卫星ATM网络

　　在未来的通信领域中，卫星ATM网将以其特有的优势发挥重要的作用。本文着重介绍 卫星ATM网的体系结构、关键技术和特点，另外还通过列举国外正在进行的一些 研究计划，介绍卫星ATM网的发展现状。

　　随着微电子技术、通信技术和全球个人通信的进展，卫星通信系统以其特有的优势（如三维无缝隙覆盖能力、任意点对多点和多点对多点广域复杂网络的拓扑构成能力）可提供宽带连接、通信距离不敏感性和安全可靠性等，成为地面各种传输手段必不可少的支持和补充，而且被认为是未来发展中国家通信体系以及发达国家建设多媒体通信和信息高速公路的关键部分。

　　ATM是用于ISDN的一种交换和复用技术，它具有很强的灵活性和适应性，能向用户提供包括语音、图像和数据在内的综合业务，并能根据需要分配资源，提高资源的利用率。尽管ATM产生于有线网，但由于卫星ATM网能综合这两种技术的优势，以较少的投资就能为更广阔的区域提供 ATM服务，所以受到广泛的关注。

　　1 卫星ATM网体系结构 一种卫星ATM网的体系结构如图1所示，它包括卫星通信网、地面ATM网和ATM卫星交互单元（ASIU， ATM satellite Interworking unit）三部分。ASIU是该体系的关键部分，是连接地面ATM网和卫星网的桥梁，用于管理和控制系统资源，并具有管理整个系统的能力。ASIU的主要作用包括实时带宽分配、网络接人控制、系统定时和同步控制、呼叫监测、错误控制和业务控制等。为了实现与ATM网络无缝连接，ASIU应支持现有的 ATM信元传输方式，如 SONET/ SIJH、 PDH、PLCP等。当携带ATM信元的 SONET/PDH/PLCP到达ASIU时，ATM信元就会从帧中被提取出来，然后根据业务类型将它们归类，在送入卫星信道之前，每个归类后的信元流都按照一定的优先次序放入一个缓冲区中。 由于卫星AIM网有其自身的特点，对它的协议分层模型应作适当的修改。即仍然以ATM物理层、 ATM层、AAL层和高层这种四层结构为基础，通过增加适合卫星通信的物理层。多址连接控制层和数据结构控制层来改造其下面三层低层结构，使之既具有与地面宽带 ATM/B－ISDN网络良好的互连接性和互操作性，又能支持CBR、VBR、ABR、UBR业务的综合传输以及多媒体业务的有效动态带宽分配和统计复接功能，并实现用户的有效三线可移动性。另外，还要采用适当的卫星ATM适配设备，或在地球站实施现有网络协议与ATM协议转换，以证现有卫星通信网向卫星ATM网的平滑过渡和有效后向兼容。

　　2卫星ATM网的关键技术

　　2.1卫星系统和频率的选择 根据卫星所在轨道的类型，可将卫星通信系统分为地球同步轨道系统（GEO）、中轨道系统（MEO）和低轨道系统（LEO）三类。GEO系统具有覆盖范围大、跟踪/指令容易、空间段技术难度小和易于建网等优点，但缺点是有效EIRP值小，地球站天线尺寸大，空间线路传输时延大。 MEO/LEO系统的优点是卫星高度低，传输损耗和时延小，并能以较为合适的仰角覆盖地球的任何角落，但是它不适合于传输优质视像多媒体综合业务，而且系统非常复杂，需要承担的风险也大。只有综合运用各种卫星通信系统，才能取长补短，最终达到有效的三维无缝隙覆盖目的。 采用极高频段（EHF）是未来卫星通信系统的发展趋势，因为它能带来下列好处： （1）EHF具有更宽的频带，能容纳更多的用户。 （2）较小口径的无线能产生高增益的窄波束，以致采用便携式终端成为可能，便于真正实现“动中通”。 （3）经闪烁环境后能较快恢复正常运行。 大气吸收和降雨对EHF传输性能的影响很大，使其性能恶化。然而，它们对UHF和SHF的影响较小，因此要实现全天候的可靠通信，就要做到多频段结合和互补。

　　2.2网络结构的选择 卫星通信网的结构主要有三种形式，即完全网格型、完全星型和网格型与星型相结合的网络结构。在网格型结构网络中，任何站之间均可通过卫星直接进行通信，它能满足一些实时性业务的要求。在星型结构网络中，小站之间的通信必须经过主站的转发才能进行，它适用于传输对实时性要求不高的业务。对于网格型与星型相结合的网络结构，通信时采用网格型结构，申请信道和进行网络管理时则采用星型结构，这种网络构造比较灵活，最适用于稀路由场合，并能传输对实时性有要求的业务。由于各种网络结构均有各自的特点，因而必须要根据具体条件作出选择。

　　2.3卫星键路的多址方式 在卫星通信系统中，FDMA、TDMA、CDMA以及它们的组合是主要的多址方式，在卫星ATM网络中，选用何种多址方式则要根据网络结构及所要传输业务的性质。在网格型网络结构中，由于 TDMA/ DA较适用于综合业务环境，并能充分利用卫星多点对多点通信的优点，因而可作为首选的多址方式。在星型网络结构中，各站业务量相对较小，多载波TDMA是较好的多址方式，它实现起来简便，信道利用率高，从而能降低终端的成本。另外，为了平衡各载波之间的业务量，并使采用同一载波各站的忙时错开，还需要按业务量和忙时将所有的站分类。在网格型与星型相结合的网络结构中， SCPC/ DAMA将会得到较大的发展。这种多址方式除了综合SCPC网络扩展方便和 DAMA信道利用率高的优点之外，还能带来网络操作可靠、管理简单。能同时接受所支持的各种业务灵活组合等好处。实施SCPC/DAMA技术后，专用SCPC信道用于ATM信号发送。当用户发出呼叫后，由 AIM UNI接口产生呼叫建立信息，该信息被捕入到ATM信元中，并利用专用的SCPC信道，将AIM信元发送到卫星网络。呼叫建立过程结束后，ATM用户信号借助于可用的SCPC信进行传送。 近年来，空分多址（SDMA）因能很好地与各种多址方式兼容，并能大大提高信道利用率而迅速发展。SIDMA是指把卫星要覆盖的区域分割成许多个小区，卫星阵列天也产生多个不同空间指向的波束，每个小区被一个波束覆盖，这样不同波束覆盖的小区可以重复使用同一频率，大大提高了频率利用率和通信容量。SDMA是依靠DBF（digital beamforming）技术来实现的，DBF的基础是将射频模拟信号转变成数字信号，这还使得在卫星上进行再生中继和信号处理成为现实。采用这些技术的卫星通信系统具有通信线路质量好，上/下行线传输速度快、可靠性高，以及不同系统之间连接方便等优点。

　　2.4调制解调技术 卫星信道是功率受限信道，通常选用功率利用率最高的相移键控（PSK）调制方式。PSK的变形有BPSK、QPSK和OQPSK，它们有相同的功率利用率。从带宽效率来看，后两者是前者的两倍；从抗干扰性能和复杂性来看，BPSK最简单，同时抗干扰效果最差， OQPSK抗干扰能力最强，但实现起来最复杂，QPSK的两项指标均居于中间。采用T/4QPSK后，带限滤波器引起的包络起伏和非线性放大引起的频谱失真都大大减小，所以非常适合作为卫星ATM网的调制方式。

　　2.5差错控制技术 研究表明，在卫星ATM网中，采用交织技术能降低信元丢失率和检测不出错误的概率。在ATM信元头引入交织技术后，能将突发错误分散到各个信元头中，于是只有一个随机比特错误的信元头可借助于ATM信元中的HEC加以纠正。ATM信息域的交织技术要根据AAL特点的不同而有所不同。对于AAL1，只要对 SAR－PUD的前 8个字节采用全速交织技术，就能有效地防止突发错误。对于 AAL3/ 4，则需要对整个SAR－PUD进行交织。 为了提高卫星ATM网络的可靠性，还需要引人纠错编码技术，一般认为级联编码方式是一种比较有效的方法。级联码的特点是在编码之前增加外码，外码与内码呈级联关系。与单一码相比，它更易获得高的编码增益。在卫星通信系统中，通常选择FEC码作为卷积内码，能够纠正突发错误的R－S（ Reed－Solomon）码则被认为是一种非常适合于与FEC内码级联的外码。此外，R－S码还能带来的好处是：（1）不需要在传输链路中增加额外功率，就能把它加到发射调制解调器中；（2）它以码元为基础，为了使突发码元错误以随机形式分布，需要对码元进行深交织和去交织，这也使接收端的R－S解码器能更有效地处理错误。当然，在ATM网中，需选择最佳的交织深度，以最大限度地提高纠错能力。

　　2.6信元传输方式 SDH是在改进PDH基础上发展起来，并广泛使用的，它的优势在于有效的插/分能力，快速自愈能力，标准信号接口以及简单的网络运行、维护、管理和供应，特别是恢复能力和与净负荷结构无关的公用传送。SDH传输的最大特点是采用指针来指示SDH帧信息域中第一个字节的位置，避免了信息域与帧之间细微的相位和频率变化所引起的数据丢失。基于SDH的ATM信元传输能通过引入信元描述机制，在网络接收端能更好地实现对ATM信元的捕获和同步。

　　3 卫星ATM网的发展现状和特点 表1列举了近年来国外正在实施的卫星ATM网计划，说明它的可行性和发展现状。 卫星ATM网综合了卫星通信和ATM技术的优势，具有以下特点： （1）可适应灵活的路由和业务需求特征，实现资源高效利用。 （2）利用卫星的点对多点和多点对多点连接能力，可为大量用户提供有效的接续。 （3）用户不用花费太多，就可根据需要进入卫星ATM综合业务网络。 （4）采用相应的技术措施后，卫星ATM可提供携载业务的透明性，并具有灵活机动的组网能力。 （5）以较小的投入就能有效地为广域稀散用户和边远地区提供综合业务 （6）结合各类接入手段和SDH卫星子系列运行，可适应不同比特率用户和系统的接入。