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发信人: yufei (飞飞), 信区: AerospaceScience
标 题: 多媒体卫星通信系统介绍
发信站: 紫 丁 香 (Sun Sep 6 15:51:30 1998), 转信
多媒体卫星通信系统介绍
贾晓光 陶 融* 周志权
(哈尔滨工业大学?哈尔滨*150001)
摘 要 本文论述了对多媒体卫星通信系统发展的需求及其关键技术，介
绍了多媒体卫星通信系统的基本概念，并对西方特别是美国正在计划和设计
中的多媒体卫星系统的基本概况做了较详细的介绍。
主题词 通信卫星系统 多媒体
MULTIMEDIA SATELLITE
TELECOMMUNICATION SYSTEMS
Jia Xiaoguang Tao Rong Zhou Zhiquan
(Harbin Institute of Technology*Harbin*150001)
Abstract The concept,requirements and technologies for multimedia
satellite telecom-
munication systems are described,and current planning of these systems
are summarized.
Key words Telecommunication satellite Multimedia
1 引言
通信卫星系统发展始于六十年代，原仅为语音通信，以ＣＣＩＴＴ规定
的四千赫兹为频带宽度。七十年代开始设计传播电视的宽频传输，以调频方
式传送，每一台节目需三十六兆赫，每一转发器只能传送一套节目，所需地
面天线直径要三十米。近年来数字压缩技术日益发展，目前的ＭＰＥＧ-２已
可将一套电视节目压缩至三兆比特传输。并且卫星上的电能也从一千瓦猛增
至一万瓦，从而使卫星的传输能力大大提高，地面接收系统天线直径已可小
到半米左右，宽频卫星通信的技术已经成熟，可以成为信息高速公路所必需
的高速大容量和交互式的通信途径。
多媒体系统包括语音、数据、图象和视象的处理和传送，需要的传输速
率从二千比特到十几兆比特，能用于个人电脑。目前ＰＣ机之间的通信主要
是靠普通的电话线路，频宽仅有两三万比特左右，不足以做视象的传输。可
是视象又是多媒体的主要功能，因此目前的电话网无法满足多媒体系统的要
求。虽然能满足宽带传输的光纤和同轴电缆均已普及，但在欧美各国基于经
济上的考虑，仍无法克服“最后一英里”的难关，无法将宽频服务提供到每
一用户。目前多媒体ＰＣ机技术的进步和用户的需求，使得多媒体大型网络
的建立成为当务之急，而现在的卫星技术已可实现用半米直径的小天线将宽
频信号直接传送到用户。多媒体和卫星这两种新技术的结合可望创造一种廉
价的全球或区域性的多媒体网络，向广大用户提供大的通信量，开创出一个
新的商业机会。因此，目前欧美多家在发展卫星语音移动通信系统的同时，
也正在计划和发展全球的和区域性的多媒体卫星系统。
多媒体卫星通信系统不同于一般的广播电视卫星系统或新一代的直播卫
星系统（ＤＢＳ），广播电视系统是针对一个区域(行政区域如国家或地理区
域)发送同样的节目，而多媒体卫星系统能够为每一用户提供特别服务，且每
个用户都可通过卫星系统与另一个用户实时地交换信息，是双向的交互式的通
信。多媒体卫星系统也不同于移动通信卫星系统，在于现在设计制造中的蜂
窝电话卫星系统是仅传输声音和传呼（pager)的窄带传输，而多媒体系统要传
输的不仅有声音、静止图象，还有视频图象，是宽带传输，而且是按需要可
变带宽的宽带传输。因此多媒体卫星系统的服务灵活性更好，成本更高，新
技术成份也更多。
２ 有关技术的发展现状
２.１多媒体ＰＣ机的发展
随着计算机技术的发展，人们对于计算机的应用也已经不再是单一的计
算功能，而是用来获取，处理，存储和传输各种需要的信息。八十年代发展
了多媒体计算机的概念和技术，使计算机能够实时地处理文字、图形、图象、
声音、动画和视象等媒体信息，并且具有交互性。不同层次的多媒体计算机
硬件和软件标准也已出笼［１］。市场上现在已有全系统软硬件配备的多媒
体计算机，也可购买到多媒体升级套件，使普通的计算机升级为多媒体计算
机。随着多媒体计算机的普及，以及信息高速公路的建设，多媒体网络通信
的需求日益提高。
２.２有关卫星技术
目前设计的多媒体卫星系统主要有两种组成构想，一种为低轨（ＬＥＯ）大
数量卫星群，另一种用同步轨道（ＧＥＯ）大功率卫星。
一般而言多媒体系统对频宽的需求是相当大的，从目前已申请的系统看，
至少是５００兆赫，有些系统要求到２５００兆赫。卫星系统设计要求频宽
为中心频率的百分之二十以下，多媒体系统频宽的要求使能选择的频段极为
有限。从ＩＴＵ的规划看，目前Ｃ和Ｋu波段已无余量，Ka波段（28千兆赫上
行，２０千兆赫下行）几乎是唯一的选择。但Ka波段的降雨衰减相当大，成
为系统设计的一个大挑战。因此，此时整星的设计是受到电能的限制，而非
频宽。
地面用户系统基本用ＶＳＡＴ方式，天线直径最小０.５米，可大至2.5
米，依传输数据速率而定。低轨系统的接收天线要有追踪的功能。
天线系统设计以蜂窝式天线覆盖图做同频再用。在低轨系统中，虽然卫
星做高速的相对移动，但每个卫星在地面上产生的覆盖图保持不变，星上可
使用相控阵天线。同步轨道系统则可用多馈源或相控阵天线形成蜂窝式覆盖
图。
多媒体卫星采用机动频宽分配制，频宽以用户要求而定，每一用户均可
在预定传输速率范围内作机动性的调节，称做需求频宽系统。
因为系统采用蜂窝式覆盖，为求得高的传输效能，蜂窝间的联系是机动
的，每一个通信邮包必须在星上处理后再发射回地面，因此对星上微处理器
的工作量要求非常高。目前可供多媒体卫星用的星上微处理器很少，但在两
年内“铱”计划使用的处理器及亚洲同步轨道移动通信卫星（ＡＣeS）系统
上的处理器将在轨道上开始工作，到2000年时其技术应已成熟。
２.３ 有关压缩技术［２］
数据压缩技术可以为通信系统在时间或频带或能量或空间上带来高效率，
它也随着通信手段的发展而发展。现代信息爆炸的局面和电子技术的发展为
压缩技术的应用普及提供了背景和基础，也促进了压缩技术的发展。1980年
以来，国际标准化组织（ＩＳＯ）、国际电工委员会（ＩＥＣ）、国际电联
（ＩＴＵ）下属的国际电报电话咨询委员会（ＣＣＩＴＴ）陆续完成了各种
数据压缩与通信的标准和建议，并且这些标准的芯片不断问世。其中对运动
图象压缩的ＣＣＩＴＴ Ｈ.２６1及ＩＳＯ的ＭＰＥＧ标准，特别是ＭＰＥＧ-
２已被一些电视广播计划和多媒体通信系统采用。
２.４多媒体的信息表示
多媒体信息覆盖面宽，种类多，功能要求差别悬殊，数据压缩方法各异，
为了有效读取各种数据并使其协调工作，需要一定的多媒体数据格式来支持。
另外多媒体数据可能存放在分布网络上，为了能被多用户读取，也需要有统
一的表示［３］。ＩＳＯ的开放系统互联（ＯＳＩ）的七层结构协议为终端系
统之间进行数据交换做了规定。另外，最近的可用于数字卫星传输的MPEG-２
标准为多媒体信息的表示做了更为详尽的描述。该规定的主要思想是对有关
的多媒体数据流按既定参数给以一定程度的“包装”，以便于接收端的重建。
实际的措施是：已编码的数据不是以连续的数据流发送，而是分割成比较小的
信息单元（即数据包），这些数据包的形成，可以将多个数据流合并成一个新
的传送流。ＭＰＥＧ-２也是以ＯＳＩ模式的数据通信为目标，其传送流将成
为分配媒体间重要的和中心的接口［４］。用于多媒体表示编码的ＭＨＥＧ标
准也正在加紧制定中，该标准的目标是为不久以后将在各个领域被开发出来
的多媒体应用确立一个通用基础，它特别集中在交互性和多媒体同步、实时
显现、实时交换、最终格式表示等几方面。
２.５多媒体同步
多媒体信息通常由多个部分组成，尽管各个部分产生的地点和时间可能
不相同，但它们的显现往往需要同步。多媒体信息的同步大致可分为两类：
一类是连续同步，指的是两个或多个实时连续媒体流之间的同步，如音频与
视频之间的同步。另一类是时间驱动同步，指的是一个或一组相关事件发生
与因此引起的相应动作之间的同步。在多媒体通信中，可采用缓冲和反馈法
（用于单媒体同步）以及时间戳法（用于媒体间同步）实现信息同步。目前
针对各种多媒体的应用已经开发出了大量的多媒体同步模型和方法，譬如
Escobar等人提出了一种基于近似同步时钟的多业务流同步协议，支持分布式
应用同步和不同多媒体流之间的同步；Yavatker和Lakshman提出了一个“多信
息流会话协议”，支持分布式协作应用中的时间和因果同步；李国辉等人提出
了支持音频视频信息连续同步的参考时间同步法和参考点同步法［５］。
２.６ 网络技术支持
现有的各种通信网络可以在不同程度上支持多媒体通信。窄带的综合业
务数字网采用电路交换方式，其基本速率接口可以传输音频和可视电话质量
的视频信号，不过由于它具有恒定的速率，对于非连续媒体传输效率较低。
另外由于它的通信速率仍然较低，无法传送高质量的视频信号。最适于多媒
体通信的网络是未来的宽带综合业务数字网（Ｂ-ＩＳＤＮ），它采用异步转移
模式（ＡＴＭ），能够灵活地传输、变换不同类型（如声音、图像、数据、文本
等）、不同速率、不同性质（如突发性、连续性、离散性）、不同性能要求（如
延迟、抖动、误码等）、不同方式（如面向连接、无连接等）的信息［５］。
３国外已设计的多媒体卫星系统简介
1993年以来，已有十几个多媒体卫星系统设计方案相继问世，它们采
用不同的轨道，针对不同的区域和用户，各有其特点。下面就有代表性的已
向美国联邦通信总署申请的低轨系统，同步轨道系统以及中轨（ＭＥＯ）系统
（也属低轨）分别介绍之。
Teledesic系统是于１９９３年首先提出的低轨系统。８４０颗均匀分布
于空间的低轨卫星组成卫星群，分布于２１个高度为６９５~７０５公里的太
阳同步倾斜的（约９８.２度）圆形轨道平面上。每一轨道平面有至少４０颗
工作卫星至多４颗备份星，相临轨道面在赤道上相隔９.５度。系统有很高的
覆盖余量，任何时候在地球的大多地区中至少有一颗接收仰角大于４０度的
卫星，并且一旦有一颗卫星故障，系统会在２小时之内将另一颗星补位修复全
系统。图1表示了系统对美国大陆的覆盖情况。
受Teledesic系统的启发，一些同步轨道多媒体卫星系统的计划和方案在
１９９４到１９９５期间及之后陆续出笼，向美国联邦通信总署申请登记。
同步轨道传输有时间延迟长的天然缺陷，形成实时传输中的致命问题。但是
同步轨道的覆盖面大，全球覆盖所需的卫星数少，系统构成成本明显低于低
轨系统。因此更多的计划和设计中的多媒体卫星系统采用同步轨道方案，如
洛克希德?马丁、休斯，ＡＴ&Ｔ等公司的多媒体卫星系统方案。洛克希德?马
丁公司的Astrolink系统采用九颗同步轨道卫星分布在同步轨道的五个位置上。
虽然理论上讲赤道上同步轨道均匀分布的三颗卫星便可覆盖除极地之外的全球，
但为了有一定的冗余和尽量高的接收仰角，Astrolink将卫星分布在五个位置
上，分别服务于对应的区域，如图2所示。其中除太平洋上空的位置上是一颗
星，其它均为两颗星，是因为一颗星还不足以负担全部可能的通信量，而在太
平洋上的通信量必定小于其它区域，一颗星就够了。
低轨系统和同步轨道系统相比，低轨系统在延迟时间、对高纬度区域（极区）
的覆盖能力、地面接收仰角等方面明显优于高轨系统，星上功率要求也较小，
但同时系统的复杂度必定高；而同步轨道系统虽然不能克服延时长的弱点，
但因其覆盖全球所需卫星数目少从而系统成本低，在星上功率已能达到十万
瓦的今天，这仍是十分吸引人的选择［６］。
美国的ＴＲＷ公司在综合分析了同步轨道系统和低轨系统的优缺点之后，
得出最经济的方式是对前两种系统折中而使用中轨（ＭＥＯ）系统的结论，提
出了一个以１２颗卫星组成的中轨多媒体卫星系统—Odyssey。后来国际海事
组织（Inmar Sar)也提出了一个中轨系统叫ＩＣＯ［７］。为此TRW提出版权
抄袭质疑。
下面就系统概况，将欧美15个计划和设计中的多媒体卫星系统列表作以
介绍［８］。
表１.系统概况。包括：系统所属公司、系统名称、系统卫星数目和轨道
定点位置、系统首次发射时间，数据速率，功率，系统寿命年以及系统的成
本（价格单位为百万美元）。
在所介绍的系统中，有六个同步轨道系统和两个中轨低轨系统是全球覆盖
的，其它仅对区域提供区域性服务，有的仅对北美地区。这些系统所能提供
的服务包括双向通信，中速数据、高速数据通信，视象传播等见表2。
表2 系统能够提供的服务。
双向通信包括：电话—细分为传呼、普通电话、对空电话（地面对飞机）、可
视电话、临时通信；中速数据—金融信息、软件传递、数据搜索；高速数据—
电子信件加传真、商务通信、全球Internet、宽域网络、私用网络、ＶＳＡＴ
服务。视象传播包括：高分辨率电视（ＨＲＶ），直播电视、多媒体、电话会
议、远距离学习和培训、娱乐节目、新闻获取等。其中“+”为有，空格为无。
４ 结论
多媒体卫星系统计划的提出和实施，一方面是由于多媒体计算机的普及
和卫星及宽带传输技术的成熟，另一方面是由于需求的推动。多媒体系统有
非常广泛的应用。交互式通信功能可用于多种形式和功能的电话、中等速率
传输如金融数据检索、和高速率传输如电子信件、传真、商务通信、居家银
行、居家购物、远距离医疗咨询与服务、智能高速信息公路、以及多种形式
的通信网络。视频广播可提供多种形式的娱乐节目、多媒体信息、高分辨率
电视、直播电视节目，还可提供教育节目、远距离学习培训、电视会议、新
闻收集等服务。
尽管对多媒体通信的需求将会日益增高，但毕竟市场有限，现在计划和
设计的这些卫星系统同时拥有市场同时获利的机会并不大。因此，估计在全
球覆盖和区域服务的不同系统中将仅有二到三个系统会最终抓住机会占领市
场，而其它的系统将不得不退出竞争。
可望在下个世纪，多媒体卫星系统建起的信息高速公路将会使人们信息
的交流更丰富更及时，全球一体的多媒体通信将会给地球上人们的生活带来
巨大的变化。
本文于1997年6月25日收到
*哈尔滨工业大学顾问教授,洛克希德?马丁公司卫星通信首席科学家
Adjunct Professor of Harbin Institute of Technology and Chief Scientist
of Lockheed
Martin Telecommunications
参考文献
１李智渊，汤岳清.多媒体的原理与应用，电子工业出版社，1995
２吴乐南.数据压缩的原理与应用，电子工业出版社，1995
３张宏科，高福安.信息高速公路的关键技术—多媒体通信技术，电信科学，
1995,6
４Uwe Riemann，潘振昌.ＭＰＥＧ-２标准：活动图像及所属声音信息的
通用编码.国际广播电视技术，1995，（9）6：54-59
５吕涛.多媒体通信的技术基础.电信科学，1995,8：28-35
６王明忠.卫星移动通信系统的比较与选择.卫星应用，1996，1：48-5
７何惠良，张浩.ＩＣＯ系统及ＩＣＯ公司简介.卫星应用，1997,1：57-59
８Federal Communications Commission(FCC)filings
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有一天我会，插上翅膀飞，
有一天我会，睁开双眼看，
有一天我会，看到我的梦中有谁，
有一天我会，飞过世界的背。
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