淺析VSAT衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的發(fā)展

張 燁，龐 京

淺析VSAT衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的發(fā)展

張 燁，龐 京

（國(guó)家無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)中心北京監(jiān)測(cè)站，北京 100037）

本文對(duì)VSAT衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要的技術(shù)分析，主要包括系統(tǒng)內(nèi)部主站與終端的通信交互，以及系統(tǒng)通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)，并對(duì)VSAT系統(tǒng)的核心通信體制DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析說(shuō)明。

VSAT；DVB-S2；衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)

1 引言

隨著全球?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，衛(wèi)星Ka頻段業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)和推廣，VSAT衛(wèi)星寬帶通信在市場(chǎng)上漸漸興起，也越來(lái)越受到用戶(hù)的喜愛(ài)。

2 VSAT系統(tǒng)概述

VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)與其他衛(wèi)星通信系統(tǒng)一樣，由地球站和通信衛(wèi)星組成。地球站分為主站和小站，主站一般處于中心城市，具有較大口徑（一般為11～18米）的天線(xiàn)和較大的發(fā)射功率，集中包含網(wǎng)絡(luò)微機(jī)控制系統(tǒng)，這樣可以使小站設(shè)備盡量簡(jiǎn)化。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 VSAT系統(tǒng)概圖

3 VSAT系統(tǒng)技術(shù)分析

3.1 VSAT系統(tǒng)星上通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

VSAT系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 VSAT系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于星狀網(wǎng)絡(luò)而言，下行信道傳輸機(jī)制：主站從數(shù)據(jù)中心接收以隨機(jī)順序發(fā)送的IP包，并以先入先出的順序利用時(shí)分復(fù)用方式插入到對(duì)應(yīng)的時(shí)隙中，最后以廣播的形式發(fā)射下行大載波。所有可接收的遠(yuǎn)端小站都能接收到這個(gè)廣播流。

每個(gè)遠(yuǎn)端路由器都有惟一的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）地址，廣播數(shù)據(jù)流利用MAC地址作為識(shí)別碼進(jìn)行編碼，所有的數(shù)據(jù)都能被遠(yuǎn)端路由器接收并準(zhǔn)確過(guò)濾。同時(shí)，下行信道也傳輸來(lái)自網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）的控制信息及帶寬的動(dòng)態(tài)分配。

上行信道傳輸機(jī)制：上行載波通過(guò)回傳信道進(jìn)行傳輸，載波基于MF-TDMA方式，遠(yuǎn)端小站共享衛(wèi)星帶寬，當(dāng)有需要更多帶寬時(shí)，遠(yuǎn)端可以調(diào)諧到其他有空閑帶寬的上行載波，從這些載波中獲得額外帶寬。每個(gè)遠(yuǎn)端小站按指定的時(shí)隙發(fā)送業(yè)務(wù)信息，時(shí)隙分配即帶寬分配，由主站網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)指定的QoS限制來(lái)分配，同時(shí)系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)各小站業(yè)務(wù)需求，以每秒8次的速度來(lái)調(diào)整帶寬的分配。如果帶寬需求增加或者減少時(shí)，主站給遠(yuǎn)端站發(fā)送一個(gè)新的時(shí)間表，在那個(gè)載波安排更多或更少的時(shí)隙。

網(wǎng)狀連接時(shí)，遠(yuǎn)端站發(fā)送需求信息給主站，主站分析這個(gè)需求，然后在適當(dāng)?shù)腡DMA 載波（回傳載波）上分配時(shí)隙，并發(fā)送新的突發(fā)時(shí)間安排表給那兩個(gè)遠(yuǎn)端站。接收遠(yuǎn)端站的網(wǎng)狀解調(diào)器鎖定那個(gè)TDMA 載波，監(jiān)聽(tīng)為網(wǎng)狀通信指定的時(shí)隙。主站每秒8次分析帶寬需求并進(jìn)行帶寬分配，快速的帶寬分配和釋放機(jī)制可以保證很高的帶寬使用效率。如果帶寬需求增加或者減少，主站給遠(yuǎn)端站發(fā)送一個(gè)新的時(shí)間表，在那個(gè)載波安排更多或更少的時(shí)隙。

當(dāng)新的網(wǎng)狀遠(yuǎn)端站加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，主站會(huì)更新路由和ARP 列表，并組播傳送這個(gè)表到所有相關(guān)的網(wǎng)狀遠(yuǎn)端站，從而縮短網(wǎng)狀連接動(dòng)態(tài)建立的時(shí)間。當(dāng)沒(méi)有額外可用帶寬為網(wǎng)狀連接使用時(shí)，小站業(yè)務(wù)可以以傳統(tǒng)星狀雙跳的方式進(jìn)行通信。當(dāng)遠(yuǎn)端站的第二個(gè)解調(diào)器發(fā)生故障時(shí)，業(yè)務(wù)也能正常工作（以星狀方式），大大提高了遠(yuǎn)站的彈性。

3.2 VSAT系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)

按照VSAT對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功能來(lái)說(shuō)，VSAT就是通信路由器，一端通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道連接衛(wèi)星，一端通過(guò)以太網(wǎng)連接內(nèi)部局域網(wǎng)。按照TCP/IP五層模型，VSAT網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 VSAT網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖

由圖3可知，VSAT提供物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層三層服務(wù)。

物理層：物理層定義了網(wǎng)絡(luò)通信線(xiàn)路的實(shí)體饋線(xiàn)鏈路標(biāo)準(zhǔn)，任何系統(tǒng)底層都包含物理層結(jié)構(gòu)。同時(shí)按整個(gè)系統(tǒng)信息的傳輸來(lái)看，物理層負(fù)責(zé)保證前向糾錯(cuò)（FEC）編碼技術(shù)物理無(wú)差錯(cuò)，同時(shí)將虛擬信息進(jìn)行調(diào)制或者將物理載波進(jìn)行解調(diào)。

數(shù)據(jù)鏈路層：包含“數(shù)據(jù)鏈路控制層”及“衛(wèi)星信道多址控制層”，前一層控制衛(wèi)星鏈路的數(shù)據(jù)，來(lái)保證信道上信息的可靠傳輸，主要包括傳輸同步、差錯(cuò)控制、流量控制等協(xié)議。后一層主要對(duì)小站或者主站發(fā)射的多路載波進(jìn)行信道管理控制，保證其有序性和正確性。

網(wǎng)絡(luò)層：該層主要負(fù)責(zé)控制通信子網(wǎng)，提供路由選擇、流量控制、傳輸?shù)拇_認(rèn)、中斷、差錯(cuò)及故障的恢復(fù)等功能，保障系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)正常連接。經(jīng)由該層將信息傳輸給傳輸層。

VSAT系統(tǒng)種類(lèi)及產(chǎn)品五花八門(mén)，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備也隨之更高性能。不管性能變化多快，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)不會(huì)改變，變化的是承載高速數(shù)據(jù)的系統(tǒng)處理能力及高效的中轉(zhuǎn)傳輸能力。

3.3 VSAT信號(hào)傳輸及處理技術(shù)

（1）壓縮編碼技術(shù)：為了提高編碼率，提高帶寬的利用率，系統(tǒng)會(huì)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。目前，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中使用較多的有連續(xù)可變?cè)隽空{(diào)制（CVSD）、自適應(yīng)差分脈沖編碼（ADPCM）、幾種線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼、數(shù)字話(huà)音插空語(yǔ)音、數(shù)字電路倍增等技術(shù)。視頻編碼技術(shù)包括統(tǒng)計(jì)編碼、預(yù)測(cè)編碼、包換編碼、基于分形的編碼、基于模型的編碼、基于區(qū)域分割編碼和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的編碼技術(shù)等。現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)如MPEG-2，MPEG-4，H.264等都提供了較高的壓縮性能，適用于目前高速數(shù)據(jù)的傳輸。

（2）數(shù)字信號(hào)調(diào)制技術(shù)：由于衛(wèi)星信道基本可以視為恒參信道，因此可以考慮采用最佳的調(diào)制和檢測(cè)方式，即可選用加性高斯白噪聲信道中抗干擾性能強(qiáng)的調(diào)制方式。目前VSAT系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)的龐大化及高速化，需要高階的調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制處理，如QPSK，8PSK，16QAM，64QAM等調(diào)制方式。

（3）擾碼技術(shù)：在發(fā)射端使用偽隨機(jī)碼序列與數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行模2運(yùn)算，改變信號(hào)原有的統(tǒng)計(jì)特性，在接收收端，通過(guò)使用相同的偽隨機(jī)碼序列調(diào)制出基帶信號(hào)，按發(fā)射端相同的規(guī)律進(jìn)行模2運(yùn)算，恢復(fù)出原數(shù)字基帶信號(hào)。通過(guò)使用擾碼技術(shù)便于提取比特定時(shí)信息，使數(shù)字信號(hào)具有偽隨機(jī)性，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻，提高安全性。

（4）差錯(cuò)控制技術(shù)：主要用來(lái)提高系統(tǒng)抗干擾性以及提升衛(wèi)星信道通信容量。衛(wèi)星通信中常用的參錯(cuò)控制技術(shù)在底層協(xié)議采用循環(huán)冗余交驗(yàn)（CRC）和前向糾錯(cuò)（FEC）技術(shù)；在高層，分組通過(guò)接受和拒絕系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)提供附加的保護(hù)。VSAT系統(tǒng)常用的糾錯(cuò)編碼方式包括卷積編碼、Turbo編碼、外碼里德-所羅門(mén)（RS）碼+內(nèi)碼卷積碼的級(jí)聯(lián)編碼、外碼BCH碼+內(nèi)碼低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）的級(jí)聯(lián)編碼等。

（5）多路復(fù)用技術(shù)：VSAT因其小站分布廣泛，為了保證各小站同步收發(fā)數(shù)據(jù)以及保證信道容量，上行鏈路多采用MF-TDMA技術(shù)，下行鏈路多采用TDM技術(shù)。

3.4 DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)

DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)是DVB-S標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)版，下面簡(jiǎn)要介紹一下DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特點(diǎn)及DVB-S2系統(tǒng)的工作流程。

3.4.1 DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)特點(diǎn)

作為全新的DVB-S2，和DVB-S相比具有以下的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)：

（1）DVB-S2采用BCH碼和LDPC（低密度奇偶校驗(yàn)碼）級(jí)聯(lián)成新的信道編碼方案和高階調(diào)制組合，構(gòu)成更好的傳輸方案。

（2）DVB-S2頻譜成形中的升余弦滾降系數(shù)Q可在0.35、0.25、0.2中選擇，而不是DVB-S固定的O.35，自然Q越小，可以獲得下降更陡峭的載波波形，頻譜利用率越高。

（3）對(duì)于不同的業(yè)務(wù)（SDTV、HDTV、音頻和多媒體）可以采用不同的誤碼保護(hù)級(jí)別，即用可變的編碼和調(diào)制方案（VCM，Variable Coding and Modulation）。

（4）DVB-S只有一個(gè)QPSK調(diào)制方式，使得衛(wèi)星傳輸信號(hào)的能力受到很大限制。

DVB-S2則將其拓展為多個(gè)可以選擇的方式，即QPSK，8PSK，16APSK，32APSK，相應(yīng)每個(gè)調(diào)制符號(hào)映射的比特?cái)?shù)分別為2，3，4，5。這就使得衛(wèi)星傳輸能力極大地提高。尤其對(duì)于直播衛(wèi)星系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)商很有意義，即同樣數(shù)目的衛(wèi)星和轉(zhuǎn)發(fā)器，可以成倍地增加傳輸?shù)男盘?hào)節(jié)目套數(shù)。

（5）DVB-S2支持實(shí)時(shí)多變的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)（ACM）。該技術(shù)可自動(dòng)進(jìn)行編碼和調(diào)制優(yōu)化，隨著環(huán)境損耗情況切換高低階調(diào)制模式，有效增強(qiáng)了系統(tǒng)抗雨雪衰能力。

3.4.2 DVB-S2的系統(tǒng)流程

DVB-S2系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 DVB-S2系統(tǒng)流程圖

（1）模式適配：模式適配是輸入數(shù)據(jù)流的接口，用來(lái)適配DVB-S2種類(lèi)繁多的輸入流格式。對(duì)于固定編碼調(diào)制（CCM）模式來(lái)說(shuō)，模式適配部分，包括對(duì)DVB-ASI流（或DVB并行傳輸流）的透明解包和8位循環(huán)冗余校驗(yàn)。

（2）流適配：流適配完成基帶成幀、加擾兩個(gè)功能。為配合后續(xù)糾錯(cuò)編碼，基帶成幀需要將輸入數(shù)據(jù)按固定長(zhǎng)度打包（不同的糾錯(cuò)編碼方案有不同的“固定長(zhǎng)度”），不足處則填充無(wú)用字節(jié)補(bǔ)足。

（3）前向糾錯(cuò)：前向糾錯(cuò)采用LDPC（內(nèi)碼）與BCH（外碼）級(jí)聯(lián)的形式。

（4）映射部分：映射部分按后續(xù)采用的具體的調(diào)制方式（QPSK，8PSK，16APSK，32APSK），將輸入的經(jīng)過(guò)前向糾錯(cuò)的串行碼流轉(zhuǎn)換成滿(mǎn)足特定星座圖樣式的并行碼流。

（5）物理層成幀：物理層成幀部分通過(guò)加擾實(shí)現(xiàn)能量擴(kuò)散，以及空幀插入等。

（6）調(diào)制：調(diào)制部分完成基帶成形和調(diào)制。

4 結(jié)束語(yǔ)

全球?qū)拵б惑w化還在不斷的推進(jìn)，衛(wèi)星寬帶通信作為必不可少的一環(huán)也將不斷地發(fā)展和創(chuàng)新。VSAT通信系統(tǒng)也必將不斷地演化和發(fā)展，后期將繼續(xù)深入研究VSAT通信系統(tǒng)，繼續(xù)研究衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

[1] 項(xiàng)海格，李斗．走向?qū)拵Щ腣SAT衛(wèi)星通信[J]．世界電信，2001(11):12-15

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10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.07.017

TN927+.2文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）07-0045-03