VSAT衛星通信網

VSAT直譯為“甚小孔徑終端”，意譯應是“甚小天線地球站”。由於源於傳統衛星通信系統，所以也稱為衛星小數據站或個人地球站〈IPES〉，這裡的小指的是VSAT系統中小站設備的天線口徑小，通常為0.3m-2.4m。VSAT是80年代中期利用現代技術開發的一種新的衛星通信系統。利用這種系統進行通信具有靈活性強，可靠性高，成本低，使用方便以及小站可直接裝在用戶端等特點。藉助VSAT用戶數據終端可直接利用衛星通道與遠端的計算機進行聯網，完成數據傳遞、文件交換或遠程處理，從而擺脫了本地區的地面中繼線問題，這在地面網路不發達、通信線路質量不好或難於傳輸高速數據的邊遠地區，使用VSAT 作為數據傳輸手段是一種很好的選擇。目前，廣泛應用於銀行、飯店、新聞、保險、運輸、旅遊等部門。由眾多甚小天線地球站組成的衛星通信網，叫做“VSAT網”。

VSAT網根據業務性質可分為三類：

（1）以數據通信為主的網，這種網除數據通信外，還能提供傳真及少量的話音業務；

（2）以話音通信為主的網，這種網主要是供公用網和專用網話音信號的傳輸和交換，同時也能提供交互型的數據業務。

（3）以電視接收為主的網，接收的圖像和伴音信號可作為有線電視的信號源通過電纜分配網傳送到用戶家中。

與地面網通信網相比，VSA網的特點

1、覆蓋範圍大，通信成本與距離無關；

2、可對所有地點提供相同的業務種類和服務質量（包括誤比特率和傳輸時延等）；

3、靈活性好（多種業務可在一個網內並存，對一個站來說支持業務種類、分配的頻帶和服務質量等級等可動態調整）；

4、可擴容性好，擴容成本低，開闢一個新通信地點所需時間短；

5、點對多點通信能力；

6、獨立性好，是用戶擁有的專用網，不像地面網受電信部門制約；

7、互操作性好，可使採用不同標準的用戶跨越不同的地面網而在同一個VSAT網內進行通信；

8、通信質量好（有較低的誤比特率和較短的網路響應時間）；

9、傳播時延大。

與傳統衛星通信網相比，VSAT網的特點

1、面向用戶而不是面向網路，VSAT與用戶設備直接通信而不是如傳統衛星通信網中那樣中間經過地面電信網路后再與用戶設備進行通信；

2、小口徑天線，天線口徑一般小於2.4m，某些環境下可達到0.5m；

3、智能化（包括操作智能化、介面智能化、支持業務智能化、通道管理智能化等）功能強，可無人操作；

4、安裝方便，只需簡單的安裝工具和一般的地基（如普通水泥地面、樓頂、牆壁等）；

5、低功率的發射機，一般幾瓦以下；

6、集成化程度高，VSAT從外表看只能分為天線、室內單元（IDU）和室外單元（ODU）三個部分；

7、VSAT站很多，但各站的業務量較小。

8、一般用作專用網而不像傳統衛星通信網那樣主要用作公用通信網。

自80年代以來，VSAT得到了迅速的發展，究其原因，除了VSAT本身技術上的進步外，還在於VSAT的設計思想一開始就是面向專用網的：一是面向覆蓋範圍大而業務量又較小的應用環境（即稀路由應用環境）和面向點—多點之間通信的應用環境（包括廣播電台、收集、雙向交互等通信方式）；二是在保證性能要求的前提下，盡量降低VSAT小站成本，以利於推廣普及；三是盡量簡化VSAT小站台票操作，使用戶易學易用。由於VSAT具有許多優點，特別適用於建立專用網，所以VSAT在與地面網競爭時就佔有一定的優勢，促進了VSAT網的發展。

早期的VSAT網大部分在北美，並且都以數據通信網為主，採用星狀網結構。不具備話音通信功能或僅提供話音質量較差的聲碼話。隨著VSAT網在地面電話網不是很普及或不很發達的發展中國家的推廣使用，產生了在VSAT網中進行高質量話音通信的要求，因此出現了以話音業務為主的VSAT衛星通信網（例如TES），簡稱話音VSAT網。而隨著進行綜合業務通信要求的出現，出現了綜合業務的VSAT衛星通信網（例如TSAT）。

VSAT通信網由VSAT小站、主站和衛星轉發器組成。數據VSAT衛星通信網通常採用星狀結構，採用星狀結構的典型VSAT衛星通信網。

主站也叫中心站或中央站，是VSAT網的心臟。它與普通地球站一樣，使用大型天線，天線直徑一般約為3.5m～8m（Ku波段）或7m～13m（C波段）。

在以數據業務為主的VSAT衛星通信網（下面簡稱數據VSAT網）中，主站既是業務中心也是控制中心。主站通常與主計算機放在一起或通過其它（地面或衛星）線路與主計算機連接，作為業務中心（網路的中心結點）；同時在主站內還有一個網路控制中心（NCC）負責對全網進行監測、管理、控制和維護。

在以話音業務為主的VSAT衛星通信網（下面簡稱話音VSAT網）中，控制中心可以與業務中心在同一個站，也可以不在同一個站，通常把控制中心所在的站稱為主站或中心站。

由於主站涉及整個VSAT網的運行，其故障會影響全網正常工作，故其設備皆有備份。為了便於重新組合，主站一般採用模塊化結構，設備之間採用高速區域網的方式互連。

VSAT小站由小口徑天線、室外單元（ODU）和室內單元（IDU）組成。

在相同的條件下（例如相同的頻段、相同的轉發器條件）話音VSAT網的小站為了實現小站之間的直接通信，其天線明顯大於只與主站通信的數據VSAT小站。

一般採用工作於C或Ku波段的同步衛星透明轉發器。在第一代VSAT網中主要採用C波段轉發器，從第二代VSAT開始，以採用Ku波段為主。具體採用何種波段不僅取決於VSAT設備本身，還取決於是否有可用的星上資源，即是否有Ku波段轉發器可用，如果沒有，那麼只能採用C波段。

網路拓撲結構、特點及應用環境

VSAT衛星通信網的網路結構可分為星狀網、網狀網和混合網（星狀+網狀）等三種。

採用星狀結構的VSAT網最適合於廣播、收集等進行點到多點間通信的應用環境，例如具有眾多分支機構的全國性或全球性單位作為專用數據網，以改善其自動化管理、發布或收集信息等。

採用網狀結構VSAT網（在進行通道分配、網路監控管理等時一般仍要用星形結構）較適合於點到點之間進行實時性通信的應用環境，比如建立單位內的VSAT專用電話網等。

採用混合結構的VSAT網最適合於點到點或點到多點之間進行綜合業務傳輸的應用環境。此種結構的VSAT網在進行點到點間傳輸或實時性業務傳輸時採用網狀結構，而進行點到多點間傳輸或數據傳輸時採用星狀結構；在星狀和網狀結構時可採用不同的多址方式。此種結構的VSAT網綜合了前兩種結構的優點，允許兩種差別較大的VSAT站（即小用戶用小站，大用戶用大站）在同一個網內較好地共存，能進行綜合業務傳輸，能擇優選擇最合適的多址方式，估計會有較大的發展。

VSAT的組網

VSAT組網非常靈活，可根據用戶要求單獨組成一個專用網，也可與其它用戶一起組成一個共用網（多個專用網共用同一個主站）。一個VSAT網實際上包括業務子網和控制子網兩部分，業務子網負責交換、傳輸數據或話音業務，控制子網負責對業務子網的管理和控制。傳輸數據或話音業務的通道可稱為業務通道，傳輸管理或控制信息的通道稱為控制通道。

目前，典型VSAT網的控制子網都是星狀網，而業務子網的組網則視業務的要求而定，通常數據網為星狀網而話音網為網狀網。

（1）數據VSAT網的組網

在數據VSAT衛星通信網中，小站和主站通過衛星轉發器構成星狀網，主站是VSAT網的中心結點。星狀網充分體現了VSAT系統的特點，即小站要儘可能小。其主站的有效全向輻射功率（EIRP）高，接收品質因數（G/T）大，故所有小站均可同主站互通。由於小站天線口徑小、發射EIRP低、接收G/T小，而此小站之間不能直接通信，必須經主站轉發。

數據VSAT網通常是分組交換網，數據業務採用分組傳輸方式，其工作過程是這樣的：任何進入VSAT網的數據在發送之前先進行格式化，即把較長的數據報文分解成若干固定長度的信息段，加上地址和控制信息后構成一個分組，傳輸和交換時以一個分組作為整體來進行，到達接收點后，再把各分組按原來的順序裝配起來，恢復成原來的報文。

以星狀網的主站為參考點，數據VSAT網使用的衛星通道可以分為外向（Outbound）通道和內向（Inbound）通道。在數據VSAT網中，業務通道和控制通道是一致的，即業務子網和控制子網具有相同的星狀結構。

主站通過衛星轉發器向小站發數據的過程叫外向傳輸。用於外向傳輸的通道（外向通道）一般採用時分復用方式（TDM）。從主站向各小站發送的數據，由主計算機進行分組化，組成TDM幀，通過衛星以廣播方式發向網中所有小站。每個TDM幀中都有進行同步所需的同步碼，幀中每個分組都包含有一個接收小站的地址。小站根據每個分組中攜帶的地址進行接收。

小站通過衛星轉發器向主站發數據的過程叫內向傳輸。用於內向傳輸的通道（內向通道）一般採用隨機爭用方式（ALOHA一類），也有採用SCPC和TDMA的。由小站向主站發送的數據，由小站進行格式化，組成通道幀（其中包括起始標記、地址欄位、控制欄位、數據欄位、CRC和終止標記），通過衛星按照採用的通道共享協議發向主站。

業務通道和控制通道通常使用同一外向通道或內向通道。

（2）話音VSAT網的組網

對於使用同步衛星轉發器的話音VSAT網來說，用戶的要求通常是希望網內任意兩個VSAT小站能夠直接通話而不是經過主站轉發（雙跳使響應時間超過1s，用戶不易習慣）。這個要求決定了話音VSAT網應該是網狀網。即話音VSAT網的業務子網是網狀網而控制子網是星狀網，網控中心所在的站稱為中心站。

1）業務通道

話音VSAT網通常採用線路交換方式，這是由電話業務的實時性決定的。

話音VSAT網的業務子網中，業務通道（話音通道）較多採用簡單易行的SCPC方式（也可以採用TDMA等多址方式）。對以話音業務為主、採用線路交換的話音VSAT網來說，顯然採用按申請分配通道資源方式是比較合適的，同時在少數大業務量站間可分配一定數量的預分配通道。

2）控制通道

話音VSAT網的控制子網相當於一個數據網。在控制子網中，小站與主站之間一般採用TDM/ALOHA體制，即外向傳輸採用TDM，內向傳輸採用ALOHA、S-ALOHA或其它改進型。此種方式技術簡單，造價低廉，因此在實用系統中應用較多（例如TES系統）。

傳輸體制包括基帶復用方式、調製方式、編碼方式、多址方式和通道分配方式等。

由於VSAT系統通常是功率受限而不是頻率受限系統，故要採用功率利用率最高的調製方式，因此，一般採用相干BPSK或與之相近的QPSK。

VSAT網中編碼目前一般採用1/2率卷積編碼的軟判決維特比解碼（編碼增益可達4dB～5dB）。

VSAT網的通道分配一般採用按申請分配或爭用方式。

由於數據VSAT網是個不對稱網，外向和內向傳輸應選擇不同的體制，主要考慮的原則是：

（1）外向傳輸：主站發射信息量大，因此轉發器的頻帶和功率利用率必須很高；小站接收信息量小，要求的設備儘可能簡單。

（2）內向傳輸：小站發射信息量小，要充分利用小站的發射功率，盡量降低其發射功率，以使小站實用、經濟；主站接收來自多個小站的突發性業務，要求其通道解調設備能在足夠短的時間內獲得載波同步及位定時同步。

（3）VSAT系統中有相當數量的小站建在大中城市市區，因此，要求盡量降低它與相鄰衛星系統及地面微波中繼通信系統之間的干擾，要儘可能採用不同頻段或採用擴頻。

對於數據VSAT網來說，不同的產品、不同的系統主要表現在採用不同的內/外向通道多址方式。

在數據VSAT網中外向通道的基帶復用一般採用統計復用的TDM方式，而內向通道一般採用分組復用方式。

目前，幾乎所有系統的外向通道都採用TDM方式，因為其功率和頻帶利用率最高。差別主要表現在有些系統採用統計復用，而有些不採用；有些系統採用擴頻而有些不採用而已。外向通道的多址訪問是通過幀格式中的地址域來完成的。

對於內向通道可採用固定分配、按申請分配和隨機爭用（指ALOHA一類）等幾種多址訪問方式。

對以數據為主的VSAT網來說，由於數據業務每次突發的持續時間一般很短（如1min以下），一般採用隨機爭用方式，包括純ALOHA方式以及在此基礎上提出的各種改進方式。對個別大業務量的站可以採用預分配方式。

綜觀當今的各種VSAT產品，主要有三種典型的內/外向通道多址方式：

（1）TDM/CDMA體制：外向通道採用TDM方式，內向通道採用CDMA方式，內外向均用擴頻，但外向不具備碼分功能，對所有小站用同一個PN碼擴頻。由於這種系統擴頻增益很大，大大降低了功率譜密度，減小了與地面微波及鄰星之間的干擾，降低了傳輸要求。此方式在C波段工作時，也可使用尺寸小的天線，即用1.2m天線可實現雙向通信，單收站令需0.6m天線。因此，小站簡單、造價低，得到了廣泛的應用。

此方式的優點是，外向傳輸發射一個TDM載波時對衛星功率利用率最高，且抗干擾性強和隱蔽性好。內向採用CDMA避免了碰撞問題，且對過載不敏感。

缺點是頻帶利用率低，網的容量較小。

典型代表為ContelASC公司（現GTE Spacenet公司）的產品。

（2）TDM/SCPC體制：外向通道採用TDM方式，可以進行一定的擴頻（擾碼），每個小站接收一個TDM載波，同時搜索小站地址或用選擇自己時隙的方法，從中提取發往本站的數據。內向通道採用SCPC方式，每個小站一個載波，技術簡單、造價低廉。但每個VSAT不論有無業務均佔用一個固定載波和固定空間段。換頻需換晶體，靈活性差、抗干擾能力較差，小站天線直徑為1.2m～1.8m（Ku波段）或1.8m～2.4m（C波段），我國採用2.5m～3m。當C波段工作在大城市時由於地面微波干擾嚴重，選址不方便。

典型代表為美國VSI公司（原TG公司）的產品，國內714廠已有生產能力。

（3）TDM/TDMA體制：外向通道採用TDM方式，內向通道採用TDMA方式。這是一種先進的系統。主站設備少，主要發揮軟體功能。這種系統通道利用率最高，容量大，靈活性好，擴容方便。可工作在C或Ku波段。換頻由主站通過控制主站和VSAT的頻率合成器來實現，因此比較方便，受干擾影響小。當內向採用多個載波時，便產生了多載波TDMA（MC-TDMA），即一個轉發器的頻帶容納多個不同的載波，各載波以窄帶TDMA方式工作。網中各站發射或接收所用的頻率和時隙均可調整。由於採用了TDMA、FDMA和TDM的組合，系統靈活性增加，顯著提高了系統容量。此體制特別適合於網路容量大、由許多稀路由地球站組成、每站含有幾路話且業務類型多變、需要動態和靈活連接的情況。採用這種方式的網路效率最高，但技術較複雜。

典型代表為美國休斯公司的PES系統和日本NEC公司的NEXTAR系統。目前國內也在開展這方面的研製。

從內外向傳輸的不同工作原理可看到，VSAT衛星通信數據網與一般衛星通信網不同，它是一個典型的不對稱網路，即收發鏈路兩端的設備不相同，執行功能不相同，內向和外向業務量不對稱，信號強度不對稱（主站發射功率大得多以適應VSAT小天線的要求；VSAT發射功率小，用主站高的接收增益來接收VSAT的低電平信號）。

對於話音VSAT網來說，不論採用哪一種多址方式和交換方式，最終應實現等效的線路交換方式。

話音VSAT網控制子網的傳輸體制與數據網是一致的，而業務子網則是典型的網狀網結構。要實現網狀網，SCPC是一種簡單可行的通道多址方式，SCPC通道分配則採用DAMA（按申請分配或稱為按需分配）方式。目前，投入實用的系統大部分是採用DAMA-SCPC方式的話音VSAT網。為了兼顧少數大業務量站間業務，可以配置部分點對點預分配（固定分配）的通道。

這種網狀網的業務通道除了用於話音業務之外，也可以用於數據業務，分配方式和交換方式與話音業務類似。

話音VSAT網的通道分配方式通常是按需分配與預分配結合。

按需分配的呼叫過程有三個基本階段：

（1）呼叫建立 主叫方通過控制通道向網控中心發出呼叫申請信息，網控中心在確認衛星通道和被叫方設備有空閑的條件下，向主叫方和被叫方分配衛星通道，主叫方和被叫方進行導通測試，建立線路。在這個階段，網控系統的主要任務是在規定的時間內建立線路，並使插入的附加呼損儘可能小。

（2）通話 線路建立后，兩方即可進行通話或數據傳輸。

（3）拆線通話結束后，由通話的主叫方或通話雙方（取決於系統設計）向網控中心發出通話結束信息，網控中心發回確認並回收資源（包括衛星通道和用戶通道設備）。在這個階段，網控中心的主要任務是及時、準確地回收空間資源和地面資源。

除了SCPC多址方式以外，TDMA方式也是一種適合話音業務乃至綜合業務的多址方式。TDMA的特點是子通道按時隙劃分，兩種交換方式具有良好的兼容性，很適於構成綜合業務VSAT網。TDMA用於話音業務時，由於每載波容納的用戶站數目不夠多，網內站數較多時，可能不得不採用多載波方式。隨著衛星通信技術的發展和設備成本的降低，採用TDMA方式的VSAT網將會有較大發展。

與地面數據通信網相比，VSAT衛星數據通信網有以下特點：

（1）通信的無層次性，即無用戶介面和結點間介面之分，所有小站以相同身份連接到同一個網上。

（2）單結點交換網路，整個VSAT網中只有一個交換結點（衛星+主站）。

（3）點—點通信與端—端通信合二為一，地面網中一個端—端鏈路是由許多點—點鏈路組成的，而衛星單結點的網路結構使得兩者合二為一。

（4）通道傳播時延大，一條地面通道的傳播時延一般在1ms以下，而VSAT網中通道的傳播時延約在300ms左右。

（5）通道的共享使用，地面網中一條通道一般是由一個交換結點專用的，而VSAT網中同一條內向通道是由許多站按照一定的多址訪問方式來共享的。

從通道共享的特點來看，VSAT數據網比較接近本地網（LAN），從VSAT網的覆蓋範圍來看又是一個廣域網（WAN），而從VSAT網單結點、無層次的網路結構來看，其網內路由選擇功能比較簡單，也即其第三層協議功能比較簡單，從星狀網路結構來看，是一種不平衡鏈路結構，所有通信都是一個主站與其它小站之間進行的。據此，可得到VSAT網的協議結構如圖2所示。圖2中有關各層協議的具體內容請參閱相應的標準。