国外卫星通信应用标准体系框架研究

· 文|北京空间科技信息研究所 张乐 金晓晨

国外卫星通信应用标准体系框架研究

· 文|北京空间科技信息研究所 张乐 金晓晨

一、引言

作为卫星应用的三大应用领域之一，卫星通信在过去40多年时间里极大推动了世界的发展和改变了人们的生活。无线电频率是无线电通信的基础。对于空间通信来说，电磁波在地球站与航天器之间传播，需要穿过地球周围的大气层，一般选用穿透能力较强的微波频段（109MHz以上），如L、S、C、Ku、Ka等频段。为了更好的管理和使用无线电频率，国际电联（ITU）根据不同用途将与空间通信相关的无线电频率划分为十二个业务频段。其中，与卫星通信应用直接相关的包括卫星广播业务（BSS）、卫星固定业务（FSS）及卫星移动业务(MSS)三类业务。本文按照ITU对卫星通信业务的划分，从不同业务的特点和应用情况出发，梳理和研究国外相关标准。

国外在卫星通信领域的发展起步较早，其中又以北美和欧洲的发展最为成熟。这两个地区不仅拥有多家致力于卫星通信设备制造或卫星通信服务运营的跨国企业，同时还拥有各自致力于标准制定和推广的权威标准化组织，其中最具代表性的是美国电信工业协会（TIA）和欧洲电信标准化协会（ETSI）。这些标准化组织制定的标准不仅对目前卫星通信应用产业起到了很好的规范作用，很多前瞻性的标准同时还引导着全球卫星通信应用产业的发展。考虑到标准在国际上的影响力和权威性，本文研究的国外标准主要为TIA和ETSI制定的标准。

二、 国外标准研究与分析

1. 基于BSS和FSS的应用标准

BSS和FSS主要用于固定地球站之间的通信，这使得地球站可以不受天线尺寸、发射机功率等方面的限制；同时BSS和FSS使用的频率主要集中在C、Ku和Ka频段，这使得基于BSS和FSS的通信系统可以拥有充足的通信带宽。随着卫星通信技术的发展和应用的逐步深入，FSS与BSS这两种业务的界限日趋模糊，呈现融合的趋势。根据通信方式的不同，基于BSS和FSS的应用分为广播通信和交互通信。

（1） 广播通信

卫星广播电视是最典型的广播通信应用，目前卫星广播电视的国际主流标准为ETSI主导的DVB（数字电视广播）系列标准，我国目前使用的也是DVB标准。DVB的宗旨是以市场为导向，建立一套以MPEG-2为基础，适用于各种传输媒介的数字电视系统标准。其中关于卫星广播电视的分支为DVB-S（Digital Video Broadcast-Satellite）。DVB对于被传输数据信号的规定具有通用性，DVB-S主要对基于卫星的传输系统进行了规定。DVB-S对应的标准为EN 300 421《 DVB；针对11/12GHz频段卫星服务的帧结构、信道编码及调制》，EN 300 421中规定DVB-S传输系统使用QPSK调制方式、卷积码与RS码级联的前向纠错方式，并通过对卷积码的设置，实现在给定的卫星转发器带宽内系统性能的最优化。为了满足人们越来越高的需求，DVB又在DVB-S的基础上推出了DVB-S的升级版DVB-S2。DVB-S2对应的标准为EN 302 307《DVB;针对广播、交互服务、新闻采集及其他宽带卫星应用的第二代帧结构、信道编码及调制系统》，EN 302 307中规定DVB-S2系统可处理包括MPEG-2在内的多种编码形式的数据，其采用QPSK、8PSK、16APSK等调制方式、前向纠错（FEC）和自适应编码和调制（ACM）相结合的技术，使得其性能得到了全面的提升。DVB-S2与DVB-S并没有本质的区别，两者在很多都有共通之处，且DVB-S2还能向后兼容DVB-S，由于DVB-S2具有更多的调制方式和更多的服务内容，其工作原理也更为复杂。除了EN 300 421和EN 302 307这样的顶层标准，DVB-S还针对数据封装、调制、编码等关键技术制定了一系列更细化的标准指导具体的实施工作。

除了卫星广播电视系统的总体设计标准，ETSI还制定了一系列针对卫星广播电视地面系统的标准，如EN 300 473《DVB;卫星主天线分配系统》和ETS 300 784《卫星地球站及系统 （SES）;基于11/12GHz频段的电视信号接收地球站》。根据终端用户接收方式的不同，地面系统可分为分配式和直接到户两种。对于分配式系统，由地球站接收卫星发送的电视信号并进行放大、滤波、解调、译码等操作，再将处理后的电视信号通过有线电视网络传送到终端用户。对于直接到户系统，每个终端用户都安装了一套接收系统，接收系统除了接收卫星发送的电视信号外，还需要对信号进行放大、滤波、解调、译码等操作。用户通过与接收系统连接的电视即可收看各种电视节目。ETSI制定的这一系列标准既有对工作在不同频段地球站的规定，也有对不同类型地球站的规定；既有对地球站系统组成的规定，也有对地球站功能性能的规定；既有对地球站总体的规定，也有对天线、低噪放模块等关键设备的规定；既有对地球站技术要求的规定，也有对地球站测试方法的规定；既有对关键技术的要求，也有对实施指南的建议。

（2） 交互通信

交互通信是在广播通信的基础上在地面用户与卫星之间增加了一条回传链路，交互通信的出现极大地扩展了卫星通信应用的范围。为适应时代发展的需要，ETSI在DVB-S的基础上制定了用于指导卫星交互通信系统设计的DVB-RCS（数字电视广播－通过卫星返回通道）系列标准，其核心标准为EN 301 790《DVB;卫星分配系统的交互信道》，它规定了交互通信系统的协议栈模型、系统模型、工作原理以及对通信链路的具体要求。随着DVB-S2的推出，DVB-RCS也发布了支持DVB-S2的DVB-RCS2，对应的标准为TS 101 545《DVB;第二代数字电视广播卫星交互系统》。TS 101 545分为三部分，分别为《第一部分：概述及系统级规范》、《第二部分：低层协议》、《第三部分：高层协议》。这三部分不仅规定了DVB-RCS2在编码型式、纠错方式、调制技术等方面与DVB-S2相对应的改进，还针对交互通信系统中网络层的架构、功能、管理等方面进行了规定。除了EN 301 790和TS 101 545这样的顶层标准外，ETSI还制定了指导EN 301 790具体实施的细化标准。对于基于DVBRCS的DSNG（数字卫星新闻采集），ETSI标准也对其物理层协议进行了规定。

随着互联网的发展，卫星交互通信也朝着宽带通信的方向发展。TIA首先制定了TIA-1008《卫星的IP协议》，该标准提出了基于IP协议的卫星宽带通信系统的概念，并对系统的架构和物理层、数据链路层协议进行了规定。ETSI也将TIA-1008纳入了其标准体系，并对卫星宽带通信涉及的SI-SAP（卫星独立业务接入点）、MPLS（多协议标签交换）、QoS（服务质量）、组播等关键技术进行了规定。TIA和ETSI又在美国休斯公司开发的Ka频段卫星通信系统（SPACEWAY）的基础上联合制定了TIA-1040《基于星上再生处理的卫星网络系统的空中接口》系列标准（ETSI标准为TS 102 188《SES;基于星上再生处理的卫星网络系统的空中接口，物理层规范》和TS 102 189《SES;基于星上再生处理的卫星网络系统的空中接口，数据链路层规范》），该系列标准对RSM-A系统的系统组成、接口定义、工作原理、物理层协议、数据链路层协议等进行规定。此外ETSI还制定了TS 102 429《SES;宽带卫星多媒体，基于星上再生处理的卫星网络系统，星上处理的DVB-S、DVB-RCS族》系列标准，该系列标准所规定的RSM-B系统是在DVB-RCS的基础上提出的，目前该系列标准也在欧洲的宽带卫星通信系统的建设中得到了应用。

对于卫星交互通信系统，除了总体设计标准，ETSI也制定了一系列针对地面系统的标准，如EN 301 428《SES;甚小孔径终端，发送、接收及发送、接收地球站》和EN 301 427《SES;基于11/12/14GHz频段的低速率卫星移动地球站（机载移动地球站除外）》。根据应用场景的不同，地面系统可分为VSAT、移动地球站、DSNG等。VSAT主要用于宽带接入、政府和企业通信网。ETSI标准针对工作在不同频段的VSAT系统，对其功能、性能及测试方法进行了规定，同时还针对VSAT系统的监控、与ISDN等地面公用网络的接口进行了规定。移动地球站指搭载在飞机、舰船、车辆等移动载体上、随载体的移动而移动的地球站。对于每一种类型地球站，ETSI标准都根据其特点，对其性能要求和测试方法进行了规定。DSNG指用于现场直播的便捷式地球站，ETSI标准也对DSNG系统的性能要求和测试方法进行了规定。

2.基于MSS的应用标准

MSS主要用于移动地球站之间的通信，这对地球站的天线尺寸、发射机功率等方面都提出了更高的要求；同时MSS使用的频率主要集中在L频段和S频段，这使得基于MSS的通信系统可以提供的通信带宽非常有限。但L频段和S频段的电磁波的传输损耗较小，这也使得其更便于终端接收。目前MSS在移动通信、卫星移动电话、卫星移动电视等领域应用广泛。

（1） 移动地球站

对于基于MSS的卫星通信系统，按卫星运行轨道可分为GEO卫星通信系统（如INMARSAT、MSAT）和LEO卫星通信系统（如Irudium、Globalstar）。GEO系统技术成熟、成本相对较低；LEO系统则具有传输时延短、损耗小等特点，在终端的小型化、系统容量等方面具有天然优势。ESTI针对运行在不同轨道、工作在不同频段、搭载在不同载体上的移动地球站制定了一系列标准，如EN 300 721《SES;基于1GHz以下频段低轨卫星提供低速率服务的移动地球站》和EN 301 473《SES;基于3GHz以下频段航空移动卫星业务和卫星移动业务的机载地球站》。这些标准既有移动地球站的通用要求，也有对不同类型移动地球站的个性化要求。对于各类移动地球站，这些标准不仅对它们的EIRP、带外抑制等性能指标及其测试方法进行了规定，还对它们自身的监控功能和管理提出了要求。

（2） 卫星移动电话

ETSI于1993年在ETR 093《卫星个人通信网络，就卫星个人通信网络的某方面建立欧洲标准的可能，第一阶段：报告》中提出了建立卫星个人通信网络、利用卫星移动电话实现全球通信的概念。随后又在ETR 177《卫星地球站及系统，就卫星个人通信网络的某方面建立欧洲标准的可能，第二阶段：标准化对象及选项》中对S-PCN系统的标准化对象进行了详细阐述。在此基础上，ETSI制定了完善的基于GEO卫星的GMR系列标准。GMR标准分为GMR-1（TS 101 376《地球同步轨道卫星无线接口规范》系列标准）和GMR-2（TS 101 377《地球同步轨道卫星无线接口规范》系列标准），TS 101 376和TS 101 377都分为通用技术规范、服务规范、网络规范、射频接口协议规范、物理层规范、语音编码规范6个部分，从不同技术层面对GMR系统进行了规定。GMR-1和GMR-2在用户链路及馈线链路频段、双工方式、多址方式等方面相同，但在载波间隔、信息速率、调制方式等方面存在差异。随着地面移动通信系统由2G向2.5G再向3G的发展，GMR-1也随之发布了对应的标准：GMR-1 Release l、GMR-1 Release 2（GMPRS）、GMR-1 Release 3（GMR-1 3G），而GMR-2并没有进行更新，仍然是基于GSM。目前GMR-1和GMR-2都得到广泛的商业应用，Thuraya、TerreStar、SkyTerra等卫星通信系统都采用了GMR-1，而INMARSAT、ACeS等卫星通信系统则采用了GMR-2。

UMTS（通用移动通信系统）是在GSM基础上发展而来的3G标准，其中与卫星通信相关的部分是S-UMTS（Satellite component of UMTS）。如果说GMR是对整个卫星移动电话系统进行了规定，S-UMTS则是针对星地接口和地面段对GMR进行了补充。相比于GMR仅针对GEO卫星，S-UMTS涵盖了GEO、MEO、LEO三种轨道的卫星。对于S-UMTS，ETSI制定了TS 101 851《SES;UMTS/IMT2000的卫星部分》和TS 102 442《SES;UMTS/IMT2000的卫星部分；多媒体广播和组播业务》两大系列标准，其中TS 101 851分为物理信道、信道复用与信道编码、扩频与调制、物理层流程、用户终端的射频传输与接收、地球站与卫星间的射频传输与接收6个部分，各部分对相关技术进行了规定。TS 102 442则从系统架构、性能、接口、安全性等方面对S-UMTS开展组播业务进行了规定。

（3） 卫星移动电视

卫星移动电视是近年来兴起的新兴应用，卫星移动电视主要在手机、PDA等手持终端上播放，相比于传统的卫星电视，卫星移动电视播放器的屏幕尺寸较小，对图像质量要求较低，因此对通信带宽的要求也较低。鉴于此，ETSI在DVB-S的基础上制定了专门针对卫星移动电视的DVB-SH（Digtal Video Broadcast-Satellite Service to Handle Devices）系列标准，其核心标准为EN 302 583《DVB;基于3GHz以下频段为手持设备提供卫星服务的帧结构、信道编码及调制》。DVB-SH使用3GHz以下的UHF、L及S频段为用户提供广播服务，为保证服务质量，DVBSH还要求在卫星信号被遮挡的区域通过地面网络对卫星信号进行放大以满足用户的需求。目前美国全球通信公司的ICO G1卫星和欧洲通信卫星公司的Eutelsat W2A卫星都采用了DVB-SH标准。

除了DVB-SH，ETSI还制定了另一类卫星移动电视标准SDR（卫星数字无线电通信），其核心标准为EN 302 550《SES;星数字无线电通信系统》系列标准。与DVB-SH一样，SDR也为终端用户提供广播服务，也需要地面网络进行辅助，但在工作频段、调制方式、编码形式等方面与DVB-SH存在一定的差异。目前美国WorldSpace公司的Afristar和Asiastar两颗卫星的通信体制都采用了SDR标准。

ETSI还在DVB-SH的基础上制定了适用于交互通信的S-MIM（S频段移动交互多媒体）系列标准，其核心标准为TS 102 721《SES;卫星地球站及系统，S频段移动交互多媒体的空中接口》系列。S-MIM是对DVB-SH的扩展，其下行链路沿用了DVB-SH的相关规定，增加回传链路后使得S-MIM系统能同时支持同步传输和异步传输，同时S-MIM还增加了与地面IP网络的接口，使得其应用更为广泛。目前ESA依托Eutelsat W2A卫星建立了基于S-MIM标准的“DENISE”系统。

3.通用标准

对于BSS、FSS、MSS的共性内容，ETSI也制定一系列标准对其进行规范，如TR 103 124《SES;卫星地球站及系统，卫星与地面网络融合》、TR 103 166《SES;卫星地球站及系统，卫星应急通信，基于卫星的应急通信单元》等。这些标准不仅对卫星与地面网的融合进行了规定，也对系统测量进行了规定；不仅对交互通信中回传链路的数据封装进行了规定，也对卫星通信在应急通信中应用进行了规定；不仅对地球站中的相关设备进行了规定，也对地球站的电磁兼容性进行了规定。这些标准都对指导卫星通信系统的设计起到了重要的作用。

三、国外卫星通信应用标准体系框架构建

通过上面对国外卫星通信应用标准的分析，可整理归纳出国外卫星通信应用标准体系框架，如图1所示。该标准体系比较完善，涵盖了目前卫星通信应用涉及的方方面面，同时该体系中的标准已经在世界各国的卫星通信系统中得到了实际应用和验证，对指导卫星通信应用具有较大意义。

图1 国外卫星通信应用标准体系框架

四、结束语

欧美的卫星通信应用发展得已经很成熟，在BSS、FSS、MSS三个业务领域都成功开展了商业应用。国外不仅有洛马、劳拉这样技术先进的卫星制造商，还有INMARSAT、全球星这样经验丰富的服务运营商。同时欧美还把在卫星通信应用领域的工程经验制定为标准，引导全球卫星通信应用产业的发展，ESTI和TIA制定的相关标准已经在全球范围得到了推广。目前我国的卫星通信应用主要集中C频段和Ku频段，即BSS和FSS。随着中国通信卫星事业的发展，卫星通信应用必将向L、S、Ka等频段延伸。ETSI和TIA的相关标准凝聚欧美在卫星通信应用领域的研究成果，对于我国开展卫星通信应用活动具有重要的借鉴意义。