基于VSAT卫星通信的跨境数据传输系统设计

马永春，杨德运，姜汉卿，于 航，李洁榆

（1.航天恒星科技有限公司，北京 100086；2.中国空间技术研究院卫星应用总体部，北京 100094）

随着我国“一带一路”战略的推动实施，越来越多的中国企业加快了“走出去”的步伐，积极拓展海外市场，承担海外项目建设。“一带一路”横跨欧洲、亚洲和非洲三大洲，遍及地中海、波斯湾、印度洋和南海等海域，覆盖140个国家。但是，境外部分国家受当地政治因素的影响和经济发展水平的限制，无法提供完备的通信基础设施保障，极大制约了中国企业的发展，因此对境外数据通信提出了迫切的需求。

VSAT（Very Small Aperture Terminal，甚小口径终端）卫星通信网具有覆盖范围广、系统组网灵活、可扩展性强与系统集成度高等优点，相比于传统地面通信网络，虽然在链路传输延时和费用成本方面存在劣势，但是具有通信不受距离、复杂地形限制和网络接入快速便捷等优势，可应用于远程会议、远程教育与应急通信等场景中。可基于VSAT卫星通信技术设计跨境数据传输系统，为中国驻境外企业跨境通信提供保障。

1 VSAT卫星通信系统介绍

VSAT卫星通信系统由空间段和地面段组成，其中地面段通常由1个主控站和多个用户终端站组成[1～2]。利用空间段卫星转发器，实现主控站与终端站间、终端站与终端站间的数据传输。

1.1 空间段

空间段为地球同步轨道卫星（GEO），卫星转发器通常采用透明转发机制，不进行星上数据处理。目前，我国在轨自主可控的民用宽带通信卫星共计15颗，卫星转发器资源涵盖C频段、Ku频段和Ka频段，可覆盖中国全境、澳大利亚、东南亚、南亚、中东以及欧洲、非洲等地区。

1.2 地面段

1.2.1 主控站

主控站是VSAT卫星通信系统的数据交换和控制中心，主要由天线射频单元、基带单元和网络管理单元组成，负责卫星数据的发送接收、调制解调和网络控制管理，通过协调全网内所有资源和设备的分配，实现对网内所有终端站点的监管，确保整个VSAT卫星通信网络的正常运行。

主控站作为VSAT卫星通信系统的中心站，为了弥补终端站天线增益和发射功率，通常采用7.3 m、9 m和13 m等大口径天线，以实现最大限度地降低终端站体积和功耗。

1.2.2 终端站

终端站主要由天线射频单元和卫星通信调制解调器组成，根据使用需求不用，可选用便携天线、固定天线、动中通天线等不同形态天线，可细分为便携站、固定站、车载站、船载站和机载站等终端站型。终端站天线通常采用0.6 m、0.9 m等小口径天线，便于终端站的携带和部署使用。

在星状网网络架构中，终端站与主控站间可依托卫星实现单跳互通；终端站与终端站间必须经过主控站转发，实现双跳互通，即终端站先通过卫星将数据发送至主控站，再由主控站通过卫星转发将数据发送至另一个终端站。

星状网网络架构虽然在传输延时方面存在劣势，且对主控站的可靠性提出较高要求，但是该架构能够支持小口径终端，且支持大规模组网，在设备成本方面具有显著优势。

2 跨境数据传输系统总体设计

2.1 系统拓扑

结合中国驻外企业境外通信需求，以及VSAT卫星通信系统的优势，设计出基于VSAT卫星通信的跨境数据传输系统网络拓扑结构。该系统由位于境内的主控站和位于境外的固定站、便携站和车载站等终端站组成，主控站与企业总部通过光纤线路连接，能够满足中国驻外企业与企业总部间的通信需求，可实现传真、语音、视频及数据传输等业务功能。如图1所示。

图1 系统拓扑图

2.2 卫星频段选择

VSAT卫星通信系统可工作于C频段、Ku频段和Ka频段，现对各频段特性进行分析。C频段具有投入使用早、技术成熟、受雨衰影响小等优势，但是其通信容量小、终端设备体积偏大（通常1.8 m以上），适用于对通信质量有严格要求的业务，如广播电视上行传输；Ku频段具有终端设备体积较小、受地面干扰影响较小、技术成熟等特点，相较C频段受雨衰影响较大，适用于便携、动中通等移动应急通信、VSAT卫星专网通信、卫星新闻采集及广播电视直播等业务；Ka频段具有通信容量大、终端设备体积小、干扰少等特点，但是受雨衰影响大，对器件和工艺的要求较高，且目前我国Ka频段在轨卫星数量少、覆盖范围小。

表1 工作频段优劣势对比

卫星通信工作频段的选择对系统的传输速率、装备体积和投入成本均会产生影响。考虑到本系统应用于驻外企业，尽量采用技术成熟、易于携行的装备，因此在确保抗雨衰设计的前提下选用Ku频段进行跨境数据传输。

2.3 卫星选择

根据中国驻外企业境外通信需求，综合考虑工作频段、信号覆盖和自主可控等因素，选用中星12号卫星Ku频段中东非波束实现本系统的卫星信号转发。中星12号卫星定轨于东经87.5°，由航天科技集团下属的中国卫通集团有限公司运营和管理。在中星12号卫星Ku频段中东非波束覆盖北京、中东和中北非地区，无须进行星上转发器铰链，即可实现以上地区与北京的直接连通，适合中国驻以上地区企业与境内企业总部的互联互通。

2.4 卫星链路计算

卫星链路计算是卫星通信系统设计的重要步骤，根据VSAT卫星通信技术体制、中星12号卫星EIRP、G/T、极化等性能参数和系统的拓扑结构，遵照卫星资源功带平衡的原则，同时考虑雨衰、临星干扰等因素影响，为选择合适的卫星带宽、天线口径和功放等提供指导[3～4]。

本系统采用中星12号Ku频段卫星转发器进行链路计算，主控站采用9 m Ku频段天线、100 W功放，终端站提供1.2 m天线、16 W功放和0.6 m天线、40 W功放两种配置[5]，系统可用度为99.9%，考虑到传真、语音、视频及数据传输等业务传输需要，1.2 m天线、16 W功放终端站提供2 Mbps业务速率传输信道，0.6 m天线、40 W功放终端站提供1 Mbps业务速率传输信道。

现以北京主控站与肯尼亚首都内罗毕终端站传输场景为例进行链路计算，中星12中东非波束北京EIRP为46.48 dBW、G/T为-1.13 dB/K，内罗毕EIRP为49.79 dBW、G/T为3.78 dB/K，链路计算结果如表2所示。

表2 1.2 m、16 W功放终端站链路计算结果

表3 0.6 m、40 W功放终端站链路计算结果

从上述计算结果可以看出，主控站9 m天线、100 W功放在晴天和雨天都能够满足系统传输速率需求，并且具有一定的余量。终端站1.2 m天线、16 W功放和0.6 m天线、40 W功放两种配置，在与主控站通信时，晴天和雨天也具有一定余量，能够满足业务速率要求。

2.5 数据传输流程

以驻境外用户终端站车载站向国内企业总部发送数据为例，介绍跨境数据传输系统数据传输流程。

（1）在驻境外用户终端站侧，语音、文件及音视频等IP业务数据经交换机汇总后发送至终端站卫星通信调制解调器。

（2）终端站卫星通信调制解调器将接收到的IP业务数据封装为卫星协议数据包后，经过信道编码、调制为L频段中频信号。

（3）L频段中频数据经过终端站功放上变频、放大至Ku频段信号，由终端站天线发送至中星12号通信卫星。

（4）中星12号通信卫星将接收到的数据透明转发至位于国内的卫星主控站。

（5）卫星主控站天线在接收到卫星数据后，通过LNB将Ku频段卫星数据下变频、放大至L频段中频信号。

（6）L频段中频数据被传送至主控站基带设备，经过主控站基带设备的卫星协议数据包解封、信道解码和解调后，恢复为IP业务数据。

（7）通过主控站与企业总部之间的光纤线路，最终将境外IP业务数据发送至企业总部。

3 结束语

VSAT卫星通信作为一种成熟的通信技术，已广泛应用于远程会议、远程教育与应急通信等场景中。本文针对中国驻外企业境外通信保障需求，设计了一种基于VSAT卫星通信的跨境数据传输系统，系统采用星状网网络架构，依托中星12号通信卫星Ku频段中东非波束，通过在中国驻外企业部署固定站、便携站和车载站等终端站型，提供传真、语音、视频及数据传输等业务功能，为驻外企业提供安全、可靠的跨境通信保障。