宽带多媒体卫星通信系统组网技术（上）

文 冯少栋 张更新 李广侠

解放军理工大学通信工程学院卫星重点实验室

图1 宽带通信网络结构

图2 宽带多媒体卫星通信系统典型应用场景

1 组网方式概述

宽带多媒体卫星通信系统是全球宽带通信网的一部分，完整的宽带通信网络由终端用户、核心网、接入网及分发网四部分构成(如图1所示)。其中核心网由高速交换节点（交换机或路由器）组成，负责大容量的高速连接和交换；接入网位于网络边缘，与用户终端系统进行交互，为用户提供接入服务；分发网介于核心网与接入网之间，用于连接接入网和核心网，并以广播或组播方式将Internet内容推送至边缘的ISP缓存服务器。由于系统具有带宽资源丰富、广域覆盖和组网灵活等特点，因此在核心网、分发网和接入网中都有用武之地。从图2中可以看出，利用该系统点到点的高速传输能力，可为ISP提供干线节点的洲际连接；利用系统点到多点的组播广播能力，可实现Internet内容向边缘缓存服务器的高速推送；利用系统多点到点的共享接入能力，可使众多边远地区的用户利用卫星解决“最后一公里”的接入问题。表1—表3给出了宽带多媒体卫星通信系统在不同网域中的具体应用模式。表 3接入网应用卫星通信系统的基本组网方式有网状网、星状网、组播网、广播网四种，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3所示)，而在星状网系统中，用户终端之间无法互通，需通过中心站进行中转(如图4所示)。其中网状网和星状网可提供双向通信服务，而广播、组播仅可提供单向通信服务。

四种组网方式中，实现难度由低到高依次为广播网、组播网、星状网和网状网。系统实现难度决定了终端的造价，因此，实现难度越大，造价也就越高。从实现角度，通常后一种组网方式能够兼容实现前一种组网方式，如图5所示。

广播网是目前应用最广泛的系统，原因在于其终端无需发射装置，安装简单，便于维护；组播组网在广播组网的基础上增加了控制功能，使得非授权用户即使处于卫星覆盖区内也无法接收，最常见的手段是CA加密，还有更高层的手段，如通过IP组播协议等；星状网中的终端具有收发功能，为了能够尽可能地降低制造成本，终端采用小口径天线较低功率射频单元，通过天线口径较大通信能力较强的中心站中转。网状网系统通过增强星上处理能力或终端处理能力，能够实现终端之间的直接互通。

星状网与网状网组网的区别还在于：

在星状网系统中，用户终端与主站之间是多对一的关系，每个用户终端只能和唯一的主站进行通信，该主站往往也充当了与地面网连接即信关站的功能；而在网状网系统中，用户终端与信关站之间是多对多的关系，一个终端可以与多个信关站通信，以接入不同的网络和服务提供商；

在星状网系统中，前向链路与反向链路采用不同的空中接口体制，例如前向采用TDM广播方式，反向采用MFTDMA方式；在网状网系统中，前向链路与反向链路的空中接口体制可以相同。

随着业务及网络融合步伐的加快，宽带多媒体卫星通信系统已涵盖了四种基本组网方式，而且根据转发器类型及多波束类型的不同还出现了更多分支，具体划分见图6。

表1 核心网应用

表2 分发网应用

图3 网状网通信示意

表3 接入网应用

图4 星状网通信示意

图5 各种组网方式的兼容实现

2 透明转发器星状组网

在基于透明转发器星状组网的系统中，普通用户终端之间无法直接互通，需通过主站(同时也是信关站)中转。这样的系统，通常包括一个主站和若干用户终端，主站包括信关站（GW）和网控中心（NCC），NCC主要完成整个网络的运行和控制，信关站完成与Internet等其它地面网络的互联互通。用户终端可连接一个或多个用户网络。在这样的系统中，前向链路（主站到用户终端）与反向链路空中接口体制是不同的。例如前向链路可采用DVB－S/S2[1]标准体制，反向链路采用DVB－RCS[2]标准体制。同时前反向链路都是为多用户终端共享的，但共享方式不同，前向链路采用基带复用调度技术，将发往不同用户终端的数据复用到一条连续的广播链路上，而反向链路是通过媒体接入控制（MAC）技术，使来自不同用户的业务形成一条或多条TDMA突发流。透明转发器星状组网系统中的信关站也称为透明转发卫星信关站（TSGW）。

2.1 单波束

单波束典型的应用场景为目前大规模商用的DVB－RCS系统[2]，该系统由以下几个部分组成：

网络控制中心（Network Control Center NCC）：负责整个网络的运行与控制，提供网络参考时钟，生成系统控制与定时信号，完成系统控制面和管理面的相关功能，作为网络的核心管理单元，NCC还可以进一步划分为两个功能模块：

（1）网络控制中心（NCC）：主要完成系统控制面的功能，实现对系统实时的控制，具体功能包括会话控制、连接准入控制、接入控制、资源分配等。

（2）网络管理中心（NMC）：主要完成系统管理面的功能，实现对系统内各网元的管理，具体功能包括：性能、故障、计费、配置和安全管理。

上行站(Feeder)：主要用于发送上行广播信号，在DVB－RCS系统中该信号为DVB－S或DVB-S2标准格式，该信号中通常包括系统控制信息、定时信息和业务信息，这些信息在基带复用成连续的TS码流进行发送，在实际系统中上行站通常为NCC的一个功能模块。

图6 宽带多媒体卫星通信系统组网方式分类

图7 透明转发器星状组网示意

信关站(Gateway GW)：主要完成系统用户面的相关功能，如通过前向信道（DVB－S/S2格式）发送数据和信令，通过反向信道（DVB－RCS格式）接收来自用户终端的数据与信令。同时信关站还与外部网络相连，其中包括Internet、服务提供商网络、PSTN、ISDN等。在实际系统当中NCC与GW通常在同址建设，也称为主站(NCC/GW)。

用户终端(User Terminal UT)：与用户网络相连，为用户提供接入服务。

需要强调的是信关站和NCC的功能实际上是有分别的，信关站实际上完成用户面的功能，由中频处理单元、射频处理单元，天线等一系列设备组成，而NCC主要完成控制和管理面的功能，主是运行在服务器上的一系列软件。

通常一个DVB－RCS系统有一个NCC和成百上千个用户终端。根据业务需要，信关站可以有多个，每个信关站都可以与外网相连，服务特定的一组（或一群）用户终端，为它们提供宽带接入等服务。但目前典型的DVB－RCS系统大都只配置一个信关站，该信关站与NCC相连，并兼有上行站的功能。一个Hub加若干用户终端（也称远端站）是目前最常见的基于星状网透明转发器组网配置形式。在这样的系统中，NCC/GW可为用户提供可保证(或区分）的服务质量保障，这种服务质量保障主要通过以下方式来实现：

一是通过信关站前向链路调度来实现；

二是通过用户终端反向链路调度来实现，同时还可通过资源分配算法在不同的用户终端之间进行区分服务。

如果一个网络中有多个NCC，每个NCC管理不同的子网，则需要更高层的网络运行中心（NOC）通过NOCNCC接口来协调各个NCC之间资源的分配，此外对于卫星的管理和控制通过卫星运行中心（SOC）来完成。但一般情况下，网络中只有一个NCC，NOC的功能也就集成到NCC当中。

图8 IPstar星状组网＿相同波束

在单波束情况下，用户终端与主站处于同一波束，用户终端与主站可以直接互通，用户终端之间无法互通。主要是由于用户终端收发体制不同，例如在DVB－RCS系统中，用户终端发送采用DVB－RCS体制，而接收采用DVBS/S2体制，与此相对，主站接收采用DVB-RCS体制，发送采用DVB-S/S2，显而易见，在卫星不做任何处理的情况下，用户终端由于收发体制不同是无法互通的。但这一点并不是绝对的，后面我们可以看到，在卫星增加再生处理功能之后，同样是收发体制不同的用户终端就可以直接互通了。

另外波束覆盖范围内有可能会有多个系统存在，每个系统由不同的NCC控制，首先这些系统之间通过频率严格隔离，另外NCC还可通过接入鉴权认证机制防止个别用户终端通过更改收发频率入网。

2.2 多波束

在多波束系统中，用户终端与主站有可能不在同一波束，而主站需接收同一网内位于不同波束中用户终端发送的信号，并确定网内所有终端都能够收到主站发送的信号，根据星上波束交联方式的不同可有以下两种场景：

(1)主站位于各个用户终端波束的交叠区，用户波束之间通过频率隔离，主站可以收到来自各个用户波束的信号，同时主站发送的信号可以广播方式播发至各个用户波束。

(2)用户终端与主站均位于不同的波束，用户终端位于用户波束，主站位于馈电波束，卫星通过静态交链方式连接各个波束，此时主站与卫星之间的上下行链路（即馈电链路）及用户终端与卫星之间的链路(用户链路)需采用不同的频段，避免波束之间的干扰。

典型基于透明转发器星状组网的多波束卫星通信系统为IPstar系统，该系统实现方式为上述第二种情况。该卫星于2005年8月11日发射升空，主要系统参数见表4。该卫星采用透明转发器，同一波束及不同波束用户终端之间的通信需要通过信关站中继，如图8和图9所示。

该系统中的卫星链路分前向链路、反向链路和广播链路。

（1）前向链路：经IPstar卫星从信关站（Ka 波段）到用户终端（Ku 波段）的宽带链路。该链路采用TDMOFDM体制，根据下行链路波束类型不同可分为三类：点波束、补充点波束、赋形波束。点波束是类似蜂窝小区的高功率波束，直径400 公里，点波束之间采用三色频率复用技术，大大提高了频谱的利用效率。在我国点波束有22个，主要覆盖大陆东部沿海主要城市人口密度稠密地区。赋形波束是EIRP值相对较低的宽波束，在我国主要覆盖大陆西部沙漠人口密度小的地区。补充点波束实际上和点波束相同，主要作用是作为人口稠密地区带宽需求的补充。在我国目前有两个补充点波束，分别覆盖北京和香港地区。

图9 IPstar星状组网＿相邻波束

表4 IPstar系统参数

（2）反向链路：经IPstar 卫星从用户终端（Ku 波段）到信关站（Ka波段）的窄带链路。该链路采用MFTDMA体制，与前向链路一样根据上行链路波束类型不同可分为三类：点波束、补充点波束、赋形波束。

（3）广播链路是从信关站（Ka 波段）到用户终端（Ku 波段）的单向链路，专为广播应用设计，服务区大致是所有点波束覆盖区域的总和。

目前该系统在中国有三个信关站，分别设在北京、上海和广州，通过信关波束与卫星通信，三个信关站可服务覆盖我国22 个点波束和2 个补充点波束。根据卫星转发器交链配置，三个信关站分别连接不同的用户点波束。EIRP值较低的赋形波束主要覆盖人口稀疏的地区。在我国赋形波束与上海信关波束相连。广播波束主要完成对所有用户的广播，与所有信关波束相连，只要配置相应的上行设备，便可实现广播业务的播发。(未完待续)

[1]E t s i. D ig i t a l V id e o Broadcasting (DVB);Second generation framing structure,channel coding and modulation systems for Broadcasting,Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications[S]. 2009.

[2]E t s i. D ig i t a l V id e o Broadcasting (DVB);Interaction channel for satellite distribution systems[S]. 2009.