數字衛星通信簡介

+ 沈偉民 中國電信股份有限公司上海分公司應急通信局

數字衛星通信簡介

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本文主要以地球站數字業務為例，例舉了衛星通信中的三類數字業務：IDR和IBS系統、DVB-S系統和VSAT系統。

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

在現代衛星通信是數字通信網絡的重要組成部分，各種新理論、新技術在這一領域內的成功應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的各種數字業務為例，對數字衛星通信作一簡單介紹。

一、IDR和IBS系統

IDR是國際衛星通信組織INTELSAT為適應ITU-T（包括G系列和I系列）推薦的各種數字傳輸速率而開發的一種中等數據速率系統。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傳輸速率及通信質量符合ISDN要求，其電路不僅能建立專用的數字通信網而且還能與國際公眾電話網相連接。通過IDR電路可用作各種國際或國內通信業務，如話音通信、數據傳輸、文字資料分配、ISDN等。

對于傳輸速率低于2Mb/s的衛星數字電路稱為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）標準速率進行傳輸而建立的一種IDR電路。

IBS是INTELSAT開發的另一種衛星綜合數字業務，可提供話音、數據、電視會議等各種商用應用業務，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。IBS電路一般不能與國際公用電話交換網連接。

IBS與IDR的工作原理是一致的：將2Mb/s的PCM基群信號通過調相以頻分多址形式傳輸，其傳輸制式為TDM/PSK/FDMA。在技術上，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）、Viterbit軟判決譯碼（IBS中可以是序列譯碼）、QPSK（IBS中可以是BPSK）調制方式；為充分利用衛星信道，可采用DCME（電路倍增設備）；對于低速率電路還采用了Drop&Insert技術。

為了提供令人滿意的傳輸質量IESS（INTELSAT地球站標準）規定了相對應于ISDN標準的QoS（服務質量）。如對于C波段，晴天條件下，IDR和一般IBS系統提供的BER在99.9%時間內等于或優于10-8；在惡劣天氣條件下，99.96%時間內BER等于或優于10-3。對于采用可選技術如RS編碼的系統質量更高。從IS-VII衛星開始，INTELSAT推薦名為TCM/IDR和TCM/IBS系統。在信息速率64Kb/s～44.736Kb/s范圍內使用內碼碼率為2/3的格狀編碼（TCM）和外碼碼率為219/201的RS編碼組成的FEC編碼系統并且采用8PSK調制技術。這兩種系統的服務質量優于一般IDR和IBS系統而且節約了衛星帶寬資源，使得通信成本更加低廉。

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

二、DVB-S系統

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

與模擬衛星廣播相比，DVB-S提供了高質量的電視節目傳送。數字信號在傳輸過程中有一些天然的優點：具有再生能力、抗干擾性強、不易失真等，使得畫面有效像素可達720×576即達到數字演播室的節目質量；同時由于采用了視音頻壓縮技術，在傳送畫面的同時可傳輸多路優質音頻。其次，DVB-S傳輸帶寬小，所需發射功率低。信號傳輸帶寬與傳輸碼率有關，傳輸碼率又與圖像內容有關。運動圖像越多，傳輸碼率越大，占用的頻帶越寬。如體育節目比卡通片、電影節目需要傳送的碼率大。目前，INTESAT對于一路SCPC電視節目分配的帶寬可達9MHz，完全有能力傳送一路符合ITUREC. TB 601建議的演播室質量的4：2：2信號。而原來的模擬通道則達20MHz。數字電視的圖像質量與誤碼率（BER）有關，與模擬衛星廣播相比發端可以用較小的發射功率，收端接收到相應較小的載噪比后就能在相應的BER范圍內得到較高的滿意度。在模擬衛星廣播中，為了提高節目傳輸質量需要較高的載噪比，發信地球站高功放（HPA）輸出要達數百瓦，而DVB-S只要幾十瓦就足夠了。最后，DVB-S便于實行節目的有條件接收。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目，付費電視業務就是一種有條件接收。顯而易見，采用數字信號之后加擾就成為非常容易的事情了。

DVB-S的關鍵技術是碼率壓縮和通道編碼方法。同DVB-C、DVB-T系統一樣，DVB-S采取通用的MPEG-2視頻和音頻編碼。模擬信號PCM數字化后每秒的數據量為100Mbit，CCIR601格式為216Mbit，MPEG-2是將如此巨大的數據量進行去除冗余度以壓縮碼率，為下一步衛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目，必須首先將多個節目的比特流采用統計復用的方法復合成一個傳輸包，這樣能在不同碼率需要的節目間靈活地分配總數碼率。對需要有條件接收的電視信號，還可以通過加擾系統和密鑰管理系統進行加密以便于收費管理。為了適合進一步的衛星信道傳輸還要進行通道編碼，DVB-S稱之為衛星信道適配器。它包括由各種碼率（1/2、2/3、3/4、5/6、7/8）的卷積編碼為內碼（收信端用Viterbit軟譯碼）和188/204碼率的RS編碼為外碼構成的FEC編碼，卷積交織技術，QPSK或8PSK的調制技術等。

DVB-S是一個服務性能良好的系統。在接收機內，內碼輸入端有很大的誤碼率時系統仍能很好地工作，這一誤碼率在10-1到10-2。經內碼校正輸出即可達到10-4或更低的誤碼率（超過10-3被認為是RS解碼的極限）。這一誤碼率相應于外碼輸出近似無誤碼（QEF），即誤碼率可在10-10到10-11。根據IESS-503建議，對內碼碼率采用3/4的衛星數字電視傳輸其Viterbit解碼輸出BER要達到2×10-4，極限EB/ NO=5.9dB（射頻段測得），相應與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技術實驗室測量表明BER大于10-8的數字電視主觀上開始有質量降低的感覺。

三、VSAT系統

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，由主站應用管理軟件高度監測和控制的小型地球站。VSAT系統誕生于20世紀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VSAT系統保持了高度發展的勢頭。

VSAT主要用于專用網，典型的用戶群包括銀行和商業網點、航空公司和賓館預定機構、分支機構分布較廣的大型零售商店。近年來VSAT也用來Internet接入、遠程教育、遠程醫療等。

VSAT與一般衛星通信系統的差別首先在于VSAT是業務不平衡網絡。VSAT系統由主站、衛星和一系列遠端小站組成。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。出站鏈路的數據流可以是連續的，而入站鏈路的信息必須是猝發性工作，業務量很小。所以說，出站鏈路與入站鏈路的業務量是不平衡的。

其次，VSAT具有自身特色的傳輸體制。VSAT系統中的主站一般是以廣播方式給各小站發布信息，最常用的傳輸方式是時分復用。該信息被廣播出去即可被網內所有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據按照一定的多址協議，如SCPC、FDMA、TDMA、CDMA、ALOHA、FTDMA等。為了提高信道利用率，在某些系統中采用上述某種形式的按申請分配多址方式（DAMA），信道的分配是根據網內VSAT小站的請求來動態分配。

再次，VSAT系統如何克服延時效應帶來的問題是衡量信號質量和網絡利用率的關鍵因素。VSAT的延時除了與通信設備、數據處理等工作有關外，還與衛星鏈路傳輸時延有關。在網狀VSAT系統中，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。對于需要發出確認和響應信號的運用TCP/IP協議的VSAT通信中，這種傳輸時延更大。因為TCP/IP是一種可靠的協議，它是通過滑動窗口策略來實現流量控制、擁塞控制及流量恢復的。接收端一旦達到最大窗口尺寸，發送端數據將停止發送，只有在確認信息被收到后，才會再次啟動發送。由于存在固有的衛星鏈路時延，發送端總是在接收窗口達到極限后才能收到接收端發出的確認信息。這樣就會使TCP協議擁塞和流量恢復策略的性能降低。除此之外，按照滑動窗口滑動策略，最大傳輸速率（最大數據吞吐量）受到最大接受窗口和衛星鏈路延時的限制，即最大數據吞吐量=最大接收窗口÷衛星鏈路時延。在TCP協議中最大接收窗口為64K字節，衛星雙跳時延為0.5s，則最大數據吞吐量=64×1024×8÷0.5=1.049Mb/s。這就意味著即使衛星信道的發送速率超過1.049Mb/s，它實際的最大發送速率也被限制在該值以內。因此如何補償衛星時延是VSAT系統要考慮的重要的技術因素。

最后，VSAT系統中主站和遠端小站需要配備合適的收、發信設備。VSAT是一個不平衡網絡，為適應遠端小站天線小、發射功率低的特點，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系統為例介紹VSAT工作過程和主要技術。

SkyBlaster網絡由主站（Hub）、衛星通道、若干遠端站組成的星型交互式VSAT衛星通信系統。主站有一個出站鏈路單元、一個入站鏈路單元、若干應用服務器和一個網管系統（NMS）。遠端站是VSAT，有天線、室外單元（ODU）、PC機、衛星接收卡和發射卡等組成。系統的控制與管理由主站通過NMS進行。NMS連續地獲得最新的系統狀態。應用部分包括視頻編碼、多點廣播、Internet接入等由主站專門的相關服務器負責。遠端小站既可以當作供個人使用，也可作為服務器通過LAN供多用戶使用。

SkyBlaster運用全方位的DVB解決方案。由應用服務器產生的IP數據流通過以太網送到主站傳輸服務器（HTS）進行處理，然后送到IPE進行IP打包并以DVB數據流格式輸出至DVB調制器，進行一系列適合于衛星通道傳送的處理。如采用QPSK或8PSK（入站鏈路中采用MSK解調）、卷積編碼（小站接收用Viterbi譯碼）、RS編碼等，調制器輸入數據速率為1.0Mb/s～52Mb/s。

SkyBlaster系統運行著一個簡單的地址欺騙系統。每個遠端小站具有兩個IP地址：一個地址是回傳信道地址；另一個是SkyBlaster板卡地址。遠端小站客戶發送的請求命令由回傳信道發出，盡管這個請求的源地址按道理應當是回傳信道的地址，但在此時被換成了SkyBlaster卡的地址。這樣，來自被訪問服務器的應答就通過一系列設備到達遠端SkyBlaster卡。在遠端小站內部把上述SkyBlaster地址映射到回傳信道地址，對于遠端小站應用本身而言，面對的是一個透明的IP信道。

SkyBlaster采用TCP/IP流量優化方案。SkyBlaster在主站安裝了TCP/SAT服務器，并在所有遠端SkyBlaster客戶端都安裝并運行TCP/SAT客戶軟件。當一個遠端小站要下載信息時，主站與該地的SkyBlaster客戶端計算機的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服務器之間使用一個在UDP上面的專有協議建立一個會話。然后，TCP/SAT服務器與遠端小站所請求訪問的服務器之間建立一個TCP/IP會話。這樣在引起時延的衛星鏈路上傳輸的業務不采用TCP協議，而是UDP協議，從而解決了衛星信道吞吐量問題。

SkyBlaster提供可靠的IP多點廣播。IP多點廣播克服了TCP/IP協議點對點低效率傳輸的限制，允許單個數據拷貝到所有指定的應用，從而顯著地改善了網絡性能和效率。而且廣播是衛星固有的能力，它極大地簡化了IP多點廣播。然而多點廣播通信是基于UDP協議的，UDP協議雖然提供了高效及時的用戶數據報服務，但它是一種無連接不可靠的通信。為了使多點廣播可靠，SkyBlaster采用了有效的否定應答機制來取代肯定應答。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入站鏈路結構以一個二維（時間和頻率）接入機制為基礎，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，遠端小站隨機選擇一個頻率信道以突發方式進行發送，每次發送都從某個時隙的起始處開始。每個遠端小站發送數據的突發速率可以是38.4Kb/s、76.8Kb/s、153.6Kb/s。系統采用改進的時隙ALOHA訪問方式，多個遠端小站在TDMA基礎上共享同一個衛星入站鏈路帶寬，這是一種競爭機制。每個遠端小站在預定義的可用帶寬范圍內隨機選擇一個頻率以突發方式發送信息。若發生了碰撞，則在隨后一個時隙再次隨機選擇一個頻率重傳數據包，從而將兩次碰撞的概率減至最小。這種隨機訪問（RA）方式對于那些短消息、輕負荷的交互式業務非常適用。對于大業務量的站點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采用了靈活的隨機訪問以及專用訪問機制，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系統為寬帶通信提供了一個優越的、基于IP解決方案的、高可靠的數據通信，目前廣泛地應用于公司培訓、交互式商務電視、數據傳送、Internet接入等。