宽带多媒体卫星系统的发展与标准化进程

冯少栋 唐慧 徐志平 李焕贞（.解放军9660部队，.解放军769部队，.解放军9675部队）

宽带多媒体卫星（BSM）系统是以传输高速宽带多媒体业务为典型特征的一类新型卫星通信系统，此类系统与传统卫星通信系统最大的不同在于承载的业务由低速的数据及话音（64kbit/s以下）转变为图像、声音、视频相结合的高速率、交互式宽带多媒体业务，这类业务也称为卫星宽带多媒体业务。

1 概述

针对系统终端的传输能力，欧洲电信标准化组织基于终端所能够提供的基本信息速率对宽带多媒体卫星给出了界定 ：①固定终端（如小型甚小口径天线等）应不低于2.048Mbit/s；②移动终端（如手持机等）应不低于64kbit/s；③可搬移式终端（如便携站等）应与固定终端大体相同。

卫星宽带多媒体业务范畴

传统卫星系统根据承载业务不同可分为广播卫星业务（BSS）系统、固定卫星业务（FSS）系统和移动卫星业务（MSS）系统等。然而宽带多媒体卫星系统的出现打破了原有基于业务对卫星系统的划分，无论是广播卫星业务系统的高清电视（HDTV）业务、固定卫星业务系统的宽带因特网接入业务，还是移动卫星业务系统的移动多媒体业务都可以划归卫星宽带多媒体业务的范畴。卫星宽带多媒体业务已经渗透到传统的三大业务系统（广播卫星业务、固定卫星业务、移动卫星业务）当中，而且在卫星宽带多媒体业务的推动下，三大业务系统不断融合，已超出了原有系统业务定义的范畴，如移动卫星业务系统与广播卫星业务系统促生的移动多媒体广播业务、固定卫星业务系统与广播卫星业务系统促生的直播到户（DTH）业务，移动卫星业务系统与固定卫星业务系统促生的宽带“动中通”业务等等。

当前，宽带多媒体业务在固定卫星业务系统中应用的最为成熟。该类系统大都基于多频时分多址接入（MF-TDMA）和基于卫星的第二代数字视频广播（数字视频广播－S2）标准，采用Ka或者更高频段。它无需铺设昂贵的地面基础设施便可实现网络的快速部署，从连接边远地区的信息孤岛到灾后的应急通信都具有天然的优势，是全球信息基础设施不可缺少的一部分。该类系统的主要特色，一是能够无缝承载因特网中的各种多媒体业务；二是系统用户容量大，运行效率高。

2 典型系统

根据美国工业协会（SIA）和富创（Futron）咨询公司2011年8月联合发布的卫星工业发展报告，截止2010年，北美的宽带卫星用户已经超过100万。据估计目前北美约有1400万的人居住在现有地面宽带网络无法覆盖的地区，而欧洲目前约有1500万人无法通过地面光纤或ADSL接入地面宽带网络。美国联邦通信委员会（FCC）最新公布了一项国家宽带计划，其目标是在未来10年内使1亿美国家庭享受到100Mbit/s速率的宽带服务，其中利用宽带多媒体卫星系统实现宽带接入是其重要组成部分。

北美宽带卫星用户数统计

2004年以来，世界各国有关宽带多媒体卫星系统的研制和发射活动接踵不断，太空之路－3（Spaceway－3）、Amerhis、“超高速因特网卫星”（WINDS）、“宽带全球卫星通信”（WGS）、国际通信卫星－14（Intersat－14）等宽带多媒体卫星的成功发射标志着美国、西欧、日本都已具备宽带多媒体卫星系统的研制与发射能力。2009年以来，北美和欧洲针对宽带多媒体卫星系统的投入掀起新一轮热潮，国际知名卫星运营商、制造商纷纷推出新的宽带多媒体卫星系统计划。从宽带多媒体卫星系统的发展可以看出，2009年以前的宽带多媒体卫星系统大都基于星上基带交换，交换方式涵盖了从电路交换到分组交换再到IP路由等各种体制。2009年以后，互联网的发展使宽带多媒体卫星系统的应用模式，主要集中在宽带接入、广播和组播3个方面。由于用户终端之间直接互通的需求较小，系统容量及可靠性成为卫星运营商关心的主要技术指标，为了保证系统运行的可靠性并尽可能减轻有效载荷的质量，这些卫星又重新采用了透明转发器，相比传统透明转发器卫星，高等效全向辐射功率和密集多点波束技术使整星容量可达几十吉比特每秒甚至上百吉比特每秒，典型的代表是2011年发射的卫讯－1（Viasat－1）、“Ka频段卫星”以及计划中的国际移动卫星－5系列，卫星工业界将这类卫星统称为高吞吐量卫星。在终端多址接入方式上，所有宽带多媒体卫星系统基本都以多频时分多址为主，与其他多址方式相比，多频时分多址方式更适合大容量宽带多媒体卫星系统的管理和海量用户终端的高效接入，在前向广播模式上，大都采用成熟的数字视频广播－S2标准。

“超高速因特网卫星”在轨示意图

宽带多媒体卫星系统概要汇总

3 标准化进程

2000年以来，全球各标准化组织加大了宽带多媒体卫星系统相关的标准化工作，包括国际电信联盟、欧洲标准化组织、美国电信工业协会、因特网工程任务组、数字视频广播组织和卫星实验室等。其中，国际电信联盟无线电通信组出台的S.1709建议给出了宽带多媒体卫星系统的网络架构及空中接口的一般性描述，S.1711建议给出传输控制协议（TCP）在宽带多媒体卫星系统中的优化解决方案。

相比较而言，影响力最大的是欧洲标准化组织下属的卫星地面站与系统技术委员会。该组织从传输控制协议/IP分层设计的角度对宽带多媒体卫星系统体系架构进行设计，将宽带多媒体卫星系统划分为独立于卫星的层面和与卫星相关的层面，独立于卫星层包括基本适用于所有卫星通信系统的网络层功能如IP寻址、组播及服务质量（QoS）保障等；卫星相关层包括与卫星通信系统本身设计相关的功能，主要指物理层（SPHY）、媒体接入控制（SMAC）和逻辑链路控制层（SLC）的相关功能等。

独立于卫星层和与卫星相关层之间通过独立于卫星的服务接入点相连。作为独立于卫星层和与卫星相关层之间的公共接口，服务接入点主要完成独立于卫星和与卫星相关层之间服务的承接与映射。为了使独立于卫星层和与卫星相关层能够通过服务接入点进行很好的衔接，欧洲标准化组织在独立于卫星和与卫星相关层又分别定义了独立于卫星的适配功能层（SIAF）和与卫星相关的适配功能层（SDAF），各层之间的交互通过原语进行。独立于卫星的服务接入点通过宽带多媒体卫星-ID进行地址管理。独立于卫星的适配功能层和卫星相关的适配功能层功能：①独立于卫星的适配功能层：位于网络层，负责完成网络层协议到独立于卫星层的服务接入点的适配；②与卫星相关的适配功能层：位于链路层，负责完成卫星相关层协议族到独立于卫星层的服务接入点的映射。

独立于卫星的服务接入点完成的功能从逻辑上可以划分为用户面、控制面和管理面3个部分。其中，用户面完成数据传输功能；控制面完成地址解析、组播组管理、资源管理、流量控制和安全性等功能；管理面完成网络及安全管理方面的部分功能。

从实现方式上，卫星相关层协议族可以分为基于星上基带交换（RSM-A、B）和透明转发（TSS-A、B）两大类。这些标准的共同点在于：下行（或前向）的广播均采用时分复用模式（TDM）广播体制，除RSM－A之外，广播均基于数字视频广播－S/S2标准实现；上行（或反向）链路均基于多频时分多址为主的体制。特别需要指出的是，各标准针对物理层接口和各种消息信令格式进行了规范，但对物理层以上尤其是IP业务到链路层的映射及带宽管理相关算法并未涉及，设备制造商可以根据实际需求进行设计。

宽带多媒体卫星系统协议栈

欧洲标准化组织判定的宽带多媒体卫星标准命名规则

欧洲标准化组织制定的宽带多媒体卫星标准分类

宽带多媒体卫星系统相关标准汇总

国际电信联盟无线电通信组在I.112建议中给出两类宽带网络典型业务，一是电信业务，二是承载业务。其中承载业务主要涉及OSI模型的1～3层，这种业务通常是在用户到网络的接口（UNI）、网络到网络的接口（NNI）或网络到网络的接口与用户到网络的接口之间。在地面基础设施被破坏的情况下可以利用卫星实现业务的回程传输，这使得宽带多媒体卫星系统与各种异构网络互联的需求越来越迫切；为了支持移动用户在不同宽带网络中的无缝切换，美国电气和电子工程师协会（IEEE）802.21定义了独立于媒介的切换（MIH）架构，针对不同的链路层技术定义了统一的接口，宽带多媒体卫星系统作为重要组成部分也在其中。因此包括宽带多媒体卫星系统在内的各种异构网络根据SLA提供统一的服务质量保障成为今后发展的方向。为了保障宽带多媒体卫星系统中各种IP业务的服务质量，欧洲标准化组织根据国际电信联盟、因特网工程任务组对IP服务质量的相关定义（G.1010，Y.1541，Y.122等）结合宽带多媒体卫星系统的特殊性划分了8个服务等级，并给出不同处理方式的建议。

宽带多媒体卫星系统业务类型划分

4 结束语

在宽带多媒体卫星系统业务需求和标准化进程的推动下，宽带多媒体卫星系统与移动及宽带网络融合的趋势越来越明显，强大而丰富的业务分类使宽带多媒体卫星系统在设计时需要考虑的因素日益增多，基于标准进行宽带多媒体卫星系统的开发建设是必然趋势。