浅谈卫星通讯系统

1、浅谈卫星通讯系统第1页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四发展背景 VSAT于20世纪80年代最先在美国兴起，发展速度很快，是30多年来卫星通信技术的转折性发展。利用这种系统进行通信具有灵活性强，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。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，这在地面网络不发达、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。它将是未来电信系统的重要组成部分，依赖地面超大容量光纤网，以及空间宽带卫星网，使

2、用户设备方便地直接接入全国或全球宽带网络。第2页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四其主要特点有： (1) 设备简单， 体积小， 重量轻， 耗电省， 造价低， 安装、 维护和操作简便。 (2) 组网灵活，容易扩充用，而且维修方便。 (3) 通信效率高， 性能质量好，可靠性高，通信容量可以自适应， 适于多种数据率和多种业务类型， 即能够传输综合业务， 便于向ISDN过渡。 (4) 可建立直接面对用户的直达电路， 它可以与用户终端直接接口，避免了一般卫星通信系统信息落地后还需要地面线路引接的问题。 第3页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四(5) 集成化程度

3、高， 智能化(包括操作智能化、 接口智能化、 支持业务智能化、信道管理智能化等)功能强， 可无人操作。 (6)建设周期短,不受地形和气候环境的影响，它比传统的地面通信手段简单得多，不需要架设电缆、光缆。(7)独立性强，互操作性好，可使采用不同标准的用户跨越不同地面网而在同一个VSAT网内进行通信。 第4页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四VSAT数据通信网 VSAT数据网的组成及工作原理 1. VSAT网的组成 典型的VSAT网是由主站、 卫星和许多远端小站(VSAT)三部分组成的， 通常采用星形网络结构。第5页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四VS

4、AT网构成示意图 第6页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四 (1) 主站(中心站)。主站又称中心站(中央站)或枢纽站(HUB)，它是VSAT网的心脏。它与普通地球站一样，使用大型天线，其天线直径一般为3.58 m(Ku波段)或713m(C波段)，并配有高功率放大器(HPA)、低噪声放大器(LNA)、上/下变频器、 调制解调器及数据接口设备等。 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。 第7页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四 主站高功率放大器的功率要求与许多因素有关，例如， 通信体制、工作频段、数据速率、发射载波数目、卫

5、星特性以及远端接收站的大小及位置等。 其额定功率一般为数百瓦(最小1 W，最大达数千瓦)。 当额定功率为110 W时， 一般采用固态砷化镓场效应管(GaAsFET)放大器；当额定功率为10250 W时，一般采用行波管放大器(TWTA)； 而当它为5002000 W时，一般采用速调管放大器。 例如， 采用610个发射载波的C波段11 m 地球站， HPA的功率约为300 W。 第8页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四 (2) 小站(VSAT)。VSAT小站由小口径天线、室外单元和室内单元组成。 VSAT天线有正馈和偏馈两种形式，正馈天线尺寸较大，而偏馈天线尺寸小、 性能好(

6、增益高、 旁瓣小)，且结构上不易积冰雪，因此常被采用。室外单元主要包括GaAsFET固态功放、低噪声场效应管放大器、上/下变频器和相应的监测电路等。整个单元可以装在一个小金属盒子内直接挂在天线反射器背面。室内单元主要包括调制解调器、编译码器和数据接口设备等。室内外两单元之间以同轴电缆连接，传送中频信号和供电电源， 整套设备结构紧凑、造价低廉、全固态化、安装方便、 环境要求低，可直接与其数据终端(微计算机、数据通信设备、 传真机、 电传机等)相连， 不需要地面中继线路。 第9页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四 (3) 空间段。VSAT网的空间部分是C频段或Ku频段同步卫星

7、转发器。C频段电波的优点是传播条件好、 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。 但由于有与地面微波线路相互干扰的问题， 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。第10页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四通常，Ku频段与C频段相比具有以下优点： 不存在与地面微波线路相互干扰的问题，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

8、寸一样时， 天线增益比C频段高610 dB。 虽然Ku频段的传播损耗特别是降雨影响大，但实际上线路设计时都有一定的余量，线路可用性很高，在多雨和卫星覆盖边缘地区， 使用稍大口径的天线即可获得必要的性能余量。因此， 目前大多数VSAT系统主要采用Ku频段。 第11页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四2. VSAT系统工作原理 1）外向(Outbound)传输 在VSAT网中，主站向外方向发射的数据，也即从主站通过卫星向小站方向传输的数据，叫作外向传输数据。外向信道通常采用时分复用(TDM)或统计TDM技术连续性地向外发射，即从主站向各远端小站发送的数据，由主计算机进行分组格

9、式化， 组成TDM帧，通过卫星以广播方式发向网中所有远端小站。 为了各VSAT站的同步，每帧(约1 s)开头发射一个同步码。同步码特性应能保证各VSAT小站在未纠错误比特率为110-3时，仍能保证可靠地同步。该同步码还应向网中所有终端提供TDMA帧的起始信息(SOF)。 第12页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四 2) 内向(Inbound)传输 各远端小站通过卫星向主站传输的数据叫作内向传输数据。 在VSAT网中，各个用户终端可以随机地产生信息。因此，内向数据一般采用随机方式发射突发性信号。采用信道共享协议， 一个内向信道可以同时容纳许多小站，所能容纳的最大站数主要取决

10、于小站的数据率。 许多分散的小站，以分组的形式，通过具有延迟S秒的RA/TDMA卫星信道向主站发送数据。由于VSAT本身一般收不到经卫星转发的小站发射信号， 因此不能用自发自收的方法监视本站发射信号的传输情况。因而利用争用协议时， 需要采用肯定应答(ACK)方案，以防止数据的丢失，即主站成功收到小站信号后，需要通过TDM信道回传一个ACK信号，宣布已成功收到了数据分组。如果由于误码或分组碰撞造成传输失败，小站收不到ACK信号，则为失败的分组，需要重传。 第13页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四 综上所述可以看出，VSAT网与一般卫星网不同， 它是一个典型的不对称网络。即

11、链路两端设备不同； 执行的功能不同； 内向和外向业务量不对称； 内向和外向信号强度不对称， 主站发射功率大得多，以便适应VSAT小天线的要求。VSAT发射功率小，主要利用主站高的接收性能来接收VSAT的低电平信号。第14页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四VSAT数据网的网络结构及组网形式 VSAT通信网的基本结构有星型、网型及两者的混合形式。 在星型网中，外围各远端小站只与中心站直接发生联系，它们互相之间不能通过卫星直接互通。 如有必要， 各小站需经中心站转接方能建立联系(形成逻辑上的网型网)。 星型网络拓扑, 它是目前VSAT网中应用最广泛的网络形式。 第15页，共3

12、6页，2022年，5月20日，11点37分，星期四VSAT网络结构(a) 星型网络； (b) 网型网络； (c) 星型和网型混合网络； (d) 点点或卫星单跳结构(VSAT作网关)； (e) VSAT作远端终端 第16页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四VSAT数据网接入方式（多址协议） 1. 频分多址(FDMA) FDMA是一种传统的多址方式，FDM/FDMA和TDM/QPSK/FDMA一般用在业务量大的卫星通信系统中。在VSAT系统中一般采用SCPC/FDMA多址方式，尤其在以传输话音为主的VSAT系统中大量采用SCPC方式，与按需分配(DAMA)技术相结合，可以大大

13、提高卫星信道利用率。SCPC方式的另一个优点是，各个地球站发射功率大小仅与本站发射载波(即信道)数有关，与整个VSAT系统的信道数(即系统总通信量)无关。业务量较小的地球站可以发射较小的功率，从而降低了小站成本。 第17页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四 2. 时分多址(TDMA) TDMA是一种适用于大容量通信的多址方式，适用于站少容量大的系统。像VSAT这样一种站数十分多的系统单纯使用TDMA是不合理的。但TDMA是一种很有吸引力的多址方式， 尤其数字传输系统为TDMA的实现创造了有利的技术基础。在VSAT系统中，TDMA是与FDMA及频率跳变(FH)结合在一起发挥

14、其优点的。系统占用的带宽先按频率划分成各个载波，然后在每个独立载波的基础上使用TDMA。 每个站指定的载波在所分配的时隙内发射，时隙的长短可以按业务量改变，也可以在必要时跳变到另一个载波上指定的时隙内发射。 这种多载波的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，在VSAT系统中广泛应用，并与DAMA技术相结合。 常用的形式有： 第18页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四 (1) 预分配TDMA(TDMA/PA)。它是最基本的TDMA方式， 但一般可以做到按时重分配。由网络控制中心设定各站信道数及路由， 在指定的时刻切换改变。 (2) 按需(动态)分

15、配TDMA(TDMA/DA)。各站仅在有业务要发送时向控制中心申请时隙，由控制中心实时分配时隙。 (3) 比特流方式。系统通过配置，设定用户固定地使用某一段固定时隙进行透明传输。这是在有协议支持的系统中为用户提供无需协议支持的透明信道的一种方式。 比特流时隙的分配可以是按需分配，也可以是预分配。在实际应用中，这一时隙的安排通常是在内向载波和外向载波中同时对应设置的。对于具有均匀输入比特速率且要求实时传送的用户数据(如数字话音业务)， 比特流方式是最佳的。 第19页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四 (4) 组合访问TDMA(CA/TDMA)。该方式是一种同时包括争用方式和

16、固定分配方式的多址访问协议，它由前述S-ALOHA和固定分配TDMA(FA/TDMA)两种方式组成。它主要用于信道内各VSAT的异型混合， 其中有些需要低延时的交互式应用， 有些则要求分配专用信道来传输大业务量交互式数据和/或批文件。 CA/TDMA具有良好的韧性、中等的时延、批数据传输所需的吞吐量、中等的复杂程度及中等的信道利用率，因此比较适合于中等要求下的交互式数据传输以及专用带宽占用下的数据传输。 第20页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四 (5) 自适应多址方式。目前在大型VSAT网中，采用的最为先进的多址方式为自适应多址方式。它综合了几种多址方式的优点，根据VS

17、AT网中实际业务的特点动态地选取适合的多址方式。对于大量的低业务量、 短数据突发的用户，为保证短的响应时间， 宜采用S-ALOHA 方式，而当需要传输偶尔出现的长数据报文时， 可采用预约方式， 通过S- ALOHA 信道预约或拆除预约，预约用户得到批准后，可长时间独占预约得到的信道时隙，直到传输完毕拆除预约为止。对于传输数字话音和要求透明传输用户数据的场合，可采用比特流方式，将一定时隙固定分配给用户独用。用户究竟采用哪种方式可以在系统组建时预先设置好，也可以在系统运行过程中根据需要通过主站的控制进行自适应调整。可以做到自动测控、自动调节，协议之间可智能转换。 第21页，共36页，2022年，5

18、月20日，11点37分，星期四 3. 码分多址(CDMA)方式 CDMA方式的优点是抗干扰性强。常用的CDMA实现方案是直接序列扩频(DS)。采用CDMA方式的系统中各站在同一时间使用同一频率，且发射功率不需进行严格监控， 因此整个系统不需要复杂的网络控制。 CDMA的主要缺点是频带利用率低，一般仅为百分之十几。因此， 该方式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。 第22页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四 4. 随机多址(RA)方式 RA是一种争用多址方式， 是VSAT系统中应用最广泛的多址协议，无论是P-ALOHA、S-

19、ALOHA，还是SREJ-ALOHA均有应用。随机多址协议不仅其本身作为独立的数据信道多址协议应用，而且在许多新型的多址协议(如预约协议、 组合访问协议和自适应协议)中，它也是重要的组成部分。 第23页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四 多址协议的选择 第24页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四VSAT通信网 1. 话音VSAT网的网络结构 (1) 业务信道。话音VSAT网通常采用电路交换方式， 这是由电话业务的实时性决定的。 话音VSAT网的业务子网中，业务信道(话音信道)多采用SCPC方式(也可采用TDMA等多址方式)。对以话音为主、采用电路交换

20、的话音VSAT网而言，显然采用DAMA方式分配信道资源比较合适，但在少数大业务量的站间也可分配一定数量的预分配信道。 第25页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四 (2) 控制信道。话音VSAT网的控制子网相当于一个数据网。在控制子网中，小站和中心站之间一般采用TDM/ALOHA体制， 即外向传输采用TDM，内向传输采用ALOHA、S-ALOHA或其它改进型。此种方式技术简单、造价低， 因此在实际系统中应用较多。 第26页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四2. 话音VSAT网按需分配呼叫过程话音VSAT网的信道分配方式通常是按需分配与预分配相结合的。

21、按需分配的呼叫过程有三个基本阶段： 呼叫建立。 (2) 通话。 (3) 拆线。 第27页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四DAMA网络结构 第28页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四(1) DAMA呼叫建立过程。 呼叫建立过程 第29页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四建立一个DAMA呼叫的步骤如下： 呼叫方的PABX占用至VCU的中继线。 VCU确认该线占用并向呼叫方PABX发回一“占用确认”信号，同时准备接收拨号号码。 VCU接收到号码的最后一位数后，即形成一“呼叫请求”信息(其中含有拨号号码)， 并将其发给NCS。 NCS

22、立即向呼方VCU发回一“确认”信号以应答该ALOHA信息。 第30页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四 NCS确定被叫方VCU的地址后，即检验该VCU是否处于空闲状态。 若该VCU可用， 则在主叫方和被叫方VCU之间建立一条话音电路， 这两个VCU在NCS处被标识处于工作状态， 这样就不会再被分配用作另一呼叫。 NCS接着给主叫方和被叫方发送一“呼叫分配”信息。 该信息内容包括：谁是呼叫方， 谁是被叫方，呼叫所用频率等。 同时在NCS的呼叫记录中开始对此次呼叫计时。 呼叫和被叫VCU均调谐在分配的话音电路上，被叫方VCU同时占用与其相连的PABX的中继线。 收到拨号号码后， PABX将电路接通至被呼号用户。 第31页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四(2) DAMA呼叫的拆线过程。 DAMA呼叫的拆线过程如图所示。 DAMA呼叫的拆线顺序 第32页，共36页，2022年，5月20日，11点37分，星期四话音呼叫的拆线步骤如下： 呼叫方挂机后， 呼叫方PABX检测出挂机信号。 呼叫方VC