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卫星通信与地面网络融合的技术发展分析 摘要：地面网络3G系统和IP技术的高速发展，无处不在的多媒体应用需求给卫星通信提出新的技术挑战。本文对未来卫星通信与地面融合中的QoS保障机制、资源管理和跨层设计等问题进行了较为深入的探讨。 1 前言 卫星通信发展至今，全球相继有GEO、MEO、LEO等高中低轨道各个层次上运行的中继转发和信号处理卫星。随着地面系统3G和IP技术的发展，对通信的无缝连接要求使得卫星通信将与地面高速发展的网络进行融合，以IP多媒体子系统（IMS）作为网络融合的基础平台，将是未来核心网的发展方向，业务也将向多媒体、多元化和智能化方向发展[1]。 90年代已建成并投入应用的卫星通信系统：铱( Iridium)系统、Globalstar 系统、ORBCOMM 系统等为全球提供包括话音、数据通信、位置信息服务，通过星际交链、地面信关站与地面网络、静止轨道卫星通信系统等联成一体，达到覆盖全球的目的[2]。 因此我国卫星通信系统建设也将考虑与地面通信系统的兼容性，网系的融合将对系统的通信容量和效率产生直接的影响。本文从卫星QoS、资源管理、跨层设计几方面来探讨与地面系统融合给卫星通信带来的技术挑战。 2 卫星IP通信 在4G系统中，向全球信息网络的方向发展，要求在任何时候，任何地点为用户提供灵活的多媒体信息服务。基于卫星的移动通信系统将作为地面系统的补充来提供无处不在的多媒体和高速数据应用。其系统设计可以是LEO、MEO、GEO，或者他们之间的结合，这取决于覆盖范围、费用、用户服务和业务的需求。卫星与地面网络的融合将表现出不同的资源可用性和开销，需要通过有效的系统设计来保障无缝连接。 卫星与地面系统IP网系互联示意图 （1）卫星QoS 卫星链路IP数据的传输存在长时延、带宽不对称性以及误码率高的问题(TCP-Swift: an end-host enhancement scheme for TCP over Satellite IP Networks)。而卫星要提供多种宽带服务：交互式服务和分发服务。交互式服务包括：视频会议、视频/话音信息传输、高速率数字信息、文件/公文传输、高精度的图像、数据存储转发（如数据库）。分发服务有TV、多媒体视频和语音分发。为解决卫星IP数据传输问题，针对每种服务有不同的QoS要求，如延迟敏感度或者抖动敏感实时数据、对损失敏感的传输数据等。打包语音业务需要相对低的带宽，但是实时性要求高。视频业务需要较高的带宽，但是仍然需要较低的反应时间获得高质量的视频。像文件传输的数据业务、e-mail信息等等，可允许一定的延迟。其中e-mail信息占用较低带宽，而文件传输需要占据足够大的带宽[3]。因此，QoS资源管理的目标是在不同业务类型中有效共享和接入可获得的资源，并保证所需的质量。它是根据需求和网络状况来管理带宽，具体可量化为传输延迟、抖动、丢包率、带宽要求、吞吐量、业务可用性等指标。 卫星系统的QoS支持的网络主要提供两种类型的服务：保证的和最佳的。在保证服务中，网络提供一些类型的QoS保证给用户或者用户群。而最佳服务，提供给用户的QoS是网络状态的函数，对服务的水平没有保证。4G移动通信系统将要求实时处理，高数据率传输和互动多媒体服务，要求不能容忍延迟和符号错误，因此需要一些特定网络条件和QoS要求。 为满足实时处理的要求，目前IP网络有两种QoS结构定义：“inteserv”（集成服务）和diffserv（区分服务）。最重要的集成服务协议是RSVP（资源保留协议），它对特定服务要求的应用在传输业务前进行资源预先保留。QoS体系中，集成服务面向流，它是基于资源预留提供端到端服务质量保证，复杂度很高。对于区分服务，网络不需要为每个流维护状态，它根据每个报文指定的QoS来提供特定的服务[4]。由于其相对简单、具有可扩展、可操作及可部署能力而成为主流的一种IP。 对于区分服务这种QoS保障方式，我们搭建试验平台，对IP语音（64k带宽）、视频（1.2M带宽）通过卫星模拟信道传输进行试验，其中设置卫星传输信道时延540ms。通过路由器配置保障语音信号优先，得到试验结果如表1所示。 表1 模拟卫星通信QoS保障试验结果 信道带宽 话音 视频 64k 拨不通 接收不到图像 512k 拨号时通时不通，拨号等待时间较长，拿起被呼方话筒，需要等待约19s方可听到话音 接收不到图像 600k 拨号等待时间较长，拿起被呼方话筒，需要等待约15s方可听到话音，之后拨号方听到的声音延迟1s，被呼方听到的声音延迟约为5s 图像严重马赛克 700k 拨号等待时间较长，拿起被呼方话筒，需要等待约8s方可听到话音，之后拨号方听到的声音延迟1s，被呼方听到的声音延迟约为5s 图像较为严重马赛克 800k 拨号等待时间