基于IP的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

● 文|中國航天科技集團(tuán)公司第七〇四研究所 王恒彬 王先朋 周三文 閆朝星

基于IP的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

● 文|中國航天科技集團(tuán)公司第七〇四研究所 王恒彬 王先朋 周三文 閆朝星

甚小孔徑終端（Very Small Aperture Terminal，VSAT）衛(wèi)星通信技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的一種新的衛(wèi)星通信技術(shù)，具有靈活性強(qiáng)、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(diǎn)。VSAT技術(shù)在20世紀(jì)90年代得到快速的發(fā)展，是30多年來衛(wèi)星通信技術(shù)的轉(zhuǎn)折。VSAT也被稱為衛(wèi)星小站、外圍站或個(gè)人地球站，“甚小孔徑”是指VSAT系統(tǒng)小站設(shè)備的天線口徑小，通常為0.3～2.4m。由眾多甚小天線地球站組成的衛(wèi)星通信網(wǎng)，叫做“VSAT網(wǎng)”。 VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)由兩大部分組成：空間部分和地面部分?？臻g部分主要指通信衛(wèi)星，一般使用地球靜止軌道通信衛(wèi)星，衛(wèi)星可以工作在不同的頻段，如C、Ku和Ka頻段。星上轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)射功率應(yīng)盡量大，以使VSAT地面終端的天線尺寸盡量小。VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)有十分明顯的特點(diǎn)：天線小、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、功耗小、環(huán)境要求低、安裝方便、覆蓋范圍大、組網(wǎng)靈活且有獨(dú)立性，這些特點(diǎn)特別適合于許多大型企業(yè)或部門的通信要求。

隨著全球互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)化興起及交互式寬帶多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)（TCP/IP）協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，得到了極大的普及和推廣。目前從語音到視頻，從數(shù)據(jù)到傳真，基于TCP/IP 協(xié)議的設(shè)備和終端都是層出不窮，極大地拓展和豐富了互聯(lián)網(wǎng)及寬帶多媒體的應(yīng)用。另外，隨著國家三網(wǎng)融合的工程實(shí)施和推進(jìn)以及物聯(lián)網(wǎng)的提出和發(fā)展，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合是大勢所趨。在全球網(wǎng)絡(luò)化的大環(huán)境下，TCP/IP協(xié)議作為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，必將起到舉足輕重的作用。VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)作為一種無線通信系統(tǒng)，如果不能支持IP協(xié)議，在實(shí)際應(yīng)用中將面臨著很大的局限性，另外在網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通方面也會有很多不便之處。基于IP的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，具有地面通信無法比擬的優(yōu)勢，借助VSAT用戶數(shù)據(jù)終端，可直接利用衛(wèi)星信道與遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳遞、文件交換或遠(yuǎn)程處理，從而擺脫了本地區(qū)的地面中繼線問題，在地面網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達(dá)、通信線路質(zhì)量不好或難于傳輸高速數(shù)據(jù)的邊遠(yuǎn)地區(qū)，使用VSAT作為數(shù)據(jù)傳輸手段是一種很好的選擇。

一、VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成

VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的地面部分由中心站、外圍站和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)組成，如圖1所示。中心站是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的核心，對各個(gè)外圍站執(zhí)行統(tǒng)一的管理和監(jiān)控；外圍站是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的通信節(jié)點(diǎn)，一般直接安裝于用戶處，與用戶的終端設(shè)備連接。

圖1　VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)組成

1.VSAT網(wǎng)絡(luò)中心站

中心站包括天線系統(tǒng)、信道單元和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)三部分。

1）天線系統(tǒng)為室外單元，包括收發(fā)天線、低噪聲下變頻器（LNB）和上變頻功率放大器（BUC），收發(fā)天線對準(zhǔn)已知經(jīng)度的同步衛(wèi)星，天線上雙工饋源敏感到C/Ku/ Ka頻段衛(wèi)星通信信號，通過LNB變頻為L頻段中頻信號，并進(jìn)行低噪聲放大，經(jīng)電纜送入室內(nèi)，由衛(wèi)星通信終端接收解調(diào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)域處理；同時(shí)衛(wèi)星通信終端用戶數(shù)據(jù)以L頻段中頻信號方式輸出，經(jīng)由射頻電纜傳送到天線座處，由BUC變頻為C/Ku/Ka頻段信號，并進(jìn)行功率放大，通過饋源由天線口面發(fā)射出去。

2）信道單元主要包括外向時(shí)分復(fù)用（TDM）信道、內(nèi)向ALOHA信道和業(yè)務(wù)信道。TDM信道作為中心站的外向信道，用于中心站向外圍站發(fā)送數(shù)據(jù)，TDM信道為連續(xù)信道；ALOHA信道作為中心站的內(nèi)向信道，用于接收外圍站的數(shù)據(jù)，ALOHA信道為突發(fā)信道；業(yè)務(wù)信道機(jī)作為中心站和外圍站進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，根據(jù)通信需求可進(jìn)行多路配置。

3）網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)控制和管理的核心，包括業(yè)務(wù)處理服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)器、加密服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)外圍站注冊登記、入網(wǎng)/退網(wǎng)管理、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控、通信業(yè)務(wù)處理、信道分配調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)功率控制、通信時(shí)長統(tǒng)計(jì)查詢、數(shù)據(jù)加密等功能。

系統(tǒng)對外提供標(biāo)準(zhǔn)的IP接口，可以直接接入地面IP網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)（Internet）、公用電話交換網(wǎng)（PSTN），也可以通過IP網(wǎng)和GSM、WiFi、藍(lán)牙等無線網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通；可以直接和IP業(yè)務(wù)終端連接，支持文件傳輸、電子郵件、網(wǎng)站訪問、IP視頻和VOIP語音等IP應(yīng)用。中心站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　中心站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中心站一般使用大型天線，由高功率放大器、低噪聲放大器、衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器以及數(shù)據(jù)接口設(shè)備等組成。衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器通過統(tǒng)一的硬件平臺加載不同的軟件實(shí)現(xiàn)TDM信道、ALOHA信道和業(yè)務(wù)信道的功能，其中ALOHA信道和業(yè)務(wù)信道的數(shù)量可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模配置多個(gè)。中心站的典型配置為，設(shè)備間通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過同軸電纜連接到集光纖配線單元（ODU），根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，可通過以太網(wǎng)連接至PSTN、Internet等外部網(wǎng)絡(luò)。

2.VSAT網(wǎng)絡(luò)外圍站

外圍站由天線系統(tǒng)、信道單元和應(yīng)用系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　外圍站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)射頻信號的收發(fā)和變頻。信道單元包括業(yè)務(wù)信道和網(wǎng)管信道，業(yè)務(wù)信道實(shí)現(xiàn)外圍站之間的業(yè)務(wù)通信，網(wǎng)管信道實(shí)現(xiàn)外圍站和中心站之間的信息傳輸。業(yè)務(wù)信道為雙向連續(xù)信道，網(wǎng)管信道為雙向收發(fā)信道，從中心站接收TDM載波，向中心站發(fā)送ALOHA數(shù)據(jù)幀。網(wǎng)管信道和業(yè)務(wù)信道之間通過局域網(wǎng)連接，采用TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。多個(gè)業(yè)務(wù)信道可共用一個(gè)網(wǎng)管信道。

外圍站內(nèi)置路由器模式支持局域網(wǎng)互聯(lián)，通過網(wǎng)絡(luò)連接VOIP語音、IP視頻、文件傳輸、電子郵件、網(wǎng)站訪問等應(yīng)用系統(tǒng)。外圍站一般使用小口徑天線，由功率放大器、低噪聲放大器、衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器和用戶數(shù)據(jù)終端組成。衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器通過統(tǒng)一的硬件平臺加載不同的軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)管信道和業(yè)務(wù)信道的功能。外圍站配置為，設(shè)備間通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過同軸電纜連接到ODU；根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，可通過以太網(wǎng)連接到局域網(wǎng)、傳感網(wǎng)等子網(wǎng)絡(luò)。

3.網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

網(wǎng)管系統(tǒng)主要是獲得網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備單元的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)需要調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)記錄設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化、故障情況以及流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，從而實(shí)現(xiàn)對全網(wǎng)設(shè)備的監(jiān)控和管理，主要包括配置管理、性能管理、載波管理、故障管理、業(yè)務(wù)管理、功率控制等。

網(wǎng)管系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）系統(tǒng)架構(gòu)及分層設(shè)計(jì)模式，集中管理所有中心站和外圍站，可同時(shí)支持多個(gè)網(wǎng)絡(luò)、多個(gè)主站的管理，實(shí)現(xiàn)功能的集中統(tǒng)一，網(wǎng)管系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示。

網(wǎng)管系統(tǒng)采用靈活的配置方式，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件、協(xié)議及業(yè)務(wù)解析處理服務(wù)軟件、數(shù)據(jù)庫軟件可分別配置到不同的硬件平臺上，方便遠(yuǎn)程監(jiān)控；自動化程度高，信道管理、故障診斷等功能采用自動化方式實(shí)現(xiàn)，無須人工參與；采用圖像化操控界面，為用戶提供良好的應(yīng)用體驗(yàn)。

圖4　軟件平臺體系結(jié)構(gòu)圖

二、VSAT網(wǎng)絡(luò)的通信體制

VSAT衛(wèi)星通信中經(jīng)常采用的是頻分多址（FDMA）和時(shí)分多址（TDMA）兩種技術(shù)體制，其中以FDMA為基礎(chǔ)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要采用單路單載波/按需分配多址（SCPC/DAMA）通信體制，而以TDMA為基礎(chǔ)的衛(wèi)星系統(tǒng)主要采用時(shí)分多址/按需分配帶寬（TDMA/BOD）通信體制。

SCPC是指在每個(gè)地面站的每一路業(yè)務(wù)（語音、數(shù)據(jù)、圖像等）都單獨(dú)占用一路衛(wèi)星載波，在頻域上與其他各路業(yè)務(wù)和地面站分開，每路業(yè)務(wù)載波都在衛(wèi)星上單獨(dú)占用一個(gè)頻點(diǎn)和一段帶寬，彼此之間在頻域上完全分開。在FDMA系統(tǒng)中，各載波的發(fā)送時(shí)間可以重合，但頻率是彼此嚴(yán)格分開的，相互通信的衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器需要將自己的接收參數(shù)設(shè)置成與其通信的調(diào)制解調(diào)器發(fā)送參數(shù)相同。為了充分利用衛(wèi)星資源，系統(tǒng)配備網(wǎng)管對全網(wǎng)衛(wèi)星帶寬和各衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行管理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)DAMA。DAMA是指在所有的衛(wèi)星信道歸各地面站所共有，當(dāng)?shù)孛嬲拘枰M(jìn)行業(yè)務(wù)通信時(shí)，首先提出申請，由中心站統(tǒng)一分配衛(wèi)星信道資源，通信結(jié)束后，再由中心站回收信道資源，實(shí)現(xiàn)寶貴的衛(wèi)星資源最大化利用。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，關(guān)閉所有載波，有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才發(fā)送載波，從而可以大大節(jié)約衛(wèi)星功率。

SCPC/DAMA通信體制的主要優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1　SCPC/DAMA通信體制的優(yōu)缺點(diǎn)

在采用TDMA/BOD通信體制的系統(tǒng)中，網(wǎng)內(nèi)各地球站以時(shí)分的方式共享同一個(gè)載波，它采用極短暫、高速的突發(fā)，每個(gè)頻率在某一個(gè)時(shí)刻只能被一個(gè)地球站所使用。每個(gè)突發(fā)遵循嚴(yán)格的定時(shí)，從不同地球站到達(dá)衛(wèi)星的突發(fā)在時(shí)間間隔上非常小，但永遠(yuǎn)不會重疊。TDMA/ BOD通信體制采用帶寬按需分配技術(shù)，即所有地面站及其所有業(yè)務(wù)均可根據(jù)服務(wù)質(zhì)量（QoS）共享同一個(gè)公用帶寬池，任何時(shí)候當(dāng)某地面站需要傳輸容量時(shí)，衛(wèi)星帶寬就會被立即分配給它，而當(dāng)該站不再需要傳輸容量時(shí)，帶寬又會被立即釋放掉，其分配和再分配過程非常迅速及時(shí)，可在不到1s的極短時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)完成。TDMA/BOD通信體制的主要有缺點(diǎn)如表2所示。

表2　TDMA/BOD通信體制的優(yōu)缺點(diǎn)

通過對SCPC/DAMA及TDMA/BOD兩種主流衛(wèi)星通信體制的對比分析，結(jié)合當(dāng)前衛(wèi)星通信在應(yīng)急通信和寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用，基于IP的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)采用SCPC/DAMA的通信體制，調(diào)制解調(diào)器之間通過SCPC方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過衛(wèi)星一跳實(shí)現(xiàn)。

三、VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于IP的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)上充分考慮了用戶的各種應(yīng)用需求，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上結(jié)合了星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中心站和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中端站對端站衛(wèi)星單跳直連的優(yōu)勢，支持星狀/網(wǎng)狀/混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，所有遠(yuǎn)端站通過SCPC可以和中心站直接相連，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常適合于公共點(diǎn)式的應(yīng)用場合。采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)外圍站需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，系統(tǒng)自動在外圍站和中心站之間建立一條SCPC衛(wèi)星鏈路，將外圍站的IP數(shù)據(jù)傳回到中心站，中心站進(jìn)行IP數(shù)據(jù)解析；對于組播/廣播數(shù)據(jù)，通過中心站TDM信道發(fā)送到外圍站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組播/廣播通信功能；對于單點(diǎn)數(shù)據(jù)，由中心站統(tǒng)一匯集，然后按照路由協(xié)議進(jìn)行下一步傳輸。星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，外圍站能夠根據(jù)目標(biāo)IP地址直接對其他外圍站發(fā)送IP數(shù)據(jù)包。中心站根據(jù)IP 數(shù)據(jù)包的源IP和目標(biāo)IP，為通信雙方建立SCPC衛(wèi)星鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)一跳到達(dá)目的地。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，適用于點(diǎn)到點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的應(yīng)用場合。

圖6　網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3. 混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合應(yīng)用于點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)之間進(jìn)行綜合業(yè)務(wù)傳輸?shù)膱龊?，在混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，外圍站自動識別IP數(shù)據(jù)類型，對于UDP組播數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動采用星狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)包先發(fā)送到中心站，再由中心站發(fā)送到目標(biāo)外圍站；對于點(diǎn)到點(diǎn)IP數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)包一跳直接發(fā)送到目標(biāo)外圍站。

四、VSAT網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

基于IP的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)遵循TCP/IP協(xié)議的OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型，實(shí)現(xiàn)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的功能。衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器對物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層三層協(xié)議進(jìn)行處理，在空間上轉(zhuǎn)換為適合衛(wèi)星鏈路傳輸?shù)膮f(xié)議，對其上的四層協(xié)議進(jìn)行透明傳輸。VSAT網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖7所示。

VSAT系統(tǒng)對應(yīng)于TCP/IP參考模型的1—3層，其中物理層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，對應(yīng)于VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的線路部分，提供數(shù)據(jù)流傳輸?shù)奈锢礞溌芳斑B接協(xié)議；數(shù)據(jù)鏈路層采用高效幀結(jié)構(gòu)、先進(jìn)的編譯碼技術(shù)、帶寬壓縮技術(shù)和流量控制技術(shù)來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸；網(wǎng)絡(luò)層完成數(shù)據(jù)報(bào)分組交換及網(wǎng)絡(luò)中通信線路的管理，提供在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)所需的SCPC鏈路建立、SCPC鏈路保持、SCPC鏈路拆除、網(wǎng)絡(luò)尋址、數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計(jì)等。

圖7　VSAT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)

五、結(jié)束語

基于IP的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)能很方便地組成不同規(guī)模、不同速率、不同用途的靈活而經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一個(gè)VSAT網(wǎng)一般有廣播式、點(diǎn)對點(diǎn)式、雙向交互式、收集式等應(yīng)用形式，既可以應(yīng)用于發(fā)達(dá)國家，也適用于技術(shù)不發(fā)達(dá)和經(jīng)濟(jì)落后的國家，尤其適用于那些地形復(fù)雜，不便架線和人煙稀少的邊遠(yuǎn)地區(qū)。VSAT可以方便地開展任何兩地通話、傳真、圖像和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可將其裝備到每個(gè)士兵。對于我國來說，軍事應(yīng)用的意義也是很大的，我國幅員遼闊，部隊(duì)駐防高度分散，有時(shí)通信聯(lián)絡(luò)很不方便，利用VSAT站可以裝備每個(gè)哨所，這對加強(qiáng)聯(lián)系、指揮調(diào)度、快速通信大有好處，尤其在那些高山地帶的單獨(dú)哨所更實(shí)用。

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