移动互联网业务宽带卫星支撑网络的规划和设计

+ 郭延海 （渤海石油通讯有限公司）

李庆安 （休斯网络技术（北京）有限公司）

1. 移动互联网业务的爆发和宽带卫星网络的作用

现在，人们的生活已越来越不能缺少移动互联网服务，无论是在家、办公室、咖啡厅还是在公交车、火车上，随时随地都能看到拿着智能手机、平板电脑轻轻滑动屏幕的人们，他们或在使用聊天工具，或在通过移动互联网浏览信息、阅览图书、玩游戏、观看电视剧或电影等。

为了在移动互联网的发展进程中争夺主导地位，电信运营商、互联网企业、智能终端厂商以及其他产业链环节参与者试图在移动互联网话语权的激烈争夺战中争得先机，各自的移动互联网战略部署纷至沓来。

丰富的互联网应用业务与宽带通信网的结合，逐渐打破了传统电信运营商对电信业务层面的垄断，并快速推动电信业务从“技术驱动”向“市场驱动”和“用户需求驱动”演变。随着移动网络上的数据业务流量呈爆炸式增长，数据海啸正在以难以想象的速度袭来。手机终端支持的各种即时音频、数据、视频各种丰富多彩的应用对移动电信网络的传输带宽需求呈现出倍增。以现在中国联通集团的移动网络为例，2G的GSM基站到基站控制器间中继电路的传输速率一般为2Mbits, WCDMA基站到基站控制器中级电路的传输速率现在为10~20Mbits，即使这样，在酒店、商场、咖啡店等用户密集的地方，3G网络还是满足不了各种即时音频、数据、视频的汇聚性应用。对于电信运营商而言，全国数以十万计的3G网络基站，大量地增加了基于地面有线手段的传输带宽，在运营成本、工程实施难度、网络灵活性上，均是不可承受之重。一定意义上讲，3G网络的组网方式和灵活性、传输速率和地域渗透能力已经跟不上移动互联网、物联网、云计算业务迅速发展的步伐。因此，电信运营商在期待政府部门对4G网络能够尽快开放的同时，重提曾经百般抵制的WLAN无线网络建设，以弥补地面ADSL网络、2G/3G移动网络的空白点和短板，提高移动互联网络用户的体验。中国移动计划到2015年在全国范围内部署800万个WLAN热点；中国电信则计划2012年底将现在的30万个WLAN增加到100万个；中国联通计划2012年底覆盖至少4万个单体楼宇。

在无线局域网发展战略上，国内三大电信运营商仍然关注的是城市网络的建设，而且互联网接入仍然主要依托地面有线技术，这使得“无缝覆盖”实际依然停留在“点”上，而非“面”上。基于有线中继接入的无线网络同样面临着工程实施难度大，需要的宽带地面骨干传输带宽引起的成本较大和灵活性不够的问题。在广大的三四线城市和偏远农村地区，为铺设WLAN和将来的无线LTE网络建设宽带“平面”的地面中继网络，对任何一个电信运营商来说，均要认真考虑其投入回报问题。

互联网内容提供商、接入服务商对电信运营商有很强的依赖性，特别是在传输层面，这无形中增大了互联网服务商的成本，也制约了互联网的发展。互联网服务商期望的任何人可以随时随地享受宽带接入的理想，依靠电信运营商的网络支撑，是难以实现的。那么，有没有一种技术或是手段可以让互联网服务商从终端到传输完全自我或部分自我主导呢？可以让互联网应用商进行虚拟网络运营呢？有，这就是宽带卫星通信技术。

经过近50年的发展，卫星通信早已从政府、部队、电信运营商、大企业级应用进入到家庭乃至个人应用；通信功能也从提供窄带数据/话音到高达上百Mbit的IP宽带信道；卫星通信已脱掉了华丽奢侈的外衣，进入消费市场。除了地面网络无法替代的作用外，在互联网接入应用上，也在持续地发挥积极的作用。上个世纪90年代，在国内互联网发展的初期阶段，基于卫星的宽带互联网接入系统DirecPC的应用曾发挥积极作用；IPSTAR宽带卫星在2006年进入中国，其中国波束十几Gbits的总速率使很多偏远地区享受到了高速上网服务。在地面网络高度发达的北美、欧洲、中东和非洲地区，WILDBLUE、Spaceway3卫星、以及总带宽均高达100G以上的ViaSat-1、Jupiter、Ka-Sat 1等新一代Ka波段宽带卫星网络将在固定和移动互联网接入市场占据越来越重要的位置。因此，只要策划得当,运用合理宽带卫星通信网络，就可以为移动互联网服务商打造一片全新的天地。

2. 支持移动互联网业务的宽带卫星通信网络总体架构

卫星通信具有组网灵活、建站快捷、大覆盖、距离与成本无关、点对面的广播和非对称传输的独特优势，是解决3G/4G无线网络、WLAN无线网络的地面中继网络建设周期长、成本高、受环境地理条件限制等诸多问题的实用、经济、有效的技术手段。在我国，如将高性能的宽带VSAT系统、用户本地Cache及Web广播和代理技术、卫星CDN技术与高性能、低使用成本的宽带卫星空间段如IPSTAR卫星、将来的下一代Ka波段宽带同步地球卫星等最新卫星通信技术相结合，可大幅减少每用户占用卫星转发器的带宽要求，大幅降低卫星网络的运营成本，提高宽带卫星基础网络的经济性。同时在每卫星宽带接入终端无缝配合先进的中大功率WiFi接入设备或者小型化3G/4G基站，覆盖相当范围的热点区域，支持区域内的各种移动互联网终端，成为满足各种移动互联网应用、低成本、全国统一部署、可管理的高性能移动互联网接入网络。

建设和运营新一代的宽带卫星通信与WiFi/3G/4G技术无缝结合的基础网络具有以下意义：

为广大互联网应用提供商提供一个快速、有效、可靠、直接面向用户的网络途径。

不同层面、不同覆盖的卫星宽带网与电信运营商现有的地面电信网络元素互为补充。

构成全国性的可靠、快速部署的天地一体的“移动互联网、物联网” IaaS云网络支撑平台。

借助宽带卫星网、电信运营商和互联网应用商可以方便地将全方位的移动互联网业务渗透到广袤的乡镇和农村，具有长远的经济效益和社会效益。

其总体架构要求应该为：

以电信运营商的地面骨干传输网络为支撑和核心网，信息的获取、业务的交换、地址资源的分配、服务与资费的管理等均由电信运营商或者由架构其上的虚拟移动互联网络运营商统一进行。

宽带卫星网以接入网地位接入电信大网，根据业务的不同，接入到电信软交换网对应的网关设备。

卫星宽带网基于VSAT技术和系统架构，在技术体制、系统组成、网络管理、服务保证等方面自成网络业务体系。

宽带卫星关口站是卫星网与电信大网之间的总接入点和分界点。

卫星远端站是宽带卫星网的边缘，WiFi设备或者3G/4G小型基站是整个移动互联网接入网络的边缘。

整个网络的拓扑结构如图所示：

移动互联网宽带卫星支撑平台示意图

卫星宽带支撑网络主要完成以下基本功能：

覆盖地区的移动互联网接入服务；

互联网信息和视频的CDN传输和推送。

3. 本地代理技术和卫星CDN技术

如前所述，卫星信道广播和不对称传输的独特优势与本地代理、Web广播和Cache技术相结合，可有效节约宝贵的卫星转发器带宽。为此，在卫星远端站端集成一个用于本地代理/媒体，集存储、访问为一体的硬盘，使大部分的信息下载、视频浏览、Internet访问由该服务器提供，提高卫星带宽利用率和本地移动互联网用户的访问速度。其基本原理如下图所示：

本地代理技术原理示意图

本地代理硬盘服务器的基本机理和功能为：

根据特定互联网服务提供商的要求，将互联网普遍和常用信息以及视频内容存储于该服务器，热点区域的移动互联网用户浏览这些信息基本在本地完成下载；

卫星信道不断将更新的WEB信息和视频内容推送到该服务器；

Web广播、网址、内容滤除和Cache相结合，将主要门户网站、主要网站的Web地址超级文本文件（HTML）传输到该服务器，使得用户从本地服务器中可以浏览所需；如在本地服务器访问不到，再通过该卫星网进入Internet公网。

这样一来，一方面大大缩短响应时间，提高浏览性能和信道效率，有效节省了带宽资源。另一方面也使借助这一平台的特定互联网服务提供商为更多移动互联网用户提供更好的使用体验。

卫星CDN技术，国内外均有数个公司已经有多年的开发、运行经验，其具体技术性能要求如下：

具备先进的数字文件体系

采用数字媒体文件传输，即IP over DVB，IP广播的传输层采用UDP，在IP层和物理层之间的数据链路层协议是DVB/MPEG-2。

卫星广播系统在体系结构上形成卫星信道、DVB/MPEG-2、UDP/IP、应用层四个层次。

安全的节目源保护

卫星数据传输系统，采用信号和硬件加密，结合播发授权等手段，有效防止盗版和非法接收，保护视频节目公司的权益。

高可靠性回馈设计

考虑到卫星链路传输的特性，要采用链路异步回传校验技术。能够有效抵抗日凌雨衰干扰，确保全网接收的高正确率。

便捷易用特性

实现全自动化视频和W E B内容加工流程，内容加密、授权管理EPG自动生成和自动完成节目内容长度计算。完全实现自动发送，队列处理。

4. 卫星宽带支撑网的设计

4.1 卫星资源选择

移动互联网应用，对上行和下行的卫星中继电路的带宽要求很高，即使考虑卫星CDN技术和本地代理硬盘服务器技术的运用，远端终端的上行速率也应在2~20Mbits之间；无论对卫星资源的带宽还是成本要求，均不是现在传统C/Ku波段卫星所能够支撑的。

因此，实施移动互联卫星宽带网络的建设，必须有新一代的宽带卫星资源为保证。就现在国内的卫星转发器市场供应情况来看，只有IPSTAR宽带卫星的中国波束是可用资源，因为它目前拥有大量的空闲带宽资源，可以为全国性或者地区性的大规模宽带移动互联业务为支撑平台提供必要的转发器资源，但真正能够支撑移动互联网应用的宽带卫星资源，只能期待今后几年中国上空出现总容量为上百Gbits的宽带Ka卫星。

IPSTAR 宽带卫星于 2005年8月11日发射，是区域性的宽带卫星系统，Ku波束（84个点波束，3个成型波束和7个区域广播波束）和Ka波束（18个馈电波束和关口站）覆盖亚太地区的22个国家和地区。

在中国境内IPSTAR有三个关口站（北京、上海、广州），有22个标准点波束和2 个增强点波束、一个成型波束用于双向通信、一个宽波束用于单向广播。点波束在中国区主要覆盖东部沿海地区主要城市人口密度稠密的地区；点波束是类似蜂窝的高功率波束，直径400公里。成形波束主要用于中国大陆西部沙漠地区人口密度稀少的地区。补充波束也是点波束，覆盖地区与点波束相同，作为东部沿海地区带宽需求的补充。

IPSTAR 卫星采用了 Ka+Ku 复合传输技术及频率多重覆用技术,卫星的转发器成本低于传统卫星成本。但IPSTAR卫星现在的地面通信系统，无论是关口站系统，还是小站终端，均无法满足现在固定和移动互联网应用的高信息速率、大流量、多线程应用、QoS的网络支撑要求，需要进行彻底地升级改造。

IPSTAR卫星地面通信系统改造思路是：根据IPSTAR卫星系统的特点，在北京、上海、广州现有关口站内重新建设卫星宽带主站，北京关口站管理东北、华北地区，共10个点波束；上海关口站管理华中、华东、华东南以及北方和西北地区，其中5个点波束负责接入华中、华东、华东南地区，1个成型波束负责接入北方和西北地区；广州关口站管理华南、西南地区，共9个点波束（其中1个为补充点波束）。三个关口站分别通过光缆链路与电信运营商的骨干网络相联，组成一个 全国性的空中宽带IP网络。

各远端站利用小口径天线（使用IPSTAR卫星时，典型的天线口径为0.84米或更小）进行与卫星之间的信号传输，信号传输通过室外单元（ODU）来实现。室外单元（ODU）由用于发送的射频放大器（BUC）和用于接收的射频接收器（LNB）组成。

4.2 改造后卫星关口站的基本技术性能：

—— 基于IP的双向、星状、宽带VSAT系统；

—— 采用DVB-S2/MF-TDMA技术体制，以及IPoS标准，兼容单向广播；

本地代理技术原理示意图

—— 关口站设备支持Ka波段卫星馈电网络；—— 支持北京、上海、广州关口站口径为9米的Ka波段天线及RF单元；

—— 点波束或者成型波束的每一出境载波采用DVB-S2/ACM，支持16PSK/8PSK/QPSK调制方式,信息速率最高可达120Mbps以上；

—— 支持远端站最大回传速率达10.0Msps，采用 MF-TDMA传输体制。

4.3 新卫星远端站的基本配置和性能：

天线口径0.75~1.2米；

ODU，Ku波段1W、2W；

IDU， 支持最大DVB-S2出境速率40Msps；

最大MF-TDMA回传速率，10Msps；

ODU 与IDU连接：950~1525MHz L波段；

网络接口：RJ45 ,10/100Base局域网；

支持网络协议：TCP/IP、 UDP/IP、IGMP、RIP 1&2、 IPoS 。

4.4 本地WLAN接入方式

在VSAT远端站采用WLAN方式向政府、企业、家庭、个人移动互联网用户进一步延伸。为此，结合无线技术的发展，以建网速度快、可靠性高、一次性投入少、运营成本低，和卫星网络无缝连接的无线宽带接入技术为重点考虑的接入手段。

WLAN无线宽带接入系统的技术要求如下：

基于IEEE802.11标准；

工作频率范围：2400～2483 MHz；

单基站业务容量：支持60个并发上网用户；

WLAN数据速率为11Mbps/56Mbps，完全满足局域网的业务环境；

通信范围不受环境条件的限制，开阔地区达半径2公里的覆盖范围；

建网容易，管理方便，维护容易；

WLAN具有多种配置方式，使用灵活，易于扩展；

WLAN的信道误比特率低于10–8，链路可靠性高。

4.5 远端站终端设计

室内单元: 为集VSAT IDU、WLAN AG、局域网交换机、代理硬盘服务器（SERVER）、UPS电源等的一体化机箱。机箱考外形如下所示：

室外单元部分：由0.75~1.2米Ku卫星天线及ODU，WLAN天线及射频单元，中频馈线以及安装上述设备的一个标准钢制挂杆支架组成。

卫星天线及ODU单元如下图所示：

4.6 新一代超小型一体化卫星/WLAN终端

新一代小型一体化卫星/WLAN终端示意图

上述传统的卫星小站形态,已经考虑IPSTAR宽带卫星以及将来的Ka波段宽带卫星的高功率、高灵敏度性能的特点，可将传统VSAT卫星小站的天线由1.2米降到0.84、0.75甚至0.65米。但是，由于卫星天线、射频单元、室内设备还是分体式形态，存在非标准安装调试、安装维护工程量大、故障率高、整体造价高等诸多缺点。

在城市中心区域，安装这种传统形态的VSAT/WLAN终端，可供选择的场地受限、施工难度高，工程费用高；在非城市中心区域，场地选择矛盾虽不突出，但由于分体式的终端形态，天线、电缆等容易受人为因素损坏而造成终端的软故障和硬故障提高，造成全网可用度下降。现在传统形态的VSAT小站，其相对庞杂的形态、不友好的工程人机界面，是限制卫星业务大规模应用的关键问题之一。

最近几年技术日益成熟的Ku波段、Ka波段阵列平板卫星通信天线，已经成功解决了原来认为相位合成阵列平板天线面积(增益)受限、无法大规模生产的难题，因此，将平板天线技术引入卫星日常通信业务中来，研发集成集平板天线、卫星射频单元、卫星调制解调器、WiFi AP+硬盘服务器(可选)为一体化的小形野外支架悬挂性卫星通信终端， 将成功改变几十年来抛物面天线加室内单元的分体卫星终端的形态，为宽带卫星通信的应用场景带来很大的变化。

目前，在地面网络传输技术、互联网应用发展的带动和压迫下，全球卫星行业进入了一个新的发展阶段，大家开始在传统的C、Ku波段以外的低频段如L/S波段和高频段如Ka波段卫星上寻求新的市场空间，实现与地面电信网络和互联网应用的同步发展和融合。新技术、新市场的出现，给传统卫星运营商之外的新型卫星运营企业创造了蓝海市场和颠覆传统卫星市场价值链的良好机会；在国内卫星产业链不完善、行业发展处于低谷时，卫星市场的拓展仍然有着巨大的潜在机遇。只要采用分步实施、移动互联网应用与多业务融合为导向、以资源整合为上的策略去建设和运营移动互联网宽带卫星支撑网络，就可以取得事半功倍的良好效果；相信移动互联万网的持续发展将成为我国下一代Ka宽带卫星业务和整个卫星应用行业持久发展和增长的关键动力之一。