基于VLAN 的多信道卫星通信地面系统设计

陈艳丽，王一帆

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.大连理工大学，辽宁 盘锦 124221）

0 引 言

卫星通信作为一种无线通信方式，在通信业务领域占据重要地位。相对于短波、超短波通信，卫星通信具有覆盖范围广、通信距离远、通信频带宽以及传输容量更大等优点，可实时传递信息，在通信领域发挥非常重要的作用。随着技术的发展，需要处理的信息越来越多，要求卫星通信系统具有容量大、信息传输速率高、不易受干扰以及不易被截获等能力，这就需要大力发展新技术[1-2]。文章从卫星通信的特点出发，概述多信道通信技术和虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）技术，分析多信道卫星通信系统应用中存在的问题，提出一种基于VLAN 的多信道卫星通信地面系统的设计方法，并深入分析系统的工作原理和信息流程。

1 多信道通信技术与VLAN 技术概述

1.1 多信道通信技术概述

随着我国信息化建设的脚步不断加快，多信道通信技术被应用于实际网络，有效地保证了网络通信的有效性、可靠性和安全性，同时大幅度提高网络通信的吞吐量[3]。多信道通信技术的应用主要是减少信息在传输过程中受到外部因素的影响。在应用多信道通信技术之前，大多采用节点通信，每2 个节点之间分别建立独立的传输信道，关系过于单一，信息在传输的过程中易受其他节点限制，影响数据通信质量。多信道通信技术允许同时使用多个不同的信道进行信息的发送和接收，应用多信道通信后，能够大大降低各个节点之间的影响，增强系统的健壮性。此外，多信道通信技术的应用可以提高信道的容量，保证信息在传输中的速率，从而进一步提高系统效率[4]。然而，多信道通信技术的使用存在一定的弊端。这种弊端主要是与单信道通信相比，多信道通信技术的通信协议和网络拓扑结构较为复杂。

1.2 VLAN 技术概述

VLAN 是利用交换机虚拟划分功能将网络划分成逻辑上相互独立的子网，进一步达成虚拟工作组的一种网络交换技术[5]。每一个VLAN 组成一个逻辑子网，可以覆盖多个网络设备，允许处在不同地区的网络用户加入任意一个逻辑子网，处在一个逻辑子网中的成员可直接通信，而处在不同逻辑子网之间的成员则需要通过VLAN 间路由相互通信。

根据每一端口对应连接的计算机而动态改变设定的VLAN 称为动态VLAN。动态VLAN 可大致分成3 类。一是基于用户的VLAN，根据交换机每一端口对应连接计算机上当前登录的用户，决定端口所属VLAN；二是基于子网的VLAN，通过端口对应连接计算机的网际互连协议（Internet Protocol，IP）地址，决定端口所属VLAN；三是基于媒体存取控制地址（Media Access Control Address，MAC） 的VLAN，通过端口对应计算机网卡的MAC 地址，决定端口所属VLAN[6]。根据事先固定划分的VLAN 称为静态VLAN，是明确指定每一端口属于哪个VLAN 的一种设定方法，又被称为基于端口的VLAN。就现阶段VLAN 技术发展的实际情况而言，针对VLAN 的划分多采用基于端口的VLAN 和基于子网的VLAN 两种，基于用户的VLAN 和基于MAC 的VLAN 两种划分方式作为辅助使用。

2 多信道卫星通信中存在的问题

多信道卫星通信作为一种重要的通信方式，在全球范围内为用户提供语音、数据、视频等多种业务。然而，在多信道卫星通信系统的运行过程中，受各种因素的限制，实际应用中存在着一些技术和管理上的问题。

多信道卫星通信技术的特点是多个信道传输的业务以并行的方式工作，多信道所传输的业务间易引起相互干扰，应在各信道之间设立隔离带，保证各路业务互不干扰，单纯运用传统路由器很难完成不同信道间的业务完整隔离[7]。

同时，与单信道卫星通信相比，多信道卫星通信中多个卫星信道的业务接入实现复杂、设备体制多样、端口数量众多以及设备状态多变，有可能会引发控制混乱等问题。

3 多信道卫星通信地面系统的设计方案

3.1 系统架构

基于VLAN 的多信道卫星通信地面系统架构如图1 所示。

图1 基于VLAN 的多信道卫星通信地面系统架构

多信道卫星通信地面系统由综合业务系统、主控设备、业务交换机、管理交换机以及卫星信道设备等组成。综合业务系统为用户提供信息增值应用，支持IP 综合数据业务使用卫星通信网以广播或组播的方式传输。主控设备可以预先处理应用消息，并实现协议格式转换、网间路由以及流量控制等功能，对业务接入控制、状态收集上报等消息进行封装及转换，保证各类业务可以使用卫星通信传输网进行信息交互。业务交换机通过划分VLAN 实现隔离传输各卫星信道设备的业务数据、隔离传输业务类数据和控制类信息。管理交换机用于汇聚链路状态、网络状态及流控信息。卫星信道设备主要实现物理层、数据链路层相应的功能，保证信息使用合适的模式进行高速可靠传输，以标准的MAC层数据帧格式与上层设备进行交互。其中，卫星信道设备的种类和数量可灵活配置，采用VLAN技术隔离多种卫星信道设备，综合业务系统、主控设备和卫星信道设备间通过内部协议实现状态交互，可满足用户按需选择通道的要求。综合业务系统按平台号选择通道，由主控设备执行选路，各卫星信道设备通过管理VLAN 分别向综合业务系统分别上报设备状态信息。通过通道号、信道类型、链路状态等信息的自动交互，减少人工干预，提高卫星通信地面系统的易用性。

3.2 实现方法

系统主控设备具备同时向多个综合业务系统提供数据传输服务的能力，综合业务系统同一时间段内可以接入多个卫星通信网节点。首先，主控设备在各个VLAN 发送通道通告报文，供各个卫星信道设备获知所处的通道；其次，各个信道设备通过解析通道通告报文获知所处的通道，建立通道和设备的映射关系，并通过管理交换机上报设备状态；再次，主控设备根据通道与卫星信道设备的映射关系，将信道设备状态映射为平台状态并上报给综合业务系统；最后，综合业务系统根据平台状态选择信道并在该信道上发送应用消息。

卫星通信网作为通信传输手段，工作在数据链路层，根据各平台的MAC 地址进行寻址，提供2 种接入方式：一是交换口接入方式，主要特点为对接入数据进行透明转发，由上层系统实现网络层寻址功能，要求上层系统各终端IP 地址在同一网段；二是网络口接入方式，主要特点为实现网络层路由功能，具备对IP 数据包的寻址功能。

当综合业务系统或通信终端分配同一网段的IP地址时，可以启用业务控制功能模块的交换口模式，利用卫星通信网直接传输。当综合业务系统或通信终端分配不同网段的IP 地址时，启用业务控制功能模块的网络接口，利用业务控制功能模块的路由功能实现IP 数据的互通。

卫星通信网按照综合业务系统的标识反馈重要数据的发送状态。卫星通信网在运行过程中，将本节点设备的工作状态、广播业务和综合业务通信资源分配情况及网络成员入退网状态等信息通过管理VLAN 上报至综合业务系统，以便用户能够实时掌握信道状态。

3.3 信息流程设计

系统发送端的主控设备根据通道与卫星信道设备的映射表，在相应的信道上发送应用消息。具体信号处理流程如下：首先，主控设备对综合业务系统发送过来的业务类数据和管理类信息进行协议适配处理，将其转换为卫星通信网的数据格式，并根据目标信道的通道标识添加指定的VLAN 标签，将加有VLAN 标签的业务类数据和管理类信息发送至业务交换机；其次，业务交换机去掉数据和信息的VLAN 标签，并将去掉标签后的业务类数据进行隔离后发送至对应的卫星信道设备，将去掉标签后的管理类信息发送至管理交换机，实现选路功能；最后，卫星信道设备将接收的业务类数据进行突发组包、加密、编码等数字处理后，经中频调制转化为模拟信号，将模拟信号进行上变频、放大后通过天线发射出去。

系统接收端的卫星天线设备将从空中接收到的无线信号进行下变频、放大后送入卫星信道设备进行解调、解码、解密等数字处理，处理后的业务类数据发送至业务交换机；卫星信道设备通过其管理端口反馈管理信息至管理交换机，管理信息包括终端状态和流量控制。业务交换机根据数据来源，将接收的业务类数据和管理类信息添加上对应的VLAN 标签。系统主控设备将接收到的业务类数据和管理类信息的VLAN 标签转换为相应的通道标识，并对数据进行协议适配等处理后发送给综合业务系统，接收到的数据在综合业务系统网络中进行广播。

4 结 论

文章在多信道通信技术和VLAN 技术的基础上，提出一种多种信道隔离技术，从而实现多种类卫星信道并行通信传输的地面系统的设计方法。该地面系统具有集成化程度高、技术成熟、选路灵活、性能稳定可靠的特点，已应用于系统装备，并开始大规模建设。实践结果证明，应用多信道通信技术的卫星通信系统不仅可以扩大系统容量，而且可以增强系统抗干扰能力，有效利用卫星通信资源，使其更好地发挥作用。