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卫星通信与卫星互联网

2/14/2005来源:卫星通信人气:8555

  由于受技术进步、全球竞争、互联网等因素的影响,卫星通信的产业格局和服务形式正在发生结构性的变化。这些变化主要表现在以下几个方面:一、休斯、吉莱特、劳拉、洛克希德马丁等传统卫星制造商纷纷从上游制造行业进入到下游运营服务行业;Intelsat、Panamsat、Inmarsat这些卫星运营公司已从传统电信市场扩展到互联网市场;SES Astra、Eutelsat、Panamsat等公司从基本的转发器租赁服务进入到提供卫星网络服务等增值服务;各类运营商已从话音、数据等单一服务转向多媒体、互联网等综合服务,同时将服务范围从局部地区延伸到全球,而且大都在进行国际化经营;由于网络和业务的融合,以及互联网带来了新的市场需求,一些卫星通信行业以外的公司,如电信公司、ISP、新兴公司也纷纷加入卫星通信新业务市场的角逐。

卫星通信互联网的必然结合

  卫星通信与互联网的结合是由互联网应用环境的变化以及卫星通信的功能和属性所决定的。二十世纪九十年代商用化以来,互联网已经发展成为全球最大的信息基础设施。这主要表现在以下几个方面:

  首先,互联网是全球最大的多媒体网络。综观整个通信网络行业的发展,可以看到一个明显的现象,即差不多所有的通信系统都在网络化,如先后出现了基于SDH/DWDM的光纤互联网、基于WAP/GPRS的移动互联网、基于Cable Modem的有线电视互联网。同样,基于VSAT,出现了卫星互联网。可见,几乎所有的通信系统都成为了互联网的组成部分。

  其次,互联网是全球最大的信息库。信息内容的数字化使得所有内容都可能上网,特别是数字音视频(DAB/DVB)技术使得在互联网上看电视、听广播成为可能。咨询公司RHK的研究表明,在互联网骨干上的流量中,流式媒体(音视频等)已占10%。著名市场研究机构Garter Group认为,到2001年,近50%的美国Web站点将提供流式媒体内容,流和组播是互联网上增长最快的应用。ICP/IDC的发展、互联网和广播电视网的融合,使得互联网成为第四媒体或网络媒体。与传统媒体相比,网络媒体具有交互式、实时、异步访问、多媒体等独特的优势,因而它将成为全球最大的数字媒体。

  最后,互联网是一个网间网(Internet),它是由许许多多ip自治域系统通过互联构成的复合网络系统。传输带宽的增加、交换速度的提高以及流量工程的引入,并没能从根本上改变信息传递过程中需要多跳的模式,因而阻塞现象的发生在所难免。不仅如此,这样的网络系统在网络和内容分布两个方面都具有不平衡性。一方面,发达地区的网络设施较为健全,而边远地区网络设施稀少;另一方面,信息内容主要集中在少数发达国家和地区,IDC的大规模建设和流媒体的涌现将加剧这种不平衡性。

  总之,互联网的大规模商用化、网上内容的爆炸性增长、特别是流式媒体的流行,给互联网带来骨干阻塞、远程接入困难、内容分发/传递速度慢等诸多问题。有人曾戏言称World Wide Web(WWW)为 World Wild Wait,非常形象地反映了互联网的困境。这种困境主要来自于骨干网、接入网、服务器三种瓶颈。

  由于卫星通信具有空间跨越、远程通信和广播等独特的功能,因而成为互联网摆脱目前困境的一个重要途径。

  可见,卫星通信与互联网的结合是一种必然的趋势。事实上,针对互联网存在的以上问题,比较有效的解决方案是内容投递网(CDN,Contents Delivery Network)。CDN工作的基本原理是服务提供商在各地设立自己的、主要由缓存服务器构成的服务点(POP),通过自己的专用网络将内容向网络的边缘分布,即尽可能地将内容本地化,以有效地解决了骨干阻塞、接入困难、内容分发效率低等诸多问题,从而起到对互联网进行加速的作用,并进一步改善服务质量。

  CDN的实现途径主要有地面网络和卫星网络两种, 鉴于两种CDN各有千秋,实际使用中的CDN有不少是由两者混合而成的,但是基于卫星通信的CDN在数量上更多。因为,基于卫星的CDN不仅具有一般意义上的CDN的功能,还具有其独特的应用。

  卫星通信与互联网的结合是互联网商用化、信息内容数字化、互联网媒体化、广播电视数据化的必然结果。如果说卫星通信发展的第一个动力来自于话音/电视传输,第二个动力来自于企业联网,那么,第三个动力就是今天的全球移动通信、互联网。特别是互联网的发展使得卫星通信的应用范围从骨干传输、企业联网、移动电话、电视直播,扩大到宽带接入、内容传送、多媒体广播、网上学习、交互式多媒体等新的应用领域。这些新的应用反过来又在不断推动卫星通信和互联网的发展。

卫星互联网的结构、原理及应用

  近一两年来,媒体中“卫星互联网”的概念和名词已屡见不鲜,但至今没有一个一致的定义。在此,将基于VSAT系统、以IP为网络服务平台,以互联网应用为服务对象,能够成为互联网的一个组成部分,并能够独立运行的网络系统称为卫星互联网。从系统结构上看,卫星互联网由一个专用的数据中心和一个星状的VSAT卫星网构成。

  数据中心的主要功能是:1、信息处理,信息内容的获取、接收、存储、封装、发布;2、系统管理,包括用户管理、用户认证、网络管理、计费。卫星网的主要功能是:1、双向通信,即为远程用户提供互联网接入服务;2、单向广播,完成数据广播、组播和投递;3、交互式通信,介于双向通信和单向广播之间,信道和可非对称性配置的卫星通信和内容丰富的互联网是交互式应用的发展动力。根据用户的不同需要,远端设备可以在DVB接收机、路由器、PC卡、甚至机顶盒等中作选择。

  顾名思义,卫星互联网是以IP为业务平台,以卫星线路为物理传输介质的IP网络系统。在IP层和物理层之间还需要一个链路层协议,如ATM、FR、PPP等。在卫星互联网中,这个链路层通常就是DVB/MPEG-2。这样,卫星互联网在体系结构上就形成了卫星、DVB、IP、应用四个层次。其中应用层的表现形式可能是WWW、FTP、MPEG-1~4、JPEG、MP3等。

  DVB是对MPEG-2的扩展。MPEG-2是一套关于视音频压缩、编码、复用的标准,它以188个字节为一包,其中4个字节为包头,包头中含有13比特PID(包识别符),另外184个字节为净荷,净荷可以有几种格式,其中,流格式通常用于音视频数据,净荷是纯音频和视频数据,包头含有一个时间戳,用于接收端的信息同步。数据格式通常用以传输TCP/IP数据,数据被封装在MPEG-2数据包中,184字节净荷中的12字节用来标识数据,其中6个字节是MAC地址,允许发送方将数据送到指定的接收方。DVB通过扩充MPEG-2的复用部分和业务信息说明等功能,提供了视频、音频和数据复用的集成传输机制,使得DVB系统成为集视频、音频和数据于一体的多媒体系统。

  对于IP应用来讲,通过数据封装/复用,将原始IP数据转换到DVB/MPEG-2传输流(TS),从而使DVB成为支持互联网应用的一种重要载体。其中IP封装器构成了沟通IP世界和DVB世界之间的桥梁。DVB标准的制定,对互联网和广播电视网的融合以及卫星互联网的发展,产生了极大的推动作用。

  DVB定义了卫星、有线、地面无线三大传输媒体中的信道编码和调制标准,以及与其它网络的接口,分别形成DVB-S、DVB-C、DVB-T三个系列标准。DVB-S标准采用QPSK调制技术,通过54MHz转发器可达45Mb/s左右的数据传输速率。

  有高达几十Mb/s的传输速度、再加上其广播和复用功能,使得基于DVB/MPEG-2的卫星互联网可提供如下应用:1、宽带互联网接入,其出境速率可达50Mb/s,根据用户的需求,可分别通过地面网络(外交互)和卫星线路(内交互)回传;2、多媒体广播,典型应用有Web内容投递、商务电视、流式音视频、软件分发、远程教学等;3、交互式应用,典型应用有视频点播、网上学习、网上游戏等。   卫星互联网既是互联网的延伸和补充,又是互联网的强化系统,它的出现加快了通信多媒体化、个性化服务的进程。音视频的数字化、互联网的媒体化、卫星通信的网络化,使得互联网宽带接入、数字卫星直播业务、交互式电视以及内容投送的界限越来越模糊。卫星互联网已成为信息服务产业中的重要组成部分,一个以卫星互联网为产业方向的企业群体业已形成。国际上,服务提供商主要有电信公司(如NTT、荷兰电信、法国电信)、ISP(如美国在线、欧洲在线、微软网络)、卫星公司(如Astra、Loral、Eutelsat)、新兴公司(如iBEAM、Cidera、Edgix、Tachyon)四大类型。国内的卫星互联网服务也已经开始,其中比较有代表性的公司有中广卫、双威网络、上海建华、广电数据广播中心等单位。

  卫星互联网中的关键技术、卫星互联网是数字音视频、卫星直播、互联网的有机结合,它为一系列新的应用提供了统一的服务平台,其中包括数据封装、条件接收、交互操作、卫星直播、数据缓存等多项关键支撑技术。

封装技术

  DVB对MPEG-2进行了扩充,定义了业务信息(SI)、图文电视以及数据广播等业务在复用流中的标准。针对数据广播业务,DVB定义了数据管道、数据流、多协议封装、数据轮放等几种封装协议。其中数据管道直接将数据插入传输流(TS)的净荷部分;数据流将数据封装成节目单元流(PES),故能够支持流式媒体播放等应用;多协议封装和数据轮放将成为MPEG-2传输流的数据段。通过编址,多协议封装可支持IP单播、组播和广播应用。数据轮放可周期性播放一组数据。

条件接收

  卫星广播的特点决定了卫星互联网的商业应用需要有效的访问控制技术,以防止非法接收,进而实现有尝服务。DVB的条件接收(CA)技术提供了一种有效的方式,它包括加扰和加密两个部分。加扰是用控制字将图像、语音和数据信息的结构打乱形成加扰信号,用授权系统(SAS)产生的授权密钥对控制字进行加密,形成授权控制信息(ECM),再用SAS产生的、与接收机唯一的地址码相对应的分配密钥,对授权密钥进行进一步的加密,形成授权管理信息(EMM)。最后加扰信号与ECM、EMM一起被复用到传输流之中,用户通过PID识别,依次解码得到控制字,最终实现对加扰信号的解扰,以达到接收信号的目的。

  条件接收有同密(Simulcrypt)和多密(Multicrypt)之分。同密技术允许两个CA系统并行工作,用不同的CA系统,传送各自的授权信息(ECM+EMM)到各自的接收机。多密技术要求接收机采用公共接口(CI)技术,实现同一接收机可接收不同CA系统的节目。实际应用中,同密方式得到更广泛的使用。

交互操作

  介于通信和广播之间的交互式应用是未来网络通信的发展方向之一。要实现基于卫星的交互式应用,推广宽带卫星通信,就必须开发交互式标准。目前的卫星交互解决方案虽然不少,但是技术体制上千差万别。DVB-RCS就是为基于卫星信道的交互式应用而定义的行业标准。DVB-RCS中的关键技术是MF-TDMA(多频-时分多址)突发调制技术。MF-TDMA的优势在于,载波频率和分配带宽都可以灵活适应多变的多媒体传输要求,而且时隙和突发速率都可以根据网控中心的要求来改变。DVB-RCS一个回传载波速率一般在64kb/s到2Mb/s之间,根据需要可以用多个载波进行组合,以提高回传速度。由于Ku、Ka波段都可能应用于交互式多媒体通信中,为了克服雨衰的影响,要求卫星交互式终端具有一定的上行功率控制(UPC)能力。

  DVB-RCS只是终端和前端之间的无线接口标准。要真正实现人机交互,还需要终端设备具有一定的信息处理和网络通信能力,而且,必须制定通用的应用程序接口(API)标准和相关软硬件标准。DVB的多媒体家庭平台(MHP)就是为交互式数字电视、互联网访问而制定的相关标准。MHP有资源、系统软件和应用程序三个逻辑层次,其中位于系统软件层的、基于java规范的虚拟机(VM)构成了MHP API的基础。

数据缓存

  缓存(cache)技术已广泛应用于ISP服务中,通过缓存不仅可以节省出口带宽,而且可以大大提高网络响应速度。对于卫星互联网的宽带接入应用,通常需要在前端和远端设置两级缓存。只有这样才能使相对昂贵的卫星转发器带宽利用率更高。双层缓存的采用不仅起到网络加速作用,同时也是个性化服务的必要基础,前端缓存可以按照远端用户的需要,预先将相关内容推送到远端缓存服务器中。

  前端缓存是整个缓存系统的核心,不仅需要采用互联网缓存(ICP)、缓存阵列路由(CARP)等协议,以保证缓存服务器的处理和存储能力,同时需要建立某种算法,以确定何时、从何地获取和推送内容。为此,两级缓存之间也需要建立某种协作机制,以使卫星转发器带宽需求和网络服务能力得到最佳匹配。除了宽带接入应用以外,数据缓存也是内容投送、数据广播、交互式应用等卫星互联网服务的必要基础。

卫星直播

  由于直播卫星转发器功率较大,用户使用45~80cm的接收天线,就可以正常收看电视节目。随着功率的提高,效率更高的调制技术如8PSK将得到采用,从而使卫星传输容量得以整倍提高。但是,为了克服雨衰带来的不利影响,需要综合利用星上自动电平控制(ALC)、主站上行功率控制(UPC)、地区区别对待等多种技术。

  卫星直播的最大魅力在于它可以将交互式多媒体业务和电视广播/组播业务集中到一个平台之上。卫星直播将是卫星互联网中的重要支撑力量,有了它,卫星互联网将可以更方便地提供个性化的业务。美国第二大卫星电视公司EchoStar和卫星公司吉莱特已经开始了这方面的探索。

未来展望和政策环境要求

  信息网络正在朝着天地一体、全球覆盖、无缝连接方向发展,未来的通信形式将是多媒体、个性化、随时随地的,其中中低轨、直播之类的卫星通信新技术将发挥关键的作用。而发展基于卫星通信的卫星互联网,对于多媒体通信、信息服务以及互联网本身都具有极其重要的意义。

  回顾信息产业的发展历程,不难看出这样的规律,即新技术革命、市场开放、产业变革必将培育出新的产业。据此,我们有理由相信,以数字媒体、卫星直播和互联网为主要发展动力的卫星互联网具有广阔的发展前景。据DTT咨询公司研究报告,过去两年里,卫星互联网产业的市场增长了858%,2000年,卫星互联网产值达到7.11亿美元。Pioneer Consulting预测,卫星互联网组播和内容分发业务的总收入,将从2000年的4.5亿美元增加到2005年的140亿美元。

  有了卫星互联网,将来在网上看电视、听广播、读新闻、学文化、玩游戏将变得更加轻松。作为一种新的网络系统和信息服务,卫星互联网具有VSAT、ISP、音视频广播等多种属性,它横跨了电信、互联网和广播电视三大行业,是促进三网融合的重要力量,这无疑对国内现行的信息行业管理体制提出了新的要求。网上流式媒体与广播电影电视是什么关系?卫星互联网是VSAT业务还是ISP业务?是属于通信行业还是广播电视行业?面对诸如此类的现实问题,在目前的管理体制和制度中还找不到一个现成的答案。而目前卫星互联网的市场需求已经浮现,商业模式已经成熟,企业服务已经开始,这迫切要求国家的信息产业管理体制、产业政策做出相应的调整。只有这样才能为卫星互联网的发展创造一个有利其发展的政策和运行环境。

摘自《中国信息产业网》