您的位置: 网界网 > 周报全文 > 正文

[周报全文]跳跃的互联网——卫星通信

2001年03月19日 00:00:00 | 作者:佚名 | 来源:$page.getBroMedia() | 查看本文手机版

摘要:跳跃的互联网——卫星通信

标签

卫星通信,就是利用通信卫星作为中继站来转发无线电波,实现两个或多个地球站之间的通信。卫星通信是现代通信技术与航天技术相结合并由计算机实现其控制的先进通信方式。卫星通信具有覆盖面积(区域)大,通信传输距离远,通信频带宽、容量大,通信线路稳定、质量好,建设成网快、机动灵活,可以广播方式工作、便于实现多址联接,通信成本与通信距离无关等诸多优点。

通信卫星是指接收和转发中继信号,用来作为通信中介的人造地球卫星。按通信方式来分则可分为有源和无源两种。由于无源通信卫星只是反射电波,需要大功率的发射机,大尺寸的接收天线和高灵敏的放大接收设备,对发送和接收设备的技术要求较高,费用昂贵,因而难以实用;有源通信卫星则在卫星上装备了电源和接收、放大、发送设备,使地面接收设备简化,易于实现。目前运行的均为有源卫星。通信卫星多采用低轨、大椭圆或地球同步轨道。目前,通信卫星绝大部分采用地球同步轨道,在地球赤道上空约36000km外围绕地球的圆形轨道运行,绕地球转一圈的时间是24小时,刚好与地球自转同步,这样相对于地球上的某一区域就像是静止不动的一样,又叫同步卫星,也叫静止卫星,其运行轨道叫同步或静止轨道。我们常常提到的VSAT卫星和我国相继发射的几颗通信卫星都属于同步轨道卫星。近年来为大多数读者耳熟能详的几个全球移动卫星通信系统,国际移动通信卫星(ICO)、铱(Iridium)和全球星(Globalstar)系统都属于中轨道(MEO,5000km~15000km)、 低轨道(LEO,500km~1500km)卫星通信系统。通信卫星按工作区域可分为国际通信卫星、国内通信卫星和区域通信卫星。按应用领域则又可分为广播电视卫星、跟踪卫星、数据中继转发卫星、国防通信卫星、航空卫星、航海卫星、战术通信卫星、舰队通信卫星和军用数据转发卫星。

频率的划分

作为无线电通信的一种,频率的划分非常重要。卫星通信工作频段的选择和划分,直接影响卫星通信系统的通信容量、质量、可靠性、设备复杂程度和成本,也影响到与其它通信系统的协调。具体来说,要求频带足够宽,电波传播损耗尽可能小,外部噪声尽可能小,与其它微波通信设备间的干扰尽可能小等。

目前,大部分国际通信卫星均采用上行6GHz/下行4GHz频段,称为C频段,其中常规的500MHz带宽,上行5925~6425MHz,下行3700~4200MHz;575MHz带宽,上行5850~6425MHz ,下行3625~4200MHz。扩展的800MHz带宽,上行5850~6650MHz,下行3400~4200MHz。随着卫星通信业务量的增加,又开发使用了14/11、14/12GHz频段,称为Ku频段。全球通用为上行14~14.25MHz,14.25~14.5MHz,下行10.95~11.2GHz,11.45~11.7GHz 。第Ⅰ区使用,上行14.00~14.50GHz,下行12.50~12.75GHz。第Ⅱ区使用,上行14.00~14.50GHz,下行11.7~11.95GHz,11.95~12.20GHz。第Ⅲ区使用,上行14.00~14.50GHz,下行12.20~12.50GHz,12.50~12.75GHz (Ⅰ区包括欧洲、非洲、前苏联的亚洲部分、蒙古、伊朗西部边界以西的亚洲国家;Ⅱ区包括南、北美洲和格陵兰、夏威夷;Ⅲ区包括亚洲的其它部分(含中国、澳大利亚、新西兰)。另外还有30/20GHz,称为Ka频段,上行29.5~30GHz,下行19.7~20.2GHz。同步卫星移动业务使用1.6/1.5GHz频段,称为L频段:上行1626.50~1660.50MHz,下行1524~1529MHz。

天象对卫星通信的影响

通信卫星、地球、月亮和太阳夜以继日不停地在各自轨道上运行。当它们之间处于特定的相对位置时,会构成对卫星通信的影响,这就是通常所说的“天象影响”。地星食,当地球处在太阳和卫星之间,并成一条线的时候,由于地球阴影的原因,卫星的太阳能电池不能正常供电。日凌是影响卫星通信的另一种天象,其起因和地星食类似。也是在每年春分、秋分前后,太阳越过地球赤道平面,在卫星星下点,当地时间下午时分,卫星处于地球与太阳之间的连线上。这时,指向卫星的地球站的天线也就正好对准了太阳,强大的太阳噪声导致通信中断,即地球站收不到卫星信号了。这种现象就是日凌中断现象。日凌中断持续时间约6天,每次几分钟,约占全年通信时间的0.02%。

通信体制

卫星通信体制主要包括调制方式和多址方式。调制方式有FM、PSK(移项键控调制)等调制方法。而多址技术则用以解决用户入网时互不干扰地共用通信资源的问题。在一般卫星通信中采用的是FDMA、TDMA、CDMA等多址技术。

同步卫星

1945年,英国物理学家克拉克普在《无线电世界》杂志上发表题为《地球以外的中继》的文章,预言人类能够利用在赤道上空同步轨道上运行的卫星实现远距离的通信。今天,这已成为现实。在一颗通信卫星天线的波束所覆盖的地域内,各个地球站之间都可以通过卫星中继转发信号,实现通信。例如,当某地的地球站要和另一地区的地球站通信时,该站将无线电信号发射给卫星,卫星将收到的信号进行放大、频率变换等处理后再转发给另一地球站,于是就建立起该站和另一地球站之间的通信联系。一颗距地球表面36000km(距地心42000km)远的同步通信卫星,其天线波束覆盖地域(即对地面的视区)超过地球表面的42.4%,只需要把3颗相隔120°的同步卫星送上天,就可以实现除南北极之外的全球通信。

同步卫星通信有如下优点:通信距离远,经卫星“一跳”可及,最远的通信距离可达13000km。通信不受地理条件的限制(如山河海洋的阻隔),也不受自然灾害(如洪涝灾害、地震灾害等)和人为事件的影响。通信质量高。这首先是因为通常经过卫星一跳就可以把信息传送到对方,不像微波接力通信引入噪声;其次,无线电波主要在外层空间传播,所受大气折射和地面反射影响较小,有较好的传播特性。通信容量大,6万多人可同时打电话。适用于广播型和用户型业务。利用卫星通信可以在大范围内点对多点地传输电视、广播节目,这是难以用其它通信手段代替的。利用卫星通信,还可实现直达用户办公楼的交互数据传输,即也适用于用户型业务,通信灵活、机动。卫星通信可以在两点间提供中小容量的话音、数据通道,可以实现多址传输,还可以提供海上、空中移动通信服务。

同步卫星通信的缺点是:传输时延大。卫星通信中,信号经同步通信卫星一跳至对方地球站所实现的单向传输距离约80000km,要花费大约270ms的时间。高纬度地区难以实现卫星通信,在地球两极附近,存在卫星通信的“盲区”。地球的同步轨道只有一条,两颗卫星之间又必须有一定的间隔,因此轨道上可容纳的同步通信卫星数量受到限制。

卫星通信系统由空间段和地面段两部分组成。通信卫星和测控站合称为空间段。典型地面段即地球站。

地球站是卫星通信系统的重要组成部分,它一般由天线、馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备、电源设备、自动跟踪设备以及临近设备等组成。

抛物面天线的抛物面反射器把无线电波集中成窄窄的一束,有很强的方向性,减小无线电波在空间传播时的损失,保证通信卫星上的转发器和地球站设备接收正常的信号。凭借地球站中的自动跟踪设备,天线始终瞄准天空中的卫星。

地球站由高功率放大器、低噪声放大器、合路器、分配器、上变频器、下变频器、调制器、解调器以及基带设备等组成。以电话通信为例,电话信号先从长途电话局经地面传输系统传送到地球站。地球站中的基带设备等对信号进行处理,使之成为符合卫星传输的基带信号。然后此基带信号送入调制器调制成为70MHz或140MHz的中频信号。中频信号再经上变频器变频,变换为载频为6MHz的上行载波信号。此信号最后送至高功率放大器放大到所需的发射功率,由天线发往卫星。以上介绍的是信号在地球站发射设备中的处理过程。接收过程则正好相反。

甚小天线地球站(VSAT),略有不同。它天线直径小,一般只有0.3~2.4m。用户可凭借它直接利用卫星进行通信,而无需通过地面通信网的汇接。VSAT把高功率放大器、低噪声放大器和上、下变频器组合成为一个组件,叫做低噪组合器(LNB)或低噪声变频器(LNC),它可装在室外,用电缆与室内单元连通,从而简化了结构。

通信卫星由以下几种主要设备组成:天线系统是卫星收发无线电信号的出入口。根据通信需要,天线有全球波束天线、区域波束天线、国内波束天线和点波束天线等多种。空间转发器系统是卫星的主体,用于放大、变频进而转发天线收到的无线电信号。一颗通信卫星上有几个到几十个转发器,每个转发器能同时接收和转发多个地球站的信号。位置控制和姿态控制系统用于保持和控制卫星在轨道上的正确位置和姿态。遥测指令系统用于将卫星工作情况及时通知地面测控站,并接收地面测控站发出的指令信号,使星上设备按指令动作。电源系统用于提供星上设备工作所需的电能,包括太阳能电池阵、蓄电池组等。以上这些设备,都安装在用耐高温、轻金属材料做成的外壳内。

测控是跟踪、遥测、指令和监测(TTC & M)的简称。测控站的任务是准确可靠地跟踪、测量卫星,对卫星进行轨道修正、位置保持以及姿态保持等控制。一个测控站可以测控多颗卫星,但一颗卫星在同一时间只能由一个特定的测控站测控。

中、低轨道非同步卫星

中、低轨卫星系统能提供局部、区域和全球通信且有与之对应的网络结构。中、低轨卫星移动通信系统主要由三部分组成,即卫星、用户终端和关口站。这三部分通过相应的链路接续起来,构成各种卫星移动通信网络。这些链路有用户链路,馈送链路、星间链路。关口站用於卫星移动通信网与公共电话网和地面移动网之间的接口,它完成协议转换、流量控制、寻址、路由选择、分组的打包和拆包等功能。它也是卫星网到网管及卫星控制系统的接续点。有的关口站本身就有网络管理功能。

关口站通常使用高增益天线,而且要用几副天线接收几颗卫星信号。-个网使用的关口站数目很不相同,具有星上处理能力和星间链路的卫星移动通信网使用关口站较少。个人卫星通信的一个重要要求就是达到终端手持化,这当中手持终端的价格和重量因素涉及到个人卫星通信能否普遍使用的两个因素。

采用非同步中、低轨道卫星的优点:传播时延短,路径损耗低,能更有效地频率再用卫星研制周期短,能多星发射,卫星互为备份抗摧毁能力强,多星组网可实现真正意义的全球覆盖。

面向21世纪的现代MEO/LEO卫星通信具有下述一些基本特征:

(1)具有全球/区域覆盖能力,以适应未来个人化业务连接需要。

(2)利用极地轨道或网状覆盖倾斜轨道,一方面可弥补同步轨道资源的不足,另一方面又可支撑更优良的装备实施与业务性能的需要。

(3)通信业务向多样化、综合化方向发展,以期与未来多媒体高速信息传输相沟通。

(4)由于可能与全球个人业务相连接,用户终端可使用类似或兼容于陆地蜂窝移动系统的蓄电池供电的小型手持机。

(5)系统设计及网络结构可提供进入或组合于现有公用通信网及陆地移动通信网的能力。

(6)网络设计、系统构成、星间协调、星星处理等充分利用现代通信智能化、数字化及多媒体化的最新技术,以技术优势换取市场竞争和价格/性能比上的优势。

(7)除轨道资源扩充外,对频率资源亦进行积极扩充,包括利用或混合利用Ku、Ka甚至EHF等高频段,以及光频段开发,以满足高吞吐量宽带业务传输及馈线链路和星际链路的构成需要。

宽带卫星通信

最初,在人们的印象中地面宽带光纤网络的建设将导致卫星通信的逐步没落。然而由于卫星通信的特性,使它在新一代的宽带浪潮中扮演着同样重要的角色。特别是在中美海底光缆断裂期间,更引起人们的关注。

1990年起至今,卫星通信领域进入一个重要的发展新时期,LEO、MEO和混合式轨道卫星通信系统开始广泛应用于全球电信网,以满足宽带和移动用户的各种需求。而在利用卫星实现宽带互联网应用上,欧美已有十几个多媒体卫星系统设计方案相继问世。已出台的多媒体卫星系统主要有低轨大数量卫星群、同步轨道大功率卫星和中轨卫星群3种方案。它们针对不同的区域和用户,采用不同的轨道,各有特点。同步轨道卫星(GEO)的多点广播特性和低轨道卫星(LEO)的实时性和灵活性结合起来,可以很好地满足高速交互式业务和广播业务的需求。1同步轨道通信卫星星座系统:如劳拉空间公司的网络之星(Cyberstar),意大利阿莱尼亚宇航公司的欧洲太空之路(Euro Skyway),洛马公司的宇宙链路(Astro1ink)。同步轨道卫星星座三颗卫星就可基本实现全球覆盖,但因轨道较高,路径损耗较大,信号有较大的时延,对话音和图像传输质量有一定的影响。2低轨道卫星星座系统:典型的是比尔.盖茨和麦考倡议和投资的Te1edesic系统和阿尔卡特Skybridge。低轨道通信卫星的信号时延只有100ms左右,与目前陆地光纤系统大体相当,从而大大提高了话音和图像的传输质量,可在任何两个用户之间提供近似实时的交互式业务。但低轨道卫星星座要覆盖全球需要的卫星数目多,如Te1edesic设计卫星数目为288颗,Skybridge的设计卫星数目为64颗。相应地,系统的控制和网络的管理比较复杂,从而增加了成本,系统投资规模大。3同步轨道卫星和非静止轨道卫星的混合星座系统:休斯公司决定发展的太空之路(Spaceway),由8颗同步轨道卫星和20颗中轨道卫星组成。另外,劳拉空间公司的CyberStar准备和阿尔卡特的Skybridge联合起来。混合结构是为了利用同步轨道卫星和非静止轨道卫星各自的优点和能力。同步轨道卫星适合于广播分配业务和多播应用;而非静止轨道卫星因高度低、时延小允许快速交互式响应(+本站微信networkworldweixin),且因传输损耗小可使用小的低功率终端和小的天线。另外,未来卫星通信将会更多的使用Ka这一频段,而这一频段出现的雨衰现象已经可以得到较好的克服。

目前,在传统卫星通信业务继续应用的同时,非对称Internet接入业务 、交互式卫星远程教学、远程医疗、双向卫星会议电视、电子商务以及寻呼卫星覆盖等业务已在和正在应用实现过程中。

VSAT

对于国内的许多用户来说,VSAT可以说让人耳熟能详,特别是基于它的Direc PC等技术,已经有多家公司可以在国内提供宽带卫星数据接入服务。

VSAT是Very Small Aperture Terminal的简称,即甚小口径的终端,实际表示意义是指一类具有甚小口径天线的、非常廉价的智能化小型或微型地球站,可以方便地安装在用户处。

按VSAT的性质、用途、网络结构和某些特征来对其进行分类。按VSAT支持的主要业务类型不同,可分为以下三类:以话音业务为主的VSAT系统,如TES。以数据业务为主的VSAT系统,如PES。以综合业务为主的VSAT系统,如TSAT、NEXTAR。从VSAT网采用的网络结构来看,也可分为三类:星形结构的VSAT系统,如PES。网形结构的VSAT系统,如TES。

除了个别宽带业务外,VSAT卫星通信网几乎可支持所有现有业务,包括话音、数据、传真、LAN互连、会议电话、可视电话、低速图像、可视电话会议、采用帧中继接口的动态图像和电视、数字音乐等。VSAT网可对各种业务分别采用广播(点到多点)、收集(多点到点)、点到点双向交互、点到多点双向交互等多种传递方式。

VSAT通信网由VSAT小站、主站和卫星转发器组成。数据VSAT卫星通信网通常采用星状结构,采用星状结构的典型VSAT卫星通信网示意图如图1所示。


图1 VSAT系统的基本组成

主站也叫中心站或中央站,是VSAT网的心脏,与普通地球站一样,使用大型天线,天线直径一般约为3.5m~8m(Ku波段)或7m~13m(C波段)。在以数据业务为主的VSAT卫星通信网(下面简称数据VSAT网)中,主站既是业务中心也是控制中心。主站通常与主计算机放在一起或通过其它(地面或卫星)线路与主计算机连接,作为业务中心(网络的中心结点);同时在主站内还有一个网络控制中心(NCC)负责对全网进行监测、管理、控制和维护。

由于主站涉及整个VSAT网的运行,其故障会影响全网正常工作,故其设备皆有备份。为了便于重新组合,主站一般采用模块化结构,设备之间采用高速局域网的方式互连。

VSAT小站由小口径天线、室外单元(ODU)和室内单元(IDU)组成。卫星转发器一般采用工作于C或Ku波段的同步卫星透明转发器。在数据VSAT卫星通信网中,小站和主站通过卫星转发器构成星状网,主站是VSAT网的中心结点。星状网充分体现了VSAT系统的特点,即小站要尽可能小。其主站的有效全向辐射功率(EIRP)高,接收品质因数(G/T)大,故所有小站均可同主站互通。而小站之间不能直接通信,必须经主站转发。

数据VSAT网通常是分组交换网,数据业务采用分组传输方式,其工作过程是这样的:任何进入VSAT网的数据在发送之前先进行格式化,即把较长的数据报文分解成若干固定长度的信息段,加上地址和控制信息后构成一个分组,传输和交换时以一个分组作为整体来进行,到达接收点后,再把各分组按原来的顺序装配起来,恢复成原来的报文。

以星状网的主站为参考点,数据VSAT网使用的卫星信道可以分为外向(Outbound)信道和内向(Inbound)信道。在数据VSAT网中,业务信道和控制信道是一致的,即业务子网和控制子网具有相同的星状结构。主站通过卫星转发器向小站发数据的过程叫外向传输。用于外向传输的信道(外向信道)一般采用时分复用方式(TDM)。从主站向各小站发送的数据,由主计算机进行分组化,组成TDM帧,通过卫星以广播方式发向网中所有小站。每个TDM帧中都有进行同步所需的同步码,帧中每个分组都包含有一个接收小站的地址。小站根据每个分组中携带的地址进行接收。

小站通过卫星转发器向主站发数据的过程叫内向传输。用于内向传输的信道(内向信道)一般采用随机争用方式(ALOHA一类),也有采用SCPC和TDMA的。由小站向主站发送的数据,由小站进行格式化,组成信道帧(其中包括起始标记、地址字段、控制字段、数据字段、CRC和终止标记),通过卫星按照采用的信道共享协议发向主站。

Direc PC是一种VSAT系统,由美国的休斯公司提出,采用外交互方式。它利用现有的通信卫星,工作在Ku(11/14GMHz)频段,同时利用了Internet信息传输的不对称性,将用户的上、下行数据分离,相对较少的上行数据可通过现有的电话Modem、ISDN和DDN专线等方式传输,而大量的下行数据则通过72M的宽带卫星转发器直接发送到用户端,在用户端只需装上一个75厘米的Ku天线,并连到已经插入计算机内的一块卫星接收卡上,再装上相应的软件,即可上网浏览。所以卫星宽带接入具有信道利用率高、速度快(400k的浏览和下载速度)、不受地域限制、安装简便、价格低等优势。(如图2)卫星宽带接入技术不仅可以提供稳定、快速的接入服务,同一套设备还可以接收运营商提供的各种信息,如股票行情、金融信息等。利用它可以实现诸如远程教育等多种应用,如图3中星在线的远程教育方案。


图2


图3

在国内以色列的吉来特公司的VSAT系统也在作为宽带卫星接入系统被采用,比如东方卫星网络公司提供的卫星教育和上网服务。与Direct PC不同的是,它采用内交互式星状卫星网络可以提供双向的卫星传输,在用户终端处采用接收卡和发射卡。通信频段使用Ku波段,支持TCP/IP协议,主站出境信息速率2 Mbps~ 40 Mbps。

产品篇

双威通讯网络有限公司

由双威通信网络有限公司经营、休斯网络系统公司及中国数据广播集团加盟技术支持的高速Turbo 163平台,利用互联网不对称传输特点,上行信号通过163拨号或专线上传,下行信号通过54M卫星宽带广播下传,使用户可享用200~400kbps的高速宽带交互浏览,3Mbps高速单向广播式数据文件下载快递(如图4)。该公司还利用高速Turbo 163平台提供网页广播、股票期货行情广播,金融资讯服务及远程教育。现有的方案有E-Channel数据包投递服务,卫星远程教育方案,卫星宽带股市服务,智能小区及楼宇解决方案,报刊投递行业应用。


图4

中国通信广播卫星公司

中国通信广播卫星公司成立于1985年,是国内首家运营卫星通信广播业务的国有企业。现拥有“中星6号”、“中星 8号”两颗卫星。现经营多套VSAT系统,各种单、双向用户站已达2000个,广泛服务于民航售票、海洋预报、地震监测、金融咨询、期货证券、话音通信以及无线寻呼和高速数据全国联网等业务。其下属公司中星在线采用美国休斯网络系统公司DirecPC向用户提供服务。互联网接入,限流量计费268元/1G,880元/4G,1680元/8G,包月1680元。初装费,全国统一限价6800元。   提供基本服务:高速因特网接入(Turbo Internet Access);数据包分发(Package Delivery)服务;IP组播(IP Multicast)服务。增值业务:高速网站广播(WebCast)服务;新闻组广播(NewsCast)服务。多媒体(Multimedia)服务;电子邮件通知(E-mail Alert)服务。

中国鑫诺卫星公司

鑫诺卫星通信有限公司是我国另外一家具有经营主营卫星通信系统的开发、经营和管理;自有通信卫星转发器的租赁;卫星通信网、地面站及相关工程的设计和建设,同时兼营相关的技术咨询和服务。鑫诺卫星公司的鑫诺-1号通信卫星已于1998年7月18日升空,并运转正常。

另外,中国吉通、中国联通等电信运营公司也可以提供VSAT等卫星通信服务。

吉来特

SkyBlaster VSAT是双向交互的卫星网络如图5。它利用一台基于个人电脑的卫星发射机作为回传信道,直接向局域网或台式电脑发送宽带视频和数据。通过吉来特的独特的回传方式实现DVB的出境载波,个人电脑可以在公司的局域网服务器或台式电脑上享受全交互式VSAT服务。SkyBlaster系统的远端小站由基于个人电脑的卫星DVB发射机和接收机组成。主站位于公司或者服务提供商机房。提供传输速率从2Mbps至40Mbps的出境管道,卫星回传信道速率为38.4kbps至153.6kbps。采用Ku和C波段。可实现的应用有企业培训、交互式商业电视、数据推送、IP多点广播、宽带局域网/互联网接入。


图5

休斯

休斯公司的Direct PC卫星发送服务是美国休斯网络系统公司1996年推出的高速宽带多媒体接入技术,曾获得美国“数据通讯”杂志1996年度最新产品金奖。

几年来,DirecPC风靡全球,各种著名通讯杂志均介绍过它。目前,DirecPC不但在美国已拥有大量用户,并且在加拿大、墨西哥、德国、北非、中东、印度、日本、韩国、中国台湾等国家和地区得到广泛应用。

[责任编辑:程永来 cheng_yonglai@cnw.com.cn]