寬帶IP衛(wèi)星通信技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展(上)

2019-11-04 11:48:55

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供稿：網(wǎng)友

　　寬帶ip衛(wèi)星通信技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展(上)

　　一、寬帶IP衛(wèi)星通信技術(shù)的現(xiàn)狀

　　近年來(lái)，第二代移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)的成功和因特網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的急劇增長(zhǎng)表明未來(lái)用戶的需要是“能在任何地點(diǎn)和任何時(shí)間使用交互的非對(duì)稱多媒體業(yè)務(wù)”。以多媒體業(yè)務(wù)和因特網(wǎng)業(yè)務(wù)為主的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)已成為當(dāng)前通信發(fā)展的新熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)的使用價(jià)格昂貴，而且不能適應(yīng)目前多媒體業(yè)務(wù)和因特網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，不能開(kāi)拓大眾消費(fèi)市場(chǎng)。面對(duì)各種系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)，如何在技術(shù)上保證提供業(yè)務(wù)的低價(jià)優(yōu)質(zhì)，占領(lǐng)市場(chǎng)，是寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)得以生存和發(fā)展的要害。進(jìn)入90年代以來(lái)，商業(yè)網(wǎng)絡(luò)逐漸向應(yīng)用TCP/IP因特網(wǎng)協(xié)議的分組交換型網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。寬帶IP衛(wèi)星技術(shù)是這種網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)的結(jié)果。它是將衛(wèi)星業(yè)務(wù)搭載在IP網(wǎng)絡(luò)層上營(yíng)運(yùn)的技術(shù)。這種技術(shù)有利于吸收采納目前蓬勃發(fā)展的IP技術(shù)，降低技術(shù)成本。IP網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性也有助于降低業(yè)務(wù)成本，使衛(wèi)星通信在大眾消費(fèi)市場(chǎng)上可以和地面系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)。

　　96年，美國(guó)NASA的ACTS衛(wèi)星（AdvancedCommunicationsTechnologySatellite）進(jìn)行了622Mbits/s的ATM試驗(yàn)，驗(yàn)證了TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星ATM平臺(tái)上的可行性。美國(guó)馬里蘭大學(xué)采用真實(shí)的多媒體源在這個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行了一個(gè)仿真分層網(wǎng)的通信實(shí)驗(yàn)。

　　已經(jīng)進(jìn)入商用化的可以提供衛(wèi)星IP傳輸?shù)南到y(tǒng)稱之為衛(wèi)星IPoverDVB系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)開(kāi)展衛(wèi)星因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的初步嘗試由休斯公司的DirecPCTurboInternetservice成功實(shí)現(xiàn)。這些系統(tǒng)都是根據(jù)大多數(shù)多媒體業(yè)務(wù)用戶的業(yè)務(wù)特點(diǎn)（下載大量視頻、音頻和數(shù)據(jù)信息，但上載信息很小）而設(shè)計(jì)的。它們使用非對(duì)稱傳輸方式來(lái)降低用戶終端費(fèi)用，并在北美獲得較大的市場(chǎng)。歐洲也在積極發(fā)展這樣的非對(duì)稱系統(tǒng)。

　　但是這些早期的應(yīng)用離未來(lái)對(duì)寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的要求還有一些距離，在市場(chǎng)定位上還處于探索階段。目前美國(guó)和歐洲各國(guó)在衛(wèi)星IP技術(shù)方面做了一些嘗試。99年5月11日歐洲發(fā)射了ASTRA衛(wèi)星，組成寬帶、面向大眾的“空中因特網(wǎng)”衛(wèi)星系統(tǒng)。

　　二、寬帶IP衛(wèi)星通信技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

　　目前提出的寬帶IP衛(wèi)星系統(tǒng)都采用基于ATM的傳輸技術(shù)。一些國(guó)家，如美國(guó)、歐洲、日本、澳大利亞對(duì)衛(wèi)星ATM層和物理層性能測(cè)試的結(jié)果表明，ATM的性能可以滿足ITU-TG.826和I.356的目標(biāo)要求。假如系統(tǒng)采用RS塊狀編碼、交織、FEC技術(shù)，衛(wèi)星鏈路可達(dá)到準(zhǔn)光纖鏈路質(zhì)量，ATM可以作為衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

　　但是衛(wèi)星ATM實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜，與現(xiàn)在的衛(wèi)星傳輸技術(shù)有很大不同。在衛(wèi)星ATM的分層實(shí)現(xiàn)上，存在兩種不同的觀點(diǎn)，一種是不改變現(xiàn)有衛(wèi)星的協(xié)議結(jié)構(gòu)，只是將ATM協(xié)議放在非ATM的衛(wèi)星協(xié)議平臺(tái)上。另一種觀點(diǎn)是衛(wèi)星網(wǎng)采用完全的ATM結(jié)構(gòu)，其中衛(wèi)星部分的ATM層是S-ATM（以區(qū)別地面固定網(wǎng)中的ATM層），支持傳統(tǒng)ATM業(yè)務(wù)、TCP/IP應(yīng)用和UDP/IP應(yīng)用。前者的優(yōu)點(diǎn)是衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)不同用戶終端的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是透明的；衛(wèi)星訪問(wèn)協(xié)議止于關(guān)口站，不會(huì)為外界網(wǎng)看到；不需要修改現(xiàn)行的衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是很難為各種不同的協(xié)議都提供最好的性能。具有這種分層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星ATM稱之為在非ATM上的ATM封裝。后者的優(yōu)點(diǎn)是適用于一個(gè)高度集成的星地ATM環(huán)境。缺點(diǎn)是協(xié)議復(fù)雜，需要修改現(xiàn)有的各種衛(wèi)星協(xié)議和網(wǎng)間接口協(xié)議。

　　在無(wú)線ATM移動(dòng)性目標(biāo)治理方面，目前已解決了ATM終端用戶在大樓或校園內(nèi)的實(shí)時(shí)移動(dòng)治理問(wèn)題，試驗(yàn)的移動(dòng)距離從數(shù)米到數(shù)百米，數(shù)據(jù)率為2-24Mb/s，頻段為2.4GHz或5GHz。但是，含有ATM交換機(jī)的子網(wǎng)整體的移動(dòng)性治理至今未能解決。該領(lǐng)域內(nèi)也鮮有工作。該應(yīng)用的典型例子是在一架大型客機(jī)上有一個(gè)ATM網(wǎng)絡(luò)提供機(jī)上數(shù)百名乘客通信和娛樂(lè)業(yè)務(wù)。在此環(huán)境下，終端用戶相對(duì)服務(wù)平臺(tái)不動(dòng)，但整個(gè)ATM網(wǎng)相對(duì)地面網(wǎng)是移動(dòng)的，兩者之間通過(guò)衛(wèi)星建立通信鏈路。一個(gè)新的移動(dòng)治理目標(biāo)是在全球衛(wèi)星與飛機(jī)間通信的特定環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)段（即含有一個(gè)或一個(gè)以上交換機(jī)的ATM子網(wǎng)）的移動(dòng)治理。這一目標(biāo)可以發(fā)展為未來(lái)全球N-GEO寬帶衛(wèi)星ATM系統(tǒng)的移動(dòng)治理目標(biāo)。以Teledesic系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)的288顆低軌相對(duì)靜止衛(wèi)星和地面設(shè)備都是移動(dòng)的，其網(wǎng)絡(luò)段的移動(dòng)治理是一個(gè)重要的問(wèn)題，直接影響系統(tǒng)性能。

　　三、寬帶IP衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
　　3.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繼續(xù)沿衛(wèi)星ATM方向發(fā)展
　　（1）實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)的網(wǎng)間交互控制
　　為滿足多媒體業(yè)務(wù)需要，往往有不同的寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如ATM、幀中繼、高速以太風(fēng)和不同的交換技術(shù)如ATM分組交換、IP交換和LAN交換，以便在同一個(gè)網(wǎng)際環(huán)境中提供所需的骨干數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的多媒體傳輸就必須將這些不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和交換技術(shù)協(xié)調(diào)起來(lái)。在IP傳輸網(wǎng)方面，目前國(guó)外研究的重點(diǎn)是評(píng)估在高速IP風(fēng)中能保證QoS的各種路由和資源治理策略，包括RSVP（ResourceReSerVationPRotocol）、分組規(guī)劃（packetscheduling如平等排隊(duì)fair-queuing）和其它一些實(shí)時(shí)路由控制協(xié)議如RTP（Real-timeControlProtocol）、RTCP（Real-TimeControlProtocol）、RTSP（Real-TimeStreamingProtocol）等。RSVP和分組規(guī)劃是一種資源預(yù)留協(xié)議，位于IP協(xié)議棧的上面，需要下層路由的支持。RTP和RTCP協(xié)議一般運(yùn)行在UDP/TCP的上面，用于解決端到端的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸?shù)亩〞r(shí)問(wèn)題，包括定時(shí)對(duì)準(zhǔn)（timestamping）、分組編號(hào)（sequencenumbering）等。RTP和RTCP協(xié)議經(jīng)過(guò)修改可以運(yùn)行在CLNP（ConnectionlessNetworkProtocol）、IPX（InternetworkPacketExchange）、AAL5/ATM或其它協(xié)議之上。RSVP根據(jù)實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)流在業(yè)務(wù)提供者和用戶之間連續(xù)流動(dòng)的特點(diǎn)，在IP網(wǎng)上提供遠(yuǎn)端流控機(jī)制，使用戶在一邊播放已解碼的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀，一邊解壓收到的數(shù)據(jù)幀的同時(shí)，能接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，保證播放的連續(xù)性。在ATM傳輸網(wǎng)方面，一些研究者將一些IP網(wǎng)的路由技術(shù)和ATM相融合以期更好地解決衛(wèi)星多媒體業(yè)務(wù)的QoS問(wèn)題（如RSVPoverATM）。除此之外，在實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)交換技術(shù)方面出現(xiàn)了一些新技術(shù)，如IP交換、tag交換、結(jié)合I-PNNI的MPOA（MultiprotocoloverATM）技術(shù)等。這些新技術(shù)將IETF（InternetEngineeringTaskForce）和ATM論壇新近研究的建議適用于衛(wèi)星寬帶網(wǎng)的環(huán)境，希望更好解決網(wǎng)際間實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)傳輸?shù)幕ゲ僮鲉?wèn)題。
　?。?）提高ATM衛(wèi)星環(huán)境下端到端的TCP性能
　　未來(lái)的寬帶衛(wèi)星網(wǎng)將和地面ATM/BISDN一起構(gòu)成寬帶INTERNET網(wǎng)（由于衛(wèi)星信道的延時(shí)較地面長(zhǎng)，其擁塞控制與地面網(wǎng)有很大的不同）。為有效傳送Internet業(yè)務(wù)，有必要分析一下端到端的TCP性能。地面終端通過(guò)星上交換機(jī)建立虛通道（VCs）來(lái)傳輸ATM信元。為實(shí)現(xiàn)有效的擁塞控制，除流控和VC治理外，地面終端還必須提供IP網(wǎng)和ATM網(wǎng)之間擁塞控制的機(jī)制。星上的ATM交換機(jī)必須采用信元和VC級(jí)的業(yè)務(wù)量治理機(jī)制。TCP主機(jī)也要利用各種擁塞控制機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的帶寬利用。但是目前在算法上還存在很多爭(zhēng)議。
　　在實(shí)現(xiàn)與ATM/BISDN的互連方面需要對(duì)星地綜合的寬帶ATM網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)治理。
　?。?）移動(dòng)治理
　　為了解決目前的移動(dòng)治理協(xié)議效率低的問(wèn)題，近期提出了若干新的移動(dòng)治理方案。比如TsuguoKato等人提出的一種高效移動(dòng)治理方案，該方案基于ATM面向連接和非連接方式的混合模型，為要求QoS保證的業(yè)務(wù)提供類似ATM-SVC（switchedvirtualconnection）的路由，并為要求“盡力傳輸”的業(yè)務(wù)提供類似ATM-CL（connectionless）的路由。其路由策略依照邏輯子網(wǎng)原理進(jìn)行優(yōu)化。在支持含有ATM交換機(jī)的子網(wǎng)整體的移動(dòng)性治理方面，SankarRay，Boeing提出了將ATM論壇的專用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口（PrivateNetwork-NodeInterface，PNNI）V.1協(xié)議擴(kuò)展為一個(gè)支持網(wǎng)絡(luò)段移動(dòng)的有關(guān)定位治理和路由的建議。
　　3.2　新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能后來(lái)居上
　　近年來(lái)IP和多媒體技術(shù)在衛(wèi)星中的應(yīng)用已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。ITU-R第四研究組于1999年4月26日至5月7日在瑞士日內(nèi)瓦舉行了WP4A、WP4B、4SNG、SG4會(huì)議。在WP4B會(huì)議上，IP和多媒體技術(shù)在衛(wèi)星中的應(yīng)用作為新技術(shù)課題提案獲得了通過(guò)，這對(duì)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展具有重要影響。參加這次大會(huì)的有關(guān)人士認(rèn)為，IP很有可能成為未來(lái)的主要通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，大有取代目前占主導(dǎo)的ATM技術(shù)的勢(shì)頭。IP數(shù)據(jù)包通過(guò)衛(wèi)星傳輸?shù)目捎枚群托阅苣繕?biāo)與ITU-TG.826和ITU-RS.ATM建議要求是不同的，有關(guān)研究將在2001年完成。要害技術(shù)研究包括衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；支持衛(wèi)星IP運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議的性能需求；IP層協(xié)議或能加強(qiáng)衛(wèi)星鏈路性能的更高層協(xié)議，需要作什么樣的潛在改善；IP保密安全協(xié)議及相關(guān)問(wèn)題對(duì)衛(wèi)星鏈路的要求將產(chǎn)生什么影響；ITU-R為提供與ITU-T和其它標(biāo)準(zhǔn)化組織最合適的聯(lián)絡(luò)應(yīng)作出什么樣的安排等方面。這種技術(shù)若能實(shí)現(xiàn)與地面IP網(wǎng)絡(luò)兼容，半直接影響衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的發(fā)展。
摘自《衛(wèi)星通信廣播電視》

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