基于VSAT衛(wèi)星通信的跨境數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

馬永春，楊德運，姜漢卿，于 航，李潔榆

（1.航天恒星科技有限公司，北京 100086；2.中國空間技術(shù)研究院衛(wèi)星應(yīng)用總體部，北京 100094）

隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略的推動實施，越來越多的中國企業(yè)加快了“走出去”的步伐，積極拓展海外市場，承擔海外項目建設(shè)。“一帶一路”橫跨歐洲、亞洲和非洲三大洲，遍及地中海、波斯灣、印度洋和南海等海域，覆蓋140個國家。但是，境外部分國家受當?shù)卣我蛩氐挠绊懞徒?jīng)濟發(fā)展水平的限制，無法提供完備的通信基礎(chǔ)設(shè)施保障，極大制約了中國企業(yè)的發(fā)展，因此對境外數(shù)據(jù)通信提出了迫切的需求。

VSAT（Very Small Aperture Terminal，甚小口徑終端）衛(wèi)星通信網(wǎng)具有覆蓋范圍廣、系統(tǒng)組網(wǎng)靈活、可擴展性強與系統(tǒng)集成度高等優(yōu)點，相比于傳統(tǒng)地面通信網(wǎng)絡(luò)，雖然在鏈路傳輸延時和費用成本方面存在劣勢，但是具有通信不受距離、復雜地形限制和網(wǎng)絡(luò)接入快速便捷等優(yōu)勢，可應(yīng)用于遠程會議、遠程教育與應(yīng)急通信等場景中。可基于VSAT衛(wèi)星通信技術(shù)設(shè)計跨境數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，為中國駐境外企業(yè)跨境通信提供保障。

1 VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)介紹

VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間段和地面段組成，其中地面段通常由1個主控站和多個用戶終端站組成[1～2]。利用空間段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，實現(xiàn)主控站與終端站間、終端站與終端站間的數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 空間段

空間段為地球同步軌道衛(wèi)星（GEO），衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器通常采用透明轉(zhuǎn)發(fā)機制，不進行星上數(shù)據(jù)處理。目前，我國在軌自主可控的民用寬帶通信衛(wèi)星共計15顆，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源涵蓋C頻段、Ku頻段和Ka頻段，可覆蓋中國全境、澳大利亞、東南亞、南亞、中東以及歐洲、非洲等地區(qū)。

1.2 地面段

1.2.1 主控站

主控站是VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和控制中心，主要由天線射頻單元、基帶單元和網(wǎng)絡(luò)管理單元組成，負責衛(wèi)星數(shù)據(jù)的發(fā)送接收、調(diào)制解調(diào)和網(wǎng)絡(luò)控制管理，通過協(xié)調(diào)全網(wǎng)內(nèi)所有資源和設(shè)備的分配，實現(xiàn)對網(wǎng)內(nèi)所有終端站點的監(jiān)管，確保整個VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的正常運行。

主控站作為VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)的中心站，為了彌補終端站天線增益和發(fā)射功率，通常采用7.3 m、9 m和13 m等大口徑天線，以實現(xiàn)最大限度地降低終端站體積和功耗。

1.2.2 終端站

終端站主要由天線射頻單元和衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器組成，根據(jù)使用需求不用，可選用便攜天線、固定天線、動中通天線等不同形態(tài)天線，可細分為便攜站、固定站、車載站、船載站和機載站等終端站型。終端站天線通常采用0.6 m、0.9 m等小口徑天線，便于終端站的攜帶和部署使用。

在星狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，終端站與主控站間可依托衛(wèi)星實現(xiàn)單跳互通；終端站與終端站間必須經(jīng)過主控站轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)雙跳互通，即終端站先通過衛(wèi)星將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控站，再由主控站通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)發(fā)送至另一個終端站。

星狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)雖然在傳輸延時方面存在劣勢，且對主控站的可靠性提出較高要求，但是該架構(gòu)能夠支持小口徑終端，且支持大規(guī)模組網(wǎng)，在設(shè)備成本方面具有顯著優(yōu)勢。

2 跨境數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)拓撲

結(jié)合中國駐外企業(yè)境外通信需求，以及VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)勢，設(shè)計出基于VSAT衛(wèi)星通信的跨境數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由位于境內(nèi)的主控站和位于境外的固定站、便攜站和車載站等終端站組成，主控站與企業(yè)總部通過光纖線路連接，能夠滿足中國駐外企業(yè)與企業(yè)總部間的通信需求，可實現(xiàn)傳真、語音、視頻及數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)功能。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓撲圖

2.2 衛(wèi)星頻段選擇

VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)可工作于C頻段、Ku頻段和Ka頻段，現(xiàn)對各頻段特性進行分析。C頻段具有投入使用早、技術(shù)成熟、受雨衰影響小等優(yōu)勢，但是其通信容量小、終端設(shè)備體積偏大（通常1.8 m以上），適用于對通信質(zhì)量有嚴格要求的業(yè)務(wù)，如廣播電視上行傳輸；Ku頻段具有終端設(shè)備體積較小、受地面干擾影響較小、技術(shù)成熟等特點，相較C頻段受雨衰影響較大，適用于便攜、動中通等移動應(yīng)急通信、VSAT衛(wèi)星專網(wǎng)通信、衛(wèi)星新聞采集及廣播電視直播等業(yè)務(wù)；Ka頻段具有通信容量大、終端設(shè)備體積小、干擾少等特點，但是受雨衰影響大，對器件和工藝的要求較高，且目前我國Ka頻段在軌衛(wèi)星數(shù)量少、覆蓋范圍小。

表1 工作頻段優(yōu)劣勢對比

衛(wèi)星通信工作頻段的選擇對系統(tǒng)的傳輸速率、裝備體積和投入成本均會產(chǎn)生影響。考慮到本系統(tǒng)應(yīng)用于駐外企業(yè)，盡量采用技術(shù)成熟、易于攜行的裝備，因此在確?？褂晁ピO(shè)計的前提下選用Ku頻段進行跨境數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 衛(wèi)星選擇

根據(jù)中國駐外企業(yè)境外通信需求，綜合考慮工作頻段、信號覆蓋和自主可控等因素，選用中星12號衛(wèi)星Ku頻段中東非波束實現(xiàn)本系統(tǒng)的衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)。中星12號衛(wèi)星定軌于東經(jīng)87.5°，由航天科技集團下屬的中國衛(wèi)通集團有限公司運營和管理。在中星12號衛(wèi)星Ku頻段中東非波束覆蓋北京、中東和中北非地區(qū)，無須進行星上轉(zhuǎn)發(fā)器鉸鏈，即可實現(xiàn)以上地區(qū)與北京的直接連通，適合中國駐以上地區(qū)企業(yè)與境內(nèi)企業(yè)總部的互聯(lián)互通。

2.4 衛(wèi)星鏈路計算

衛(wèi)星鏈路計算是衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計的重要步驟，根據(jù)VSAT衛(wèi)星通信技術(shù)體制、中星12號衛(wèi)星EIRP、G/T、極化等性能參數(shù)和系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，遵照衛(wèi)星資源功帶平衡的原則，同時考慮雨衰、臨星干擾等因素影響，為選擇合適的衛(wèi)星帶寬、天線口徑和功放等提供指導[3～4]。

本系統(tǒng)采用中星12號Ku頻段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進行鏈路計算，主控站采用9 m Ku頻段天線、100 W功放，終端站提供1.2 m天線、16 W功放和0.6 m天線、40 W功放兩種配置[5]，系統(tǒng)可用度為99.9%，考慮到傳真、語音、視頻及數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)傳輸需要，1.2 m天線、16 W功放終端站提供2 Mbps業(yè)務(wù)速率傳輸信道，0.6 m天線、40 W功放終端站提供1 Mbps業(yè)務(wù)速率傳輸信道。

現(xiàn)以北京主控站與肯尼亞首都內(nèi)羅畢終端站傳輸場景為例進行鏈路計算，中星12中東非波束北京EIRP為46.48 dBW、G/T為-1.13 dB/K，內(nèi)羅畢EIRP為49.79 dBW、G/T為3.78 dB/K，鏈路計算結(jié)果如表2所示。

表2 1.2 m、16 W功放終端站鏈路計算結(jié)果

表3 0.6 m、40 W功放終端站鏈路計算結(jié)果

從上述計算結(jié)果可以看出，主控站9 m天線、100 W功放在晴天和雨天都能夠滿足系統(tǒng)傳輸速率需求，并且具有一定的余量。終端站1.2 m天線、16 W功放和0.6 m天線、40 W功放兩種配置，在與主控站通信時，晴天和雨天也具有一定余量，能夠滿足業(yè)務(wù)速率要求。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸流程

以駐境外用戶終端站車載站向國內(nèi)企業(yè)總部發(fā)送數(shù)據(jù)為例，介紹跨境數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程。

（1）在駐境外用戶終端站側(cè)，語音、文件及音視頻等IP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)交換機匯總后發(fā)送至終端站衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器。

（2）終端站衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器將接收到的IP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)封裝為衛(wèi)星協(xié)議數(shù)據(jù)包后，經(jīng)過信道編碼、調(diào)制為L頻段中頻信號。

（3）L頻段中頻數(shù)據(jù)經(jīng)過終端站功放上變頻、放大至Ku頻段信號，由終端站天線發(fā)送至中星12號通信衛(wèi)星。

（4）中星12號通信衛(wèi)星將接收到的數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)至位于國內(nèi)的衛(wèi)星主控站。

（5）衛(wèi)星主控站天線在接收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)后，通過LNB將Ku頻段衛(wèi)星數(shù)據(jù)下變頻、放大至L頻段中頻信號。

（6）L頻段中頻數(shù)據(jù)被傳送至主控站基帶設(shè)備，經(jīng)過主控站基帶設(shè)備的衛(wèi)星協(xié)議數(shù)據(jù)包解封、信道解碼和解調(diào)后，恢復為IP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

（7）通過主控站與企業(yè)總部之間的光纖線路，最終將境外IP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送至企業(yè)總部。

3 結(jié)束語

VSAT衛(wèi)星通信作為一種成熟的通信技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于遠程會議、遠程教育與應(yīng)急通信等場景中。本文針對中國駐外企業(yè)境外通信保障需求，設(shè)計了一種基于VSAT衛(wèi)星通信的跨境數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)采用星狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，依托中星12號通信衛(wèi)星Ku頻段中東非波束，通過在中國駐外企業(yè)部署固定站、便攜站和車載站等終端站型，提供傳真、語音、視頻及數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)功能，為駐外企業(yè)提供安全、可靠的跨境通信保障。