衛(wèi)星通信 第4章

第4章衛(wèi)星通信網(wǎng)

4.1衛(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4.2衛(wèi)星通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)的連接

4.3VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)

4.4典型衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)習(xí)題

所謂通信網(wǎng)，就是將各種通信設(shè)備互連在一起的通信網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)也可描述為由各個通信節(jié)點(端節(jié)點、交換節(jié)點、轉(zhuǎn)接點)及連接各節(jié)點的傳輸鏈路組成的互相依存的有機結(jié)合體，以實現(xiàn)兩點或多個規(guī)定點間的通信。從物理結(jié)構(gòu)或硬件設(shè)施方面看，通信網(wǎng)由終端設(shè)備、交換設(shè)備和傳輸鏈路三要素所組成。

所謂衛(wèi)星通信網(wǎng)，就是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，在地球站之間進行通信的網(wǎng)絡(luò)。它具有全球覆蓋的能力，不僅能夠保證高傳輸速率和較寬的帶寬，而且支持靈活的、大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。衛(wèi)星通信網(wǎng)不但可以作為地面網(wǎng)絡(luò)的補充和完善，而且可以單獨構(gòu)成天基衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，使得來自陸地、海洋、天空乃至于太空的信息流能夠順利通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸。

根據(jù)使用目的和要求的不同，可以組成各種不同的衛(wèi)星通信網(wǎng)。例如，根據(jù)衛(wèi)星在軌高度，可分為GEO衛(wèi)星通信網(wǎng)、MEO衛(wèi)星通信網(wǎng)和LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)；根據(jù)通信用途，可分為民用衛(wèi)星通信網(wǎng)和軍事衛(wèi)星通信網(wǎng)；根據(jù)服務(wù)范圍，可分為國際衛(wèi)星通信網(wǎng)、國內(nèi)衛(wèi)星通信網(wǎng)、區(qū)域衛(wèi)星通信網(wǎng)，等等。對于大量分散、稀路由、低速的數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)，還可組成VSAT(甚小口徑天線終端)衛(wèi)星通信網(wǎng)。根據(jù)業(yè)務(wù)性質(zhì)、容量和特點的不同，組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也將有所不同。本章主要介紹VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的基本概念與原理，以及典型的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

由多個地球站構(gòu)成的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)可以歸納為兩種主要形式，即星形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)，如圖4-1所示。4.1衛(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖4-1衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(a)星形網(wǎng)；(b)網(wǎng)形網(wǎng)4.1.1星形網(wǎng)絡(luò)

圖4-1(a)所示為星形網(wǎng)絡(luò)，它是一種由中心站與各地球站之間的相互連接而形成的網(wǎng)絡(luò)。

在星形網(wǎng)絡(luò)中，各遠端地球站都直接與中心站(或稱主站)發(fā)生聯(lián)系，而各遠端地球站之間則不能經(jīng)衛(wèi)星直接進行通信。兩個地球站之間若有通信要求時，必須經(jīng)中心站轉(zhuǎn)發(fā)，才能進行連接和通信。無論遠端地球站與中心站進行通信，還是各地球站經(jīng)中心站進行通信，都必須經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。中心站執(zhí)行控制和轉(zhuǎn)發(fā)功能，使得通信系統(tǒng)的故障容易隔離和定位，并且可以在不影響系統(tǒng)其它設(shè)備工作的情魷攏獎愕囟暈佬峭ㄐ畔低辰擴容。

星形網(wǎng)絡(luò)最適合于廣播、收集等進行點到多點間通信的應(yīng)用環(huán)境。例如，具有眾多分支機構(gòu)的全國性或全球性單位作為專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，可以改善其自動化管理、發(fā)布或收集信息等。但這種結(jié)構(gòu)非常不利的一點是，中心站必須具有極高的可靠性，因為一旦出問題，將影響整個系統(tǒng)的工作。4.1.2網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)

圖4-1(b)所示為網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)，它將各地球站彼此相互直接連接在一起。這種點對點連接而成的網(wǎng)絡(luò)，又稱為全互連網(wǎng)絡(luò)，其中每個地球站皆可經(jīng)由衛(wèi)星彼此相互進行通信。

采用網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是：星間鏈路的冗余備份充分，系統(tǒng)可靠度高，可擴展性強；星間鏈路的傳輸帶寬可以很高，數(shù)據(jù)的傳輸速度快，延遲小，可以實現(xiàn)全球覆蓋。因此，網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)比較適合于點到點之間進行實時性通信的應(yīng)用環(huán)境，比如建立單位內(nèi)的VSAT專用電話網(wǎng)等。但是網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)的缺點也很明顯，即網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，建造成本高，對于衛(wèi)星的數(shù)量要求較多等。4.1.3混合網(wǎng)絡(luò)

在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的次數(shù)，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)又可分為單跳和雙跳兩種結(jié)構(gòu)。

對于星形網(wǎng)絡(luò)，各遠端地球站可通過單跳鏈路與中心站直接進行話音和數(shù)據(jù)的通信，而各遠端地球站之間一般都是通過中心站間接地進行通信，因此信號會經(jīng)歷兩跳的延遲。

在網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)中，任何兩個遠端地球站之間都是單跳結(jié)構(gòu)，因而它們可以直接進行通信。但是必須利用一個中心站控制與管理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各地球站的活動，并按需分配信道。顯然，單跳星形結(jié)構(gòu)是最簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則是最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它具有全連結(jié)特性，并能按需分配衛(wèi)星信道。

為此，將單跳與雙跳結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以得到一種混合網(wǎng)絡(luò)，如圖4-2所示。在這種網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的信道分配、監(jiān)測管理與控制等由中心站負(fù)責(zé)，但是通信不經(jīng)中心站連接。該網(wǎng)絡(luò)可以為中心站與遠端地球站之間提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，為各遠端地球站之間提供話音業(yè)務(wù)。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來說，話音信道是網(wǎng)形網(wǎng)，數(shù)據(jù)信道是星形網(wǎng)，因而它是一種很有吸引力的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖4-2衛(wèi)星通信的單跳與雙跳混合結(jié)構(gòu)下面結(jié)合電話傳輸來介紹衛(wèi)星通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)之間的連接問題。關(guān)于衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)之間的連接，由于要涉及到數(shù)據(jù)傳輸規(guī)程與接口等方面的問題，因此將放在VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)一節(jié)中進行介紹。

一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)，當(dāng)考慮到它與地面通信網(wǎng)連接時，地球站的作用猶如一個地面中繼站。由于電波傳播和電磁干擾等原因，一般大、中型地球站都是設(shè)置在遠離城市的郊區(qū)，而衛(wèi)星通信的用戶和公用網(wǎng)中心都是集中在城市市區(qū)。因此，衛(wèi)星通信鏈路必須通過地面線路與長途通信網(wǎng)及市話網(wǎng)連接，才能構(gòu)成完整的通信網(wǎng)。在通信過程中，地面網(wǎng)一個用戶的電話信號要經(jīng)過當(dāng)?shù)厥性捑W(wǎng)、長途電話網(wǎng)的交換機以及傳輸設(shè)備接至地球站，才能經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達另一城市的地球站，再經(jīng)地面線路進入公用網(wǎng)，最后達到另一用戶，這樣才完成信息的傳輸。4.2衛(wèi)星通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)的連接4.2.1地面中繼傳輸線路

為保證衛(wèi)星進行多路通信，應(yīng)采用大容量并與地球站的容量相匹配的地面中繼線路。目前用得較多的是微波線路、電纜線路和光纜線路。

1.微波線路

微波線路的工作頻段可在2～13GHz之間選擇。由于工作頻段高于10GHz時因降雨引起的吸收衰減較大，可能會影響正常通信，同時考慮到避免與其它地面微波通信系統(tǒng)的相互干擾，最好不使用4～6GHz，故在一般情況下，以選用2GHz、7～8GHz為宜。若在降雨較少的地區(qū)，且距離較近時(小于等于30km)，也可選用10～13GHz的頻段

至于地面微波中繼線路的容量，則應(yīng)根據(jù)衛(wèi)星鏈路確定，并留有一定余量。

2.電纜線路

可以用作長途通信的電纜主要有對稱電纜和同軸電纜。

對稱電纜的特點是頻帶較窄、容量較小。這種線路一般采用雙纜四線制單邊帶傳輸方式。一個4芯組可以傳輸120路，且收、發(fā)信使用同樣的頻帶，均為12～252kHz。為了克服線路衰減的影響，通常每隔13km設(shè)一增音站。

同軸電纜具有路際串音小、頻帶寬、容量大等優(yōu)點。通常用作地面中繼的小同軸電纜是300路系統(tǒng)，其傳輸頻帶為60～1300kHz，如圖4-3所示。小同軸電纜的容量也可擴大到960路，這時傳輸頻帶為60～4028kHz，但必須縮短增音站間的距離和增加增音站的數(shù)目。中同軸電纜也可用作地面中繼線路，而且特別適用于傳送電視信號。若增音站之間的距離選擇適當(dāng)，中同軸電纜可以傳輸1800路或4380路電話。

同軸電纜的最大缺點是中繼距離短(1.5～2.5km)、維修不便和造價較高。

圖4-3小同軸電纜工作頻譜

3.光纜線路

地面中繼線路除了可以采用微波線路和電纜線路外，還可以采用光纜線路。光纜傳輸?shù)膬?yōu)點是：第一，傳輸距離長，單模光纖每公里衰減可做到0.2～0.4dB，是同軸電纜損耗的1%；第二，傳輸容量大，一根光纖可傳輸幾十路以上的視頻信號，若采用多芯光纜，則容量成倍增長；第三，抗干擾性能好，不受電磁干擾；第四，傳輸質(zhì)量高，由于光纖傳輸不像同軸電纜那樣需要相當(dāng)多的中繼放大器，因而沒有噪聲和非線性失真疊加，且基本上不受外界溫度變化的影響。其缺點就是造價較高，施工的技術(shù)難度較大。

因此，線路須視應(yīng)用的具體要求(有效性、可靠性和經(jīng)濟性等)而定。實際上，如果用于站內(nèi)的設(shè)備間鏈路(IFL，InterfacilityLink)，如大型地球站射頻機房與天線之間的連接，VSAT終端的室外單元(ODU)與室內(nèi)單元(IDU)之間連接或VSAT終端與用戶之間連接時，光纜是最好的選擇，因為光纜噪聲少，沒有電磁干擾。然而，對于20km以上的地面中繼線路，光纜所需的投資比微波和電纜要大。4.2.2地面中繼方式

地球站與長途交換中心之間的中繼分式可以是各種各樣的，具體采用哪一種方式取決于地球站和中繼線路及長途交換網(wǎng)的工作方式。目前絕大多數(shù)地球站采用的是FDM、SCPC、TDMA或IDR(中等數(shù)據(jù)速率)方式工作。因此地面中繼線路也是分為模擬線路和數(shù)字線路?？紤]到今后的發(fā)展，下面以地面中繼線路與TDMA方式的地球站連接為主進行介紹。

1.模擬地面接口

地球站按TDMA方式工作，地面中繼采用模擬傳輸線路。這種工作方式分為兩類，一類是數(shù)字話音插空(TDMA/DSI)，另一類是非數(shù)字話音插空(TDMA/DNI)。在實際使用中，DSI設(shè)備均以240路為一個單元。為完成與地面模擬通信網(wǎng)的接口，需要進行FDM與TDMA的轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換可使用標(biāo)準(zhǔn)的FDM復(fù)接/分接設(shè)備后接TDMA復(fù)接設(shè)備來實現(xiàn)。即將輸入的模擬基帶信號(FDM)分接成單獨信道，再進行PCM編碼和TDMA復(fù)接，如圖4-4(a)所示。也可以用復(fù)用轉(zhuǎn)換器在60路超群接口直接轉(zhuǎn)換和連接完成相同的功能，這樣便降低了成本和尺寸并增強了可靠性，如圖4-4(b)所示。這種復(fù)用轉(zhuǎn)換器，既能以模擬方式也能以數(shù)字方式實現(xiàn)，并可按多種規(guī)格設(shè)計。實際上，對于2.048Mb/s的信號，通常用一個60路的FDM超群轉(zhuǎn)換成兩個30路的TDM/PCM信號(每個信號速率為2.048Mb/s)。

圖4-4TDMA地球站與地面模擬線路的連接

2.數(shù)字地面接口

地球站按TDMA方式工作，地面中繼采用數(shù)字線路。

目前這種方式雖然較少使用，但隨著通信網(wǎng)數(shù)字化程度的不斷提高，將會用得越來越多。當(dāng)衛(wèi)星鏈路和地面線路都數(shù)字化以后，地球站與長途交換中心之間的中繼將會變得比較簡單，數(shù)字設(shè)備可以直接在一次群接口上連接，如圖4-5所示。

圖4-5TDMA地球站與地面數(shù)字線路的連接應(yīng)該指出，各地球站所發(fā)信號的幀定時是與基準(zhǔn)站的幀定時同步的，可是在這種連接方式中，它與地面線路的幀同步是不相關(guān)的，這是因為數(shù)字地面接口處于數(shù)字地面線路和TDMA終端設(shè)備之間，它要接受來自兩個方向的時鐘。通常TDMA系統(tǒng)與地面數(shù)字線路是準(zhǔn)同步連接的，即兩者的時鐘獨立，但應(yīng)具有相同的標(biāo)稱頻率和精度。按照CCITT建議G.811每72天滑動一次的要求，時鐘的精度應(yīng)為1×10－11。為此，當(dāng)?shù)孛婢€路與TDMA衛(wèi)星鏈路直接進行數(shù)字接口時，必須解決好TDMA衛(wèi)星鏈路與地面數(shù)字線路間的同步問題，在數(shù)字地面接口處設(shè)置緩沖器吸收時鐘差異。根據(jù)同步方法的不同，直接數(shù)字接口有以下三種。

1)完全同步連接

這種方法是設(shè)在長途交換中心局的PCM復(fù)用終端和時分制交換機都按地球站送來的幀定時工作，而后者是與衛(wèi)星TDMA系統(tǒng)保持同步的。其系統(tǒng)組成如圖4-6(a)所示。

圖4-6TDMA地球站與地面數(shù)字線路連接的同步問題(a)完全同步連接；(b)跳幀法連接；(c)碼速調(diào)整法連接需要指出，由于衛(wèi)星的攝動，使其軌道位置偏移，從而導(dǎo)致傳播延遲、信號的幀長和時鐘頻率都將隨之變化(多普勒頻移)。因此，地球站發(fā)送信號的幀周期便不可能與接收信號的幀周期相等。結(jié)果在地球站內(nèi)，從中心站來的輸入信號的幀周期與發(fā)向衛(wèi)星的信號幀周期出現(xiàn)了差異。不過，考慮到衛(wèi)星的位置只是在有限范圍內(nèi)變化，所以可以通過設(shè)置適當(dāng)容量的緩沖存儲器來補償這種幀周期的差值。這一緩沖存儲器通常稱為校正多普勒頻移緩沖存儲器，如圖4-6(a)所示。

采用完全同步連接方式時，由于系統(tǒng)內(nèi)所有的地球站以及所組成的通信網(wǎng)的同步，都從屬于基準(zhǔn)站，因此，一旦基準(zhǔn)站發(fā)生故障就會影響到整個網(wǎng)絡(luò)的正常工作，這是它的主要缺點。

2)跳幀法連接

這種方法是中心局與TDMA系統(tǒng)各自保持獨立的幀同步，但幀頻的標(biāo)稱值是相等的，而且要求其有非常高的穩(wěn)定性。采用這種方法連接的系統(tǒng)組成如圖4-6(b)所示。其中地球站的發(fā)射端設(shè)有緩沖存儲器及其控制器。只要緩沖存儲器兩端的信號頻率不同，即使差異及其微小，存儲器的寫入和讀出都會產(chǎn)生微小的偏移。當(dāng)這種偏移一旦超過某一規(guī)定數(shù)值時，便強制去掉一幀信息或重復(fù)插入一幀信息，這叫做跳幀。采用跳幀法連接，雖然損失了一幀信息，但不會破壞系統(tǒng)的幀同步。

因衛(wèi)星漂移而引起的傳播延遲變化的影響，還是通過緩沖存儲器來加以補償。

3)碼速調(diào)整法進行連接

這種方法使衛(wèi)星系統(tǒng)的時鐘頻率比地面系統(tǒng)的時鐘頻率略高。在地球站的發(fā)送端，當(dāng)寫入和讀出時差超過某一預(yù)定值時，讀出就會暫停，并在衛(wèi)星鏈路中插入不含有信息的脈沖。接收端接收到信號后再把不含有信息的脈沖去掉，同時將數(shù)據(jù)流進行勻滑。通常這種方法稱為碼速調(diào)整或脈沖填充。其優(yōu)點是相互獨立同步的兩個數(shù)字線路或通信網(wǎng)之間，可以不丟失任何信息完成數(shù)字連接。這種連接方法的系統(tǒng)組成如圖4-6(c)所示。

上面分別介紹了幾種典型的地球站與地面通信網(wǎng)連接時的地面中繼方式。實際情況中，只用單一的地面中繼方式的情況是很少的。因為FDM、SCPC、TDMA和IDR等多種方式同時使用，而且地面通信網(wǎng)中模擬與數(shù)字通信方式也還要并存一段時間，所以地面中繼方式也往往不止一種。根據(jù)地球站和地面通信網(wǎng)的實際情況，可能由兩種或多種連接方式組合使用。

4.2.3電視信號傳輸中的地面中繼

目前，通過衛(wèi)星傳送的電視信號還都是模擬信號，因此地球站與長途交換中心或電視廣播中心之間的地面中繼線路也都是模擬微波線路。當(dāng)長途交換中心和電視廣播中心相距較近時，可以采用同軸電纜；如果相距甚遠，由于同軸電纜衰耗太大，最好采用微波或光纜線路連接。如果需要在某些場合利用衛(wèi)星進行電視實況轉(zhuǎn)播時，一般把電視信號從現(xiàn)場送到電視廣播中心，再經(jīng)長途交換中心送到地球站發(fā)向衛(wèi)星。

在電視的傳輸過程中，地球站內(nèi)圖像信號是視頻轉(zhuǎn)接，伴音信號是音頻轉(zhuǎn)接。所以對傳輸質(zhì)量的監(jiān)視是十分方便的。在長途交換中心一般也是采用視頻和音頻轉(zhuǎn)接。如果在長途交換中心與電視廣播中心之間利用微波線路進行轉(zhuǎn)接，也可以采用中頻轉(zhuǎn)接方式。

4.3.1VSAT網(wǎng)的基本概念及特點

1.VSAT的基本概念

VSAT(VerySmallApertureTerminal)即甚小口徑天線終端，有時也稱為衛(wèi)星小數(shù)據(jù)站或個人地球站(PES)，它是指一類具有甚小口徑天線的、非常廉價的智能化小型或微型地球站，可以方便地安裝在用戶處。4.3VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)

而VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)(簡稱VSAT網(wǎng))是指利用大量小口徑天線的小型地球站與一個大站協(xié)調(diào)工作構(gòu)成的衛(wèi)星通信網(wǎng)。通過它可以進行單向或雙向數(shù)據(jù)、語音、圖像及其它業(yè)務(wù)通信。VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的衛(wèi)星通信網(wǎng)，它的產(chǎn)生是衛(wèi)星通信采用一系列先進技術(shù)的結(jié)果，例如大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路，微波集成和固態(tài)功率放大技術(shù)，高增益、低旁瓣小型天線，高效多址聯(lián)接技術(shù)，微機軟件技術(shù)，數(shù)字信號處理，分組通信，擴頻、糾錯編碼，高效、靈活的網(wǎng)絡(luò)控制與管理技術(shù)，等等。VSAT出現(xiàn)后不久，便受到了廣大用戶單位的普遍重視，其發(fā)展非常迅速，現(xiàn)已成為現(xiàn)代衛(wèi)星通信的一個重要發(fā)展方面。

VSAT的發(fā)展可以劃分為三個階段：第一代VSAT是以工作于C頻段的廣播型數(shù)據(jù)網(wǎng)為代表，它在高速數(shù)據(jù)廣播、圖像和綜合業(yè)務(wù)傳送以及移動數(shù)據(jù)通信中起著重要的作用；第二代VSAT具有雙向多端口通信能力，但系統(tǒng)的控制與運行還是以硬件實現(xiàn)為主；全部以軟件定義的第三代VSAT以采用先進的計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為特征，系統(tǒng)規(guī)模大，有圖形化面向用戶的控制界面，有由信息處理器及相應(yīng)的軟件操控的多址方式，有與用戶之間實現(xiàn)多協(xié)議、智能化的接續(xù)。

我國從1984年開始成為世界上少數(shù)幾個能獨立發(fā)射靜止通信衛(wèi)星的國家，衛(wèi)星通信已被我國確定為重點發(fā)展的高技術(shù)電信產(chǎn)業(yè)。VSAT專用網(wǎng)和公用網(wǎng)不斷建成投入使用。從我國的國情看，VSAT衛(wèi)星通信的要求量十分巨大，美、加、日和歐洲諸國的VSAT廠商早已把目光投向我國，爭相進入我國市場，我國自己也在積極研制開發(fā)VSAT產(chǎn)品?，F(xiàn)在，VSAT在我國的大量應(yīng)用方興未艾，必將推動我國衛(wèi)星通信事業(yè)迅速發(fā)展。

2.VSAT網(wǎng)的特點與優(yōu)點

與地面通信網(wǎng)相比，VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)具有以下特點：

(1)覆蓋范圍大，通信成本與距離無關(guān)，可對所有地點提供相同的業(yè)務(wù)種類和服務(wù)質(zhì)量。

(2)靈活性好，多種業(yè)務(wù)可在一個網(wǎng)內(nèi)并存，對一個站來說，支持的業(yè)務(wù)種類、分配的頻帶和服務(wù)質(zhì)量等級可動態(tài)調(diào)整；可擴容性好；擴容成本低；開辟一個新的通信地點所需時間短。

(3)點對多點通信能力強，獨立性好，是用戶擁有的專用網(wǎng)，不像地面網(wǎng)中受電信部門制約。

(4)互操作性好，可使采用不同標(biāo)準(zhǔn)的用戶跨越不同的地面網(wǎng)，而在同一個VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)內(nèi)進行通信；通信質(zhì)量好，有較低的誤比特率和較短的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間。

與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信網(wǎng)相比，VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)具有以下特點：

(1)面向用戶而不是面向網(wǎng)絡(luò)，VSAT與用戶設(shè)備直接通信，而不是如傳統(tǒng)衛(wèi)星通信網(wǎng)中那樣中間經(jīng)過地面電信網(wǎng)絡(luò)后再與用戶設(shè)備進行通信。

(2)天線口徑小，一般為0.3～2.4m；發(fā)射機功率低，一般為1～2W；安裝方便，只需簡單的安裝工具和一般的地基，如普通水泥地面、樓頂、墻壁等。

(3)智能化功能強，包括操作、接口、支持業(yè)務(wù)、信道管理等，可無人操作；集成化程度高，從外表看VSAT只分為天線、室內(nèi)單元(IDU)和室外單元(ODU)三部分。

(4)VSAT站很多，但各站的業(yè)務(wù)量較小；一般用作專用網(wǎng)，而不像傳統(tǒng)衛(wèi)星通信網(wǎng)那樣主要用作公用通信網(wǎng)。

綜合起來，VSAT通信網(wǎng)具有以下優(yōu)點：

(1)地球站設(shè)備簡單，體積小，重量輕，造價低，安裝與操作簡便。它可以直接安裝在用戶的樓頂上、庭院內(nèi)或汽車上等，還可以直接與用戶終端接口，不需要地面鏈路作引接設(shè)備。

(2)組網(wǎng)靈活方便。由于網(wǎng)絡(luò)部件的模塊化，便于調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，易于適應(yīng)用戶業(yè)務(wù)量的變化。

(3)通信質(zhì)量好，可靠性高，適于多種業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)率，且易于向ISDN(綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng))過渡。

(4)直接面向用戶，特別適合于用戶分散、稀路由和業(yè)務(wù)量小的專用通信網(wǎng)。

3.VSAT系統(tǒng)的分類

國際上已有許多公司相繼推出了多種系列的VSAT系統(tǒng)。按照其業(yè)務(wù)類型和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等，VSAT系統(tǒng)可以如下分類：

(1)按業(yè)務(wù)類型可分為三類：以語音業(yè)務(wù)為主的VSAT系統(tǒng)，如美國休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(HNS)公司的VSAT產(chǎn)品TES(TelephonyEarthStation小型衛(wèi)星電話地球小站)；以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的VSAT系統(tǒng)，如PES(PersonalEarthStation，小型衛(wèi)星數(shù)據(jù)地球小站)；以綜合業(yè)務(wù)為主的VSAT系統(tǒng)，如美國軍方轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)TSAT(TransformationalSatelliteCommunicationSystem)，日本NEC公司的NEXTAR(明日之星)系統(tǒng)。

(2)按業(yè)務(wù)性質(zhì)可分為兩種：固定業(yè)務(wù)的VSAT系統(tǒng)和移動業(yè)務(wù)的VSAT系統(tǒng)。

(3)按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三類：星形結(jié)構(gòu)的VSAT系統(tǒng)，如PES；網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的VSAT系統(tǒng)，如TES；星形和網(wǎng)形混合結(jié)構(gòu)的VSAT系統(tǒng)。

特別是這種混合網(wǎng)絡(luò)，由于此結(jié)構(gòu)中允許兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并存，則可采用兩種完全不同的多址方式，如星形結(jié)構(gòu)時采用TDM/TDMA方式，而網(wǎng)形結(jié)構(gòu)時采用SCPC方式等。

目前，VSAT產(chǎn)品多種多樣，VSAT小站按其性質(zhì)、用途或其它某些特征可以如下分類：

(1)根據(jù)安裝方式可分為固定式、墻掛式、可搬移式、背負(fù)式、手提式、車載式、機載式和船載式等。

(2)按業(yè)務(wù)類型可分為小數(shù)據(jù)站、小通信站和小型電視單收站等。不過，目前許多公司推出的產(chǎn)品都是兼有多種功能，例如美國休斯公司的PES系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為主，兼?zhèn)?6kb/s聲碼話音，而TES系統(tǒng)則以32kb/sADPCM話音為主，兼?zhèn)鲾?shù)據(jù)和圖像。

(3)按天線口面尺寸可分為0.3m、0.6m、1.2m、1.5m、1.8m和2.4m等。

(4)按收發(fā)方式可分為單收站和雙向站。

(5)根據(jù)調(diào)制方式、傳輸速率、天線口徑以及應(yīng)用等綜合特點，又可以分為非擴頻VSAT、擴頻VSAT、USAT(0.25～0.3m的特小口徑終端)、TSAT(數(shù)據(jù)速率高達1.544/2.048Mb/s載波小口徑終端)和TVSAT(廣播電視終端)。為了便于了解和比較，在表4-1中列出了這5種VSAT的主要特點。

此外，還有一些其它特點的VSAT網(wǎng)，如LCET、SO/SAT網(wǎng)等。表4-1VSAT的主要特點4.3.2VSAT網(wǎng)的組成及工作原理

1.VSAT網(wǎng)的組成

典型的VSAT網(wǎng)由主站、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和眾多遠端VSAT小站組成。

1)主站

主站也叫中心站或中央站，是VSAT網(wǎng)的核心，它與普通地球站一樣使用大型天線，天線直徑一般約為3.5～8m(Ku頻段)或7～13m(C頻段)。主站由高功率放大器(HPA)、低噪聲放大器(LNA)、上/下變頻器、調(diào)制/解調(diào)器以及數(shù)據(jù)接口設(shè)備等組成。

在以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)中，主站既是業(yè)務(wù)中心也是控制中心。主站通常與計算機放在一起或通過其他(地面或衛(wèi)星)鏈路與主計算機連接，作為業(yè)務(wù)中心(網(wǎng)絡(luò)的中心結(jié)點)；同時在主站內(nèi)還有一個網(wǎng)絡(luò)控制中心(NCC)負(fù)責(zé)對全網(wǎng)進行監(jiān)測、管理、控制和維護，如實時監(jiān)測、診斷各小站及主站本身的工作情況，測試信道質(zhì)量，負(fù)責(zé)信道分配、統(tǒng)計、計費等。

由于主站涉及整個VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的運行，其故障會影響全網(wǎng)正常工作，故其設(shè)備皆有備份。為了便于重新組合，主站一般采用模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)備之間采用高速局域網(wǎng)的方式互連。

2)小站

小站由小口徑天線、室外單元(ODU)和室內(nèi)單元(IDU)組成。

VSAT天線口徑通常為1～2.4m(C頻段的不超過3.5m，單收站的可小于1m)，發(fā)射功率為1～10W。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(jié)構(gòu)上不易積冰雪，因此常被采用。室外單元主要包括GaAsFET固態(tài)功率放大器、低噪聲FET放大器、上/下變頻器及其監(jiān)測電路等，整個室外單元可以集成在一起安裝在天線支架上。室內(nèi)單元主要包括調(diào)制解調(diào)器、編譯碼器和數(shù)據(jù)/話音接口設(shè)備等。在小站接口設(shè)備中，將完成輸入信號和協(xié)議的轉(zhuǎn)換。比如，在話音接口中將標(biāo)準(zhǔn)的公用電話網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換為VSAT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而在數(shù)據(jù)接口中將數(shù)據(jù)協(xié)議(如TCP/IP)轉(zhuǎn)換為VSAT協(xié)議。原有話音、數(shù)據(jù)相應(yīng)的協(xié)議和地址在VSAT主站的接收端恢復(fù)。

室內(nèi)外兩單元之間以同軸電纜連接，傳送中頻信號和提供電源。整套設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、造價低廉、全固態(tài)化、安裝方便、適應(yīng)環(huán)境范圍廣，可直接與數(shù)據(jù)終端(微計算機、數(shù)據(jù)通信設(shè)備、傳真機、電傳機、交換機等)相連，不需要中繼線路。

3)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器亦稱空間段，目前主要使用C頻段或Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器。它的組成及工作原理與一般轉(zhuǎn)發(fā)器基本一樣，只是具體參數(shù)有所不同而已。

由于轉(zhuǎn)發(fā)器造價很高，空間部分設(shè)備的經(jīng)濟性是VSAT網(wǎng)必須考慮的一個重要問題，因此，可以只租用轉(zhuǎn)發(fā)器的一部分，地面終端網(wǎng)可以根據(jù)所租用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的能力來進行設(shè)計。

2.工作頻段

目前，VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)使用的工作頻段為C頻段和Ku頻段。

如果使用C頻段，則電波傳播條件好，特別是降雨影響小，路徑可靠性較高，還可以利用地面微波通信的成熟技術(shù)，使之開發(fā)容易、系統(tǒng)造價低。但由于與地面微波通信使用的頻段相同，需要考慮這兩種系統(tǒng)間的相互干擾問題，功率通量密度不能太大。因此限制了天線尺寸進一步小型化，而且在干擾功率密度較強的大城市選址比較困難。為此，當(dāng)使用C頻段時，通常采用擴頻技術(shù)以降低功率譜密度，減小天線尺寸。但采用擴頻技術(shù)限制了數(shù)據(jù)速率的提高。相反地，如果使用Ku頻段，則具有以下一些優(yōu)點：

(1)不存在與地面微波通信線路的相互干擾，架設(shè)時不必考慮地面微波線路，可隨地安裝。

(2)允許的功率通量密度較高，天線尺寸可以更小。若天線尺寸相同，則比C頻段天線增益高6～10dBi。

(3)可以傳輸更高的數(shù)據(jù)速率。

雖然Ku頻段的傳播損耗，特別是降雨影響大，但實際鏈路設(shè)計時都有一定的余量，鏈路可用性很高。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，目前多數(shù)VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)在使用Ku頻段。在我國，由于受空間段資源的限制，使用的VSAT網(wǎng)基本上還是工作在C頻段。另外，美國赤道公司(Equatorial)采用直序擴頻技術(shù)的微型地球站(MicroEarthStation)，主要工作在C頻段，當(dāng)其它非擴頻系統(tǒng)工作在C頻段時，則需要較大的天線和較大的功率放大器，并占用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器較多的功率。

3.VSAT網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

雖然通信經(jīng)常是雙向的，但是VSAT網(wǎng)絡(luò)在很多情況下仍是單向的。用在VSAT網(wǎng)絡(luò)中的主要結(jié)構(gòu)有星形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)形結(jié)構(gòu)、星形和網(wǎng)形的混合結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星單跳結(jié)構(gòu)、作為遠地終端，如圖4-7所示。

圖4-7VSAT網(wǎng)典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(a)星形結(jié)構(gòu)；(b)網(wǎng)形結(jié)構(gòu)；(c)星形和網(wǎng)形的混合結(jié)構(gòu)；(d)衛(wèi)星單跳結(jié)構(gòu)；(e)作為遠地終端

1)星形結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)是最通用的VSAT結(jié)構(gòu)方式，如圖4-7(a)所示。VSAT站之間的業(yè)務(wù)通過中心站(HubStation)進行轉(zhuǎn)接。Hub站控制著網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流量，兩個VSAT站之間不能直接連接。從Hub站送到端站的載波，支持高比特率數(shù)據(jù)流；而從端站發(fā)出的載波，支持中比特率數(shù)據(jù)流。一個大的Hub站意味著要求端站的規(guī)模較小，從而使得總的網(wǎng)絡(luò)造價較低。Hub站的規(guī)模取決于系統(tǒng)參數(shù)和預(yù)期網(wǎng)絡(luò)的增長情況。

廣播網(wǎng)絡(luò)是星形網(wǎng)絡(luò)的一種特殊形式，因為信息總是由中心站向端站傳輸，但是端站向中心站方向沒有傳輸。因此，這種結(jié)構(gòu)只適用于網(wǎng)絡(luò)從Hub到VSAT站的單向業(yè)務(wù)路由。

在VSAT網(wǎng)中，由主站通過衛(wèi)星向遠端小站發(fā)送的數(shù)據(jù)，稱為外向(Outbound)傳輸；由小站通過衛(wèi)星向主站發(fā)送的數(shù)據(jù)，稱為內(nèi)向(Inbound)傳輸。

2)網(wǎng)形結(jié)構(gòu)

網(wǎng)形結(jié)構(gòu)如圖4-7(b)所示，這種結(jié)構(gòu)使得VSAT可與其它任一端站通信，因而使端站的設(shè)備復(fù)雜得多。網(wǎng)形VSAT結(jié)構(gòu)支持小站之間相互連接，雖然它可以含有涉及呼叫建立和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)控制中心，但它并不使用互作用網(wǎng)絡(luò)形成的控制中心。

3)星形和網(wǎng)形的混合結(jié)構(gòu)

圖4-7(c)所示為星形和網(wǎng)形的混合結(jié)構(gòu)，在傳輸話音或點對點通信時采用網(wǎng)形結(jié)構(gòu)(如實線所示)，傳輸數(shù)據(jù)或點對多點通信時采用星形結(jié)構(gòu)。例如在語音VSAT網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的道信分配、監(jiān)控由網(wǎng)絡(luò)中心負(fù)責(zé)，即控制信道是用星形網(wǎng)(如虛線所示)實現(xiàn)的。

4)衛(wèi)星單跳結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星單跳結(jié)構(gòu)如圖4-7(d)所示，其中VSAT端站作為低速數(shù)據(jù)的終端或語音業(yè)務(wù)的網(wǎng)關(guān)(Gateway)，用戶終端可以是個人計算機或某商業(yè)系統(tǒng)的分支機構(gòu)。

5)作為遠地終端

VSAT作為遠地終端，用來向一組遠地用戶終端或局域網(wǎng)(LAN)收集或分配數(shù)據(jù)。在這種應(yīng)用中，VSAT站與一個特定的中心站(一般是大、中型站)連接，如圖4-7(e)所示。

3.VSAT網(wǎng)的工作原理

現(xiàn)以星形結(jié)構(gòu)為例說明VSAT網(wǎng)的工作原理。由于主站發(fā)射EIRP高，且接收系統(tǒng)的G/T值大，因此網(wǎng)內(nèi)所有的小站可以直接與主站通信，但若需要小站之間進行通信時，則因小站天線口徑小，發(fā)射的EIRP低和接收G/T值小，必須首先將信號發(fā)送給主站，然后由主站轉(zhuǎn)發(fā)給另一個小站。即必須通過小站—衛(wèi)星—主站—衛(wèi)星—小站，以雙跳方式完成。而對于網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)，各站可以直接進行業(yè)務(wù)互通，即只需經(jīng)衛(wèi)星單跳完成通信。

在星形VSAT網(wǎng)中進行多址聯(lián)接時，有多種不同的多址協(xié)議，其工作原理也隨之不同?，F(xiàn)結(jié)合隨機接入時分多址(RA/TDMA)系統(tǒng)為例，簡要介紹VSAT網(wǎng)的工作過程。網(wǎng)中任何VSAT小站的入網(wǎng)數(shù)據(jù)，一般都按分組方式進行傳輸和交換，數(shù)據(jù)分段后，加入同步碼、地址碼、控制碼、起始標(biāo)志及終止標(biāo)志等，構(gòu)成數(shù)據(jù)分組。任何進入網(wǎng)的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)內(nèi)發(fā)送之前首先進行格式化，即每份較長的數(shù)據(jù)報文分解成若干固定長度的段，每段報文再加上必要的地址和控制信息，按規(guī)定的格式進行排列作為一個信息傳輸單位，通常稱之為分組(或包)。例如，每1120bit(140字節(jié))組成一個數(shù)據(jù)分組，在通信網(wǎng)中，以分組作為一個整體進行傳輸和交換到達接收點后，再把各分組按原來的順序裝配起來，恢復(fù)原來的長報文。

1)外向傳輸

在VSAT網(wǎng)中，由主站通過衛(wèi)星向遠端小站的外向傳輸(或出境傳輸)，通常采用時分復(fù)用(TDM)或統(tǒng)計時分復(fù)用技術(shù)連續(xù)向外發(fā)送，即從主站向各遠端小站發(fā)送的數(shù)據(jù)，先由主計算機進行分組格式化組成TDM幀，然后通過衛(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(yīng)能保證各VSAT小站在未糾錯誤比特率為10－3時仍能可靠地同步。該同步碼還應(yīng)向網(wǎng)中所有終端提供如TDMA幀起始信息(SOF)或SCPC頻率等其它信息。VSAT網(wǎng)外向傳輸?shù)腡DM幀結(jié)構(gòu)如圖4-8所示。

在TDM幀中，每個報文分組包含一個地址字段，標(biāo)明需要與主站通信的小站地址。所有小站接收TDM幀，從中選出該站所要接收的數(shù)據(jù)。利用適當(dāng)?shù)膶ぶ贩桨福粋€報文可以送給一個特定的小站，也可發(fā)給一群指定的小站或所有小站。當(dāng)主站沒有數(shù)據(jù)分組要發(fā)送時，它可以發(fā)送同步碼組。

圖4-8VSAT網(wǎng)外向傳輸?shù)腡DM幀結(jié)構(gòu)

2)內(nèi)向傳輸

各遠端小站通過衛(wèi)星向主站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)稱作內(nèi)向傳輸數(shù)據(jù)(或入境傳輸)。在VSAT網(wǎng)中，各個用戶終端可以隨機地產(chǎn)生信息，因此內(nèi)向數(shù)據(jù)一般采用隨機方式發(fā)送突發(fā)性信號。通過采用信道共享協(xié)議，一個內(nèi)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)率和業(yè)務(wù)量。

許多分散的小站以分組的形式，通過具有延遲的RA/TDMA衛(wèi)星信道向主站發(fā)送數(shù)據(jù)。由于VSAT小站受EIRP和G/T值的限制，一般接收不到經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的小站發(fā)射的信號，因而小站不能采用自發(fā)自收的方法監(jiān)視本站發(fā)射信號的傳輸情況。因此，利用爭用協(xié)議時需要采用肯定應(yīng)答(ACK)方案，以防數(shù)據(jù)的丟失。即主站成功收到小站信號后，需要通過TDMA信道回傳一個ACK信號，應(yīng)答已成功收到數(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，則失敗的分組需要重傳。對一些網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)向信道用來傳輸網(wǎng)絡(luò)的信令及各種管理信息。對TDMA方式的VSAT，其控制信道為控制時隙。

RA/TDMA信道是一種爭用信道，可以利用爭用協(xié)議(例如S-ALOHA)由許多小站共享TDMA信道。TDMA信道分成一系列連續(xù)性的幀和時隙，每幀由N個時隙組成。VSAT網(wǎng)內(nèi)向傳輸?shù)腡DMA幀結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。各小站只能在時隙內(nèi)發(fā)送分組，一個分組不能跨越時隙界限，即分組的大小可以改變，但其最大長度絕不能大于一個時隙的長度。各分組要在一個時隙的起始時刻開始傳輸，并在該時隙結(jié)束之前完成傳輸。在一幀中，時隙的大小和時隙的數(shù)量取決于應(yīng)用情況，時隙周期可用軟件來選瘛

圖4-9VSAT網(wǎng)內(nèi)向傳輸?shù)腡DMA幀結(jié)構(gòu)在VSAT網(wǎng)中，所有共享RA/TDMA信道的小站都必須與幀起始(SOF)時刻及時隙起始時刻保持同步，這種統(tǒng)一的定時是由主站在TDM信道上廣播的SOF信息獲得的。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(fù)、FEC(前向糾錯)、譯碼器同步和其它開銷組成。數(shù)據(jù)字符組則包括起始標(biāo)志、地址碼、控制碼、用戶數(shù)據(jù)、CRC(循環(huán)冗余校驗)和終止標(biāo)志，其中控制碼主要用于小站發(fā)送申請信息。后同步碼可包括維特比譯碼器刪除移位比特(Veterbidecoderflushingoutbit)。小站可以在控制字段發(fā)送申請信息。

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(luò)。即鏈路兩端的設(shè)備不同，執(zhí)行的功能不同；內(nèi)向和外向傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量不對稱，內(nèi)向和外向傳輸?shù)男盘栯娖讲粚ΨQ；主站發(fā)射功率大得多，以便適應(yīng)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。因此，在設(shè)計系統(tǒng)時必須考慮到VSAT網(wǎng)的上述特點。3)VSAT網(wǎng)中的交換

VSAT網(wǎng)的業(yè)務(wù)包括數(shù)據(jù)、話音、圖像、傳真等。要實現(xiàn)這些業(yè)務(wù)的傳輸，可以采用不同的交換方式。

在VSAT網(wǎng)中，交換功能由主站中的交換設(shè)備完成，主站中的交換方式一般有分組交換和線路交換兩種形式。分組交換主要用于各分站的分組數(shù)據(jù)、突發(fā)性數(shù)據(jù)、主計算機和地面網(wǎng)來的數(shù)據(jù)。分組交換按照各個分組數(shù)據(jù)的目的地址，轉(zhuǎn)發(fā)給外向鏈路、主計算機和地面網(wǎng)，這樣可以提高衛(wèi)星信道的利用率和減輕用戶小站的負(fù)擔(dān)。對于要求實時性很強的話音業(yè)務(wù)，由于分組交換延遲和衛(wèi)星信道的延遲太大，則應(yīng)采用線路交換。所以當(dāng)VSAT網(wǎng)對于要求同時傳輸數(shù)據(jù)和話音的綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)主站應(yīng)對這兩種業(yè)務(wù)分別設(shè)置并提供各自的接口。當(dāng)然，在主站這兩種交換機之間也可能是有信息交換的，如圖4-10所示。其中，線路交換機設(shè)有主站用戶聲碼話接口，輸入內(nèi)向鏈路的聲碼話數(shù)據(jù)，輸出外向鏈路的同步時分復(fù)用(STDM)聲碼話數(shù)據(jù)；分組交換機則設(shè)有主站用戶數(shù)據(jù)接口，輸入內(nèi)向鏈路的數(shù)據(jù)，輸出外向鏈路的異步時分復(fù)用(ATDM)數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，VSAT網(wǎng)交換機的特點是數(shù)據(jù)傳輸速率低，一般為2.4kb/s，而接入的線路數(shù)卻可能達到數(shù)百條。所以，交換機的輸入內(nèi)向鏈路與輸出外向鏈路在數(shù)目與速率方面也是不對稱的。

綜上所述，VSAT網(wǎng)是一個集線路交換和分組交換于一身的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)業(yè)務(wù)性質(zhì)可將其業(yè)務(wù)分別與地面程控(線路)交換機和分組交換機相連。對于實時性要求不強的數(shù)據(jù)(分組數(shù)據(jù))，可以進行分組交換以提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和利用率；而對于實時數(shù)據(jù)和話音則應(yīng)采用線路交換。

圖4-10VAST網(wǎng)主站的交換設(shè)備4.3.3VSAT數(shù)據(jù)通信網(wǎng)

1.VSAT數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特點

數(shù)據(jù)通信可用數(shù)字傳輸方式，也可用模擬傳輸方式。隨著衛(wèi)星通信的不斷發(fā)展，利用衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)傳輸越來越廣泛。利用衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)傳輸與話音傳輸相比具有許多不同的特點，概括起來有如下幾點：

(1)數(shù)據(jù)傳輸和交換可以是非實時的。

(2)傳輸數(shù)據(jù)的時間是隨機地、間斷地使用信道。

(3)當(dāng)突發(fā)式傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)傳送率可以很高，達數(shù)千比特每秒。不傳送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)傳送率為零。因而峰值和平均傳輸速率相差很遠，二者比值可高達數(shù)千。

(4)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)種類繁多，如數(shù)據(jù)終端之間的通信、人機對話、文本檢索和大容量的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。因此要求數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中能容納低速(300b/s以下)、中速(600～4800b/s)和高速(9600b/s以上)多種傳送速率。

(5)由于要傳送的數(shù)據(jù)長短不同、各種數(shù)據(jù)又可以非實時傳送，因此為了提高衛(wèi)星信道利用率，可以采用分組傳輸方式。

(6)利用衛(wèi)星信道的廣播性質(zhì)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男l(wèi)星通信網(wǎng)一般擁有大量低成本的地球站。

(7)數(shù)據(jù)傳輸必須高度準(zhǔn)確和可靠。在電話、電報通信中，由于通信雙方是人，信息在傳輸過程中如果受到干擾而造成差錯，部分差錯可以通過人的分析判斷來發(fā)現(xiàn)并予以糾正；而數(shù)據(jù)通信的計算機一方?jīng)]有人介入，所以數(shù)據(jù)通信要求保證信息的傳輸有極高的準(zhǔn)確性和可靠性。為此，在數(shù)據(jù)通信中經(jīng)常采用檢、糾錯技術(shù)，一般要求報頭差錯率小于10－9，數(shù)據(jù)段差錯率小于10－7。

2.VSAT數(shù)據(jù)通信網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

VSAT數(shù)據(jù)通信網(wǎng)從信道共享的特點來看比較接近本地網(wǎng)(LAN)；從VSAT網(wǎng)的覆蓋范圍來看，又是一個廣域網(wǎng)(WAN)；而從VSAT單結(jié)點、無層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看，其網(wǎng)內(nèi)路由選擇功能比較簡單，也即其網(wǎng)絡(luò)層(第三層)協(xié)議功能比較簡單；從星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看，是一種不平衡鏈路結(jié)構(gòu)。所有通信都是一個主站與其它小站之間進行的，據(jù)此可得到VSAT數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖4-11所示。

圖4-11VSAT數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)可見VSAT數(shù)據(jù)通信網(wǎng)為數(shù)據(jù)終端設(shè)備相互連接提供通道。按照OSI參考模型，它只提供下三層服務(wù)。下三層的主要功能及典型通信協(xié)議如下：

(1)物理層。對網(wǎng)絡(luò)結(jié)點間通信線路的機電特性和連接標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)定，以便在數(shù)據(jù)鏈路實體之間建立、維護和拆除物理連接。如目前廣泛使用的接口標(biāo)準(zhǔn)有RS-232C或D、RS-449、X.21、X.24等。

(2)鏈路層。提供物理媒介上信息的可靠傳輸，傳送數(shù)據(jù)幀的同時還傳輸同步、差錯控制、流量控制的信息。其典型協(xié)議有HDLC，SDLC，BSC等。

(3)網(wǎng)絡(luò)層?？刂仆ㄐ抛泳W(wǎng)進行工作，提供路由選擇、流量控制、傳輸?shù)拇_認(rèn)、中斷、差錯及故障的恢復(fù)等功能，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)連接，為傳輸層提供整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)兩個終端用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸通路。其典型協(xié)議如X.25協(xié)議。

3.多址協(xié)議的確定原則

對于VSAT網(wǎng)，其多址協(xié)議就是大量分散的遠端小站通過共享衛(wèi)星信道，進行可靠的多址通信的規(guī)則。衛(wèi)星數(shù)據(jù)網(wǎng)多址協(xié)議是發(fā)展VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信多址協(xié)議，如FDMA、TDMA和CDMA，主要是針對話音通信業(yè)務(wù)設(shè)計的，主要目的是追求信道容量和吞吐量達到最大，適合于大型地面站共享高速衛(wèi)星信道。這種環(huán)境下，信道共享效率和不延遲是最重要的要求，而且可以用復(fù)雜的設(shè)備來實現(xiàn)。因為站少，每個地球站的成本對整個系統(tǒng)影響不大。信道分配可以采用固定分配或利用某種控制算法的按需分配，F(xiàn)DMA和TDMA對于話音和某些成批數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)是有效的多址方案。但是對于數(shù)據(jù)通信網(wǎng)而言，由于數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的突發(fā)性，使得若在一般的數(shù)據(jù)傳輸中仍沿用電話業(yè)務(wù)中使用的FDMA或TDMA預(yù)分配方式，則其信道利用率會很低，即使是使用按需分配方式也不會有很大改善，因為如果發(fā)送數(shù)據(jù)的時間遠小于申請分配信道的時間，則按需分配也不是很有效的。

對于VSAT網(wǎng)來說，大量分散的小型VSAT站共享衛(wèi)星信道與中心站溝通。由于這種方式有別于目前通用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，因此選擇有效、可靠且易于實現(xiàn)的多址協(xié)議是保證數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)性能的重要問題。

確定多址協(xié)議時應(yīng)考慮的原則主要如下：

(1)要有較高的衛(wèi)星信道共享效率，即吞吐量要高。

(2)有較短的延遲，其中包括平均延遲和峰值延遲。

(3)在信道出現(xiàn)擁塞的情況下具有穩(wěn)定性。

(4)應(yīng)有能承受信道誤碼和設(shè)備故障的能力。

(5)建立和恢復(fù)時間短。

(6)易于組網(wǎng)，且設(shè)備造價低。

目前，VSAT數(shù)據(jù)通信網(wǎng)采用的多址協(xié)議有很多，這些協(xié)議是根據(jù)系統(tǒng)對信道延遲、系統(tǒng)容量、系統(tǒng)穩(wěn)定性和復(fù)雜性、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型等方面的不同要求而提出的。根據(jù)遠端站報文的入網(wǎng)方式，信道的共享協(xié)議可分為固定分配、爭用、預(yù)約及混合型協(xié)議；按照是否將衛(wèi)星共享信道劃分成若干固定長度的時隙，將多址協(xié)議劃分為分時隙型和非時隙型嚼?。?-2為衛(wèi)星多址協(xié)議分類。表4-2衛(wèi)星多址協(xié)議分類4.固定分配多址協(xié)議

固定分配多址協(xié)議包括非時隙和分時隙這兩種固定分配方式，其中非時隙固定分配方式主要用于SCPC/FDMA和CDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)，分時隙固定分配方式主要用于TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

1)非時隙固定分配方式

SCPC/FDMA是最簡單的衛(wèi)星多址協(xié)議，它是將衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的頻段劃分成多個低速到中速的SCPC(單路單載波)鏈路。如前所述，對于突發(fā)性信號，使用SCPC一般效率很低。這是因為端站信號以單路單載波方式發(fā)向衛(wèi)星，而所需要的突發(fā)速率和終端的平均數(shù)據(jù)速率之間基本上是不匹配的。具有突發(fā)性終端的SCPC系統(tǒng)的容量用歸一化平均終端率(也即平均終端速率/信道速率)來表示。如終端速率接近于信道速率，則此時容量接近于1。

CDMA是采用擴頻技術(shù)將信號在比信息帶寬大得多的帶寬上進行擴展，在接收機中通過與已知擴頻碼的相關(guān)處理就可以恢復(fù)信號，因此抑制了同一頻帶內(nèi)其它發(fā)射的干擾。固定分配CDMA的特點是帶寬利用率低，主要用在提高抗干擾性具有重要意義的場合。其容量(最大利用率)是通過歸一化平均數(shù)據(jù)率除以擴頻的帶寬擴展因子來表示的。若不用前向糾錯，可以達到的典型容量值約為0.1。當(dāng)使用FEC糾錯后，容量可以提高到0.2～0.3。

2)分時隙固定分配方式

TDMA是這種多址協(xié)議的典型方式，它將信道時間分割成周期性的時幀，每個站分配一段時間供其發(fā)射突發(fā)信號，這種傳輸方式不是一種動態(tài)信道共享。在VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng)中，TDMA協(xié)議對地球站業(yè)務(wù)量較大、數(shù)據(jù)傳輸速率較高的系統(tǒng)比較適合。對于像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協(xié)議，尤其是數(shù)字傳輸系統(tǒng)為TDMA的實現(xiàn)創(chuàng)造了有利的技術(shù)基礎(chǔ)。在VSAT系統(tǒng)中，TDMA是與FDMA及頻率跳變(FH)結(jié)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(chǔ)上采用TDMA，每個站指定的載波在所分配的時隙內(nèi)發(fā)射，時隙的長短可以按業(yè)務(wù)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(nèi)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(yīng)用。

圖4-12一般隨機多址系統(tǒng)的報文流程圖

5.隨機多址協(xié)議

隨機多址協(xié)議的特點是網(wǎng)中各個用戶可以隨時選取信道，因此在同時使用信道時會發(fā)生“碰撞”。若對于遭受碰撞的報文采用某種適當(dāng)?shù)摹芭鲎卜直嫠惴ā保罱K可以成功地重發(fā)。圖4-12所示為一般隨機多址系統(tǒng)的報文流程圖，可以看出，隨機多址規(guī)則主要表現(xiàn)為新報文入網(wǎng)和重發(fā)(碰撞分辨)算法的結(jié)合。

隨機多址協(xié)議分也為非時隙和分時隙兩種方式，其中非時隙方式包括P-ALOHA、SREJ-ALOHA(選擇拒絕ALOHA)、RA-CDMA(異步分組CDMA)和C-ALOHA(捕獲效應(yīng)ALOHA)等協(xié)議，分時隙方式包括S-ALOHA(時隙-ALOHA)、CRA(異步分組CDMA)和ARRA(預(yù)告重發(fā)隨機多址)等協(xié)議。

ALOHA協(xié)議在第2章中做了具體描述，下面僅對RA-CDMA、CRA和ARRA作一介紹。

對于RA-CDMA來說，CDMA屬于寬頻帶、低信噪比工作方式。信道的共享是利用偽隨機正交碼的相關(guān)性區(qū)分不同地址。當(dāng)信號使用擴展系統(tǒng)和ALOHA相結(jié)合的多址協(xié)議后，分組的抗干擾性增強，系統(tǒng)容量有所提高，并可以提供較好的延遲特性，但增加了設(shè)備的復(fù)雜性，同時也存在業(yè)務(wù)量增大后系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題。

對于CRA來說，其主要特點是系統(tǒng)采用載波和碰撞檢測方法，這種協(xié)議適合于傳輸固定長度的報文。CRA是基于一種沖突分解算法，使碰撞的分組依次重發(fā)，或者說是基于有規(guī)則的重發(fā)程序和新報文入網(wǎng)規(guī)則。它與S-ALOHA不同，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)定的工作。采用這種沖突分解算法的容量一般可達到0.43～0.49。正是由于CRA有這樣一些優(yōu)點，且性能優(yōu)于S-ALOHA，所以這種多址協(xié)議也受到了人們的關(guān)注，并仍在進一步研究和發(fā)展。

對于ARRA來說，由于在隨機多址系統(tǒng)中，重發(fā)實際上是偽隨機的，是可以預(yù)測的，因此對未來試圖進行重發(fā)時隙的預(yù)告，可以用來防止新發(fā)射分組與重發(fā)分組相互干擾，另外，通過預(yù)測來重發(fā)分組之間的碰撞，可以中途停止所有不成功的重發(fā)。ARRA的主要缺點是系統(tǒng)的復(fù)雜程度比S-ALOHA大，小站的價格因素會制約它的發(fā)展。

6.預(yù)約多址協(xié)議

預(yù)約多址是指用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)報文前，先發(fā)送一申請信號，得到確認(rèn)后才能發(fā)送報文。對傳輸信道而言，這是一種動態(tài)按需分配方式。它主要包括非時隙自同步預(yù)約和分時隙的R-ALOHA(預(yù)約-ALOHA)、TDMA-DAMA和AA-TDMA(自適應(yīng)TDMA)等協(xié)議。

非時隙自同步預(yù)約的主要思想是對申請預(yù)約信息以非時隙(例如ALOHA)方式提供初始入網(wǎng)，當(dāng)收到規(guī)定數(shù)目的成功申請后，信道進入自同步預(yù)約報文傳送模式。由于在協(xié)議中信道時間的分隔是動態(tài)劃分的，因此與傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議相比具有更優(yōu)良的延遲—吞吐量特性。

R-ALOHA協(xié)議可以實現(xiàn)長報文和短報文的通信，能很好地解決長、短報文的兼容問題，具有較高的信道利用率，但信道的穩(wěn)定性問題仍未解決，其實現(xiàn)難度要大于S-ALOHA。

TDMA-DAMA是分時隙預(yù)約多址協(xié)議，它是可控的按需分配多址方式，讓可能的碰撞發(fā)生在預(yù)約層上，信號在預(yù)約層上是以時隙模式傳送的，一旦預(yù)約成功，系統(tǒng)將按用戶的優(yōu)先權(quán)和業(yè)務(wù)類型，將預(yù)約時隙分配給用戶終端，使實際數(shù)據(jù)報文在預(yù)約的時隙上無碰撞傳輸。由于衛(wèi)星鏈路傳輸延遲長，預(yù)約申牘痰牡卻奔浣銑ぃ雜誑殺涑な荼ㄎ囊滴瘢TDMA-DAMA是一種可行的衛(wèi)星多址技術(shù)，并可以處理混合業(yè)務(wù)，例如交互型數(shù)據(jù)和文件傳輸共存的情況。

AA-TDMA，即自適應(yīng)TDMA，可以看成TDMA協(xié)議的改進型，其工作原理與R-ALOHA協(xié)議相似。所謂自適應(yīng)協(xié)議，即在輕業(yè)務(wù)負(fù)載下按隨機多址協(xié)議工作，當(dāng)業(yè)務(wù)量增加時自動地變成預(yù)約協(xié)議。這種方式的適應(yīng)性強，但實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，系統(tǒng)的平均信通利用率在P-ALOHA和TDMA協(xié)議之間。

7.多址協(xié)議的性能比較

上面描述了一些多址協(xié)議，若要評價它們在VSAT網(wǎng)中的性能，則必須結(jié)合VSAT網(wǎng)的業(yè)務(wù)性質(zhì)和業(yè)務(wù)模型來分析。從業(yè)務(wù)性質(zhì)方面來看，VSAT網(wǎng)主要分為交互型事務(wù)處理、詢問/應(yīng)答型事務(wù)處理、敘述/記錄事務(wù)處理和成批數(shù)據(jù)事務(wù)處理等類型。

(1)交互型事務(wù)處理。這是小規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸，這種業(yè)務(wù)的特點是所傳的數(shù)據(jù)長度很短，具有突發(fā)性，響應(yīng)時間短，只有2～5s。計算機間的數(shù)據(jù)交換、文檔編輯等都屬于這種業(yè)務(wù)。

(2)詢問/應(yīng)答型事務(wù)處理。這種業(yè)務(wù)雖然也具有突發(fā)性，但數(shù)據(jù)長短可能有相當(dāng)大的變化，而且詢問與應(yīng)答的數(shù)據(jù)規(guī)模往往也是不同的。一般詢問信息很短，而應(yīng)答信息較長，可能從幾行到幾頁報告，或者是一個表格。根據(jù)應(yīng)用場合的不同，所需響應(yīng)時間也有很大差別，可能是幾秒(如飛機訂票)到幾小時(例如已歸檔的信息檢索)。這類業(yè)務(wù)處理在商業(yè)管理信息系統(tǒng)、倉庫管理、旅行預(yù)訂客房和預(yù)訂座位等場合均會用到。

(3)敘述/記錄事務(wù)處理。這是以文件字符格式進行的數(shù)據(jù)傳輸，例如電傳、轉(zhuǎn)報、文字處理等。這種處理格式很像普通信件，數(shù)據(jù)格式均含有源地址和目的地址、正文和傳送結(jié)束等字段，所需時間可能從幾秒到幾分鐘。

(4)成批數(shù)據(jù)事務(wù)處理。它是以字符或二進制格式進行交換的大量數(shù)據(jù)用戶間的通信，譬如傳真、圖像數(shù)據(jù)、計算機軟件傳遞等，而且圖像數(shù)據(jù)和計算機數(shù)據(jù)性質(zhì)上的差別還會影響到終端設(shè)備的收發(fā)方法。高速傳真雖要求寬帶設(shè)備，但可以不用精確的差錯控制協(xié)議進行傳送，而計算機數(shù)據(jù)則必須有精確的差錯控制協(xié)議。所以成批數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c是數(shù)據(jù)量較大、傳輸時間較長。

為了比較和評價VSAT網(wǎng)和多址協(xié)議的性能，現(xiàn)結(jié)合交互型事務(wù)處理作一些介紹和討論。

1)VSAT網(wǎng)業(yè)務(wù)模型

對于交互型事務(wù)處理業(yè)務(wù)，VSAT站產(chǎn)生的報文一般是短的、長度可變的，且平均數(shù)率低于多址信道速率(內(nèi)向傳輸速率)。通常，VSAT網(wǎng)的業(yè)務(wù)模型大致可用如下兩個參數(shù)表示：一個是新報文產(chǎn)生的平均數(shù)據(jù)速率(字符/秒)，另一個是報文長度分布參數(shù)。對于上述VSAT網(wǎng)的幾種常見的事務(wù)處理業(yè)務(wù)，圖4-13給出了它們的平均數(shù)據(jù)速率與平均報文長度的大致范圍。其中交互式數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)在坐標(biāo)原點附近，平均數(shù)據(jù)率較低，報文長度較短。不難理解，圖中的長度分布參數(shù)是以平均值表示的。對于具體的特定應(yīng)用，需確定精確的報文長度分布，才能給出精確的估算。而在一般情況下，都是假設(shè)報文長度分布是按具有一定平均長度和最大長度的截尾指數(shù)分布的。而采用指數(shù)分布近似，可以給出最不利的結(jié)果。

圖4-13幾種VSAT網(wǎng)通信的平均速率與報文長度的關(guān)系

2)性能比較的指標(biāo)

進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，要根據(jù)VSAT網(wǎng)的多址協(xié)議的性能來確定究竟選用哪一種協(xié)議。為此，了解其評價比較的指標(biāo)是十分必要的。

(1)延遲、吞吐量S及共享信道的VSAT站數(shù)目N。從用戶角度來看，VSAT網(wǎng)多址協(xié)議的一個關(guān)鍵指標(biāo)是延遲要短，它可用平均延遲和延遲分布來描述。延遲分布又可用峰值延遲來表示，即以延遲分布為95%時的數(shù)值來表示。

從運行角度來看，用戶關(guān)心的是共享信道的VSAT站數(shù)目N。由于它和吞吐量有直接關(guān)系，因此一般多用平均延遲與吞吐量來表征多址協(xié)議的性能。(2)穩(wěn)定性。采用爭用協(xié)議的VSAT網(wǎng)，無論是用于傳輸數(shù)據(jù)報文，還是傳輸預(yù)約申請信息，都存在一個潛在的不穩(wěn)定問題。例如ALOHA方式，當(dāng)業(yè)務(wù)量較小時，吞吐量是隨業(yè)務(wù)量的增加而加大的。由于碰撞的概率逐漸加大，當(dāng)業(yè)務(wù)量大到一定程度后，再增加業(yè)務(wù)量，吞吐量反而下降。若信道長時間處于擁塞狀態(tài)，以致無法正常通信，這就是所謂信道的“不穩(wěn)定”。所以應(yīng)該將“容量”理解為在穩(wěn)定運行的條件下采用一定的多址協(xié)議可能達到的最大吞吐量。

(3)信道總業(yè)務(wù)量G。信道總業(yè)務(wù)量是在不同信道負(fù)載條件下所有業(yè)務(wù)量的歸一化測度，其中包括碰撞和附加開銷業(yè)務(wù)量。隨機多址協(xié)議總業(yè)務(wù)量G與吞吐量S的差值，則表示因碰撞造成的重發(fā)業(yè)務(wù)量的大小。對于預(yù)約多址協(xié)議，這一差值則表示因預(yù)約業(yè)務(wù)開銷的大小。

對于可變長度報文的情況，還需進一步討論不同多址協(xié)議條件下，平均延遲與報文長度變化的關(guān)系。

關(guān)于多址協(xié)議性能比較的方法，可以用解釋的方法，也可以用計算機模擬(仿真)的方法。圖4-14給出了幾種多址協(xié)議的部分特性曲線，由圖可以了解各多址協(xié)議的相關(guān)性能。

圖4-14幾種多址協(xié)議特性曲線(a)平均延遲與每信道VSAT站數(shù)(基本參數(shù))的關(guān)系；

圖4-14幾種多址協(xié)議特性曲線(b)平均延遲和95%延遲與每信道VSAT數(shù)目之間的關(guān)系曲線(基本參數(shù))；

圖4-14幾種多址協(xié)議特性曲線(c)總信道業(yè)務(wù)量與每信道VSAT站數(shù)的關(guān)系4.3.4VSAT電話通信網(wǎng)

1.VSAT電話通信網(wǎng)的特點

就傳送信息這一點來說，電話通信與數(shù)據(jù)通信并沒有明顯的區(qū)別，也就是說，所有通信的目的都是互換信息，而且話音信號經(jīng)過“數(shù)字化”處理，也可以數(shù)碼序列來表示，因此，也可以說它是數(shù)據(jù)的一種原始信息。但是，電話通信與數(shù)據(jù)通信仍有區(qū)別，主要有如下幾點：

(1)通信對象不同。數(shù)據(jù)通信是人—機或機—機之間的通信。而在電話通信中，通信的雙方都是人，即人—人之間的通信，因此是實時通信，對傳輸延遲要求很嚴(yán)。

(2)通信內(nèi)容不同。在數(shù)據(jù)通信中，傳輸?shù)氖恰皵?shù)據(jù)”，即一系列的字母、數(shù)字和符號等，而在電話通信中，所傳輸信息的內(nèi)容是連續(xù)的話音，是一種“流型”業(yè)務(wù)。

(3)對傳輸差錯的要求不同。數(shù)據(jù)通信的對象是計算機，它是依靠進來的“0”、“1”碼動作。若因傳輸差錯而使原來的“0”變“1”或“1”變“0”，將會引起計算機的錯誤動作。因此，在數(shù)據(jù)通信中，對誤碼率的要求比較嚴(yán)格。但電話通信雙方都是人，所以信息在傳輸過程中造成的差錯，人是容易理解、判斷并加以糾正的。例如，兩人打電話，若有一兩個字聽不清楚，可以要求對方再講一次或者根據(jù)說話的內(nèi)容加以推測，所以對差錯的要求比較低。

(4)組網(wǎng)要求不同。由于話音通信對傳輸實時性要求很強，而衛(wèi)星通信傳播延遲較長，因此，用戶的要求通常是希望網(wǎng)內(nèi)任意兩個VSAT小站能夠直接通話而不是經(jīng)過主站轉(zhuǎn)發(fā)(雙跳會使響應(yīng)時間超過1s，用戶不易習(xí)慣)。這個要求決定了VSAT電話通信網(wǎng)應(yīng)該采用網(wǎng)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.VSAT電話通信網(wǎng)的話務(wù)量分析

設(shè)計VSAT電話通信網(wǎng)所遇到的重要問題之一是提供足夠的線路和交換設(shè)備，使電話用戶得到適當(dāng)合理的服務(wù)質(zhì)量。同時，還要避免使用過多的設(shè)施而造成費用過高，要做到這一點，工程技術(shù)人員就需要知道網(wǎng)路上載送的話務(wù)量(或業(yè)務(wù)量)的某些性質(zhì)。要使這項工作合乎科學(xué)，就有必要有某些客觀的度量方法和某些適當(dāng)規(guī)定的度量單位。

1)話務(wù)量(業(yè)務(wù)量)

話務(wù)量又叫話務(wù)量強度，是度量用戶使用電話設(shè)備頻繁程度的一個重要量，是一個統(tǒng)計平均值。它可分成流入話務(wù)量和完成話務(wù)量。流入話務(wù)量(或呼叫話務(wù)量)是指每小時呼叫次數(shù)和每次呼叫平均占線時間的乘積。假定每小時呼叫C次，其中接通Cc次，平均占線時間為t0，則流入話務(wù)量為

A=Ct0

(4-1)

而完成話務(wù)量則為

Ac=Cct0 (4-2)

其單位為歐蘭(Erlang)，簡記為e。

可以看出，用e作單位的話務(wù)量A，可理解為一個平均占用時長內(nèi)話源發(fā)生的平均呼叫數(shù)，還可理解為同時發(fā)生的呼叫次數(shù)，也即同時占用的信道數(shù)。

例如，某系統(tǒng)平均呼叫率為200次每小時，而系統(tǒng)平均通話的時間為0.05h，則A＝200×0.05＝10e。

2)呼損率(阻塞率)

呼損率即呼叫不通的概率，它只考慮因系統(tǒng)不能提供服務(wù)而丟失的呼叫，不包括因被叫忙而不通的呼叫。在全部C次呼叫中，如果接通Cc次，顯然，沒有接通的次數(shù)為CL=C－Cc，則損失話務(wù)量為

AL=CLt0=(C－Cc)t0=A－Ac

(4-3)

它與所進行的呼叫話務(wù)量之比稱為呼損率B，即

(4-4)

例如，呼損率為10％，即表示呼叫丟失概率為10％，也即在該系統(tǒng)中平均10次呼叫會有1次因系統(tǒng)阻塞而丟失。阻塞率也稱為系統(tǒng)的服務(wù)等級，阻塞率越小意味著服務(wù)等級越高。

顯然，在一個通信系統(tǒng)中，提高信道效率與降低阻塞率是有矛盾的。對于一定的用戶和一定的話務(wù)量而言，信道數(shù)越多，則阻塞率就越低，服務(wù)等級就越高，但信道效率卻越低。3)忙時

系統(tǒng)的實際話務(wù)量是隨機變化的。所謂忙時，是指系統(tǒng)的業(yè)務(wù)最忙的一小時區(qū)間。實際上，各個電話用戶在任何時間都可能使用他的電話，然而一天中有幾個時間可能比其他時間用得更多一些。通過對大量用戶的統(tǒng)計，就可能得到典型的一天平均呼叫的估計圖形。電話用戶的使用情況，在周末和周日與日常上班日的情況是不同的。在發(fā)生事故或天氣突然變化等情況時，很可能發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)圖形所不能預(yù)測的局部變化。典型的24h呼叫特性曲線如圖4-15所示。高峰的幅度是相對的，垂直標(biāo)度的單位取決于所考慮的用戶抽樣的規(guī)模。一個系統(tǒng)的用戶并不都在忙時打電話，只有一部分業(yè)務(wù)量集中在忙時。忙時業(yè)務(wù)量和每天總業(yè)務(wù)量之比稱為忙時集中系數(shù)。例如，每天1000次電話中若有300次是在忙時打的，則忙時集中系數(shù)為0.3。一個系統(tǒng)的服務(wù)等級要看它在忙時的阻塞率如何，忙時的服務(wù)令人滿意，則其他時間就不成問題了。因此忙時業(yè)務(wù)量是重要的參數(shù)，而用24h來平均的每小時業(yè)務(wù)量是沒有什么意義的。所以，設(shè)備的設(shè)置是以標(biāo)準(zhǔn)忙時統(tǒng)計為基本依據(jù)。至于有時由于沒有預(yù)料到的對電話業(yè)務(wù)的臨時需要，電話網(wǎng)偶然的超負(fù)荷，致使服務(wù)質(zhì)量下降也在所難免，也是可以接受的。

圖4-15典型的24h呼叫特性曲線

4)歐蘭B公式

這里我們來討論信道數(shù)N、話務(wù)量A和阻塞率B之間的關(guān)系。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，電話業(yè)務(wù)的呼叫過程基本上都滿足下列條件：

(1)話源數(shù)足夠大，遠大于信道數(shù)，因此可以認(rèn)為單位時間內(nèi)呼叫次數(shù)的平均值是一個常數(shù)。

(2)每一條輸出信道都可被任一個輸入的話源所使用。

(3)阻塞概率較小，故可以認(rèn)為流入話務(wù)量和完成話務(wù)量近似相等。

(4)各個站的呼叫是隨機發(fā)生的，呼叫的占用時長服從指數(shù)分布，各站之間的呼叫是相互獨立的。

(5)采用回絕制的交換方法，即發(fā)生呼叫時，若輸出信道已被占滿，就直接回絕呼叫用戶的要求，造成一次呼叫損失(即阻塞)。

由話務(wù)理論可知，滿足上述條件時，信道被占用的概率服從歐蘭分布。具有N個信道的通信系統(tǒng)，若某一個用戶呼叫時，恰好N個信道已被占用，這時就造成阻塞，其阻塞率B分布服從

(4-5)

此即歐蘭B公式，因B是N和A的函數(shù)，故記為B(N，A)。可以看出：

(1)如果給定N個信道，要求傳達話務(wù)量為A，則阻塞率可由歐蘭B公式算出。反之，給定信道數(shù)N和阻塞率B，能傳送的話務(wù)量可由上式的反函數(shù)算出；當(dāng)給定阻塞率B及話務(wù)量A，那么信道數(shù)N也就可以確定。

(2)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的總體設(shè)計經(jīng)常遇到的問題是：①給定各發(fā)射站、接收站和轉(zhuǎn)發(fā)器所允許的阻塞率B，然后根據(jù)所傳送的話務(wù)量來確定系統(tǒng)所需提供的總信道數(shù)(即通信容量)，進一步再確定所需的衛(wèi)星功率、頻帶以及調(diào)制、解調(diào)方式；②若由于技術(shù)條件限制，只能提供一定數(shù)量的信道數(shù)N，則根據(jù)N及所要求的阻塞率B來限制各站之間的話務(wù)量A。

圖4-16歐蘭B公式曲線圖

(3)根據(jù)歐蘭B公式列出的函數(shù)表稱為歐蘭表。圖4-16是根據(jù)歐蘭表作出的A、N、B函數(shù)關(guān)系曲線族的一小部分。從中可看出：當(dāng)阻塞率B一定時，話務(wù)量愈大，所需信道數(shù)N就愈多，信道效率h也就愈高。即若A1<A2<…<Ai<…，則N1<N2<…<Ni<…及h1<h2<…<hi<…。但當(dāng)話務(wù)量超過某一數(shù)值后，A和N近似成線性關(guān)系，此時，信道效率h=A/N近似為一常數(shù)。當(dāng)信道數(shù)N一定時，話務(wù)量A愈大，阻塞率B也就愈大。

3.VSAT電話通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1)VSAT電話通信網(wǎng)的組成

VSAT電話通信網(wǎng)的組成如圖4-17所示。

2)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

對于使用靜止衛(wèi)星的VSAT電話通信網(wǎng)而言，用戶通常要求任意兩個VSAT小站能夠直接通話而不是經(jīng)過中心站轉(zhuǎn)發(fā)。這一要求決定了VSAT電話通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)子網(wǎng)是網(wǎng)形結(jié)構(gòu)，而控制子網(wǎng)是星形結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)控制中心所在的站被稱為中心站。網(wǎng)絡(luò)控制中心負(fù)責(zé)處理VSAT電話通信網(wǎng)的交換功能，完成網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視、控制、管理、衛(wèi)星信道頻率分配和系統(tǒng)診斷等。

圖4-17話音VSAT網(wǎng)的組成

3)衛(wèi)星信道

VSAT電話通信網(wǎng)中通常有如下兩類衛(wèi)星信道：

(1)業(yè)務(wù)信道。VSAT電話通信網(wǎng)通常采用電路交換(即線路交換)方式，這是由電話業(yè)務(wù)的實時性決定的。VSAT電話通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)子網(wǎng)中，業(yè)務(wù)信道(話音信道)較多采用簡單易行的單路單載波按需分配的SCPC/QPSK/DAMA方式，有時也可采用時分多址按需分配的TDMA/DAMA方式，還有可變帶寬的TDMA方式以及多路單載波MCPC方式，模擬CFM方式也有應(yīng)用，但已逐漸被數(shù)字系統(tǒng)所代替。除了按需分配信道資源方式之外，在少數(shù)大業(yè)務(wù)量站間也可分配一定數(shù)量的固定預(yù)分配(PAMA)信道或分時預(yù)分配信道。

(2)控制信道。VSAT電話通信網(wǎng)的控制子網(wǎng)相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)網(wǎng)。在控制子網(wǎng)中有兩種公用控制信道，中心站到遠端小站采用TDM廣播信道，小站到中心站采用ALOHA、S-ALOHA或其它改進型。這種方式技術(shù)簡單，造價低廉，因此在實用系統(tǒng)中應(yīng)用較多。4.3.5VSAT網(wǎng)的總體方案設(shè)計

對于VSAT衛(wèi)通信網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計，要根據(jù)用戶的需要，有效地利用衛(wèi)星資源，以較低的投資達到所要求的通信質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)性能，即性能價格比好。

VSAT網(wǎng)的總體設(shè)計主要包括：通信體制的確定、工作頻段的選擇、主站及VSAT規(guī)模的確定、典型鏈路的計算、造價評估等。建設(shè)VSAT網(wǎng)，首先要進行總體方案設(shè)計，要從使用、技術(shù)、工程及經(jīng)濟方面，優(yōu)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

總體方案設(shè)計包括使用總體、技術(shù)總體、工程建設(shè)總體三個方面。

(1)使用總體。主要研究論證使用要求，進行概念設(shè)計，提出比較合理的技術(shù)總體要求。

(2)技術(shù)總體。包括空間段衛(wèi)星的選擇、地球站的體制論證、衛(wèi)星鏈路計算、各種參數(shù)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計等。

(3)工程建設(shè)總體。主要制定建設(shè)規(guī)范，實施計劃、方法、步驟，開通程序及經(jīng)費預(yù)算。

1.用戶需求分析

“用戶需求書”是VSAT網(wǎng)總體方案設(shè)計的依據(jù)。用戶不一定了解通信技術(shù)，需求書只是從使用角度提出需求的內(nèi)容、數(shù)量和質(zhì)量等最基本的要求。總體方案設(shè)計首先應(yīng)在用戶的配合下，對“用戶需求書”進行研究分析，制定合理的使用總體方案，并且確定技術(shù)總體的要求。1)需求內(nèi)容VSAT網(wǎng)可傳輸數(shù)據(jù)、電話、傳真、圖像，并能召開電話會議、電視會議，開辦遠程電教等多種業(yè)務(wù)。要開通某種業(yè)務(wù)，就必須給地球站配置相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)備。也就是說，業(yè)務(wù)種類越多，地球站就越復(fù)雜，體積就大，成本也就高。所以，要綜合多方面因素，比較權(quán)衡，區(qū)別情況，哪些是主要的業(yè)務(wù)，哪些是次要的業(yè)務(wù)，哪些業(yè)務(wù)必須在VSAT網(wǎng)中解決，哪些業(yè)務(wù)可在公用網(wǎng)中去解決，這些都要周密調(diào)查研究，合理安排。還有，用戶需要建立什么樣結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，就要搞清網(wǎng)中各業(yè)務(wù)點之間的距離和業(yè)務(wù)往來關(guān)系，從