寬帶多媒體衛星系統的發展與標準化進程

馮少棟 唐慧 徐志平 李煥貞（.解放軍9660部隊，.解放軍769部隊，.解放軍9675部隊）

寬帶多媒體衛星（BSM）系統是以傳輸高速寬帶多媒體業務為典型特征的一類新型衛星通信系統，此類系統與傳統衛星通信系統最大的不同在于承載的業務由低速的數據及話音（64kbit/s以下）轉變為圖像、聲音、視頻相結合的高速率、交互式寬帶多媒體業務，這類業務也稱為衛星寬帶多媒體業務。

1 概述

針對系統終端的傳輸能力，歐洲電信標準化組織基于終端所能夠提供的基本信息速率對寬帶多媒體衛星給出了界定 ：①固定終端（如小型甚小口徑天線等）應不低于2.048Mbit/s；②移動終端（如手持機等）應不低于64kbit/s；③可搬移式終端（如便攜站等）應與固定終端大體相同。

衛星寬帶多媒體業務范疇

傳統衛星系統根據承載業務不同可分為廣播衛星業務（BSS）系統、固定衛星業務（FSS）系統和移動衛星業務（MSS）系統等。然而寬帶多媒體衛星系統的出現打破了原有基于業務對衛星系統的劃分，無論是廣播衛星業務系統的高清電視（HDTV）業務、固定衛星業務系統的寬帶因特網接入業務，還是移動衛星業務系統的移動多媒體業務都可以劃歸衛星寬帶多媒體業務的范疇。衛星寬帶多媒體業務已經滲透到傳統的三大業務系統（廣播衛星業務、固定衛星業務、移動衛星業務）當中，而且在衛星寬帶多媒體業務的推動下，三大業務系統不斷融合，已超出了原有系統業務定義的范疇，如移動衛星業務系統與廣播衛星業務系統促生的移動多媒體廣播業務、固定衛星業務系統與廣播衛星業務系統促生的直播到戶（DTH）業務，移動衛星業務系統與固定衛星業務系統促生的寬帶“動中通”業務等等。

當前，寬帶多媒體業務在固定衛星業務系統中應用的最為成熟。該類系統大都基于多頻時分多址接入（MF-TDMA）和基于衛星的第二代數字視頻廣播（數字視頻廣播－S2）標準，采用Ka或者更高頻段。它無需鋪設昂貴的地面基礎設施便可實現網絡的快速部署，從連接邊遠地區的信息孤島到災后的應急通信都具有天然的優勢，是全球信息基礎設施不可缺少的一部分。該類系統的主要特色，一是能夠無縫承載因特網中的各種多媒體業務；二是系統用戶容量大，運行效率高。

2 典型系統

根據美國工業協會（SIA）和富創（Futron）咨詢公司2011年8月聯合發布的衛星工業發展報告，截止2010年，北美的寬帶衛星用戶已經超過100萬。據估計目前北美約有1400萬的人居住在現有地面寬帶網絡無法覆蓋的地區，而歐洲目前約有1500萬人無法通過地面光纖或ADSL接入地面寬帶網絡。美國聯邦通信委員會（FCC）最新公布了一項國家寬帶計劃，其目標是在未來10年內使1億美國家庭享受到100Mbit/s速率的寬帶服務，其中利用寬帶多媒體衛星系統實現寬帶接入是其重要組成部分。

北美寬帶衛星用戶數統計

2004年以來，世界各國有關寬帶多媒體衛星系統的研制和發射活動接踵不斷，太空之路－3（Spaceway－3）、Amerhis、“超高速因特網衛星”（WINDS）、“寬帶全球衛星通信”（WGS）、國際通信衛星－14（Intersat－14）等寬帶多媒體衛星的成功發射標志著美國、西歐、日本都已具備寬帶多媒體衛星系統的研制與發射能力。2009年以來，北美和歐洲針對寬帶多媒體衛星系統的投入掀起新一輪熱潮，國際知名衛星運營商、制造商紛紛推出新的寬帶多媒體衛星系統計劃。從寬帶多媒體衛星系統的發展可以看出，2009年以前的寬帶多媒體衛星系統大都基于星上基帶交換，交換方式涵蓋了從電路交換到分組交換再到IP路由等各種體制。2009年以后，互聯網的發展使寬帶多媒體衛星系統的應用模式，主要集中在寬帶接入、廣播和組播3個方面。由于用戶終端之間直接互通的需求較小，系統容量及可靠性成為衛星運營商關心的主要技術指標，為了保證系統運行的可靠性并盡可能減輕有效載荷的質量，這些衛星又重新采用了透明轉發器，相比傳統透明轉發器衛星，高等效全向輻射功率和密集多點波束技術使整星容量可達幾十吉比特每秒甚至上百吉比特每秒，典型的代表是2011年發射的衛訊－1（Viasat－1）、“Ka頻段衛星”以及計劃中的國際移動衛星－5系列，衛星工業界將這類衛星統稱為高吞吐量衛星。在終端多址接入方式上，所有寬帶多媒體衛星系統基本都以多頻時分多址為主，與其他多址方式相比，多頻時分多址方式更適合大容量寬帶多媒體衛星系統的管理和海量用戶終端的高效接入，在前向廣播模式上，大都采用成熟的數字視頻廣播－S2標準。

“超高速因特網衛星”在軌示意圖

寬帶多媒體衛星系統概要匯總

3 標準化進程

2000年以來，全球各標準化組織加大了寬帶多媒體衛星系統相關的標準化工作，包括國際電信聯盟、歐洲標準化組織、美國電信工業協會、因特網工程任務組、數字視頻廣播組織和衛星實驗室等。其中，國際電信聯盟無線電通信組出臺的S.1709建議給出了寬帶多媒體衛星系統的網絡架構及空中接口的一般性描述，S.1711建議給出傳輸控制協議（TCP）在寬帶多媒體衛星系統中的優化解決方案。

相比較而言，影響力最大的是歐洲標準化組織下屬的衛星地面站與系統技術委員會。該組織從傳輸控制協議/IP分層設計的角度對寬帶多媒體衛星系統體系架構進行設計，將寬帶多媒體衛星系統劃分為獨立于衛星的層面和與衛星相關的層面，獨立于衛星層包括基本適用于所有衛星通信系統的網絡層功能如IP尋址、組播及服務質量（QoS）保障等；衛星相關層包括與衛星通信系統本身設計相關的功能，主要指物理層（SPHY）、媒體接入控制（SMAC）和邏輯鏈路控制層（SLC）的相關功能等。

獨立于衛星層和與衛星相關層之間通過獨立于衛星的服務接入點相連。作為獨立于衛星層和與衛星相關層之間的公共接口，服務接入點主要完成獨立于衛星和與衛星相關層之間服務的承接與映射。為了使獨立于衛星層和與衛星相關層能夠通過服務接入點進行很好的銜接，歐洲標準化組織在獨立于衛星和與衛星相關層又分別定義了獨立于衛星的適配功能層（SIAF）和與衛星相關的適配功能層（SDAF），各層之間的交互通過原語進行。獨立于衛星的服務接入點通過寬帶多媒體衛星-ID進行地址管理。獨立于衛星的適配功能層和衛星相關的適配功能層功能：①獨立于衛星的適配功能層：位于網絡層，負責完成網絡層協議到獨立于衛星層的服務接入點的適配；②與衛星相關的適配功能層：位于鏈路層，負責完成衛星相關層協議族到獨立于衛星層的服務接入點的映射。

獨立于衛星的服務接入點完成的功能從邏輯上可以劃分為用戶面、控制面和管理面3個部分。其中，用戶面完成數據傳輸功能；控制面完成地址解析、組播組管理、資源管理、流量控制和安全性等功能；管理面完成網絡及安全管理方面的部分功能。

從實現方式上，衛星相關層協議族可以分為基于星上基帶交換（RSM-A、B）和透明轉發（TSS-A、B）兩大類。這些標準的共同點在于：下行（或前向）的廣播均采用時分復用模式（TDM）廣播體制，除RSM－A之外，廣播均基于數字視頻廣播－S/S2標準實現；上行（或反向）鏈路均基于多頻時分多址為主的體制。特別需要指出的是，各標準針對物理層接口和各種消息信令格式進行了規范，但對物理層以上尤其是IP業務到鏈路層的映射及帶寬管理相關算法并未涉及，設備制造商可以根據實際需求進行設計。

寬帶多媒體衛星系統協議棧

歐洲標準化組織判定的寬帶多媒體衛星標準命名規則

歐洲標準化組織制定的寬帶多媒體衛星標準分類

寬帶多媒體衛星系統相關標準匯總

國際電信聯盟無線電通信組在I.112建議中給出兩類寬帶網絡典型業務，一是電信業務，二是承載業務。其中承載業務主要涉及OSI模型的1～3層，這種業務通常是在用戶到網絡的接口（UNI）、網絡到網絡的接口（NNI）或網絡到網絡的接口與用戶到網絡的接口之間。在地面基礎設施被破壞的情況下可以利用衛星實現業務的回程傳輸，這使得寬帶多媒體衛星系統與各種異構網絡互聯的需求越來越迫切；為了支持移動用戶在不同寬帶網絡中的無縫切換，美國電氣和電子工程師協會（IEEE）802.21定義了獨立于媒介的切換（MIH）架構，針對不同的鏈路層技術定義了統一的接口，寬帶多媒體衛星系統作為重要組成部分也在其中。因此包括寬帶多媒體衛星系統在內的各種異構網絡根據SLA提供統一的服務質量保障成為今后發展的方向。為了保障寬帶多媒體衛星系統中各種IP業務的服務質量，歐洲標準化組織根據國際電信聯盟、因特網工程任務組對IP服務質量的相關定義（G.1010，Y.1541，Y.122等）結合寬帶多媒體衛星系統的特殊性劃分了8個服務等級，并給出不同處理方式的建議。

寬帶多媒體衛星系統業務類型劃分

4 結束語

在寬帶多媒體衛星系統業務需求和標準化進程的推動下，寬帶多媒體衛星系統與移動及寬帶網絡融合的趨勢越來越明顯，強大而豐富的業務分類使寬帶多媒體衛星系統在設計時需要考慮的因素日益增多，基于標準進行寬帶多媒體衛星系統的開發建設是必然趨勢。