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VSAT

VSAT直译为“甚小孔径终端”,意译应是“甚小天线地球站”,其他名称:卫星通信地球站、微型地球站或小型地球站,是20世纪80年代中期开发的一种卫星通信系统。VSAT由于源于传统卫星通信系统,所以也称为卫星小数据站或个人地球站,这里的“小”指的是VSAT系统中小站设备的天线口径小,通常为0.3m~1.4m,设备结构紧凑、固体化、智能化、价格便宜、安装方便、对使用环境要求不高,且不受地面网络的限制,组网灵活。 [1]

VSAT(Very Small Aperture Terminal )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。VSAT系统有两种类型,一种是双向VSAT系统,它由中心站控制许多VSAT终端来提供数据传输、语音和传真等业务;另一种是单向VSAT系统,在这种系统中,图像和数据等信号从中心站传输到许多单收VSAT终端。

VSAT系统由室外单元和室内单元组成。室外单元即射频设备,包括小口径天线、上下变频器和各种放大器;室内单元即中频及基带设备,包括调制解调器、编译码器等,其具体组成因业务类型不同而略有不同。

VSAT网根据业务性质可分为数据通信网、语音通信网和电视卫星通信网三大类。国内VSAT通信业务向社会开放经营;

VSAT卫星通信系统由空间和地面两部分组成。

空间VSAT卫星通信系统的空间部分就是卫星,一般使用地球静止轨道通信卫星, 卫星可以工作在不同的频段,如C、ku和Ka频段。卫星上转发器的发射功率应尽量大,以使VSAT地面终端的天线尺寸尽量小。

地面VSAT卫星通信系统的地面部分由中枢站、远端站和网络控制单元组成,其中中枢站的作用是汇集卫星来的数据然后向各个远端站分发数据,远端站是卫星通信网络的主体,VSAT卫星通信网就是由许多的远端站组成的,这些站越多每个站分摊的费用就越低。一般远端站直接安装于用户处,与用户的终端设备连接。

按照VSAT支持的主要业务类型不同,可分为:

1、话音业务为主的VSAT系统,这种网主要是供公用网和专用网话音信号的传输和交换,同时也能提供交互型的数据业务;

2、数据业务为主的VSAT系统,这种网除数据通信外,还能提供传真及少量的话音业务;

3、综合业务为主的VSAT系统,如接收的图像和伴音信号可作为有线电视的信号源通过电缆分配网传送到用户家中。 [1]

从VSAT采网用的网络结构来看,可分为三类:星型结构的网型结构的VSAT系统、星型和网状混合结构的VSAT系统。 [1]

VSAT 广泛应用于新闻、气象、民航、人防、银行、石油、地震和军事等部门以及边远地区通信。 VSAT之所以获得如此迅猛的发展,除了它具有一般卫星通信的优点外,还有以下两个主要特点:

一、是地球站通信设备结构紧凑牢固,全固态化,尺寸小、功耗低,安装方便。VSAT通常只有户外单元和户内单元两个机箱,占地面积小,对安装环境要求低,可以直接安装在用户处(如安装在楼顶,甚至居家阳台上)。由于设备轻巧、机动性好,尤其便于建立移动卫星通信。

按照国际惯例,卫星通信系统分为空间段(无线电波传输通信及通信卫星)和地面段两部分。地面段又包括地面收发系统及地面延伸电路。由于VSAT能够安装在用户终端地,不必汇接中转,可直接与通信终端相连,并由用户自选控制,不再需要地面延伸电路。这样,大大方便了用户,并且价格便宜,因而具有明显的经济效益。

二、是组网方式灵活、多样。在VSAT系统中,网络结构形式通常分为星形式、网网状式和混合式三类,它们各具特点:星形式网络由一个主站(处于中心城市的枢纽站)和若干个VSAT小站(远端站)组成。主站具有较大口径(一般为11-18米)的天线和较大的发射功率,网络微机控制系统一般也集中于主站,这样可以使小站设备尽量简化,并降低造价。主站除负责一般的网络管理外,还要承担各VSAT小站之间信息的接收和发送,即具有控制功能。

一个VSAT网络系统可以容纳数百至1千个以上的小站。网络内所有小站都与主站建立直达链路,可直接通过卫星(小站-卫星-小站)沟通联络。小站与小站之间不能直接进行通信,必须经过主站转接。通信链路按“小站-卫星-主站-卫星-小站”方式构成,即要两次通过卫星,经过“ 双跳”联通,在而具有较大(约0.54秒)的传输迟延。双跳传输适用于数据业务或录音电话,而用户间进行直接通话需要有一个适应过程。星形式网络特别适合于各小站与中心站传高速数据使用。

在网状式网络中,中心站借助于网络管理系统,负责向各VSAT小站分配信道和监控它们的工作状态,但各VSAT小站之间的通信自行完成,不需要经过中心站(主站)接转。通信链路按“小站-卫星-小站”的单跳通信方式实现。

混合式网络融星形式网络和网状式网络于一体,网中各VSAT小站之间可以不通过主站转接,而直接进行双向通信。

VSAT系统综合了诸如分组信息传输与交换、多址协议以及频谱扩展等多种先进技术,可以进行数据、语音、视频图像、图文传真和诸机信息等多种信息的传输。通常情况下,星形网以数据通信为主兼容话音业务,网状网和混合网以话音通信为主兼容数据传输业务。

如同一般卫星通信一样,VSAT的一个基本优点是可利用共同的卫星实现多个地球站之间的同时通信,这称做“多址联接”。实现多址联接的关键,是各地球站所发信号经过卫星转发器混合与转发后,能为相应的对方所识别,同时各站信号之间的干扰要尽量地小。实现多址联接的技术基础是信号分割。只要各信号之间在某一参量上有差别(如信号频率不同、信号出现的时间不同,或所处的空间不同等),就可以将它们分割开来。为达到此目的,需要采用一定的多址联接方式。

VSAT卫星通信系统从单一窄带业务的卫星电信网,向一个融合电信、广播、计算机的宽带卫星网络发展。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。

VSAT用户利用架设在办公室或住宅的VSAT设备,方便地接入卫星通信网。用户按照业务的需要来自适应地使用卫星网络的资源,并构造它与卫星网络的拓扑结构(一跳或两跳)。用户设备是一个小口径的天线(0.6米以下),一个笔记本式附在天线上的室外单元,一个笔记本式的室内单元。用户的办公和生活设施可以像接在地面设备一样地接在VSAT设备上。

VSAT卫星通信系统提供的业务包括电信业务,计算机互联网业务,以及数据、音频、视频等广播业务。VSAT 卫量通信在提供传统的话音、数据等交互业务的同时,随着网络的宽带化,宽带化的VSAT设备发展了远程教育,远程医疗,电视会议等功能。随着广播业务的发展,利用卫星通信的广域覆盖特性和宽带卫星广播技术,实现新闻和数据分发和广播,数据音频视频广播到户,卫星寻呼,Web广播,视频点播(VOD),IP数据音频和视频广播。宽带卫星数据传输作为计算机互连网的一部分,提供了方便的文件软件下载和Internet接入,企业的Internet互连,ISP骨干业务,电子邮件,电子商务,金融证券。

卫星网络的宽带化趋势体现在超大容量的卫星,星座系统的发展。超大容量的卫星和星座系统不断扩展新的宽带工作频段,在使用传统的卫星通信L、C和Ku波段的基础上,积极推广能有更宽带宽的Ka频段。大容量卫星和星座系统还发展了一系列新技术:轨道调正的山粒子发动机技术,高效太阳能电池和蓄电池技术,星上转发器数量的增加,超大口径的卫星天线,多波束天线,卫星转发器的大发射功率,卫星转发器频带资源的按需带宽分配技术,星上再生和交换处理技术,卫星之间的通信链路,适应卫星宽带业务发展的需要。卫星的功能愈来愈增强、容量愈来愈大。超大容量卫星支持多种宽带卫星直播业务,便携式手持式卫星终端。大容量卫星和星座系统进一步支持宽带互联网和移动卫星通信,如Teledesic:使用288低轨卫星,2Mbps上行链路和64Mbps下载链路(美国微软);Spaceway:使用16高轨卫星20中轨卫星,6Mbps上行链路和16Mbps下载链路(美国休斯);Celestri:使用9高轨卫星和63低轨卫星(Motorola公司);Skybridge:,使用80低轨卫星(劳拉公司)。

VSAT地球站是经过一个主站接入宽带网络,实现相应的电信、广播、计算机互联网业务的。卫星地球主站通过卫星网关、编码器,条件接收发送设备,DVB/IP复接器,调制器,变频器发送设备,接收设备,变频器,解调器等设备与卫星链路相接。卫星地球主站通过地面网关与地面宽带网络相连。卫星地球主站的网络管理、业务服务器等设备连成一个局域网。随着大容量卫星和卫星星座系统的发展,VSAT卫星通信网主站的功能将由大容量卫星或星座系统的星上系统的处理功能来实现。

VSAT设备智能化,但又简单可靠。它成本低,地面接口灵活,有GPS全球定位功能,可变数据速率和传输带宽,可以不同的拓扑方式和多址方式接入卫星通信网。它可以呈星状网结构进行数据音频视频广播接收、文件软件下载、互连网浏览、远程登录和文件传输,网络管理等业务;也可以呈网状网进行话音数据传输,举行各种会议。VSAT技术的进步表现在:新的工作频段,集成电路技术的进展,通信规程的标准化和全球化,设备的互操作性的改善。

VSAT站的卫星链路有主站到VSAT站的出主站链路,有VSAT站到主站的入主站链路。随着业务从窄带向宽带发展,出主站链路数据速率不断提高,从几Mbps到几十Mbps;入主站链路的数据速率也不断提高,从几kbps发展到几百kbps,几Mbps。

出主站链路多采用单载波TDM的方式,有基于广播信号的DVB数据格式,有基于互连网的IP数据格式。VSAT卫星通信的宽带广播,可以广播数据音频视频、可以实现文件数据的下载。入主站链路有多种卫星多址接入方式:FDMA,CDMA,TDMA,MF/CDMA。也有利用地面Internet链路代替入主站链路的,称为外交互方式,而把采用入主站链路称为内交互方式。传统的卫星通信多址接入方式是,时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)。它们是把卫星转发器的资源,按时间分成时隙、按频率分成频道或者按正交的编码波形分成码道,由各个地球站按照固定分配方式、随机竞争方式或者动态分配的方式来使用。所谓动态竞争方式,转发器资源由主站来管理,用户站接入时,先使用固定分配方式或随机竞争方式来申请,主站进行分配给用户地球站使用,使用完了归还给主站。

随着大容量VSAT卫星通网络以及宽带接入业务的发展,主站接入设备的容量日益增大,用户地球站也需要使用高速的宽带接入,需要主站接入信道的可变速率范围扩大。时分多址方式要求用户站的接入时隙宽度变化范围增大,频分多址方式要求用户站发送信号带宽可变或使用并行的多载波传输,码分多址方式要求用户站发送信号的扩展频谱增益可变或者使用多码道并行传输。组合的多址接入方式,可以方便地实现宽带多址接入;例如多载波(多频率)时分多址,多载波码分多址等。技术成熟的是多频率时分多址。

多频率时分多址设置由多个频段(多个载波),每个频率又划分成时间帧和时隙。各个用户地球站可以使用特定的频率和特定的时隙进行接入申请,根据申请的业务,得到相应的频率和时隙。对于宽带业务申请,用户可以再在一个频率上,用一个时隙或多个时隙进行接入业务传输;也可以在几个频率上,用多个时隙进行接入业务传输。根据系统接入的特点,系统在接入信道上设置了不同的时隙,用户接入申请的时隙,用户业务传输的业务时隙,校正用户地球站发送时间和频率的粗同步时隙,以及校正发送时间和频率的精同步时隙。

宽带VSAT卫星通信系统的前向链路和反向链路往往是不对称的,前向链路和反向链路的转发器资源的配置要和业务的特性相匹配。宽带VSAT卫星通信系统需要设计和配置接入信道的资源、多载波数目以及相应的帧结构,以适应给定接入突发特性、接入业务量条件下的接入时延和接入成功率的要求。宽带VSAT卫星通信系统往往有多种业务同时工作,系统的配置和设计只能适应总体的要求,为适应各种业务的具体要求,还应该对不同业务设置各自的优先级,调整整个系统对不同业务的适应性。

VSAT卫星通信网最初是作为透明信道使用的,它只提供固定的连接,传输单一的业务。这时针对不同的卫星信道,设备必须配置不同的通信软件。由于卫星通信必须支持网络管理和多址接入的控制,卫星通信业务的综合化必须传输多种业务,例如电信、计算机数据、以及数据音频视频广播,在VSAT卫星通信网必须支持通信规程协议。

卫星通信规程要考虑传输的业务以及相应的规程协议:例如音频视频广播的数据结构和规程协议、计算机互联网通信的TCP/IP协议、以及电信通信的信令。随着宽带VSAT通信的发展,通信规程要支持交互通信,特别是宽带交互通信业务。卫星通信规程要考虑网络管理的规程协议。例如常用的SNMP(Simple Network Management Protocol),而SNMP是建立在UDP/IP提供服务的基础上。卫星通信规程要考虑用户站接入时介质访问控制以及卫星链路差错控制对通信规程的影响。

VSAT卫星通信网是包括卫星转发器、卫星通信主站、众多用户站的系统,它们分散在广阔的地域不间断、全天候地工作着。为了保证系统正常工作,必须对网内各地球站的工作状态及业务运行状态进行监视、控制和管理。需要一个网络管理系统来支持它。网络监控管理系统是决定VSAT网,特别是一个大型VSAT网运行好坏的决定因素。这个网络管理系统有一个设置在主站,集中的网络管理计算机和相应的数据库;在各个地球站和网络设备上,有一个网络管理计算机的代理设备,即网络管理代理。网络管理设备和网络管理代理之间,需要通过卫星通信网的通信信道进行数据通信。网络管理的通信应该和业务通信并行的使用卫星通信网络,它们的区别只是数据结构不同。网络管理的通信业务和数据通信业务共享卫星通信网,但只能占用通信链路业务的一个小部分,管理着整个卫星通信网。

宽带VSAT通信网占用资源大,提供大容量的业务服务。宽带VSAT通信网往往不是一个单一的网络,而是多个网络的集合。宽带VSAT通信网,总是包括了多个业务子网。而这些子网又希望有独立的网络管理。

VSAT卫星通信发展的一个方向,是在网内建立多个虚拟子网,或者说是将多个小型的网络合并成为一个大型的综合使用卫星转发器、系统设备以及网络管理系统的VSAT卫星通信网。各个虚拟子网可以属于不同的业务或行政管理部门,它们共享统一的VSAT卫星通信网。

VSAT站能很方便地组成不同规模、不同速率、不同用途的灵活而经济的网络系统。一个VSAT网一般能容纳200~500个站,有广播式、点对点式、双向交互式、收集式等应用形式。它既可以应用于发达国家,也适用于技术不发达和经济落后的国家,尤其适用于那些地形复杂、不便架线和人烟稀少的边远地区。因为它可以直接装备到个人,所以军事上也有重要的意义。概括起来,VSAT技术可以应用于以下几个方面。

(1) 普及卫星电视广播和卫星电视教育,传送广播电视、商业电视信号,尤其对于我国的边远地区,利用这种方式可以在物质文明建设和精神文明建设方面起到很大的作用。

(2) 用于财政和金融系统、证券系统,对市场的情况进行动态跟踪管理,大大地缩短资金周转周期。深圳的证券交易系统就是利用VSAT系统与四面八方的客户进行双向通信的。

(3) 用于水利建设的管理,监测水文变化,防止和减少自然灾害的损失。VSAT系统可以及时传输气象卫星、海洋卫星、资源卫星和地面检测站获取的信息。

(4) 用于交通运输的管理。国外发达的国家已经将VSAT用在铁路的运营调度,大大缓解了在交通运输的紧张状态。用VSAT可以方便地开展任何两地的通话、电传和电报业务,节省了经费和时间。

(5) 军事上应用。在1991年的海湾战争中,多国部队利用VSAT进行了大量的移动通信,甚至将其装备到每个士兵。

(6) 应急通信和边远地区通信的应用。对于自然灾害或突发性事件VSAT都是最便利的应急通信备份体系,例如:5.12的汶川地震。

VSAT卫星通信网向宽带业务发展已经是一个必然的趋势,它有着数据音频视频广播、计算机的卫星宽带交互接入、音频视频会议等业务的推动;而分别针对这些业务的VSAT卫星通信网也日益趋于融合形成一个统一的宽带VSAT通信网。发展宽带VSAT通信网的关键技术是宽带数据广播、宽带多址接入、卫星通信规程、网络综合管理、宽带虚拟子网。

1、gilat-以色列吉来特Gilat_Satellite_Networks

2、hughes-美国休斯网络系统公司Hughes Network Systems

3、idirect-美国iDirect科技(iDirect公司)

4、polarsat-加拿大波拉赛特

5、viasat-美国卫讯公司

6、comsys-COMSYS, Telecoms, Television, Satellites & VSATs

7、comtechefdata公司

8、论坛satsig、satellite-internet-forum、dslreports、broadbandinfo、datastormusers


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