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[摘要]本文分析了宽带IP卫星通信技术兴起的历史背景，阐述了目前的研究和应用情况、存在的主要问题和涉及的关键技术。
[关键词]宽带多媒体IP技术卫星通信
中图分类号：TP311.134.3 文献标识码：TP 文章编号：1009―914X（2013）28―0386―01
将IP技术应用到卫星通信中，能发挥二者的优势，应用前景非常广阔，特别适应于军事通信、民用船只和飞机等移动通信、远程医疗、远程教育和应急通信等场合。近年来IP和多媒体技术在卫星通信中的应用已成为一个新的研究热点。
1.宽带IP卫星通信技术发展的原因
随着全球因特网业务的蓬勃发展，特别是人们对集数据、话音和视频等于一体的多媒体业务的需求迅速增长，导致基于IP协议的业务需求量急剧上升。尽管地面通信网络正在迅速发展，但卫星通信网具有地面通信网络不可比拟的一些优势。例如：卫星通信系统所特有的大区域内广播的特点是其他通信系统所没有的；在某些特殊领域，如船只和飞机等移动通信、偏远地区和地面设施不发达地区的通信，以及军事通信等，卫星通信系统具有明显的优势。在这些场合利用卫星建成宽带多媒体业务接入系统被认为是切合实际的方案。宽带IP卫星通信技术的出现正是这种背景下的必然产物。
2.宽带IP卫星通信技术发展现状
宽带IP卫星技术就是将卫星业务搭载在IP网络层上运营的技术，是运行TCP/IP协议簇的卫星通信网。目前提出的宽带IP卫星系统都采用基于ATM的传输技术，在卫星ATM的分层实现上，存在两种不同的思路：一种是将ATM协议放在非ATM的卫星协议平台上而不改变现有卫星协议的结构。其优点是保持现行的卫星标准，卫星平台对不同用户终端的协议标准是透明的，卫星访问协议不会为外界网看到，但很难为各种不同的协议都提供最好的性能。另一种是卫星网完全采用ATM结构。其优点是适用于一个高度集成的星地ATM环境，缺点是需要修改现有的各种卫星协议和网间接口协议。
1996年，美国NASA的ACTS卫星进行了622Mbit/s的ATM试验，验证了TCP/IP协议在卫星ATM平台上的可行性。1999年欧洲也发射了基于ATM的传输技术的ASTRA卫星，组成宽带、面向大众的“空中因特网”卫星系统。但是这些早期的应用离未来宽带卫星系统的要求还有一些距离，有待进一步的发展。
近几年国际上出现了各大公司向有关组织申报宽带卫星通信系统的建设牌照的热潮。这些公司包括传统的卫星制造商、电信服务商以及新兴的ISP（InternetServiceProvider）公司。在这些已经申报的宽带卫星系统中有相当一部分是以支持IP业务为主要特征的宽带卫星IP系统。
目前驻伊美军已经装备了美国Tachyon网络股份有限公司生产的使用IP技术的高带宽链路的便携式卫星通信设备。这种新型技术将使空间网成为地面网的扩展，更加突出了卫星通信在未来战争中的地位。
3.宽带IP卫星网络的关键技术
由于众所周知的原因，卫星通信系统在链路特点、卫星移动性、全球可见性、路由和寻址等方面将赋予卫星IP技术不同于传统IP技术的新特征，包括物理层、数据链路层、网络层和传输层等各个OSI参考模型层面上的差异。
3.1 物理层
相对于地面光纤链路而言，卫星链路的误码率较高，宽带IP卫星系统要求在较高的信道误码率情况下传输高速数据，这就要求有高效率的信道编解码技术，满足各类多媒体业务QoS的要求。宽带多媒体业务质量要求的不同，使信道编码需要采用速率可变的差错控制编码，利用源和信道的联合编码可以提高系统整体性能。为提高宽带卫星通信系统的容量和业务质量，还必须采用新的传输技术和调制技术，近几年来CDMA多址方式和OFDM多载波调制方式的发展受到了广泛的重视。
3.2 数据链路层
数据链路层研究的重要内容是提高带宽的有效利用率。卫星通信信道特性易受到天气的影响，特别是Ka以上的频段，而信道特性又对无线资源管理有一定的影响。目前在地面移动多媒体通信中，开展了各种拥塞控制和资源分配的策略研究，这些研究成果对卫星通信领域有一定的借鉴意义。无线资源管理的目的是使受保证的业务的呼叫拥塞概率降低到给定门限之下，使异步业务的丢包率尽可能小。
就接入方式来看，卫星通信的业务信道是非对称性的。多媒体卫星通信系统一般需要充分利用其广播的优点，所以无线资源管理的重点是用户终端的上行信道，其中自适应带宽分配算法是目前研究的重点。
3.3 网络层
网络层技术包括与星座有关的路由问题和异构网络互联等问题。
3.3.1 与星座有关的路由问题。卫星之间的星际链路增加了卫星网络拓扑的复杂性。路由算法决定了穿越该卫星网的最佳路径，应该采用基于分组的灵活的路由策略而不是基于电路的静态路由，这有利于利用星座系统的冗余路由。
另外，卫星的高速对地运动造成了频繁的切换。路由信息因为拓扑的高度变化和切换的频繁不可能做到快速的更新，所以卫星不同于常规的因特网路由器。但星座系统的拓扑结构有其自身的特点和规律，我们可以利用星座系统的拓扑结构的可预言性、周期变化规律、卫星网络节点的数目固定等特点，采用动态虚拟拓扑路由、虚拟节点以及基于拓扑变化的策略等，将卫星的移动性屏蔽起来，使全网可以使用标准的面向连接的网络协议。
3.3.2 异构网络互联。支持IP路由的系统不一定可以很好支持像ATM分组和帧中继分组这样的非IP业务，如果在卫星ATM网络中需要传送大量的IP业务，那么就需要ATM可以提供低层的协议来支持IP分组，采用隧道技术可以使分组路由通过异种网络传送到接收方。IP和ATM异种网络的互联产生了一系列问题，特别是在IP组播路由和QoS管理方面。
解决在ATM中进行IP组播的一个方案是采用组播地址解析服务器（MARS），MARS将IP组播地址映射成ATM服务器地址，但是MARS系列方案并不支持移動性管理，因此很难把IP组播中的参数完全映射到ATM路由表中。
虽然ATM有完善的QoS管理机制，但是要将IPQoS直接用在ATM中是相当困难的，因为很难准确地将IPQoS映射到合适的ATM业务类型。最理想的宽带卫星通信系统应该是可以无缝接入基于IP或ATM的地面网络。这样可以利用卫星和地面网络各自的优点来更好地在多点之间实现大的多媒体文件的传送。
3.4 传输层
尽管TCP提供了一个很好的流控机制，但是TCP并不是针对多媒体流的协议。多媒体流对实时性的要求高于对可靠传输的要求，而且压缩机制限制了数据率可变的能力。所以多媒体应用需要使用基于用户数据包协议（UDP）的流控方式。因为UDP提供不可靠的分组业务，所以需采用前向纠错（FEC）技术来克服传输差错。
因特网是一种革命化的信息工具，它使更多的人在更广的范围内更加方便地获取信息。卫星通信的发展必须满足这种市场的需要。卫星作为一个信息传播媒介相对于其他信息传播媒介而言具有一些明显优势，但是只有和新技术相结合，才能使这些优势真正发挥效益。宽带卫星IP网络正是这样的一种产物，必将具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 温永兴.2030年前美国军事通信技术发展研究.2010.
[2] 张冬辰.军事通信[M].北京：国防工业出版社，2008.7.
[关键词]宽带多媒体IP技术卫星通信
中图分类号：TP311.134.3 文献标识码：TP 文章编号：1009―914X（2013）28―0386―01
将IP技术应用到卫星通信中，能发挥二者的优势，应用前景非常广阔，特别适应于军事通信、民用船只和飞机等移动通信、远程医疗、远程教育和应急通信等场合。近年来IP和多媒体技术在卫星通信中的应用已成为一个新的研究热点。
1.宽带IP卫星通信技术发展的原因
随着全球因特网业务的蓬勃发展，特别是人们对集数据、话音和视频等于一体的多媒体业务的需求迅速增长，导致基于IP协议的业务需求量急剧上升。尽管地面通信网络正在迅速发展，但卫星通信网具有地面通信网络不可比拟的一些优势。例如：卫星通信系统所特有的大区域内广播的特点是其他通信系统所没有的；在某些特殊领域，如船只和飞机等移动通信、偏远地区和地面设施不发达地区的通信，以及军事通信等，卫星通信系统具有明显的优势。在这些场合利用卫星建成宽带多媒体业务接入系统被认为是切合实际的方案。宽带IP卫星通信技术的出现正是这种背景下的必然产物。
2.宽带IP卫星通信技术发展现状
宽带IP卫星技术就是将卫星业务搭载在IP网络层上运营的技术，是运行TCP/IP协议簇的卫星通信网。目前提出的宽带IP卫星系统都采用基于ATM的传输技术，在卫星ATM的分层实现上，存在两种不同的思路：一种是将ATM协议放在非ATM的卫星协议平台上而不改变现有卫星协议的结构。其优点是保持现行的卫星标准，卫星平台对不同用户终端的协议标准是透明的，卫星访问协议不会为外界网看到，但很难为各种不同的协议都提供最好的性能。另一种是卫星网完全采用ATM结构。其优点是适用于一个高度集成的星地ATM环境，缺点是需要修改现有的各种卫星协议和网间接口协议。
1996年，美国NASA的ACTS卫星进行了622Mbit/s的ATM试验，验证了TCP/IP协议在卫星ATM平台上的可行性。1999年欧洲也发射了基于ATM的传输技术的ASTRA卫星，组成宽带、面向大众的“空中因特网”卫星系统。但是这些早期的应用离未来宽带卫星系统的要求还有一些距离，有待进一步的发展。
近几年国际上出现了各大公司向有关组织申报宽带卫星通信系统的建设牌照的热潮。这些公司包括传统的卫星制造商、电信服务商以及新兴的ISP（InternetServiceProvider）公司。在这些已经申报的宽带卫星系统中有相当一部分是以支持IP业务为主要特征的宽带卫星IP系统。
目前驻伊美军已经装备了美国Tachyon网络股份有限公司生产的使用IP技术的高带宽链路的便携式卫星通信设备。这种新型技术将使空间网成为地面网的扩展，更加突出了卫星通信在未来战争中的地位。
3.宽带IP卫星网络的关键技术
由于众所周知的原因，卫星通信系统在链路特点、卫星移动性、全球可见性、路由和寻址等方面将赋予卫星IP技术不同于传统IP技术的新特征，包括物理层、数据链路层、网络层和传输层等各个OSI参考模型层面上的差异。
3.1 物理层
相对于地面光纤链路而言，卫星链路的误码率较高，宽带IP卫星系统要求在较高的信道误码率情况下传输高速数据，这就要求有高效率的信道编解码技术，满足各类多媒体业务QoS的要求。宽带多媒体业务质量要求的不同，使信道编码需要采用速率可变的差错控制编码，利用源和信道的联合编码可以提高系统整体性能。为提高宽带卫星通信系统的容量和业务质量，还必须采用新的传输技术和调制技术，近几年来CDMA多址方式和OFDM多载波调制方式的发展受到了广泛的重视。
3.2 数据链路层
数据链路层研究的重要内容是提高带宽的有效利用率。卫星通信信道特性易受到天气的影响，特别是Ka以上的频段，而信道特性又对无线资源管理有一定的影响。目前在地面移动多媒体通信中，开展了各种拥塞控制和资源分配的策略研究，这些研究成果对卫星通信领域有一定的借鉴意义。无线资源管理的目的是使受保证的业务的呼叫拥塞概率降低到给定门限之下，使异步业务的丢包率尽可能小。
就接入方式来看，卫星通信的业务信道是非对称性的。多媒体卫星通信系统一般需要充分利用其广播的优点，所以无线资源管理的重点是用户终端的上行信道，其中自适应带宽分配算法是目前研究的重点。
3.3 网络层
网络层技术包括与星座有关的路由问题和异构网络互联等问题。
3.3.1 与星座有关的路由问题。卫星之间的星际链路增加了卫星网络拓扑的复杂性。路由算法决定了穿越该卫星网的最佳路径，应该采用基于分组的灵活的路由策略而不是基于电路的静态路由，这有利于利用星座系统的冗余路由。
另外，卫星的高速对地运动造成了频繁的切换。路由信息因为拓扑的高度变化和切换的频繁不可能做到快速的更新，所以卫星不同于常规的因特网路由器。但星座系统的拓扑结构有其自身的特点和规律，我们可以利用星座系统的拓扑结构的可预言性、周期变化规律、卫星网络节点的数目固定等特点，采用动态虚拟拓扑路由、虚拟节点以及基于拓扑变化的策略等，将卫星的移动性屏蔽起来，使全网可以使用标准的面向连接的网络协议。
3.3.2 异构网络互联。支持IP路由的系统不一定可以很好支持像ATM分组和帧中继分组这样的非IP业务，如果在卫星ATM网络中需要传送大量的IP业务，那么就需要ATM可以提供低层的协议来支持IP分组，采用隧道技术可以使分组路由通过异种网络传送到接收方。IP和ATM异种网络的互联产生了一系列问题，特别是在IP组播路由和QoS管理方面。
解决在ATM中进行IP组播的一个方案是采用组播地址解析服务器（MARS），MARS将IP组播地址映射成ATM服务器地址，但是MARS系列方案并不支持移動性管理，因此很难把IP组播中的参数完全映射到ATM路由表中。
虽然ATM有完善的QoS管理机制，但是要将IPQoS直接用在ATM中是相当困难的，因为很难准确地将IPQoS映射到合适的ATM业务类型。最理想的宽带卫星通信系统应该是可以无缝接入基于IP或ATM的地面网络。这样可以利用卫星和地面网络各自的优点来更好地在多点之间实现大的多媒体文件的传送。
3.4 传输层
尽管TCP提供了一个很好的流控机制，但是TCP并不是针对多媒体流的协议。多媒体流对实时性的要求高于对可靠传输的要求，而且压缩机制限制了数据率可变的能力。所以多媒体应用需要使用基于用户数据包协议（UDP）的流控方式。因为UDP提供不可靠的分组业务，所以需采用前向纠错（FEC）技术来克服传输差错。
因特网是一种革命化的信息工具，它使更多的人在更广的范围内更加方便地获取信息。卫星通信的发展必须满足这种市场的需要。卫星作为一个信息传播媒介相对于其他信息传播媒介而言具有一些明显优势，但是只有和新技术相结合，才能使这些优势真正发挥效益。宽带卫星IP网络正是这样的一种产物，必将具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 温永兴.2030年前美国军事通信技术发展研究.2010.
[2] 张冬辰.军事通信[M].北京：国防工业出版社，2008.7.