第6章 VSAT卫星通信网.ppt

第6章 VSAT卫星通信网,VSAT卫星通信网,VSAT: Very Small Aperture Terminal 是甚小口径终端。 甚小口径:它的地面接收天线口径很小（一般在3米以内）; 终端:它本身是一个具有多功能的卫星地面站。,VSAT是80年代中期美国开发的一种卫星通信设备，它建造成本很低,容易在作业现场或其用地面线路难以到达的场合进行安装。 VSAT小站一般是与中心站用网络的形式协同工作的，通常一个中心站可以控制许多地面上的小站面形成广域上的卫星通信网。 如今，VSAT已广泛应用于石油技术服务、军事、金融、水利、气象、航空、新闻、人防及沙漠边远地区的数据通信。,甚小天线地球站（VSAT）卫星网络系统 VSAT系统指由天线口径小，G/T值低于19.7dB/K，并用软件控制的大量地球站构成的卫星传输系统。 一个VSAT系统可以包括几百个甚至几千个终端小站。,在双跳形式的VSAT网络中，各远端站可以通过中心站进行通信。 单双跳混合形式的中心站和远端站之间可以通电话和数据；各远端站之间可以通数据和录音电话。 全连接网络需设一个枢纽站（控制站），以根据各站的业务需求分配信道。 VSAT网以SCPC/FDMA方式工作。,VSAT网的构成形式,VSAT的优点 建造成本低，覆盖范围广 安装方便，可在楼顶，水泥座上安装 集成性好，可将语音数据集成在一起使用 相对独立，容易组成点对点的网络而不受公网的制约 通信质量好，抗干扰能力强 组网方便，可以是星、网或星网结合 数据安全性好 3、VSAT业务分类 TES-以话音为主（Telephony Earth Station） PES-以数据为主（Personal Earth Station） ISBN-以综合业务为主,VSAT组网方式 1、星状结构 小站1卫星主站卫星小站2 小站2卫星主站卫星小站1 星状结构的小站间是通过主站进行的，因此，对主站的依赖性很强。另外，由于信号是两次上星下星，因此时延比较大，不适合于话音传输。当用于话音时，小站1讲话时，小站2经过一定的延时才能听到，当听到后要等小站1讲完再回话，否则两端谁也没听清。有点半双工电台的感觉。这种结构比较适合于数据传输。,2、网状结构 小站1卫星小站2 小站2卫星小站1 网状结构可以直接经过卫星进行小站1与小站2间的通信，它的时延比较小，经较适合话音信号的传输。,3、星网结合 VSAT可以支持综合业务，可以在小时延的情形下用网状，长时延用星状。 VSAT小站的工作方式 1、VSAT接收站 只负责接收数据，如接收电视节目 2、VSAT收发站 如TES或PES地面小站与互联网的接入,VSAT的工作频段 UHF： 0.3GHz-1.12GHz L： 1.12GHz-2.6GHz S： 2.6GHz-3.95GHz C： 3.95GHz-8.2GHz X： 8.2GHz-12.4GHz Ku： 12.4GHz18GHz K： 18GHz-26.5GHz Ka： 26.5GHz40GHz 毫米波： 40GHz 300GHz,大多数VSAT都工作在C波段及Ku波段，C波段是早期使用的卫星波段，由于地面微波大多使用4G-6G的频段，正好落在C波段之内，因此地面微波与C波段卫星间的干扰比较大。这就要求C波段的VSAT一定要远离市区。现行国际卫星通信中的商用卫星大多数都使用 6/4GHZ 频段，即上行线路5.925-6.425GHZ，下行线路 3.7-4.2GHZ。随着C波段的不断拥挤，开发了Ku 波段。Ku波段与 C 波段相比具有如下特点：,1、受地面微波干扰的可能性较小，VSAT可在市区使用。 2、在地面站和卫星天线尺寸不变的前提下， Ku 波段的波束宽度是 C 波段波束的一半,这就意味着赤道上排列卫星的密度可增大一倍。 3、在卫星天线尺寸相同的情况下， Ku 波段天线的接收增益是 C 波段的 5.33 倍，发射增益是 9.15 倍，可用于改善传输过程中的吸收损耗和采用小口径天线出现的性能下降等因素。 4、Ku 波段的雨衰现象比 C 波段严重，其特点是在暴雨、密集云雾情况下，电磁波在穿透约 16km 左右大气层时，会产生较大的吸收损耗。实际应用中一般采取加大卫星天线系统的系统余量来解决。,VSAT网络按照业务类型可分为 小型数据地球站 小型通信站 小型电视单收站 例如美国休斯公司的PES系统以数据为主，兼传16kbps的声码话；TES系统则以32kbps/ADPCM话音为主，兼传数据和图像。,根据调制方式、传输特性、天线口径以及应用等综合特点又可分为如下类型： VSAT（非扩频）： 它的特点是高速、双向交互传输，采用非扩频的PSK调制和自适应带宽控制等。 VSAT（扩频）： 工作在C波段，采用直接序列扩频技术，例如美国赤道公司的C-100和C-200 。 USAT（特小口径终端，天线口径为0.250.3m）： 是目前用于双向数据通信最小的地球站（便携式终端），又称为移动式VSAT或MSAT，它还采用了混合调制技术。,TSAT（T1载波小口径终端）： 一次群速率1.544M或2.048Mbps，不需要主站，可以构成价格低廉的综合业务网（网形网络）； 工作频段为C或Ku波段。 TSAT网的灵活性优于地面的T1网络，且网络监视与控制能力很强，调制解调器采用了包括软判决等新技术。最多可容纳16个载波，每个载波有8个双向通路。 多址方式为TDMA，信道分配采用DAMA方式。 还有一些公司推出的TSAT，采用FDMA方式，提供星形网络结构的点对点的T1链路。,TVSAT： 主要用于广播文娱活动和商业电视（BTV）节目，也可以提供图像和高速数据业务。,VSAT卫星通信网的组成及其工作原理 一、VSAT网的组成 典型的VSAT网由 主站（中心站）、卫星转发器、许多远端VSAT小站组成。 以下主要介绍星形网络结构的系统。,1、主站 是VSAT网的核心，使用大型天线，Ku波段为3.58m，C波段为713m。 主站由高功率放大器、低噪声放大器、上/下变频器、调制解调器以及数据接口设备等组成。 主站通常与主计算机配置在一起，也可以通过地面线路与主计算机连接。 主站发射功率一般为数十瓦到数百瓦。 为了对全网进行监测、控制、管理与维护，在主站还设网络监控与管理中心，对全网运行状态进行监控管理，（如监测各站工作状态、信道质量、信道分配、统计记费等）。 一般采用模块结构，设备间以高速局域网方式连接。主站一般配有备用设备。,2、小站 小站由小口径天线、室外单元、室内单元组成。 室外单元和室内单元通过中频同轴电缆IFL连接。 可以采用常用的正馈天线，也可以采用增益高、旁瓣小的偏馈天线（天线尺寸可以更小）。 室外单元包括GaAsFET（固态砷化镓场效应晶体管）固态功率放大器、低噪声FET放大器、上/下变频器及监测电路等，并把它们组装在一起作为一个部件，配置在天线馈源附近。 室内单元包括调制/解调器、编/译码器和为用户提供的数据接口等。 3、卫星转发器,二、VSAT网的工作原理 在星形网络结构的VSAT网络中，所有小站都可以直接与主站通信，需要在两个小站间通信时，必须由主站转发，以“双跳”的形式进行通信。多址连接可以采用多种不同的多址协议，其工作原理也不同。 下面介绍采用随机接入时分多址（RA/TDMA）方式的VSAT网络工作原理：,1、外向传输：（主站到小站方向） 通常采用时分复用或统计时分复用方式。 首先由主计算机将发送的数据进行分组并构成TDM帧，以广播方式向网内所有小站发送，而网内某小站收到TDM帧后，根据地址码从中选出发给该小站的数据。根据一定的寻址方案，一个报文可以只发给一个指定的小站，也可以发给一群指定的小站或所有小站。,外向传输的TDM帧格式如图6-7所示：为了使各小站可靠地同步，数据分组中的同步码特性应能保证VSAT小站在未加纠错码和误比特率达到10-3时仍能可靠同步。主站还应向网内所有地面终端提供TDMA帧的起始信息。当主站不发送数据分组时，则只发送同步码组。,2、内向传输 在采用随机接入时分多址（RA/TDMA）方式的VSAT网中，各小站用户终端一般采用随机突发方式发送数据。所有共享RA/TDMA信道的小站所发的数据分组必须有统一的定时，并与帧和时隙的起始时刻保持同步。定时信息由主站所发出的TDM帧的同步码中提取。 TDMA数据分组如图6-8所示：,如图6-8所示，TDMA数据分组包括前同步码、数据字符组、后同步码和保护时间。 前同步码由比特定时、载波恢复、前向纠错以及其它开销组成。 数据字符组包括起始标志、地址码、控制码、用户数据、循环冗余校验位和终止标志。其中控制码主要用于小站发送申请信息。,3、VSAT网中的交换： 在VSAT网中，各站通信终端的连接是唯一的，没有备份路由，全部交换功能只能通过主站内的交换设备完成。 突发数据：为了提高信道的利用率和可靠性，最好采用分组交换方式。 对于外向链路：由于采用分组传输才便于对每次经过卫星转发的数据进行差错控制和流量控制，即使成批数据业务也应采用数据分组格式。,对于内向链路：来自各VSAT小站的数据分组到了主站，也应采用分组格式和分组交换。 通过主站交换设备汇集来自各VSAT小站的数据分组，以及从主计算机和地面网来的数据分组，同时又按照数据分组的目的地址，转发给外向链路、主计算机和地面网。采用分组交换不但提高了卫星信道利用率，还减轻了用户设备的负担。 对于要求实时性很强的话音业务，包括声码话：因为分组交换的延迟太大，应该采用线路交换。,所以对于综合业务的VSAT网（要求同时传输数据和话音），网内主站应对这两种业务分别设置交换设备并提供各自的接口。在主站，这两种交换机之间也可能是有信息交换的。 VSAT网主站的交换设备如图6-9所示。,线路交换机设有主站用户声码话接口，并输入内向链路的声码话数据和输出外向链路的同步时分复用（STDM）声码话数据。分组交换机则设有异步时分复用（ATM）数据。,综上所述，VSAT网与一般卫星网不同，它是一个典型的不对称网络： 链路两端设备不相同； 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，以适应VSAT小天站的要求，而VSAT小站发射功率小，主要利用主站高的接收增益来接收VSAT小站的低电平信号。,VSAT数据通信网的多址协议,一、卫星数据通信网的特点与多址协议的确定： 对于话音和大量成批数据传输，可以采用FDMA和TDMA多址方案，但是对于交互式或询问应答型数据传输业务，则应根据它们的特点选择卫星通信网的多址协议。这些特点是： 1、随机地并且是断续地使用卫星信道，数据通信的峰值和平均传输速率的比值很大； 2、卫星数据通信网要容纳从低速到高速多种速率的业务； 3、应可以进行分组数据传输； 4、利用卫星信道的广播性质，进行数据传输的通信网，一般都拥有大量的小型地球站。,用于数据传输的卫星通信网，如果仍然采用预分配的FDMA和TDMA多址方式，会使得信道利用率太低，是不适宜的，即使采用按需分配的方式，如果发送数据的时间远小于申请分配信道的时间，信道利用率也不会有较大提高。确定一种有效的多址协议时应考虑的主要原则是： 要有较高的卫星信道共享效率，即呑吐量要高； 有较短的延迟，其中包括平均延迟和峰值延迟； 在信道出现拥塞的情况下，具有稳定性； 应有能承受信道误码和设备故障的能力； 建立和恢复时间短； 易于组网，且设备造价低。,目前，按数据提出报文入网的类型，可供使用的卫星信道的多址协议大致有以下三种： 固定预分配方式 争用/随机方式 预约/可控方式 二、固定分配多址方式： 、非时隙固定预分配方式 1、SCPC/FDMA方式：该方式对于电话传输系统是非常有效的，但是对突发性数据传输则效率很低。 2、CDMA方式：固定分配的CDMA方式频带利用率低，主要用在对提高抗干扰性能具有重要意义的场合。,、分时隙固定分配（TDMA）方式 因为不存在信道的动态分配问题，开销是随站数N的增大而增加的，所以，这种系统仅适应于有少数中、大容量的VSAT站的卫星通信网。当N较大时，因为帧长的传输时间以及延迟随站数N的增加而迅速加大，还因为低效率服务使排队延迟增大，所以这种方式的延迟特性较差。 三、争用/随机多址协议 因为采用固定方式引入的开销是随支持的终端数目线性增长的，对于大量低平均速率的突发性用户来说，无论传输的是数据报文还是控制信息，采用固定分配方式都是不适应的，为此，必须允许所有的用户自由地使用信道。但是当两个以上用户终端同时使用信道时，可能发生碰撞。需要通过“碰撞分辨算法”解决。,随机多址系统的一般形式如图6-10所示：,、非时隙争用/随机多址方式：分为异步和自同步方式两类协议，ALOHA、SREJ-ALOHA、RA/CDMA等协议属于异步协议；到达时间碰撞分辨算法等多址协议属于自同步协议。 1、ALOHA：允许用户自由地使用信道，只要终端产生了报文，便通过信道发送，发生了碰撞的报文，经过一段随机延迟后再进行重发。在星形VSAT网中，当小站的一个数据分组发送成功后，接收端要返回一个肯定应答ACK信号，否则小站要重发这一分组。因此，在数据分组重发前，至少要等待0.50.6s。可是ALOHA信道的稳定性是与总平均重发延迟有关的。一般说来，在中等负载条件下，因为卫星通信系统已有0.50.6s的延迟，所以只允许它有较短的附加延迟（0.10.2s）。,2、SREJ-ALOHA（选择拒绝ALOHA）：是一种非常好的非时隙随机多址方式。既有ALOHA系统不用定时同步和适于可变长度报文的优点，又克服了ALOHA呑吐量低的缺点。是目前适于可变长度报文非同步操作系统中容量最高的多址协议。发射的每一个数据分组要再细分为一定数量的小分组。这些小的分组也有自己的报头和前同步码，如图6-11所示。小分组和前同步码可以独立地进行检测。由于在实际的非同步信道中，数据分组的碰撞大多数是部分碰撞，未碰撞的部分仍可接收，所以采用这种选择重发方式，只需重发那些受到碰撞的小分组即可，而不必重发整个分组，如图6-11(b)所示。这样，其最大呑吐量与S-ALOHA相当，约为0.368。因为小分组内也还有前同步码和报头开销，实际最大呑吐量只能达到0.20.3%。,3、异步分组RA/CDMA：当把扩频调制和FEC用于ALOHA多址协议时，可以改善异步ALOHA方式的性能。特别是当使用FEC时，容量可以提高到0.20.3。 、时隙争用/随机多址协议 1、S-ALOHA：对固定长度报文是一种简单且有效的随机多址协议。由于划分时隙而增加了设备的复杂程度，但仍得到了广泛的应用。其最大呑吐量为0.368。 2、冲突分解算法CRA多址协议：采用冲突分解算法的随机多址协议，适合于传输固定长度报文。它是基于一种有规则的重发程序算法和新报文入网规则，使碰撞分组依次重发，而不是采用随机延迟和自由入网。如果碰撞分解程序收敛，则可保证信道能稳定工作。这种方式容量可达0.430.49。,四、预约/可控多址协议 以TDMA为基础的按需分配DAMA多址方式，是根据用户通信的需求将卫星信道动态地分配给各个用户，地面用户终端对时隙的需要和占用，必须进行预约申请。为此，在DAMA方式中，多址协议包括两层信道和多址：一层是预约申请信息的信道和多址，另一层是对用户的实际报文信道和多址。DAMA是利用短的申请分组为长的数据报文在卫星信道上预约一段时间，从而使多址数据分组的碰撞问题通过预约控制来解决。一旦预约申请成功，便可使数据分组无碰撞的到达接收端。 DAMA/TDMA方式对于长报文是一种可行的多址协议，但是对于短报文来说，其容量并不比随机时分多址方式优越。,五、VSAT卫星通信网多址协议的比较 以上几种多址协议必须结合VSAT网业务性质和业务模型来选用。作为VSAT网，可以提供单一的业务，也可以提供数据、话音和图像等综合业务，表6-2列出了VSAT网的典型用户要求。RA/TDMA方式适合于询问/应答型业务，而SCPC方式适合于数据收集或成批数据业务。,1、VSAT网业务模型 图6-12拿出了几种常见的VSAT网业务模型所对应的平均数据率（字符/秒）与报文长度以及相对于56kp/s的百分比之间的关系。例如：对于交互型事务处理业务，其报文短、长度可变且平均数据率低于多址信道内向速率。,2、性能比较的指标 延迟、呑吐量S、VSAT站数目N 延迟应尽量短。延迟用平均延迟和延迟分布描述，延迟分布可用峰值延迟（即延迟分布为95%时的数值）来代表。VSAT站数目N与呑吐量有直接关系，所以一般是用平均延迟与呑吐量来表征多址协议的性能。,稳定性 采用争用协议的VSAT网，无论是用于传输数据报文还是传输预约申请信息，都存在一定的不稳定问题。例如ALOHA方式 ，当业务量较小时，呑吐量是随业务量增加而增加的，由于碰撞的概率逐渐加大，当业务量大到一定程度后，再增加业务量，呑吐量反而下降。这就是“不稳定”。容量应为在稳定运行条件下采用一定的多址协议可能达到的最大呑吐量。,信道的总业务量G 信道的总业务量G是在不同信道负载条件下所有业务量的归一化测度，其中包括碰撞和附加开销业务量。 对于随机多址协议来说，信道总业务量G减去呑吐量S的差等于碰撞造成的重发业务量的大小。 对于预约多址协议，这一差值则表示因预约业务开销的大小。 对于可变长度报文的情况，应考虑平均延迟与报文长度变化的影响。图6-13给出了总信道业务量G与每信道VSAT站数目N的关系。,6.3.4 VSAT网的数据传输规程 根据业务类型、复用/多址方式、所用的交换设备、用户终端以及计算机，必须制定出一定的数据传输规程，解决好与用户终端及谢的接口问题。这是因为要使VSAT网进行正常的数据通信，网内必须有统一的协议规程，以便解决下列问题：,通信双方交换的数据信息必须能彼此理解，需有统一的编码方法和数据分组方法； 要有一致的操作步骤； 规定在异常情况下（如误码、数据分组间的碰撞等）的处理方法。同时，由于终端设备种类繁多，接口关系和操作方式多种多样，也需要在用户终端与信道终端之间规定统一的标准，无论用户终端如何变化，都要遵守这些标准，数据就可在信道中正确有效地传输。此外，网络管理等也要制定相关的标准和协议。,VSAT网与其它通信网互连时，必须在网络结合部接入网间联接器（网关），以便能实现数据传输规程的转换。,