走向宽带化的VSAT卫星通信

zjol

项海格　李斗
　　摘要：受数据音频视频广播、计算机卫星宽带交互接入和音视频会议等业务的推动，VSAT卫星通信网向宽带业务发展已成为必然趋势。分别对应以上业务的VSAT卫星通信网也日益趋于融合成一个统一的宽带VSAT通信网。发展宽带VSAT通信网的关键技术涉及到宽带数据广播、宽带多址接入、卫星通信规程、网络综合管理和宽带虚拟子网等。

　　主题词：卫星　卫星通信　甚小天线终端　宽带通信

　　VSAT卫星通信网由小型地球站组成，地球站和用户设备都设置在同一建筑物上。VSAT卫星通信网具有广泛的适应性和很大的灵活性，它可以提供单独的话音、数据、图像通信业务，也可以提供话音与非话音的综合通信业务。合理设计的VSAT卫星通信网可以为广播、电信、计算机互联网接入等提供有效的通信手段，并将发展成为宽带化智能化综合业务的卫星通信网。

　　宽带化推动新业务的发展

　　VSAT卫星通信系统正从单一窄带业务的卫星通信网，向一个融合电信、广播、计算机的宽带卫星网络发展，将成为未来电信系统的重要组成部分。依赖地面超大容量光纤网以及空间宽带卫星网，用户设备可以方便地直接接入全国或全球宽带网络。

　　VSAT用户利用架设在办公室或住宅的VSAT设备，可方便地接入卫星通信网。用户还可按照业务的需要来自适应地使用卫星网络的资源，并构造它与卫星网络的拓扑结构（一跳或两跳）。用户设备是一个小口径的天线（0.6米以下），一个附在天线上的笔记本式室外单元和一个笔记本式的室内单元。用户的办公和生产设施可以像接在地面设备一样地接在VSAT设备上。

　　VSAT卫星通信系统提供的业务包括电信业务、计算机互联业务，以及数据、音频、视频等广播业务。随着网络的宽带化，VSAT卫星通信在提供传统的话音、数据等交互业务的同时，发展了远程教育、远程医疗、电视会议等。随着广播业务的发展，利用卫星通信的广域覆盖特性和宽带卫星广播技术，还可实现资讯和数据分发、广播、数据音频视频广播到户、卫星寻呼、Web广播、视频点播、IP数据音频和视频广播等。宽带卫星数据传输和为计算机互连网的一部分，提供了方便的文件App下载和Internet接入、企业的Internet互连、ISP骨干业务、电子邮件、电子商务和金融证券等。

　　宽带化VSAT通信系统

　　卫星网络的宽带化趋势体现在超大容量的卫星和星卒系统的发展上。超大容量的卫星和星座系统不断扩展新的宽带工作频段，在使用传统卫星通信L、C和Ku波段的基础上，推动了更宽带宽的Ka波段的采用。大容量卫星和星座系统还促进了一系列新技术的发展：轨道调整的发动机技术、高效太阳能电池和蓄电池技术、星上转发器数量的增加、超大口径的卫星天线和多波束天线、大发射功率的卫星转发器、卫星转发器频带资源的按需带宽分配、星上再生和交换处理及卫星之间的通信链路，适应了卫星宽带业务发展的需要。超大容量卫星支撑多种宽带卫星直播业务和便携式手持式卫星终端的使用。大容量卫星和星座系统带可进一步支撑宽带互连网和移动卫星通信，如Teledesic：使用288颗低轨卫星，2Mbit/s上行链路和64Mbit/s下载链路（美国MicroSoft）；Spaceway：使用9颗高轨卫星和63颗低轨卫星（Motorola企业）；Skybridge：使用80颗低轨卫星（劳拉企业）。

　　目前，VSAT地球站是经过一个主站接入宽带网络，实现相应的通信、广播、计算机互联网业务的。卫星地球主站通过卫星网关、编码器、条件接收发送设备、DVB/IP复接器、调制器、变频器发送设备、接收设备、变频器、变频器、解调器等与卫星链路相接。卫星地球主站通过地面网关与地面宽带网络相连。卫星地球主站的网络管理、业务服务器等设备连成一个局域网。随着大容量卫星和卫星星座系统的发展，VSAT卫星通信网主站的功能将由大容量卫星或星座系统的星上系统的处理功能来实现。

　　VSAT设备实现了智能化，而且简单可靠。它成本低，地面接口灵活，有GPS全球定位功能，可变数据速率和传输带宽，可以不同的拓扑方式和多址方式接入卫星通信网。所以，它可以呈星状网结构进行数据音频视频广播接收、文件App下载、互联网浏览、远程登录和文件传输以及网络管理等业务，也可以呈网状网进行话音数据传输，举行各种会议。VSAT技术的进步表现在：新工作频段的采用、集成电路技术的进展、通信规程的标准化和全球化、设备互操作性的改善等。

　　VSAT通信的宽带广播和宽带多址接入

　　VSAT站的卫星链路有主站到VSAT站的出主站链路，有VSAT站到主站的入主站链路。随着业务从窄带向宽带发展，出主站链路数据速率不断提高，从几Mbit/s到几十Mbit/s；入主站链路的数据速率也不断提高，从几Kbit/s发展到几百Kbit/s，甚至几Mbit/s。

　　出主站链路多采用单载波TDM方式，有基于广播信号的DVB数据格式，有基于互连网的IP数据格式。VSAT卫星通信的宽带广播，可以广播数据音频视频、也可以实现文件数据的下载。

　　入主站链路有多种卫星多址接入方式：FDMA、CDMA、TDMA、MF/CDMA。也有利用地面Internet链路代替入主站链路的，称为外交互方式，而把采用入主站链路称为内交互方式。传统的卫星通信多址接入方式是时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）。它们是把卫星转发器的资源，按时间分成时隙、按频率分成频道、或者按正交的编码波形分成码道，由各个地球站按照固定分配方式、随机竞争方式、或者动态分配的方式来使用。所谓动态竞争方式，转发器资源由主站来管理，用户站接入时，先使用固定分配方式或随机竞争方式来申请，主站分配给用户地球站使用，使用完了归还给主站。

　　随着大容量VSAT卫星通信网络以及宽带接入业务的发展，主站接入设备的容量日益增大，用户地球六也需要使用高速的宽带接入，需要主站接入信道的可变速率范围扩大。时分多址方式要求用户站的接入时隙宽度变化范围增大，频分多址方式要求用户站发送信号带宽可变或使用并行的多载波传输，码分多址方式要求用户站发送信号的扩展频谱增益可变或者使用多码道并行传输。组合的多址接入方式，可以方便地实现宽带多址接入：例如多载波（多频率）时分多址，多载波码分多址等。目前技术成熟的是多频率时分多址。

　　多频率时分多址设置有多个频段（多个载波），每个频率又划分成时间帧和时隙。各个用户地球站可以使用特定的频率和特定的时隙进行接入申请，根据申请的业务，得到相应的频率和时隙。对于宽琮业务申请，用户可以再在一个频率上，用一个时隙或多个时隙进行接入业务传输；也可以在几个频率上，用多个时隙进行接入业务传输。根据系统接入的特点，系统在接入信道上设置了不同的时隙：用户接入申请的时隙，用户业务传输的业务时隙，校正用户地球站发送时间和频率的粗同步时隙，以及校正发送时间和频率的精同步时隙。

　　宽带VSAT卫星通信系统的前向链路和反向链路往往是不对称的，前向链路和反向链路的转发器资源的配置要和业务的特性相匹配。宽带VSAT卫星通信系统需要设计和配置接入信道的资源、多载波数目，以及相应的帧结构，以适应给定接入突发特性、接入业务量条件下的接入时延和接入成功率的要求。宽带VSAT卫星通信系统往往有多种业务同时工作，系统的配置和设计只能适应总体的要求，为了适应各种业务的具体要求，还应该对不同业务设置各自的优先级，调整整个系统对不同业务的适应性。

　　VSAT通信网的通信规程协议

　　VSAT卫星通信网最初是作为透明信道使用的，它只提供固定的连接，传输单一的业务。这时针对不同的卫星信道，设备必须配置不同的通信App。由于卫星通信必须支撑网络管理和多址接入的控制，卫星通信业务的综合化必须传输多种业务，例如电信、计算机数据、以及数据音频视频广播，VSAT卫星通信网必须支撑通信规程协议。

　　卫星通信规程要考虑传输的业务以及相应的规程协议。例如音频视频广播的数据结构和规程协议、计算机互联网通信的TCP/IP协议，以及电信通信的信令。随着宽带VSAT通信的发展，通信规程要支撑交互通信，特别是宽带交互通信业务。卫星通信规程要考虑网络管理的规程协议，例如常用的SNMP（Simple Network Management Protocol），而SNMP是建立在UDP/IP提供服务的基础上的。卫星通信规程要考虑用户站接入时介质访问控制，以及卫星链路差错控制对通信规程的影响。

　　TCP/IP支撑计算机互联网通信，支撑网络管理SNMP，也可以支撑数据音频视频广播，在卫星网络使用TCP/IP上运行各种业务和在地面网络一样方便。为了支撑电信业务，可以把信令作为数据分组来传输；为了支撑数据音频视频广播，可以把它们作为数据分组来传输，也可以把数据分组放在数据音频视频广播的一个通道上广播（TCP/IP over DVB）。目前研究最多的是VSAT卫星通信网怎样运行TCP/IP协议。

　　但是在VSAT卫星网上使用TCP/IP也遇到困难，包括卫星传输的长时延、卫星信道比地面信道高的差错概率、用户站多址接入的介质访问控制和资源共享与分配等问题。

　　针对卫星信道固有的长时延，人们在TCP/IP协议上已经做了许多工作，例如：协调接收缓区和发送窗口，定义选择重发模式，协调慢启动和拥塞控制的参数。针对卫星信道比地面信道高的差错概率，已经采用了多种信道编解码技术、干扰抑制技术来改善信道的传输特性。现在重视研究卫星通信的数据链路层和介质访问控制层，使它与TCP/IP协议匹配。将通信链路的差错由数据链路层和介质访问控制层来解决；链路的拥塞和多址接入的延迟和阻塞由TCP/IP协议来解决。

　　VSAT通信网的网络管理

　　VSAT卫星通信网是包括卫星转发器、卫星通信主站、众多用户站的系统，它们分散在广阔的地域，不间断、全天候的工作着。为了保证系统正常有效地工作，必须对网内各地球站的工作状态及业务运行状态进行监视、控制和管理，需要一个网络管理系统来支撑它。网络监控管理系统是VSAT网，特别是一个大型VSAT网运行好坏的决定因素。

　　网络管理系统有一个设置在主站，集中的网络管理计算机和相应的数据库；在各个地球站和网络设备上，有一个网络管理计算机的代理设备，即网络管理代理。网络管理设备和网络管理代理之间，需要通过卫星通信网的通信信道进行数据通信。网络管理的通信应该和业务通信并行使用卫星通信网络，它们的区别只是数据结构不同。网络管理的通信业务和数据通信业务共享卫星通信，但只占用通信链路业务的一个小部分，管理着整个卫星通信网。

　　VSAT卫星通信网的网络监控管理包括：

　　*系统结构和配置管理

　　*用户VSAT站的注册管理

　　*用户VSAT站的业务管理

　　*VSAT站条件接收的管理

　　*系统运行状态管理

　　*操作员和网络管理系统的后处理

　　网络监控管理必须是实时的，且要求具有按需及定期监视的功能。通过对网络各单元抽样及收集数据对VSAT网进行监视。

　　VSAT网络管理监控能力之一就是事件监视、记录及筛选（即压缩故障）、提出告警，对事件和告警信息的筛选准则必须是操作员可控的。所有事件及告警信息均要规定时间并存入中柜站的网络管理计算机数据库中，达到给定等级严重的告警（操作员设置的）要通过操作员接口送给操作员。

　　监控分级系统的另一功能是切换系统中的备份设备。价格低廉的VSAT很少有备用系统，但中心站的故障将关系到全网的工作，都设有备份。管理系统必须了解所有工作和备分设备的状态，并根据需要进行设备的切换。

　　为了实现上述功能，必须建立网络数据库，在网络管理数据库中储存网络配置、VSAT站注册、VSAT站业务、系统运行时的VSAT站、数据链路、卫星通信链路等各种信息。在实现系统管理的过程中，不断从数据中获取信息，并更新数据库信息，实现系统的实时或非实时管理。

　　VSAT卫星通信网的监控管理还包括操作人员的工作，网络管理要提供很好的人机界面，使操作员方便、迅速地介入、确保操作员随时了解网络的运行状态，一旦出现影响网络正常运行的变化，便可迅速而有效地进行管理。网络管理系统操作员接口可采用树形结构，便于操作员对系统中不同层次进行监视与管理，随时了解全网及其子系统的状态及运行的情况。

　　根据操作人员的要求，网络监控管理系统收集并提供有关网络状态、性能及操作的数据、系统的管理数据、产生相应的报告并归档，以满足长期管理的需要。

　　VSAT网有两种基本类型，即单用户专用网及共享中枢站网。这两种网络的监控管理功能相似，但亦存在一些明显区别。因此网络管理系统必须与网络设计结合起来，并要求具有一定的灵活性，以满足不同用户的各种需求及支撑网络的运行功能。对于专用网来说，通常情况下只需一个管理中心进行网络的监视与控制，而共享中枢站网不仅要求有主站操作员进行最高级操作与控制，且必须具有每个用户对共享系统的管理功能。各个虚拟子网分中心必须有重组和测试各用户设备逻辑归属的能力。并能使这些功能在实现过程中共享设备的其它用户完全透明。

　　网络管理功能分实时处理和非实时处理两种，实时处理的网络管理任务通过全网所有的处理器（包括各VSAT站的及中枢站的）和中枢站的网络管理计算机完成。非实时处理由安装在中枢站的、具有网络数据库的大型处理机完成。　　宽带VSAT通信网的虚拟子网　　宽带VSAT通信网占用资源大，提供大容量的业务服务；往往不是一个单一的网络，而多个网络的集合；总是包括了多个业务子网，而这些子网又希翼有独立的网络管理。

　　VSAT卫星通信发展的一个方向，是在网内建立多个虚拟子网，或者说是将多个小型的网络合并成为一个大型的综合使用卫星转发器、系统设备、以及网络管理系统的VSAT卫星通信网。各个虚拟子网可以属于不同的业务或行政管理部门，它们共享统一的VSAT卫星通信网。

　　基于强有力的卫星网络管理系统，各个虚拟子网独立地管理各自设备的注册、入网、退网；调整各自设备数据传输的参数、传输的优先级、时延和业务数据流的成熟概率；记录业务过程和网络资源使用的情况。　　整个网络的管理系统记录虚拟子网的管理，并协调全网的资源和设备的分配、拥塞和路由的控制、优和无级的协调，使整个网络和各个虚拟子网都正常的运行。

摘自《世界电信》2001.11