基于DVB－RCS的VSAT寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)與應(yīng)用

郅 琦

(中國電子科技集團公司第39研究所通信部，陜西西安 710065)

1 VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng)原理

VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng)通常以主站為中心，通過衛(wèi)星與各小站連成星形網(wǎng)。每個小站支持一組用戶終端或LAN，主站與數(shù)據(jù)處理中心或信息庫相連。

數(shù)據(jù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息通常以分組的方式進行傳輸和交換。作為VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng)，它提供開放系統(tǒng)互連體系結(jié)構(gòu)OSI參考模型下三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的服務(wù)。下三層所關(guān)心的是網(wǎng)絡(luò)的連接和通信。對于單節(jié)點衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來說，它對系統(tǒng)兩端所產(chǎn)生的分組起中繼作用，實現(xiàn)1～3層功能，如圖1所示。在第3層執(zhí)行交換和路由選擇功能。各層的功能定義、協(xié)議標(biāo)準和層間接口均有相關(guān)規(guī)定。由于衛(wèi)星信道的共用性，在第2層實現(xiàn)用戶協(xié)議與VSAT網(wǎng)絡(luò)多址協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

圖1 VSAT網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)OSI結(jié)構(gòu)

2 VSAT網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢

VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)是20世紀末興起的一種新型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。它的出現(xiàn)是衛(wèi)星通信技術(shù)的重大突破，其不僅改變了當(dāng)前衛(wèi)星通信行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)規(guī)模，還形成了新的組網(wǎng)概念。

隨著網(wǎng)絡(luò)的寬帶化和業(yè)務(wù)需求的多樣化，VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)正從傳統(tǒng)窄帶數(shù)據(jù)通信應(yīng)用，向一個融合電信、廣播、計算機的寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。在提供傳統(tǒng)的話音、數(shù)據(jù)交互等業(yè)務(wù)的同時，寬帶化的VSAT設(shè)備還擴展了遠程教育、遠程醫(yī)療、電視會議等功能;隨著廣播業(yè)務(wù)的發(fā)展，利用衛(wèi)星通信的廣域覆蓋特性和寬帶衛(wèi)星廣播技術(shù)，實現(xiàn)新聞、數(shù)據(jù)分發(fā)和廣播，數(shù)據(jù)視頻音頻廣播到戶、衛(wèi)星尋呼、Web廣播、視頻點播(VOD)、IP數(shù)據(jù)音頻和視頻廣播等。寬帶衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸作為計算機互連網(wǎng)的一部分，提供了方便的文件軟件下載和Internet接入、企業(yè)的Internet互連、ISP骨干業(yè)務(wù)、電子郵件、電子商務(wù)、金融證券等，并且還將隨著需求和技術(shù)更新，不斷提供更多樣的業(yè)務(wù)服務(wù)。

3 DVB－RCS開放標(biāo)準

衛(wèi)星寬帶接入從技術(shù)上的可行性已經(jīng)論證多年，在已提出的幾項新技術(shù)和架構(gòu)中，DVB－RCS開放標(biāo)準已獲得了商業(yè)成功。DVB－RCS是衛(wèi)星通信市場上第一個非專有的雙向VSAT標(biāo)準，其市場和設(shè)備相對成熟。DVB－RCS標(biāo)準是一個真正的開放型標(biāo)準，允許不同執(zhí)行DVB－RCS標(biāo)準廠商的產(chǎn)品可以具有互操作性。

DVB－RCS標(biāo)準:

出向信道:DVB/MPEG－2數(shù)據(jù)格式，IP封包，數(shù)據(jù)速率達到 45 Mbit·s－1。

回傳信道:MF －TDMA，QPSK，數(shù)據(jù)速率4 Mbit·s－1。

MF－TDMA(Multiple Access－Time Division Multiplex)多頻時分多址，它是從時間和頻率上分為一個二維幀，如圖2所示。上行線路的所有終端可以合用一個二維MF－TDMA幀，分為若干個不相覆蓋的時間頻率槽，如圖2所示，顯著提高了系統(tǒng)容量。由于每個終端發(fā)出的多媒體業(yè)務(wù)是突發(fā)的，因而多路合用必須是動態(tài)的。MF－TDMA的優(yōu)勢在于:載波頻率和分配帶寬都可以靈活適應(yīng)多變的多媒體傳輸要求，而且時隙和突發(fā)速率都可以根據(jù)網(wǎng)控中心的要求來改變，有效降低了終端功率和傳輸速率，從而降低終端成本。

由于DVB－RCS標(biāo)準的出臺，結(jié)束了各個VSAT廠商各自為陣、標(biāo)準不統(tǒng)一的局面，使得芯片的生產(chǎn)趨于標(biāo)準化，這樣DVB－RCS設(shè)備在性能上與傳統(tǒng)的VSAT設(shè)備已經(jīng)不可同日而語，而價格卻比傳統(tǒng)的VSAT設(shè)備擁有更強的市場競爭力。近年來，阿而卡特、Gilat、Viasat以及NewTech等業(yè)內(nèi)知名公司宣布，他們的設(shè)備均遵從DVB－RCS標(biāo)準，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)建設(shè)有數(shù)百個完全依從DVB－RCS標(biāo)準的系統(tǒng)。美軍計劃2008年開始投資1億美元在全球大規(guī)模部署DVB－RCS系統(tǒng)，作為寬帶數(shù)據(jù)鏈的組成部分。

圖2 MF－TDMA幀原理圖

自DVB－RCS標(biāo)準推出以來，使得傳統(tǒng)的VSAT系統(tǒng)經(jīng)歷了一場革命，在性價比上得到了前所未有的提升，使得寬帶雙向衛(wèi)星通信系統(tǒng)在城市的地面互聯(lián)網(wǎng)迅速擴展的同時，也擴展到了偏遠農(nóng)村那些地面線路無法覆蓋的地方，實現(xiàn)了與地面線路的無縫連接。

4 VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)在農(nóng)村的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用概述

“低成本、廣覆蓋、低功耗、易維護”是面向未來我國農(nóng)村通信市場發(fā)展的技術(shù)特點，因其組網(wǎng)靈活，不受地形影響;通信容量大、覆蓋面廣、可同時傳輸數(shù)據(jù)和話音;具有多點廣播能力，便于擴容;既可與地面系統(tǒng)相結(jié)合，又可繞開復(fù)雜的地面網(wǎng)建立獨立的衛(wèi)星網(wǎng)等適合農(nóng)村通信的諸多優(yōu)點。因此，自20世紀末以來，衛(wèi)星通信在我國農(nóng)村通信中就已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息化的快速發(fā)展，農(nóng)村通信對寬帶業(yè)務(wù)的需求越來越大，VSAT寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)不僅能夠滿足農(nóng)村日益增長的寬帶業(yè)務(wù)需求，而且成本較低，應(yīng)用前景廣闊。伴隨著“村村通”工程的深入應(yīng)用，其已成為目前解決我國農(nóng)村通信問題的主要通信手段之一。

4.2 系統(tǒng)介紹

該VSAT寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)基于DVB－RCS，工作于Ku頻段，由一個中心主站和若干個遠端站組成，并且遠端站可隨需求增減。系統(tǒng)基于IP平臺設(shè)計，基本通信體制為 TDM/MF－TDMA，出向支持 DVBS/S2，入向支持 DVB － RCS。出向速率 15 Mbit·s－1，回傳速率:1.6～2 Mbit·s－1。組網(wǎng)規(guī)模靈活。該系統(tǒng)的基本拓撲結(jié)構(gòu)為星狀和網(wǎng)狀，如圖3所示。

圖3 VSAT寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

中心主站到遠端站是廣播式的TDM載波，遠端站到中心主站采用適當(dāng)速率的多載波TDMA。這種方式是將若干遠端站的發(fā)射信號編為一組以TDMA方式組合，再調(diào)制到一個載波上發(fā)射出去，同時，主站將以多個載波的TDMA形式接收來自遠端小站的信息。在這種方式下，各站接收和發(fā)射的頻率和時隙是可調(diào)的。由于采用TDM、MF－TDMA的組合，系統(tǒng)的靈活性增強，容量顯著提高。一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器能夠容納幾千個遠端站。中心主站擔(dān)負全網(wǎng)的系統(tǒng)管理職能，對網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)測和控制。遠端站周期性地從主站發(fā)出的信號中診斷本站的工作狀態(tài)。

系統(tǒng)業(yè)務(wù)包括:(1)實時的電視電話會議。(2)高清晰圖像傳輸。(3)文件數(shù)據(jù)傳輸。(4)Internet接入。(5)話音服務(wù)。(6)信息共享。

系統(tǒng)特點:(1)靈活的組網(wǎng)方式。數(shù)據(jù)傳輸為星狀拓撲，話音通信為網(wǎng)狀拓撲。因此既可以支持遠端站到主站之間的一跳通信，也可以支持兩個遠端站之間的一跳通信。(2)支持多業(yè)務(wù)。(3)接口多樣。(4)動態(tài)帶寬分配。(5)高可靠性設(shè)計，保障系統(tǒng)的高可用度。(6)系統(tǒng)自動識別語音信號，支持QoS設(shè)計，為話音預(yù)留帶寬，使得話音通信在任何時候都享有最高優(yōu)先級。(7)主站模塊化設(shè)計，易于擴展、維護、升級。(8)遠端站無人值守，安裝、維護簡單。(9)網(wǎng)管界面友好，功能強大。

4.3 子系統(tǒng)配置說明

4.3.1 中心站配置

中心站是VSAT寬帶系統(tǒng)的核心，使用Ku頻段6 m天線。由天線/控制子系統(tǒng)、高功率放大器SSPB、低噪聲放大器LNA、信道子系統(tǒng)、IP子系統(tǒng)和網(wǎng)管子系統(tǒng)等組成。因主站關(guān)系到整個VSAT網(wǎng)的運行，所以采用1∶1設(shè)備備份冗余。

中心站提供整個VSAT網(wǎng)接入外部通信網(wǎng)的接口。VSAT網(wǎng)可以看作是一個由衛(wèi)星建立連接的局域網(wǎng)，語音、視頻、數(shù)據(jù)通過IP來傳輸，可同時接收10路圖像(1.5 Mbit·s－1×10)。在中心站，通過VoIP語音網(wǎng)關(guān)和PBX使VSAT網(wǎng)內(nèi)電話與PSTN連接，支持120路話音通道;通過路由器使VSAT網(wǎng)與Internet連接起來，滿足專網(wǎng)對外網(wǎng)訪問的要求。中心站的系統(tǒng)基本構(gòu)架如圖4所示。

圖4 主站架構(gòu)示意圖

系統(tǒng)主站的基本組成架構(gòu)為4個子系統(tǒng):

(1)前向鏈路子系統(tǒng)(FLSS)。完成中心站與遠端站話音、圖像及數(shù)據(jù)等信息的廣播。

(2)回傳鏈路子系統(tǒng)(RLSS)。完成遠端站與中心站的回傳包括控制等信息的通信。

(3)IP子系統(tǒng)(IPSS)。負責(zé)廣播及控制信息的數(shù)據(jù)處理，將所傳信息打包成IP包，完成不同接口的統(tǒng)一IP傳輸。

(4)網(wǎng)管子系統(tǒng)(NetManager)。由網(wǎng)管系統(tǒng)對整個系統(tǒng)的運行情況、操作系統(tǒng)、指揮/控制系統(tǒng)、保持狀況及統(tǒng)計信息進行管理。系統(tǒng)管理員可通過Internet這樣一個靈活的方式，訪問網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)，包括用戶管理、QoS管理、SLA管理、配置管理等。

4.3.2 遠端站配置

遠端站由1.8 m天線、功放、低噪聲放大器、變頻器、調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)終端等組成，如圖5所示。通常采用固化部件，便于安裝與維護，可直接與數(shù)據(jù)終端連接。天線直徑可依據(jù)雨衰量大小，采用不同直徑。遠端站可通過VOIP網(wǎng)關(guān)連接至話音網(wǎng)關(guān)或PC及PSTN，傳輸1路圖像 (1.5 Mbit· s－1)，2 路 VoIP，1 路 數(shù)據(jù)(64 kbit·s－1)。衛(wèi)星modem連接一個交換機，交換機上連接各種應(yīng)用設(shè)備，例如電話、計算機、視頻終端等。

圖5 遠端站組成結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語

VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)向?qū)拵I(yè)務(wù)發(fā)展已是必然趨勢，但由于以往建設(shè)的VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)標(biāo)準不統(tǒng)一、各自為陣，使得終端設(shè)備的投入成本較昂貴，使其在市場上的推廣受限。如何積極地統(tǒng)一標(biāo)準、研發(fā)新技術(shù)以期使衛(wèi)星寬帶接入大幅降低成本，能被廣泛地接受，是目前研究和應(yīng)用的熱點。其中，基于DVBRCS標(biāo)準因其開放性好越來越被重視，尤其在解決我國偏遠農(nóng)村地區(qū)的寬帶衛(wèi)星通信，將發(fā)揮重要作用，并具有廣闊的應(yīng)用前景。

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