学术研究----综合信息
卫星通信系统的优化
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| 1 概述 | |
| 卫星通信自1965年商用至今已经走过了40个春秋。在过去的40年里，随着技术的发展，卫星通信也发生了许多革命性的变化：通信卫星的寿命越来越长，转发器的数量也越来越多；可用的工作频段越来越宽，并由C频段、Ku频段向Ka频段扩展；地球站也越来越小，由最初的庞大的IntelSat-A标准地球站，发展为种类繁多的VSAT地球站，前者的天线直径为32m，而后者却小于3m，最小的不足1m；在卫星通信系统方面，也历经了重大的发展，仅从多址方式来看，已由最初的FDM-FM-FDMA，陆续发展出现了许多新的卫星通信系统，如TDMA，SDMA，CDMA，SPADE，IBS，IDR，以及SCPC等系统，以适宜不同业务的需求，并使卫星通信系统的整体性能得以改善和提高。但是，随着信息技术的发展，新型的通信业务的应用，特别是市场的激烈竞争，人们有理由对卫星通信系统提出更高的性能要求，并具有更低的成本。显然，卫星通信系统就必需进行优化。 | |
| 2 卫星通信体制 | |
| 通信体制就是通信系统采用的信号传输方式和交换方式，其中包括信号的基本形式，调制方式，传输编码等。但是，对于卫星通信而言，由于其具有广播和大面积覆盖的特性，因而特别适宜多址联接，即一点到多点或多点到一点，以及多点到多点，这就是所谓的多址通信。因而对应的网络拓扑结构也就不同，前者为星状网，而后者为网状网。另外，功率和频带是卫星通信中最为宝贵的两大资源。因而如何有效地利用这些资源是卫星通信中另一个重要问题，这样又涉及到卫星对功率和频带的分配问题，即通常所讲的卫星通信的分配方式问题。 | |
| 限于篇幅，我们只着重讨论和分析卫星通信体制中的多址通信，调制方式，前向纠错技术，以及信号形式等，最后给出了一个优化的卫星通信系统的实例。 | |
| 2.1、卫星通信的多址方式 | |
| 在卫星通信领域内，依据对无线电信号不同参量的分割和识别，就形成了不同的多址通信系统，即FDMA，TDMA，SDMA，CDMA等，但从实际应用的情况来看，采用FDMA，TDMA较多。其中，在FDMA多址方式中，为了适应稀路由的实际需求，又派生出了SCPC多址方式，并在专用卫星通信网得以广泛的应用。 | |
| 2.1.1、TDMA多址方式 | |
| 在TDMA多址系统中，所有地球站都共用同一个信道，因而节约频带资源，但TDMA系统也存在诸多的问题，首先，每一地球站必须严格按照分配的时隙，周期的轮流工作，因而时延较大，特别是在速率不高的情况下，极不适宜音频和视频的传输。另外，为了保证地球站能在分配的时隙里工作，就要求系统必须做到精确的时间同步。最后一点是，无论业务量的大小不同，但每一地球站都必须按最大业务量配置其射频设备。 | |
| 目前，TDMA多址方式在专用卫星通信网中的应用，可以采用单一TDMA方式，也可采用TDM/TDMA方式。即中心站通过TDMA出境信道与各个远端站通信，而所有的远端站通过TDMA的入境信道与中心站通信，远端站之间的通信，需经过中心站的转接。可以看出，这样的专用通信网应用于数据通信比较合适。 | |
| 2.1.2、FDMA多址方式 | |
| 在SCPC多址系统应用中，与TDMA多址方式类似，可以采用单一的SCPC方式，也多采用TDM/ SCPC方式，即中心站通过TDM出境信道与各个远端站进行通信，而所有的远端站都是通过独自的SCPC入境信道与中心站通信。 | |
| TDM/SCPC多址通信系统的最大优点是中心站与远端站之间的通信时延最小，因而也最适合于音频与视频的传输。该系统存在的问题是，每个远端站的入境信道都占有固定的带宽。显然，其信道的利用率不高。 | |
| 为了提高单一SCPC多址通信系统的信道利用率，于是在这一系统中增加DAMA（按需分配）性能。为了实现DAMA性能，就必须增设信令通道，该通道可以由单一的TDMA方式，或是TDM/TDMA方式来完成。 | |
| 2.2、网络拓扑 | |
| 卫星通信系统的网络拓扑与其对应的多址通信方式密切相关，其中特别是信道的分配方式和对信道的控制方式。因此，网络拓扑的形式取决于信道路由的取向。如果网络中的各个地球站之间均可建立直达的通信链路，则对应的网络拓扑就称为网状网， | |
| 反之，若网络中的各个地球站仅于同一个地球站（中心站）建立直达通信链路，则对应的网络拓扑就称为星状网， | |
| 对于实时性的通信业务，或是对于时延敏感的通信业务，网状网将是一个最好的选择。但星状网对于非实时性业务或对时延不敏感的业务较为合适，同时对信道的集中控制和对系统的管理较为简单、方便。对于网状网而言，它对信道的控制方式，既可采用集中方式，也可采用分散方式。 | |
| 过去对网络拓扑的选择，一般都是在通信业务和多址方式已经选定，并结合网络的实际情况，从而确定网络的拓扑结构，选择星状网或选择网状网。 随着技术的发展，以及为了能适应多种业务的应用需要，对于网络拓扑的选择，既可能是单一的星状或网状，但也可能是星、网兼容的复合网。 | |
| 2.3、调制方式 | |
| 频带和功率是卫星通信中最宝贵的两大资源，而选择合适的调制方式，就能对这些宝贵资源得到最有效的利用。因此调制技术一直是人们长期以来的研究课题。其中研究的中心问题就是如何控制已调波的相位路径特性，即要求码元在相位转换时，已调波的相位能连续的变化，或者仅有较小的突跳。这样就能使已调波的频谱旁瓣小，滚降快。前者形成的干扰小，因而对功率资源的消耗就小，而后者因频谱较窄，因而对频带资源的占用就小。 | |
| 由图5可以看出以下几点： 5 当FEC码率相同时，高阶调至占用较小带宽，例如QPSK 7/8占用的带宽约为50%，而16QAM 7/8所占用的带宽仅为25%。 |
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| 6 当调制阶数增加，或是FEC码率减小，都会使信道的占用带宽减少，提高了频带资源的利用率。但与此同时，所要的信号功率也会增加。 | |
| 7 同一调制方式，随FEC码率的增高，占有带宽减少。显然，这是FEC的贡献。 | |
| 2.4、前向纠错（FEC）技术 | |
| 在通信领域内，仙农定理为我们设定了一个无差错数据传输的最高速率的极限值，即在给定的带宽和给定的噪声功率的信道内，必然存在着一个无差错数据传输的最高数据速率的极限值。同时指出，要想达到或接近一极限值的唯一方法就是使用信源编码，也就是我们所讲的FEC技术。因此，FEC技术是无线通信，特别是卫星通信在降低频率资源和功率资源的条件下，能提供可靠的数据传输的关键技术。 | |
| 但遗憾的是，迄今为止，在追求及接近仙农极限值的道路上，我们所取得的进展还太少。70年代维特比（Viterbe）算法的提出，在这一方向上迈出了几大步。90年代初Viterbe译码器与里德一所罗门（Reed-Solomon）硬判决块码的级联应用，又取得了一些进展。然而距离仙农极限值仍然远不可及。直到90年代后期，人们使用了一种巧妙而又简单的方法，即多个或迭代性译码过程，从而使得接近仙农的极限极值才有了可能。这就是随之出现，并已得到商用的Turbo乘积编码（TPC）。 | |
| TPC不仅具有极好纠错性能，同时还具有较低的译码时延的特点，这一特点特别适用于卫星通信的交互式通信的应用。 | |
| 在TPC出现后的几年内，人们又在此基础上推出了第三类并行级联递归系统编码，即称为低密度奇偶较验码（LDPC）。LDPC非常类似于TPC，因为它也是一种迭代译码块。 | |
| TPC，LDPC的出现，使通信系统的信道容量已经非常逼近仙农定理的极限值，因此TPC，LDP的出现，是通信领域近年来所取得的重大突破。 |
| 表1列出了不同形式的FEC，在不同的Eb/N。情况下的误码性能。从该表可以看出，在码率为3/4时，当Eb/N。为5dB时，Viterbe译码时的BER为10-4，而Viterbe与R-S级联应用时，其BER为10-8，此时若采用Turbo 0.793，则BER可以达到10-10量级。 | 
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| 图6给出了不同的调制方式和不同的FEC进行了多种组合，然后再综合的比较了它们的频谱效率与Eb/N。的关系，其中假定了BER为10-8。 | |
| ，图的左上方区域具有最好的频谱效率，以及最小的Eb/N。。而图的右下方区域则恰恰相反，是最最不佳的区域。 | |
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| 图7则描述了不同调制方式在采用不同码率的TPC和LDPC的信道容量与仙农极限值的差异。 | |
| 不难发现，当码率高于3/4时，由于TPC的应用，实际的信道容量与仙农极限值仅差1-1.5dB。当码率为3/4或更低时，LDPC要比TPC好0.7-1.2dB。 | |
| 2.5、IP的应用 | |
| Internet的爆炸性发展，已经使其成为世界上最大的互联网，同时对人类社会产生了深远的影响，并成为人们生活和工作中不可缺少的组成部分。 | |
| Internet的迅速发展，应归功于TCP/IP协议的应用，特别是IP协议的简便性和易扩展性，因而越来越被人们接受并获得推广，甚至传统的通信网络也在向IP靠拢，出现了"IP Over Anything"，"Anything Over IP"的局面。 | |
| IP通过卫星传输，不仅为Internet的应用带来了巨大的发展空间，同时也为卫星通信在Internet中的应用提供了展现自身独特性能的平台。 | |
| 卫星通信采用IP传输，可以带来许多优点 | |
| 2 简化地球站的终端设备 | |
| 3 适应多种业务应用 | |
| 4 有利于网络的智能管理 | |
| 3 卫星通信系统的优化 | |
| 3.1、卫星通信系统的优化原则 | |
| 卫星通信系统的优化取决于卫星通信体制的精心选择和完美的组合，并使系统具有更好的性能，更低的成本，因而更富有竞争性。但是，体制的选择又必须考虑系统的应用需求。只有遵循这一原则，既能使系统得以优化，同时又能使优化的系统满足应用需求。 | |
| 3.2、卫星通信系统的优化步骤 | |
| l 了解系统应用需求和性能要求 | |
| 主要了解系统的业务类型、使用环境、地球站数量及分析、卫星链路路由、误码率要求、网络组成、系统扩展等。 | |
| l 确定系统参数 | |
| 应确定系统使用的通信卫星，地球站天线尺寸，工作频段以及系统可用率等。 | |
| l 了解用户在实际运行中有无特殊的使用要求。 | |
| l 进行卫星链路计算 | |
| l 系统配置 | |
| 选择卫星通信体制，如调制解调器，FEC方式，多址通信方式，网络拓扑，以及网管等。 | |
| 1 系统性能估计 | |
| 2 系统经费估计 | |
| 3 检查用户特殊要求是否满足 | |
| 4 重新调整和选择如果在系统性能经费、以及特殊要求等项目中，有某项不能满足，则应重新调整系统参数，并重新选择通信体制，直至满足要求。 | |
| 4 VIPerSat系统 | |
| 在卫星通信领域内，任何一个卫星通信系统都是根据应用需求，体制选择而提出的，也就是说也经过了优化。但由于当时技术发展的限制，或是考虑问题的重点不同，或是特殊的应用需求等因素的影响，因而系统的性能差异也很大，限于篇幅，本文仅就VIPerSat系统作简要介绍，这是一个包含了当今卫星通信领域所取得的一些最新成果的卫星通信系统，它具有较好的性能，和较低的成本，因而可以认为是一个优化的卫星通信系统。 | |
| VIPerSat系统能以较高的系统性能支持着广大用户的不同应用。同时，还能跟踪和适应用户应用的不断变化，从而为卫星通信提供了一个创新的解决方案，是一个性能优异的卫星通信系统。 | |
| VIPerSat系统的主要性能特点分述如下。 | |
| 4.1、星网兼容 | |
| VIPerSat系统可以在同一个网络中支持星状和网状通信。系统处于基本工作模式时，VIPerSat系统是一个星状拓扑。但是系统又可以根据用户需求，并在网管系统的支持下，能完成各种网状通信的业务传输，如单跳的IP电话，网状的电视会议等。 | |
| 显然，具有这样的性能，就克服了单一拓扑所存在的缺点，从而能充分满足并适应各种应用的需求。 | |
| 4.2、自动带宽管理 | |
| 带宽的自动管理能使频带资源得到有效的应用。为了实现这一性能，系统具有能自动检测各地球站对带宽大小的请求，并能算出所需要的转发器带宽，然后由网管系统分配相应的带宽。通信结束后，系统还能自动检测出该项业务应用已经完成，并立即收回空间段的频带资源。 | |
| 所有这些管理和调度功能都是自动完成的，无需用户作任何操作干预。 | |
| 4.3、卫星传输与通信应用技术 | |
| VIPerSat把多媒体应用与卫星传输技术紧密结合，并在通信协议这个较高层次上把通信应用技术和卫星传输技术融合于一体，用户利用VIPerSat的平台，可以非常简单、容易的搭起自己的应用系统。VIPerSat系统通过网络协议的检测，就可以识别用户的不同的应用，并根据用户不同应用所定义的相应带宽做到带宽的自动计算和分配。由此可见，VIPerSat是一个与用户应用紧密结合的智能系统，或称之为按需分配系统。 | |
| 4.4、具两种可以相互转换的工作模式 | |
| VIPerSat系统具有S-TDMA和SCPC两种工作模式，并且能根据所传输的业务不同情况，自动地调整远端地球站的工作模式，以使整个系统工作在最优状态，以实现系统的优化。 当远端地球站传输的数据量较小，且为非实时性业务时，VIPerSat的网管系统使该地球站工作S-TDMA模式，并与其它的远端地球站以时分共享方式，共用一条入境载波直接向中心站回传数据；当远端地球站需要传输视频业务，IP电话，以及高速数据等业务时，因这些业务需要较大的带宽，网管系统会自动将远端地球站的工作模式由原来的S-TDMA转换为SCPC。当传输业务完成后，网管系统又自动的将远端地球站由SCPC再切换到起始的工作模式，即S-TDMA。 | |
| 应当指出的是，工作模式的转换，不仅满足了传输业务的工作带宽需求，同时还解决了对卫星链路时延敏感业务的特殊要求，例如当两个远端地球站之间进行电话通信时，VIPerSat的网管系统能自动地在两站之间临时分配一对SCPC信道，也就是说，由星状网的S-TDMA模式自动的切换为网状网的SCPC工作模式，这样就保证了电话通信链路只有一跳的路由。 | |
| 由此可见，VIPerSat系统兼有两种工作模式的优点，克服了单独采用一种模式的不足，或者说VIPerSat系统星网兼容，网络拓扑视业务性质的不同而自动转换，显然是一种优化的卫星通信系统。 | |
| 4.5、采用了性能优异的新型Modem CDM-570L | |
| 1 采用新型的FEC技术 | |
| CDM-570L将Turbo乘积码（TPC）功能组合在一起，与采用Viterbe级联Reed-Solomon编码相比，其性能获得更大的改善。并且，当编码速率高于3/4时，TPC以1-1.5dB的差值已非常逼近仙农理论的极限值。 | |
| 另外，TPC的应用还增加了编码增益，降低了解码时延，以及节约了带宽。 | |
| 2 具有多种调制解调方式 | |
| BPSK，QPSK/OQPSK，8-PSK，16-QAM | |
| 1 具有多种编码速率 | |
| 4.6、具有功能强大的网管系统 | |
| 网管系统是VIPerSat系统的核心，系统的主要性能都是由网管系统来完成的，如网络拓扑的控制，带宽的自动管理等。网管系统的硬件是，基于Windows 2003 Server，软件则包括了两个服务程序：VIPerSat系统功能，以及上行数据流的管理。 | |
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