第6章 VSAT卫星通信网

第6章VSAT卫星通信网VSAT卫星通信网•VSAT:VerySmallApertureTerminal是甚小口径终端。•甚小口径:它的地面接收天线口径很小（一般在3米以内）;•终端:它本身是一个具有多功能的卫星地面站。VSAT是80年代中期美国开发的一种卫星通信设备，它建造成本很低,容易在作业现场或其用地面线路难以到达的场合进行安装。VSAT小站一般是与中心站用网络的形式协同工作的，通常一个中心站可以控制许多地面上的小站面形成广域上的卫星通信网。如今，VSAT已广泛应用于石油技术服务、军事、金融、水利、气象、航空、新闻、人防及沙漠边远地区的数据通信。甚小天线地球站（VSAT）卫星网络系统VSAT系统指由天线口径小，G/T值低于19.7dB/K，并用软件控制的大量地球站构成的卫星传输系统。一个VSAT系统可以包括几百个甚至几千个终端小站。在双跳形式的VSAT网络中，各远端站可以通过中心站进行通信。单双跳混合形式的中心站和远端站之间可以通电话和数据；各远端站之间可以通数据和录音电话。全连接网络需设一个枢纽站（控制站），以根据各站的业务需求分配信道。VSAT网以SCPC/FDMA方式工作。VSAT网的构成形式VSAT的优点建造成本低，覆盖范围广安装方便，可在楼顶，水泥座上安装集成性好，可将语音数据集成在一起使用相对独立，容易组成点对点的网络而不受公网的制约通信质量好，抗干扰能力强组网方便，可以是星、网或星网结合数据安全性好3、VSAT业务分类TES---以话音为主（TelephonyEarthStation）PES---以数据为主（PersonalEarthStation）ISBN---以综合业务为主VSAT组网方式1、星状结构小站1—卫星—主站—卫星—小站2小站2—卫星—主站—卫星—小站1星状结构的小站间是通过主站进行的，因此，对主站的依赖性很强。另外，由于信号是两次上星下星，因此时延比较大，不适合于话音传输。当用于话音时，小站1讲话时，小站2经过一定的延时才能听到，当听到后要等小站1讲完再回话，否则两端谁也没听清。有点半双工电台的感觉。这种结构比较适合于数据传输。2、网状结构小站1—卫星—小站2小站2—卫星—小站1网状结构可以直接经过卫星进行小站1与小站2间的通信，它的时延比较小，经较适合话音信号的传输。3、星网结合VSAT可以支持综合业务，可以在小时延的情形下用网状，长时延用星状。VSAT小站的工作方式1、VSAT接收站只负责接收数据，如接收电视节目2、VSAT收发站如TES或PES地面小站与互联网的接入VSAT的工作频段UHF：0.3GHz-1.12GHzL：1.12GHz-2.6GHzS：2.6GHz-3.95GHzC：3.95GHz-8.2GHzX：8.2GHz-12.4GHzKu：12.4GHz–18GHzK：18GHz-26.5GHzKa：26.5GHz–40GHz毫米波：40GHz–300GHz大多数VSAT都工作在C波段及Ku波段，C波段是早期使用的卫星波段，由于地面微波大多使用4G-6G的频段，正好落在C波段之内，因此地面微波与C波段卫星间的干扰比较大。这就要求C波段的VSAT一定要远离市区。现行国际卫星通信中的商用卫星大多数都使用6/4GHZ频段，即上行线路5.925-6.425GHZ，下行线路3.7-4.2GHZ。随着C波段的不断拥挤，开发了Ku波段。Ku波段与C波段相比具有如下特点：1、受地面微波干扰的可能性较小，VSAT可在市区使用。2、在地面站和卫星天线尺寸不变的前提下，Ku波段的波束宽度是C波段波束的一半,这就意味着赤道上排列卫星的密度可增大一倍。3、在卫星天线尺寸相同的情况下，Ku波段天线的接收增益是C波段的5.33倍，发射增益是9.15倍，可用于改善传输过程中的吸收损耗和采用小口径天线出现的性能下降等因素。4、Ku波段的雨衰现象比C波段严重，其特点是在暴雨、密集云雾情况下，电磁波在穿透约16km左右大气层时，会产生较大的吸收损耗。实际应用中一般采取加大卫星天线系统的系统余量来解决。VSAT网络按照业务类型可分为•小型数据地球站•小型通信站•小型电视单收站•例如美国休斯公司的PES系统以数据为主，兼传16kbps的声码话；TES系统则以32kbps/ADPCM话音为主，兼传数据和图像。根据调制方式、传输特性、天线口径以及应用等综合特点又可分为如下类型：VSAT（非扩频）：它的特点是高速、双向交互传输，采用非扩频的PSK调制和自适应带宽控制等。VSAT（扩频）：工作在C波段，采用直接序列扩频技术，例如美国赤道公司的C-100和C-200。USAT（特小口径终端，天线口径为0.250.3m）：是目前用于双向数据通信最小的地球站（便携式终端），又称为移动式VSAT或MSAT，它还采用了混合调制技术。•TSAT（T1载波小口径终端）：1.一次群速率1.544M或2.048Mbps，不需要主站，可以构成价格低廉的综合业务网（网形网络）；2.工作频段为C或Ku波段。3.TSAT网的灵活性优于地面的T1网络，且网络监视与控制能力很强，调制解调器采用了包括软判决等新技术。最多可容纳16个载波，每个载波有8个双向通路。4.多址方式为TDMA，信道分配采用DAMA方式。5.还有一些公司推出的TSAT，采用FDMA方式，提供星形网络结构的点对点的T1链路。TVSAT：主要用于广播文娱活动和商业电视（BTV）节目，也可以提供图像和高速数据业务。VSAT卫星通信网的组成及其工作原理一、VSAT网的组成典型的VSAT网由主站（中心站）、卫星转发器、许多远端VSAT小站组成。以下主要介绍星形网络结构的系统。1、主站是VSAT网的核心，使用大型天线，Ku波段为3.5～8m，C波段为7～13m。主站由高功率放大器、低噪声放大器、上/下变频器、调制解调器以及数据接口设备等组成。主站通常与主计算机配置在一起，也可以通过地面线路与主计算机连接。主站发射功率一般为数十瓦到数百瓦。为了对全网进行监测、控制、管理与维护，在主站还设网络监控与管理中心，对全网运行状态进行监控管理，（如监测各站工作状态、信道质量、信道分配、统计记费等）。一般采用模块结构，设备间以高速局域网方式连接。主站一般配有备用设备。2、小站•小站由小口径天线、室外单元、室内单元组成。•室外单元和室内单元通过中频同轴电缆IFL连接。•可以采用常用的正馈天线，也可以采用增益高、旁瓣小的偏馈天线（天线尺寸可以更小）。•室外单元包括GaAsFET（固态砷化镓场效应晶体管）固态功率放大器、低噪声FET放大器、上/下变频器及监测电路等，并把它们组装在一起作为一个部件，配置在天线馈源附近。•室内单元包括调制/解调器、编/译码器和为用户提供的数据接口等。3、卫星转发器二、VSAT网的工作原理在星形网络结构的VSAT网络中，所有小站都可以直接与主站通信，需要在两个小站间通信时，必须由主站转发，以“双跳”的形式进行通信。多址连接可以采用多种不同的多址协议，其工作原理也不同。下面介绍采用随机接入时分多址（RA/TDMA）方式的VSAT网络工作原理：1、外向传输：（主站到小站方向）通常采用时分复用或统计时分复用方式。首先由主计算机将发送的数据进行分组并构成TDM帧，以广播方式向网内所有小站发送，而网内某小站收到TDM帧后，根据地址码从中选出发给该小站的数据。根据一定的寻址方案，一个报文可以只发给一个指定的小站，也可以发给一群指定的小站或所有小站。外向传输的TDM帧格式如图6-7所示：为了使各小站可靠地同步，数据分组中的同步码特性应能保证VSAT小站在未加纠错码和误比特率达到10-3时仍能可靠同步。主站还应向网内所有地面终端提供TDMA帧的起始信息。当主站不发送数据分组时，则只发送同步码组。2、内向传输在采用随机接入时分多址（RA/TDMA）方式的VSAT网中，各小站用户终端一般采用随机突发方式发送数据。所有共享RA/TDMA信道的小站所发的数据分组必须有统一的定时，并与帧和时隙的起始时刻保持同步。定时信息由主站所发出的TDM帧的同步码中提取。TDMA数据分组如图6-8所示：•如图6-8所示，TDMA数据分组包括前同步码、数据字符组、后同步码和保护时间。•前同步码由比特定时、载波恢复、前向纠错以及其它开销组成。•数据字符组包括起始标志、地址码、控制码、用户数据、循环冗余校验位和终止标志。其中控制码主要用于小站发送申请信息。3、VSAT网中的交换：在VSAT网中，各站通信终端的连接是唯一的，没有备份路由，全部交换功能只能通过主站内的交换设备完成。•突发数据：为了提高信道的利用率和可靠性，最好采用分组交换方式。•对于外向链路：由于采用分组传输才便于对每次经过卫星转发的数据进行差错控制和流量控制，即使成批数据业务也应采用数据分组格式。•对于内向链路：来自各VSAT小站的数据分组到了主站，也应采用分组格式和分组交换。通过主站交换设备汇集来自各VSAT小站的数据分组，以及从主计算机和地面网来的数据分组，同时又按照数据分组的目的地址，转发给外向链路、主计算机和地面网。采用分组交换不但提高了卫星信道利用率，还减轻了用户设备的负担。•对于要求实时性很强的话音业务，包括声码话：因为分组交换的延迟太大，应该采用线路交换。所以对于综合业务的VSAT网（要求同时传输数据和话音），网内主站应对这两种业务分别设置交换设备并提供各自的接口。在主站，这两种交换机之间也可能是有信息交换的。VSAT网主站的交换设备如图6-9所示。线路交换机设有主站用户声码话接口，并输入内向链路的声码话数据和输出外向链路的同步时分复用（STDM）声码话数据。分组交换机则设有异步时分复用（ATM）数据。综上所述，VSAT网与一般卫星网不同，它是一个典型的不对称网络：链路两端设备不相同；内向和外向业务量不对称；内向和外向信号强度不对称；主站发射功率大得多，以适应VSAT小天站的要求，而VSAT小站发射功率小，主要利用主站高的接收增益来接收VSAT小站的低电平信号。VSAT数据通信网的多址协议一、卫星数据通信网的特点与多址协议的确定：对于话音和大量成批数据传输，可以采用FDMA和TDMA多址方案，但是对于交互式或询问应答型数据传输业务，则应根据它们的特点选择卫星通信网的多址协议。这些特点是：1、随机地并且是断续地使用卫星信道，数据通信的峰值和平均传输速率的比值很大；2、卫星数据通信网要容纳从低速到高速多种速率的业务；3、应可以进行分组数据传输；4、利用卫星信道的广播性质，进行数据传输的通信网，一般都拥有大量的小型地球站。用于数据传输的卫星通信网，如果仍然采用预分配的FDMA和TDMA多址方式，会使得信道利用率太低，是不适宜的，即使采用按需分配的方式，如果发送数据的时间远小于申请分配信道的时间，信道利用率也不会有较大提高。确定一种有效的多址协议时应考虑的主要原则是：①要有较高的卫星信道共享效率，即呑吐量要高；②有较短的延迟，其中包括平均延迟和峰值延迟；③在信道出现拥塞的情况下，具有稳定性；④应有能承受信道误码和设备故障的能力；⑤建立和恢复时间短；⑥易于组网，且设备造价低。目前，按数据提出报文入网的类型，可供使用的卫星信道的多址协议大致有以下三种：⑴固定预分配方式⑵争用/随机方式⑶预约/可控方式二、固定分配多址方式：㈠、非时隙固定预分配方式1、SCPC/FDMA方式：该方式对于电话传输系统是非常有效的，但是对突发性数据传输则效率很低。2、CDMA方式：固定分配的CDMA方式频带利用率低，主要用在对提高抗干扰性能具有重要意义的场合。㈡、分时隙固定分配（TDMA）方式因为不存在信道的动态分配问题，开销是随站数N的增大而增加的，所以，这种系统仅适应于有少数中、大容量的VSAT站的卫星通信网。当N较大时，因为帧长的传输时间以及延迟随站数N的增加而迅速加大，还因为低效率服务使排队延迟增大，所以这种方式的延迟特性较差。三、争用/随机多址协议因为采用固定方式引入的开销是随支持的终端数目线性增长的，对于大量低平均