星上交换

星上交换技术主要包括电路交换和分组交换，电路交换主要指按照时隙将基带信息进行交换；分组交换主要包括异步传输模式交换和互联网协议交换，按照异步传输模式信元以及互联网协议包中的地址信息进行净荷部分的信息交换。

发展原因

卫星通信系统同地面电信系统一样，致力于建立一个系统的网络体系，使更大范围内的人们分享最大数量的通信资源，实现资源互通和共享，并建立起一个高效率、高质量和低干扰的综合业务个人通信环境，而提高通信服务质量的重要手段之一就是采用星上交换。将交换功能放到卫星上，可使通信卫星系统的效率大大提高，满足用户使用灵活性和便利性的需要。开发星上交换技术、建立基于直接星上交换的卫星系统是未来卫星通信的发展方向。

未来的通信卫星不但具有传统的中继功能，还具有强大的星上交换功能，具备直接为大量的终端用户提供接入链路的能力，成为真正面向用户的“空中交换机”，即由过去仅仅是一个太空中的透明转发器(Repeater)逐渐转变成具有星上处理(On—Board Processing)、星上交换/星上路由(On—Board Switching or On—Board Routing)、多点波束(Multiple Spot Beams)、卫星问可以通过星际链路(ISL)相互通信等能力的下一代卫星系统(Next—Generation SatelliteSystems)。

“透明”卫星的转发器对信号仅进行透明传输，不涉及对信息本身的处理。近几年出现的再生卫星系统中，卫星转发器对信号进行处理，使得信息传输质量和系统灵活性大大提高，有些系统还能够提取出基带原始信号，利用其中的信息进行路由交换、系统配置，使得系统功能更加强大。目前透明传输的卫星系统和具有星上基带处理的卫星系统共存发展，前者有2005年8月11日发射升空的IPStar卫星，后者有2002年8月21日发射的热鸟-6和2005年3月11目发射的Inmarsat-4卫星等。

推动新一代通信卫星研究的动力主要来自三个方面：一是现有的通信卫星不能以费用合理有效的方式支持新的业务需求；二是星上处理是实现卫星与地面宽带网络综合的重要方式；三是星上处理功能可极大地增强卫星网络应用的灵活性，为大量分散的中、小业务量地面终端提供廉价的传输业务，并能适应不断出现的新的业务需求。将卫星通信的复杂性从地面转移到星上，既可弥补光纤通信的不足，又可使卫星通信适应未来通信网络的发展需要。因此，多波束和星上交换处理代表了先进通信卫星技术的发展方向，并且这种类型的通信卫星将成为未来固定业务通信卫星增长的主流。

发展现状

从目前卫星通信的发展情况来看，卫星通信系统正悄然进入新的大发展阶段，人们将充分利用卫星的广播、多播及广域连接能力，加快星上处理技术、星上交换技术、多波束技术等先进技术的工程应用，拓展卫星通信的应用范围和领域，将卫星网络和地面高速网络融合在一起，形成天地一体的通信网络体系。发展星上交换技术能够适应人们大容量、大范围、随时随地传输信息的要求，因此成为当前卫星通信的研究热点方向。

星上处理技术同其他尖端技术一样，其风险性与效益是成正比的。斌带处理技术在“先进通信技术卫星”上成功运行后，国外制订了不少具有星载处理能力的通信卫星计划。这些计划在2000年后陆续投入使用，主要解决宽带高速率通信和个人移动通信终端的通信问题。各种星上交换体制各具特色，但要真正实现工程化和实j}j化，还需要投入相当大的研究精力。

实现方式

星上交换存在两种实现方式：一种是基于传统“透明”转发的射频微波交换体制，其对多路信号在射频、微波频段进行交换，对信号不进行基带处理；另一种是基于星上处理(OBP)的基带交换体制，这种方式基于星上基带处理建立，随着星上处理技术的迅速发展日益受到业内人士和各卫星制造商的重视，被看做未来卫星通信实现大容景、高性能的关键技术之一。

两种星上交换方式各有优势和缺陷，各自又依据不同的交换策略细分为不同的交换体制，在具体选取交换体制时，需要从技术角度、实现角度和发展角度综合考虑与研究。

优点

星上交换的优点主要有以下几个：

(1)组网灵活，信息传输效率高。由于信息的交换中心置于星上，因此无论卫星通信系统是星状网、网状网还是混合结构网，都能以卫星为交换中心来完成，且许多传统的两跳通信都可以在一跳内完成。

(2)有效载荷上行和下行可以选择不同的频段、不同的带宽，且用户和用户之间的信息交换不必经过中心站或关口站进行，从而使频率的利用率得到了提高。

(3)由于星上交换技术的信息处理在基带进行，因而有利于对信息进行其他处理，如再生技术的应用可以改善信息传输质量，加密技术的应用可以增强信息传输的安全，等等。

正因为这样，星上交换技术引起了人们越来越多的关注。

星上交换系统

组成

一般情况下，现代的大容量宽带卫星都需要很高的有效全向辐射功率(EIRP)和卫星接收机性能指数(G厂r)值，因而点波束天线的应用非常广泛。信息的交换不但在同一波束内的用户之间进行，同时还要在不同波束用户之间进行。显然，在星上实现信息交换，就是基本取消了用户和卫星通信系统中心站的直接联系，而将这种联系由星上交换设备直接完成，即星上交换设备根据用户信息的不同种类、目标，完成信息的分类、打包，安排合适的传输路径，从而完成高效的信息传输。

此处以基带交换为例说明星上交换系统的组成。要完成星上基带信息交换，首先要将射频信号变成中频，并且进一步提取出基带信号。这些基带信号是带有目标信息的，根据这些目标信息，星上处理开关将具有同一目标的信息打包，提供给相应的转发器．经过调制和上变频后，发往相应的目标。

星上基带交换系统主要由变频器、调制/解调器和基带路由交换开关组成。变频器先将高频载波变成中频，再经过调制/解调后取出基带部分并送至基带路由交换开关，路由交换开关根据VPI标识(或分组头部)所指明的目的地址转发信息至相应输出端口。

分类

1．根据星上交换的实现方式分类

1)透明转发(射频微波交换体制)

采用射频微波交换的星上交换体制基于透明传输方式，不涉及对信息本身的处理，所有的信息处理集中在地面系统中，相当于射频空分交换。射频处理直接处理上行的射频信号，并在射频上进行转接。

目前射频处理技术使用较少，主要用在星上用微波开关矩阵耦合上下行链路，以改进卫星的互连性。对这种处理器的要求是：轻质量，低功耗，高可靠性。其频率与射频信号的进出频率有关，带宽与被转接信号的数据率有关，处理速度取决于开关改变状态的速率。

射频微波交换体制的优点是地面网络无需太大改造，可相对自由地组织网络形式，缺点是卫星系统缺乏网络灵活性。Intelsat VI卫星、美国的ACTS卫星均采用了这种技术。

2)基于星上处理(OBP)的基带交换体制

与基于直接转发的交换相比，星上基带交换具有较高的通信质量和频谱利用率。星上基带交换根据是否对基带信号进行解调、解码可划分为两类：类是仅对信号进行一定的处理，不进行解调、解码，不提取译码后的数据信息，如SS—CDMA交换体制；另一类是对信号进行完全的恢复处理，使用译码后原始信号中的信息来进行动态路由选择或相应设置，可以更有效地利用卫星资源，如时隙交换方式、卫星ATM方式等。基带交换体制由于改双跳链路为单跳链路，无线链路的数目减少了一半，传输延迟也减少了一半，从而大大降低了传输误码率，提高了通信传输质量。

2．根据基带处理和路由方式分类

根据基带处理和路由方式的不同，星上交换的实现技术可分为两种类型：一种基于TST(Time—Space—Time)路交换的结构，另一种基于分组交换的结构。

TST电路交换的工作原理与地面数字交换机的工作原理相似。地面用户在通信之前，需要通过信令信道向网络控制中心发出建立呼叫请求申请。若该申请被接收，则网络控制中心一方面向星上交换控制部分发送建立电路连接的指令，另一方面向主叫和被叫双方发送控制信令，以保证它们在指定的时隙内进行通信。双方通信完毕后，发出释放信令，以便网控中心拆除星上的交换连接。

星上分组交换是基于交换网络原理实现的。该交换网络按照各个分组携带的地址信息为它们选择路由，所以不需要使用指令来控制卫星上下行波束之间的连接。这种交换网络实际上可由ATM交换模块构成。若为卫星网络中的每个地球站分配一个虚通道标识地址(VPI)，则ATM交换网络实质上是一台VP交换机。因此，由星上删交换卫星通信系统构成的通信网络具有ATM网络的特点：既能支持电路交换业务，也能支持分组交换业务；既可提供面向连接通信，也可提供无连接通信，适用于综合传输从窄带到宽带的具有不同速率的各种业务。

3．根据涉及的卫星数目分类

根据涉及的卫星数目是一个或多个，星上交换又可以分为本地交换和星际交换。本地交换使卫星与地面关口站或移动用户之间有通信联系，负责不同移动用户或移动用户之间的数据交换。星际交换是指在星际链路连接的多个卫星之间的数据交换。这样具有星上交换能力的宽带多媒体通信卫星就像一台设在太空中的删交换机，可为来自不同波束的信息提供路由交换，实现任一输入波束与任一输出波束间的通信连接，使位于多波束覆盖区域内的所有用户终端都能够互相通信，从而组成一个星地一体的宽带多媒体通信网。