VSAT卫星通信技术概论及在应急通信中的应用

VSAT卫星通信技术概论及在应急通信中的应用

本文针对卫星通信应急行业的特点论述了VSAT卫星通信技术在应急通信中的应用的必要性和未来发展前景，并概要的介绍了实施方案，使之具有科技含量高、性能高、成本低的特点。

标签：VSAT 组网 信道 宽带广播 宽带多址接入

一、应急通信的需求

我国幅员辽阔，地理条件复杂，自然灾害近几年来频发。无线局作为全国舆论斗争的排头兵，其基层台站大多在偏远山区或远离城市的地方，自然条件恶劣，自然灾害时有发生，洪水、地震等事故发生频率也不断增加。在这些远离城市的特殊地理环境下，地面线路（PSTN、GSM等）没有办法进行覆盖或是在重大事故发生的同时已经完全被破坏掉了。现场到指挥中心的全部通信都要依赖于应急通信。应急响应，速度是关键。广播应急救灾采用应急通信车、和单兵的应急通信设备，可以在最短的时间内将应急通信设备带入突发事件的发生地点，从而将现场的灾难情况，以语音甚至动态图像的方式汇报指挥中心，迅速确定灾难级别，在最短时间内了解灾情，统一指挥，保障安全播音显得极为重要。

二、VSAT概述

VSAT是VERYSMALL APERTURE TERMINAL 的缩写，直译为“甚小孔径终端”，意译应是“甚小天线地球站”。由于源于传统卫星通信系统，所以也称为卫星小数据站或个人地球站〈IPES〉，这里的小指的是VSAT系统中小站设备的天线口径小，通常为0.3m--2.4m。G/T值低于19.7dB/K，是由大量地面站构成的卫星传输系统。由于VSAT系统可以直接安装到客户端，使用户、家庭和个人可以直接利用卫星通讯；同时，系统能提供高品质的数据、语音、图像，较能满足现代通讯发展的需要，是传统卫星通讯方式的重大突破和发展。VSAT系统已成为现代卫星通讯的一个重要分支，是21世纪初卫星通讯三大重要发展方向（包括VSAT、行动卫星通讯、直播卫星）之一。VSAT通信方式主要有点对点：指VSAT站与站（2个站）之间的点对点通信；多点到多点：指VSAT站（2个以上）之间的双向交互式通信；广播方式：指主站到远端小站的卫星广播方式。VSAT通信方式的多样性决定了利用VSAT组网的便利性。VSAT卫星通信网的主要优点如下：（1）VSAT是真正的全球通信，覆盖面广、容量巨大、通信不受地理环境和气候条件的限制；（2）地面站设备简单，体积小，重量轻，造价低，安装与操作简单。VSAT小站可直接安装在用户所在的楼顶、汽车上等，可直接与用户终端接口；（3）组网灵活方便。由于网络部件模块化，便于调整网络结构，易于适应用户业务量的变化；（4）通信质量好，可靠性高。链路环节少，故障率低，通信畅通率高，适于多种业务和数据率；（5）直接面向用户，特别适用于用户分散、稀路由和业务量小的专用通信网。由于上述种种技术优点，因此VSAT是构建应急通信网络的最佳方案。

三、VSAT构建应急通信网络方案

根据VSAT系统传输业务种类，其网络结构可分为星状网、网状网和混合型网。网状网不需要主站，各小站之间可以任意建立通信链路，但该网硬件设备和系统软件技术复杂，系统成本较高。应急通信是在原有通信系统遭破坏或发生紧急情况下，保证通信畅通，主要以移动的车载站和单兵站為主，小站硬件设备不可能过于复杂。因此，选择点到多点双向通信的星形网作为交通安全应急通信系统中VSAT卫星通信系统的网络结构。目前，VSAT卫星通信网使用的频段主要有C波段和Ku波段。根据应急通信系统应用的需要，VSAT卫星通信网工作频段的选择应主要从以下几方面考虑：（1）与地面其它通信系统间的干扰；（2）卫星转发器资源和现有通信技术和设备；（3）通信业务需求；（4）天线接收系统噪声；（5）电波传输损耗；（6）天线口径和高功放的使用等。C波段电波传输条件好，降雨影响小，路径可靠性较高，但它与地面微波通信频率相同，存在干扰，使其功率通量密度不能太小，造成天线尺寸较大。Ku波段不存在微波干扰，天线尺寸小，数据传输速率高，但降雨对它传播损耗影响大。VSAT卫星通信工作频段首选是通信质量较好且天线尺寸小的Ku波段。但考虑应急通信是在各种极端天气和日常通信中断时的应用，而Ku波段在暴雨情况下，上行或下行链路瞬间雨衰量可超过20dB，C波段最大雨衰量一般不超过1dB。因此，应急通信的工作频段应选择C波段和Ku波段两种通信方式，即在我国海上采用C波段，在内陆采用Ku波段。VSAT星形通信网（C波段或Ku波段）由主站（亦称中心站）、卫星转发器和许多远端VSAT小站组成，可以提供的业务如下：（1）实时的电视电话会议；（2）高清晰图像传输；（3）文件传输；（4）Internet接入；（5）话音服务；（6）信息共享。

四、VSAT的组网

VSAT组网非常灵活，可根据用户要求单独组成一个专用网，也可与其它用户一起组成一个共用网（多个专用网共用同一个主站）。一个VSAT网实际上包括业务子网和控制子网两部分，业务子网负责交换、传输数据或话音业务，控制子网负责对业务子网的管理和控制。传输数据或话音业务的信道可称为业务信道，传输管理或控制信息的信道称为控制信道。

目前，典型VSAT网的控制子网都是星状网，而业务子网的组网则视业务的要求而定，通常数据网为星状网而话音网为网状网。

1.数据VSAT网的组网

在数据VSAT卫星通信网中，小站和主站通过卫星转发器构成星状网，主站是VSAT网的中心结点。星状网充分体现了VSAT系统的特点，即小站要尽可能小。其主站的有效全向辐射功率（EIRP）高，接收品质因数（G/T）大，故所有小站均可同主站互通。由于小站天线口径小、发射EIRP低、接收G/T小，而此小站之间不能直接通信，必须经主站转发。

数据VSAT网通常是分组交换网，数据业务采用分组传输方式，其工作过程

是这样的：任何进入VSAT网的数据在发送之前先进行格式化，即把较长的数据报文分解成若干固定长度的信息段，加上地址和控制信息后构成一个分组，传输和交换时以一个分组作为整体来进行，到达接收点后，再把各分组按原来的顺序装配起来，恢复成原来的报文。以星状网的主站为参考点，数据VSAT网使用的卫星信道可以分为外向（Outbound）信道和内向（Inbound）信道。在数据VSAT网中，业务信道和控制信道是一致的，即业务子网和控制子网具有相同的星状结构。主站通过卫星转发器向小站发数据的过程叫外向传输。用于外向传输的信道（外向信道）一般采用时分复用方式（TDM）。从主站向各小站发送的数据，由主计算机进行分组化，组成TDM帧，通过卫星以广播方式发向网中所有小站。每个TDM帧中都有进行同步所需的同步码，帧中每个分组都包含有一个接收小站的地址。小站根据每个分组中携带的地址进行接收。小站通过卫星转发器向主站发数据的过程叫内向传输。用于内向传输的信道（内向信道）一般采用随机争用方式（ALOHA一类），也有采用SCPC和TDMA的。由小站向主站发送的数据，由小站进行格式化，组成信道帧（其中包括起始标记、地址字段、控制字段、数据字段、CRC和终止标记），通过卫星按照采用的信道共享协议发向主站。业务信道和控制信道通常使用同一外向信道或内向信道。2.话音VSAT网的组网

对于使用同步卫星转发器的话音VSAT网来说，用户的要求通常是希望网内任意两个VSAT小站能够直接通话而不是经过主站转发（双跳使响应时间超过1s，用户不易习惯）。这个要求决定了话音VSAT网应该是网状网。即话音VSAT网的业务子网是网状网而控制子网是星状网，网控中心所在的站称为中心站。 1）

业务信道 话音VSAT网通常采用线路交换方式，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）較多采用简单易行的SCPC方式（也可以采用TDMA等多址方式）。对以话音业务为主、采用线路交换的话音VSAT网来说，显然采用按申请分配信道资源方式是比较合适的，同时在少数大业务量站间可分配一定数量的预分配信道。 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，小站与主站之间一般采用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，造价低廉，因此在实用系统中应用较多（例如TES系统）。

五、VSAT通信的宽带广播和宽带多址接入

VSAT站的卫星链路有主站到VSAT站的出主站链路，有VSAT站到主站的入主站链路。随着业务从窄带向宽带发展，出主站链路数据速率不断提高，从几Mbps到几十Mbps；入主站链路的数据速率也不断提高，从几kbps发展到几百kbps，几Mbps。出主站链路多采用单载波TDM的方式，有基于广播信号的DVB数据格式，有基于互连网的IP数据格式。

VSAT卫星通信的宽带广播，可以广播数据音频视频、可以实现文件数据的下载。入主站链路有多种卫星多址接入方式：FDMA，CDMA，TDMA，MF/CDMA。也有利用地面Internet链路代替入主站链路的，称为外交互方式，而把采用入主站链路称为内交互方式。传统的卫星通信多址接入方式是，时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）。它们是把卫星转发器的资源，按时间

分成时隙、按频率分成频道或者按正交的编码波形分成码道，由各个地球站按照固定分配方式、随机竞争方式或者动态分配的方式来使用。所谓动态竞争方式，转发器资源由主站来管理，用户站接入时，先使用固定分配方式或随机竞争方式来申请，主站进行分配给用户地球站使用，使用完了归还给主站。

随着大容量VSAT卫星通网络以及宽带接入业务的发展，主站接入设备的容量日益增大，用户地球站也需要使用高速的宽带接入，需要主站接入信道的可变速率范围扩大。时分多址方式要求用户站的接入时隙宽度变化范围增大，频分多址方式要求用户站发送信号带宽可变或使用并行的多载波传输，码分多址方式要求用户站发送信号的扩展频谱增益可变或者使用多码道并行传输。组合的多址接入方式，可以方便地实现宽带多址接入；例如多载波（多频率）时分多址，多载波码分多址等。技术成熟的是多频率时分多址。多频率时分多址设置由多个频段（多个载波），每个频率又划分成时间帧和时隙。各个用户地球站可以使用特定的频率和特定的时隙进行接入申请，根据申请的业务，得到相应的频率和时隙。对于宽带业务申请，用户可以再在一个频率上，用一个时隙或多个时隙进行接入业务传输；也可以在几个频率上，用多个时隙进行接入业务传输。根据系统接入的特点，系统在接入信道上设置了不同的时隙，用户接入申请的时隙，用户业务传输的业务时隙，校正用户地球站发送时间和频率的粗同步时隙，以及校正发送时间和频率的精同步时隙。宽带VSAT卫星通信系统的前向链路和反向链路往往是不对称的，前向链路和反向链路的转发器资源的配置要和业务的特性相匹配。宽带VSAT卫星通信系统需要设计和配置接入信道的资源、多载波数目以及相应的帧结构，以适应给定接入突发特性、接入业务量条件下的接入时延和接入成功率的要求。宽带VSAT卫星通信系统往往有多种业务同时工作，系统的配置和设计只能适应总体的要求，为适应各种业务的具体要求，还应该对不同业务设置各自的优先级，调整整个系统对不同业务的适应性。