日本宽带多媒体卫星通信系统“ＷＩＮＤＳ”技术详解

·摘 要·

近年来随着Internet业务的迅猛发展，宽带多媒体卫星通信日益受到人们的重视，“WINDS”系统 (Wideband Internetworking Engineering Test and Demonstration Satellite)是日本新一代宽带多媒体通信卫星系统，现在试验性运行。该通信系统采用了三种系统交换工作模式，本文对该系统使用的卫星、通信载荷、系统工作模式以及帧结构做了详细介绍。

系统概述及用途

21世纪初，日本政府制定了名为“e-Japan Strategy”信息化发展战略， “WINDS”项目是“e-Japan Strategy”中的一部分，旨在解决基于卫星高速数据传输中的关键技术，该系统是由日本宇航局（Japan Aerospace Exploration Agency JAXA）和国家信息及通信技术研究所（National Institute of Information and Communication NICT）共同开发。该卫星是世界上第一颗实现星上ATM交换的宽带卫星，第一次实现了卫星吉比特通信，第一次采用了收发Ka频段的相控阵天线，独具特色的综合采用了弯管式、再生式、混合式三种工作模式，各项技术都堪称卫星通信技术的里程碑。

在该通信系统中，普通用户通过口径为45cm的小型天线便可达到上行1.5/6Mbps、下行155Mbps的传输速率，企业用户通过口径5m的天线，可实现高达1.2Gbps的点对点传输，可广泛应用干线网、接入网、组播等多种网络模式。

空间段的组成及关键技术

1. 卫星星体

“WINDS”系统使用“KIZUNA”卫星，该卫星星体为三轴稳定的洛克希德-马丁标准星体如图1。表1显示了该通信系统中“KIZUNA”卫星星体的主要指标。

2. 通信有效载荷

“WINDS”系统的有效载荷由星上再生式交换子系统（ABS）、中频交换子系统、两种天线系统（APAA和MBA）以及多端口放大器（MPA）等组成如图2。其中，“WINDS”系统的星上再生式交换子系统由NICT负责研发，可与地面ATM交换系统兼容。

星上再生式交换子系统（ABS）可高速高效地在多个波束之间建立连接，有效地统计复用无线链路资源。该系统由三部分组成：数字信号处理解调器（DDEM）、模拟信号处理调制器（MOD）以及ATM基带交换系统（ATMS）

“WINDS”系统为星上再生式交换子系统（ABS）配备3个数字信号处理解调器（DDEM）、3个模拟信号处理调制器（MOD）以及2个ATM基带交换系统单元如图 3所示。

系统工作模式

“WINDS”系统中星上交换有三种工作模式：弯管式、再生式以及弯管再生混合式工作模式。星上交换框图如图4所示。

再生式工作模式有利于实现高速全双工通信，最大传输速率可达155Mbps；而弯管式工作模式的则可实现超高速全双工通信，最大传输速率可达1.2Gbps。

1. 弯管式工作模式（bent-pipe)

弯管式工作模式下，卫星对上行链路信号只进行变频放大，然后经过下行链路将信号送到地面站。

弯管式工作模式可分为两类：一种是连续载波处理工作模式，用于传统的通信卫星；一种是基于TDMA方式的工作模式，可以和再生式工作模式混合实现混合式交换，用于“WINDS”系统。

弯管式工作模式下有两种带通滤波器（如图4）：BPF-W和BPF-U。BPF-W用于单一的弯管式工作模式，1.2Gbps的超高速上行链路信号就是通过带通滤波器BPF-W送到接收端，经由下行链路进行传输；而混合式工作模式中的弯管式工作模式部分的上行链路信号则通过带通滤波器BPF-U。

2. 再生式工作模式(regenerative)

再生式工作模式下，卫星需要对上行链路信号进行再生式处理。上行信号从地面发送至卫星后，先通过数字信号解调器解调，然后由ATM交换机进行基带信号交换，采用模拟信号调制器对信号进行调制，最终经由下行链路将信号送到地面站。

再生式工作模式下，上行链路可承载速率为6Mbps、24Mbps、51Mbps的信号，通过频分复用还可将一条51Mbps的信道分为14条1.5Mbps的信道，用来进行低速率信号的传输（如图7）。再生式工作模式下，上行链路信道有9条可通过星上再生式交换子系统（ABS）合并成3条下行链路信道，每条下行链路最大可传输155Mbps的高速信号（如图 3）。

3. 混合式工作模式

混合式工作模式下，1个弯管式工作模式的622Mbps的QPSK信号以及6个再生式工作模式的51Mbps信号各占550MHz的带宽，组成混合信号在混合式工作模式下进行传输（如图5）。该信号在星上通过1：N的分路器和中频交换矩阵后，将混合信号中的再生工作模式下处理的信号分配给星上ATM交换子系统（ABS），而把弯管工作模式下的信号送到BPF-U带通滤波器（如图4）。

帧结构

1. “WINDS”系统帧结构

“WINDS”系统帧结构中，一个超帧由16个基本帧组成，一帧有20个时隙，时隙是TDMA模式下用户和卫星之间进行通信的最小单位，一个时隙时长为2ms。在“WINDS”系统中的三种工作模式下，图 8给出“WINDS”整个系统通用的TDMA帧结构。

2. 再生式工作模式的帧结构

再生式工作模式下，每帧的第一个时隙作为上行链路通信入网的信令时隙，用于用户接入“WINDS”通信网络；该时隙在下行链路通信中又可作为应答时隙（广播时隙）用于传输参考突发。参考突发包括TDMA同步信息、入网信息以及卫星状态信息。

（1）突发格式

图9给出的是单个时隙的突发格式。“WINDS”系统中，星上解调器可解调4种传输速率（1.5Mbps、6Mbps、24Mbps、51Mbps）的上行链路信号。

突发可分为参考突发和剩余时隙突发两种，其中剩余时隙突发又分为业务突发和信令突发等。各种突发的格式基本相同，区别就在于突发格式中独特字的不同。

3. 弯管式工作模式的帧结构

弯管式工作模式的TDMA帧结构和图 9所示的帧结构基本一样（如 图10）。每个时隙时长为2ms，20个时隙组成一帧，16帧组成一超帧（超帧时长640ms）。以帧为单位给每个用户分配时隙和频率，每帧的第一个时隙是应答时隙，应答网管中心（NMC）发出的用于同步的参考突发信号；第二个时隙是保护时隙，作为备用时隙用于未来的功能扩展，需要时可作为信令时隙使用；剩余的18个时隙是业务时隙用于两个用户终端之间的通信。

（1） 业务突发格式

弯管式工作模式下的突发分为参考突发和业务突发，参考突发与业务突发之间，业务突发自身之间都需要75ms甚至更长的保护时间。除此之外，对于业务突发格式没有其它限制要求，用户可以自行设置业务突发的调制方式、纠错方式和数据传输速率。

（2）参考突发格式

用户站接收到参考突发后，该突发携带同步信息用于同步卫星和地面网络通信。该突发采用的调制方式是QPSK，纠错码为RS（255，223）。表 2给出了参考突发参数，图11所示的是弯管式的参考突发格式。

参考突发大概可以分为两部分：比特定时恢复（BTR）和数据部分。BTR由循环的“00101101”序列组成；数据部分采用的是ATM信元结构。其中，一个码块包含了4个信元和11字节的填塞以及5字节头。表 3定义的是弯管式工作模式的参考突发中使用的独特字（UW）。

4. 混合式工作模式下的帧结构

混合式工作模式下，帧结构如图8。每帧的第一个时隙是再生式的应答时隙（下行）第二个时隙用于弯管式交换，第三个时隙用于弯管式交换的信令时隙，剩余的17个时隙是业务时隙。

结束语

WINDS系统是日本目前正在研制一种超高速率卫星通信系统，日本将通过该卫星开展了多项关键技术验证，如利用卫星通信特有的覆盖广、网络／电视同播能力、抗灾害干扰以及连接的灵活性等优势来完善现有的地面通信设施，并可通过卫星在日本与其它亚洲国家之间开展远程教学，使位于不同国家的老师和学生之间能够有更多的互动。■

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