國外衛(wèi)星通信應(yīng)用標準體系框架研究

· 文|北京空間科技信息研究所 張樂 金曉晨

國外衛(wèi)星通信應(yīng)用標準體系框架研究

· 文|北京空間科技信息研究所 張樂 金曉晨

一、引言

作為衛(wèi)星應(yīng)用的三大應(yīng)用領(lǐng)域之一，衛(wèi)星通信在過去40多年時間里極大推動了世界的發(fā)展和改變了人們的生活。無線電頻率是無線電通信的基礎(chǔ)。對于空間通信來說，電磁波在地球站與航天器之間傳播，需要穿過地球周圍的大氣層，一般選用穿透能力較強的微波頻段（109MHz以上），如L、S、C、Ku、Ka等頻段。為了更好的管理和使用無線電頻率，國際電聯(lián)（ITU）根據(jù)不同用途將與空間通信相關(guān)的無線電頻率劃分為十二個業(yè)務(wù)頻段。其中，與衛(wèi)星通信應(yīng)用直接相關(guān)的包括衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)（BSS）、衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)（FSS）及衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)(MSS)三類業(yè)務(wù)。本文按照ITU對衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的劃分，從不同業(yè)務(wù)的特點和應(yīng)用情況出發(fā)，梳理和研究國外相關(guān)標準。

國外在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的發(fā)展起步較早，其中又以北美和歐洲的發(fā)展最為成熟。這兩個地區(qū)不僅擁有多家致力于衛(wèi)星通信設(shè)備制造或衛(wèi)星通信服務(wù)運營的跨國企業(yè)，同時還擁有各自致力于標準制定和推廣的權(quán)威標準化組織，其中最具代表性的是美國電信工業(yè)協(xié)會（TIA）和歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）。這些標準化組織制定的標準不僅對目前衛(wèi)星通信應(yīng)用產(chǎn)業(yè)起到了很好的規(guī)范作用，很多前瞻性的標準同時還引導著全球衛(wèi)星通信應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？紤]到標準在國際上的影響力和權(quán)威性，本文研究的國外標準主要為TIA和ETSI制定的標準。

二、 國外標準研究與分析

1. 基于BSS和FSS的應(yīng)用標準

BSS和FSS主要用于固定地球站之間的通信，這使得地球站可以不受天線尺寸、發(fā)射機功率等方面的限制；同時BSS和FSS使用的頻率主要集中在C、Ku和Ka頻段，這使得基于BSS和FSS的通信系統(tǒng)可以擁有充足的通信帶寬。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的逐步深入，F(xiàn)SS與BSS這兩種業(yè)務(wù)的界限日趨模糊，呈現(xiàn)融合的趨勢。根據(jù)通信方式的不同，基于BSS和FSS的應(yīng)用分為廣播通信和交互通信。

（1） 廣播通信

衛(wèi)星廣播電視是最典型的廣播通信應(yīng)用，目前衛(wèi)星廣播電視的國際主流標準為ETSI主導的DVB（數(shù)字電視廣播）系列標準，我國目前使用的也是DVB標準。DVB的宗旨是以市場為導向，建立一套以MPEG-2為基礎(chǔ)，適用于各種傳輸媒介的數(shù)字電視系統(tǒng)標準。其中關(guān)于衛(wèi)星廣播電視的分支為DVB-S（Digital Video Broadcast-Satellite）。DVB對于被傳輸數(shù)據(jù)信號的規(guī)定具有通用性，DVB-S主要對基于衛(wèi)星的傳輸系統(tǒng)進行了規(guī)定。DVB-S對應(yīng)的標準為EN 300 421《 DVB；針對11/12GHz頻段衛(wèi)星服務(wù)的幀結(jié)構(gòu)、信道編碼及調(diào)制》，EN 300 421中規(guī)定DVB-S傳輸系統(tǒng)使用QPSK調(diào)制方式、卷積碼與RS碼級聯(lián)的前向糾錯方式，并通過對卷積碼的設(shè)置，實現(xiàn)在給定的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬內(nèi)系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。為了滿足人們越來越高的需求，DVB又在DVB-S的基礎(chǔ)上推出了DVB-S的升級版DVB-S2。DVB-S2對應(yīng)的標準為EN 302 307《DVB;針對廣播、交互服務(wù)、新聞采集及其他寬帶衛(wèi)星應(yīng)用的第二代幀結(jié)構(gòu)、信道編碼及調(diào)制系統(tǒng)》，EN 302 307中規(guī)定DVB-S2系統(tǒng)可處理包括MPEG-2在內(nèi)的多種編碼形式的數(shù)據(jù)，其采用QPSK、8PSK、16APSK等調(diào)制方式、前向糾錯（FEC）和自適應(yīng)編碼和調(diào)制（ACM）相結(jié)合的技術(shù)，使得其性能得到了全面的提升。DVB-S2與DVB-S并沒有本質(zhì)的區(qū)別，兩者在很多都有共通之處，且DVB-S2還能向后兼容DVB-S，由于DVB-S2具有更多的調(diào)制方式和更多的服務(wù)內(nèi)容，其工作原理也更為復雜。除了EN 300 421和EN 302 307這樣的頂層標準，DVB-S還針對數(shù)據(jù)封裝、調(diào)制、編碼等關(guān)鍵技術(shù)制定了一系列更細化的標準指導具體的實施工作。

除了衛(wèi)星廣播電視系統(tǒng)的總體設(shè)計標準，ETSI還制定了一系列針對衛(wèi)星廣播電視地面系統(tǒng)的標準，如EN 300 473《DVB;衛(wèi)星主天線分配系統(tǒng)》和ETS 300 784《衛(wèi)星地球站及系統(tǒng) （SES）;基于11/12GHz頻段的電視信號接收地球站》。根據(jù)終端用戶接收方式的不同，地面系統(tǒng)可分為分配式和直接到戶兩種。對于分配式系統(tǒng)，由地球站接收衛(wèi)星發(fā)送的電視信號并進行放大、濾波、解調(diào)、譯碼等操作，再將處理后的電視信號通過有線電視網(wǎng)絡(luò)傳送到終端用戶。對于直接到戶系統(tǒng)，每個終端用戶都安裝了一套接收系統(tǒng)，接收系統(tǒng)除了接收衛(wèi)星發(fā)送的電視信號外，還需要對信號進行放大、濾波、解調(diào)、譯碼等操作。用戶通過與接收系統(tǒng)連接的電視即可收看各種電視節(jié)目。ETSI制定的這一系列標準既有對工作在不同頻段地球站的規(guī)定，也有對不同類型地球站的規(guī)定；既有對地球站系統(tǒng)組成的規(guī)定，也有對地球站功能性能的規(guī)定；既有對地球站總體的規(guī)定，也有對天線、低噪放模塊等關(guān)鍵設(shè)備的規(guī)定；既有對地球站技術(shù)要求的規(guī)定，也有對地球站測試方法的規(guī)定；既有對關(guān)鍵技術(shù)的要求，也有對實施指南的建議。

（2） 交互通信

交互通信是在廣播通信的基礎(chǔ)上在地面用戶與衛(wèi)星之間增加了一條回傳鏈路，交互通信的出現(xiàn)極大地擴展了衛(wèi)星通信應(yīng)用的范圍。為適應(yīng)時代發(fā)展的需要，ETSI在DVB-S的基礎(chǔ)上制定了用于指導衛(wèi)星交互通信系統(tǒng)設(shè)計的DVB-RCS（數(shù)字電視廣播－通過衛(wèi)星返回通道）系列標準，其核心標準為EN 301 790《DVB;衛(wèi)星分配系統(tǒng)的交互信道》，它規(guī)定了交互通信系統(tǒng)的協(xié)議棧模型、系統(tǒng)模型、工作原理以及對通信鏈路的具體要求。隨著DVB-S2的推出，DVB-RCS也發(fā)布了支持DVB-S2的DVB-RCS2，對應(yīng)的標準為TS 101 545《DVB;第二代數(shù)字電視廣播衛(wèi)星交互系統(tǒng)》。TS 101 545分為三部分，分別為《第一部分：概述及系統(tǒng)級規(guī)范》、《第二部分：低層協(xié)議》、《第三部分：高層協(xié)議》。這三部分不僅規(guī)定了DVB-RCS2在編碼型式、糾錯方式、調(diào)制技術(shù)等方面與DVB-S2相對應(yīng)的改進，還針對交互通信系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)層的架構(gòu)、功能、管理等方面進行了規(guī)定。除了EN 301 790和TS 101 545這樣的頂層標準外，ETSI還制定了指導EN 301 790具體實施的細化標準。對于基于DVBRCS的DSNG（數(shù)字衛(wèi)星新聞采集），ETSI標準也對其物理層協(xié)議進行了規(guī)定。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，衛(wèi)星交互通信也朝著寬帶通信的方向發(fā)展。TIA首先制定了TIA-1008《衛(wèi)星的IP協(xié)議》，該標準提出了基于IP協(xié)議的衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)的概念，并對系統(tǒng)的架構(gòu)和物理層、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議進行了規(guī)定。ETSI也將TIA-1008納入了其標準體系，并對衛(wèi)星寬帶通信涉及的SI-SAP（衛(wèi)星獨立業(yè)務(wù)接入點）、MPLS（多協(xié)議標簽交換）、QoS（服務(wù)質(zhì)量）、組播等關(guān)鍵技術(shù)進行了規(guī)定。TIA和ETSI又在美國休斯公司開發(fā)的Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)（SPACEWAY）的基礎(chǔ)上聯(lián)合制定了TIA-1040《基于星上再生處理的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的空中接口》系列標準（ETSI標準為TS 102 188《SES;基于星上再生處理的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的空中接口，物理層規(guī)范》和TS 102 189《SES;基于星上再生處理的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的空中接口，數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范》），該系列標準對RSM-A系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、接口定義、工作原理、物理層協(xié)議、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議等進行規(guī)定。此外ETSI還制定了TS 102 429《SES;寬帶衛(wèi)星多媒體，基于星上再生處理的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，星上處理的DVB-S、DVB-RCS族》系列標準，該系列標準所規(guī)定的RSM-B系統(tǒng)是在DVB-RCS的基礎(chǔ)上提出的，目前該系列標準也在歐洲的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)中得到了應(yīng)用。

對于衛(wèi)星交互通信系統(tǒng)，除了總體設(shè)計標準，ETSI也制定了一系列針對地面系統(tǒng)的標準，如EN 301 428《SES;甚小孔徑終端，發(fā)送、接收及發(fā)送、接收地球站》和EN 301 427《SES;基于11/12/14GHz頻段的低速率衛(wèi)星移動地球站（機載移動地球站除外）》。根據(jù)應(yīng)用場景的不同，地面系統(tǒng)可分為VSAT、移動地球站、DSNG等。VSAT主要用于寬帶接入、政府和企業(yè)通信網(wǎng)。ETSI標準針對工作在不同頻段的VSAT系統(tǒng)，對其功能、性能及測試方法進行了規(guī)定，同時還針對VSAT系統(tǒng)的監(jiān)控、與ISDN等地面公用網(wǎng)絡(luò)的接口進行了規(guī)定。移動地球站指搭載在飛機、艦船、車輛等移動載體上、隨載體的移動而移動的地球站。對于每一種類型地球站，ETSI標準都根據(jù)其特點，對其性能要求和測試方法進行了規(guī)定。DSNG指用于現(xiàn)場直播的便捷式地球站，ETSI標準也對DSNG系統(tǒng)的性能要求和測試方法進行了規(guī)定。

2.基于MSS的應(yīng)用標準

MSS主要用于移動地球站之間的通信，這對地球站的天線尺寸、發(fā)射機功率等方面都提出了更高的要求；同時MSS使用的頻率主要集中在L頻段和S頻段，這使得基于MSS的通信系統(tǒng)可以提供的通信帶寬非常有限。但L頻段和S頻段的電磁波的傳輸損耗較小，這也使得其更便于終端接收。目前MSS在移動通信、衛(wèi)星移動電話、衛(wèi)星移動電視等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

（1） 移動地球站

對于基于MSS的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，按衛(wèi)星運行軌道可分為GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)（如INMARSAT、MSAT）和LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)（如Irudium、Globalstar）。GEO系統(tǒng)技術(shù)成熟、成本相對較低；LEO系統(tǒng)則具有傳輸時延短、損耗小等特點，在終端的小型化、系統(tǒng)容量等方面具有天然優(yōu)勢。ESTI針對運行在不同軌道、工作在不同頻段、搭載在不同載體上的移動地球站制定了一系列標準，如EN 300 721《SES;基于1GHz以下頻段低軌衛(wèi)星提供低速率服務(wù)的移動地球站》和EN 301 473《SES;基于3GHz以下頻段航空移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)和衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)的機載地球站》。這些標準既有移動地球站的通用要求，也有對不同類型移動地球站的個性化要求。對于各類移動地球站，這些標準不僅對它們的EIRP、帶外抑制等性能指標及其測試方法進行了規(guī)定，還對它們自身的監(jiān)控功能和管理提出了要求。

（2） 衛(wèi)星移動電話

ETSI于1993年在ETR 093《衛(wèi)星個人通信網(wǎng)絡(luò)，就衛(wèi)星個人通信網(wǎng)絡(luò)的某方面建立歐洲標準的可能，第一階段：報告》中提出了建立衛(wèi)星個人通信網(wǎng)絡(luò)、利用衛(wèi)星移動電話實現(xiàn)全球通信的概念。隨后又在ETR 177《衛(wèi)星地球站及系統(tǒng)，就衛(wèi)星個人通信網(wǎng)絡(luò)的某方面建立歐洲標準的可能，第二階段：標準化對象及選項》中對S-PCN系統(tǒng)的標準化對象進行了詳細闡述。在此基礎(chǔ)上，ETSI制定了完善的基于GEO衛(wèi)星的GMR系列標準。GMR標準分為GMR-1（TS 101 376《地球同步軌道衛(wèi)星無線接口規(guī)范》系列標準）和GMR-2（TS 101 377《地球同步軌道衛(wèi)星無線接口規(guī)范》系列標準），TS 101 376和TS 101 377都分為通用技術(shù)規(guī)范、服務(wù)規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)規(guī)范、射頻接口協(xié)議規(guī)范、物理層規(guī)范、語音編碼規(guī)范6個部分，從不同技術(shù)層面對GMR系統(tǒng)進行了規(guī)定。GMR-1和GMR-2在用戶鏈路及饋線鏈路頻段、雙工方式、多址方式等方面相同，但在載波間隔、信息速率、調(diào)制方式等方面存在差異。隨著地面移動通信系統(tǒng)由2G向2.5G再向3G的發(fā)展，GMR-1也隨之發(fā)布了對應(yīng)的標準：GMR-1 Release l、GMR-1 Release 2（GMPRS）、GMR-1 Release 3（GMR-1 3G），而GMR-2并沒有進行更新，仍然是基于GSM。目前GMR-1和GMR-2都得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用，Thuraya、TerreStar、SkyTerra等衛(wèi)星通信系統(tǒng)都采用了GMR-1，而INMARSAT、ACeS等衛(wèi)星通信系統(tǒng)則采用了GMR-2。

UMTS（通用移動通信系統(tǒng)）是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展而來的3G標準，其中與衛(wèi)星通信相關(guān)的部分是S-UMTS（Satellite component of UMTS）。如果說GMR是對整個衛(wèi)星移動電話系統(tǒng)進行了規(guī)定，S-UMTS則是針對星地接口和地面段對GMR進行了補充。相比于GMR僅針對GEO衛(wèi)星，S-UMTS涵蓋了GEO、MEO、LEO三種軌道的衛(wèi)星。對于S-UMTS，ETSI制定了TS 101 851《SES;UMTS/IMT2000的衛(wèi)星部分》和TS 102 442《SES;UMTS/IMT2000的衛(wèi)星部分；多媒體廣播和組播業(yè)務(wù)》兩大系列標準，其中TS 101 851分為物理信道、信道復用與信道編碼、擴頻與調(diào)制、物理層流程、用戶終端的射頻傳輸與接收、地球站與衛(wèi)星間的射頻傳輸與接收6個部分，各部分對相關(guān)技術(shù)進行了規(guī)定。TS 102 442則從系統(tǒng)架構(gòu)、性能、接口、安全性等方面對S-UMTS開展組播業(yè)務(wù)進行了規(guī)定。

（3） 衛(wèi)星移動電視

衛(wèi)星移動電視是近年來興起的新興應(yīng)用，衛(wèi)星移動電視主要在手機、PDA等手持終端上播放，相比于傳統(tǒng)的衛(wèi)星電視，衛(wèi)星移動電視播放器的屏幕尺寸較小，對圖像質(zhì)量要求較低，因此對通信帶寬的要求也較低。鑒于此，ETSI在DVB-S的基礎(chǔ)上制定了專門針對衛(wèi)星移動電視的DVB-SH（Digtal Video Broadcast-Satellite Service to Handle Devices）系列標準，其核心標準為EN 302 583《DVB;基于3GHz以下頻段為手持設(shè)備提供衛(wèi)星服務(wù)的幀結(jié)構(gòu)、信道編碼及調(diào)制》。DVB-SH使用3GHz以下的UHF、L及S頻段為用戶提供廣播服務(wù)，為保證服務(wù)質(zhì)量，DVBSH還要求在衛(wèi)星信號被遮擋的區(qū)域通過地面網(wǎng)絡(luò)對衛(wèi)星信號進行放大以滿足用戶的需求。目前美國全球通信公司的ICO G1衛(wèi)星和歐洲通信衛(wèi)星公司的Eutelsat W2A衛(wèi)星都采用了DVB-SH標準。

除了DVB-SH，ETSI還制定了另一類衛(wèi)星移動電視標準SDR（衛(wèi)星數(shù)字無線電通信），其核心標準為EN 302 550《SES;星數(shù)字無線電通信系統(tǒng)》系列標準。與DVB-SH一樣，SDR也為終端用戶提供廣播服務(wù)，也需要地面網(wǎng)絡(luò)進行輔助，但在工作頻段、調(diào)制方式、編碼形式等方面與DVB-SH存在一定的差異。目前美國WorldSpace公司的Afristar和Asiastar兩顆衛(wèi)星的通信體制都采用了SDR標準。

ETSI還在DVB-SH的基礎(chǔ)上制定了適用于交互通信的S-MIM（S頻段移動交互多媒體）系列標準，其核心標準為TS 102 721《SES;衛(wèi)星地球站及系統(tǒng)，S頻段移動交互多媒體的空中接口》系列。S-MIM是對DVB-SH的擴展，其下行鏈路沿用了DVB-SH的相關(guān)規(guī)定，增加回傳鏈路后使得S-MIM系統(tǒng)能同時支持同步傳輸和異步傳輸，同時S-MIM還增加了與地面IP網(wǎng)絡(luò)的接口，使得其應(yīng)用更為廣泛。目前ESA依托Eutelsat W2A衛(wèi)星建立了基于S-MIM標準的“DENISE”系統(tǒng)。

3.通用標準

對于BSS、FSS、MSS的共性內(nèi)容，ETSI也制定一系列標準對其進行規(guī)范，如TR 103 124《SES;衛(wèi)星地球站及系統(tǒng)，衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)融合》、TR 103 166《SES;衛(wèi)星地球站及系統(tǒng)，衛(wèi)星應(yīng)急通信，基于衛(wèi)星的應(yīng)急通信單元》等。這些標準不僅對衛(wèi)星與地面網(wǎng)的融合進行了規(guī)定，也對系統(tǒng)測量進行了規(guī)定；不僅對交互通信中回傳鏈路的數(shù)據(jù)封裝進行了規(guī)定，也對衛(wèi)星通信在應(yīng)急通信中應(yīng)用進行了規(guī)定；不僅對地球站中的相關(guān)設(shè)備進行了規(guī)定，也對地球站的電磁兼容性進行了規(guī)定。這些標準都對指導衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計起到了重要的作用。

三、國外衛(wèi)星通信應(yīng)用標準體系框架構(gòu)建

通過上面對國外衛(wèi)星通信應(yīng)用標準的分析，可整理歸納出國外衛(wèi)星通信應(yīng)用標準體系框架，如圖1所示。該標準體系比較完善，涵蓋了目前衛(wèi)星通信應(yīng)用涉及的方方面面，同時該體系中的標準已經(jīng)在世界各國的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到了實際應(yīng)用和驗證，對指導衛(wèi)星通信應(yīng)用具有較大意義。

圖1 國外衛(wèi)星通信應(yīng)用標準體系框架

四、結(jié)束語

歐美的衛(wèi)星通信應(yīng)用發(fā)展得已經(jīng)很成熟，在BSS、FSS、MSS三個業(yè)務(wù)領(lǐng)域都成功開展了商業(yè)應(yīng)用。國外不僅有洛馬、勞拉這樣技術(shù)先進的衛(wèi)星制造商，還有INMARSAT、全球星這樣經(jīng)驗豐富的服務(wù)運營商。同時歐美還把在衛(wèi)星通信應(yīng)用領(lǐng)域的工程經(jīng)驗制定為標準，引導全球衛(wèi)星通信應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，ESTI和TIA制定的相關(guān)標準已經(jīng)在全球范圍得到了推廣。目前我國的衛(wèi)星通信應(yīng)用主要集中C頻段和Ku頻段，即BSS和FSS。隨著中國通信衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展，衛(wèi)星通信應(yīng)用必將向L、S、Ka等頻段延伸。ETSI和TIA的相關(guān)標準凝聚歐美在衛(wèi)星通信應(yīng)用領(lǐng)域的研究成果，對于我國開展衛(wèi)星通信應(yīng)用活動具有重要的借鑒意義。