浅析VSAT卫星宽带互联网通信系统的发展

2017-11-06张烨，庞京

数字通信世界 2017年7期

关键词：主站载波远端

张烨，庞京

张烨，庞京

（国家无线电监测中心北京监测站，北京 100037）

本文对VSAT卫星宽带互联网系统进行简要的技术分析，主要包括系统内部主站与终端的通信交互，以及系统通信的网络协议结构，并对VSAT系统的核心通信体制DVB-S2标准进行分析说明。

VSAT；DVB-S2；卫星宽带互联网

1 引言

随着全球宽带互联网的发展和普及，卫星Ka频段业务的开发和推广，VSAT卫星宽带通信在市场上渐渐兴起，也越来越受到用户的喜爱。

2 VSAT系统概述

VSAT卫星通信系统与其他卫星通信系统一样，由地球站和通信卫星组成。地球站分为主站和小站，主站一般处于中心城市，具有较大口径（一般为11～18米）的天线和较大的发射功率，集中包含网络微机控制系统，这样可以使小站设备尽量简化。系统如图1所示。

图1 VSAT系统概图

3 VSAT系统技术分析

3.1 VSAT系统星上通信网络架构

VSAT系统通信网络结构如图2所示。

图2 VSAT系统通信网络结构图

对于星状网络而言，下行信道传输机制：主站从数据中心接收以随机顺序发送的IP包，并以先入先出的顺序利用时分复用方式插入到对应的时隙中，最后以广播的形式发射下行大载波。所有可接收的远端小站都能接收到这个广播流。

每个远端路由器都有惟一的媒质访问控制（MAC）地址，广播数据流利用MAC地址作为识别码进行编码，所有的数据都能被远端路由器接收并准确过滤。同时，下行信道也传输来自网络管理系统（NMS）的控制信息及带宽的动态分配。

上行信道传输机制：上行载波通过回传信道进行传输，载波基于MF-TDMA方式，远端小站共享卫星带宽，当有需要更多带宽时，远端可以调谐到其他有空闲带宽的上行载波，从这些载波中获得额外带宽。每个远端小站按指定的时隙发送业务信息，时隙分配即带宽分配，由主站网络管理系统指定的QoS限制来分配，同时系统也会根据各小站业务需求，以每秒8次的速度来调整带宽的分配。如果带宽需求增加或者减少时，主站给远端站发送一个新的时间表，在那个载波安排更多或更少的时隙。

网状连接时，远端站发送需求信息给主站，主站分析这个需求，然后在适当的TDMA 载波（回传载波）上分配时隙，并发送新的突发时间安排表给那两个远端站。接收远端站的网状解调器锁定那个TDMA 载波，监听为网状通信指定的时隙。主站每秒8次分析带宽需求并进行带宽分配，快速的带宽分配和释放机制可以保证很高的带宽使用效率。如果带宽需求增加或者减少，主站给远端站发送一个新的时间表，在那个载波安排更多或更少的时隙。

当新的网状远端站加入网络时，主站会更新路由和ARP 列表，并组播传送这个表到所有相关的网状远端站，从而缩短网状连接动态建立的时间。当没有额外可用带宽为网状连接使用时，小站业务可以以传统星状双跳的方式进行通信。当远端站的第二个解调器发生故障时，业务也能正常工作（以星状方式），大大提高了远站的弹性。

3.2 VSAT系统网络协议结构

按照VSAT对于整个系统的功能来说，VSAT就是通信路由器，一端通过无线信道连接卫星，一端通过以太网连接内部局域网。按照TCP/IP五层模型，VSAT网络的协议栈结构如图3所示。

图3 VSAT网络的协议栈结构图

由图3可知，VSAT提供物理层、数据链路层和网络层三层服务。

物理层：物理层定义了网络通信线路的实体馈线链路标准，任何系统底层都包含物理层结构。同时按整个系统信息的传输来看，物理层负责保证前向纠错（FEC）编码技术物理无差错，同时将虚拟信息进行调制或者将物理载波进行解调。

数据链路层：包含“数据链路控制层”及“卫星信道多址控制层”，前一层控制卫星链路的数据，来保证信道上信息的可靠传输，主要包括传输同步、差错控制、流量控制等协议。后一层主要对小站或者主站发射的多路载波进行信道管理控制，保证其有序性和正确性。

网络层：该层主要负责控制通信子网，提供路由选择、流量控制、传输的确认、中断、差错及故障的恢复等功能，保障系统内网络正常连接。经由该层将信息传输给传输层。

VSAT系统种类及产品五花八门，而且随着技术的发展，设备也随之更高性能。不管性能变化多快，网络协议结构不会改变，变化的是承载高速数据的系统处理能力及高效的中转传输能力。

3.3 VSAT信号传输及处理技术

（1）压缩编码技术：为了提高编码率，提高带宽的利用率，系统会对原始数据进行压缩编码。目前，在卫星通信系统中使用较多的有连续可变增量调制（CVSD）、自适应差分脉冲编码（ADPCM）、几种线性预测编码、数字话音插空语音、数字电路倍增等技术。视频编码技术包括统计编码、预测编码、包换编码、基于分形的编码、基于模型的编码、基于区域分割编码和基于神经网络的编码技术等。现有的视频编码标准与技术如MPEG-2，MPEG-4，H.264等都提供了较高的压缩性能，适用于目前高速数据的传输。

（2）数字信号调制技术：由于卫星信道基本可以视为恒参信道，因此可以考虑采用最佳的调制和检测方式，即可选用加性高斯白噪声信道中抗干扰性能强的调制方式。目前VSAT系统，由于数据的庞大化及高速化，需要高阶的调制方式进行调制处理，如QPSK，8PSK，16QAM，64QAM等调制方式。

（3）扰码技术：在发射端使用伪随机码序列与数字基带信号进行模2运算，改变信号原有的统计特性，在接收收端，通过使用相同的伪随机码序列调制出基带信号，按发射端相同的规律进行模2运算，恢复出原数字基带信号。通过使用扰码技术便于提取比特定时信息，使数字信号具有伪随机性，同时对信号进行扩频，提高安全性。

（4）差错控制技术：主要用来提高系统抗干扰性以及提升卫星信道通信容量。卫星通信中常用的参错控制技术在底层协议采用循环冗余交验（CRC）和前向纠错（FEC）技术；在高层，分组通过接受和拒绝系统的数据传输来提供附加的保护。VSAT系统常用的纠错编码方式包括卷积编码、Turbo编码、外码里德-所罗门（RS）码+内码卷积码的级联编码、外码BCH码+内码低密度奇偶校验码（LDPC）的级联编码等。

（5）多路复用技术：VSAT因其小站分布广泛，为了保证各小站同步收发数据以及保证信道容量，上行链路多采用MF-TDMA技术，下行链路多采用TDM技术。

3.4 DVB-S2标准

DVB-S2标准是DVB-S标准的升级版，下面简要介绍一下DVB-S2标准的技术特点及DVB-S2系统的工作流程。

3.4.1 DVB-S2标准技术特点

作为全新的DVB-S2，和DVB-S相比具有以下的优势及特点：

（1）DVB-S2采用BCH码和LDPC（低密度奇偶校验码）级联成新的信道编码方案和高阶调制组合，构成更好的传输方案。

（2）DVB-S2频谱成形中的升余弦滚降系数Q可在0.35、0.25、0.2中选择，而不是DVB-S固定的O.35，自然Q越小，可以获得下降更陡峭的载波波形，频谱利用率越高。

（3）对于不同的业务（SDTV、HDTV、音频和多媒体）可以采用不同的误码保护级别，即用可变的编码和调制方案（VCM，Variable Coding and Modulation）。

（4）DVB-S只有一个QPSK调制方式，使得卫星传输信号的能力受到很大限制。

DVB-S2则将其拓展为多个可以选择的方式，即QPSK，8PSK，16APSK，32APSK，相应每个调制符号映射的比特数分别为2，3，4，5。这就使得卫星传输能力极大地提高。尤其对于直播卫星系统的运营商很有意义，即同样数目的卫星和转发器，可以成倍地增加传输的信号节目套数。

（5）DVB-S2支持实时多变的自适应编码调制技术（ACM）。该技术可自动进行编码和调制优化，随着环境损耗情况切换高低阶调制模式，有效增强了系统抗雨雪衰能力。

3.4.2 DVB-S2的系统流程