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作为卫星通信的重要发展方向,宽带卫星通信日益受到人们的重视,2004年起,欧洲标准化组织ETSI相继出台了一系列宽带卫星通信的标准,为宽带卫星通信系统的设计提供指导与参考。其中基于星上再生处理的网状卫星系统(Regenerative Satellite Mesh RSM-A)采用星上再生式处理转发技术,可实现网内用户终端之间的单跳通信,目前已在休斯公司研制的宽带卫星通信系统Spaceway3上成功应用。
Spaceway 3卫星于2007年8月15日在法属圭亚那的库鲁发射场发射升空,系统覆盖范围为美国全部,加拿大大部分地区,上行点波束为112个,其中100个覆盖北美大陆地区,另外12个点波束覆盖夏威夷、阿拉斯加和7个拉美城市,每个点波束直径为200英里。下行点波束为784个,此外系统还具有覆盖北美大陆的广播波束。该系统研制历时8年,耗资近20亿美金,能够容纳165万用户终端,总通信容量约为10Gbps,而实际系统上行链路共有225个解调器,每个解调器最高速率为51Mbps,上行链路峰值总容量可达11.47Gbps;下行链路为22个最高速率为440Mbps的跳变波束,下行链路峰值容量可达10.44Gbps。按照休斯公司CEO Pradman Kaul的估计,考虑到各种开销,Spaceway3有效通信容量至少为8Gbps,相当于160个Ku波段的转发器(每个Ku转发器有效容量按50Mbps考虑)。RSM-A系统网络结构如下图所示,卫星具有星上基带交换功能,用户终端之间可以实现灵活的网状通信,根据终端能力不同,可分为信关站和用户终端两类,用户终端外观见图2,相关性能指标如表1所示。
终端工作模式
根据终端在不同层次的不同工作状态,可将其划分为多种工作模式,为了实现与TCP/IP协议的完全融合,该系统的设计集中在物理层和链路层,其中链路层又分为媒体接入控制子层(SMAC)和链路控制(SLC)子层。从SLC子层可以分为NACK模式、ACK模式和透明模式;从SMAC子层可划分为HUVL模式和BoD模式。
1. SLC子层
(1)NACK模式
在NACK模式下,数据以有序数据流的方式发送,接收端没有反馈。在此模式下,SLC子层主要负责SDU(或EDU)的分段和重组。
(2)ACK模式
在ACK模式下,数据传输通过使用一个改进的滑动窗口ARQ协议来实现,可提供可靠的数据传输服务,接收端通过SLC子层向发送端发送ACK消息。收发双方为点到点非对称连接方式。发送端负责连接的初始化,建立和保持。接收端在无需获得发送端允许的情况下就可发送ACK。但发送端需明确接收端支持ACK模式的情况下才能发送带有ACK模式的SLC-PDU,否则接收端将把这些SLC-PDU丢弃。在传输数据时,收发双方以异步响应模式(ARM)进行通信。
(3)透明模式
该模式适合采用HVUL的终端(信关站),在该模式下,终端只对SDU分段但不添加SLC头。
2. SMAC子层
终端在SMAC子层的工作模式可分为两种:按需分配带宽(BoD)模式和高速上行链路(HVUL)模式。
(1)BoD模式
大多数用户终端都采用该模式,在该模式下,终端可与同一地理区域的其它终端共享上行链路资源,终端首先以随机接入方式进入系统,再通过专用的带宽控制协议(BCP)与系统带宽控制单元(BCS)获取后续的信道资源,通过按需分配信道以按需分配方式进行接入。随机接入可采用S-ALOHA或P-ALOHA的方式,终端须采用令牌桶对业务进行整形以保证资源的高效使用。
(2)HUVL模式
电信运营商/服务提供商的信关站采用该模式,在该模式下终端独享上行链路资源,因此不需要像BoD模式终端那样以随机接入方式进入系统并采用带宽控制协议进行资源的申请,也不需要采用令牌桶等流控措施,但终端需要根据NOCC的配置控制发往各个下行波束小区业务流量,以保证发往各个下行波束小区的业务流能够公平的共享上行链路资源。
若用户终端同时支持上述两种模式,那么进行模式转换时,必须首先向网控中心发出切换申请,并且在网控中心发出切换指令后的768ms(即一个超帧)内完成切换。在切换过程中,用户的服务可能被中断。
终端功能描述
作为强大的卫星接入设备,用户终端的功能主要涉及网络接入控制、数据包的路由与传输、无线资源管理及网络管理四个方面。
1 网络接入控制
■ 注册功能:当用户终端首次开机或退网之后需要利用该功能进行入网注册。
■ 鉴权和认证功能:用于系统对终端的合法性进行确认,并指定其可获得的服务数量和种类。
■ 准入控制功能:该功能主要是根据用户终端的业务QoS需求和当前资源情况决定是否接纳用户终端的业务请求,如果接纳,则分配相应无线资源对其QoS进行保障。
■ 网络接入功能:该功能主要根据用户终端的需求和订制的服务对无线资源进行使用。
■ 使用记录和计费:该功能主要负责记录用户终端使用系统资源的情况并生成计费信息。
2 数据包的路由与传输
■ 标识和分类功能:该功能可对来自用户端口的数据包进行分类并分配相应的QoS参数;
■ 路由功能:根据用户网络到达的IP数据包所标识的目的IP地址查找下一跳的网络节点地址(SNHA),该节点可以是一个地面路由器或另一个用户终端或信关站;
■ 地址解析功能:该功能可确定数据包下一跳地址(SNHA)对应的目的MAC地址;
■ 压缩功能:该功能可实现对服务数据单元(SDU)的压缩从而提高传输效率;
■ 密码服务:该功能可实现对用户数据的保护。
3 无线资源管理
用户终端通过该功能使得网络资源得到有效保护并得到最大程度的利用。它包括无线路径管理功能和无线路径传输功能。其中无线路径管理功能可使用户终端对无线信道进行获取和管理,并根据当前网络的配置、使用规则及所需数据的QoS需求决定其传输模式(是争用方式还是按需分配方式)。无线路径传输功能主要关系到用户终端对数据包进行转发。包括下列内容:
■ 媒体访问控制
■ 在按需或争用信道上将数据包进行复用
■ 用户终端内部的数据包分类
■ 检错和纠错(可选)
■ 流量控制
4 网络管理
用户终端通过该功能进行必要的网络资源的运行和维护。例如:下载管理,报警等。
结束语
RSM-A系统所配置的用户终端实际上已基本实现了路由器的所有功能,具有很高的灵活性并具有多种QoS保障能力,很大程度上满足了用户传输多媒体业务的需求。
Spaceway 3卫星于2007年8月15日在法属圭亚那的库鲁发射场发射升空,系统覆盖范围为美国全部,加拿大大部分地区,上行点波束为112个,其中100个覆盖北美大陆地区,另外12个点波束覆盖夏威夷、阿拉斯加和7个拉美城市,每个点波束直径为200英里。下行点波束为784个,此外系统还具有覆盖北美大陆的广播波束。该系统研制历时8年,耗资近20亿美金,能够容纳165万用户终端,总通信容量约为10Gbps,而实际系统上行链路共有225个解调器,每个解调器最高速率为51Mbps,上行链路峰值总容量可达11.47Gbps;下行链路为22个最高速率为440Mbps的跳变波束,下行链路峰值容量可达10.44Gbps。按照休斯公司CEO Pradman Kaul的估计,考虑到各种开销,Spaceway3有效通信容量至少为8Gbps,相当于160个Ku波段的转发器(每个Ku转发器有效容量按50Mbps考虑)。RSM-A系统网络结构如下图所示,卫星具有星上基带交换功能,用户终端之间可以实现灵活的网状通信,根据终端能力不同,可分为信关站和用户终端两类,用户终端外观见图2,相关性能指标如表1所示。
终端工作模式
根据终端在不同层次的不同工作状态,可将其划分为多种工作模式,为了实现与TCP/IP协议的完全融合,该系统的设计集中在物理层和链路层,其中链路层又分为媒体接入控制子层(SMAC)和链路控制(SLC)子层。从SLC子层可以分为NACK模式、ACK模式和透明模式;从SMAC子层可划分为HUVL模式和BoD模式。
1. SLC子层
(1)NACK模式
在NACK模式下,数据以有序数据流的方式发送,接收端没有反馈。在此模式下,SLC子层主要负责SDU(或EDU)的分段和重组。
(2)ACK模式
在ACK模式下,数据传输通过使用一个改进的滑动窗口ARQ协议来实现,可提供可靠的数据传输服务,接收端通过SLC子层向发送端发送ACK消息。收发双方为点到点非对称连接方式。发送端负责连接的初始化,建立和保持。接收端在无需获得发送端允许的情况下就可发送ACK。但发送端需明确接收端支持ACK模式的情况下才能发送带有ACK模式的SLC-PDU,否则接收端将把这些SLC-PDU丢弃。在传输数据时,收发双方以异步响应模式(ARM)进行通信。
(3)透明模式
该模式适合采用HVUL的终端(信关站),在该模式下,终端只对SDU分段但不添加SLC头。
2. SMAC子层
终端在SMAC子层的工作模式可分为两种:按需分配带宽(BoD)模式和高速上行链路(HVUL)模式。
(1)BoD模式
大多数用户终端都采用该模式,在该模式下,终端可与同一地理区域的其它终端共享上行链路资源,终端首先以随机接入方式进入系统,再通过专用的带宽控制协议(BCP)与系统带宽控制单元(BCS)获取后续的信道资源,通过按需分配信道以按需分配方式进行接入。随机接入可采用S-ALOHA或P-ALOHA的方式,终端须采用令牌桶对业务进行整形以保证资源的高效使用。
(2)HUVL模式
电信运营商/服务提供商的信关站采用该模式,在该模式下终端独享上行链路资源,因此不需要像BoD模式终端那样以随机接入方式进入系统并采用带宽控制协议进行资源的申请,也不需要采用令牌桶等流控措施,但终端需要根据NOCC的配置控制发往各个下行波束小区业务流量,以保证发往各个下行波束小区的业务流能够公平的共享上行链路资源。
若用户终端同时支持上述两种模式,那么进行模式转换时,必须首先向网控中心发出切换申请,并且在网控中心发出切换指令后的768ms(即一个超帧)内完成切换。在切换过程中,用户的服务可能被中断。
终端功能描述
作为强大的卫星接入设备,用户终端的功能主要涉及网络接入控制、数据包的路由与传输、无线资源管理及网络管理四个方面。
1 网络接入控制
■ 注册功能:当用户终端首次开机或退网之后需要利用该功能进行入网注册。
■ 鉴权和认证功能:用于系统对终端的合法性进行确认,并指定其可获得的服务数量和种类。
■ 准入控制功能:该功能主要是根据用户终端的业务QoS需求和当前资源情况决定是否接纳用户终端的业务请求,如果接纳,则分配相应无线资源对其QoS进行保障。
■ 网络接入功能:该功能主要根据用户终端的需求和订制的服务对无线资源进行使用。
■ 使用记录和计费:该功能主要负责记录用户终端使用系统资源的情况并生成计费信息。
2 数据包的路由与传输
■ 标识和分类功能:该功能可对来自用户端口的数据包进行分类并分配相应的QoS参数;
■ 路由功能:根据用户网络到达的IP数据包所标识的目的IP地址查找下一跳的网络节点地址(SNHA),该节点可以是一个地面路由器或另一个用户终端或信关站;
■ 地址解析功能:该功能可确定数据包下一跳地址(SNHA)对应的目的MAC地址;
■ 压缩功能:该功能可实现对服务数据单元(SDU)的压缩从而提高传输效率;
■ 密码服务:该功能可实现对用户数据的保护。
3 无线资源管理
用户终端通过该功能使得网络资源得到有效保护并得到最大程度的利用。它包括无线路径管理功能和无线路径传输功能。其中无线路径管理功能可使用户终端对无线信道进行获取和管理,并根据当前网络的配置、使用规则及所需数据的QoS需求决定其传输模式(是争用方式还是按需分配方式)。无线路径传输功能主要关系到用户终端对数据包进行转发。包括下列内容:
■ 媒体访问控制
■ 在按需或争用信道上将数据包进行复用
■ 用户终端内部的数据包分类
■ 检错和纠错(可选)
■ 流量控制
4 网络管理
用户终端通过该功能进行必要的网络资源的运行和维护。例如:下载管理,报警等。
结束语
RSM-A系统所配置的用户终端实际上已基本实现了路由器的所有功能,具有很高的灵活性并具有多种QoS保障能力,很大程度上满足了用户传输多媒体业务的需求。