第2章 卫星通信网结构

第二章卫星通信网结构
卫星通信网提供三种用户之间的连接链路：点到点，点到多点，多点到点。

l点到多点传输，用于视频和数据广播（GPS等）。

由上行主站发往卫星，再由卫星转送到其覆盖范围的每个接收用户。

l多点到点是对广播系统的接收站赋予发送信息的能力，（DVB-S2, DVB-RCS）。

l网状网提供点到点的连接，支持交互式业务。

l VSA T数据网采用星形结构，中心站和各小站间的链路是双向的。

2.1 网络结构简介
2.1.1 网络分类
网络的分类方式有很多种，例如按交换方式分，按拓扑结构分，按地理位置范围分等。

常用的计算机网络的基本拓扑结构有：总线形、星形、环形、树形、网状网和不规则形。

1）总线形结构
图2-1 总线形结构网络
n通信网络只是传输媒体
n 成本低 n 分散控制
n 结构简单，可靠性好
n 各结点共用总线，广播式传输 n 扩充性好，增减结点容易 n 总线长度有限
2)星形结构
图2-2 星形结构
n 集中控制，中心交换节点功能复杂，但其他通信节点负荷相对较轻 n 建设成本较大，可扩展性好 n 所有结点与中央结点连接 n 结构简单、控制简单 n 结点出现故障易于隔离 n 中央结点的可靠性致关重要 3）环形结构
图2-3环形结构
n 由一组转发器通过点对点连接成环路构成 n 分散控制
n 单个节点的故障有可能波及全网
Central server
n各结点共享环路
n采用令牌控制，重负载时吞吐量较大
4)总线结构
图2-4总线结构
5)网状网
图1-5网状网
n端结点之间存在多条通路，需选择路径
n可靠性高
n通信控制复杂
2.1.2 网络协议层次化
在通信过程中必须遵守事先规定好的规则，即网络协议。

国际标准化组织于1979年公布了开放系统互连参考模型OSI。

OSI模型分为7层，如图2-6所示。

在同一个结点上，下层为上层提供服务，在两个结点之间，对等层之间通过该层协议进行通信。

优点
n简化了协议，便于实现、调试和维护
n各层相互独立，某一层只需知道下一层通过接口所提供的服务，而不需
了解其实现的细节
n功能的追加和变更，限定在相关的层中，使得功能扩充比较灵活
n结构上可分割开，各层都可以选则最适合的实现技术
图2-6 OSI参考模型
两个系统间的数据在网络中的传输如图2-7所示。

图2-7 OSI中的数据流
2.2 卫星通信网的一般特性
Ø面向连接与无连接
面向连接的通信由3个过程组成
1）建立连接
2）传输数据
3）撤消连接
无连接的通信在传输数据之前不需要建立联系，发送方可以随时发送数据，但数据中要携带目的地的地址，网络按照目的地地址把数据传送到目的地。

2.2.1 专用带宽业务
卫星发展初期，一般为每一业务的传输分配一条固定的卫星链路，在通信期间，所建立的连接链路始终保持不间断。

这种固定的专用带宽分配链路传输的速率始终不变。

2.2.2 电路交换业务
所谓电路交换（Circuit Switching），就是在两通信端之间建立一条专用的（dedicated）实际物理通路路径。

此路径由发送端开始，一站一站往目的端串联起来。

一旦建立两端之间的联机后，它将一直维持专用状态（即他人无法使用），直到通信结束之后，这条专用路径才停止使用，并让出供他人继续使用。

目前的电话与电报交换系统就是使用这种技术。

图2- 8 电路交换的工作模式
电路交换方式属于预分配电路资源系统，即在一次接续中，电路资源预先分配给一对用户固定使用，不管在这条电路上实际有无数据传输，电路一直被占用，直到双方通信完毕拆除连接为止。

电路交换方式是从一点到另一点传递信息的最简单的方式。

电路交换方式是基于电话网电路交换的原理，即当用户要求发送数据时，交换机就在主叫用户终端和被叫用户终端之间接续一条物理的数据传输通路，这种传输通路是双向的。

图2-9是电路交换的基本过程。

时间
图2-9 电路交换的基本过程。

为用户分配固定的专用（带宽）链路，但通常用户只在有实际通信需求时，才需要资源，因此这种方式不经济。

卫星通信网中，地球站对呼叫请求的响应将直接传送到电话用户或公用电话网（无星上交换）。

电路作为系统容量资源，对应一个频带或一个时隙，实行按需分配。

图2-10是各类地球站的卫星电话网示意图。

图2-10
优点
传输的实时性好，适合实时性要求高的交互式信息的传输。

缺点
n线路的利用率比较低
n不适合少量的突发性数据的传输
n要求收发双方不“忙”，有相同的数据传输速率
n不能完成编码格式、通信规程等方面的转换
n中间结点不具备差错控制能力
n当网络通信量很大时，会使线路的连接失败
l在NGEO系统中，呼叫是通过多个卫星和星际链路的连接实现，考虑到用户和卫星之间的相互运动，需要进行卫星之间的切换，更加复杂，在卫星通信系统中，呼叫建立的时间通常达10s。

2.2.3 分组交换业务
l分组交换方式是把要传输的报文分成若干个小的数据块，称为分组，然后以分组为单位按照与报文交换同样的方法进行传输。

为了使得信息的可靠传输和处理，信息流在信源端被封装成分组时，要加上“报头”，在接收后，“报头”
被去掉。

TCP/IP成为分组数据网的主流技术，A TM也是一种分组交换业务。

l特点
1)出现误码后，只重发有误码的分组
2)在接收下一个分组的同时，就可以转发上一个分组，提高了吞吐量
3)由于分组比较短，可以存储在内存中，减少了存储时间
4)技术实现比较复杂
l分组交换分为有两种基本形式：虚电路（VC，virtual circuit）和数据报方式（DG，data gram）。

一．虚电路方式
虚电路方式，是一种面向连接的技术，它与电路交换有相似之处，即虚电路的连接也有连接的建立和清除过程，但不是物理链路的连接，而是由虚电路号所标识的逻辑信道的连接，交换节点根据分组标识进行路由。

在传送过程所有的分组将沿已建立的虚电路传送，可靠性高，虚电路方式如图2-11所示。

图2-11 虚电路方式
二．数据报方式
l数据报方式，无需建立预先的连接，源终端的各数据分组可沿彼此独立的路由进行传输，即每个分组可以沿不同的路径通过网络，但可靠性较差，可以
说是一种无连接服务。

分组到达目的地的顺序可能与发送不同，还需要整序。

l如果数据报方式可以重新排序，并向入节点申请重发丢失的分组，也可以提供面向连接的服务。

图2-12 数据报方式
l分组交换网具有如下特点：
（1）分组交换具有多逻辑信道的能力，故中继线的电路利用率高；
（2）可实现分组交换网上的不同码型、速率和规程之间的终端互通；
（3）由于分组交换具有差错检测和纠正的能力，故电路传送的误码率极小；（4）分组交换的网路管理功能强。

经济性能好。

此外,分组交换能与公用电话网、用户电报网及其他专用网互连也是分组交换网的优点。

2.2.4 ATM简介
A TM即异步传输模式，A TM是一种快速分组交换技术，因为A TM中的分组被称为信元，如图2-13所示，所以也叫信元交换。

图2-13 A TM信元（53字节）
一．同步传输
采用时分多路复用，传输介质被划分为多个信道，同时传送多路数据，如图2-14所示，所有信道平均分配介质带宽若某路数据较少，可能造成信道空闲，浪费了带宽资源。

图2-14 A TM同步传输
二．异步传输
采用时分多路复用，根据需要来分配信道，每个信道分到的带宽不同一个信元占据一个时隙，通过信元头部的控制信息区分信道可以充分利用介质带宽，如图2-15所示。

图2-15 A TM异步传输
三．A TM的逻辑连接
A TM先建立一条虚连接的通路，再发送数据，A TM可在两个层次上建立虚连接，一条链路上可建立多条虚路径，用虚路径标识(VPI)区分信元头部有VPI，用以表示该信元属于哪个虚路径，同一信元的VPI在不同链路上可以不同。

图2-16是虚路径下的虚拟通道。

图2-16 虚通道是虚路径下的虚拟通道
一条虚路径中可以包含一条或多条虚通道，用虚通道标识VCI区分，每条虚通道是一条逻辑信道，传送一路信息信元头部有VCI，同一信元的VCI在不同链路上可以不同，如图2-17所示。

图2-17.
四．信元的传输
信元的头部都含有VPI和VCI。

具有相同VPI和VCI的信元在同一个虚路径中的虚通道中传输，信元中的VPI和VCI在每段链路上可以是不同的。

A TM 交换机按照在建立虚连接时创建的路由表，把输入端信元的VPI和VCI改为输出端的VPI和VCI。

虚路径和虚通道是逻辑上的信息传输通路，在物理链路上信元是串行传送的，逻辑上的多通路是通过复用技术实现的，每个信元头部的VPI和VCI决定了该信元属于哪条逻辑通路。

图2-18 虚路径、虚通道与信元之间的关系
2.2.5 卫星ATM
卫星A TM网要解决的主要技术问题是卫星通信网与A TM 网的互连互通，最终使卫星网成为全球通信网的一个无缝、可互操作的部分，因而，规范网络结构、标准空中接口以及与A TM兼容的网络协议是解决问题的关键。

卫星A TM网结合了各自的特点，它以卫星传输为手段达到A TM的交换及业务要求，又比固定A TM增加了移动性、灵活的网络及容量配置、更强的广播能力和更广的覆盖范围等特点。

l卫星A TM网络体系分为两种：
(a) 用于卫星透明传输的卫星A TM
(b) 用于具有星上交换能力的卫星A TM 两大体系
在透明卫星网络中，在卫星的A TM层或以上层次不进行处理，所有协议处理都是在地面的用户端(UT)、关口站(GES)和网络控制中心(NCC)进行的。

尽管没有星上处理和交换功能妨碍卫星网络和地面A TM网络间的完全融合，但因其具有处处覆盖、独特的广播性能、灵活的网络配置和容量分配以及提供移动服务等优点，使得这些体系结构成为了地面高速网络的有力扩展由于A TM传输数据速率高，接收终端必须使用定向天线。

对于GEO卫星的
固定终端来说使用固定天线即可，但是对于LEO卫星，需要有两个波束的跟踪天线，以适应卫星的切换。

移动终端也需要额外的补偿由于用户移动带来的损耗
图2-19 A TM卫星传输网络结构
2.2.5 数据通信和协议
利用卫星进行数据通信，关键在于正确的协议和编码方案。

协议：是一套保证在两个终端之间进行码元（或分组）正确传输和判定的规则，要有出错重传机制。

卫星链路与地面链路相比，可能出现成串的突发错误，并由长的传输延时，因此要采用前向纠错码FEC，目前最常用的是卷积码。

2.2.6 卫星通信系统的服务质量问题
服务质量(QoS)是网络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求，具体可以量化为带宽、时延、时延抖动、丢失率、吞吐量、耗费等性能指标。

l我们关注的是业务在卫星通信网传输之前，如何根据它们的特性将它们区分，以便区别的传送，这就是QoS解决方案，QoS研究目标是如何有效的为用户提供端到端的服务质量和保证。

它无法创造带宽，只是根据需求和网络状况来管理带宽。

具体可以量化为传输延迟、抖动、丢包率、带宽要求、吞吐量、业务可用性等指标。

为了解决QoS问题，IETF提出了下面几种服务模型和机制：集成服务和资源预留协议(IntServ/RSVP)、区分服务(DiffServ)、和多协议标签交换(Multiprotocol label switching，MPLS)。

一．卫星链路特点
l由于地球站对GEO卫星仰角较高，与地面微波传播相比，大气引起的衰落较轻微，而且持续时间短，比地面微波传输要稳定，一般建模成恒参信道。

l干扰情况与地面网不同。

地面网主要受认为干扰和不同类型的短期脉冲干扰；而卫星链路的干扰主要来源于接收机内部噪声（偏远地区，各种干扰少），它是由于当前器件和技术水平决定的常量，可以用增加信号功率的方法补偿。

l卫星移动通信链路较卫星的固定通信链路传输条件恶劣。

天线高度低，增益
也低，而且由于环境影响，存在多径现象。

二．话音质量与回波
l由于链路距离长，传播延时大，单跳的传播时延就达到250毫秒，加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将达到350毫秒左右，当移动用户通过卫星进行双跳通信时，时延将达到700毫秒，这是用户所难以忍受的。

为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换功能，但这必将增加卫星的复杂度，不但增加系统成本，也有一定的技术风险。

长的延时对电话业务有影响。

l卫星通信中，长的通信时延会带来回波干扰的问题。

l在二线传输的两个方向上同时间、同频谱地占用线路，在线路上两个方向传输的信号完全混在一起，本端发信号的回波即成为本端收信号的干扰信号，利用自适应滤波器可抵消回波以达到较好的接收信号质量。

卫星通信中回波产生原理如图2-20所示。

l二线制是电源和信号输出都由两根线来完成，一根是电源的正，另一根即做电源的负又做信号的输出。

回波抵消是二线全双工通信中一个不可忽略的问题，在二线双绞线传输中，由于存在两个方向上同时工作于一个频带，加上接受端的阻抗不匹配的问题，致使接受端很容易收到本端发射信号的干扰，因此需要在发射和接受端之间加载一个感应线圈，就是一个回声消除器。

图2-20卫星通信线路产生回波干扰的示意图
三．卫星和链路的可靠性
l卫星的可靠性是卫星通信系统的决定因素，卫星的可靠性是比较高的，卫星采用高质量的部件（宇航级）、足够的系统储备和冗余设计，当卫星正确入轨，卫星的可靠性可达99.99%。

l通信链路的可靠性可以用能提供服务的时间百分数给出（也称可用度），图2-21给出了每年中断小时数与给定的有效性之间的关系曲线。

对于固定卫星业务，链路的可靠性典型值为99.9％。

对于卫星移动业务，由于移动环境造成的多径和直射电波可能被阻挡，而且NGEO星座的移动和切换，会使得链路可靠性降低。

图2-21
卫星通信中断的原因：
一般不是硬件的失效，而是由雨季的通信中断和射频干扰造成。

提高可靠性的措施：
l卫星上系统备份是非常重要的，关键子系统都采用的是100％备份。

l定期的检测，以防止主设备和备用设备都失效。

l地面链路提供高可靠性，应能提供不同路由的选择。

例如：
l嫦娥一号卫星发射需要的国内外３个测控网近２０个测控站、船和多个数据处理交换中心，如何保持联系畅通？绕月探测工程测控系统租用了４颗通信卫星，并开设了中心与各测站的８０余条通信链路。

2.3点－多点网络
2.3.1视频广播
点－多点的广播网由一个发送地球站（上行站）和众多单收站组成，网络覆盖简单，而地面点－多点广播（例，有线电视网）需要建设复杂的地面网络。

GEO卫星一个转发器可以转发一个或多个载波，用于电视节目分配。

一般星上采用ku波段实现广播，不能采用C波段，因为地面中继站一般采用C波段，如采用C波段进行大功率转播，会对地面C波段中继站造成干扰。

l在上世纪90年代提出的DVB（Digital Video Broadcasting，数字视频广播）标准提供了一套完整的适合于卫星、电缆和地面等传输媒介的数字电视广播系统规范。

它采用MPEG2-TS传输流小包作为“数据容器”，不但可传送压缩的图像、声音，还提供了对数据传输的良好支持，可以在数字电视广播信道上传输数据业务。

利用基于DVB的卫星宽带网络实现数据传输，系统用户端接收机价格较低，且能够实现数据业务和电视业务集成，相比其它卫星数据传输系统更具有吸引力。

目前，全球已经普遍采用DVB-S作为卫星数字视频广播标准。

早期的卫星DVB系统只支持DVB-S单向广播业务。

整个系统由用户终端、地面主站和卫星组成，为了支持用户请求等信息的传送，在用户和主站之间可以采用地面通信线路（如电话线路）建立回传通路。

主站中通过网关负责经过卫星链路的业务和来自用户反向链路数据的选路，并完成数据链路控制、数据封装、信道分配等功能。

IP分组经网关封装后，经过加扰、复用以及调制，发送到卫星信道。

用户终端装置则由接收天线、机顶盒、PC机等组成，执行解调、解扰、解复用、IP分组重组及内部寻路等操作。

l在现有的DVB技术中是利用MPEG-2（一种视频压缩编码标准）技术来实现数字卫星广播功能的，而DVB技术已经发展了两代，早期的DVB系统由于其用户请求信息必须通过地面线路传送，因而系统是采用单向传输方式工作的。

目前所研制的系统为第二代DVB系统。

在该系统中，用户以可变速率访问信道（由用户终端到中心站，通过卫星链路），并同时具有话音通信功能。

在图2-22中给出了日本NTT无线实验室提出的组网方案。

图2-22 基于DVB的IP卫星通信系统结构
2.3.2数据广播
由卫星支持的一种数据通信系统如图2-23所示，是一个点－多点系统，上行站的数据来自中心站数据库服务器，然后将数据装配为分组，分组数据由上行站发往卫星，然后由卫星向地面单收站广播，数据按地址由各自的接收机接收，也可进入地面数据分组交换网，例如Internet。

图2-23
l卫星数据IP广播是通过UDP协议将数据打包送上卫星，再通过卫星下发至接收端。

接收端使用指定的PC卡/接收机和相应的接收软件即可接收。

IP 广播是基于新一代的卫星数据广播方式，需要占用专门的IP频道资源。

卫星IP数据广播每个通道的数据传送速率可达1Mbps，甚至更高，可以在实时传输高清晰度的数字视频信号的同时传输远程教学所需的其他多媒体信息，完全能够满足远程教学对带宽的要求。

由于是基于广播方式传输，其带宽不受上网人数的制约，每个用户都能拥有同样的带宽，不同于现在Internet的数据广播。

IP数据广播不同于视频广播，它将根据需要，把卫星上的转发器带宽分成许多份，每一份叫一个IP通道，能够用于传送一组类型的数据内容，可以是计算机网站信息，多媒体数据等。

IP数据广播目前在我国基本上是单向，即只能接收，也可以是双向，即学校或家庭利用地面卫星天线和双向设备在接收信号的同时能够向卫星发射数据信息。

l交互式卫星广播系统
早期的DVB系统由于是单向广播方式，在操作性和通信质量等方面存在很大缺陷，因此，欧洲电信标准协会ETSI发布了交互信道标准，通过专用的双向交互信道，可以构造基于GEO卫星的交互网络。

在系统中，从业务提供者到用户之间是一条单向的广播信道，采用DVB-S 标准，用于传输视频、音频和数据。

为了做到用户和业务提供者之间的信息交互，又在两者之间定义了一条双向的交互信道，从用户到业务提供者的为回传交互路径（Return Interaction Path），用于发送请求给业务提供者、应答或传送数据；从业务提供者到用户的为前向交互路径（Forward Interaction Path），这条路径可以嵌入到广播信道中，在一些简单系统中也可以省去这条信道，直接采用广播信道发送数据到用户。

2.3.3 点－点网络
卫星通信为实现点－点到通信网络，必须采用多址技术，常用多址技术有FDMA, TDMA, 和CDMA。

一．网状网
卫星网状网能提供若干条链路以连接不同位置的多个地球站，在N个地球站之间的最大可能的链路数为N(N-1)/2。

二．多种数字业务
点－点卫星链路可用复用的方法综合各种数字业务，包括电话、会议电视和广域网数据。

复用技术有：时分复用、统计复用、快速分组交换、帧中继和A TM交换。

卫星非常适合为不同地域的大型计算机系统或局域网连接而构成W AN。

利用卫星和地面网的点－点链路可以组成星形、网状和环形网拓扑结构。

与地面链路相比，卫星链路容量小，成本较高，一般可作为地面链路的备份。

2.3.4. VSAT网
VSA T是V ery Small Aperture Terminal的缩字，直译为甚小口经卫星终端站。

所以也称为卫星小数据站（小站）或个人地球站（ＰＥＳ），这里的“小”指的是ＶＳＡＴ卫星通信系统中小站设备的天线口径小，通常为１.２－２.４米。

利用此系统进行通信具有灵活性强、可靠性高、使用方便及小站可直接装在用户端等特点，利用ＶＳＡＴ用户数据终端可直接和计算机联网，完成数据传递、文件交换、图像传输等通信任务，从而摆脱了远距离通信地面中断站的问题。

使用ＶＳＡＴ作为专用远距离通信系统是一种很好的选择。

VSA T系统的组网方式属于点－多点和点－点的网状网拓扑结构。

一．VSA T星形数据网
VSA T星形网，由一个中心站（HUB）和多个远端小站组成，如果链路是单向的，则为广播系统，可用于数据发布、新闻或商业电视等。

VSA T星形网提供中心站与多个小站之间的直接双向通信，以数据业务为主，而个小站之间的信息交换没有或很少。

小站的信息只与中心站进行交换，由于中心站有高的发射功率和大的天线，因此小站的设备相对简单，天线口径小。

如果用于语音通信，意味着有“两跳”的传输延迟，所以星形网一般只用于数据传输。

数据通常以分组方式进行传输和交换。

二．交互式VSA T网状网
网状VSA T网的各小站之间可以通过卫星直接建立通信链路，单与星形网相比，小站的EIRP和G/T值要高一些，小站的成本也较高，更复杂。

网状网主要用于支持语音业务，避免了“两跳”传输延迟。

习题。