数字卫星通信简介

+ 沈伟民 中国电信股份有限公司上海分公司应急通信局

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本文主要以地球站数字业务为例，例举了卫星通信中的三类数字业务：IDR和IBS系统、DVB-S系统和VSAT系统。

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

在现代卫星通信是数字通信网络的重要组成部分，各种新理论、新技术在这一领域内的成功应用为信息传输开拓了更为广阔的天地。本文就以上海地球站传输的各种数字业务为例，对数字卫星通信作一简单介绍。

一、IDR和IBS系统

IDR是国际卫星通信组织INTELSAT为适应ITU-T（包括G系列和I系列）推荐的各种数字传输速率而开发的一种中等数据速率系统。其信息传输速率正好处于SCPC（速率为56Kb/s）和TDMA（最高速率为120Mb/s）中间，即64Kb/s～44.736Mb/s。由于IDR传输速率及通信质量符合ISDN要求，其电路不仅能建立专用的数字通信网而且还能与国际公众电话网相连接。通过IDR电路可用作各种国际或国内通信业务，如话音通信、数据传输、文字资料分配、ISDN等。

对于传输速率低于2Mb/s的卫星数字电路称为LRE（低速率编码）IDR，如1024Kb/s、512Kb/s、64Kb/s等。它是为满足稀路由用户没有足够量而要用E1（速率为2048Kb/s）或T1（速率为1544Kb/s）标准速率进行传输而建立的一种IDR电路。

IBS是INTELSAT开发的另一种卫星综合数字业务，可提供话音、数据、电视会议等各种商用应用业务，其传输速率为64Kb/s～8.448Mb/s。与IDR不同，IBS可使用面向用户的地球站，通过小型天线建立具有临时性线路和永久性线路的通信网。IBS电路一般不能与国际公用电话交换网连接。

IBS与IDR的工作原理是一致的：将2Mb/s的PCM基群信号通过调相以频分多址形式传输，其传输制式为TDM/PSK/FDMA。在技术上，IBS与IDR也是几乎相同的。它们都采用FEC（前向纠错编码，码率为1/2或3/4）、RS外编码（可选项）、Viterbit软判决译码（IBS中可以是序列译码）、QPSK（IBS中可以是BPSK）调制方式；为充分利用卫星信道，可采用DCME（电路倍增设备）；对于低速率电路还采用了Drop&Insert技术。

为了提供令人满意的传输质量IESS（INTELSAT地球站标准）规定了相对应于ISDN标准的QoS（服务质量）。如对于C波段，晴天条件下，IDR和一般IBS系统提供的BER在99.9%时间内等于或优于10-8；在恶劣天气条件下，99.96%时间内BER等于或优于10-3。对于采用可选技术如RS编码的系统质量更高。从IS-VII卫星开始，INTELSAT推荐名为TCM/IDR和TCM/IBS系统。在信息速率64Kb/s～44.736Kb/s范围内使用内码码率为2/3的格状编码（TCM）和外码码率为219/201的RS编码组成的FEC编码系统并且采用8PSK调制技术。这两种系统的服务质量优于一般IDR和IBS系统而且节约了卫星带宽资源，使得通信成本更加低廉。

目前地球站主要建立的IDR系统中，有低速率电路、2Mb/s电路以及45Mb/s的Internet电路。

二、DVB-S系统

DVB-S是一种欧洲制式的卫星数字视频广播方式，它符合欧洲电信标准ETS 300 421并得到国际电联ITU的批准，目前成为包括我国在内的世界各国数字卫星广播的主流方式。为适应不断增长的数字电视传送的需求，INTELSAT于2003年1月1日起正式将全球波束38/38转发器原来用于模拟电视传送的通道CH-12全部改为数字电视通道。

与模拟卫星广播相比，DVB-S提供了高质量的电视节目传送。数字信号在传输过程中有一些天然的优点：具有再生能力、抗干扰性强、不易失真等，使得画面有效像素可达720×576即达到数字演播室的节目质量；同时由于采用了视音频压缩技术，在传送画面的同时可传输多路优质音频。其次，DVB-S传输带宽小，所需发射功率低。信号传输带宽与传输码率有关，传输码率又与图像内容有关。运动图像越多，传输码率越大，占用的频带越宽。如体育节目比卡通片、电影节目需要传送的码率大。目前，INTESAT对于一路SCPC电视节目分配的带宽可达9MHz，完全有能力传送一路符合ITUREC. TB 601建议的演播室质量的4：2：2信号。而原来的模拟通道则达20MHz。数字电视的图像质量与误码率（BER）有关，与模拟卫星广播相比发端可以用较小的发射功率，收端接收到相应较小的载噪比后就能在相应的BER范围内得到较高的满意度。在模拟卫星广播中，为了提高节目传输质量需要较高的载噪比，发信地球站高功放（HPA）输出要达数百瓦，而DVB-S只要几十瓦就足够了。最后，DVB-S便于实行节目的有条件接收。有条件接收就是采用一定的加扰措施，确保满足一定条件的用户才能收看到传送的节目，付费电视业务就是一种有条件接收。显而易见，采用数字信号之后加扰就成为非常容易的事情了。

DVB-S的关键技术是码率压缩和通道编码方法。同DVB-C、DVB-T系统一样，DVB-S采取通用的MPEG-2视频和音频编码。模拟信号PCM数字化后每秒的数据量为100Mbit，CCIR601格式为216Mbit，MPEG-2是将如此巨大的数据量进行去除冗余度以压缩码率，为下一步卫星通道编码提供合适的传输流。为了能在同一个信道中同时传送多路电视节目，必须首先将多个节目的比特流采用统计复用的方法复合成一个传输包，这样能在不同码率需要的节目间灵活地分配总数码率。对需要有条件接收的电视信号，还可以通过加扰系统和密钥管理系统进行加密以便于收费管理。为了适合进一步的卫星信道传输还要进行通道编码，DVB-S称之为卫星信道适配器。它包括由各种码率（1/2、2/3、3/4、5/6、7/8）的卷积编码为内码（收信端用Viterbit软译码）和188/204码率的RS编码为外码构成的FEC编码，卷积交织技术，QPSK或8PSK的调制技术等。

DVB-S是一个服务性能良好的系统。在接收机内，内码输入端有很大的误码率时系统仍能很好地工作，这一误码率在10-1到10-2。经内码校正输出即可达到10-4或更低的误码率（超过10-3被认为是RS解码的极限）。这一误码率相应于外码输出近似无误码（QEF），即误码率可在10-10到10-11。根据IESS-503建议，对内码码率采用3/4的卫星数字电视传输其Viterbit解码输出BER要达到2×10-4，极限EB/ NO=5.9dB（射频段测得），相应与RS解码输出BER为10-10。在EB/NO=7.9dB条件下，RS解码输出BER为10-13。在INTELSAT技术实验室测量表明BER大于10-8的数字电视主观上开始有质量降低的感觉。

三、VSAT系统

VSAT的中文意思是甚小型孔径终端，通常是指天线口径小于2.5m，由主站应用管理软件高度监测和控制的小型地球站。VSAT系统诞生于20世纪80年代初，首先由美国的赤道通信公司推出。90年代以后在全世界范围内VSAT系统保持了高度发展的势头。

VSAT主要用于专用网，典型的用户群包括银行和商业网点、航空公司和宾馆预定机构、分支机构分布较广的大型零售商店。近年来VSAT也用来Internet接入、远程教育、远程医疗等。

VSAT与一般卫星通信系统的差别首先在于VSAT是业务不平衡网络。VSAT系统由主站、卫星和一系列远端小站组成。出主站链路（Outbound）的速率可以从9.6Kb/s至8.448Kb/s，甚至更高。而入主站链路（Inbound）的最大速率目前为153.6Kb/s。出站链路的数据流可以是连续的，而入站链路的信息必须是猝发性工作，业务量很小。所以说，出站链路与入站链路的业务量是不平衡的。

其次，VSAT具有自身特色的传输体制。VSAT系统中的主站一般是以广播方式给各小站发布信息，最常用的传输方式是时分复用。该信息被广播出去即可被网内所有VSAT小站接收，也可通过地址编码将信息传送到指定的小站。而各小站对主站的通信是将各数据按照一定的多址协议，如SCPC、FDMA、TDMA、CDMA、ALOHA、FTDMA等。为了提高信道利用率，在某些系统中采用上述某种形式的按申请分配多址方式（DAMA），信道的分配是根据网内VSAT小站的请求来动态分配。

再次，VSAT系统如何克服延时效应带来的问题是衡量信号质量和网络利用率的关键因素。VSAT的延时除了与通信设备、数据处理等工作有关外，还与卫星链路传输时延有关。在网状VSAT系统中，各小站间可以任意建立通信链路，其链路传输时延约为250ms。而在星状网中，各小站间需通过主站以“双跳”（Double Hop）方式建立通信，显然其传输时延需加倍。由于传输时延增大，话音传输效果会明显的感到不自然。对于需要发出确认和响应信号的运用TCP/IP协议的VSAT通信中，这种传输时延更大。因为TCP/IP是一种可靠的协议，它是通过滑动窗口策略来实现流量控制、拥塞控制及流量恢复的。接收端一旦达到最大窗口尺寸，发送端数据将停止发送，只有在确认信息被收到后，才会再次启动发送。由于存在固有的卫星链路时延，发送端总是在接收窗口达到极限后才能收到接收端发出的确认信息。这样就会使TCP协议拥塞和流量恢复策略的性能降低。除此之外，按照滑动窗口滑动策略，最大传输速率（最大数据吞吐量）受到最大接受窗口和卫星链路延时的限制，即最大数据吞吐量=最大接收窗口÷卫星链路时延。在TCP协议中最大接收窗口为64K字节，卫星双跳时延为0.5s，则最大数据吞吐量=64×1024×8÷0.5=1.049Mb/s。这就意味着即使卫星信道的发送速率超过1.049Mb/s，它实际的最大发送速率也被限制在该值以内。因此如何补偿卫星时延是VSAT系统要考虑的重要的技术因素。

最后，VSAT系统中主站和远端小站需要配备合适的收、发信设备。VSAT是一个不平衡网络，为适应远端小站天线小、发射功率低的特点，主站需要配备高功率放大器（HPA）、低噪声接收器（LNA）、上/下变频器等微波放大设备以及大口径的天线，如Ku波段为3.5～8m，C波段为7～13m。

下面以地球站的SkyBlaster系统为例介绍VSAT工作过程和主要技术。

SkyBlaster网络由主站（Hub）、卫星通道、若干远端站组成的星型交互式VSAT卫星通信系统。主站有一个出站链路单元、一个入站链路单元、若干应用服务器和一个网管系统（NMS）。远端站是VSAT，有天线、室外单元（ODU）、PC机、卫星接收卡和发射卡等组成。系统的控制与管理由主站通过NMS进行。NMS连续地获得最新的系统状态。应用部分包括视频编码、多点广播、Internet接入等由主站专门的相关服务器负责。远端小站既可以当作供个人使用，也可作为服务器通过LAN供多用户使用。

SkyBlaster运用全方位的DVB解决方案。由应用服务器产生的IP数据流通过以太网送到主站传输服务器（HTS）进行处理，然后送到IPE进行IP打包并以DVB数据流格式输出至DVB调制器，进行一系列适合于卫星通道传送的处理。如采用QPSK或8PSK（入站链路中采用MSK解调）、卷积编码（小站接收用Viterbi译码）、RS编码等，调制器输入数据速率为1.0Mb/s～52Mb/s。

SkyBlaster系统运行着一个简单的地址欺骗系统。每个远端小站具有两个IP地址：一个地址是回传信道地址；另一个是SkyBlaster板卡地址。远端小站客户发送的请求命令由回传信道发出，尽管这个请求的源地址按道理应当是回传信道的地址，但在此时被换成了SkyBlaster卡的地址。这样，来自被访问服务器的应答就通过一系列设备到达远端SkyBlaster卡。在远端小站内部把上述SkyBlaster地址映射到回传信道地址，对于远端小站应用本身而言，面对的是一个透明的IP信道。

SkyBlaster采用TCP/IP流量优化方案。SkyBlaster在主站安装了TCP/SAT服务器，并在所有远端SkyBlaster客户端都安装并运行TCP/SAT客户软件。当一个远端小站要下载信息时，主站与该地的SkyBlaster客户端计算机的TCP/SAT客户端之间开放一个TCP/IP会话。在TCP/SAT客户端与主站的TCP/SAT服务器之间使用一个在UDP上面的专有协议建立一个会话。然后，TCP/SAT服务器与远端小站所请求访问的服务器之间建立一个TCP/IP会话。这样在引起时延的卫星链路上传输的业务不采用TCP协议，而是UDP协议，从而解决了卫星信道吞吐量问题。

SkyBlaster提供可靠的IP多点广播。IP多点广播克服了TCP/IP协议点对点低效率传输的限制，允许单个数据拷贝到所有指定的应用，从而显著地改善了网络性能和效率。而且广播是卫星固有的能力，它极大地简化了IP多点广播。然而多点广播通信是基于UDP协议的，UDP协议虽然提供了高效及时的用户数据报服务，但它是一种无连接不可靠的通信。为了使多点广播可靠，SkyBlaster采用了有效的否定应答机制来取代肯定应答。用这种方法也不会造成入境信道过载。

SkyBlaster使用FTDMA作为其多址方式。SkyBlaster入站链路结构以一个二维（时间和频率）接入机制为基础，是将TDMA和FDMA组合在一起的多址方式。带宽按频率划分为几个信道；时域则按时隙划分为若干个单元。每次传输时，远端小站随机选择一个频率信道以突发方式进行发送，每次发送都从某个时隙的起始处开始。每个远端小站发送数据的突发速率可以是38.4Kb/s、76.8Kb/s、153.6Kb/s。系统采用改进的时隙ALOHA访问方式，多个远端小站在TDMA基础上共享同一个卫星入站链路带宽，这是一种竞争机制。每个远端小站在预定义的可用带宽范围内随机选择一个频率以突发方式发送信息。若发生了碰撞，则在随后一个时隙再次随机选择一个频率重传数据包，从而将两次碰撞的概率减至最小。这种随机访问（RA）方式对于那些短消息、轻负荷的交互式业务非常适用。对于大业务量的站点会自动停止对共享资源的使用，而使用事先分配的专用频率信道（DA方式）。SkyBlaster采用了灵活的随机访问以及专用访问机制，如自动专用接入（ADA）、部分专用接入（PDA）、双入境比特率、日夜模式等。

总之，SkyBlaster系统为宽带通信提供了一个优越的、基于IP解决方案的、高可靠的数据通信，目前广泛地应用于公司培训、交互式商务电视、数据传送、Internet接入等。