移動互聯網業務寬帶衛星支撐網絡的規劃和設計

+ 郭延海 （渤海石油通訊有限公司）

李慶安 （休斯網絡技術（北京）有限公司）

1. 移動互聯網業務的爆發和寬帶衛星網絡的作用

現在，人們的生活已越來越不能缺少移動互聯網服務，無論是在家、辦公室、咖啡廳還是在公交車、火車上，隨時隨地都能看到拿著智能手機、平板電腦輕輕滑動屏幕的人們，他們或在使用聊天工具，或在通過移動互聯網瀏覽信息、閱覽圖書、玩游戲、觀看電視劇或電影等。

為了在移動互聯網的發展進程中爭奪主導地位，電信運營商、互聯網企業、智能終端廠商以及其他產業鏈環節參與者試圖在移動互聯網話語權的激烈爭奪戰中爭得先機，各自的移動互聯網戰略部署紛至沓來。

豐富的互聯網應用業務與寬帶通信網的結合，逐漸打破了傳統電信運營商對電信業務層面的壟斷，并快速推動電信業務從“技術驅動”向“市場驅動”和“用戶需求驅動”演變。隨著移動網絡上的數據業務流量呈爆炸式增長，數據海嘯正在以難以想象的速度襲來。手機終端支持的各種即時音頻、數據、視頻各種豐富多彩的應用對移動電信網絡的傳輸帶寬需求呈現出倍增。以現在中國聯通集團的移動網絡為例，2G的GSM基站到基站控制器間中繼電路的傳輸速率一般為2Mbits, WCDMA基站到基站控制器中級電路的傳輸速率現在為10~20Mbits，即使這樣，在酒店、商場、咖啡店等用戶密集的地方，3G網絡還是滿足不了各種即時音頻、數據、視頻的匯聚性應用。對于電信運營商而言，全國數以十萬計的3G網絡基站，大量地增加了基于地面有線手段的傳輸帶寬，在運營成本、工程實施難度、網絡靈活性上，均是不可承受之重。一定意義上講，3G網絡的組網方式和靈活性、傳輸速率和地域滲透能力已經跟不上移動互聯網、物聯網、云計算業務迅速發展的步伐。因此，電信運營商在期待政府部門對4G網絡能夠盡快開放的同時，重提曾經百般抵制的WLAN無線網絡建設，以彌補地面ADSL網絡、2G/3G移動網絡的空白點和短板，提高移動互聯網絡用戶的體驗。中國移動計劃到2015年在全國范圍內部署800萬個WLAN熱點；中國電信則計劃2012年底將現在的30萬個WLAN增加到100萬個；中國聯通計劃2012年底覆蓋至少4萬個單體樓宇。

在無線局域網發展戰略上，國內三大電信運營商仍然關注的是城市網絡的建設，而且互聯網接入仍然主要依托地面有線技術，這使得“無縫覆蓋”實際依然停留在“點”上，而非“面”上。基于有線中繼接入的無線網絡同樣面臨著工程實施難度大，需要的寬帶地面骨干傳輸帶寬引起的成本較大和靈活性不夠的問題。在廣大的三四線城市和偏遠農村地區，為鋪設WLAN和將來的無線LTE網絡建設寬帶“平面”的地面中繼網絡，對任何一個電信運營商來說，均要認真考慮其投入回報問題。

互聯網內容提供商、接入服務商對電信運營商有很強的依賴性，特別是在傳輸層面，這無形中增大了互聯網服務商的成本，也制約了互聯網的發展?；ヂ摼W服務商期望的任何人可以隨時隨地享受寬帶接入的理想，依靠電信運營商的網絡支撐，是難以實現的。那么，有沒有一種技術或是手段可以讓互聯網服務商從終端到傳輸完全自我或部分自我主導呢？可以讓互聯網應用商進行虛擬網絡運營呢？有，這就是寬帶衛星通信技術。

經過近50年的發展，衛星通信早已從政府、部隊、電信運營商、大企業級應用進入到家庭乃至個人應用；通信功能也從提供窄帶數據/話音到高達上百Mbit的IP寬帶信道；衛星通信已脫掉了華麗奢侈的外衣，進入消費市場。除了地面網絡無法替代的作用外，在互聯網接入應用上，也在持續地發揮積極的作用。上個世紀90年代，在國內互聯網發展的初期階段，基于衛星的寬帶互聯網接入系統DirecPC的應用曾發揮積極作用；IPSTAR寬帶衛星在2006年進入中國，其中國波束十幾Gbits的總速率使很多偏遠地區享受到了高速上網服務。在地面網絡高度發達的北美、歐洲、中東和非洲地區，WILDBLUE、Spaceway3衛星、以及總帶寬均高達100G以上的ViaSat-1、Jupiter、Ka-Sat 1等新一代Ka波段寬帶衛星網絡將在固定和移動互聯網接入市場占據越來越重要的位置。因此，只要策劃得當,運用合理寬帶衛星通信網絡，就可以為移動互聯網服務商打造一片全新的天地。

2. 支持移動互聯網業務的寬帶衛星通信網絡總體架構

衛星通信具有組網靈活、建站快捷、大覆蓋、距離與成本無關、點對面的廣播和非對稱傳輸的獨特優勢，是解決3G/4G無線網絡、WLAN無線網絡的地面中繼網絡建設周期長、成本高、受環境地理條件限制等諸多問題的實用、經濟、有效的技術手段。在我國，如將高性能的寬帶VSAT系統、用戶本地Cache及Web廣播和代理技術、衛星CDN技術與高性能、低使用成本的寬帶衛星空間段如IPSTAR衛星、將來的下一代Ka波段寬帶同步地球衛星等最新衛星通信技術相結合，可大幅減少每用戶占用衛星轉發器的帶寬要求，大幅降低衛星網絡的運營成本，提高寬帶衛星基礎網絡的經濟性。同時在每衛星寬帶接入終端無縫配合先進的中大功率WiFi接入設備或者小型化3G/4G基站，覆蓋相當范圍的熱點區域，支持區域內的各種移動互聯網終端，成為滿足各種移動互聯網應用、低成本、全國統一部署、可管理的高性能移動互聯網接入網絡。

建設和運營新一代的寬帶衛星通信與WiFi/3G/4G技術無縫結合的基礎網絡具有以下意義：

為廣大互聯網應用提供商提供一個快速、有效、可靠、直接面向用戶的網絡途徑。

不同層面、不同覆蓋的衛星寬帶網與電信運營商現有的地面電信網絡元素互為補充。

構成全國性的可靠、快速部署的天地一體的“移動互聯網、物聯網” IaaS云網絡支撐平臺。

借助寬帶衛星網、電信運營商和互聯網應用商可以方便地將全方位的移動互聯網業務滲透到廣袤的鄉鎮和農村，具有長遠的經濟效益和社會效益。

其總體架構要求應該為：

以電信運營商的地面骨干傳輸網絡為支撐和核心網，信息的獲取、業務的交換、地址資源的分配、服務與資費的管理等均由電信運營商或者由架構其上的虛擬移動互聯網絡運營商統一進行。

寬帶衛星網以接入網地位接入電信大網，根據業務的不同，接入到電信軟交換網對應的網關設備。

衛星寬帶網基于VSAT技術和系統架構，在技術體制、系統組成、網絡管理、服務保證等方面自成網絡業務體系。

寬帶衛星關口站是衛星網與電信大網之間的總接入點和分界點。

衛星遠端站是寬帶衛星網的邊緣，WiFi設備或者3G/4G小型基站是整個移動互聯網接入網絡的邊緣。

整個網絡的拓撲結構如圖所示：

移動互聯網寬帶衛星支撐平臺示意圖

衛星寬帶支撐網絡主要完成以下基本功能：

覆蓋地區的移動互聯網接入服務；

互聯網信息和視頻的CDN傳輸和推送。

3. 本地代理技術和衛星CDN技術

如前所述，衛星信道廣播和不對稱傳輸的獨特優勢與本地代理、Web廣播和Cache技術相結合，可有效節約寶貴的衛星轉發器帶寬。為此，在衛星遠端站端集成一個用于本地代理/媒體，集存儲、訪問為一體的硬盤，使大部分的信息下載、視頻瀏覽、Internet訪問由該服務器提供，提高衛星帶寬利用率和本地移動互聯網用戶的訪問速度。其基本原理如下圖所示：

本地代理技術原理示意圖

本地代理硬盤服務器的基本機理和功能為：

根據特定互聯網服務提供商的要求，將互聯網普遍和常用信息以及視頻內容存儲于該服務器，熱點區域的移動互聯網用戶瀏覽這些信息基本在本地完成下載；

衛星信道不斷將更新的WEB信息和視頻內容推送到該服務器；

Web廣播、網址、內容濾除和Cache相結合，將主要門戶網站、主要網站的Web地址超級文本文件（HTML）傳輸到該服務器，使得用戶從本地服務器中可以瀏覽所需；如在本地服務器訪問不到，再通過該衛星網進入Internet公網。

這樣一來，一方面大大縮短響應時間，提高瀏覽性能和信道效率，有效節省了帶寬資源。另一方面也使借助這一平臺的特定互聯網服務提供商為更多移動互聯網用戶提供更好的使用體驗。

衛星CDN技術，國內外均有數個公司已經有多年的開發、運行經驗，其具體技術性能要求如下：

具備先進的數字文件體系

采用數字媒體文件傳輸，即IP over DVB，IP廣播的傳輸層采用UDP，在IP層和物理層之間的數據鏈路層協議是DVB/MPEG-2。

衛星廣播系統在體系結構上形成衛星信道、DVB/MPEG-2、UDP/IP、應用層四個層次。

安全的節目源保護

衛星數據傳輸系統，采用信號和硬件加密，結合播發授權等手段，有效防止盜版和非法接收，保護視頻節目公司的權益。

高可靠性回饋設計

考慮到衛星鏈路傳輸的特性，要采用鏈路異步回傳校驗技術。能夠有效抵抗日凌雨衰干擾，確保全網接收的高正確率。

便捷易用特性

實現全自動化視頻和W E B內容加工流程，內容加密、授權管理EPG自動生成和自動完成節目內容長度計算。完全實現自動發送，隊列處理。

4. 衛星寬帶支撐網的設計

4.1 衛星資源選擇

移動互聯網應用，對上行和下行的衛星中繼電路的帶寬要求很高，即使考慮衛星CDN技術和本地代理硬盤服務器技術的運用，遠端終端的上行速率也應在2~20Mbits之間；無論對衛星資源的帶寬還是成本要求，均不是現在傳統C/Ku波段衛星所能夠支撐的。

因此，實施移動互聯衛星寬帶網絡的建設，必須有新一代的寬帶衛星資源為保證。就現在國內的衛星轉發器市場供應情況來看，只有IPSTAR寬帶衛星的中國波束是可用資源，因為它目前擁有大量的空閑帶寬資源，可以為全國性或者地區性的大規模寬帶移動互聯業務為支撐平臺提供必要的轉發器資源，但真正能夠支撐移動互聯網應用的寬帶衛星資源，只能期待今后幾年中國上空出現總容量為上百Gbits的寬帶Ka衛星。

IPSTAR 寬帶衛星于 2005年8月11日發射，是區域性的寬帶衛星系統，Ku波束（84個點波束，3個成型波束和7個區域廣播波束）和Ka波束（18個饋電波束和關口站）覆蓋亞太地區的22個國家和地區。

在中國境內IPSTAR有三個關口站（北京、上海、廣州），有22個標準點波束和2 個增強點波束、一個成型波束用于雙向通信、一個寬波束用于單向廣播。點波束在中國區主要覆蓋東部沿海地區主要城市人口密度稠密的地區；點波束是類似蜂窩的高功率波束，直徑400公里。成形波束主要用于中國大陸西部沙漠地區人口密度稀少的地區。補充波束也是點波束，覆蓋地區與點波束相同，作為東部沿海地區帶寬需求的補充。

IPSTAR 衛星采用了 Ka+Ku 復合傳輸技術及頻率多重覆用技術,衛星的轉發器成本低于傳統衛星成本。但IPSTAR衛星現在的地面通信系統，無論是關口站系統，還是小站終端，均無法滿足現在固定和移動互聯網應用的高信息速率、大流量、多線程應用、QoS的網絡支撐要求，需要進行徹底地升級改造。

IPSTAR衛星地面通信系統改造思路是：根據IPSTAR衛星系統的特點，在北京、上海、廣州現有關口站內重新建設衛星寬帶主站，北京關口站管理東北、華北地區，共10個點波束；上海關口站管理華中、華東、華東南以及北方和西北地區，其中5個點波束負責接入華中、華東、華東南地區，1個成型波束負責接入北方和西北地區；廣州關口站管理華南、西南地區，共9個點波束（其中1個為補充點波束）。三個關口站分別通過光纜鏈路與電信運營商的骨干網絡相聯，組成一個 全國性的空中寬帶IP網絡。

各遠端站利用小口徑天線（使用IPSTAR衛星時，典型的天線口徑為0.84米或更?。┻M行與衛星之間的信號傳輸，信號傳輸通過室外單元（ODU）來實現。室外單元（ODU）由用于發送的射頻放大器（BUC）和用于接收的射頻接收器（LNB）組成。

4.2 改造后衛星關口站的基本技術性能：

—— 基于IP的雙向、星狀、寬帶VSAT系統；

—— 采用DVB-S2/MF-TDMA技術體制，以及IPoS標準，兼容單向廣播；

本地代理技術原理示意圖

—— 關口站設備支持Ka波段衛星饋電網絡；—— 支持北京、上海、廣州關口站口徑為9米的Ka波段天線及RF單元；

—— 點波束或者成型波束的每一出境載波采用DVB-S2/ACM，支持16PSK/8PSK/QPSK調制方式,信息速率最高可達120Mbps以上；

—— 支持遠端站最大回傳速率達10.0Msps，采用 MF-TDMA傳輸體制。

4.3 新衛星遠端站的基本配置和性能：

天線口徑0.75~1.2米；

ODU，Ku波段1W、2W；

IDU， 支持最大DVB-S2出境速率40Msps；

最大MF-TDMA回傳速率，10Msps；

ODU 與IDU連接：950~1525MHz L波段；

網絡接口：RJ45 ,10/100Base局域網；

支持網絡協議：TCP/IP、 UDP/IP、IGMP、RIP 1&2、 IPoS 。

4.4 本地WLAN接入方式

在VSAT遠端站采用WLAN方式向政府、企業、家庭、個人移動互聯網用戶進一步延伸。為此，結合無線技術的發展，以建網速度快、可靠性高、一次性投入少、運營成本低，和衛星網絡無縫連接的無線寬帶接入技術為重點考慮的接入手段。

WLAN無線寬帶接入系統的技術要求如下：

基于IEEE802.11標準；

工作頻率范圍：2400～2483 MHz；

單基站業務容量：支持60個并發上網用戶；

WLAN數據速率為11Mbps/56Mbps，完全滿足局域網的業務環境；

通信范圍不受環境條件的限制，開闊地區達半徑2公里的覆蓋范圍；

建網容易，管理方便，維護容易；

WLAN具有多種配置方式，使用靈活，易于擴展；

WLAN的信道誤比特率低于10–8，鏈路可靠性高。

4.5 遠端站終端設計

室內單元: 為集VSAT IDU、WLAN AG、局域網交換機、代理硬盤服務器（SERVER）、UPS電源等的一體化機箱。機箱考外形如下所示：

室外單元部分：由0.75~1.2米Ku衛星天線及ODU，WLAN天線及射頻單元，中頻饋線以及安裝上述設備的一個標準鋼制掛桿支架組成。

衛星天線及ODU單元如下圖所示：

4.6 新一代超小型一體化衛星/WLAN終端

新一代小型一體化衛星/WLAN終端示意圖

上述傳統的衛星小站形態,已經考慮IPSTAR寬帶衛星以及將來的Ka波段寬帶衛星的高功率、高靈敏度性能的特點，可將傳統VSAT衛星小站的天線由1.2米降到0.84、0.75甚至0.65米。但是，由于衛星天線、射頻單元、室內設備還是分體式形態，存在非標準安裝調試、安裝維護工程量大、故障率高、整體造價高等諸多缺點。

在城市中心區域，安裝這種傳統形態的VSAT/WLAN終端，可供選擇的場地受限、施工難度高，工程費用高；在非城市中心區域，場地選擇矛盾雖不突出，但由于分體式的終端形態，天線、電纜等容易受人為因素損壞而造成終端的軟故障和硬故障提高，造成全網可用度下降。現在傳統形態的VSAT小站，其相對龐雜的形態、不友好的工程人機界面，是限制衛星業務大規模應用的關鍵問題之一。

最近幾年技術日益成熟的Ku波段、Ka波段陣列平板衛星通信天線，已經成功解決了原來認為相位合成陣列平板天線面積(增益)受限、無法大規模生產的難題，因此，將平板天線技術引入衛星日常通信業務中來，研發集成集平板天線、衛星射頻單元、衛星調制解調器、WiFi AP+硬盤服務器(可選)為一體化的小形野外支架懸掛性衛星通信終端， 將成功改變幾十年來拋物面天線加室內單元的分體衛星終端的形態，為寬帶衛星通信的應用場景帶來很大的變化。

目前，在地面網絡傳輸技術、互聯網應用發展的帶動和壓迫下，全球衛星行業進入了一個新的發展階段，大家開始在傳統的C、Ku波段以外的低頻段如L/S波段和高頻段如Ka波段衛星上尋求新的市場空間，實現與地面電信網絡和互聯網應用的同步發展和融合。新技術、新市場的出現，給傳統衛星運營商之外的新型衛星運營企業創造了藍海市場和顛覆傳統衛星市場價值鏈的良好機會；在國內衛星產業鏈不完善、行業發展處于低谷時，衛星市場的拓展仍然有著巨大的潛在機遇。只要采用分步實施、移動互聯網應用與多業務融合為導向、以資源整合為上的策略去建設和運營移動互聯網寬帶衛星支撐網絡，就可以取得事半功倍的良好效果；相信移動互聯萬網的持續發展將成為我國下一代Ka寬帶衛星業務和整個衛星應用行業持久發展和增長的關鍵動力之一。