VSAT卫星通信系统简介

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
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，使用户设备方便地直接接入全国或全球宽带网络。
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：
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。
VSAT
VSAT VSAT VSAT
VSAT数据通信网
VSAT 1. VSAT网的组成
VSAT网是由主站(HUB)、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。
通信卫星
主计算机 传真
监视器 摄像机
电话
HUB 主站
网络监视控制装置
VSAT ODU
IDU
微机 传真
VSAT ODU
VSAT
天线
ODU
IDU
天线 IDU
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。
VSAT数据网的网络结构及组网形式
பைடு நூலகம்
(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。
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 1-10 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 10-250 W时，一般采用行波管放大器(TWTA)；而当它为500-2000 W时，一 般采用速调管放大器。例如，采用6-0个发射载波的C波段11m 地球站，HPA 的功率约为300 W。
2. VSAT系统工作原理
1）外向(Outbound)
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1×10-3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)。
通常，Ku频段与C频段相比具有以下优点： ① 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。 ② 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。 ③ 天线尺寸一样时，天线增益比C频段高6-10 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。
(4) 组合访问TDMA(CA/TDMA)。该方式是一种同时包括争用方式和固定 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。
中心站
VSAT
VSAT VSAT
主站 VSAT
VSAT
VSAT VSAT (a)
…
用户终端
地面链路
VSAT
VSAT
VSAT
VSAT
(b)
(c)
…
VSAT
中心站 卫星或光纤链路
VSAT
VSAT
中心站
中心站 卫星链路
…
…
…
…
LAN
VSAT
(d)
(e)
VSAT
(a) 星型网络； (b) 网型网络； (c) 星型和网型混合网络；
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。
(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VSAT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。
VSAT卫星通信网的基本概念及其特点
VSAT是英文“Very Small Aperture Terminal”(甚小口径终端)的缩 写，简称小站。它是国外20世纪80年代发展起来的一个卫星通信新领域。所 谓VSAT，是指一类具有甚小口径天线的智能化小型或微型地球站。这类小站 可以很方便地安装在用户处。 通常，大量这类小站与一个大站协同工作， 构成一个卫星通信网， 能够支持范围广泛的单向或双向数据、话音、图像 及其它综合电信及信息业务。它的出现， 是一系列先进技术综合运用的结 果。
微机
天线
传真
电话
微机 监视器 监视器
IDU： 室 内 单 元 ODU： 室 外 单 元
VSAT网构成示意图
(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 3.5-8 m(Ku波段)或7-13m(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。
(3) 空间段。VSAT网的空间部分是C频段或Ku频段同步卫星转发器。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。
2) 内向(Inbound)
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τS秒的RA/TDMA卫星信
(d) 点—点或卫星单跳结构(VSAT作网关)； (e) VSAT作远端终端
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。
(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(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。
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。
(5) 集成化程度高， 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。
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。
3. 码分多址(CDMA)
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。