宽带多媒体卫星通信系统组网技术

宽带多媒体卫星通信系统组网技术（上）冯少栋;张更新;李广侠 【摘 要】宽带多媒体卫星通信系统的组网方式与系统的应用模式、网络拓扑及转 发器类型密切相关.本文将其组网方式分为双向通信组网和单向通信组网,双向组网 侧重描述星状网和网状网的实现和特点,单向组网侧重对广播及组播的应用形式进 行介绍.期刊名称】卫星与网络年(卷),期】2010(000)006【总页数】5页（P46-50） 【关键词】 宽带多媒体;卫星通信;组网【作 者】 冯少栋;张更新;李广侠【作者单位】 解放军理工大学通信工程学院卫星重点实验室;解放军理工大学通信工程学院卫星重点实验室;解放军理工大学通信工程学院卫星重点实验室【正文语种】 中 文图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/S21标准体制，反向链路采用DVBRCS2 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 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星状组网一相同波束 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星状组网一相邻波束表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）参考文献1E 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 broadbandsatellite applicationsS. 2009.2E t s i. D ig i t a l V id e o Broadcasting (DVB);Interaction channel forsatellite distribution systemsS. 2009.