衛星通信 第4章

第4章衛星通信網

4.1衛星通信網的網絡結構

4.2衛星通信網與地面通信網的連接

4.3VSAT衛星通信網

4.4典型衛星通信網絡系統習題

所謂通信網，就是將各種通信設備互連在一起的通信網絡。通信網也可描述為由各個通信節點(端節點、交換節點、轉接點)及連接各節點的傳輸鏈路組成的互相依存的有機結合體，以實現兩點或多個規定點間的通信。從物理結構或硬件設施方面看，通信網由終端設備、交換設備和傳輸鏈路三要素所組成。

所謂衛星通信網，就是利用人造地球衛星作為中繼站轉發無線電波，在地球站之間進行通信的網絡。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、大規模的網絡結構。衛星通信網不但可以作為地面網絡的補充和完善，而且可以單獨構成天基衛星網絡，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星網絡傳輸。

根據使用目的和要求的不同，可以組成各種不同的衛星通信網。例如，根據衛星在軌高度，可分為GEO衛星通信網、MEO衛星通信網和LEO衛星通信網；根據通信用途，可分為民用衛星通信網和軍事衛星通信網；根據服務范圍，可分為國際衛星通信網、國內衛星通信網、區域衛星通信網，等等。對于大量分散、稀路由、低速的數字衛星通信系統，還可組成VSAT(甚小口徑天線終端)衛星通信網。根據業務性質、容量和特點的不同，組成的網絡結構也將有所不同。本章主要介紹VSAT衛星通信網的基本概念與原理，以及典型的衛星通信網絡系統。

由多個地球站構成的衛星通信網絡可以歸納為兩種主要形式，即星形網絡和網形網絡，如圖4-1所示。4.1衛星通信網的網絡結構

圖4-1衛星通信的網絡結構(a)星形網；(b)網形網4.1.1星形網絡

圖4-1(a)所示為星形網絡，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絡。

在星形網絡中，各遠端地球站都直接與中心站(或稱主站)發生聯系，而各遠端地球站之間則不能經衛星直接進行通信。兩個地球站之間若有通信要求時，必須經中心站轉發，才能進行連接和通信。無論遠端地球站與中心站進行通信，還是各地球站經中心站進行通信，都必須經過衛星轉發器。中心站執行控制和轉發功能，使得通信系統的故障容易隔離和定位，并且可以在不影響系統其它設備工作的情魷攏獎愕囟暈佬峭ㄐ畔低辰擴容。

星形網絡最適合于廣播、收集等進行點到多點間通信的應用環境。例如，具有眾多分支機構的全國性或全球性單位作為專用數據網，可以改善其自動化管理、發布或收集信息等。但這種結構非常不利的一點是，中心站必須具有極高的可靠性，因為一旦出問題，將影響整個系統的工作。4.1.2網形網絡

圖4-1(b)所示為網形網絡，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絡，又稱為全互連網絡，其中每個地球站皆可經由衛星彼此相互進行通信。

采用網形網絡的優點是：星間鏈路的冗余備份充分，系統可靠度高，可擴展性強；星間鏈路的傳輸帶寬可以很高，數據的傳輸速度快，延遲小，可以實現全球覆蓋。因此，網形網絡比較適合于點到點之間進行實時性通信的應用環境，比如建立單位內的VSAT專用電話網等。但是網形網絡的缺點也很明顯，即網絡結構較為復雜，建造成本高，對于衛星的數量要求較多等。4.1.3混合網絡

在衛星通信網絡中，根據經過衛星轉發器的次數，衛星通信網絡又可分為單跳和雙跳兩種結構。

對于星形網絡，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據的通信，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，因此信號會經歷兩跳的延遲。

在網形網絡中，任何兩個遠端地球站之間都是單跳結構，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絡內各地球站的活動，并按需分配信道。顯然，單跳星形結構是最簡單的網絡結構，而網形網絡結構則是最復雜的網絡結構，它具有全連結特性，并能按需分配衛星信道。

為此，將單跳與雙跳結構相結合，可以得到一種混合網絡，如圖4-2所示。在這種網絡中，網絡的信道分配、監測管理與控制等由中心站負責，但是通信不經中心站連接。該網絡可以為中心站與遠端地球站之間提供數據業務，為各遠端地球站之間提供話音業務。從網絡結構來說，話音信道是網形網，數據信道是星形網，因而它是一種很有吸引力的網絡結構

圖4-2衛星通信的單跳與雙跳混合結構下面結合電話傳輸來介紹衛星通信網與地面通信網之間的連接問題。關于衛星數據通信網與地面通信網之間的連接，由于要涉及到數據傳輸規程與接口等方面的問題，因此將放在VSAT衛星通信網一節中進行介紹。

一個衛星通信系統，當考慮到它與地面通信網連接時，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、中型地球站都是設置在遠離城市的郊區，而衛星通信的用戶和公用網中心都是集中在城市市區。因此，衛星通信鏈路必須通過地面線路與長途通信網及市話網連接，才能構成完整的通信網。在通信過程中，地面網一個用戶的電話信號要經過當地市話網、長途電話網的交換機以及傳輸設備接至地球站，才能經衛星轉發到達另一城市的地球站，再經地面線路進入公用網，最后達到另一用戶，這樣才完成信息的傳輸。4.2衛星通信網與地面通信網的連接4.2.1地面中繼傳輸線路

為保證衛星進行多路通信，應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，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，則應根據衛星鏈路確定，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設一增音站。

同軸電纜具有路際串音小、頻帶寬、容量大等優點。通常用作地面中繼的小同軸電纜是300路系統，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，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。光纜傳輸的優點是：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，傳輸質量高，由于光纖傳輸不像同軸電纜那樣需要相當多的中繼放大器，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，施工的技術難度較大。

因此，線路須視應用的具體要求(有效性、可靠性和經濟性等)而定。實際上，如果用于站內的設備間鏈路(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的工作方式。目前絕大多數地球站采用的是FDM、SCPC、TDMA或IDR(中等數據速率)方式工作。因此地面中繼線路也是分為模擬線路和數字線路?？紤]到今后的發展，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，一類是數字話音插空(TDMA/DSI)，另一類是非數字話音插空(TDMA/DNI)。在實際使用中，DSI設備均以240路為一個單元。為完成與地面模擬通信網的接口，需要進行FDM與TDMA的轉換。這種轉換可使用標準的FDM復接/分接設備后接TDMA復接設備來實現。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復接，如圖4-4(a)所示。也可以用復用轉換器在60路超群接口直接轉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。這種復用轉換器，既能以模擬方式也能以數字方式實現，并可按多種規格設計。實際上，對于2.048Mb/s的信號，通常用一個60路的FDM超群轉換成兩個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.數字地面接口

地球站按TDMA方式工作，地面中繼采用數字線路。

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

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

1)完全同步連接

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

圖4-6TDMA地球站與地面數字線路連接的同步問題(a)完全同步連接；(b)跳幀法連接；(c)碼速調整法連接需要指出，由于衛星的攝動，使其軌道位置偏移，從而導致傳播延遲、信號的幀長和時鐘頻率都將隨之變化(多普勒頻移)。因此，地球站發送信號的幀周期便不可能與接收信號的幀周期相等。結果在地球站內，從中心站來的輸入信號的幀周期與發向衛星的信號幀周期出現了差異。不過，考慮到衛星的位置只是在有限范圍內變化，所以可以通過設置適當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，由于系統內所有的地球站以及所組成的通信網的同步，都從屬于基準站，因此，一旦基準站發生故障就會影響到整個網絡的正常工作，這是它的主要缺點。

2)跳幀法連接

這種方法是中心局與TDMA系統各自保持獨立的幀同步，但幀頻的標稱值是相等的，而且要求其有非常高的穩定性。采用這種方法連接的系統組成如圖4-6(b)所示。其中地球站的發射端設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生微小的偏移。當這種偏移一旦超過某一規定數值時，便強制去掉一幀信息或重復插入一幀信息，這叫做跳幀。采用跳幀法連接，雖然損失了一幀信息，但不會破壞系統的幀同步。

因衛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)碼速調整法進行連接

這種方法使衛星系統的時鐘頻率比地面系統的時鐘頻率略高。在地球站的發送端，當寫入和讀出時差超過某一預定值時，讀出就會暫停，并在衛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，同時將數據流進行勻滑。通常這種方法稱為碼速調整或脈沖填充。其優點是相互獨立同步的兩個數字線路或通信網之間，可以不丟失任何信息完成數字連接。這種連接方法的系統組成如圖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，而且地面通信網中模擬與數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。根據地球站和地面通信網的實際情況，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星進行電視實況轉播時，一般把電視信號從現場送到電視廣播中心，再經長途交換中心送到地球站發向衛星。

在電視的傳輸過程中，地球站內圖像信號是視頻轉接，伴音信號是音頻轉接。所以對傳輸質量的監視是十分方便的。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接，也可以采用中頻轉接方式。

4.3.1VSAT網的基本概念及特點

1.VSAT的基本概念

VSAT(VerySmallApertureTerminal)即甚小口徑天線終端，有時也稱為衛星小數據站或個人地球站(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衛星通信網

而VSAT衛星通信網(簡稱VSAT網)是指利用大量小口徑天線的小型地球站與一個大站協調工作構成的衛星通信網。通過它可以進行單向或雙向數據、語音、圖像及其它業務通信。VSAT衛星通信網是20世紀80年代發展起來的衛星通信網，它的產生是衛星通信采用一系列先進技術的結果，例如大規模/超大規模集成電路，微波集成和固態功率放大技術，高增益、低旁瓣小型天線，高效多址聯接技術，微機軟件技術，數字信號處理，分組通信，擴頻、糾錯編碼，高效、靈活的網絡控制與管理技術，等等。VSAT出現后不久，便受到了廣大用戶單位的普遍重視，其發展非常迅速，現已成為現代衛星通信的一個重要發展方面。

VSAT的發展可以劃分為三個階段：第一代VSAT是以工作于C頻段的廣播型數據網為代表，它在高速數據廣播、圖像和綜合業務傳送以及移動數據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，但系統的控制與運行還是以硬件實現為主；全部以軟件定義的第三代VSAT以采用先進的計算機技術和網絡技術為特征，系統規模大，有圖形化面向用戶的控制界面，有由信息處理器及相應的軟件操控的多址方式，有與用戶之間實現多協議、智能化的接續。

我國從1984年開始成為世界上少數幾個能獨立發射靜止通信衛星的國家，衛星通信已被我國確定為重點發展的高技術電信產業。VSAT專用網和公用網不斷建成投入使用。從我國的國情看，VSAT衛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VSAT產品。現在，VSAT在我國的大量應用方興未艾，必將推動我國衛星通信事業迅速發展。

2.VSAT網的特點與優點

與地面通信網相比，VSAT衛星通信網具有以下特點：

(1)覆蓋范圍大，通信成本與距離無關，可對所有地點提供相同的業務種類和服務質量。

(2)靈活性好，多種業務可在一個網內并存，對一個站來說，支持的業務種類、分配的頻帶和服務質量等級可動態調整；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，不像地面網中受電信部門制約。

(4)互操作性好，可使采用不同標準的用戶跨越不同的地面網，而在同一個VSAT衛星通信網內進行通信；通信質量好，有較低的誤比特率和較短的網絡響應時間。

與傳統衛星通信網相比，VSAT衛星通信網具有以下特點：

(1)面向用戶而不是面向網絡，VSAT與用戶設備直接通信，而不是如傳統衛星通信網中那樣中間經過地面電信網絡后再與用戶設備進行通信。

(2)天線口徑小，一般為0.3～2.4m；發射機功率低，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、支持業務、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、室內單元(IDU)和室外單元(ODU)三部分。

(4)VSAT站很多，但各站的業務量較??；一般用作專用網，而不像傳統衛星通信網那樣主要用作公用通信網。

綜合起來，VSAT通信網具有以下優點：

(1)地球站設備簡單，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備。

(2)組網靈活方便。由于網絡部件的模塊化，便于調整網絡結構，易于適應用戶業務量的變化。

(3)通信質量好，可靠性高，適于多種業務和數據率，且易于向ISDN(綜合業務數字網)過渡。

(4)直接面向用戶，特別適合于用戶分散、稀路由和業務量小的專用通信網。

3.VSAT系統的分類

國際上已有許多公司相繼推出了多種系列的VSAT系統。按照其業務類型和網絡結構等，VSAT系統可以如下分類：

(1)按業務類型可分為三類：以語音業務為主的VSAT系統，如美國休斯網絡系統(HNS)公司的VSAT產品TES(TelephonyEarthStation小型衛星電話地球小站)；以數據業務為主的VSAT系統，如PES(PersonalEarthStation，小型衛星數據地球小站)；以綜合業務為主的VSAT系統，如美國軍方轉型衛星通信系統TSAT(TransformationalSatelliteCommunicationSystem)，日本NEC公司的NEXTAR(明日之星)系統。

(2)按業務性質可分為兩種：固定業務的VSAT系統和移動業務的VSAT系統。

(3)按網絡結構可分為三類：星形結構的VSAT系統，如PES；網形結構的VSAT系統，如TES；星形和網形混合結構的VSAT系統。

特別是這種混合網絡，由于此結構中允許兩種網絡結構并存，則可采用兩種完全不同的多址方式，如星形結構時采用TDM/TDMA方式，而網形結構時采用SCPC方式等。

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

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

(2)按業務類型可分為小數據站、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品都是兼有多種功能，例如美國休斯公司的PES系統以數據為主，兼傳16kb/s聲碼話音，而TES系統則以32kb/sADPCM話音為主，兼傳數據和圖像。

(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)按收發方式可分為單收站和雙向站。

(5)根據調制方式、傳輸速率、天線口徑以及應用等綜合特點，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(數據速率高達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，如LCET、SO/SAT網等。表4-1VSAT的主要特點4.3.2VSAT網的組成及工作原理

1.VSAT網的組成

典型的VSAT網由主站、衛星轉發器和眾多遠端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、調制/解調器以及數據接口設備等組成。

在以數據業務為主的VSAT衛星通信網中，主站既是業務中心也是控制中心。主站通常與計算機放在一起或通過其他(地面或衛星)鏈路與主計算機連接，作為業務中心(網絡的中心結點)；同時在主站內還有一個網絡控制中心(NCC)負責對全網進行監測、管理、控制和維護，如實時監測、診斷各小站及主站本身的工作情況，測試信道質量，負責信道分配、統計、計費等。

由于主站涉及整個VSAT衛星通信網的運行，其故障會影響全網正常工作，故其設備皆有備份。為了便于重新組合，主站一般采用模塊化結構，設備之間采用高速局域網的方式互連。

2)小站

小站由小口徑天線、室外單元(ODU)和室內單元(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)，且結構上不易積冰雪，因此常被采用。室外單元主要包括GaAsFET固態功率放大器、低噪聲FET放大器、上/下變頻器及其監測電路等，整個室外單元可以集成在一起安裝在天線支架上。室內單元主要包括調制解調器、編譯碼器和數據/話音接口設備等。在小站接口設備中，將完成輸入信號和協議的轉換。比如，在話音接口中將標準的公用電話網協議轉換為VSAT網絡協議，而在數據接口中將數據協議(如TCP/IP)轉換為VSAT協議。原有話音、數據相應的協議和地址在VSAT主站的接收端恢復。

室內外兩單元之間以同軸電纜連接，傳送中頻信號和提供電源。整套設備結構緊湊、造價低廉、全固態化、安裝方便、適應環境范圍廣，可直接與數據終端(微計算機、數據通信設備、傳真機、電傳機、交換機等)相連，不需要中繼線路。

3)衛星轉發器

衛星轉發器亦稱空間段，目前主要使用C頻段或Ku頻段轉發器。它的組成及工作原理與一般轉發器基本一樣，只是具體參數有所不同而已。

由于轉發器造價很高，空間部分設備的經濟性是VSAT網必須考慮的一個重要問題，因此，可以只租用轉發器的一部分，地面終端網可以根據所租用衛星轉發器的能力來進行設計。

2.工作頻段

目前，VSAT衛星通信網使用的工作頻段為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，使之開發容易、系統造價低。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，當使用C頻段時，通常采用擴頻技術以降低功率譜密度，減小天線尺寸。但采用擴頻技術限制了數據速率的提高。相反地，如果使用Ku頻段，則具有以下一些優點：

(1)不存在與地面微波通信線路的相互干擾，架設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)可以傳輸更高的數據速率。

雖然Ku頻段的傳播損耗，特別是降雨影響大，但實際鏈路設計時都有一定的余量，鏈路可用性很高。在多雨和衛星覆蓋邊緣地區，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VSAT衛星通信網在使用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)采用直序擴頻技術的微型地球站(MicroEarthStation)，主要工作在C頻段，當其它非擴頻系統工作在C頻段時，則需要較大的天線和較大的功率放大器，并占用衛星轉發器較多的功率。

3.VSAT網的網絡結構

雖然通信經常是雙向的，但是VSAT網絡在很多情況下仍是單向的。用在VSAT網絡中的主要結構有星形結構、網形結構、星形和網形的混合結構、衛星單跳結構、作為遠地終端，如圖4-7所示。

圖4-7VSAT網典型網絡結構(a)星形結構；(b)網形結構；(c)星形和網形的混合結構；(d)衛星單跳結構；(e)作為遠地終端

1)星形結構

這種結構是最通用的VSAT結構方式，如圖4-7(a)所示。VSAT站之間的業務通過中心站(HubStation)進行轉接。Hub站控制著網絡中的業務流量，兩個VSAT站之間不能直接連接。從Hub站送到端站的載波，支持高比特率數據流；而從端站發出的載波，支持中比特率數據流。一個大的Hub站意味著要求端站的規模較小，從而使得總的網絡造價較低。Hub站的規模取決于系統參數和預期網絡的增長情況。

廣播網絡是星形網絡的一種特殊形式，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，這種結構只適用于網絡從Hub到VSAT站的單向業務路由。

在VSAT網中，由主站通過衛星向遠端小站發送的數據，稱為外向(Outbound)傳輸；由小站通過衛星向主站發送的數據，稱為內向(Inbound)傳輸。

2)網形結構

網形結構如圖4-7(b)所示，這種結構使得VSAT可與其它任一端站通信，因而使端站的設備復雜得多。網形VSAT結構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絡監控的網絡控制中心，但它并不使用互作用網絡形成的控制中心。

3)星形和網形的混合結構

圖4-7(c)所示為星形和網形的混合結構，在傳輸話音或點對點通信時采用網形結構(如實線所示)，傳輸數據或點對多點通信時采用星形結構。例如在語音VSAT網中，網絡的道信分配、監控由網絡中心負責，即控制信道是用星形網(如虛線所示)實現的。

4)衛星單跳結構

衛星單跳結構如圖4-7(d)所示，其中VSAT端站作為低速數據的終端或語音業務的網關(Gateway)，用戶終端可以是個人計算機或某商業系統的分支機構。

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(LAN)收集或分配數據。在這種應用中，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網的工作原理

現以星形結構為例說明VSAT網的工作原理。由于主站發射EIRP高，且接收系統的G/T值大，因此網內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，發射的EIRP低和接收G/T值小，必須首先將信號發送給主站，然后由主站轉發給另一個小站。即必須通過小站—衛星—主站—衛星—小站，以雙跳方式完成。而對于網形網絡，各站可以直接進行業務互通，即只需經衛星單跳完成通信。

在星形VSAT網中進行多址聯接時，有多種不同的多址協議，其工作原理也隨之不同。現結合隨機接入時分多址(RA/TDMA)系統為例，簡要介紹VSAT網的工作過程。網中任何VSAT小站的入網數據，一般都按分組方式進行傳輸和交換，數據分段后，加入同步碼、地址碼、控制碼、起始標志及終止標志等，構成數據分組。任何進入網的數據，在網內發送之前首先進行格式化，即每份較長的數據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)組成一個數據分組，在通信網中，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，恢復原來的長報文。

1)外向傳輸

在VSAT網中，由主站通過衛星向遠端小站的外向傳輸(或出境傳輸)，通常采用時分復用(TDM)或統計時分復用技術連續向外發送，即從主站向各遠端小站發送的數據，先由主計算機進行分組格式化組成TDM幀，然后通過衛星以廣播方式發向網中所有遠端小站。為了各VSAT站的同步，每幀(約1s)開頭發射一個同步碼。同步碼特性應能保證各VSAT小站在未糾錯誤比特率為10－3時仍能可靠地同步。該同步碼還應向網中所有終端提供如TDMA幀起始信息(SOF)或SCPC頻率等其它信息。VSAT網外向傳輸的TDM幀結構如圖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據。利用適當的尋址方案，一個報文可以送給一個特定的小站，也可發給一群指定的小站或所有小站。當主站沒有數據分組要發送時，它可以發送同步碼組。

圖4-8VSAT網外向傳輸的TDM幀結構

2)內向傳輸

各遠端小站通過衛星向主站傳輸的數據稱作內向傳輸數據(或入境傳輸)。在VSAT網中，各個用戶終端可以隨機地產生信息，因此內向數據一般采用隨機方式發送突發性信號。通過采用信道共享協議，一個內向信道可以同時容納許多小站，所能容納的最大站數主要取決于小站的數據率和業務量。

許多分散的小站以分組的形式，通過具有延遲的RA/TDMA衛星信道向主站發送數據。由于VSAT小站受EIRP和G/T值的限制，一般接收不到經衛星轉發的小站發射的信號，因而小站不能采用自發自收的方法監視本站發射信號的傳輸情況。因此，利用爭用協議時需要采用肯定應答(ACK)方案，以防數據的丟失。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，應答已成功收到數據分組。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。對一些網形網絡，內向信道用來傳輸網絡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性的幀和時隙，每幀由N個時隙組成。VSAT網內向傳輸的TDMA幀結構如圖4-9所示。各小站只能在時隙內發送分組，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，并在該時隙結束之前完成傳輸。在一幀中，時隙的大小和時隙的數量取決于應用情況，時隙周期可用軟件來選瘛

圖4-9VSAT網內向傳輸的TDMA幀結構在VSAT網中，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，這種統一的定時是由主站在TDM信道上廣播的SOF信息獲得的。TDMA數據分組包括前同步碼、數據字符組、后同步碼和保護時間。前同步碼由比特定時、載波恢復、FEC(前向糾錯)、譯碼器同步和其它開銷組成。數據字符組則包括起始標志、地址碼、控制碼、用戶數據、CRC(循環冗余校驗)和終止標志，其中控制碼主要用于小站發送申請信息。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送申請信息。

綜上所述可以看出，VSAT網與一般衛星網不同，它是一個典型的不對稱網絡。即鏈路兩端的設備不同，執行的功能不同；內向和外向傳輸的業務量不對稱，內向和外向傳輸的信號電平不對稱；主站發射功率大得多，以便適應VSAT小天線的要求；VSAT發射功率小，主要利用主站高的接收性能來接收VSAT的低電平信號。因此，在設計系統時必須考慮到VSAT網的上述特點。3)VSAT網中的交換

VSAT網的業務包括數據、話音、圖像、傳真等。要實現這些業務的傳輸，可以采用不同的交換方式。

在VSAT網中，交換功能由主站中的交換設備完成，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據、突發性數據、主計算機和地面網來的數據。分組交換按照各個分組數據的目的地址，轉發給外向鏈路、主計算機和地面網，這樣可以提高衛星信道的利用率和減輕用戶小站的負擔。對于要求實時性很強的話音業務，由于分組交換延遲和衛星信道的延遲太大，則應采用線路交換。所以當VSAT網對于要求同時傳輸數據和話音的綜合業務網，網內主站應對這兩種業務分別設置并提供各自的接口。當然，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，線路交換機設有主站用戶聲碼話接口，輸入內向鏈路的聲碼話數據，輸出外向鏈路的同步時分復用(STDM)聲碼話數據；分組交換機則設有主站用戶數據接口，輸入內向鏈路的數據，輸出外向鏈路的異步時分復用(ATDM)數據?？梢钥闯觯琕SAT網交換機的特點是數據傳輸速率低，一般為2.4kb/s，而接入的線路數卻可能達到數百條。所以，交換機的輸入內向鏈路與輸出外向鏈路在數目與速率方面也是不對稱的。

綜上所述，VSAT網是一個集線路交換和分組交換于一身的網絡，根據業務性質可將其業務分別與地面程控(線路)交換機和分組交換機相連。對于實時性要求不強的數據(分組數據)，可以進行分組交換以提高網絡的靈活性和利用率；而對于實時數據和話音則應采用線路交換。

圖4-10VAST網主站的交換設備4.3.3VSAT數據通信網

1.VSAT數據通信網的特點

數據通信可用數字傳輸方式，也可用模擬傳輸方式。隨著衛星通信的不斷發展，利用衛星進行數據傳輸越來越廣泛。利用衛星進行數據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)數據傳輸和交換可以是非實時的。

(2)傳輸數據的時間是隨機地、間斷地使用信道。

(3)當突發式傳輸數據時，數據傳送率可以很高，達數千比特每秒。不傳送數據時，數據傳送率為零。因而峰值和平均傳輸速率相差很遠，二者比值可高達數千。

(4)數據業務種類繁多，如數據終端之間的通信、人機對話、文本檢索和大容量的數據傳輸系統。因此要求數據通信網中能容納低速(300b/s以下)、中速(600～4800b/s)和高速(9600b/s以上)多種傳送速率。

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

(6)利用衛星信道的廣播性質進行數據傳輸的衛星通信網一般擁有大量低成本的地球站。

(7)數據傳輸必須高度準確和可靠。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現并予以糾正；而數據通信的計算機一方沒有人介入，所以數據通信要求保證信息的傳輸有極高的準確性和可靠性。為此，在數據通信中經常采用檢、糾錯技術，一般要求報頭差錯率小于10－9，數據段差錯率小于10－7。

2.VSAT數據通信網體系結構

VSAT數據通信網從信道共享的特點來看比較接近本地網(LAN)；從VSAT網的覆蓋范圍來看，又是一個廣域網(WAN)；而從VSAT單結點、無層次的網絡結構來看，其網內路由選擇功能比較簡單，也即其網絡層(第三層)協議功能比較簡單；從星形網絡結構來看，是一種不平衡鏈路結構。所有通信都是一個主站與其它小站之間進行的，據此可得到VSAT數據通信網的協議結構如圖4-11所示。

圖4-11VSAT數據通信網的協議結構可見VSAT數據通信網為數據終端設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。下三層的主要功能及典型通信協議如下：

(1)物理層。對網絡結點間通信線路的機電特性和連接標準進行規定，以便在數據鏈路實體之間建立、維護和拆除物理連接。如目前廣泛使用的接口標準有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，傳送數據幀的同時還傳輸同步、差錯控制、流量控制的信息。其典型協議有HDLC，SDLC，BSC等。

(3)網絡層。控制通信子網進行工作，提供路由選擇、流量控制、傳輸的確認、中斷、差錯及故障的恢復等功能，實現整個網絡系統內連接，為傳輸層提供整個網絡范圍內兩個終端用戶之間的數據傳輸通路。其典型協議如X.25協議。

3.多址協議的確定原則

對于VSAT網，其多址協議就是大量分散的遠端小站通過共享衛星信道，進行可靠的多址通信的規則。衛星數據網多址協議是發展VSAT數據網的關鍵技術。傳統的衛星通信多址協議，如FDMA、TDMA和CDMA，主要是針對話音通信業務設計的，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星信道。這種環境下，信道共享效率和不延遲是最重要的要求，而且可以用復雜的設備來實現。因為站少，每個地球站的成本對整個系統影響不大。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，FDMA和TDMA對于話音和某些成批數據傳輸業務是有效的多址方案。但是對于數據通信網而言，由于數據傳輸業務的突發性，使得若在一般的數據傳輸中仍沿用電話業務中使用的FDMA或TDMA預分配方式，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，因為如果發送數據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網來說，大量分散的小型VSAT站共享衛星信道與中心站溝通。由于這種方式有別于目前通用的衛星通信系統，因此選擇有效、可靠且易于實現的多址協議是保證數據通信系統性能的重要問題。

確定多址協議時應考慮的原則主要如下：

(1)要有較高的衛星信道共享效率，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)在信道出現擁塞的情況下具有穩定性。

(4)應有能承受信道誤碼和設備故障的能力。

(5)建立和恢復時間短。

(6)易于組網，且設備造價低。

目前，VSAT數據通信網采用的多址協議有很多，這些協議是根據系統對信道延遲、系統容量、系統穩定性和復雜性、業務數據類型等方面的不同要求而提出的。根據遠端站報文的入網方式，信道的共享協議可分為固定分配、爭用、預約及混合型協議；按照是否將衛星共享信道劃分成若干固定長度的時隙，將多址協議劃分為分時隙型和非時隙型嚼?。?-2為衛星多址協議分類。表4-2衛星多址協議分類4.固定分配多址協議

固定分配多址協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衛星通信系統，分時隙固定分配方式主要用于TDMA衛星通信系統。

1)非時隙固定分配方式

SCPC/FDMA是最簡單的衛星多址協議，它是將衛星轉發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向衛星，而所需要的突發速率和終端的平均數據速率之間基本上是不匹配的。具有突發性終端的SCPC系統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處理就可以恢復信號，因此抑制了同一頻帶內其它發射的干擾。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據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射突發信號，這種傳輸方式不是一種動態信道共享。在VSAT數據網中，TDMA協議對地球站業務量較大、數據傳輸速率較高的系統比較適合。對于像VSAT這樣一種站數十分多的系統，單純使用TDMA是不合理的，但TDMA是一種很有吸引力的多址協議，尤其是數字傳輸系統為TDMA的實現創造了有利的技術基礎。在VSAT系統中，TDMA是與FDMA及頻率跳變(FH)結合在一起發揮其優點的。系統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上采用TDMA，每個站指定的載波在所分配的時隙內發射，時隙的長短可以按業務量改變，也可以在必要時跳變到另一個載波上指定的時隙內發射。這種多載波的TDMA方式避免使用較大的TDMA載波，降低了小站發射功率和成本，在VSAT系統中廣泛應用。

圖4-12一般隨機多址系統的報文流程圖

5.隨機多址協議

隨機多址協議的特點是網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生“碰撞”。若對于遭受碰撞的報文采用某種適當的“碰撞分辨算法”，最終可以成功地重發。圖4-12所示為一般隨機多址系統的報文流程圖，可以看出，隨機多址規則主要表現為新報文入網和重發(碰撞分辨)算法的結合。

隨機多址協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ALOHA)等協議，分時隙方式包括S-ALOHA(時隙-ALOHA)、CRA(異步分組CDMA)和ARRA(預告重發隨機多址)等協議。

ALOHA協議在第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性區分不同地址。當信號使用擴展系統和ALOHA相結合的多址協議后，分組的抗干擾性增強，系統容量有所提高，并可以提供較好的延遲特性，但增加了設備的復雜性，同時也存在業務量增大后系統穩定性差的問題。

對于CRA來說，其主要特點是系統采用載波和碰撞檢測方法，這種協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，或者說是基于有規則的重發程序和新報文入網規則。它與S-ALOHA不同，不是采用隨機延遲和自由入網。如果碰撞分解程序收斂，則可保證信道能穩定的工作。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有這樣一些優點，且性能優于S-ALOHA，所以這種多址協議也受到了人們的關注，并仍在進一步研究和發展。

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

6.預約多址協議

預約多址是指用戶在發送數據報文前，先發送一申請信號，得到確認后才能發送報文。對傳輸信道而言，這是一種動態按需分配方式。它主要包括非時隙自同步預約和分時隙的R-ALOHA(預約-ALOHA)、TDMA-DAMA和AA-TDMA(自適應TDMA)等協議。

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

R-ALOHA協議可以實現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，但信道的穩定性問題仍未解決，其實現難度要大于S-ALOHA。

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

AA-TDMA，即自適應TDMA，可以看成TDMA協議的改進型，其工作原理與R-ALOHA協議相似。所謂自適應協議，即在輕業務負載下按隨機多址協議工作，當業務量增加時自動地變成預約協議。這種方式的適應性強，但實現起來比較復雜，系統的平均信通利用率在P-ALOHA和TDMA協議之間。

7.多址協議的性能比較

上面描述了一些多址協議，若要評價它們在VSAT網中的性能，則必須結合VSAT網的業務性質和業務模型來分析。從業務性質方面來看，VSAT網主要分為交互型事務處理、詢問/應答型事務處理、敘述/記錄事務處理和成批數據事務處理等類型。

(1)交互型事務處理。這是小規模數據傳輸，這種業務的特點是所傳的數據長度很短，具有突發性，響應時間短，只有2～5s。計算機間的數據交換、文檔編輯等都屬于這種業務。

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

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

(4)成批數據事務處理。它是以字符或二進制格式進行交換的大量數據用戶間的通信，譬如傳真、圖像數據、計算機軟件傳遞等，而且圖像數據和計算機數據性質上的差別還會影響到終端設備的收發方法。高速傳真雖要求寬帶設備，但可以不用精確的差錯控制協議進行傳送，而計算機數據則必須有精確的差錯控制協議。所以成批數據傳輸的特點是數據量較大、傳輸時間較長。

為了比較和評價VSAT網和多址協議的性能，現結合交互型事務處理作一些介紹和討論。

1)VSAT網業務模型

對于交互型事務處理業務，VSAT站產生的報文一般是短的、長度可變的，且平均數率低于多址信道速率(內向傳輸速率)。通常，VSAT網的業務模型大致可用如下兩個參數表示：一個是新報文產生的平均數據速率(字符/秒)，另一個是報文長度分布參數。對于上述VSAT網的幾種常見的事務處理業務，圖4-13給出了它們的平均數據速率與平均報文長度的大致范圍。其中交互式數據處理業務在坐標原點附近，平均數據率較低，報文長度較短。不難理解，圖中的長度分布參數是以平均值表示的。對于具體的特定應用，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分布的。而采用指數分布近似，可以給出最不利的結果。

圖4-13幾種VSAT網通信的平均速率與報文長度的關系

2)性能比較的指標

進行網絡設計時，要根據VSAT網的多址協議的性能來確定究竟選用哪一種協議。為此，了解其評價比較的指標是十分必要的。

(1)延遲、吞吐量S及共享信道的VSAT站數目N。從用戶角度來看，VSAT網多址協議的一個關鍵指標是延遲要短，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%時的數值來表示。

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

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

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

關于多址協議性能比較的方法，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給出了幾種多址協議的部分特性曲線，由圖可以了解各多址協議的相關性能。

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

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

圖4-14幾種多址協議特性曲線(c)總信道業務量與每信道VSAT站數的關系4.3.4VSAT電話通信網

1.VSAT電話通信網的特點

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

(1)通信對象不同。數據通信是人—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。

(2)通信內容不同。在數據通信中，傳輸的是“數據”，即一系列的字母、數字和符號等，而在電話通信中，所傳輸信息的內容是連續的話音，是一種“流型”業務。

(3)對傳輸差錯的要求不同。數據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，在數據通信中，對誤碼率的要求比較嚴格。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說話的內容加以推測，所以對差錯的要求比較低。

(4)組網要求不同。由于話音通信對傳輸實時性要求很強，而衛星通信傳播延遲較長，因此，用戶的要求通常是希望網內任意兩個VSAT小站能夠直接通話而不是經過主站轉發(雙跳會使響應時間超過1s，用戶不易習慣)。這個要求決定了VSAT電話通信網應該采用網形拓撲結構。

2.VSAT電話通信網的話務量分析

設計VSAT電話通信網所遇到的重要問題之一是提供足夠的線路和交換設備，使電話用戶得到適當合理的服務質量。同時，還要避免使用過多的設施而造成費用過高，要做到這一點，工程技術人員就需要知道網路上載送的話務量(或業務量)的某些性質。要使這項工作合乎科學，就有必要有某些客觀的度量方法和某些適當規定的度量單位。

1)話務量(業務量)

話務量又叫話務量強度，是度量用戶使用電話設備頻繁程度的一個重要量，是一個統計平均值。它可分成流入話務量和完成話務量。流入話務量(或呼叫話務量)是指每小時呼叫次數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，則流入話務量為

A=Ct0

(4-1)

而完成話務量則為

Ac=Cct0 (4-2)

其單位為歐蘭(Erlang)，簡記為e。

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

例如，某系統平均呼叫率為200次每小時，而系統平均通話的時間為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，它只考慮因系統不能提供服務而丟失的呼叫，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，沒有接通的次數為CL=C－Cc，則損失話務量為

AL=CLt0=(C－Cc)t0=A－Ac

(4-3)

它與所進行的呼叫話務量之比稱為呼損率B，即

(4-4)

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

顯然，在一個通信系統中，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量而言，信道數越多，則阻塞率就越低，服務等級就越高，但信道效率卻越低。3)忙時

系統的實際話務量是隨機變化的。所謂忙時，是指系統的業務最忙的一小時區間。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。在發生事故或天氣突然變化等情況時，很可能發生標準圖形所不能預測的局部變化。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，垂直標度的單位取決于所考慮的用戶抽樣的規模。一個系統的用戶并不都在忙時打電話，只有一部分業務量集中在忙時。忙時業務量和每天總業務量之比稱為忙時集中系數。例如，每天1000次電話中若有300次是在忙時打的，則忙時集中系數為0.3。一個系統的服務等級要看它在忙時的阻塞率如何，忙時的服務令人滿意，則其他時間就不成問題了。因此忙時業務量是重要的參數，而用24h來平均的每小時業務量是沒有什么意義的。所以，設備的設置是以標準忙時統計為基本依據。至于有時由于沒有預料到的對電話業務的臨時需要，電話網偶然的超負荷，致使服務質量下降也在所難免，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N、話務量A和阻塞率B之間的關系。在衛星通信系統中，電話業務的呼叫過程基本上都滿足下列條件：

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

(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，故可以認為流入話務量和完成話務量近似相等。

(4)各個站的呼叫是隨機發生的，呼叫的占用時長服從指數分布，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，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，故記為B(N，A)。可以看出：

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

(2)衛星通信系統的總體設計經常遇到的問題是：①給定各發射站、接收站和轉發器所允許的阻塞率B，然后根據所傳送的話務量來確定系統所需提供的總信道數(即通信容量)，進一步再確定所需的衛星功率、頻帶以及調制、解調方式；②若由于技術條件限制，只能提供一定數量的信道數N，則根據N及所要求的阻塞率B來限制各站之間的話務量A。

圖4-16歐蘭B公式曲線圖

(3)根據歐蘭B公式列出的函數表稱為歐蘭表。圖4-16是根據歐蘭表作出的A、N、B函數關系曲線族的一小部分。從中可看出：當阻塞率B一定時，話務量愈大，所需信道數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<…。但當話務量超過某一數值后，A和N近似成線性關系，此時，信道效率h=A/N近似為一常數。當信道數N一定時，話務量A愈大，阻塞率B也就愈大。

3.VSAT電話通信網的網絡結構

1)VSAT電話通信網的組成

VSAT電話通信網的組成如圖4-17所示。

2)網絡結構

對于使用靜止衛星的VSAT電話通信網而言，用戶通常要求任意兩個VSAT小站能夠直接通話而不是經過中心站轉發。這一要求決定了VSAT電話通信網的業務子網是網形結構，而控制子網是星形結構。網絡控制中心所在的站被稱為中心站。網絡控制中心負責處理VSAT電話通信網的交換功能，完成網絡的監視、控制、管理、衛星信道頻率分配和系統診斷等。

圖4-17話音VSAT網的組成

3)衛星信道

VSAT電話通信網中通常有如下兩類衛星信道：

(1)業務信道。VSAT電話通信網通常采用電路交換(即線路交換)方式，這是由電話業務的實時性決定的。VSAT電話通信網的業務子網中，業務信道(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方式也有應用，但已逐漸被數字系統所代替。除了按需分配信道資源方式之外，在少數大業務量站間也可分配一定數量的固定預分配(PAMA)信道或分時預分配信道。

(2)控制信道。VSAT電話通信網的控制子網相當于一個數據網。在控制子網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。這種方式技術簡單，造價低廉，因此在實用系統中應用較多。4.3.5VSAT網的總體方案設計

對于VSAT衛通信網系統的設計，要根據用戶的需要，有效地利用衛星資源，以較低的投資達到所要求的通信質量和網絡性能，即性能價格比好。

VSAT網的總體設計主要包括：通信體制的確定、工作頻段的選擇、主站及VSAT規模的確定、典型鏈路的計算、造價評估等。建設VSAT網，首先要進行總體方案設計，要從使用、技術、工程及經濟方面，優化系統網絡構成。

總體方案設計包括使用總體、技術總體、工程建設總體三個方面。

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

(2)技術總體。包括空間段衛星的選擇、地球站的體制論證、衛星鏈路計算、各種參數優化和網絡設計等。

(3)工程建設總體。主要制定建設規范，實施計劃、方法、步驟，開通程序及經費預算。

1.用戶需求分析

“用戶需求書”是VSAT網總體方案設計的依據。用戶不一定了解通信技術，需求書只是從使用角度提出需求的內容、數量和質量等最基本的要求?？傮w方案設計首先應在用戶的配合下，對“用戶需求書”進行研究分析，制定合理的使用總體方案，并且確定技術總體的要求。1)需求內容VSAT網可傳輸數據、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務。要開通某種業務，就必須給地球站配置相應的硬件和軟件設備。也就是說，業務種類越多，地球站就越復雜，體積就大，成本也就高。所以，要綜合多方面因素，比較權衡，區別情況，哪些是主要的業務，哪些是次要的業務，哪些業務必須在VSAT網中解決，哪些業務可在公用網中去解決，這些都要周密調查研究，合理安排。還有，用戶需要建立什么樣結構的網絡，就要搞清網中各業務點之間的距離和業務往來關系，從