4.1.5 多址技术卫星通信由于具有广播和大面积覆盖的特点因此特别适用于多个站之间的同时通信即多址通信多址通信是指卫星天线波束覆盖区内的任何地球站可以通过共同的卫星进行双边或多边通信联接通常称之为“多址联接”。实现多址联接的技术基础是信号分割也就是在发端要进行恰当的信号设计使系统中各地球站所发射的信号各有差别而各地球站接收端则具有信号识别的能力能从混合着的信号中选择出本站所需的信号。现用的多址联接方式有以下四种1频分多址方式FDMAFDMA的基本特征是把卫星转发器的可用射频频带分割成若干互不重叠的部分分配给各地球站所要发送的各载波使用。因此FDMA方式中各载波的射频频率不同。发送的时间虽然可以重合但各载波占用的频带是彼此严格分开的。这种多址方式对FDM/FM/FDMA方式较适合站少容量中、大的场合对TDM/PSK/FDMA方式较适合站少容量中等的场合对SCPC方式较适合站多容量小的场合。2时分多址方式TDMATDMA的基本特征是把卫星转发器的工作时间分割成周期性的互不重叠的时隙每个时隙也称为分帧一个周期则称为一帧分配给各站使用。这种方式适用于中、大容量的系统。3码分多址方式CDMACDMA的基本特征是各站所发的信号在结构上各不相同并且相互具有准正交性以区别地址而在频率时间空间上都可能重叠。这种方式特别适用于军事卫星通信系统及小容量的系统。4空分多址方式SDMASDMA的基本特征是卫星天线有多个窄波束又称点波束它们分别指向不同区域的地球站利用波束在空间指向的差异来区分不同地球站。星上装有转换开关设备某区域中某一站的上行信号经上行波束送到转发器由卫星上转换开关设备将其转换到另一通信区域的下行波束从而传送到此一区域的某站。一个通信区域内如果有几个地球站则它们之间的站址识别还要借助FDMA或TDMA方式。这种方式适用于大容量的系统。四种多址方式特点比较见表4-3。4.1.6 信道分配卫星通信是利用卫星来实现中继通信的因此如何充分利用卫星转发器的功率和频带是卫星通信的一个重要问题这个问题涉及卫星通道或带宽的分配方式通常称之为“分配制度”。以下以宽带卫星通信系统为例说明之。在宽带卫星通信系统中完成带宽分配的实体被称作带宽分配单元。为了适应多媒体业务的带宽需求宽带卫星通信系统中的带宽分配方式较灵活基本分配方式包括固定分配、按需分配、自由分配和随机分配等。具体如下固定分配在传统卫星通信系统中固定分配可以基于频率、时间或码字分别对应FDMA、TDMA和CDMA三种多址接入方式。其优点是能够很好地保证QoS缺点是容易造成带宽的浪费。按需分配指系统根据终端的带宽请求进行带宽分配其优点是能够获得较高的带宽利用率缺点是带宽请求与分配之间存在时延算法的实时性不高。按需分配可分为基于速率按需分配和基于容量按需分配两种。基于速率按需分配主要针对面向连接业务终端请求内容为传输速率可进一步分为基于固定速率按需分配和基于可变速率按需分配基于容量分配主要针对无连接业务请求内容为需要传输的分组数目可进一步分为基于相对容量分配和基于绝对容量分配。自由分配是系统处理空闲带宽资源的一种方式其优点是系统带宽资源得到更有效利用终端能够“提前”获得所需的带宽自由分配的原则可以是公平轮询也可以基于权重等。随机分配RA是指系统不进行带宽分配终端采用随机接入的方式典型的随机接入策略有随机ALOHA、时隙ALOHA、扩频ALOHA等。其优点在于接入时延短但如果出现碰撞则接入时延会变大而且会影响到信道吞吐量。随机分配适合于终端数多但都是少量零星业务的情况。上述信道分配方式分类见图4-6。4.1.7 宽带通信体制20世纪末以来各标准化组织加大了宽带卫星通信系统相关的标准化研究工作有关组织已提出了几种体制标准并已应用。现用宽带卫星通信体制主要有下述几种欧洲标准化组织ETSI的基于卫星信道回传的数字视频广播DVB-RCS标准美国电信工业协会TIA的IPoS标准美国有线电视实验室CableLabs的基于有线传输数据业务接口规范DOCSIS的DOCSIS-S标准欧洲标准化组织ETSI针对具有星上交换能力的卫星提出的再生卫星网状网RSM-A标准。表4-4给出了这四种宽带卫星通信体制的性能比较。根据分析和比较可知DVB-RCS标准的优点是标准化程度高技术基础好已广泛应用于宽带多媒体卫星通信系统。IPoS标准的优点是参照OSI模型进行设计与地面通信网的互操作性好。DOCSIS-S标准的优点是完全按照ACM技术来设计整个体制目前在用的超大容量Ka频段宽带卫星通信系统几乎都是基于该标准。RSM-A标准是针对具有星上处理能力的宽带卫星通信系统提出的最适用于具有星上处理能力的宽带卫星通信系统作参考。4.2 卫星通信网络4.2.1 卫星通信网络概述本节以宽带卫星通信网为例来阐述卫星通信网络一般情况。一个完整的宽带通信网络由终端用户、核心网、接入网和分发网四部分构成如图4-7所示。其中核心网也称骨干网由高速交换节点交换机或路由器组成负责大容量的高速连接和交换接入网位于网络边缘与用户终端系统进行交互为用户提供接入服务分发网介于核心网与接入网之间用于连接接入网和核心网并以广播或组播方式将Internet内容推送至边缘的ISP因特网服务提供商缓存服务器。图4-7 宽带通信网络结构宽带卫星通信系统是全球宽带通信网的一部分。由于该系统具有带宽资源丰富、广域覆盖和组网灵活等特点因此在核心网、分发网和接入网中都得到应用。它的典型应用如图4-8所示。从图4-8中可以看出利用该系统点到点的高速传输能力可为ISP提供干线节点的洲际连接利用系统点到多点的组播广播能力可实现Internet内容向边缘缓存服务器的高速推送利用系统多点到点的共享接入能力可使众多边远地区的用户利用卫星解决“最后一公里”的接入问题。表4-5表4-7给出了宽带多媒体卫星通信系统在不同网域中的具体应用模式。4.2.2 接入网组网方式接入网应用的基本组网方式有网状网、星状网、组播网、广播网四种其中在网状网系统中用户终端之间通过卫星可以直接通信见图4-9而在星状网系统中用户终端之间不能互通需通过中心站进行中转见图4-10。其中网状网和星状网可提供双向通信服务而广播、组播仅能提供单向通信服务。图4-9 网状网通信示意 图4-10 星状网通信示意四种组网方式中实现难度由低到高依次为广播网、组播网、星状网和网状网。系统实现难度决定了终端的造价因此实现难度越大造价也就越高。从实现角度通常后一种组网方式能够兼容实现前一种组网方式如图4-11所示。宽带多媒体卫星通信系统基本上涵盖了卫星通信系统的各种组网方式上述四种组网方式每种都有典型的系统如表4-8所示。4.2.3 单星组网方式现以单星固定通信业务VSAT卫星通信系统为例来阐述卫星通信网拓扑结构的发展。最早使用的通信网是星状网现已发展到多种网络结构。典型的VSAT卫星通信网拓扑结构见图4-12。图中a为星状网b为网状网c为星状与网状混合网d为卫星通信链路与地面通信链路混合网之一VSAT站作网关e为卫星通信链路与地面通信链路混合网之二VSAT站作远端用户。4.2.4 星座组网方式现有的星座组网方式主要有两种基于空间卫星的组网天基星座网络方式和基于地面网络的组网地基星座网络方式。1天基星座网络在天基星座网络中每颗卫星都是一个具有星上处理能力的网络交换器或者路由器且存在星间链路。此星间链路具备网络路由能力空间段在星间链路的协助下具备网络层功能。如图4-13所示。这种方案特点是不需要在本地关口站或者地面网络支持下通过星间链路可实现不同卫星覆盖区各个用户终端之间通信。这种系统如低轨道的铱Iridium卫星通信系统静止轨道的军事星Milstar通信系统。2地基星座网络地基星座网络中的每颗卫星都是一个空间中继转发器一般采用“弯管式”频率转移和放大工作模式以提供卫星自身覆盖区内用户终端之间或用户终端与关口站之间通信如图4-14所示。星座中不同卫星覆盖区内用户站间通信必须通过本地关口站和地面网络转接才能进行通信如图4-15所示。各星之间通过地面网络互联互通的静止轨道卫星星座有提供国际固定通信业务的全球覆盖的国际卫星Intelsat系统和提供国际移动通信业务的全球覆盖的国际海事卫星Inmarsat系统低轨道卫星星座有全球星系统等。第5章 卫星通信安全性与可靠性卫星通信系统要良好地工作充分发挥其效能其前提是系统能安全和可靠地工作。因此在系统设计和应用中要高度重视安全性和可靠性。这里讲的危及卫星通信系统的安全性因素来自系统外部。其主要来自三个方面通信信息被非法利用、软杀伤和硬摧毁。1非法利用。就是未经授权者利用在轨卫星的无国界性和波束的广域覆盖性截获空间链路信号、入侵计算机网络进而经分析、破解获取信息。2软杀伤。就是利用无线电波、红外线、激光等干扰武器和计算机病毒、网络侵入等手段对卫星通信系统进行扰乱、压制和欺骗以破坏信息的获取、传输和处理。3硬摧毁。就是应用反辐射武器反辐射武器是利用敌方的电磁辐射进行发现、跟踪并摧毁目标的武器系统、反卫星导弹用于击毁低轨道上的敌方卫星或使其丧失正常功能、反卫星定向能武器包括激光武器、高功率微波武器、粒子束武器、反卫星卫星反卫星卫星是指对敌方有威胁的卫星实施摧毁或使其失效的人造地球卫星也称拦截卫星等对卫星通信系统的地面设备、卫星及其有效载荷进行直接攻击破坏或摧毁关键部件或整个系统。针对卫星通信系统的主要威胁其安全与防护技术也集中在三个方面即防截获反入侵技术、抗干扰技术和抗摧毁技术。考虑到以上三方面技术发展现状和应用本章只介绍其中保密和抗干扰技术。这里讲的卫星通信系统可靠性是讲其系统自身的可靠性是讲系统可靠性和可用度基本知识。5.1 卫星通信保密技术5.1.1 信息与信道保密技术所谓保密通信就是为了防止通信秘密被窃取在通信的过程中对秘密信息及其传输方式采取隐蔽的手段从而达到保密的目的。保密通信技术主要分两个方面即信道保密技术和信息保密技术。信息保密技术就是对传输的信息加以变化、伪装和隐蔽这样即使这种信息被截获也无法得知其真实内容。信息保密技术包括密码、密语等。信道保密技术就是将信息的传输途径隐蔽或保护起来使外人不能从信道上截获所需要的秘密信息。例如在有线通信中建设的专用网和专用电缆就属于信道保密技术。从无线电通信侦听原理及过程看出防止无线通信被侦听有三个层次的技术措施使侦听者接收不到或辨别不出无线电通信信号的技术使侦听者即使收到信号但解调不出信号编码的技术使侦听者即使解调出信号编码但得不到码字中所隐蔽的信息内容的技术。前两种保密方法统称为信号与信道保密技术也可称为物理方法的保密技术一般用在专用系统或专用网络中。后一种就是密码保密技术是无线电通信中需要保密而都要采取的措施。本节下面只讲物理保密技术而密码保密技术将在后面几节专门讲述。物理保密技术也可以通俗地称作“信号的隐形技术”。当前物理保密通信概括有下面三个方面1信号形态保密信号形态是指信号的模式或状态。其表现形式可以是时域内的波形也可以是频域内的谱分布。1采取特殊的或多重的调制体制避开现有侦听接收机AM、FM、SSB等常用调制工作方式。侦听者不可能用一般终端设备就能直接得到通信信号。大大增加了侦听方获得此类特殊信号的时间和难度。卫星及武器系统的测、探信号大都采用这种方式。2压缩通信时间使用突发通信方式通信。使侦听设备在未搜索到信号前即结束通信。潜艇电台隐蔽电台常用这种方法。一般在几秒钟内还是比较安全的。但短波通信由于受电离层多径延时的影响速度又不能太快。3扩展频谱通信按一定规律将信号频谱大幅度展宽分散能量直至分散谱线的功率淹没在噪声之中指定接收方只有按一定规律同步才能把分散能量集中起来达到通信目的。而侦听方由于不了解时、频信号结构及同步规律因而接收不到通信信号。这种方式也叫伪噪声通信如直接序列调制通信和快跳频通信。4数字通信数字通信代替模拟通信已是大势所趋就保密角度讲一是易于实现可靠的密码加密通信二是宜于隐蔽、变化信号形态如跳频通信、伪噪声通信等都必须是在同步检测的数字通信中才能实现。2信道保密信道是信号传输的渠道。信道保密易于理解。电缆、光纤通信比无线通信包括卫星通信要保密。秘密通信一般用有线、光纤不用无线。但是国际间的公用通信网由于受到官方的严格控制和电信管理部门设备多方面的检测无论何种信道均易被截听而且比侦听无线电通信更直接、方便、效果更好。所以公用通信网通信主要靠密码保密。就无线电通信而言侦听者对已知信道通信频率的侦听比未知信道通信频率的扫频截听要容易得多。所以无线电通信频率是很重要的保密内容。跳频通信随时变化通信信道是一种可靠的信道保密方法。在保持正常通信前提下尽量压缩通信功率使信号不必在更广范围内扩散。现代无线电台大都把发射功率分成若干档。使用方向性强的天线不仅提高接收的信号增益也可以防止信号不必要的扩散。由于超短波及微波波束的方向性很强架设电台要考虑波束传播范围内有没有被侦听的可能如有就要避开实在避不开则要加密。3抑制电磁辐射保密通信线路、通信设备包括终端及附属设备、甚至供电系统中的电磁辐射都会带有有用的信息。如计算机终端监视器的电磁辐射在1km以外接收设备的监视器上能完整地复原辐射信息。特别是通过对辐射信号的截收分析可以得知明文信息和密码机的变换规律。电台在未发射信息时的辐射对电台安全也是很不利的。因此快速自动换频调谐技术抑制谐波技术对保密也有重要意义。