淺談衛(wèi)星通訊系統(tǒng)

淺談衛(wèi)星通訊系統(tǒng)第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日發(fā)展背景

VSAT于20世紀80年代最先在美國興起，發(fā)展速度很快，是30多年來衛(wèi)星通信技術的轉折性發(fā)展。利用這種系統(tǒng)進行通信具有靈活性強，可靠性高，成本低，使用方便以及小站可直接裝在用戶端等特點。借助VSAT用戶數(shù)據(jù)終端可直接利用衛(wèi)星信道與遠端的計算機進行聯(lián)網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳遞、文件交換或遠程處理，從而擺脫了本地區(qū)的地面中繼線問題，這在地面網(wǎng)絡不發(fā)達、通信線路質量不好或難于傳輸高速數(shù)據(jù)的邊遠地區(qū)，使用VSAT作為數(shù)據(jù)傳輸手段是一種很好的選擇。它將是未來電信系統(tǒng)的重要組成部分，依賴地面超大容量光纖網(wǎng)，以及空間寬帶衛(wèi)星網(wǎng)，使用戶設備方便地直接接入全國或全球寬帶網(wǎng)絡。第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日其主要特點有：(1)設備簡單，體積小，重量輕，耗電省，造價低，安裝、維護和操作簡便。

(2)組網(wǎng)靈活，容易擴充用，而且維修方便。(3)通信效率高，性能質量好，可靠性高，通信容量可以自適應，適于多種數(shù)據(jù)率和多種業(yè)務類型，即能夠傳輸綜合業(yè)務，便于向ISDN過渡。(4)可建立直接面對用戶的直達電路，它可以與用戶終端直接接口，避免了一般衛(wèi)星通信系統(tǒng)信息落地后還需要地面線路引接的問題。第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日(5)集成化程度高，智能化(包括操作智能化、接口智能化、支持業(yè)務智能化、信道管理智能化等)功能強，可無人操作。(6)建設周期短,不受地形和氣候環(huán)境的影響，它比傳統(tǒng)的地面通信手段簡單得多，不需要架設電纜、光纜。(7)獨立性強，互操作性好，可使采用不同標準的用戶跨越不同地面網(wǎng)而在同一個VSAT網(wǎng)內進行通信。第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日VSAT數(shù)據(jù)通信網(wǎng)

VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng)的組成及工作原理

1.VSAT網(wǎng)的組成

典型的VSAT網(wǎng)是由主站、衛(wèi)星和許多遠端小站(VSAT)三部分組成的，通常采用星形網(wǎng)絡結構。第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日VSAT網(wǎng)構成示意圖第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日(1)主站(中心站)。主站又稱中心站(中央站)或樞紐站(HUB)，它是VSAT網(wǎng)的心臟。它與普通地球站一樣，使用大型天線，其天線直徑一般為3.5~8m(Ku波段)或7~13m(C波段)，并配有高功率放大器(HPA)、低噪聲放大器(LNA)、上/下變頻器、調制解調器及數(shù)據(jù)接口設備等。主站通常與主計算機放在一起或通過其它(地面或衛(wèi)星)線路與主計算機連接。第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日

主站高功率放大器的功率要求與許多因素有關，例如，通信體制、工作頻段、數(shù)據(jù)速率、發(fā)射載波數(shù)目、衛(wèi)星特性以及遠端接收站的大小及位置等。其額定功率一般為數(shù)百瓦(最小1W，最大達數(shù)千瓦)。當額定功率為1~10W時，一般采用固態(tài)砷化鎵場效應管(GaAsFET)放大器；當額定功率為10~250W時，一般采用行波管放大器(TWTA)；而當它為500~2000W時，一般采用速調管放大器。例如，采用6~10個發(fā)射載波的C波段11m地球站，HPA的功率約為300W。第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日(2)小站(VSAT)。VSAT小站由小口徑天線、室外單元和室內單元組成。VSAT天線有正饋和偏饋兩種形式，正饋天線尺寸較大，而偏饋天線尺寸小、性能好(增益高、旁瓣小)，且結構上不易積冰雪，因此常被采用。室外單元主要包括GaAsFET固態(tài)功放、低噪聲場效應管放大器、上/下變頻器和相應的監(jiān)測電路等。整個單元可以裝在一個小金屬盒子內直接掛在天線反射器背面。室內單元主要包括調制解調器、編譯碼器和數(shù)據(jù)接口設備等。室內外兩單元之間以同軸電纜連接，傳送中頻信號和供電電源，整套設備結構緊湊、造價低廉、全固態(tài)化、安裝方便、環(huán)境要求低，可直接與其數(shù)據(jù)終端(微計算機、數(shù)據(jù)通信設備、傳真機、電傳機等)相連，不需要地面中繼線路。第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日(3)空間段。VSAT網(wǎng)的空間部分是C頻段或Ku頻段同步衛(wèi)星轉發(fā)器。C頻段電波的優(yōu)點是傳播條件好、降雨影響小、可靠性高、小站設備簡單、可利用地面微波成熟技術、開發(fā)容易、系統(tǒng)費用低。但由于有與地面微波線路相互干擾的問題，功率通量密度不能太大，限制了天線尺寸進一步小型化，而且在干擾密度強的大城市選址困難。C波段通常采用擴頻技術降低功率譜密度，以減小天線尺寸。但采用擴頻技術限制了數(shù)據(jù)傳輸速率的提高。第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日通常，Ku頻段與C頻段相比具有以下優(yōu)點：

①不存在與地面微波線路相互干擾的問題，架設時不必考慮地面微波線路而可隨地安裝。②允許的功率通量密度較高，天線尺寸可以更小，傳輸速率可更高。③天線尺寸一樣時，天線增益比C頻段高6~10dB。雖然Ku頻段的傳播損耗特別是降雨影響大，但實際上線路設計時都有一定的余量，線路可用性很高，在多雨和衛(wèi)星覆蓋邊緣地區(qū)，使用稍大口徑的天線即可獲得必要的性能余量。因此，目前大多數(shù)VSAT系統(tǒng)主要采用Ku頻段。第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日2.VSAT系統(tǒng)工作原理

1）外向(Outbound)傳輸

在VSAT網(wǎng)中，主站向外方向發(fā)射的數(shù)據(jù)，也即從主站通過衛(wèi)星向小站方向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，叫作外向傳輸數(shù)據(jù)。外向信道通常采用時分復用(TDM)或統(tǒng)計TDM技術連續(xù)性地向外發(fā)射，即從主站向各遠端小站發(fā)送的數(shù)據(jù)，由主計算機進行分組格式化，組成TDM幀，通過衛(wèi)星以廣播方式發(fā)向網(wǎng)中所有遠端小站。為了各VSAT站的同步，每幀(約1s)開頭發(fā)射一個同步碼。同步碼特性應能保證各VSAT小站在未糾錯誤比特率為1×10-3時，仍能保證可靠地同步。該同步碼還應向網(wǎng)中所有終端提供TDMA幀的起始信息(SOF)。第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日2)內向(Inbound)傳輸

各遠端小站通過衛(wèi)星向主站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)叫作內向傳輸數(shù)據(jù)。在VSAT網(wǎng)中，各個用戶終端可以隨機地產生信息。因此，內向數(shù)據(jù)一般采用隨機方式發(fā)射突發(fā)性信號。采用信道共享協(xié)議，一個內向信道可以同時容納許多小站，所能容納的最大站數(shù)主要取決于小站的數(shù)據(jù)率。許多分散的小站，以分組的形式，通過具有延遲τS秒的RA/TDMA衛(wèi)星信道向主站發(fā)送數(shù)據(jù)。由于VSAT本身一般收不到經(jīng)衛(wèi)星轉發(fā)的小站發(fā)射信號，因此不能用自發(fā)自收的方法監(jiān)視本站發(fā)射信號的傳輸情況。因而利用爭用協(xié)議時，需要采用肯定應答(ACK)方案，以防止數(shù)據(jù)的丟失，即主站成功收到小站信號后，需要通過TDM信道回傳一個ACK信號，宣布已成功收到了數(shù)據(jù)分組。如果由于誤碼或分組碰撞造成傳輸失敗，小站收不到ACK信號，則為失敗的分組，需要重傳。第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日

綜上所述可以看出，VSAT網(wǎng)與一般衛(wèi)星網(wǎng)不同，它是一個典型的不對稱網(wǎng)絡。即鏈路兩端設備不同；執(zhí)行的功能不同；內向和外向業(yè)務量不對稱；內向和外向信號強度不對稱，主站發(fā)射功率大得多，以便適應VSAT小天線的要求。VSAT發(fā)射功率小，主要利用主站高的接收性能來接收VSAT的低電平信號。第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)絡結構及組網(wǎng)形式

VSAT通信網(wǎng)的基本結構有星型、網(wǎng)型及兩者的混合形式。在星型網(wǎng)中，外圍各遠端小站只與中心站直接發(fā)生聯(lián)系，它們互相之間不能通過衛(wèi)星直接互通。如有必要，各小站需經(jīng)中心站轉接方能建立聯(lián)系(形成邏輯上的網(wǎng)型網(wǎng))。星型網(wǎng)絡拓撲,它是目前VSAT網(wǎng)中應用最廣泛的網(wǎng)絡形式。第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日VSAT網(wǎng)絡結構(a)星型網(wǎng)絡；(b)網(wǎng)型網(wǎng)絡；(c)星型和網(wǎng)型混合網(wǎng)絡；(d)點—點或衛(wèi)星單跳結構(VSAT作網(wǎng)關)；(e)VSAT作遠端終端第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng)接入方式（多址協(xié)議）

1.頻分多址(FDMA)

FDMA是一種傳統(tǒng)的多址方式，F(xiàn)DM/FDMA和TDM/QPSK/FDMA一般用在業(yè)務量大的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。在VSAT系統(tǒng)中一般采用SCPC/FDMA多址方式，尤其在以傳輸話音為主的VSAT系統(tǒng)中大量采用SCPC方式，與按需分配(DAMA)技術相結合，可以大大提高衛(wèi)星信道利用率。SCPC方式的另一個優(yōu)點是，各個地球站發(fā)射功率大小僅與本站發(fā)射載波(即信道)數(shù)有關，與整個VSAT系統(tǒng)的信道數(shù)(即系統(tǒng)總通信量)無關。業(yè)務量較小的地球站可以發(fā)射較小的功率，從而降低了小站成本。第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日

2.時分多址(TDMA)

TDMA是一種適用于大容量通信的多址方式，適用于站少容量大的系統(tǒng)。像VSAT這樣一種站數(shù)十分多的系統(tǒng)單純使用TDMA是不合理的。但TDMA是一種很有吸引力的多址方式，尤其數(shù)字傳輸系統(tǒng)為TDMA的實現(xiàn)創(chuàng)造了有利的技術基礎。在VSAT系統(tǒng)中，TDMA是與FDMA及頻率跳變(FH)結合在一起發(fā)揮其優(yōu)點的。系統(tǒng)占用的帶寬先按頻率劃分成各個載波，然后在每個獨立載波的基礎上使用TDMA。每個站指定的載波在所分配的時隙內發(fā)射，時隙的長短可以按業(yè)務量改變，也可以在必要時跳變到另一個載波上指定的時隙內發(fā)射。這種多載波的TDMA方式避免使用較大的TDMA載波，降低了小站發(fā)射功率和成本，在VSAT系統(tǒng)中廣泛應用，并與DAMA技術相結合。常用的形式有：第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日

(1)預分配TDMA(TDMA/PA)。它是最基本的TDMA方式，但一般可以做到按時重分配。由網(wǎng)絡控制中心設定各站信道數(shù)及路由，在指定的時刻切換改變。

(2)按需(動態(tài))分配TDMA(TDMA/DA)。各站僅在有業(yè)務要發(fā)送時向控制中心申請時隙，由控制中心實時分配時隙。

(3)比特流方式。系統(tǒng)通過配置，設定用戶固定地使用某一段固定時隙進行透明傳輸。這是在有協(xié)議支持的系統(tǒng)中為用戶提供無需協(xié)議支持的透明信道的一種方式。比特流時隙的分配可以是按需分配，也可以是預分配。在實際應用中，這一時隙的安排通常是在內向載波和外向載波中同時對應設置的。對于具有均勻輸入比特速率且要求實時傳送的用戶數(shù)據(jù)(如數(shù)字話音業(yè)務)，比特流方式是最佳的。第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日(4)組合訪問TDMA(CA/TDMA)。該方式是一種同時包括爭用方式和固定分配方式的多址訪問協(xié)議，它由前述S-ALOHA和固定分配TDMA(FA/TDMA)兩種方式組成。它主要用于信道內各VSAT的異型混合，其中有些需要低延時的交互式應用，有些則要求分配專用信道來傳輸大業(yè)務量交互式數(shù)據(jù)和/或批文件。CA/TDMA具有良好的韌性、中等的時延、批數(shù)據(jù)傳輸所需的吞吐量、中等的復雜程度及中等的信道利用率，因此比較適合于中等要求下的交互式數(shù)據(jù)傳輸以及專用帶寬占用下的數(shù)據(jù)傳輸。第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日

(5)自適應多址方式。目前在大型VSAT網(wǎng)中，采用的最為先進的多址方式為自適應多址方式。它綜合了幾種多址方式的優(yōu)點，根據(jù)VSAT網(wǎng)中實際業(yè)務的特點動態(tài)地選取適合的多址方式。對于大量的低業(yè)務量、短數(shù)據(jù)突發(fā)的用戶，為保證短的響應時間，宜采用S-ALOHA方式，而當需要傳輸偶爾出現(xiàn)的長數(shù)據(jù)報文時，可采用預約方式，通過S-ALOHA信道預約或拆除預約，預約用戶得到批準后，可長時間獨占預約得到的信道時隙，直到傳輸完畢拆除預約為止。對于傳輸數(shù)字話音和要求透明傳輸用戶數(shù)據(jù)的場合，可采用比特流方式，將一定時隙固定分配給用戶獨用。用戶究竟采用哪種方式可以在系統(tǒng)組建時預先設置好，也可以在系統(tǒng)運行過程中根據(jù)需要通過主站的控制進行自適應調整。可以做到自動測控、自動調節(jié)，協(xié)議之間可智能轉換。第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日

3.碼分多址(CDMA)方式

CDMA方式的優(yōu)點是抗干擾性強。常用的CDMA實現(xiàn)方案是直接序列擴頻(DS)。采用CDMA方式的系統(tǒng)中各站在同一時間使用同一頻率，且發(fā)射功率不需進行嚴格監(jiān)控，因此整個系統(tǒng)不需要復雜的網(wǎng)絡控制。CDMA的主要缺點是頻帶利用率低，一般僅為百分之十幾。因此，該方式適用于傳輸速率較低的業(yè)務，用于較小的系統(tǒng)，尤其是軍用通信系統(tǒng)，也可用于廣播式系統(tǒng)中。第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日

4.隨機多址(RA)方式

RA是一種爭用多址方式，是VSAT系統(tǒng)中應用最廣泛的多址協(xié)議，無論是P-ALOHA、S-ALOHA，還是SREJ-ALOHA均有應用。隨機多址協(xié)議不僅其本身作為獨立的數(shù)據(jù)信道多址協(xié)議應用，而且在許多新型的多址協(xié)議(如預約協(xié)議、組合訪問協(xié)議和自適應協(xié)議)中，它也是重要的組成部分。第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日

多址協(xié)議的選擇第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日VSAT通信網(wǎng)1.話音VSAT網(wǎng)的網(wǎng)絡結構

(1)業(yè)務信道。話音VSAT網(wǎng)通常采用電路交換方式，這是由電話業(yè)務的實時性決定的。話音VSAT網(wǎng)的業(yè)務子網(wǎng)中，業(yè)務信道(話音信道)多采用SCPC方式(也可采用TDMA等多址方式)。對以話音為主、采用電路交換的話音VSAT網(wǎng)而言，顯然采用DAMA方式分配信道資源比較合適，但在少數(shù)大業(yè)務量的站間也可分配一定數(shù)量的預分配信道。第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日

(2)控制信道。話音VSAT網(wǎng)的控制子網(wǎng)相當于一個數(shù)據(jù)網(wǎng)。在控制子網(wǎng)中，小站和中心站之間一般采用TDM/ALOHA體制，即外向傳輸采用TDM，內向傳輸采用ALOHA、S-ALOHA或其它改進型。此種方式技術簡單、造價低，因此在實際系統(tǒng)中應用較多。第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日2.話音VSAT網(wǎng)按需分配呼叫過程話音VSAT網(wǎng)的信道分配方式通常是按需分配與預分配相結合的。按需分配的呼叫過程有三個基本階段：呼叫建立。(2)通話。(3)拆線。第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日DAMA網(wǎng)絡結構第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日(1)DAMA呼叫建立過程。

呼叫建立過程第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日建立一個DAMA呼叫的步驟如下：①呼叫方的PABX占用至VCU的中繼線。②VCU確認該線占用并向呼叫方PABX發(fā)回一“占用確認”信號，同時準備接收撥號號碼。③VCU接收到號碼的最后一位數(shù)后，即形成一“呼叫請求”信息(其中含有撥號號碼)，并將其發(fā)給NCS。④NCS立即向呼方VCU發(fā)回一“確認”信號以應答該ALOHA信息。第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日⑤NCS確定被叫方VCU的地址后，即檢驗該VCU是否處于空閑狀態(tài)。若該VCU可用，則在主叫方和被叫方VCU之間建立一條話音電路，這兩個VCU在NCS處被標識處于工作狀態(tài)，這樣就不會再被分配用作另一呼叫。⑥NCS接著給主叫方和被叫方發(fā)送一“呼叫分配”信息。該信息內容包括：誰是呼叫方，誰是被叫方，呼叫所用頻率等。同時在NCS的呼叫記錄中開始對此次呼叫計時。⑦呼叫和被叫VCU均調諧在分配的話音電路上，被叫方VCU同時占用與其相連的PABX的中繼線。⑧收到撥號號碼后，PABX將電路接通至被呼號用戶。第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日(2)DAMA呼叫的拆線過程。DAMA呼叫的拆線過程如圖所示。

DAMA呼叫的拆線順序第三十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日話音呼叫的拆線步驟如下：①呼叫方掛機后，呼叫方PAB