基于IP的VSAT卫星通信网络设计

● 文|中国航天科技集团公司第七〇四研究所 王恒彬 王先朋 周三文 闫朝星

基于IP的VSAT卫星通信网络设计

● 文|中国航天科技集团公司第七〇四研究所 王恒彬 王先朋 周三文 闫朝星

甚小孔径终端（Very Small Aperture Terminal，VSAT）卫星通信技术是20世纪80年代中期出现的一种新的卫星通信技术，具有灵活性强、可靠性高、成本低、使用方便以及小站可直接装在用户端等特点。VSAT技术在20世纪90年代得到快速的发展，是30多年来卫星通信技术的转折。VSAT也被称为卫星小站、外围站或个人地球站，“甚小孔径”是指VSAT系统小站设备的天线口径小，通常为0.3～2.4m。由众多甚小天线地球站组成的卫星通信网，叫做“VSAT网”。 VSAT卫星通信系统由两大部分组成：空间部分和地面部分。空间部分主要指通信卫星，一般使用地球静止轨道通信卫星，卫星可以工作在不同的频段，如C、Ku和Ka频段。星上转发器的发射功率应尽量大，以使VSAT地面终端的天线尺寸尽量小。VSAT卫星通信系统有十分明显的特点：天线小、设备结构紧凑、功耗小、环境要求低、安装方便、覆盖范围大、组网灵活且有独立性，这些特点特别适合于许多大型企业或部门的通信要求。

随着全球互联网的商业化兴起及交互式宽带多媒体技术的快速发展，传输控制协议/因特网互联（TCP/IP）协议作为网络通信的标准协议，得到了极大的普及和推广。目前从语音到视频，从数据到传真，基于TCP/IP 协议的设备和终端都是层出不穷，极大地拓展和丰富了互联网及宽带多媒体的应用。另外，随着国家三网融合的工程实施和推进以及物联网的提出和发展，异构网络的融合是大势所趋。在全球网络化的大环境下，TCP/IP协议作为当前应用最为广泛的网络协议，必将起到举足轻重的作用。VSAT卫星通信网络作为一种无线通信系统，如果不能支持IP协议，在实际应用中将面临着很大的局限性，另外在网络的互联互通方面也会有很多不便之处。基于IP的VSAT卫星通信网络，具有地面通信无法比拟的优势，借助VSAT用户数据终端，可直接利用卫星信道与远端的计算机进行联网，完成数据传递、文件交换或远程处理，从而摆脱了本地区的地面中继线问题，在地面网络不发达、通信线路质量不好或难于传输高速数据的边远地区，使用VSAT作为数据传输手段是一种很好的选择。

一、VSAT卫星通信网络系统组成

VSAT卫星通信网络的地面部分由中心站、外围站和网络管理系统组成，如图1所示。中心站是卫星通信网络的核心，对各个外围站执行统一的管理和监控；外围站是卫星通信网络的通信节点，一般直接安装于用户处，与用户的终端设备连接。

图1　VSAT卫星通信网络组成

1.VSAT网络中心站

中心站包括天线系统、信道单元和网络管理系统三部分。

1）天线系统为室外单元，包括收发天线、低噪声下变频器（LNB）和上变频功率放大器（BUC），收发天线对准已知经度的同步卫星，天线上双工馈源敏感到C/Ku/ Ka频段卫星通信信号，通过LNB变频为L频段中频信号，并进行低噪声放大，经电缆送入室内，由卫星通信终端接收解调，进行数据域处理；同时卫星通信终端用户数据以L频段中频信号方式输出，经由射频电缆传送到天线座处，由BUC变频为C/Ku/Ka频段信号，并进行功率放大，通过馈源由天线口面发射出去。

2）信道单元主要包括外向时分复用（TDM）信道、内向ALOHA信道和业务信道。TDM信道作为中心站的外向信道，用于中心站向外围站发送数据，TDM信道为连续信道；ALOHA信道作为中心站的内向信道，用于接收外围站的数据，ALOHA信道为突发信道；业务信道机作为中心站和外围站进行双向数据通信，根据通信需求可进行多路配置。

3）网络管理系统是卫星通信网络控制和管理的核心，包括业务处理服务器、网络监控服务器、加密服务器、数据库服务器及网络管理系统软件，实现外围站注册登记、入网/退网管理、网络状态监控、通信业务处理、信道分配调度、网络功率控制、通信时长统计查询、数据加密等功能。

系统对外提供标准的IP接口，可以直接接入地面IP网络、互联网（Internet）、公用电话交换网（PSTN），也可以通过IP网和GSM、WiFi、蓝牙等无线网络连接，实现异构网络的互联互通；可以直接和IP业务终端连接，支持文件传输、电子邮件、网站访问、IP视频和VOIP语音等IP应用。中心站的系统结构如图2所示。

图2　中心站系统结构

中心站一般使用大型天线，由高功率放大器、低噪声放大器、卫星调制解调器以及数据接口设备等组成。卫星调制解调器通过统一的硬件平台加载不同的软件实现TDM信道、ALOHA信道和业务信道的功能，其中ALOHA信道和业务信道的数量可根据实际应用场景及网络规模配置多个。中心站的典型配置为，设备间通过网络接口进行数据交互，通过同轴电缆连接到集光纤配线单元（ODU），根据实际应用需要，可通过以太网连接至PSTN、Internet等外部网络。

2.VSAT网络外围站

外围站由天线系统、信道单元和应用系统组成，系统结构如图3所示。

图3　外围站系统结构图

天线系统实现射频信号的收发和变频。信道单元包括业务信道和网管信道，业务信道实现外围站之间的业务通信，网管信道实现外围站和中心站之间的信息传输。业务信道为双向连续信道，网管信道为双向收发信道，从中心站接收TDM载波，向中心站发送ALOHA数据帧。网管信道和业务信道之间通过局域网连接，采用TCP协议进行数据交互。多个业务信道可共用一个网管信道。

外围站内置路由器模式支持局域网互联，通过网络连接VOIP语音、IP视频、文件传输、电子邮件、网站访问等应用系统。外围站一般使用小口径天线，由功率放大器、低噪声放大器、卫星调制解调器和用户数据终端组成。卫星调制解调器通过统一的硬件平台加载不同的软件实现网管信道和业务信道的功能。外围站配置为，设备间通过网络接口进行数据交互，通过同轴电缆连接到ODU；根据实际应用需要，可通过以太网连接到局域网、传感网等子网络。

3.网络管理系统

网管系统主要是获得网络中各设备单元的实时运行参数和运行状态，并根据需要调整设备运行参数及运行状态，同时记录设备运行状态变化、故障情况以及流量数据统计分析，从而实现对全网设备的监控和管理，主要包括配置管理、性能管理、载波管理、故障管理、业务管理、功率控制等。

网管系统采用客户机/服务器（C/S）系统架构及分层设计模式，集中管理所有中心站和外围站，可同时支持多个网络、多个主站的管理，实现功能的集中统一，网管系统软件架构如图4所示。

网管系统采用灵活的配置方式，网络监控软件、协议及业务解析处理服务软件、数据库软件可分别配置到不同的硬件平台上，方便远程监控；自动化程度高，信道管理、故障诊断等功能采用自动化方式实现，无须人工参与；采用图像化操控界面，为用户提供良好的应用体验。

图4　软件平台体系结构图

二、VSAT网络的通信体制

VSAT卫星通信中经常采用的是频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）两种技术体制，其中以FDMA为基础的卫星通信系统主要采用单路单载波/按需分配多址（SCPC/DAMA）通信体制，而以TDMA为基础的卫星系统主要采用时分多址/按需分配带宽（TDMA/BOD）通信体制。

SCPC是指在每个地面站的每一路业务（语音、数据、图像等）都单独占用一路卫星载波，在频域上与其他各路业务和地面站分开，每路业务载波都在卫星上单独占用一个频点和一段带宽，彼此之间在频域上完全分开。在FDMA系统中，各载波的发送时间可以重合，但频率是彼此严格分开的，相互通信的卫星调制解调器需要将自己的接收参数设置成与其通信的调制解调器发送参数相同。为了充分利用卫星资源，系统配备网管对全网卫星带宽和各卫星调制解调器进行管理调度，实现DAMA。DAMA是指在所有的卫星信道归各地面站所共有，当地面站需要进行业务通信时，首先提出申请，由中心站统一分配卫星信道资源，通信结束后，再由中心站回收信道资源，实现宝贵的卫星资源最大化利用。当没有数据传输时，关闭所有载波，有数据传输时才发送载波，从而可以大大节约卫星功率。

SCPC/DAMA通信体制的主要优缺点如表1所示。

表1　SCPC/DAMA通信体制的优缺点

在采用TDMA/BOD通信体制的系统中，网内各地球站以时分的方式共享同一个载波，它采用极短暂、高速的突发，每个频率在某一个时刻只能被一个地球站所使用。每个突发遵循严格的定时，从不同地球站到达卫星的突发在时间间隔上非常小，但永远不会重叠。TDMA/ BOD通信体制采用带宽按需分配技术，即所有地面站及其所有业务均可根据服务质量（QoS）共享同一个公用带宽池，任何时候当某地面站需要传输容量时，卫星带宽就会被立即分配给它，而当该站不再需要传输容量时，带宽又会被立即释放掉，其分配和再分配过程非常迅速及时，可在不到1s的极短时间内瞬时完成。TDMA/BOD通信体制的主要有缺点如表2所示。

表2　TDMA/BOD通信体制的优缺点

通过对SCPC/DAMA及TDMA/BOD两种主流卫星通信体制的对比分析，结合当前卫星通信在应急通信和宽带高速数据传输的实际应用，基于IP的VSAT卫星通信网络采用SCPC/DAMA的通信体制，调制解调器之间通过SCPC方式实现数据传输，通过卫星一跳实现。

三、VSAT卫星通信网络拓扑结构

基于IP的VSAT卫星通信网络在设计上充分考虑了用户的各种应用需求，在网络拓扑结构上结合了星状拓扑结构的中心站和网状拓扑结构中端站对端站卫星单跳直连的优势，支持星状/网状/混合型拓扑结构。

1.星状拓扑结构

在星状网络结构中，所有远端站通过SCPC可以和中心站直接相连，实现高速数据传输，这种拓扑结构非常适合于公共点式的应用场合。采用星状网络拓扑结构时，当外围站需要进行数据传输时，系统自动在外围站和中心站之间建立一条SCPC卫星链路，将外围站的IP数据传回到中心站，中心站进行IP数据解析；对于组播/广播数据，通过中心站TDM信道发送到外围站，实现数据组播/广播通信功能；对于单点数据，由中心站统一汇集，然后按照路由协议进行下一步传输。星状拓扑结构如图5所示。

图5　星状拓扑结构图

2.网状拓扑结构

在网状网结构中，外围站能够根据目标IP地址直接对其他外围站发送IP数据包。中心站根据IP 数据包的源IP和目标IP，为通信双方建立SCPC卫星链路，实现数据传输，业务数据一跳到达目的地。网状拓扑结构如图6所示，适用于点到点之间进行实时通信的应用场合。

图6　网状拓扑结构图

3. 混合型拓扑结构

混合型拓扑结构适合应用于点到点或点到多点之间进行综合业务传输的场合，在混合网络结构中，外围站自动识别IP数据类型，对于UDP组播数据，系统自动采用星状网结构，数据包先发送到中心站，再由中心站发送到目标外围站；对于点到点IP数据，系统自动采用网状拓扑结构，数据包一跳直接发送到目标外围站。

四、VSAT网络通信协议

基于IP的VSAT卫星通信网络遵循TCP/IP协议的OSI网络参考模型，实现物理层、数据链路层和网络层的功能。卫星调制解调器对物理层、数据链路层和网络层三层协议进行处理，在空间上转换为适合卫星链路传输的协议，对其上的四层协议进行透明传输。VSAT网络通信协议结构如图7所示。

VSAT系统对应于TCP/IP参考模型的1—3层，其中物理层实现数据的接收和发送，对应于VSAT卫星通信网络中的线路部分，提供数据流传输的物理链路及连接协议；数据链路层采用高效帧结构、先进的编译码技术、带宽压缩技术和流量控制技术来保证数据的准确传输；网络层完成数据报分组交换及网络中通信线路的管理，提供在网络中传输数据所需的SCPC链路建立、SCPC链路保持、SCPC链路拆除、网络寻址、数据流量统计等。

图7　VSAT网络协议结构

五、结束语

基于IP的VSAT卫星通信网络能很方便地组成不同规模、不同速率、不同用途的灵活而经济的网络系统。一个VSAT网一般有广播式、点对点式、双向交互式、收集式等应用形式，既可以应用于发达国家，也适用于技术不发达和经济落后的国家，尤其适用于那些地形复杂，不便架线和人烟稀少的边远地区。VSAT可以方便地开展任何两地通话、传真、图像和数据业务，可将其装备到每个士兵。对于我国来说，军事应用的意义也是很大的，我国幅员辽阔，部队驻防高度分散，有时通信联络很不方便，利用VSAT站可以装备每个哨所，这对加强联系、指挥调度、快速通信大有好处，尤其在那些高山地带的单独哨所更实用。

参考文献

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