iDirect与“动中通”

iDirect与“动中通”（COTM，CommunicationsOnTheMove）“动中通”系统在卫星通信领域的应用越来越广泛，无论是在商用还是军用领域，在移动载体上实现卫星宽带通信的需求愈加受到重视。IP已经无可争议地成为新型VSAT话音/数据卫星应用的主流协议。但无论是在海上、陆上、还是空中，“动中通”应用都有若干关键技术问题需要解决。对于大的企业或电信运营商来说，一个网络可以有基于不同应用和体制的终端，VSAT网络最好能够支持星状、网状及SCPC等多种体制，才能适应市场发展的需要。传统VSAT网络只是基于局部区域的，只是利用一颗卫星，以单波束形式对地面进行覆盖。未来的“动中通”系统要能够在全球范围内进行“漫游”，能在不同卫星、不同波束、不同网络之间进行无缝切换。而且随着“动中通”应用的越来越广泛，“动中通”系统对相邻卫星的干扰、波束切换及安全性等问题迫切需要解决。iDirectTechnologies公司作为国际知名的卫星设备制造商，2006年11月被《华盛顿周刊》评为2003-2005年华盛顿地区成长最快的公司，该公司在过去的两年中年收入额增长率达113.8%，其为实现全球“动中通”系统提供了一整套的解决方案。1.采用扩频技术克服对邻星的干扰天线小型化是实现“动中通”的必要条件。为了满足市场的需求，天线制造商都力求缩小其天线的口径和体积，然而小口径天线不可避免使天线增益等特性受到影响。高速数据传输的要求客观上造成传输功率及带宽的增加。强大的纠错编码技术（如LDPC码或并行级联卷积码）虽然可以有效降低解调门限，但不能从根本上解决链路余量不足的问题。最终还是要通过提高发射增益来进行链路的补偿。为了提高发射增益，除了加大功放功率，还可以提高天线本身的特性，如增加波束增益及旁瓣特性的方法来实现。一般来说，天线口径越大，越有利于波束的集中。对于主站天线来讲，可以相对容易做到这点，只是对其天线的跟踪系统提出较高的要求。但对于“动中通”天线来说，其天线口径通常小于1米，因此波束比较发散。点波束的应用使得相邻卫星（在保持相互之间距离2度的情况下）有可能进行频率的复用和极化方式的复用，这样不可避免地带来了邻星干扰问题。邻星之间的干扰量由ITU（国际电联组织）、FCC、以及卫星运营商之间来进行协调，干扰程度是由功率谱密度（dBW/Hz）来进行描述。根据规定，卫星终端到邻星的发射功率谱密度不得超过规定的ΦdBW/Hz。如何使移动终端在实现宽带通信的同时又对邻星的干扰最小？采用扩频通信是解决该问题的根本办法。简单来讲，假设带宽为ψMHZ的信号，功率谱密度为ΦdBW/Hz。当扩频因子为Z时，理想情况下，则带宽展宽为（ψ×Z），功率谱密度为（Φ/Z）dBW/Hz。扩频因子可以有效地减小卫星终端对邻星造成的干扰。但代价是需要增加应用所需的卫星带宽。CDMA（码分多址）是当前比较流行的扩频应用技术，通常被利用在地面移动通信网中。CDMA话音呼叫的带宽通过一个大扩频因子和独特码进行扩展。手机中的解调器可以从其它众多呼叫中识别出这个独特码，并进行正确的信号解调。但是CDMA技术不不适合于卫星通信，不能根本解决邻星干扰和频谱密度问题。因为如果一个小站对邻星造成的干扰是ΦdBW/Hz，若网络中有N个小站同时进行通信，那么，造成对邻星的干扰就是（Φ×N）dBW/Hz。这个干扰量随着卫星小站数的增多干扰会急剧增大。解决办法是进一步扩大卫星带宽（租更多的带宽），或限制网络中小站的个数。但显然这些都不是好办法。iDirect将扩频通信技术与TDMA体制相结合，信息在调制之前通过伪随机数进行直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS)，变成高速的比特流（频谱得到了扩展）。各卫星小站以TDMA方式进行接入，在同一时刻只有一个小站进行数据的发送，所以用户可以灵活调整扩频因子，以达到整个系统资源的最有效利用。目前iDirect系统允许扩频因子在2倍-16倍范围内动态调整，支持用户以最少的带宽来实现“动中通”。该项技术于2006年8月在“美国空军通信与电子协会(AFCEA)”举办的“LandWarNet”年会上正式发布。2.实现波束间及主站间的无缝切换快速移动的“动中通”终端（如飞机、轮船），有可能会从一个卫星波束进入另一个波束，或从一个主站进入另一个主站。这种移动性对IP网络架构和网络管理系统提出了很大的挑战。在传统卫星“动中通”应用网络中，卫星终端一般都是位于一个卫星的单波束覆盖范围内。如果它要进入其它波束或网络，需要重新对它重新进行参数的设置。但未来卫星终端从一个波束进入另一个波束，从一个主站覆盖范围进行另一个主站覆盖范围的应用会越快越多。为了满足卫星终端全球移动的需要，结合已有的动态IP路由协议（如OSPF、RIPV2、BGP），iDirect开发了全球网管系统（GlobalNMS），在全球若干网络中共同保存一个卫星终端的相关参数。iDirect卫星终端在运动过程中，能够在不同的波束内使用不同的配置（如不同的Qos机制设置），而其IP地址保持不变，。实现卫星终端在波束间切换，还要让卫星终端知道何时进行切换，切换至哪一个波束，并且在切换过程中卫星小站要与“动中通”天线很好的配合。为了能够选择合适的波束切换时间点，及选择正确的波束，iDirect开发了EIRP地图服务器（EIRPmapserver)，EIRP地图服务器中保存了常用卫星的EIRP地图。小站通过GPS得到自己所处位置的经/纬度信息，经与主站的EIRP地图服务器沟通，可以知道何时该进行波束切换，及切换的时间点。目前这个功能该系统已与SeaTel、Orbital、Schlumberger等国际知名天线生产厂家进行过联调，iDirect小站能自动指挥天线重新对星，无需人工干预。3.完善的安全机制对于处于移动状态的卫星终端来讲，通信安全是一个很大的问题，对卫星链路进行加密显得非常重要。服务提供商要求提供诸如256比特AES加密，政府用户则要求提供由美国国家标准与技术研究所（NIST）和加拿大通信安全组织合作开发的联邦信息处理标准(FIPS)140-2。FIPS140-2定义了在美国和加拿大生产的商用加密产品的安全要求。除了支持以上的AES和FIPS140-2标准，为了更高的安全性要求，iDirect还在其TDMA系统中实现了传输安全协议(TRANSEC，TransmissionSecurityCompliance)。TRANSEC技术可以将终端传输的任何业务，及有关卫星终端活动状态的信息（不法分子可利用这些信息来推测一些有用信息）进行“扰乱”，以免被不法分子进行截获和破解。对于某些商业应用，可能不需要如此高水平的加密技术，但它会为商用网络的安全性和保密性带来可靠的保障，而且网络的动态性和移动性越强，就越容易被一些未授权的远端站侵入。TRANSEC使得不法分子与加密后的业务彻底隔离，未经授权的用户甚至不能觉察到网内业务随时间业务量大小的变化。传统的VSAT网络依靠给终端分配唯一的类似MAC地址的硬件地址实现对其的识别，然而理论上仍然可以通过修改硬件地址来进行入网。在TRANSEC组件中包含X.509认证，该认证目前在商用和军用领域中都有着广泛的应用，可以有效防止这种情况的发生。目前，VSAT网络越来越倾向于异构化，将来的宽带卫星通信网将是多应用、多体制、多种类型终端的大融合（如图1所示），其中既有移动终端又有固定终端，既有网状连接，也有星状连接；既有TDMA体制电路，又有SCPC点到点电路；同时还可以兼容不同的调制和编码方式。并且系统平台还应有良好的可扩展性、可升级性，系统运营商可以通过软件升级来实现一些新的技术和应用，避免系统升级所带来的巨大开销。iDirect的INFINITY主站系列及全球网管系统（GlobalNMS）完全满足了所有这些发展需求，其中5IF主站可以同时支持星状、星/网混合、SCPC点对点等多种组网方式；一个主站可以支持多星/多频段工作，并可同时兼容8PSK、QPSK、BPSK等多种调制方式，同时将直接序列扩频(DSSS)技术与强大的TPC前向纠错编码技术相结合。这样一个iDirect的主站、一个全球网管可以支持多个异构的网络，并且允许一个终端在不同的网络内“漫游”。根据需求和预算灵活选择通过TRANSEC或简单加密实现网络的安全性。“动中通”技术的进步，为卫星通信应用开拓了更广阔和市场和发展空间。然而带来机会的同时，也对卫星设备性能，操作提出了更高的要求。iDirectTechnologies公司所进行的技术改进值得我们借鉴。图1iDirect组网示意图