文 馮少棟 張更新 李廣俠

解放軍理工大學通信工程學院衛(wèi)星重點實驗室

圖1 寬帶通信網(wǎng)絡結構

圖2 寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)典型應用場景

1 組網(wǎng)方式概述

寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)是全球寬帶通信網(wǎng)的一部分，完整的寬帶通信網(wǎng)絡由終端用戶、核心網(wǎng)、接入網(wǎng)及分發(fā)網(wǎng)四部分構成(如圖1所示)。其中核心網(wǎng)由高速交換節(jié)點（交換機或路由器）組成，負責大容量的高速連接和交換；接入網(wǎng)位于網(wǎng)絡邊緣，與用戶終端系統(tǒng)進行交互，為用戶提供接入服務；分發(fā)網(wǎng)介于核心網(wǎng)與接入網(wǎng)之間，用于連接接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，并以廣播或組播方式將Internet內容推送至邊緣的ISP緩存服務器。由于系統(tǒng)具有帶寬資源豐富、廣域覆蓋和組網(wǎng)靈活等特點，因此在核心網(wǎng)、分發(fā)網(wǎng)和接入網(wǎng)中都有用武之地。從圖2中可以看出，利用該系統(tǒng)點到點的高速傳輸能力，可為ISP提供干線節(jié)點的洲際連接；利用系統(tǒng)點到多點的組播廣播能力，可實現(xiàn)Internet內容向邊緣緩存服務器的高速推送；利用系統(tǒng)多點到點的共享接入能力，可使眾多邊遠地區(qū)的用戶利用衛(wèi)星解決“最后一公里”的接入問題。表1—表3給出了寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)在不同網(wǎng)域中的具體應用模式。表 3接入網(wǎng)應用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組網(wǎng)方式有網(wǎng)狀網(wǎng)、星狀網(wǎng)、組播網(wǎng)、廣播網(wǎng)四種，其中在網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶終端之間通過衛(wèi)星可以直接通信(如圖3所示)，而在星狀網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶終端之間無法互通，需通過中心站進行中轉(如圖4所示)。其中網(wǎng)狀網(wǎng)和星狀網(wǎng)可提供雙向通信服務，而廣播、組播僅可提供單向通信服務。

四種組網(wǎng)方式中，實現(xiàn)難度由低到高依次為廣播網(wǎng)、組播網(wǎng)、星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。系統(tǒng)實現(xiàn)難度決定了終端的造價，因此，實現(xiàn)難度越大，造價也就越高。從實現(xiàn)角度，通常后一種組網(wǎng)方式能夠兼容實現(xiàn)前一種組網(wǎng)方式，如圖5所示。

廣播網(wǎng)是目前應用最廣泛的系統(tǒng)，原因在于其終端無需發(fā)射裝置，安裝簡單，便于維護；組播組網(wǎng)在廣播組網(wǎng)的基礎上增加了控制功能，使得非授權用戶即使處于衛(wèi)星覆蓋區(qū)內也無法接收，最常見的手段是CA加密，還有更高層的手段，如通過IP組播協(xié)議等；星狀網(wǎng)中的終端具有收發(fā)功能，為了能夠盡可能地降低制造成本，終端采用小口徑天線較低功率射頻單元，通過天線口徑較大通信能力較強的中心站中轉。網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)通過增強星上處理能力或終端處理能力，能夠實現(xiàn)終端之間的直接互通。

星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)的區(qū)別還在于：

在星狀網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶終端與主站之間是多對一的關系，每個用戶終端只能和唯一的主站進行通信，該主站往往也充當了與地面網(wǎng)連接即信關站的功能；而在網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶終端與信關站之間是多對多的關系，一個終端可以與多個信關站通信，以接入不同的網(wǎng)絡和服務提供商；

在星狀網(wǎng)系統(tǒng)中，前向鏈路與反向鏈路采用不同的空中接口體制，例如前向采用TDM廣播方式，反向采用MFTDMA方式；在網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)中，前向鏈路與反向鏈路的空中接口體制可以相同。

隨著業(yè)務及網(wǎng)絡融合步伐的加快，寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)已涵蓋了四種基本組網(wǎng)方式，而且根據(jù)轉發(fā)器類型及多波束類型的不同還出現(xiàn)了更多分支，具體劃分見圖6。

表1 核心網(wǎng)應用

表2 分發(fā)網(wǎng)應用

圖3 網(wǎng)狀網(wǎng)通信示意

表3 接入網(wǎng)應用

圖4 星狀網(wǎng)通信示意

圖5 各種組網(wǎng)方式的兼容實現(xiàn)

2 透明轉發(fā)器星狀組網(wǎng)

在基于透明轉發(fā)器星狀組網(wǎng)的系統(tǒng)中，普通用戶終端之間無法直接互通，需通過主站(同時也是信關站)中轉。這樣的系統(tǒng)，通常包括一個主站和若干用戶終端，主站包括信關站（GW）和網(wǎng)控中心（NCC），NCC主要完成整個網(wǎng)絡的運行和控制，信關站完成與Internet等其它地面網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。用戶終端可連接一個或多個用戶網(wǎng)絡。在這樣的系統(tǒng)中，前向鏈路（主站到用戶終端）與反向鏈路空中接口體制是不同的。例如前向鏈路可采用DVB－S/S2[1]標準體制，反向鏈路采用DVB－RCS[2]標準體制。同時前反向鏈路都是為多用戶終端共享的，但共享方式不同，前向鏈路采用基帶復用調度技術，將發(fā)往不同用戶終端的數(shù)據(jù)復用到一條連續(xù)的廣播鏈路上，而反向鏈路是通過媒體接入控制（MAC）技術，使來自不同用戶的業(yè)務形成一條或多條TDMA突發(fā)流。透明轉發(fā)器星狀組網(wǎng)系統(tǒng)中的信關站也稱為透明轉發(fā)衛(wèi)星信關站（TSGW）。

2.1 單波束

單波束典型的應用場景為目前大規(guī)模商用的DVB－RCS系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)由以下幾個部分組成：

網(wǎng)絡控制中心（Network Control Center NCC）：負責整個網(wǎng)絡的運行與控制，提供網(wǎng)絡參考時鐘，生成系統(tǒng)控制與定時信號，完成系統(tǒng)控制面和管理面的相關功能，作為網(wǎng)絡的核心管理單元，NCC還可以進一步劃分為兩個功能模塊：

（1）網(wǎng)絡控制中心（NCC）：主要完成系統(tǒng)控制面的功能，實現(xiàn)對系統(tǒng)實時的控制，具體功能包括會話控制、連接準入控制、接入控制、資源分配等。

（2）網(wǎng)絡管理中心（NMC）：主要完成系統(tǒng)管理面的功能，實現(xiàn)對系統(tǒng)內各網(wǎng)元的管理，具體功能包括：性能、故障、計費、配置和安全管理。

上行站(Feeder)：主要用于發(fā)送上行廣播信號，在DVB－RCS系統(tǒng)中該信號為DVB－S或DVB-S2標準格式，該信號中通常包括系統(tǒng)控制信息、定時信息和業(yè)務信息，這些信息在基帶復用成連續(xù)的TS碼流進行發(fā)送，在實際系統(tǒng)中上行站通常為NCC的一個功能模塊。

圖6 寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)組網(wǎng)方式分類

圖7 透明轉發(fā)器星狀組網(wǎng)示意

信關站(Gateway GW)：主要完成系統(tǒng)用戶面的相關功能，如通過前向信道（DVB－S/S2格式）發(fā)送數(shù)據(jù)和信令，通過反向信道（DVB－RCS格式）接收來自用戶終端的數(shù)據(jù)與信令。同時信關站還與外部網(wǎng)絡相連，其中包括Internet、服務提供商網(wǎng)絡、PSTN、ISDN等。在實際系統(tǒng)當中NCC與GW通常在同址建設，也稱為主站(NCC/GW)。

用戶終端(User Terminal UT)：與用戶網(wǎng)絡相連，為用戶提供接入服務。

需要強調的是信關站和NCC的功能實際上是有分別的，信關站實際上完成用戶面的功能，由中頻處理單元、射頻處理單元，天線等一系列設備組成，而NCC主要完成控制和管理面的功能，主是運行在服務器上的一系列軟件。

通常一個DVB－RCS系統(tǒng)有一個NCC和成百上千個用戶終端。根據(jù)業(yè)務需要，信關站可以有多個，每個信關站都可以與外網(wǎng)相連，服務特定的一組（或一群）用戶終端，為它們提供寬帶接入等服務。但目前典型的DVB－RCS系統(tǒng)大都只配置一個信關站，該信關站與NCC相連，并兼有上行站的功能。一個Hub加若干用戶終端（也稱遠端站）是目前最常見的基于星狀網(wǎng)透明轉發(fā)器組網(wǎng)配置形式。在這樣的系統(tǒng)中，NCC/GW可為用戶提供可保證(或區(qū)分）的服務質量保障，這種服務質量保障主要通過以下方式來實現(xiàn)：

一是通過信關站前向鏈路調度來實現(xiàn)；

二是通過用戶終端反向鏈路調度來實現(xiàn)，同時還可通過資源分配算法在不同的用戶終端之間進行區(qū)分服務。

如果一個網(wǎng)絡中有多個NCC，每個NCC管理不同的子網(wǎng)，則需要更高層的網(wǎng)絡運行中心（NOC）通過NOCNCC接口來協(xié)調各個NCC之間資源的分配，此外對于衛(wèi)星的管理和控制通過衛(wèi)星運行中心（SOC）來完成。但一般情況下，網(wǎng)絡中只有一個NCC，NOC的功能也就集成到NCC當中。

圖8 IPstar星狀組網(wǎng)＿相同波束

在單波束情況下，用戶終端與主站處于同一波束，用戶終端與主站可以直接互通，用戶終端之間無法互通。主要是由于用戶終端收發(fā)體制不同，例如在DVB－RCS系統(tǒng)中，用戶終端發(fā)送采用DVB－RCS體制，而接收采用DVBS/S2體制，與此相對，主站接收采用DVB-RCS體制，發(fā)送采用DVB-S/S2，顯而易見，在衛(wèi)星不做任何處理的情況下，用戶終端由于收發(fā)體制不同是無法互通的。但這一點并不是絕對的，后面我們可以看到，在衛(wèi)星增加再生處理功能之后，同樣是收發(fā)體制不同的用戶終端就可以直接互通了。

另外波束覆蓋范圍內有可能會有多個系統(tǒng)存在，每個系統(tǒng)由不同的NCC控制，首先這些系統(tǒng)之間通過頻率嚴格隔離，另外NCC還可通過接入鑒權認證機制防止個別用戶終端通過更改收發(fā)頻率入網(wǎng)。

2.2 多波束

在多波束系統(tǒng)中，用戶終端與主站有可能不在同一波束，而主站需接收同一網(wǎng)內位于不同波束中用戶終端發(fā)送的信號，并確定網(wǎng)內所有終端都能夠收到主站發(fā)送的信號，根據(jù)星上波束交聯(lián)方式的不同可有以下兩種場景：

(1)主站位于各個用戶終端波束的交疊區(qū)，用戶波束之間通過頻率隔離，主站可以收到來自各個用戶波束的信號，同時主站發(fā)送的信號可以廣播方式播發(fā)至各個用戶波束。

(2)用戶終端與主站均位于不同的波束，用戶終端位于用戶波束，主站位于饋電波束，衛(wèi)星通過靜態(tài)交鏈方式連接各個波束，此時主站與衛(wèi)星之間的上下行鏈路（即饋電鏈路）及用戶終端與衛(wèi)星之間的鏈路(用戶鏈路)需采用不同的頻段，避免波束之間的干擾。

典型基于透明轉發(fā)器星狀組網(wǎng)的多波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)為IPstar系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)方式為上述第二種情況。該衛(wèi)星于2005年8月11日發(fā)射升空，主要系統(tǒng)參數(shù)見表4。該衛(wèi)星采用透明轉發(fā)器，同一波束及不同波束用戶終端之間的通信需要通過信關站中繼，如圖8和圖9所示。

該系統(tǒng)中的衛(wèi)星鏈路分前向鏈路、反向鏈路和廣播鏈路。

（1）前向鏈路：經(jīng)IPstar衛(wèi)星從信關站（Ka 波段）到用戶終端（Ku 波段）的寬帶鏈路。該鏈路采用TDMOFDM體制，根據(jù)下行鏈路波束類型不同可分為三類：點波束、補充點波束、賦形波束。點波束是類似蜂窩小區(qū)的高功率波束，直徑400 公里，點波束之間采用三色頻率復用技術，大大提高了頻譜的利用效率。在我國點波束有22個，主要覆蓋大陸東部沿海主要城市人口密度稠密地區(qū)。賦形波束是EIRP值相對較低的寬波束，在我國主要覆蓋大陸西部沙漠人口密度小的地區(qū)。補充點波束實際上和點波束相同，主要作用是作為人口稠密地區(qū)帶寬需求的補充。在我國目前有兩個補充點波束，分別覆蓋北京和香港地區(qū)。

圖9 IPstar星狀組網(wǎng)＿相鄰波束

表4 IPstar系統(tǒng)參數(shù)

（2）反向鏈路：經(jīng)IPstar 衛(wèi)星從用戶終端（Ku 波段）到信關站（Ka波段）的窄帶鏈路。該鏈路采用MFTDMA體制，與前向鏈路一樣根據(jù)上行鏈路波束類型不同可分為三類：點波束、補充點波束、賦形波束。

（3）廣播鏈路是從信關站（Ka 波段）到用戶終端（Ku 波段）的單向鏈路，專為廣播應用設計，服務區(qū)大致是所有點波束覆蓋區(qū)域的總和。

目前該系統(tǒng)在中國有三個信關站，分別設在北京、上海和廣州，通過信關波束與衛(wèi)星通信，三個信關站可服務覆蓋我國22 個點波束和2 個補充點波束。根據(jù)衛(wèi)星轉發(fā)器交鏈配置，三個信關站分別連接不同的用戶點波束。EIRP值較低的賦形波束主要覆蓋人口稀疏的地區(qū)。在我國賦形波束與上海信關波束相連。廣播波束主要完成對所有用戶的廣播，與所有信關波束相連，只要配置相應的上行設備，便可實現(xiàn)廣播業(yè)務的播發(fā)。(未完待續(xù))

[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.