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第 5 章 VSAT 卫星通信网

第 5 章 VSAT 卫星通信网. zy29209@163.com. 第 5 章 VSAT 卫星通信网. 5.1 VSAT 卫星通信网的基本概念及其特点 5.2 VSAT 网的组成及网络结构 5.3 VSAT 业务类型及应用 5.4 VSAT 数据通信网 5.5 VSAT 电话网 5.6 国内外 VSAT 生产厂商及典型型号和性能 5.7 VSAT 网的总体方案设计. 5.1 VSAT 卫星通信网的基本概念及其特点. VSAT = Very Small Aperture Terminal ( 甚小口径终端 ) ， 天线口径通常为 0.3-2.4m

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第 5 章 VSAT 卫星通信网

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  1. 第5章 VSAT卫星通信网 zy29209@163.com

  2. 第5章 VSAT卫星通信网 • 5.1 VSAT卫星通信网的基本概念及其特点 • 5.2 VSAT网的组成及网络结构 • 5.3 VSAT业务类型及应用 • 5.4 VSAT数据通信网 • 5.5 VSAT电话网 • 5.6 国内外VSAT生产厂商及典型型号和性能 • 5.7 VSAT网的总体方案设计

  3. 5.1 VSAT卫星通信网的基本概念及其特点 • VSAT = Very Small Aperture Terminal(甚小口径终端)，天线口径通常为0.3-2.4m • 20世纪80年代开始发展起来的，一般由大量具有甚小口径天线的智能化小型或微型地球站与一个(或几个)大站协同工作，构成一个VSAT卫星通信网，能够支持范围广泛的数据、话音、图像及其他综合电信及信息业务。

  4. VSAT的特点 • 小口径天线，天线口径0.3-2.4m，设备简单，体积小，重量轻，功耗小，造价低，安装、维护和操作简便 • 组网灵活，易扩展和改进 • 多种业务可以在一个网内并存，适于多种数据率和多种业务类型：数据、话音、图象等 • 可建立直接面对用户的直达电路 • 集成化程度高，VSAT从外表看只有天线、室内单元(IDU)和室外单元(ODU)三部分

  5. 智能化功能强，可无人操作 • 覆盖范围广，特别适合用户分散、业务量轻的边远地区和用户终端分布范围广的专用通信网 • 独立性好，一般用作专用网，用户享有对网络的控制权，而不用作公用网。其网络结构、技术性能、设备特性和网络管理都可以根据用户的要求进行设计和调整 • 互操作性好，采用不同标准的用户可以跨越不同的地面网而在同一个VSAT网内进行通信

  6. 5.2 VSAT网的组成及网络结构 5.2.1 VSAT网的组成 • VSAT卫星通信系统是由包括网控系统在内的主站、卫星转发器和若干VAST小站组成的。通常采用星形网络结构。 • (1)主站(中心站) • 主站也叫中心站(中央站)或枢纽站(HUB)，是VSAT网的心脏。它与普通地球站一样，使用大型天线，天线直径一般约为3.5m～8m（Ku波段）或7m～13m（C波段）。

  7. 主站通常与主计算机放在一起或通过其它(地面或卫星)线路与主计算机连接，作为业务中心。主站通常与主计算机放在一起或通过其它(地面或卫星)线路与主计算机连接，作为业务中心。 • 同时在主站内还有一个网络控制中心，负责对全网进行监测、管理、控制和维护。 • 由于主站涉及整个VSAT网的运行，其故障会影响全网正常工作，故其设备皆有备份。为了便于重新组合，主站一般采用模块化结构，设备之间采用高速局域网的方式互连。 

  8. VSAT小站由小口径天线、室外单元（ODU）和室内单元（IDU）组成。  • VSAT天线有正馈和偏馈两种形式，正馈天线尺寸较大，而偏馈天线尺寸较小、性能好（增益高、旁瓣小），且结构上不易积冰雪，因此常被采用。 • (2)小站(VSAT)

  9. VSAT小站的室外单元 (ODU)主要包括固态功率放大器、低噪声放大器、上/下变频器及其检测控制电路等模块的电子成套设备。 • 室外单元的组件紧密地集成在一起，其结构防水、易散热、便于安装，通常设置在天线馈源附近。

  10. 至IDU 室外单元（ODU）

  11. 来至ODU 室内单元（IDU）

  12. 室内单元(IDU) ，分数据为主和话音为主的两种类型，主要包括： 1、信源编码器 • 波形编码器。最常用32kbit/s的ADPCM(自适应差分脉码调制)方式，这种编码方式在保证高质量的话音性能前提下，与普通PCM编码方式相比，可使频带压缩一半，如NEC的NEXTAR-VO系统。 • 参量编码器。常用的有CELP(码激励线性预测)，速率4.8~16kbit/s；RELP(残余激励线性预测)，速率4.8kbit/s、9.6kbit/s、16kbit/s，如休斯公司的TES系统。

  13. 2、回波抵消设备 3、话音激活设备 4、调制解调器 • VSAT小站功率带宽受限，通常采用功率和频带利用率较高的QPSK或BPSK调制方式。它们都是成熟、性能优良的实用技术。 5、差错控制设备 • 主要采用前向纠错编码(FEC)技术。 • 目前普遍采用1/2码率，K=7的卷积编码，以及维特比算法译码，可使系统获得3~5dB的编码增益。

  14. 6、图像压缩编译码器 • 会议电视系统，未压缩前的比特率为36.5Mbit/s，压缩后1.5~2Mbit/s；可视电话由5.2Mbit/s压缩到56kbit/s。 • 有关的压缩技术标准有JPEG、H.261、MPEG等。 • 常用的图像压缩标准是H.261，会议电视系统压缩后的最低码率为384kb/s。 • MPEG-2主要用于广播电视部门对音视频信号进行数字化处理，如数字视频广播、高清电视传输等。

  15. 7、接口设备 • 如数据端口、话音接口、LAN接口、串行接口等。 8、监控器 • 每个VSAT终端配置一个监控器，用以监视和控制设备的状态和信道，保持网络管理系统和控制信道处于良好状态。它可以监视室外单元、也可以监测小站内的信道单元。

  16. 室内外单元之间通常以同轴电缆连接。 • 室内和室外单元通常采用固化部件，便于安装与维护，整套设备结构紧凑、造价低廉、环境要求低，可直接与数据终端连接。

  17. (3)卫星转发器 • 卫星转发器又称为空间段，一般采用工作于C或Ku波段的同步卫星透明转发器。在第一代VSAT网中主要采用C波段转发器，从第二代VSAT开始，以采用Ku波段为主。具体采用何种波段不仅取决于VSAT设备本身，还取决于是否有可用的星上资源。 • 卫星转发器造价很高，空间部分设备的经济性是VSAT网必须考虑的一个重要问题，因此，可以只租用转发器的一部份，地面终端网可以根据所租用卫星转发器的能力来设计。

  18. VSAT的工作频段 • C频段 • 电波传播条件好、降雨影响小、可靠性高、小站设备简单、可利用地面微波成熟技术、开发容易、系统费用低。 • 由于与地面微波线路干扰问题，功率通量密度不能太大，限制了天线尺寸进一步小型化。而且在干扰密度强的大城市选址困难。C波段通常采用扩频技术降低功率谱密度，以减小天线尺寸。但采用扩频技术限制了数据传输速率的提高。

  19. Ku频段 • 与C频段相比，不存在与地面微波线路互相干扰问题，架设时不必考虑地面微波线路而可随地安装。 • 允许的功率通量密度较高，天线尺寸可以更小，传输速率可更高。 • 天线尺寸一样时，天线增益比C频段高6~10dB。 • 因此，目前大多数VSAT系统主要采用Ku频段。

  20. VSAT按波段分类 • C波段VAST，6/4GHz，一般C频段VSAT站的天线口径为2.4m、1.8m、1.2m • Ku波段VAST，14/12GHz，一般天线口径1m左右，如1.2m、1m、0.75m、0.6m • Ka波段VAST，30/20GHz，天线口径0.6m甚至更小 • 在相同的条件下（例如相同的频段、相同的转发器条件）话音VSAT网的小站为了实现小站之间的直接通信，其天线明显大于只与主站通信的数据VSAT小站。

  21. VSAT系统主站与小站的比较 • 主站发射功率大于小站 • 主站的天线尺寸比小站大得多 • 主站的具有网络管理和控制的功能

  22. 按照通信方式，VSAT系统可分为单向和双向VSAT系统。按照通信方式，VSAT系统可分为单向和双向VSAT系统。 • 单向VSAT系统 • VSAT只具有单向传输功能。 • 一般是单向接收，数据广播系统。图像和数据等信号从中心站传输到许多单收VSAT终端。如证券公司的数据信息发布系统。 • 也有单向发送，数据采集系统，比如新闻数据采集系统，气象数据采集系统。

  23. 单向VSAT数据广播系统

  24. 单向VSAT新闻数据采集系统

  25. 双向VSAT系统 • VSAT与主站，或VSAT与VSAT之间可进行交互通信，它由中心站控制许多VSAT终端来提供数据传输、语音和传真等业务。 • 如电话传输用的VSAT系统。 • 主战发送给VSAT的信号称为外向(outbound)传输或出境。 • VSAT发送给主站的信号称为内向(inbound)传输或入境。

  26. 通信卫星 出境(外向) 入境(内向) 中央地球站 VSAT用户小站 双向VSAT系统

  27. 5.2.2 VSAT网的网络结构 • VSAT卫星通信网常见的有星形网、网状网、混合网 (1)星形网(Star network) • 通常由一个主战对应若干小站组成，小站只能和主站通信，小站之间通信要通过主站，要经过双跳形式才能通信。

  28. 卫星VSAT星形网的组成和路径

  29. 星形网是以传输数据业务为主的系统。 • 点到多点的单向星形网。广播式网络由主站向远端VSAT小站传输数据、图象、电视等业务，而不需要VSAT小站向主站回传业务信息。数据采集式网络则各VSAT将信息数据分别发送给主站，然后由主站综合处理。 • 点到多点的双向通信星形网。以主站为中心，与各个远端VSAT小站构成星形通信网。主站既可以向全网广播公共信息，也可以分别与各个VSAT小站以“单跳”方式进行双向通信。各小站之间不能直接通信，一定要经过主站转接，增加了传输信息的时间。

  30. (2)网状网(Mesh network) • 网状网允许任何两个VSAT地球站之间进行直接通信。它是无中心的分散的网络结构，但一般会选一个站作为主控站，对全网进行监控和管理，主控站不作业务转接。 • 网状网是以话音通信为主的系统。 • 适合于话务量较大，各远端站之间通信业务较多的情况。在这种网络结构中，任何两站之间的通信不会出现“两跳”问题，避免了双跳时延。

  31. 卫星VSAT网状网的组成和路径

  32. (3) 混合网(Hybrid architecture) • 星形网与网状网的混合体。 • 网形结构： • 实时性要求高的业务，如话音 • 点对点通信 • 星形结构： • 实时性要求不高的业务，如数据 • 点对多点通信 • 系统的信道分配，设备性能的监控、计费等由主站来完成（集中控制）

  33. 主站 VSAT VSAT VSAT VSAT

  34. 星形网最适合于广播、收集等进行点到多点的通信应用环境，主要用于数据传输。小站天线口径比较小，但网络时延比较大。星形网最适合于广播、收集等进行点到多点的通信应用环境，主要用于数据传输。小站天线口径比较小，但网络时延比较大。 • 网形网适合于点到点之间进行实时性通信的应用环境，主要用于话音传输。没有双跳时延，但VSAT小站天线口径很难进一步缩小。 • 混合网最适合于点到点或点到多点之间进行综合业务传输的应用环境。对卫星资源的利用率比较高，网络比较大，传输业务范围比较广，适合于既有话音业务又有数据业务的情形。但网络结构比较复杂。

  35. 5.2.3 VSAT网多址协议 1、频分多址(FDMA) • 在VSAT系统中用的最多的是单载波单路SPSC，即每一个小站分配一个信道。特别是在以传输话音业务为主的VSAT系统中，大量采用SCPC方式，与按需分配相结合，可以大大提高卫星信道利用率。 • 典型代表为美国休斯公司的话音地球站（TES, Telephony Earth Station）系统 。

  36. 优点： • 技术成熟，设备简单，造价低廉。 • 与按需分配(DAMA)方式结合，端站增减、业务扩容都比较方便。 • 相比多路复用FDMA方式，各地球站发射功率大小仅与本站发射的载波（信道）数有关，与整个VSAT系统的信道数（即系统总通信量）无关。业务量小的地球站可以发射较小的功率，从而降低了小站的成本。

  37. 缺点： • 卫星转发器的多载波会不可避免地导致互调产物产生，使得转发器降低功率工作，转发器的功率利用率比较低。 • 小站天线直径较大，Ku波段为1.2m～1.8m，C波段为1.8m～2.4m。 • 当C波段工作在大城市时由于地面微波干扰严重，选址不方便。

  38. 2、时分多址(TDMA) • 此体制特别适合于网络容量大、地球站少的情况。它的缺点是随着地面站数目的增加，将导致延迟增长很快。VSAT这种站数多的系统单纯使用TDMA方式是不合理的。 • VSAT系统中，TDMA是与FDMA以及频率跳变结合在一起共同发挥优势，即FDMA-TDMA方式。避免使用较大的TDMA载波，降低了小站发射功率和成本。 • 典型代表为日本NEC公司的NEXTAR系统。

  39. 优点： • TDMA是一种先进的系统，能更充分、更方便、更有效的使用各种数字技术。 • 无互调干扰，转发器可以工作于饱和状态，其功率利用率比较高，可达90%以上。 • 与按需分配(DAMA)方式相结合，信道利用率高，系统容量大。 • 网中各站发射或接收所用的频率和时隙均可调整，灵活性好，扩容方便。 • 缺点： • 必须做到全网准确地同步，这就相应提高了设备和系统的复杂度，成本也随之加大。

  40. TDMA方式下，常用的信道分配方式有： • 预分配TMA (TDMA/PAMA) • 按需分配TDMA (TDMA/DAMA) • 比特流方式 • 组合访问TDMA (CA/TDMA) • 自适应多址方式 (AA/TDMA)——目前在大型VSAT网中，采用的最为先进的多址方式，例如NEC公司的NEXTAR系统

  41. 3、码分多址(CDMA) • 适用于传输速率较低的业务，用于较小的系统，尤其是军用通信系统，也可用于广播式系统中。 • 主要用于C波段，常用方案是直接序列扩频(DSSS)。 • 典型代表为GTE spacenet公司的产品，其数据广播采用CDMA方式。

  42. 优点： • 抗干扰能力强。扩频增益很大，大大降低了功率谱密度，减小了与地面微波及邻星之间的干扰，特别是C波段地面微波干扰较多的地区，抗干扰非常有效。 • 降低了网络峰值功率要求，且隐蔽性好。 • 可降低C波段天线口径，用1.2m天线即可实现双向通信，单收站只需0.6m天线。小站简单、造价低。 • 内向采用CDMA避免了碰撞问题，且对过载不敏感

  43. 缺点： • 频带利用率低，一般仅为百分之十几，网络容量较小。 • 设备比较复杂，接收方对每个VSAT发送站都需要相应的解调设备，不适合话音通信。

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