《程控數(shù)字交換技術(shù)》課件第10章

第10章星上交換技術(shù)10.1星上交換技術(shù)的發(fā)展原因10.2星上交換系統(tǒng)的組成和分類10.3透明轉(zhuǎn)發(fā)交換方式10.4星載ATM交換10.5星上交換技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

10.1星上交換技術(shù)的發(fā)展原因

衛(wèi)星通信系統(tǒng)同地面電信系統(tǒng)一樣，致力于建立一個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系，使更大范圍內(nèi)的人們分享最大數(shù)量的通信資源，實現(xiàn)資源互通和共享，并建立起一個高效率、高質(zhì)量和低干擾的綜合業(yè)務個人通信環(huán)境，而提高通信服務質(zhì)量的重要手段之一就是采用星上交換。將交換功能放到衛(wèi)星上，可使通信衛(wèi)星系統(tǒng)的效率大大提高，滿足用戶使用靈活性和便利性的需要。開發(fā)星上交換技術(shù)、建立基于直接星上交換的衛(wèi)星系統(tǒng)是未來衛(wèi)星通信的發(fā)展方向。未來的通信衛(wèi)星不但具有傳統(tǒng)的中繼功能，還具有強大的星上交換功能，具備直接為大量的終端用戶提供接入鏈路的能力，成為真正面向用戶的“空中交換機”，即由過去僅僅是一個太空中的透明轉(zhuǎn)發(fā)器(Repeater)逐漸轉(zhuǎn)變成具有星上處理(On-BoardProcessing)、星上交換/星上路由(On-BoardSwitchingorOn-BoardRouting)、多點波束(MultipleSpotBeams)、衛(wèi)星間可以通過星際鏈路(ISL)相互通信等能力的下一代衛(wèi)星系統(tǒng)(Next-GenerationSatelliteSystems)。“透明”衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器對信號僅進行透明傳輸，不涉及對信息本身的處理。近幾年出現(xiàn)的再生衛(wèi)星系統(tǒng)中，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對信號進行處理，使得信息傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)靈活性大大提高，有些系統(tǒng)還能夠提取出基帶原始信號，利用其中的信息進行路由交換、系統(tǒng)配置，使得系統(tǒng)功能更加強大。目前透明傳輸?shù)男l(wèi)星系統(tǒng)和具有星上基帶處理的衛(wèi)星系統(tǒng)共存發(fā)展，前者有2005年8月11日發(fā)射升空的IPStar衛(wèi)星，后者有2002年8月21日發(fā)射的熱鳥-6和2005年3月11日發(fā)射的Inmarsat-4衛(wèi)星等。推動新一代通信衛(wèi)星研究的動力主要來自三個方面：一是現(xiàn)有的通信衛(wèi)星不能以費用合理有效的方式支持新的業(yè)務需求；二是星上處理是實現(xiàn)衛(wèi)星與地面寬帶網(wǎng)絡(luò)綜合的重要方式；三是星上處理功能可極大地增強衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應用的靈活性，為大量分散的中、小業(yè)務量地面終端提供廉價的傳輸業(yè)務，并能適應不斷出現(xiàn)的新的業(yè)務需求。將衛(wèi)星通信的復雜性從地面轉(zhuǎn)移到星上，既可彌補光纖通信的不足，又可使衛(wèi)星通信適應未來通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要。因此，多波束和星上交換處理代表了先進通信衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展方向，并且這種類型的通信衛(wèi)星將成為未來固定業(yè)務通信衛(wèi)星增長的主流。

10.2星上交換系統(tǒng)的組成和分類

10.2.1星上交換系統(tǒng)的組成

一般情況下，現(xiàn)代的大容量寬帶衛(wèi)星都需要很高的有效全向輻射功率(EIRP)和衛(wèi)星接收機性能指數(shù)(G/T)值，因而點波束天線的應用非常廣泛。信息的交換不但在同一波束內(nèi)的用戶之間進行，同時還要在不同波束用戶之間進行。顯然，在星上實現(xiàn)信息交換，就是基本取消了用戶和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中心站的直接聯(lián)系，而將這種聯(lián)系由星上交換設(shè)備直接完成，即星上交換設(shè)備根據(jù)用戶信息的不同種類、目標，完成信息的分類、打包，安排合適的傳輸路徑，從而完成高效的信息傳輸。星上交換是星上處理重要的組成部分。由于篇幅所限，本章主要討論星上交換問題。

此處以基帶交換為例說明星上交換系統(tǒng)的組成。要完成星上基帶信息交換，首先要將射頻信號變成中頻，并且進一步提取出基帶信號。這些基帶信號是帶有目標信息的，根據(jù)這些目標信息，星上處理開關(guān)將具有同一目標的信息打包，提供給相應的轉(zhuǎn)發(fā)器，經(jīng)過調(diào)制和上變頻后，發(fā)往相應的目標。

星上基帶交換系統(tǒng)主要由變頻器、調(diào)制/解調(diào)器和基帶路由交換開關(guān)組成。變頻器先將高頻載波變成中頻，再經(jīng)過調(diào)制/解調(diào)后取出基帶部分并送至基帶路由交換開關(guān)，路由交換開關(guān)根據(jù)VPI標識(或分組頭部)所指明的目的地址轉(zhuǎn)發(fā)信息至相應輸出端口，如圖10-1所示。圖10-1星上交換系統(tǒng)組成示意圖星上交換的優(yōu)點主要有以下幾個：

(1)組網(wǎng)靈活，信息傳輸效率高。由于信息的交換中心置于星上，因此無論衛(wèi)星通信系統(tǒng)是星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)還是混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)，都能以衛(wèi)星為交換中心來完成，且許多傳統(tǒng)的兩跳通信都可以在一跳內(nèi)完成。

(2)有效載荷上行和下行可以選擇不同的頻段、不同的帶寬，且用戶和用戶之間的信息交換不必經(jīng)過中心站或關(guān)口站進行，從而使頻率的利用率得到了提高。

(3)由于星上交換技術(shù)的信息處理在基帶進行，因而有利于對信息進行其他處理，如再生技術(shù)的應用可以改善信息傳輸質(zhì)量，加密技術(shù)的應用可以增強信息傳輸?shù)陌踩?，等等?/p>

正因為這樣，星上交換技術(shù)引起了人們越來越多的關(guān)注。10.2.2星上交換系統(tǒng)的分類

1．根據(jù)星上交換的實現(xiàn)方式分類

星上交換存在兩種實現(xiàn)方式：一種是基于傳統(tǒng)“透明”轉(zhuǎn)發(fā)的射頻微波交換體制，其對多路信號在射頻、微波頻段進行交換，對信號不進行基帶處理；另一種是基于星上處理(OBP)的基帶交換體制，這種方式基于星上基帶處理建立，隨著星上處理技術(shù)的迅速發(fā)展日益受到業(yè)內(nèi)人士和各衛(wèi)星制造商的重視，被看做未來衛(wèi)星通信實現(xiàn)大容量、高性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

兩種星上交換方式各有優(yōu)勢和缺陷，各自又依據(jù)不同的交換策略細分為不同的交換體制，在具體選取交換體制時，需要從技術(shù)角度、實現(xiàn)角度和發(fā)展角度綜合考慮與研究。

1)透明轉(zhuǎn)發(fā)(射頻微波交換體制)

采用射頻微波交換的星上交換體制基于透明傳輸方式，不涉及對信息本身的處理，所有的信息處理集中在地面系統(tǒng)中，相當于射頻空分交換。射頻處理直接處理上行的射頻信號，并在射頻上進行轉(zhuǎn)接。

目前射頻處理技術(shù)使用較少，主要用在星上用微波開關(guān)矩陣耦合上下行鏈路，以改進衛(wèi)星的互連性。對這種處理器的要求是：輕質(zhì)量，低功耗，高可靠性。其頻率與射頻信號的進出頻率有關(guān)，帶寬與被轉(zhuǎn)接信號的數(shù)據(jù)率有關(guān)，處理速度取決于開關(guān)改變狀態(tài)的速率。

射頻微波交換體制的優(yōu)點是地面網(wǎng)絡(luò)無需太大改造，可相對自由地組織網(wǎng)絡(luò)形式，缺點是衛(wèi)星系統(tǒng)缺乏網(wǎng)絡(luò)靈活性。IntelsatVI衛(wèi)星、美國的ACTS衛(wèi)星均采用了這種技術(shù)。

2)基于星上處理(OBP)的基帶交換體制

與基于直接轉(zhuǎn)發(fā)的交換相比，星上基帶交換具有較高的通信質(zhì)量和頻譜利用率。星上基帶交換根據(jù)是否對基帶信號進行解調(diào)、解碼可劃分為兩類：一類是僅對信號進行一定的處理，不進行解調(diào)、解碼，不提取譯碼后的數(shù)據(jù)信息，如SS-CDMA交換體制；另一類是對信號進行完全的恢復處理，使用譯碼后原始信號中的信息來進行動態(tài)路由選擇或相應設(shè)置，可以更有效地利用衛(wèi)星資源，如時隙交換方式、衛(wèi)星ATM方式等?；鶐Ы粨Q體制由于改雙跳鏈路為單跳鏈路，無線鏈路的數(shù)目減少了一半，傳輸延遲也減少了一半，從而大大降低了傳輸誤碼率，提高了通信傳輸質(zhì)量。

(1)衛(wèi)星時隙交換(SS-TDMA，Satellite-Switched/TDMA)。TDMA時隙交換方式在地面電信網(wǎng)絡(luò)中應用廣泛，針對特殊的衛(wèi)星環(huán)境，借助其技術(shù)成熟可靠、發(fā)展?jié)摿Υ蟮忍攸c，在星上交換中也發(fā)揮了其獨特的優(yōu)勢。

TDMA信號的形成原理是：一路基帶信道信號一旦占用了一幀中的某個時隙，它隨后所有的編碼抽樣都將位于該時隙。時隙交換的任務就是完成這些信道的相互交換，即實現(xiàn)信號由一個時隙至另一個時隙的遷移?；跁r隙交換方式的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中的交換網(wǎng)絡(luò)主要完成各路TDMA信號、各時隙信號之間的交換，完成各地面終端之間及地面終端和關(guān)口站之間時隙的交換。工作過程為：上行信號經(jīng)變頻、群解調(diào)、譯碼后輸出基帶TDMA信號，然后送入交換網(wǎng)絡(luò)；信號經(jīng)過交換網(wǎng)絡(luò)尋路，進行相應的時隙交換，輸出時隙移動后的TDMA信號并送至發(fā)送模塊，經(jīng)編碼、調(diào)制后發(fā)送至射頻通道。

(2)衛(wèi)星ATM交換。采用具有ATM交換功能的衛(wèi)星執(zhí)行ATM交換、業(yè)務接入、QoS管理及網(wǎng)絡(luò)管理和維護，這樣星上ATM交換的衛(wèi)星通信系統(tǒng)可看做一個基于ATM的空間網(wǎng)絡(luò)。星上處理和ATM交換功能是由星上有效載荷完成的，在此過程中也完成衛(wèi)星信號到基帶信號的處理轉(zhuǎn)換，即在星上進行多路復用/分用、信道編/譯碼及利用多波束配置的星上ATM交換，為來自不同波束的信息提供路由交換，實現(xiàn)任一輸入波束與任一輸出波束間的通信連接，使位于多波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有用戶終端都能夠互相通信，從而組成一個天地一體的通信體系，而衛(wèi)星是信息通道交互的中心和網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點。星上ATM技術(shù)源于地面ATM技術(shù)，而地面ATM技術(shù)的傳輸基礎(chǔ)是高速率、低誤碼率的光纖信道，面對具有誤碼率高、傳輸時延長、上下行速率不對稱及廣播等特性的衛(wèi)星信道，原有的ATM網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)需要進行相應的改動，形成適用于衛(wèi)星信道的ATM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前主要有兩種基于ATM交換技術(shù)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方案。

①?ATM信元封裝：對標準ATM信元進行封裝，形成衛(wèi)星專用的ATM協(xié)議信元。

②?S-ATM：定義一個新的衛(wèi)星S-ATM協(xié)議層，將業(yè)務流通過新協(xié)議層形成衛(wèi)星ATM信元，如圖10-2所示。圖10-2S-ATM衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)議棧

(3)衛(wèi)星交換-碼分多址(SS-CDMA，Satellite-SwitchedCDMA)，SS-CDMA雖然是一種多址技術(shù)，但是它能為多波束地球靜止衛(wèi)星提供交換功能，應用于多波束同步軌道衛(wèi)星。為了在任意用戶之間建立連接，有必要引入交換，因此SS-CDMA于1979年最先被推薦使用在AT&T的話帶衛(wèi)星項目(此項目未完成)中。

SS-CDMA使用多波束天線對每一波束內(nèi)的可用頻譜進行再用，在最少的星上處理和不需要星上緩存的情況下，建立直接的端對端用戶路由，可以在端到端用戶間建立直達路由，用戶既可以與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部其他用戶端設(shè)備(CPE)進行通信，也可以通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入外部網(wǎng)絡(luò)，如PSTN(公共電話網(wǎng))和PSDN(公共數(shù)據(jù)網(wǎng))(如圖10-3所示)。該系統(tǒng)采用新開放的Ka波段(28?GHz)，為電路交換(話音、數(shù)據(jù)和視頻)提供固定業(yè)務，為數(shù)據(jù)提供分組交換業(yè)務。圖10-3SS-CDMA衛(wèi)星通信網(wǎng)

SS-CDMA由多波束衛(wèi)星和大量地面用戶組成。每一衛(wèi)星波束覆蓋一定的區(qū)域，而地面用戶通過波束采用碼分多址的方式接入衛(wèi)星系統(tǒng)。衛(wèi)星波束內(nèi)的每個CDMA用戶都配有一個正交碼，每一個波束分配一個正交碼和PN碼，與其他波束分離。星上的交換機為各波束用戶間的通信提供傳輸路由通路。SS-CDMA的星上部分包括星上碼分交換單元(CDS)、控制單元(CU)、信道訪問接收單元(ACRU)和衛(wèi)星廣播傳輸單元(SBTU)組成。CDS為業(yè)務信道提供路由，而信令控制信息則通過控制信道傳輸，并在控制單元內(nèi)處理。其中碼分交換是關(guān)鍵技術(shù)。星上交換系統(tǒng)的設(shè)計基于碼分復用和按需分配技術(shù)。CDS是一個無阻塞的交換結(jié)構(gòu)，如圖10-4所示，負責將業(yè)務信號從上行波束交換到下行波束，是星上交換系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，通過采用有效CDMA(SE-CDMA)的通用空中接口(CAI)連接衛(wèi)星與其用戶或網(wǎng)關(guān)，無需任何信道編解碼或星上緩存。另外，按需分配的原則將電路交換和包交換業(yè)務集成到一起，最大化地利用了交換資源。星上交換系統(tǒng)不對數(shù)據(jù)進行解碼，僅為業(yè)務信道提供路由，而信令控制信息則通過控制信道傳輸，并在控制單元內(nèi)處理。圖10-4CDS實現(xiàn)示意圖每個CDS模塊在同一頻段內(nèi)提供N個上行波束和N個下行波束，同一波束內(nèi)提供L個業(yè)務信道，CDS可在任意波束的上行信道與任意波束的下行信道之間建立通路，因此CDS模塊的容量為NL*NL。

其工作原理是：每一個上行CDMA信道首先被下變頻到中頻，再變頻到基帶，并且不解調(diào)輸入信號(也可以考慮在中頻進行交換)，接著每一路用戶信號通過上行用戶正交碼和PN波束碼解擴恢復(波束解擴)。這部分工作是在TCRC中完成的。接下來，業(yè)務信號由下行用戶正交碼和PN波束碼重新擴頻。最后，信號經(jīng)過過擴頻處理，就正交分離了系統(tǒng)中的所有用戶信號。其中，過擴頻是指利用較高的速率對已經(jīng)擴頻過的信號再進行頻譜擴展的過程。重新擴頻和過擴頻也是在TCRC中完成的。其中，過擴頻的速率為N(同時可以對N路信號進行過擴頻處理)，數(shù)值上等于CDS的交換端口數(shù)，交換機內(nèi)的交換速率為輸入信號速率的N倍。過擴頻處理之后，所有輸入信號被集中送到碼分總線(CDB，CodeDivisionBus)，CDB負責把所有送往下行方向的信號合并，再通過過擴頻解擴恢復出每一波束信號并使其路由到自己的目的端口。接著，信號再次被上變頻到射頻頻率，沿著下行信道發(fā)送出去。其中，控制單元向TCRC提供擴頻和解擴時用到的所有碼字，包括正交碼、擴頻碼、偽隨機碼等。

2．根據(jù)基帶處理和路由方式分類

根據(jù)基帶處理和路由方式的不同，星上交換的實現(xiàn)技術(shù)可分為兩種類型：一種基于TST(Time-Space-Time)電路交換的結(jié)構(gòu)，另一種基于分組交換的結(jié)構(gòu)。圖10-5示出了這兩種結(jié)構(gòu)的交換原理。圖10-5星上交換的兩種結(jié)構(gòu)

(a)電路交換結(jié)構(gòu)；(b)分組交換結(jié)構(gòu)

TST電路交換的工作原理與地面數(shù)字交換機的工作原理相似。地面用戶在通信之前，需要通過信令信道向網(wǎng)絡(luò)控制中心發(fā)出建立呼叫請求申請。若該申請被接收，則網(wǎng)絡(luò)控制中心一方面向星上交換控制部分發(fā)送建立電路連接的指令，另一方面向主叫和被叫雙方發(fā)送控制信令，以保證它們在指定的時隙內(nèi)進行通信。雙方通信完畢后，發(fā)出釋放信令，以便網(wǎng)控中心拆除星上的交換連接。星上分組交換是基于交換網(wǎng)絡(luò)原理實現(xiàn)的。該交換網(wǎng)絡(luò)按照各個分組攜帶的地址信息為它們選擇路由，所以不需要使用指令來控制衛(wèi)星上下行波束之間的連接。這種交換網(wǎng)絡(luò)實際上可由ATM交換模塊構(gòu)成。若為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的每個地球站分配一個虛通道標識地址(VPI)，則ATM交換網(wǎng)絡(luò)實質(zhì)上是一臺VP交換機。因此，由星上ATM交換衛(wèi)星通信系統(tǒng)構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)具有ATM網(wǎng)絡(luò)的特點：既能支持電路交換業(yè)務，也能支持分組交換業(yè)務；既可提供面向連接通信，也可提供無連接通信，適用于綜合傳輸從窄帶到寬帶的具有不同速率的各種業(yè)務。

3．根據(jù)涉及的衛(wèi)星數(shù)目分類

根據(jù)涉及的衛(wèi)星數(shù)目是一個或多個，星上交換又可以分為本地交換和星際交換。本地交換使衛(wèi)星與地面關(guān)口站或移動用戶之間有通信聯(lián)系，負責不同移動用戶或移動用戶之間的數(shù)據(jù)交換。星際交換是指在星際鏈路連接的多個衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)交換。這樣具有星上交換能力的寬帶多媒體通信衛(wèi)星就像一臺設(shè)在太空中的ATM交換機，可為來自不同波束的信息提供路由交換，實現(xiàn)任一輸入波束與任一輸出波束間的通信連接，使位于多波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有用戶終端都能夠互相通信，從而組成一個星地一體的寬帶多媒體通信網(wǎng)，如圖10-6所示。在這個多媒體網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星是所有信息通道交互的中心，是唯一的網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點。圖10-6星上交換和本地交換之間的關(guān)系

10.3透明轉(zhuǎn)發(fā)交換方式

10.3.1透明轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的原理

透明轉(zhuǎn)發(fā)(BentPipe)技術(shù)即“彎管”式處理技術(shù)，通常只完成信號放大和頻率切換，與

信號形式無關(guān)，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議透明、簡單而靈活。采用透明轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)時，星載交換設(shè)備主要是交換開關(guān)，它由MODEM部件和基帶開關(guān)部件所組成?；鶐ч_關(guān)實際上是一個具有交換功能的受控開關(guān)矩陣。采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器時，有三種多波束互聯(lián)方式，即

(1)跳轉(zhuǎn)發(fā)式的連接方式。

(2)星上交換時分多址的連接方式。

(3)掃描波束的連接方式。

IntelsatVI衛(wèi)星上應用了跳轉(zhuǎn)發(fā)器的連接方式，如圖10-7所示。它只適用于FDMA多址接入方式，其跳變連接控制較為簡單。但這種波束連接需要的轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量等于波束數(shù)的平方，開銷過大，只適合波束數(shù)較少的衛(wèi)星。圖10-7跳轉(zhuǎn)發(fā)器的連接方式星上交換時分多址(OBS-TDMA)互連波束的方式只適合于TDMA多址接入，其特點是動態(tài)交換矩陣在中頻(甚至射頻)進行波束切換。如圖10-8所示，每一個TDMA幀內(nèi)的切換時間和波束互連狀態(tài)的順序由星上控制單元根據(jù)地面站發(fā)送的指令進行控制。因此，各波束內(nèi)的地面站必須根據(jù)本波束與星上切換時間狀態(tài)一致的TDMA子幀發(fā)射傳輸計劃。該方式的控制過程同時涉及星上設(shè)備和地面站，較為復雜。同時，該方式所需轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)目與波束數(shù)相同。圖10-8星上交換時分多址的連接方式波束掃描連接方式主要適用于點波束覆蓋通信區(qū)域的情況，如圖10-9所示。掃描波束由星上波束成形天線產(chǎn)生，在一定時間內(nèi)循環(huán)掃過可被該波束照射的區(qū)域，能被照射到的地面站才能有效地進行通信。掃描波束在某區(qū)域的停滯時間與其照射區(qū)域的通信量成正比。該方式至少需要兩個掃描波束，才能為不同區(qū)域建立鏈路連接，從而達到波束互連的目的。圖10-9掃描波束的連接方式10.3.2終端通信過程

圖10-10所示為透明轉(zhuǎn)發(fā)方式下終端通信的過程。下面以星上交換時分多址連接方式為例進行說明。

若兩個用戶終端A、B屬于不同衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域，如圖10-10(a)所示，則請求進行通信時由于沒有星上處理，星上微波交換矩陣配置受控于地面站。又由于衛(wèi)星之間沒有星際鏈路，因此進行相互通信時必須通過地面站中繼。首先用戶A通過控制信道向地面站發(fā)送與用戶B建立連接的請求(①②)，地面站通過控制信道向用戶B發(fā)送建立連接的請求，等待用戶B響應(③④)。當用戶B同意建立連接時，向地面站反饋同意應答(⑤⑥)。地面站把應答反饋給用戶A(⑦⑧)。同時，地面站根據(jù)衛(wèi)星1、2的信道狀態(tài)為用戶A、用戶B分配信道(⑨⑩)。若兩用戶終端A、B屬于同一衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域，則其通信建立過程如圖10-10(b)所示。圖10-10透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下的終端通信

(a)用戶終端屬于不同衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域；(b)用戶終端屬于同一衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域10.3.3透明轉(zhuǎn)發(fā)方式的性能

1．優(yōu)點

(1)采用這種“彎管”方式可以不改變現(xiàn)有衛(wèi)星的協(xié)議結(jié)構(gòu)，只是將ATM協(xié)議放在非ATM的衛(wèi)星協(xié)議平臺上，因此，可通過使用現(xiàn)有衛(wèi)星實現(xiàn)，衛(wèi)星技術(shù)成熟，可靠性高，技術(shù)和商業(yè)風險小。

(2)星上系統(tǒng)是透明的，系統(tǒng)依靠地面主站完成網(wǎng)絡(luò)控制功能，這樣的衛(wèi)星適應性強，容易利用地面新技術(shù)構(gòu)建先進系統(tǒng)以滿足新通信業(yè)務的需求。

2．缺點

(1)缺乏星上處理和交換，妨礙了衛(wèi)星網(wǎng)和地面ATM網(wǎng)之間的完全綜合。

(2)若采用雙跳，則延遲較大，服務質(zhì)量不高，靈活性不夠好，不能完全體現(xiàn)衛(wèi)星ATM的優(yōu)越性。

就目前的發(fā)展狀況來看，轉(zhuǎn)發(fā)器跳變連接方式不適合多波束衛(wèi)星通信的發(fā)展方向，因此實際中很少采用這種方式。SS-TDMA方式和波束掃描方式是真正意義上的星上交換，兩者各有優(yōu)缺點，應用場合也不盡相同。一般而言，SS-TDMA主要用于商業(yè)通信，而波束掃描方式主要用于孤立的特定區(qū)域的軍事通信。

10.4星載ATM交換

10.4.1星載ATM交換原理

ATM(AsynchronousTransferMode，異步傳輸模式)是有線網(wǎng)絡(luò)寬帶通信的主要技術(shù)，采用異步傳輸方式，不需要同步碼，對時延沒有嚴格要求，具有很強的靈活性和適應性，能向用戶提供包括話音、圖像和數(shù)據(jù)在內(nèi)的綜合業(yè)務，并能根據(jù)需要分配資源，提高資源的利用率。ATM網(wǎng)絡(luò)的服務是基于面向連接的，通過虛電路(VC)傳輸數(shù)據(jù)，但需要復雜的信令支持；數(shù)據(jù)封裝在53字節(jié)的信元中進行傳輸；同一信道或鏈路中的信元可能來自不同的VC，以統(tǒng)計復用的方式進行工作；在ATM信元中的負載類型(PT)字段可以為不同信元的服務質(zhì)量要求提供支持。

在選擇適合的星載交換技術(shù)時，要針對應用背景來考慮。寬帶多媒體衛(wèi)星通信需要較高的QoS，同時由于衛(wèi)星自身壽命、成本等條件的限制，必須采用成熟穩(wěn)定的設(shè)備。

在QoS方面，IP技術(shù)顯然不如ATM以及MPLS。在實現(xiàn)的復雜性上，ATM和MPLS相近，但是ATM要比MPLS更加成熟穩(wěn)定。同時，由于衛(wèi)星采用了多個空間隔離的波束，需要在波束間實現(xiàn)波束交換，為減少傳播延時的影響，應將交換功能設(shè)置在星上。由于衛(wèi)星上行信號的帶寬有限，為保證業(yè)務的質(zhì)量，充分利用傳輸帶寬，ATM交換是一種非常合適的交換方式。衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)就是以衛(wèi)星作為傳輸手段，利用ATM作為交換技術(shù)的寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)。星上ATM交換參考地面ATM技術(shù)，為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的每個地球站分配一個虛通道標識地址(VPI)，則ATM交換網(wǎng)絡(luò)實質(zhì)上是一臺VP交換機，地球站根據(jù)VPI標簽為衛(wèi)星進行ATM交換路由表的配置。

衛(wèi)星天線接收到星際鏈路載波信號后，經(jīng)過解調(diào)、解碼，獲得ATM信元；然后經(jīng)過ATM交換開關(guān)發(fā)送到相應的目的端口；最后，經(jīng)過編碼、調(diào)制后通過天線發(fā)送出去。具體工作過程如圖10-11所示。圖10-11星上ATM網(wǎng)絡(luò)的工作過程當有多個衛(wèi)星組成網(wǎng)絡(luò)或一個衛(wèi)星覆蓋多個波束時，具有星上ATM交換功能的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖10-12所示。星上ATM網(wǎng)絡(luò)對上行的MF-TDMA信號再生后，送到星上ATM交換設(shè)備，各信元按照設(shè)置的路由交換到相應的輸出端口，之后一個端口輸出的所有信元合路為TDM信號，最后發(fā)送到地面終端。為充分利用衛(wèi)星下行的EIRP，一般一個波束設(shè)置一個下行的TDM載波。圖10-12具有星上ATM交換功能的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表10.1部分寬度衛(wèi)星通信系統(tǒng)提案表10.1部分寬度衛(wèi)星通信系統(tǒng)提案星載ATM交換和地面固定ATM交換是不同的，由于衛(wèi)星應用環(huán)境的特殊性，星上ATM交換的要求如下：

(1)星上設(shè)備應盡可能簡單，使硬件的復雜性較低，硬件數(shù)目較少。

(2)在保證系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，星載ATM交換信令和管理功能盡量做到簡單有效，盡量將復雜的控制功能放在地面實現(xiàn)。

(3)星載設(shè)備應具有很高的可靠性，故障發(fā)生時，交換設(shè)備應有良好的應急設(shè)施及良好的重構(gòu)配置方案。

(4)應具有良好的星載ATM交換性能，使交換時延小，信元丟失率低，路由算法簡單可靠。10.4.2衛(wèi)星ATM網(wǎng)的特點

衛(wèi)星ATM網(wǎng)綜合了衛(wèi)星通信和ATM技術(shù)的優(yōu)勢，具有以下特點：

(1)覆蓋面廣。衛(wèi)星可以在包括偏遠地區(qū)、農(nóng)村、城市和無人區(qū)的廣闊地理范圍內(nèi)提供ATM業(yè)務。

(2)可適應靈活的路由和業(yè)務需求特征。衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以靈活地實現(xiàn)按需分配帶寬，它不受復雜的地面網(wǎng)絡(luò)拓撲的影響，減少了中間多次分配的環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了資源的高效利用。

(3)利用衛(wèi)星的點對多點和多點對多點連接能力，可以快速地建立ATM網(wǎng)的多點到多點的應用，為大量用戶提供有效的接續(xù)。

(4)新用戶的建立和網(wǎng)絡(luò)的擴展也很容易。用戶不用花費太多，就可根據(jù)需要進入衛(wèi)星ATM綜合業(yè)務網(wǎng)絡(luò)，以較小的投入有效地為廣域稀散用戶和邊遠地區(qū)提供綜合業(yè)務。

(5)在不同地點建立ATM網(wǎng)絡(luò)時，衛(wèi)星通信能夠提供十分靈活的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、多點傳送和多媒體通信的要求。

(6)衛(wèi)星可以作為地面光纖ATM網(wǎng)的安全備份，在地面網(wǎng)出現(xiàn)故障或擁塞時，確保路由暢通，提高了系統(tǒng)的傳輸特性。

(7)結(jié)合各類接入手段，衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)可以適應不同比特率用戶和系統(tǒng)的接入。

可見，ATM與衛(wèi)星相互取長補短的組合，既能發(fā)揮衛(wèi)星投資少、見效快、通信容量大等特點，又能充分發(fā)揮ATM網(wǎng)的靈活性和適應性。衛(wèi)星通信與ATM網(wǎng)的綜合為信息時代的人們提供了一個隨時隨地隨意以合理的費用獲取信息的良好的寬帶網(wǎng)絡(luò)平臺。但是，衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)也存在一定的不足：

(1)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化使得通信過程存在鏈路切換問題，需要重路由，既浪費資源又可能產(chǎn)生劇烈的時延抖動。

(2)?ATM不能很好地支持多播業(yè)務，如由于有大量用戶同時通信的多播應用存在，因此將建大量的雙向虛電路，資源浪費嚴重。

(3)協(xié)議復雜，需要修改現(xiàn)有各種衛(wèi)星協(xié)議和網(wǎng)間接口協(xié)議。10.4.3星上ATM交換的實現(xiàn)

1．星上ATM交換網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

在一個高度集成的衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)方案中，衛(wèi)星部件利用了S-ATM層，S-ATM層除了替換MAC及無線物理層之外，還替換了標準的ATM層，因此星上ATM交換網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與地面ATM網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有不同之處。

通過一個專用的衛(wèi)星特有的接口，衛(wèi)星協(xié)議平臺可以透明地支持不同的用戶終端標準，衛(wèi)星接入?yún)f(xié)議在網(wǎng)關(guān)站終止且在外部網(wǎng)絡(luò)不可見。因此，現(xiàn)有協(xié)議標準不必進行大幅度修改。當ATM協(xié)議不是最具優(yōu)勢的傳輸體制時，這種方法在需容納大量協(xié)議標準的幾種不同類型的用戶終端系統(tǒng)中具有較大的吸引力。星上交換的方式，包括電路交換、分組交換甚至混合解決方案都可在使用這種類型協(xié)議平臺的網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)。針對ATM協(xié)議封裝的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖10-13所示。該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，衛(wèi)星特有的邏輯鏈路控制(LLC)和媒介訪問控制子層(MAC)被劃入數(shù)據(jù)鏈路控制(DLC)協(xié)議層，這是與地面ATM協(xié)議結(jié)構(gòu)不同的地方。在該協(xié)議經(jīng)空間接口在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)層實體間傳輸信息的實現(xiàn)中，DLC是必要的。由于S-ATM提供與ATM層相同的服務接入點，所以在S-ATM協(xié)議層上均可以類似的方式支持本地ATM、TCP/IP或用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP/IP的應用。圖10-13ATM衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)圖同時，由于系統(tǒng)采用TDMA多址接入方式，使得上、下行鏈路幀結(jié)構(gòu)不同，因此星上ATM交換機MAC層協(xié)議應為TDMA/TDM，以完成對上行TDMA幀的接收和對下行

TDM幀的發(fā)送。ATM交換節(jié)點的任務就是要進行VPI/VCI轉(zhuǎn)換，并把信元發(fā)送到目的端口，如圖10-14所示。由圖10-14可以看出：若將信元頭變換和擴展功能劃分出去，則交換機只需完成自路由交換的簡單功能，將信元的VPI值與目的地球站的地址等同后，信頭變換和添加路由標簽的擴展功能均可放在地球站完成，即星上交換機僅對信元進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)或VP路由，這樣星上交換控制和處理的復雜度將大為降低。圖10-14ATM交換的實現(xiàn)策略

2．內(nèi)部信元格式

根據(jù)星上ATM交換的特點和要求，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信元格式需考慮時延特性、信元糾錯、信元多播功能圖10-15網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信元格式改進后的特點如下：

(1)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信元的長度大于標準53字節(jié)，信頭比標準格式增加了2字節(jié)作為路由標簽，DB指示波束路由，DC指示鏈路路由，二者結(jié)合可實現(xiàn)單播、多播和廣播功能，并可使星上交換路由控制變得簡單。

(2)信元最后附加了保護信頭和信息域的RS碼校驗字節(jié)，以改善衛(wèi)星鏈路的傳輸質(zhì)量。

(3)綜合采用RS外碼-字節(jié)交織編碼-FEC卷積內(nèi)碼的雙層級聯(lián)編碼方法，可接近于光纖信道的誤碼性能，可滿足對誤碼率要求較高的業(yè)務。

(4)采用突發(fā)統(tǒng)一的連續(xù)編碼模式，可滿足多種不同業(yè)務的綜合傳輸并滿足較高業(yè)務質(zhì)量的要求。

(5)信頭的其余5字節(jié)是標準的ATM信頭結(jié)構(gòu)，但將HEC變更為FEC以配合RS編碼使用。綜上，上述內(nèi)部信元格式設(shè)計可最大限度地降低星上ATM交換機的復雜度。

在星載ATM交換機的前端處理單元中，衛(wèi)星ATM信元還原為標準ATM信元。因此進入交換矩陣的是標準的ATM信元格式。在進行星載ATM交換時，主要處理用戶接口(UNI)信元，選擇性地處理網(wǎng)絡(luò)接口(NNI)信元。由于進行的是點波束之間的交換，因此路由表中存儲的是待交換單元的輸入端口號VPI/VCI。

同時，一些預分配的信頭值保留給物理層的運行、管理和維護(OAM)。帶有這些信頭值的信元不傳遞給接收端的ATM層。表10.2列出了一部分信頭值。

3．星上ATM交換單元

考慮到星上交換系統(tǒng)需要具有交換處理時延短、非阻塞特性好的特點以及星上交換的廣播和組播要求，星上交換方案中選擇使用Crossbar交換單元。

Crossbar是一種典型的單級交換單元，其實現(xiàn)方式有：集中方式(輸入比輸出多)、擴展方式(輸入比輸出少)、連接方式(輸入和輸出一樣多)，一般采用連接方式，由N*N交叉矩陣構(gòu)成，如圖10-16所示。圖10-16Crossbar交換單元

Crossbar是一種嚴格非阻塞交換單元，可通過輸入、輸出之間交叉點的閉合，同時提供多條數(shù)據(jù)通路。交叉點由調(diào)度器控制，調(diào)度器依據(jù)各輸入數(shù)據(jù)隊列的信息，經(jīng)過調(diào)度算法得到輸入端口和輸出端口之間的一個匹配，并配置相應交叉點。調(diào)度器的調(diào)度效率決定了Crossbar的交換速率。

Crossbar交換單元的優(yōu)點在于所有輸入、輸出之間都存在著獨立的交換通道，因此該結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是非阻塞的，并能夠方便地實現(xiàn)組播。但Crossbar的可擴展性較差，增加一個端口就可導致交叉點的指數(shù)增長，并且數(shù)據(jù)流通過交換結(jié)構(gòu)的傳輸延時不定。另外，盡管輸入端口是非阻塞的，但如果兩個輸入數(shù)據(jù)流具有相同的輸出端口，則輸出端口阻塞，因此排隊仲裁是必需的。

4．星上交換機的組成與結(jié)構(gòu)

1)交換機的組成

在衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)中，所有有關(guān)衛(wèi)星的信息都被移到了SS(SatelliteSpecific)子層，所以交換要遵循ATM的標準。對于邊緣ATM交換機，采用信元和VC級的交換并且需要支持用戶網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)格式，包括信令方式、管理方式和流量規(guī)程等。因此，地面系統(tǒng)的ATM交換機就可以開發(fā)成星上交換機。但是必須在地面終端、星上設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)控制中心之間增加ATM功能層。因此，星上ATM交換機的組成也可分為三大部分，即交換結(jié)構(gòu)(SF，SwitchingFabric)，輸入/輸出接口(I/O)和交換控制器(SC,SwitchingController)。圖10-17表明了星上ATM交換機的一般結(jié)構(gòu)：交換矩陣專門進行信元的路由轉(zhuǎn)移，通常根據(jù)內(nèi)部信元路由標簽中的信息進行選路來完成這一功能；I/O部分的I口用來接收上行TMDA幀信元需要的物理層、MAC層和ATM層的功能，O口用來發(fā)送信元所需的物理層、MAC層和ATM層的功能；控制器主要完成為建立/維護和釋放VP連接所要求的信令功能，以及星上交換的輸入/輸出控制功能。由于可通過信元VPI中指定目的端地址的方式來建立VP連接，因此該單元的信令控制單元可放至地面站處理，而只執(zhí)行輸入/輸出控制功能，其中包括擁塞控制功能。圖10-17星上ATM交換機的組成結(jié)構(gòu)

2)交換機的結(jié)構(gòu)

星上交換機是ATM衛(wèi)星有效載荷的關(guān)鍵部分，而它的性能很大程度上將影響和決定ATM傳輸?shù)馁|(zhì)量，它本身的性能及其復雜度又與SF所采用的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此SF的結(jié)構(gòu)是整個交換機的核心。

電路交換和分組交換是兩種截然不同的交換方式，代表兩大范疇的傳輸模式，可以看做是兩個極端，在二者之間還可以安插多速率電路交換、快速電路交換(屬電路傳輸模式范疇)、幀交換、快速分組交換(屬分組傳輸模式范疇)。實際上ATM作為中間模式可看成是電路交換和分組交換的結(jié)合，兼具二者的特點。一般地，由星上ATM交換衛(wèi)星通信系統(tǒng)構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)既能支持電路交換業(yè)務，也能支持分組交換業(yè)務，既能提供面向連接的通信，也能提供無連接通信，因此它更適用于綜合傳輸業(yè)務，以及從窄帶到寬帶的各種不同速率的業(yè)務，同時，也簡化了交換結(jié)構(gòu)和交換控制過程。鑒于衛(wèi)星通信的特點，交換結(jié)構(gòu)的選擇必須符合星上處理的條件和星上ATM交換機的設(shè)計要求。要求如下：

(1)交換結(jié)構(gòu)由較少的硬件組成，可靠性較高，功耗較低。

(2)控制機制簡便有效，不需要路由選擇算法，且容易實現(xiàn)多播和廣播功能。

(3)可做到無內(nèi)部阻塞，并能保持信元交換的FIFO順序。

(4)交換時延小，有良好的信元吞吐能力。

(5)便于進行可靠性冗余設(shè)計，提高星載交換機的容許故障性能。

(6)適合采用ASIC制造技術(shù)來實現(xiàn)，因而有較小的尺寸和體積。基于以上要求，總線型交換結(jié)構(gòu)是最符合星上ATM交換機特點與要求的結(jié)構(gòu)。圖10-18為一個典型的總線型星上ATM交換結(jié)構(gòu)的示意圖。從圖10-18中我們看到，來自