VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡介.ppt

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VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的基本概念及其特點 VSAT是英文 VerySmallApertureTerminal 甚小口徑終端 的縮寫 簡稱小站 它是國外20世紀80年代發(fā)展起來的一個衛(wèi)星通信新領域 所謂VSAT 是指一類具有甚小口徑天線的智能化小型或微型地球站 這類小站可以很方便地安裝在用戶處 通常 大量這類小站與一個大站協(xié)同工作 構成一個衛(wèi)星通信網(wǎng) 能夠支持范圍廣泛的單向或雙向數(shù)據(jù) 話音 圖像及其它綜合電信及信息業(yè)務 它的出現(xiàn) 是一系列先進技術綜合運用的結果 發(fā)展背景 VSAT于20世紀80年代最先在美國興起 發(fā)展速度很快 是30多年來衛(wèi)星通信技術的轉折性發(fā)展 利用這種系統(tǒng)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 借助VSAT用戶數(shù)據(jù)終端可直接利用衛(wèi)星信道與遠端的計算機進行聯(lián)網(wǎng) 完成數(shù)據(jù)傳遞 文件交換或遠程處理 從而擺脫了本地區(qū)的地面中繼線問題 這在地面網(wǎng)絡不發(fā)達 通信線路質量不好或難于傳輸高速數(shù)據(jù)的邊遠地區(qū) 使用VSAT作為數(shù)據(jù)傳輸手段是一種很好的選擇 它將是未來電信系統(tǒng)的重要組成部分 依賴地面超大容量光纖網(wǎng) 以及空間寬帶衛(wèi)星網(wǎng) 使用戶設備方便地直接接入全國或全球寬帶網(wǎng)絡 其主要特點有 1 設備簡單 體積小 重量輕 耗電省 造價低 安裝 維護和操作簡便 2 組網(wǎng)靈活 容易擴充用 而且維修方便 3 通信效率高 性能質量好 可靠性高 通信容量可以自適應 適于多種數(shù)據(jù)率和多種業(yè)務類型 即能夠傳輸綜合業(yè)務 便于向ISDN過渡 4 可建立直接面對用戶的直達電路 它可以與用戶終端直接接口 避免了一般衛(wèi)星通信系統(tǒng)信息落地后還需要地面線路引接的問題 5 集成化程度高 智能化 包括操作智能化 接口智能化 支持業(yè)務智能化 信道管理智能化等 功能強 可無人操作 6 建設周期短 不受地形和氣候環(huán)境的影響 它比傳統(tǒng)的地面通信手段簡單得多 不需要架設電纜 光纜 7 獨立性強 互操作性好 可使采用不同標準的用戶跨越不同地面網(wǎng)而在同一個VSAT網(wǎng)內進行通信 VSAT數(shù)據(jù)通信網(wǎng) VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng)的組成及工作原理 1 VSAT網(wǎng)的組成 VSAT網(wǎng)是由主站 HUB 衛(wèi)星和許多遠端小站 VSAT 三部分組成的 通常采用星形網(wǎng)絡結構 VSAT網(wǎng)構成示意圖 1 主站 中心站 主站又稱中心站 中央站 或樞紐站 HUB 它是VSAT網(wǎng)的心臟 它與普通地球站一樣 使用大型天線 其天線直徑一般為3 5 8m Ku波段 或7 13m C波段 并配有高功率放大器 HPA 低噪聲放大器 LNA 上 下變頻器 調制解調器及數(shù)據(jù)接口設備等 主站通常與主計算機放在一起或通過其它 地面或衛(wèi)星 線路與主計算機連接 主站高功率放大器的功率要求與許多因素有關 例如 通信體制 工作頻段 數(shù)據(jù)速率 發(fā)射載波數(shù)目 衛(wèi)星特性以及遠端接收站的大小及位置等 其額定功率一般為數(shù)百瓦 最小1W 最大達數(shù)千瓦 當額定功率為1 10W時 一般采用固態(tài)砷化鎵場效應管 GaAsFET 放大器 當額定功率為10 250W時 一般采用行波管放大器 TWTA 而當它為500 2000W時 一般采用速調管放大器 例如 采用6 0個發(fā)射載波的C波段11m地球站 HPA的功率約為300W 2 小站 VSAT VSAT小站由小口徑天線 室外單元和室內單元組成 VSAT天線有正饋和偏饋兩種形式 正饋天線尺寸較大 而偏饋天線尺寸小 性能好 增益高 旁瓣小 且結構上不易積冰雪 因此常被采用 室外單元主要包括GaAsFET固態(tài)功放 低噪聲場效應管放大器 上 下變頻器和相應的監(jiān)測電路等 整個單元可以裝在一個小金屬盒子內直接掛在天線反射器背面 室內單元主要包括調制解調器 編譯碼器和數(shù)據(jù)接口設備等 室內外兩單元之間以同軸電纜連接 傳送中頻信號和供電電源 整套設備結構緊湊 造價低廉 全固態(tài)化 安裝方便 環(huán)境要求低 可直接與其數(shù)據(jù)終端 微計算機 數(shù)據(jù)通信設備 傳真機 電傳機等 相連 不需要地面中繼線路 3 空間段 VSAT網(wǎng)的空間部分是C頻段或Ku頻段同步衛(wèi)星轉發(fā)器 C頻段電波的優(yōu)點是傳播條件好 降雨影響小 可靠性高 小站設備簡單 可利用地面微波成熟技術 開發(fā)容易 系統(tǒng)費用低 但由于有與地面微波線路相互干擾的問題 功率通量密度不能太大 限制了天線尺寸進一步小型化 而且在干擾密度強的大城市選址困難 C波段通常采用擴頻技術降低功率譜密度 以減小天線尺寸 但采用擴頻技術限制了數(shù)據(jù)傳輸速率的提高 通常 Ku頻段與C頻段相比具有以下優(yōu)點 不存在與地面微波線路相互干擾的問題 架設時不必考慮地面微波線路而可隨地安裝 允許的功率通量密度較高 天線尺寸可以更小 傳輸速率可更高 天線尺寸一樣時 天線增益比C頻段高6 10dB 雖然Ku頻段的傳播損耗特別是降雨影響大 但實際上線路設計時都有一定的余量 線路可用性很高 在多雨和衛(wèi)星覆蓋邊緣地區(qū) 使用稍大口徑的天線即可獲得必要的性能余量 因此 目前大多數(shù)VSAT系統(tǒng)主要采用Ku頻段 2 VSAT系統(tǒng)工作原理 1 外向 Outbound 傳輸 在VSAT網(wǎng)中 主站向外方向發(fā)射的數(shù)據(jù) 也即從主站通過衛(wèi)星向小站方向傳輸?shù)臄?shù)據(jù) 叫作外向傳輸數(shù)據(jù) 外向信道通常采用時分復用 TDM 或統(tǒng)計TDM技術連續(xù)性地向外發(fā)射 即從主站向各遠端小站發(fā)送的數(shù)據(jù) 由主計算機進行分組格式化 組成TDM幀 通過衛(wèi)星以廣播方式發(fā)向網(wǎng)中所有遠端小站 為了各VSAT站的同步 每幀 約1s 開頭發(fā)射一個同步碼 同步碼特性應能保證各VSAT小站在未糾錯誤比特率為1 10 3時 仍能保證可靠地同步 該同步碼還應向網(wǎng)中所有終端提供TDMA幀的起始信息 SOF 2 內向 Inbound 傳輸 各遠端小站通過衛(wèi)星向主站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)叫作內向傳輸數(shù)據(jù) 在VSAT網(wǎng)中 各個用戶終端可以隨機地產生信息 因此 內向數(shù)據(jù)一般采用隨機方式發(fā)射突發(fā)性信號 采用信道共享協(xié)議 一個內向信道可以同時容納許多小站 所能容納的最大站數(shù)主要取決于小站的數(shù)據(jù)率 許多分散的小站 以分組的形式 通過具有延遲 S秒的RA TDMA衛(wèi)星信道向主站發(fā)送數(shù)據(jù) 由于VSAT本身一般收不到經衛(wèi)星轉發(fā)的小站發(fā)射信號 因此不能用自發(fā)自收的方法監(jiān)視本站發(fā)射信號的傳輸情況 因而利用爭用協(xié)議時 需要采用肯定應答 ACK 方案 以防止數(shù)據(jù)的丟失 即主站成功收到小站信號后 需要通過TDM信道回傳一個ACK信號 宣布已成功收到了數(shù)據(jù)分組 如果由于誤碼或分組碰撞造成傳輸失敗 小站收不到ACK信號 則為失敗的分組 需要重傳 綜上所述可以看出 VSAT網(wǎng)與一般衛(wèi)星網(wǎng)不同 它是一個典型的不對稱網(wǎng)絡 即鏈路兩端設備不同 執(zhí)行的功能不同 內向和外向業(yè)務量不對稱 內向和外向信號強度不對稱 主站發(fā)射功率大得多 以便適應VSAT小天線的要求 VSAT發(fā)射功率小 主要利用主站高的接收性能來接收VSAT的低電平信號 VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)絡結構及組網(wǎng)形式VSAT通信網(wǎng)的基本結構有星型 網(wǎng)型及兩者的混合形式 在星型網(wǎng)中 外圍各遠端小站只與中心站直接發(fā)生聯(lián)系 它們互相之間不能通過衛(wèi)星直接互通 如有必要 各小站需經中心站轉接方能建立聯(lián)系 形成邏輯上的網(wǎng)型網(wǎng) 星型網(wǎng)絡拓撲 它是目前VSAT網(wǎng)中應用最廣泛的網(wǎng)絡形式 VSAT網(wǎng)絡結構 a 星型網(wǎng)絡 b 網(wǎng)型網(wǎng)絡 c 星型和網(wǎng)型混合網(wǎng)絡 d 點 點或衛(wèi)星單跳結構 VSAT作網(wǎng)關 e VSAT作遠端終端 VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng)接入方式 多址協(xié)議 1 頻分多址 FDMA FDMA是一種傳統(tǒng)的多址方式 FDM FDMA和TDM QPSK FDMA一般用在業(yè)務量大的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中 在VSAT系統(tǒng)中一般采用SCPC FDMA多址方式 尤其在以傳輸話音為主的VSAT系統(tǒng)中大量采用SCPC方式 與按需分配 DAMA 技術相結合 可以大大提高衛(wèi)星信道利用率 SCPC方式的另一個優(yōu)點是 各個地球站發(fā)射功率大小僅與本站發(fā)射載波 即信道 數(shù)有關 與整個VSAT系統(tǒng)的信道數(shù) 即系統(tǒng)總通信量 無關 業(yè)務量較小的地球站可以發(fā)射較小的功率 從而降低了小站成本 2 時分多址 TDMA TDMA是一種適用于大容量通信的多址方式 適用于站少容量大的系統(tǒng) 像VSAT這樣一種站數(shù)十分多的系統(tǒng)單純使用TDMA是不合理的 但TDMA是一種很有吸引力的多址方式 尤其數(shù)字傳輸系統(tǒng)為TDMA的實現(xiàn)創(chuàng)造了有利的技術基礎 在VSAT系統(tǒng)中 TDMA是與FDMA及頻率跳變 FH 結合在一起發(fā)揮其優(yōu)點的 系統(tǒng)占用的帶寬先按頻率劃分成各個載波 然后在每個獨立載波的基礎上使用TDMA 每個站指定的載波在所分配的時隙內發(fā)射 時隙的長短可以按業(yè)務量改變 也可以在必要時跳變到另一個載波上指定的時隙內發(fā)射 這種多載波的TDMA方式避免使用較大的TDMA載波 降低了小站發(fā)射功率和成本 在VSAT系統(tǒng)中廣泛應用 并與DAMA技術相結合 常用的形式有 1 預分配TDMA TDMA PA 它是最基本的TDMA方式 但一般可以做到按時重分配 由網(wǎng)絡控制中心設定各站信道數(shù)及路由 在指定的時刻切換改變 2 按需 動態(tài) 分配TDMA TDMA DA 各站僅在有業(yè)務要發(fā)送時向控制中心申請時隙 由控制中心實時分配時隙 3 比特流方式 系統(tǒng)通過配置 設定用戶固定地使用某一段固定時隙進行透明傳輸 這是在有協(xié)議支持的系統(tǒng)中為用戶提供無需協(xié)議支持的透明信道的一種方式 比特流時隙的分配可以是按需分配 也可以是預分配 在實際應用中 這一時隙的安排通常是在內向載波和外向載波中同時對應設置的 對于具有均勻輸入比特速率且要求實時傳送的用戶數(shù)據(jù) 如數(shù)字話音業(yè)務 比特流方式是最佳的 4 組合訪問TDMA CA TDMA 該方式是一種同時包括爭用方式和固定分配方式的多址訪問協(xié)議 它由前述S ALOHA和固定分配TDMA FA TDMA 兩種方式組成 它主要用于信道內各VSAT的異型混合 其中有些需要低延時的交互式應用 有些則要求分配專用信道來傳輸大業(yè)務量交互式數(shù)據(jù)和 或批文件 CA TDMA具有良好的韌性 中等的時延 批數(shù)據(jù)傳輸所需的吞吐量 中等的復雜程度及中等的信道利用率 因此比較適合于中等要求下的交互式數(shù)據(jù)傳輸以及專用帶寬占用下的數(shù)據(jù)傳輸 5 自適應多址方式 目前在大型VSAT網(wǎng)中 采用的最為先進的多址方式為自適應多址方式 它綜合了幾種多址方式的優(yōu)點 根據(jù)VSAT網(wǎng)中實際業(yè)務的特點動態(tài)地選取適合的多址方式 對于大量的低業(yè)務量 短數(shù)據(jù)突發(fā)的用戶 為保證短的響應時間 宜采用S ALOHA方式 而當需要傳輸偶爾出現(xiàn)的長數(shù)據(jù)報文時 可采用預約方式 通過S ALOHA 信道預約或拆除預約 預約用戶得到批準后 可長時間獨占預約得到的信道時隙 直到傳輸完畢拆除預約為止 對于傳輸數(shù)字話音和要求透明傳輸用戶數(shù)據(jù)的場合 可采用比特流方式 將一定時隙固定分配給用戶獨用 用戶究竟采用哪種方式可以在系統(tǒng)組建時預先設置好 也可以在系統(tǒng)運行過程中根據(jù)需要通過主站的控制進行自適應調整 可以做到自動測控 自動調節(jié) 協(xié)議之間可智能轉換 3 碼分多址 CDMA 方式 CDMA方式的優(yōu)點是抗干擾性強 常用的CDMA實現(xiàn)方案是直接序列擴頻 DS 采用CDMA方式的系統(tǒng)中各站在同一時間使用同一頻率 且發(fā)射功率不需進行嚴格監(jiān)控 因此整個系統(tǒng)不需要復雜的網(wǎng)絡控制 CDMA的主要缺點是頻帶利用率低 一般僅為百分之十幾 因此 該方式適用于傳輸速率較低的業(yè)務 用于較小的系統(tǒng) 尤其是軍用通信系統(tǒng) 也可用于廣播式系統(tǒng)中 4 隨機多址 RA 方式 RA是一種爭用多址方式 是VSAT系統(tǒng)中應用最廣泛的多址協(xié)議 無論是P ALOHA S ALOHA 還是SREJ ALOHA均有應用 隨機多址協(xié)議不僅其本身作為獨立的數(shù)據(jù)信道多址協(xié)議應用 而且在許多新型的多址協(xié)議 如預約協(xié)議 組合訪問協(xié)議和自適應協(xié)議 中 它也是重要的組成部分 多址協(xié)議的選擇 VSAT通信網(wǎng) 1 話音VSAT網(wǎng)的網(wǎng)絡結構 1 業(yè)務信道 話音VSAT網(wǎng)通常采用電路交換方式 這是由電話業(yè)務的實時性決定的 話音VSAT網(wǎng)的業(yè)務子網(wǎng)中 業(yè)務信道 話音信道 多采用SCPC方式 也可采用TDMA等多址方式 對以話音為主 采用電路交換的話音VSAT網(wǎng)而言 顯然采用DAMA方式分配信道資源比較合適 但在少數(shù)大業(yè)務量的站間也可分配一定數(shù)量的預分配信道 2 控制信道 話音VSAT網(wǎng)的控制子網(wǎng)相當于一個數(shù)據(jù)網(wǎng) 在控制子網(wǎng)中 小站和中心站之間一般采用TDM ALOHA體制 即外向傳輸采用TDM 內向傳輸采用ALOHA S ALOHA或其它改進型 此種方式技術簡單 造價低 因此在實際系統(tǒng)中應用較多 2 話音VSAT網(wǎng)按需分配呼叫過程 話音VSAT網(wǎng)的信道分配方式通常是按需分配與預分配相結合的 按需分配的呼叫過程有三個基本階段 呼叫建立 2 通話 3 拆線 DAMA網(wǎng)絡結構 1 DAMA呼叫建立過程 呼叫建立過程 建立一個DAMA呼叫的步驟如下 呼叫方的PABX占用至VCU的中繼線 VCU確認該線占用并向呼叫方PABX發(fā)回一 占用確認 信號 同時準備接收撥號號碼 VCU接收到號碼的最后一位數(shù)后 即形成一 呼叫請求 信息 其中含有撥號號碼 并將其發(fā)給NCS NCS立即向呼方VCU發(fā)回一 確認 信號以應答該ALOHA信息 NCS確定被叫方VCU的地址后 即檢驗該VCU是否處于空閑狀態(tài) 若該VCU可用 則在主叫方和被叫方VCU之間建立一條話音電路 這兩個VCU在NCS處被標識處于工作狀態(tài) 這樣就不會再被分配用作另一呼叫 NCS接著給主叫方和被叫方發(fā)送一 呼叫分配 信息 該信息內容包括 誰是呼叫方 誰是被叫方 呼叫所用頻率等 同時在NCS的呼叫記錄中開始對此次呼叫計時 呼叫和被叫VCU均調諧在分配的話音電路上 被叫方VCU同時占用與其相連的PABX的中繼線 收到撥號號碼后 PABX將電路接通至被呼號用戶 2 DAMA呼叫的拆線過程 DAMA呼叫的拆線過程如圖所示 DAMA呼叫的拆線順序 話音呼叫的拆線步驟如下 呼叫方掛機后 呼叫方PABX檢測出掛機信號 呼叫方VCU確認掛機狀態(tài)后 即通過分配的話音信道向被叫方VCU發(fā)送一 拆線指示信息 被叫方VCU發(fā)回一個 拆線指示確認 信息 并將掛機狀態(tài)通知本地PABX 收到 拆線指示確認 信息后 呼叫方VCU即回到控制信道并向NCS發(fā)送一個 呼叫完成 信息 NCS用一 ALOHA確認 應答 被叫方VCU收到本地PABX發(fā)來的掛機信號后 即返回控制信道 并發(fā)送一 呼叫完成 信息 NCS收回分配的頻率點 標識呼叫方和被叫方VCU處于空閑狀態(tài) 并向兩個VCU發(fā)出 呼叫終止 信息 NCS對本次呼叫的呼叫記錄結束并存盤 VSAT站能很方便地組成不同規(guī)模 不同速率 不同用途的靈活而經濟的網(wǎng)絡系統(tǒng) 一個VSAT網(wǎng)一般能容納200 500個站 有廣播式 點對點式 雙向交互式 收集式等應用形式 它既可以應用于發(fā)達國家 也適用于技術不發(fā)達和經濟落后的國家 尤其適用于那些地形復雜 不便架線和人煙稀少的邊遠地區(qū) 因為它可以直接裝備到個人 所以軍事上也有重要的意義