《衛(wèi)星通信網(wǎng)》PPT課件.ppt

第6章 VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng),VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng),VSAT: Very Small Aperture Terminal 是甚小口徑終端。 甚小口徑:它的地面接收天線口徑很?。ㄒ话阍?米以內）; 終端:它本身是一個具有多功能的衛(wèi)星地面站。,VSAT是80年代中期美國開發(fā)的一種衛(wèi)星通信設備，它建造成本很低,容易在作業(yè)現(xiàn)場或其用地面線路難以到達的場合進行安裝。 VSAT小站一般是與中心站用網(wǎng)絡的形式協(xié)同工作的，通常一個中心站可以控制許多地面上的小站面形成廣域上的衛(wèi)星通信網(wǎng)。 如今，VSAT已廣泛應用于石油技術服務、軍事、金融、水利、氣象、航空、新聞、人防及沙漠邊遠地區(qū)的數(shù)據(jù)通信。,甚小天線地球站（VSAT）衛(wèi)星網(wǎng)絡系統(tǒng) VSAT系統(tǒng)指由天線口徑小，G/T值低于19.7dB/K，并用軟件控制的大量地球站構成的衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)。 一個VSAT系統(tǒng)可以包括幾百個甚至幾千個終端小站。,在雙跳形式的VSAT網(wǎng)絡中，各遠端站可以通過中心站進行通信。 單雙跳混合形式的中心站和遠端站之間可以通電話和數(shù)據(jù)；各遠端站之間可以通數(shù)據(jù)和錄音電話。 全連接網(wǎng)絡需設一個樞紐站（控制站），以根據(jù)各站的業(yè)務需求分配信道。 VSAT網(wǎng)以SCPC/FDMA方式工作。,VSAT網(wǎng)的構成形式,VSAT的優(yōu)點 建造成本低，覆蓋范圍廣 安裝方便，可在樓頂，水泥座上安裝 集成性好，可將語音數(shù)據(jù)集成在一起使用 相對獨立，容易組成點對點的網(wǎng)絡而不受公網(wǎng)的制約 通信質量好，抗干擾能力強 組網(wǎng)方便，可以是星、網(wǎng)或星網(wǎng)結合 數(shù)據(jù)安全性好 3、VSAT業(yè)務分類 TES-以話音為主（Telephony Earth Station） PES-以數(shù)據(jù)為主（Personal Earth Station） ISBN-以綜合業(yè)務為主,VSAT組網(wǎng)方式 1、星狀結構 小站1衛(wèi)星主站衛(wèi)星小站2 小站2衛(wèi)星主站衛(wèi)星小站1 星狀結構的小站間是通過主站進行的，因此，對主站的依賴性很強。另外，由于信號是兩次上星下星，因此時延比較大，不適合于話音傳輸。當用于話音時，小站1講話時，小站2經過一定的延時才能聽到，當聽到后要等小站1講完再回話，否則兩端誰也沒聽清。有點半雙工電臺的感覺。這種結構比較適合于數(shù)據(jù)傳輸。,2、網(wǎng)狀結構 小站1衛(wèi)星小站2 小站2衛(wèi)星小站1 網(wǎng)狀結構可以直接經過衛(wèi)星進行小站1與小站2間的通信，它的時延比較小，經較適合話音信號的傳輸。,3、星網(wǎng)結合 VSAT可以支持綜合業(yè)務，可以在小時延的情形下用網(wǎng)狀，長時延用星狀。 VSAT小站的工作方式 1、VSAT接收站 只負責接收數(shù)據(jù)，如接收電視節(jié)目 2、VSAT收發(fā)站 如TES或PES地面小站與互聯(lián)網(wǎng)的接入,VSAT的工作頻段 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,大多數(shù)VSAT都工作在C波段及Ku波段，C波段是早期使用的衛(wèi)星波段，由于地面微波大多使用4G-6G的頻段，正好落在C波段之內，因此地面微波與C波段衛(wèi)星間的干擾比較大。這就要求C波段的VSAT一定要遠離市區(qū)?，F(xiàn)行國際衛(wèi)星通信中的商用衛(wèi)星大多數(shù)都使用 6/4GHZ 頻段，即上行線路5.925-6.425GHZ，下行線路 3.7-4.2GHZ。隨著C波段的不斷擁擠，開發(fā)了Ku 波段。Ku波段與 C 波段相比具有如下特點：,1、受地面微波干擾的可能性較小，VSAT可在市區(qū)使用。 2、在地面站和衛(wèi)星天線尺寸不變的前提下， Ku 波段的波束寬度是 C 波段波束的一半,這就意味著赤道上排列衛(wèi)星的密度可增大一倍。 3、在衛(wèi)星天線尺寸相同的情況下， Ku 波段天線的接收增益是 C 波段的 5.33 倍，發(fā)射增益是 9.15 倍，可用于改善傳輸過程中的吸收損耗和采用小口徑天線出現(xiàn)的性能下降等因素。 4、Ku 波段的雨衰現(xiàn)象比 C 波段嚴重，其特點是在暴雨、密集云霧情況下，電磁波在穿透約 16km 左右大氣層時，會產生較大的吸收損耗。實際應用中一般采取加大衛(wèi)星天線系統(tǒng)的系統(tǒng)余量來解決。,VSAT網(wǎng)絡按照業(yè)務類型可分為 小型數(shù)據(jù)地球站 小型通信站 小型電視單收站 例如美國休斯公司的PES系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為主，兼?zhèn)?6kbps的聲碼話；TES系統(tǒng)則以32kbps/ADPCM話音為主，兼?zhèn)鲾?shù)據(jù)和圖像。,根據(jù)調制方式、傳輸特性、天線口徑以及應用等綜合特點又可分為如下類型： VSAT（非擴頻）： 它的特點是高速、雙向交互傳輸，采用非擴頻的PSK調制和自適應帶寬控制等。 VSAT（擴頻）： 工作在C波段，采用直接序列擴頻技術，例如美國赤道公司的C-100和C-200 。 USAT（特小口徑終端，天線口徑為0.250.3m）： 是目前用于雙向數(shù)據(jù)通信最小的地球站（便攜式終端），又稱為移動式VSAT或MSAT，它還采用了混合調制技術。,TSAT（T1載波小口徑終端）： 一次群速率1.544M或2.048Mbps，不需要主站，可以構成價格低廉的綜合業(yè)務網(wǎng)（網(wǎng)形網(wǎng)絡）； 工作頻段為C或Ku波段。 TSAT網(wǎng)的靈活性優(yōu)于地面的T1網(wǎng)絡，且網(wǎng)絡監(jiān)視與控制能力很強，調制解調器采用了包括軟判決等新技術。最多可容納16個載波，每個載波有8個雙向通路。 多址方式為TDMA，信道分配采用DAMA方式。 還有一些公司推出的TSAT，采用FDMA方式，提供星形網(wǎng)絡結構的點對點的T1鏈路。,TVSAT： 主要用于廣播文娛活動和商業(yè)電視（BTV）節(jié)目，也可以提供圖像和高速數(shù)據(jù)業(yè)務。,VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的組成及其工作原理 一、VSAT網(wǎng)的組成 典型的VSAT網(wǎng)由 主站（中心站）、衛(wèi)星轉發(fā)器、許多遠端VSAT小站組成。 以下主要介紹星形網(wǎng)絡結構的系統(tǒng)。,1、主站 是VSAT網(wǎng)的核心，使用大型天線，Ku波段為3.58m，C波段為713m。 主站由高功率放大器、低噪聲放大器、上/下變頻器、調制解調器以及數(shù)據(jù)接口設備等組成。 主站通常與主計算機配置在一起，也可以通過地面線路與主計算機連接。 主站發(fā)射功率一般為數(shù)十瓦到數(shù)百瓦。 為了對全網(wǎng)進行監(jiān)測、控制、管理與維護，在主站還設網(wǎng)絡監(jiān)控與管理中心，對全網(wǎng)運行狀態(tài)進行監(jiān)控管理，（如監(jiān)測各站工作狀態(tài)、信道質量、信道分配、統(tǒng)計記費等）。 一般采用模塊結構，設備間以高速局域網(wǎng)方式連接。主站一般配有備用設備。,2、小站 小站由小口徑天線、室外單元、室內單元組成。 室外單元和室內單元通過中頻同軸電纜IFL連接。 可以采用常用的正饋天線，也可以采用增益高、旁瓣小的偏饋天線（天線尺寸可以更?。?。 室外單元包括GaAsFET（固態(tài)砷化鎵場效應晶體管）固態(tài)功率放大器、低噪聲FET放大器、上/下變頻器及監(jiān)測電路等，并把它們組裝在一起作為一個部件，配置在天線饋源附近。 室內單元包括調制/解調器、編/譯碼器和為用戶提供的數(shù)據(jù)接口等。 3、衛(wèi)星轉發(fā)器,二、VSAT網(wǎng)的工作原理 在星形網(wǎng)絡結構的VSAT網(wǎng)絡中，所有小站都可以直接與主站通信，需要在兩個小站間通信時，必須由主站轉發(fā)，以“雙跳”的形式進行通信。多址連接可以采用多種不同的多址協(xié)議，其工作原理也不同。 下面介紹采用隨機接入時分多址（RA/TDMA）方式的VSAT網(wǎng)絡工作原理：,1、外向傳輸：（主站到小站方向） 通常采用時分復用或統(tǒng)計時分復用方式。 首先由主計算機將發(fā)送的數(shù)據(jù)進行分組并構成TDM幀，以廣播方式向網(wǎng)內所有小站發(fā)送，而網(wǎng)內某小站收到TDM幀后，根據(jù)地址碼從中選出發(fā)給該小站的數(shù)據(jù)。根據(jù)一定的尋址方案，一個報文可以只發(fā)給一個指定的小站，也可以發(fā)給一群指定的小站或所有小站。,外向傳輸?shù)腡DM幀格式如圖6-7所示：為了使各小站可靠地同步，數(shù)據(jù)分組中的同步碼特性應能保證VSAT小站在未加糾錯碼和誤比特率達到10-3時仍能可靠同步。主站還應向網(wǎng)內所有地面終端提供TDMA幀的起始信息。當主站不發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，則只發(fā)送同步碼組。,2、內向傳輸 在采用隨機接入時分多址（RA/TDMA）方式的VSAT網(wǎng)中，各小站用戶終端一般采用隨機突發(fā)方式發(fā)送數(shù)據(jù)。所有共享RA/TDMA信道的小站所發(fā)的數(shù)據(jù)分組必須有統(tǒng)一的定時，并與幀和時隙的起始時刻保持同步。定時信息由主站所發(fā)出的TDM幀的同步碼中提取。 TDMA數(shù)據(jù)分組如圖6-8所示：,如圖6-8所示，TDMA數(shù)據(jù)分組包括前同步碼、數(shù)據(jù)字符組、后同步碼和保護時間。 前同步碼由比特定時、載波恢復、前向糾錯以及其它開銷組成。 數(shù)據(jù)字符組包括起始標志、地址碼、控制碼、用戶數(shù)據(jù)、循環(huán)冗余校驗位和終止標志。其中控制碼主要用于小站發(fā)送申請信息。,3、VSAT網(wǎng)中的交換： 在VSAT網(wǎng)中，各站通信終端的連接是唯一的，沒有備份路由，全部交換功能只能通過主站內的交換設備完成。 突發(fā)數(shù)據(jù)：為了提高信道的利用率和可靠性，最好采用分組交換方式。 對于外向鏈路：由于采用分組傳輸才便于對每次經過衛(wèi)星轉發(fā)的數(shù)據(jù)進行差錯控制和流量控制，即使成批數(shù)據(jù)業(yè)務也應采用數(shù)據(jù)分組格式。,對于內向鏈路：來自各VSAT小站的數(shù)據(jù)分組到了主站，也應采用分組格式和分組交換。 通過主站交換設備匯集來自各VSAT小站的數(shù)據(jù)分組，以及從主計算機和地面網(wǎng)來的數(shù)據(jù)分組，同時又按照數(shù)據(jù)分組的目的地址，轉發(fā)給外向鏈路、主計算機和地面網(wǎng)。采用分組交換不但提高了衛(wèi)星信道利用率，還減輕了用戶設備的負擔。 對于要求實時性很強的話音業(yè)務，包括聲碼話：因為分組交換的延遲太大，應該采用線路交換。,所以對于綜合業(yè)務的VSAT網(wǎng)（要求同時傳輸數(shù)據(jù)和話音），網(wǎng)內主站應對這兩種業(yè)務分別設置交換設備并提供各自的接口。在主站，這兩種交換機之間也可能是有信息交換的。 VSAT網(wǎng)主站的交換設備如圖6-9所示。,線路交換機設有主站用戶聲碼話接口，并輸入內向鏈路的聲碼話數(shù)據(jù)和輸出外向鏈路的同步時分復用（STDM）聲碼話數(shù)據(jù)。分組交換機則設有異步時分復用（ATM）數(shù)據(jù)。,綜上所述，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： 鏈路兩端設備不相同； 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，以適應VSAT小天站的要求，而VSAT小站發(fā)射功率小，主要利用主站高的接收增益來接收VSAT小站的低電平信號。,VSAT數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的多址協(xié)議,一、衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特點與多址協(xié)議的確定： 對于話音和大量成批數(shù)據(jù)傳輸，可以采用FDMA和TDMA多址方案，但是對于交互式或詢問應答型數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，則應根據(jù)它們的特點選擇衛(wèi)星通信網(wǎng)的多址協(xié)議。這些特點是： 1、隨機地并且是斷續(xù)地使用衛(wèi)星信道，數(shù)據(jù)通信的峰值和平均傳輸速率的比值很大； 2、衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信網(wǎng)要容納從低速到高速多種速率的業(yè)務； 3、應可以進行分組數(shù)據(jù)傳輸； 4、利用衛(wèi)星信道的廣播性質，進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)，一般都擁有大量的小型地球站。,用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男l(wèi)星通信網(wǎng)，如果仍然采用預分配的FDMA和TDMA多址方式，會使得信道利用率太低，是不適宜的，即使采用按需分配的方式，如果發(fā)送數(shù)據(jù)的時間遠小于申請分配信道的時間，信道利用率也不會有較大提高。確定一種有效的多址協(xié)議時應考慮的主要原則是： 要有較高的衛(wèi)星信道共享效率，即呑吐量要高； 有較短的延遲，其中包括平均延遲和峰值延遲； 在信道出現(xiàn)擁塞的情況下，具有穩(wěn)定性； 應有能承受信道誤碼和設備故障的能力； 建立和恢復時間短； 易于組網(wǎng)，且設備造價低。,目前，按數(shù)據(jù)提出報文入網(wǎng)的類型，可供使用的衛(wèi)星信道的多址協(xié)議大致有以下三種： 固定預分配方式 爭用/隨機方式 預約/可控方式 二、固定分配多址方式： 、非時隙固定預分配方式 1、SCPC/FDMA方式：該方式對于電話傳輸系統(tǒng)是非常有效的，但是對突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸則效率很低。 2、CDMA方式：固定分配的CDMA方式頻帶利用率低，主要用在對提高抗干擾性能具有重要意義的場合。,、分時隙固定分配（TDMA）方式 因為不存在信道的動態(tài)分配問題，開銷是隨站數(shù)N的增大而增加的，所以，這種系統(tǒng)僅適應于有少數(shù)中、大容量的VSAT站的衛(wèi)星通信網(wǎng)。當N較大時，因為幀長的傳輸時間以及延遲隨站數(shù)N的增加而迅速加大，還因為低效率服務使排隊延遲增大，所以這種方式的延遲特性較差。 三、爭用/隨機多址協(xié)議 因為采用固定方式引入的開銷是隨支持的終端數(shù)目線性增長的，對于大量低平均速率的突發(fā)性用戶來說，無論傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)報文還是控制信息，采用固定分配方式都是不適應的，為此，必須允許所有的用戶自由地使用信道。但是當兩個以上用戶終端同時使用信道時，可能發(fā)生碰撞。需要通過“碰撞分辨算法”解決。,隨機多址系統(tǒng)的一般形式如圖6-10所示：,、非時隙爭用/隨機多址方式：分為異步和自同步方式兩類協(xié)議，ALOHA、SREJ-ALOHA、RA/CDMA等協(xié)議屬于異步協(xié)議；到達時間碰撞分辨算法等多址協(xié)議屬于自同步協(xié)議。 1、ALOHA：允許用戶自由地使用信道，只要終端產生了報文，便通過信道發(fā)送，發(fā)生了碰撞的報文，經過一段隨機延遲后再進行重發(fā)。在星形VSAT網(wǎng)中，當小站的一個數(shù)據(jù)分組發(fā)送成功后，接收端要返回一個肯定應答ACK信號，否則小站要重發(fā)這一分組。因此，在數(shù)據(jù)分組重發(fā)前，至少要等待0.50.6s?？墒茿LOHA信道的穩(wěn)定性是與總平均重發(fā)延遲有關的。一般說來，在中等負載條件下，因為衛(wèi)星通信系統(tǒng)已有0.50.6s的延遲，所以只允許它有較短的附加延遲（0.10.2s）。,2、SREJ-ALOHA（選擇拒絕ALOHA）：是一種非常好的非時隙隨機多址方式。既有ALOHA系統(tǒng)不用定時同步和適于可變長度報文的優(yōu)點，又克服了ALOHA呑吐量低的缺點。是目前適于可變長度報文非同步操作系統(tǒng)中容量最高的多址協(xié)議。發(fā)射的每一個數(shù)據(jù)分組要再細分為一定數(shù)量的小分組。這些小的分組也有自己的報頭和前同步碼，如圖6-11所示。小分組和前同步碼可以獨立地進行檢測。由于在實際的非同步信道中，數(shù)據(jù)分組的碰撞大多數(shù)是部分碰撞，未碰撞的部分仍可接收，所以采用這種選擇重發(fā)方式，只需重發(fā)那些受到碰撞的小分組即可，而不必重發(fā)整個分組，如圖6-11(b)所示。這樣，其最大呑吐量與S-ALOHA相當，約為0.368。因為小分組內也還有前同步碼和報頭開銷，實際最大呑吐量只能達到0.20.3%。,3、異步分組RA/CDMA：當把擴頻調制和FEC用于ALOHA多址協(xié)議時，可以改善異步ALOHA方式的性能。特別是當使用FEC時，容量可以提高到0.20.3。 、時隙爭用/隨機多址協(xié)議 1、S-ALOHA：對固定長度報文是一種簡單且有效的隨機多址協(xié)議。由于劃分時隙而增加了設備的復雜程度，但仍得到了廣泛的應用。其最大呑吐量為0.368。 2、沖突分解算法CRA多址協(xié)議：采用沖突分解算法的隨機多址協(xié)議，適合于傳輸固定長度報文。它是基于一種有規(guī)則的重發(fā)程序算法和新報文入網(wǎng)規(guī)則，使碰撞分組依次重發(fā)，而不是采用隨機延遲和自由入網(wǎng)。如果碰撞分解程序收斂，則可保證信道能穩(wěn)定工作。這種方式容量可達0.430.49。,四、預約/可控多址協(xié)議 以TDMA為基礎的按需分配DAMA多址方式，是根據(jù)用戶通信的需求將衛(wèi)星信道動態(tài)地分配給各個用戶，地面用戶終端對時隙的需要和占用，必須進行預約申請。為此，在DAMA方式中，多址協(xié)議包括兩層信道和多址：一層是預約申請信息的信道和多址，另一層是對用戶的實際報文信道和多址。DAMA是利用短的申請分組為長的數(shù)據(jù)報文在衛(wèi)星信道上預約一段時間，從而使多址數(shù)據(jù)分組的碰撞問題通過預約控制來解決。一旦預約申請成功，便可使數(shù)據(jù)分組無碰撞的到達接收端。 DAMA/TDMA方式對于長報文是一種可行的多址協(xié)議，但是對于短報文來說，其容量并不比隨機時分多址方式優(yōu)越。,五、VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)多址協(xié)議的比較 以上幾種多址協(xié)議必須結合VSAT網(wǎng)業(yè)務性質和業(yè)務模型來選用。作為VSAT網(wǎng)，可以提供單一的業(yè)務，也可以提供數(shù)據(jù)、話音和圖像等綜合業(yè)務，表6-2列出了VSAT網(wǎng)的典型用戶要求。RA/TDMA方式適合于詢問/應答型業(yè)務，而SCPC方式適合于數(shù)據(jù)收集或成批數(shù)據(jù)業(yè)務。,1、VSAT網(wǎng)業(yè)務模型 圖6-12拿出了幾種常見的VSAT網(wǎng)業(yè)務模型所對應的平均數(shù)據(jù)率（字符/秒）與報文長度以及相對于56kp/s的百分比之間的關系。例如：對于交互型事務處理業(yè)務，其報文短、長度可變且平均數(shù)據(jù)率低于多址信道內向速率。,2、性能比較的指標 延遲、呑吐量S、VSAT站數(shù)目N 延遲應盡量短。延遲用平均延遲和延遲分布描述，延遲分布可用峰值延遲（即延遲分布為95%時的數(shù)值）來代表。VSAT站