VSAT衛(wèi)星通信技術(shù)概論及在應(yīng)急通信中的應(yīng)用

祝勝利

摘 要： 本文針對衛(wèi)星通信應(yīng)急行業(yè)的特點論述了VSAT衛(wèi)星通信技術(shù)在應(yīng)急通信中的應(yīng)用的必要性和未來發(fā)展前景，并概要的介紹了實施方案，使之具有科技含量高、性能高、成本低的特點。

關(guān)鍵詞：VSAT 組網(wǎng) 信道 寬帶廣播 寬帶多址接入

中圖分類號：TN927+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2014）06-0004-02

一、應(yīng)急通信的需求

我國幅員遼闊，地理條件復雜，自然災(zāi)害近幾年來頻發(fā)。無線局作為全國輿論斗爭的排頭兵，其基層臺站大多在偏遠山區(qū)或遠離城市的地方，自然條件惡劣，自然災(zāi)害時有發(fā)生，洪水、地震等事故發(fā)生頻率也不斷增加。在這些遠離城市的特殊地理環(huán)境下，地面線路（PSTN、GSM等）沒有辦法進行覆蓋或是在重大事故發(fā)生的同時已經(jīng)完全被破壞掉了。現(xiàn)場到指揮中心的全部通信都要依賴于應(yīng)急通信。應(yīng)急響應(yīng)，速度是關(guān)鍵。廣播應(yīng)急救災(zāi)采用應(yīng)急通信車、和單兵的應(yīng)急通信設(shè)備，可以在最短的時間內(nèi)將應(yīng)急通信設(shè)備帶入突發(fā)事件的發(fā)生地點，從而將現(xiàn)場的災(zāi)難情況，以語音甚至動態(tài)圖像的方式匯報指揮中心，迅速確定災(zāi)難級別，在最短時間內(nèi)了解災(zāi)情，統(tǒng)一指揮，保障安全播音顯得極為重要。

二、VSAT概述

VSAT是VERYSMALL APERTURE TERMINAL 的縮寫，直譯為“甚小孔徑終端”，意譯應(yīng)是“甚小天線地球站”。由于源于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，所以也稱為衛(wèi)星小數(shù)據(jù)站或個人地球站〈IPES〉，這里的小指的是VSAT系統(tǒng)中小站設(shè)備的天線口徑小，通常為0.3m--2.4m。G/T值低于19.7dB/K，是由大量地面站構(gòu)成的衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)。由于VSAT系統(tǒng)可以直接安裝到客戶端，使用戶、家庭和個人可以直接利用衛(wèi)星通訊；同時，系統(tǒng)能提供高品質(zhì)的數(shù)據(jù)、語音、圖像，較能滿足現(xiàn)代通訊發(fā)展的需要，是傳統(tǒng)衛(wèi)星通訊方式的重大突破和發(fā)展。VSAT系統(tǒng)已成為現(xiàn)代衛(wèi)星通訊的一個重要分支，是21世紀初衛(wèi)星通訊三大重要發(fā)展方向（包括VSAT、行動衛(wèi)星通訊、直播衛(wèi)星）之一。VSAT通信方式主要有點對點：指VSAT站與站（2個站）之間的點對點通信；多點到多點：指VSAT站（2個以上）之間的雙向交互式通信；廣播方式：指主站到遠端小站的衛(wèi)星廣播方式。VSAT通信方式的多樣性決定了利用VSAT組網(wǎng)的便利性。VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的主要優(yōu)點如下：（1）VSAT是真正的全球通信，覆蓋面廣、容量巨大、通信不受地理環(huán)境和氣候條件的限制；（2）地面站設(shè)備簡單，體積小，重量輕，造價低，安裝與操作簡單。VSAT小站可直接安裝在用戶所在的樓頂、汽車上等，可直接與用戶終端接口；（3）組網(wǎng)靈活方便。由于網(wǎng)絡(luò)部件模塊化，便于調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，易于適應(yīng)用戶業(yè)務(wù)量的變化；（4）通信質(zhì)量好，可靠性高。鏈路環(huán)節(jié)少，故障率低，通信暢通率高，適于多種業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)率；（5）直接面向用戶，特別適用于用戶分散、稀路由和業(yè)務(wù)量小的專用通信網(wǎng)。由于上述種種技術(shù)優(yōu)點，因此VSAT是構(gòu)建應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的最佳方案。

三、VSAT構(gòu)建應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)方案

根據(jù)VSAT系統(tǒng)傳輸業(yè)務(wù)種類，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和混合型網(wǎng)。網(wǎng)狀網(wǎng)不需要主站，各小站之間可以任意建立通信鏈路，但該網(wǎng)硬件設(shè)備和系統(tǒng)軟件技術(shù)復雜，系統(tǒng)成本較高。應(yīng)急通信是在原有通信系統(tǒng)遭破壞或發(fā)生緊急情況下，保證通信暢通，主要以移動的車載站和單兵站為主，小站硬件設(shè)備不可能過于復雜。因此，選擇點到多點雙向通信的星形網(wǎng)作為交通安全應(yīng)急通信系統(tǒng)中VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前，VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)使用的頻段主要有C波段和Ku波段。根據(jù)應(yīng)急通信系統(tǒng)應(yīng)用的需要，VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)工作頻段的選擇應(yīng)主要從以下幾方面考慮：（1）與地面其它通信系統(tǒng)間的干擾；（2）衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源和現(xiàn)有通信技術(shù)和設(shè)備；（3）通信業(yè)務(wù)需求；（4）天線接收系統(tǒng)噪聲；（5）電波傳輸損耗；（6）天線口徑和高功放的使用等。C波段電波傳輸條件好，降雨影響小，路徑可靠性較高，但它與地面微波通信頻率相同，存在干擾，使其功率通量密度不能太小，造成天線尺寸較大。Ku波段不存在微波干擾，天線尺寸小，數(shù)據(jù)傳輸速率高，但降雨對它傳播損耗影響大。VSAT衛(wèi)星通信工作頻段首選是通信質(zhì)量較好且天線尺寸小的Ku波段。但考慮應(yīng)急通信是在各種極端天氣和日常通信中斷時的應(yīng)用，而Ku波段在暴雨情況下，上行或下行鏈路瞬間雨衰量可超過20dB，C波段最大雨衰量一般不超過1dB。因此，應(yīng)急通信的工作頻段應(yīng)選擇C波段和Ku波段兩種通信方式，即在我國海上采用C波段，在內(nèi)陸采用Ku波段。VSAT星形通信網(wǎng)（C波段或Ku波段）由主站（亦稱中心站）、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和許多遠端VSAT小站組成，可以提供的業(yè)務(wù)如下：（1）實時的電視電話會議；（2）高清晰圖像傳輸；（3）文件傳輸；（4）Internet接入；（5）話音服務(wù)；（6）信息共享。

四、VSAT的組網(wǎng)

VSAT組網(wǎng)非常靈活，可根據(jù)用戶要求單獨組成一個專用網(wǎng)，也可與其它用戶一起組成一個共用網(wǎng)（多個專用網(wǎng)共用同一個主站）。一個VSAT網(wǎng)實際上包括業(yè)務(wù)子網(wǎng)和控制子網(wǎng)兩部分，業(yè)務(wù)子網(wǎng)負責交換、傳輸數(shù)據(jù)或話音業(yè)務(wù)，控制子網(wǎng)負責對業(yè)務(wù)子網(wǎng)的管理和控制。傳輸數(shù)據(jù)或話音業(yè)務(wù)的信道可稱為業(yè)務(wù)信道，傳輸管理或控制信息的信道稱為控制信道。

目前，典型VSAT網(wǎng)的控制子網(wǎng)都是星狀網(wǎng)，而業(yè)務(wù)子網(wǎng)的組網(wǎng)則視業(yè)務(wù)的要求而定，通常數(shù)據(jù)網(wǎng)為星狀網(wǎng)而話音網(wǎng)為網(wǎng)狀網(wǎng)。

1.數(shù)據(jù)VSAT網(wǎng)的組網(wǎng)

在數(shù)據(jù)VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)中，小站和主站通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器構(gòu)成星狀網(wǎng)，主站是VSAT網(wǎng)的中心結(jié)點。星狀網(wǎng)充分體現(xiàn)了VSAT系統(tǒng)的特點，即小站要盡可能小。其主站的有效全向輻射功率（EIRP）高，接收品質(zhì)因數(shù)（G/T）大，故所有小站均可同主站互通。由于小站天線口徑小、發(fā)射EIRP低、接收G/T小，而此小站之間不能直接通信，必須經(jīng)主站轉(zhuǎn)發(fā)。

數(shù)據(jù)VSAT網(wǎng)通常是分組交換網(wǎng)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用分組傳輸方式，其工作過程是這樣的：任何進入VSAT網(wǎng)的數(shù)據(jù)在發(fā)送之前先進行格式化，即把較長的數(shù)據(jù)報文分解成若干固定長度的信息段，加上地址和控制信息后構(gòu)成一個分組，傳輸和交換時以一個分組作為整體來進行，到達接收點后，再把各分組按原來的順序裝配起來，恢復成原來的報文。以星狀網(wǎng)的主站為參考點，數(shù)據(jù)VSAT網(wǎng)使用的衛(wèi)星信道可以分為外向（Outbound）信道和內(nèi)向（Inbound）信道。在數(shù)據(jù)VSAT網(wǎng)中，業(yè)務(wù)信道和控制信道是一致的，即業(yè)務(wù)子網(wǎng)和控制子網(wǎng)具有相同的星狀結(jié)構(gòu)。主站通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向小站發(fā)數(shù)據(jù)的過程叫外向傳輸。用于外向傳輸?shù)男诺溃ㄍ庀蛐诺溃┮话悴捎脮r分復用方式（TDM）。從主站向各小站發(fā)送的數(shù)據(jù)，由主計算機進行分組化，組成TDM幀，通過衛(wèi)星以廣播方式發(fā)向網(wǎng)中所有小站。每個TDM幀中都有進行同步所需的同步碼，幀中每個分組都包含有一個接收小站的地址。小站根據(jù)每個分組中攜帶的地址進行接收。小站通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向主站發(fā)數(shù)據(jù)的過程叫內(nèi)向傳輸。用于內(nèi)向傳輸?shù)男诺溃▋?nèi)向信道）一般采用隨機爭用方式（ALOHA一類），也有采用SCPC和TDMA的。由小站向主站發(fā)送的數(shù)據(jù)，由小站進行格式化，組成信道幀（其中包括起始標記、地址字段、控制字段、數(shù)據(jù)字段、CRC和終止標記），通過衛(wèi)星按照采用的信道共享協(xié)議發(fā)向主站。業(yè)務(wù)信道和控制信道通常使用同一外向信道或內(nèi)向信道。endprint

2.話音VSAT網(wǎng)的組網(wǎng)

對于使用同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的話音VSAT網(wǎng)來說，用戶的要求通常是希望網(wǎng)內(nèi)任意兩個VSAT小站能夠直接通話而不是經(jīng)過主站轉(zhuǎn)發(fā)（雙跳使響應(yīng)時間超過1s，用戶不易習慣）。這個要求決定了話音VSAT網(wǎng)應(yīng)該是網(wǎng)狀網(wǎng)。即話音VSAT網(wǎng)的業(yè)務(wù)子網(wǎng)是網(wǎng)狀網(wǎng)而控制子網(wǎng)是星狀網(wǎng)，網(wǎng)控中心所在的站稱為中心站。 1） 業(yè)務(wù)信道 話音VSAT網(wǎng)通常采用線路交換方式，這是由電話業(yè)務(wù)的實時性決定的。話音VSAT網(wǎng)的業(yè)務(wù)子網(wǎng)中，業(yè)務(wù)信道（話音信道）較多采用簡單易行的SCPC方式（也可以采用TDMA等多址方式）。對以話音業(yè)務(wù)為主、采用線路交換的話音VSAT網(wǎng)來說，顯然采用按申請分配信道資源方式是比較合適的，同時在少數(shù)大業(yè)務(wù)量站間可分配一定數(shù)量的預(yù)分配信道。 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，小站與主站之間一般采用TDM/ALOHA體制，即外向傳輸采用TDM，內(nèi)向傳輸采用ALOHA、S-ALOHA或其它改進型。此種方式技術(shù)簡單，造價低廉，因此在實用系統(tǒng)中應(yīng)用較多（例如TES系統(tǒng)）。

五、VSAT通信的寬帶廣播和寬帶多址接入

VSAT站的衛(wèi)星鏈路有主站到VSAT站的出主站鏈路，有VSAT站到主站的入主站鏈路。隨著業(yè)務(wù)從窄帶向?qū)拵Оl(fā)展，出主站鏈路數(shù)據(jù)速率不斷提高，從幾Mbps到幾十Mbps；入主站鏈路的數(shù)據(jù)速率也不斷提高，從幾kbps發(fā)展到幾百kbps，幾Mbps。出主站鏈路多采用單載波TDM的方式，有基于廣播信號的DVB數(shù)據(jù)格式，有基于互連網(wǎng)的IP數(shù)據(jù)格式。

VSAT衛(wèi)星通信的寬帶廣播，可以廣播數(shù)據(jù)音頻視頻、可以實現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的下載。入主站鏈路有多種衛(wèi)星多址接入方式：FDMA，CDMA，TDMA，MF/CDMA。也有利用地面Internet鏈路代替入主站鏈路的，稱為外交互方式，而把采用入主站鏈路稱為內(nèi)交互方式。傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信多址接入方式是，時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）、碼分多址（CDMA）。它們是把衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的資源，按時間分成時隙、按頻率分成頻道或者按正交的編碼波形分成碼道，由各個地球站按照固定分配方式、隨機競爭方式或者動態(tài)分配的方式來使用。所謂動態(tài)競爭方式，轉(zhuǎn)發(fā)器資源由主站來管理，用戶站接入時，先使用固定分配方式或隨機競爭方式來申請，主站進行分配給用戶地球站使用，使用完了歸還給主站。

隨著大容量VSAT衛(wèi)星通網(wǎng)絡(luò)以及寬帶接入業(yè)務(wù)的發(fā)展，主站接入設(shè)備的容量日益增大，用戶地球站也需要使用高速的寬帶接入，需要主站接入信道的可變速率范圍擴大。時分多址方式要求用戶站的接入時隙寬度變化范圍增大，頻分多址方式要求用戶站發(fā)送信號帶寬可變或使用并行的多載波傳輸，碼分多址方式要求用戶站發(fā)送信號的擴展頻譜增益可變或者使用多碼道并行傳輸。組合的多址接入方式，可以方便地實現(xiàn)寬帶多址接入；例如多載波（多頻率）時分多址，多載波碼分多址等。技術(shù)成熟的是多頻率時分多址。多頻率時分多址設(shè)置由多個頻段（多個載波），每個頻率又劃分成時間幀和時隙。各個用戶地球站可以使用特定的頻率和特定的時隙進行接入申請，根據(jù)申請的業(yè)務(wù)，得到相應(yīng)的頻率和時隙。對于寬帶業(yè)務(wù)申請，用戶可以再在一個頻率上，用一個時隙或多個時隙進行接入業(yè)務(wù)傳輸；也可以在幾個頻率上，用多個時隙進行接入業(yè)務(wù)傳輸。根據(jù)系統(tǒng)接入的特點，系統(tǒng)在接入信道上設(shè)置了不同的時隙，用戶接入申請的時隙，用戶業(yè)務(wù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)時隙，校正用戶地球站發(fā)送時間和頻率的粗同步時隙，以及校正發(fā)送時間和頻率的精同步時隙。寬帶VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)的前向鏈路和反向鏈路往往是不對稱的，前向鏈路和反向鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)器資源的配置要和業(yè)務(wù)的特性相匹配。寬帶VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要設(shè)計和配置接入信道的資源、多載波數(shù)目以及相應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)給定接入突發(fā)特性、接入業(yè)務(wù)量條件下的接入時延和接入成功率的要求。寬帶VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)往往有多種業(yè)務(wù)同時工作，系統(tǒng)的配置和設(shè)計只能適應(yīng)總體的要求，為適應(yīng)各種業(yè)務(wù)的具體要求，還應(yīng)該對不同業(yè)務(wù)設(shè)置各自的優(yōu)先級，調(diào)整整個系統(tǒng)對不同業(yè)務(wù)的適應(yīng)性。

此外主站還提供整個VSAT應(yīng)急通信網(wǎng)接入外部通信網(wǎng)絡(luò)的接口。整個VSAT網(wǎng)絡(luò)可以看作是一個由衛(wèi)星建立連接的局域網(wǎng)，所有的語音、視頻、數(shù)據(jù)都是通過IP來傳輸。在主站，通過一個VoIP語音網(wǎng)關(guān)和一個PBX使得VSAT網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電話與PSTN連接起來，通過一個路由器使得VSAT網(wǎng)絡(luò)與Internet連接起來，這樣就滿足了專網(wǎng)對外網(wǎng)訪問的要求。對于視頻呼叫則過程更為簡單，因為現(xiàn)今的視頻終端基本都是支持IP的，只要把視頻終端設(shè)為專網(wǎng)的地址就可以了。Internet接入則是只要在路由器中做好映射，任一臺接入專網(wǎng)的計算機都可以通過此路由器進入Internet訪問。

六、結(jié)束語

應(yīng)急通信系統(tǒng)是突發(fā)事件應(yīng)急體系建設(shè)的基礎(chǔ)保障，通過應(yīng)急通信系統(tǒng)的建設(shè)，可為我局及各基層臺站在搶險救災(zāi)、處置應(yīng)急事件等提供快捷有效的通信鏈路。尤其在提高現(xiàn)場的信息獲取能力、處理突發(fā)事件的快速反應(yīng)能力、組織協(xié)調(diào)能力、決策指揮能力等實際工作上具有重要意義。

參考文獻

[1]《VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)》.楊運年.人民郵電出版社

[2]《衛(wèi)星通信系統(tǒng)》.郭慶、王振永，顧學邁.電子工業(yè)出版社endprint