不受地形限制、传输大容量数据等优势, 是解决我军远程作战掌握战场态势和作战指挥的首选。
(2) 部队机动需求。地防、导弹、雷达、电抗等部队机动开设后, 战术级指挥所和基本作战单元需要大量获取周边战场态势和作战基础数据信息, 支撑相应的作战任务。宽带卫星通信系统具有覆盖范围广、可靠性高、部署性强的特点, 能够快速接入, 保证远程通信的稳定性, 实现恶劣环境下的“保底通”和复杂电磁环境下的“可靠通”。
(3) 偏远指挥所警戒需求。偏远指挥所在高山、峡谷、海岛等复杂地形条件下, 受限于艰险的自然条件, 偏远指挥所的通信线路往往呈链状或星状, 缺少必要的冗余通路, 网络的可靠性和抗毁性较差。宽带卫星通信信道能够提供可靠、稳定的通信备份手段, 在通信线路损坏时仍能实时获取作战情报信息, 担负警戒任务, 实现“山地通”、“海岛通”。
(4) 空降作战需求。空降兵在境外或敌占地域空降作战时缺少地面通信基础设施的依托, 只能依靠短波、超短波电台与后方基地保持通信, 信道质量不稳定。宽带卫星通信信道具有可靠性高、部署性强的优势, 能够快速实现空降兵指挥系统内部的“纵向贯通”, 以及空降兵与航空兵等其他兵种的“横向互联”, 提高了空降部队作战能力。
4 结束语
宽带卫星通信系统是卫星通信与互联网相结合的前沿技术, 是通信技术领域发展的热点, 具有覆盖面大、部署性强、容量大、带宽高、组网灵活等特点, 可极大地满足我军在远程作战、警戒、机动、空降作战等情况下的信息获取和指挥需求, 所以我军应加强宽带卫星通信系统领域的建设和技术储备, 在信息互通方面提升军队战斗力。
参考文献
[1]冯少栋, 李广侠, 张更新.全球宽带多媒体卫星通信系统发展现状 (上) [J].卫星与网络, 2010 (91) :57-61.
[2]SIA.State of the satellite industry report[EB/OL]. (2009-08-01) [2013-05-10].http://www.sia.org/wp-content/uploads/2010/11/2009_SSIR_Final.pdf.
[3]SIA.Satellites:broadband access for all Americans[EB/OL]. (2008-06-01) [2013-05-12].http://www.sia.org/wp-content/uploads/2010/11/2008_SSIR_Final.pdf.
[4]Etsi.Digital video broadcasting (DVB) .Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for broadcasting, interactive services, news gathering and other broadband satellite applications[S].France:Etsi, 2009.