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卫星通信新技术应用机遇及轨道(一)
2006年7月5日 10:53  来源:数字通信世界
    一、 引言 

    面对地面3G、3G演进、NGN(下一代网络)、NGBW(下一代宽带无线)、NGMN(下一代移动网络)、Wireless Internet/Mobile IP 等热火朝天的研究、开发与推进,以空间段为基础的卫星系统与技术, 应该、也必须积极扮演一个什么样的重要角色, 已成为一个紧迫的研究课题。
 
    自1945年英国空军雷达军官、科学家亚瑟?克拉克(Arthur C,Clarke)在“无线世界”(Wireless World)杂志上发表了 “地球外的中继”(Extraterrestrial Relaying)一文、提出了三颗GEO卫星可按120o 轨道间隔进行覆盖全球的通信这一革命性概念以来,卫星系统作为一种新兴的技术与业务手段,无论从越洋通信至区域、国内乃至个人通信,无论从GEO/MEO/ LEO固定/半移动/移动通信、DBS/DTH/DAB广播、DVB-IP多媒体、GPS/RNSS/RDSS导航定位,至GMDSS应急援救、RSS遥感乃至气象/地震预报、远程医疗/教育、空间探测/科学试验等各行各业的各类应用,无论从各类空间段卫星制造、星际链路构成,至商业火箭发射与保险, 乃至地面段各类VSAT/USAT甚至微型个人终端的诞生,真可谓创建了五十余年人间科技辉煌与卓越的社会政治、经济贡献,当然亦不无众多波澜起伏与曲折坎坷! 

    进入21世纪的信息全球化及全球巨大的个人多媒体通信流量与无缝隙覆盖需求,注定无线宽带手段,包括各类卫星手段,将会发挥其愈来愈重要的战略作用。而各类卫星系统的重要性在于它在未来全球/区域/国家信息社会中的一系列独特特征与作用; 它对各行各业、各类实际应用的广泛性与普遍性; 以及它在未来宽带无线演进中通用无线接入及WWAN、WMAN、WLAN与WPAN等各类综合业务应用、服务内涵中不可缺少的独特作用与重要性。 

    本文针对这一背景,就现代卫星系统新技术应用机遇及卫星系统轨道/频谱管理相关策略考虑谈一些个人看法,供分析参考。 

    二、 NGN及3G演进基本走向

    历经“. COM ”泡沫及全球电信业低迷教训之后,人们对“宽带”、“宽带无线”及“3G”等已持较理性态度进行分析、思考与处理。当今,围绕NGN问题的辩论与讨论,首先推进与揭示了一系列以IP为基础的新一代网络的QoS性能、安全性、智能网管改进及由现今TDM/SDH/ATM为主导的网络向新一代IP网络平滑演进的务实途径, 这是一种前后向兼容、有效创造增值效益的演进,而宽带无线亦将按这一概念向前发展,特别从个性化含义上看,未来NGN及GII的接入与应用层面,必将是包括卫星通信及各类相关卫星系统应用在内的无线通信的世界。 

    在迈向NGN途径中,纵观全球无线/移动通信发展, 呈六大走势,即传送宽带化、应用个性化、接入多样化、网络数据化、系统互补化及有线/无线一体化。 

    从广义的无线(Wireless)通信概念看,无线的宽带化及其宽带资源将呈现出无限宽广的发展空间,但鉴于无线空间传输介质的不稳定性与时变特征,核心传输平台技术依然是光纤。而宽带在此指同时包括≤2Mbit/s与>2Mbit/s的“Wideband”与“Broadband”这两种不同场合,快速移动运营场合甚至将50kbit/s左右亦视为宽带运行。而通用无线接入通常包括地面固定无线接入(TFWA)、地面移动无线接入(TMWA)及卫星接入(SA,同时计及固定及移动)。通用无线接入可综合包括宏大区、宏区、小区、微小区、微微小区、移动、半移动(包括游牧,Nomadic)、静止 /固定等各种接入覆盖模式,可有效覆盖三维物理空间的任何一角落及有效连接至任何个人用户,这对实现未来5W/5A全国个人通信而言,其实际连接覆盖实现未来(WBAN/WPAN/WLAN/WMAN/WWAN) 的普遍化与重要性及战略意义将不言而喻。 

    宽带无线的重头戏理应是以3G演进为中心的宽带移动通信,其演进发展沿1G→ 2G→2G+(2.5G,2.75G)→3G→3G+→4G→......方式前进,一般说来这是一种与NGN概念与要求相协调的前、后向兼容式的演进。相应以3G为中心的前后向兼容体制标准的演进轨迹按FDD、TDD两大走向来看为: 

    GSM→WAP/x-HTML-GPRS/EDGE(IS-136→EDGE) 
    →WCDMA→HSPA(HSDPA/HSUPA)......→ (4G)......—FDD; 
    IS-95A(IS-95A+)→IS-95B→cdma2000 1X  
    →(GSM 1X)→cdma2000 1X(2X)EV-DO→cdma2000 1X(2X?)  
    EV-DV(cdma2000 3X?)......→ (4G)......—FDD; 
    GSM→TD-SCDMA(UTRA-TDD?)→ETD-SCDMA/TD-LAS? ...... 
    →( TDD Broadband IP Wireless?) → (4G)......—TDD 
    对应传输速率演进轨迹为: 
    9.6kb/s→14.4kb/s→56/64kb/s→114/153kb/s→308/384kb/s→2.0Mb/s 
    →2.4Mb/s→5.2/6.0/8.0Mb/s→≥10/12/20Mb/s...... 
    →......(4G, 高速移动.→>20/30Mb/s~100Mb/s; 
    接近固定.→≥156 Mb/s ~1000Mb/s) 

    应该指出,从市场驱动为导向务实发展NGN及NGBW角度看,关注3G演进(包括IEEE 820。xy进展集成或融合在一起)来处理问题,比仅关注原始定义的纯3G将显得更为紧要。 

    NGN系统结构的一种重要设想即为对各种新老交替的无线通信接入手段,包括新一代FWA技术及移动通信技术, 以及各种有线和无线接入手段,公用、专用及共用,地面、空间及海上,广播、交互、移动、半移动、游牧、可搬移,或静止/固定式等等,覆盖域可涉及WBAN/WPAN/WLAN/WMAN/WWAN等各种类别,经过中界会聚桥接途径,均统一协同、互补地工作于NGN的以IP为基础的核心平台之上,以个性化为基础,包括人对人、人对机(物体)、机对机的有效连接与通信在内,形成有线与无线、固定与移动,以及通信网、计算机网与广播电视网这“三网”的有机融合。 

    宽带无线演进及NGBW, 亦是NGN的重要组成部分,特别从个性化含义上看。如上所述,未来NGN及GII的接入与应用层面,必将是无线通信的世界, 而其3G演进所谓全IP网络结构发展亦必须与NGN相协同。 

    涉及NGN是否应为“全IP化”网络之争的问题,首先从NGN的发生背景可理解,IP网的飞速发展及巨大市场扩展成功与全球覆盖的现实,使人们容易接受在IP协议基础上进一步演进提高,以较好地融合现有网络,平滑地向期望中的NGN发展;另一方面,E-mail、WWW浏览及VoIP等业务的普及与飞速扩展,导致IP网的全球覆盖、全方位命名与服务,其开放性及可经济、有效地支持多业务运行的特点使人感觉与GII的构想甚为相似,使人们容易认同采用IP协议支持核心网平台进行未来网络的融合与演进。而在此基础上,若要实现最经济有效的各类网络层面的互连,当然应该使网络终端、PBN(人体或物件的物体域网络)、PAN(个人域网)、LAN(局域网)、MAN(城域网)及WAN(广域网)均应以IP协议为基础运作,这便产生“NGN应是所谓全IP化网络”的观点。但另一方面,目前的IP网络确有安全失控、QoS无保障、网管弱智、缺乏可赢利商业运作模式,及系统结构中间件缓冲及分布智能处理能力差等多方面缺陷,从而另一种观点认为“NGN不应是全IP化网络”。而且,将所谓全IP化真的理解为可“包打天下、限制一切”,这亦不科学,不符合发展逻辑。即使IPv6在地址容量为主、并在安全性、QoS控制、地址资源管理合理性方面均有大幅度改进,亦不能说明它十全十美、可永世长存。它毕竟只是 “Version6”版本而已,而且从IPv4至IPv6的不兼容性即可见其IP协议阶段性设计的局限性与巨大弊端。因此,客观说,这两种观点均有其理由及可取之处,但应避免偏激对立,否则难以取长补短,取得现实有效的融合与推进—— 一方面,想要完全抛开现存IP网是缺乏基础的、不现实的;另一方面,希望用今天的IP网一统天下显然过份乐观与理想化,也不切实际、今天的IP网协议必然与未来NGN协议有很大差异。NGN亦不等于下一代Intenet(NGI) 。研究和发展NGN必须认真分析这些差距的根源,找出有效的解决办法才行。即使认为NGN要以IP为基础 或“全IP化”,IP的概念与含义也要改变,原先意义上的IP的一系列缺陷将无法实施所期望的NGN的基本目标。实际上,IP和Internet研究的权威机构IETF对现有Internet及IP协议的缺陷与不足,亦已有足够的认识,并相信,在采取一系列有效措施后,以新的IP为基础的网应能担当起NGN重任。 

    因此,作为一贯牵头制订网络标准的国际组织ITU与IETF则应抓紧这一机会,协调各方,博采众长,合理保留与使用IP协议的合理成份,并重视一切有益概念与现实途径,使NGN的新协议与现实装备可行性均获得长足提高,从而不负众望。对NGN与GII的关系,首先应作出明确合理的阐述,NGN的定义亦必须逻辑合理,并划分必要的阶段性。其次,除对网络结构纵向层面进行优化外,对其横向层面、甚至多维层面均应协调,指出其优化结构导向。在此新IP含义上,看来不仅核心网,包括接入网在内,均应向这种未来更新后的“全IP”方向逐步演化,“IP Over Everything”亦将向“Everything Over IP”/“IP Under Everything”方向逐步演进发展。当然,从网络核心层面, 至接入层面乃至应用层面,应不乏大量应用中间件、分布智能控制、软交换及软件无线电等一系列有效的软件工程技术,等等。从广义角度观察,应该说,NGN是一种目标网络,是一代逐步由全新IP协议为基础的有机融合语音、视像、数据于一体的面貌全新的网络。它将真正使网络设施不受时间、空间和带宽的限制,充分实现网络个性化;使基于网络的虚拟世界与现实世界完美地融合;接近零的网络时迟与优良的网络端到端QoS性能,满意的网络与系统的可靠性与可用性,以及足以信赖的网络安全性;网络接入可达到普遍灵活、多样化、个性化方式的无缝隙宽带接入, 有跨协议、跨标准国际漫游能力, 以市场与业务驱动为导向,将呼叫控制与网络传送层及业务层完全分离, 可进行服务的快速布设与移植,可充分利用平台的开放性与标准性,积极调动运营商及第三方的天才与创造性,快速丰富业务种类与市场应用等等特征的一种理想化的网络。在这一含义上,固定与移动将逐步融合,而移动通信与Internet的飞速发展这全球信息社会中最耀眼的两大亮点的联手,将把人类实现全球个人多媒体通信——任何人无论何时、何地都能与任何对象,按自己感兴趣的任何方式实现所谓5W或5A信息交流——的梦想真正能一步步变为现实。无线移动数据业务的进一步发展需要Internet网络平台的支撑才能进一步起飞;而Internet的个人连接能力如欲进一步发展,亦必需摆脱固定终端的束缚,才能真正向个性化服务, 即全球个人多媒体通信迈进。而且全球信息网络化及全球电子商务的普及真正能获得有效发展,亦离不开无线Internet(WI)或移动IP(MIP)。因此,无线/移动与Internet/IP相结合是历史发展的必然,亦是NGN及NGBW发展的主要组成。深刻洞察与牢牢把握这一新机遇对宽带无线发展战略上尤为重要,其中,卫星通信及各类卫星系统应用有其独特的重要地位与作用。 

    三、 卫星系统及其应用的独特作用与重要性

    1.卫星系统的独特特征与重要作用  

    惟一的三维无缝隙覆盖能力 ;独特的灵活性与普遍服务能力;宏大区域的可搬移性与可移动性;广域复杂网络拓扑构成能力与广域Internet交互连接能力;特有的广域广播与多播能力;对国际/区域/本地连接距离的不敏感性;较低的初期投入与快速财务回报;对应急救灾及宽带系统备份与故障抢救的快速灵活与安全可靠方面的独特能力,等等。 

    2.卫星系统的广泛服务应用与产出领域 

    可开发创建一系列大规模量产的产业领域,诸如DBS/DTH/DAB/DVB-IP,GPS/RNSS/GIS,VSAT/USAT , 等等;各行各业的广泛应用、服务领域,诸如国际/区域/本地固定/移动通信,DBS/DTH/DAB广播、GPS/RNSS/RDSS导航定位,GMDSS安全与应急援救、远程教育与远程医疗,卫星遥感与地球探测,气象及地震预报,以及包括工业、农业、渔业、林牧、安保、军事、科学研究、新闻报导、航空、海事和环境等各行各业;对(中)西部大开发及农村边远地区通信和普遍服务的独特重要作用。以及, 对3G、3G演进、NGN、NGBW等系统的有效广域三维覆盖、广播/多播、高密度多媒体业务发展与基站互连及回运等重要互补支持作用。 

    3.宽带无线演进中不可缺少的重要互补支持作用 

    包括地面移动接入(属地面移动业务范畴)及地面固定无线接入(简称FWA,属地面固定业务范畴)和卫星接入(SA,相应卫星移动接入,属移动卫星业务MSS范畴)。 

    卫星接入是通用无线接入的重要组成部分。近些年来,卫星接入为人们轻视与冷漠的主要原因与GMPCS系统在原先过分炒作基础上的严重失利密切相关联。WRC-97大会上LEO/MEO/GEO卫星移动与卫星固定业务被炒得火热,而事隔三年,随着Iridium系统的破产惨败,尔后ICO、Globalstar以及Orbcommm等大系统均继续陷入相当困难的处境。此情况决非偶然 , 与地面移动无线接入和固定无线接入的蓬勃发展局面相对比,其根本问题是如何处理好技术驱动与市场驱动的基本关系,以及如何定位好卫星业务与地面业务之间的基本市场格局,和如何处理好卫星业务与地面业务的有机综合。为此,早先一阵LEO/MEO/GEO卫星移动与固定业务狂热驱动下提出的四十多个大小LEO系统、20余个Ku/Ka频段宽带卫星系统,以及15个左右V/Q/W之类更高频段的宽带多媒体卫星系统提案,均处于冷静思考、调整战略、破产保护重整或放弃,寻求其合理发展途径的低潮阶段。但是,归根结蒂,卫星通信在构筑全球信息高速公路征程中的独特战略地位与作用是肯定的,冷静考虑与安排卫星业务,诸如卫星广播数字压缩直播DBS、DTH业务,卫星无线电导航(RNSS)与全球定位(GPS)业务,以至包括卫星移动业务MSS在内,依然在WRC-2000/2003大会上获得密切关注与相应进展。而且,作为固定接入的GEO FSS系统,以SES、INTELSAT系统为代表,依然处于相当好的商业运作状态,它对高速寻呼、短信息数据业务联网,对包括DTH、DBS、VoD在内的视频多媒体广播、多播业务,对Internet业务的高速下载及远程教育、远程医疗等多媒体业务广域组网等,依然发挥着独特有效的作用。计及卫星接入的通用无线接入可有效覆盖三维物理空间的任何一角落及有效连接至任何个人用户,这对实现未来全球的个人通信而言,其实际连接覆盖的普遍化尤为重要。而且无线接入与Internet联合运作的所谓无线Internet及移动IP ,以及更进一步以Bluetooth /UWBT / WLAN之类手段实现以微微小区个人接入为中心展开的无线个人(区)域网络接入,将成为未来全球个人通信世界的最重要的环节之一。其中,卫星接入在实现国际/区域/国内灵活的宏大区广域三维覆盖接入方面的作用显得尤为突出。 

    此外,就技术层面看,与宽带固定无线接入与新一代宽带移动通信的关系相类似,宽带卫星系统技术[1]通常具有比宽带地面系统技术更高的技术难度与更深的技术内涵。众所周知,由于固定无线接入比移动通信场合容易现实操作,智能天线、软件(定义的)无线电,以及一系列现代编码调制及自适应信号处理技术等功率/频谱有效利用新技术,以及IP QoS的物理层、MAC层、会聚层及应用层方面有效联手的协议处理,往往容易首先在固定无线接入中试验与装备应用。从而,固定无线接入通常成为新一代移动通信的技术先导,第三代后的第四代移动通信系统结构的一种重要设想,即为对各种新老交替的无线通信接入手段,(包括新一代FWA技术及移动通信技术、多媒体广播技术和WxAN等接入技术)相组合,借助中介会聚桥接适配系统与以IP为基础的核心网相连接,构成新一代 (第四代或第五代)宽带移动通信系统的框架描述,形成固定与移动的较有机融合。与此相似,先进的卫星技术需要以先进的地面技术作先导,同时紧密结合卫星传输的自身特征,进一步研制开发一系列特有的新技术,诸如GEO长时延、大传输衰耗影响处理,LEO/MEO多星座结构优化与自适应覆盖处理,多星座、多网络跨协议漫游处理,高可靠、长寿命卫星空间段星上处理、星际连接及卫星发射技术演进,精确可靠的空间体站址保持、地面跟踪以及端对端卫星全IP结构传送运作时的有效QoS控制、安全性保证、网络智能管理与可赢利商业模式运作,等等,这充分显示卫星系统更深的高技术内涵。
 
    四、现代卫星通信系统新技术 

    1.新设计哲理 

    ⊙剪材市场需求的自适应星座结构; 
    ⊙多媒体综合业务运行的多层结构通用平台,包括混合频段运行演进扩展,LEO/MEO/GEO混合结构,同轨位的多卫星布局及虚拟卫星系统概念应用; 
    ⊙点波束及蜂窝式小区覆盖的卫星天线波束成形; 
    ⊙选择星上处理和/或星际链路结构的决策; 
    ⊙IP/ATM混合结构及向全IP系统的前向演进; 
    ⊙卫星发射、空间设备控制和维护新概念,包括海上发射、航天飞机发射维护及由ELVS至RLVS火箭发射概念的演进等; 
    ⊙增加卫星工作寿命及增加可布局卫星在轨数目的倾轨卫星的运行; 
    ⊙为改进无线IP QoS及连续欣尝多媒体节目的流媒体(Streaming Media)及内容分发网络(CDN)概念与技术; 
    ⊙针对卫星系统有别于地面系统业务的一些不同特征的特种对抗措施,这些特殊特征诸如长的时延影响、高速功率控制、多模多协议切换漫游、频谱扩展和相带宽影响、不同类别的多普勒频移与时延处理等; 
    ⊙适应国内、区域运行实际需求的高性能价格比的卫星轨道/频谱/星座/系统结构的规划与设计; 
    ⊙对抗与杜绝一切恶意攻击卫星系统的空间段与地面系统结构设计及监测、防犯和查处的有效措施; 
    ⊙超大型卫星和/或中、小(微或皮)型卫星云团串(Cluster)结构的决择; 
    ⊙低高度GEO型空间体概念,包括地面业务范畴的平流层高空汽艇平台(HAPS或STS或SCS),以及包括飞机/气球型高空远程运行系统(HALO或HELIOS等)之类方案等, 即为低高度GEO型空间体概念的一种可行模拟,与卫星通信及地面无线通信相比有其独特优势,这是一种具有极重要潜在战略价值的无线通信新方式,估计2008~2012年左右即可能显示其商用价值等。 

    2.新系统技术 

    包括卫星系统在内的对各类无线系统更新换代有举一反三作用的通用新技术大抵有下述20项,必需特别重视,详情可参阅文献

    ⊙多维信号处理与电磁兼容分析及多维频率共用技术 
    ⊙灵活、有效及可扩展的多维资源管理技术 
    ⊙智能天线与分布智能天线技术 
    ⊙软件无线电与软件定义的无线电技术 
    ⊙现代编码 / 调制及编码调制技术 
    ⊙卫星人工神经网络技术及自适应信号处理与统计检验技术 
    ⊙多媒体综合业务传送的多层次综合业务工作平台技术 
    ⊙流媒体技术 
    ⊙软交换技术 
    ⊙适应IP或全IP为基础及全球个人通信运行的新应用协议与算法的研究和开发应用 
    ⊙DVB-IP及安全控制条件接收CA技术与电子数字水印之类盗版防护技术 
    ⊙频段扩展与新系统、新技术的开发应用 
    ⊙增加卫星运行寿命的氙离子推进及高效率太阳能电池技术 
    ⊙现代星上处理技术 
    ⊙星间链路新技术 
    ⊙农村及边缘地区应用的卫星通信新技术 
    ⊙全球卫星导航系统新技术  
    ⊙超大卫星及超小卫星技术 
    ⊙中间件技术 
    ⊙下一代网络的操作管理技术NGSOSS/NGOSS
 
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