VSAT卫星通信网

第4章卫星通信系统,教学目标：4.1VSAT卫星通信网的基本概念及其特点4.2VSAT数据通信网4.3VSAT电话网,教学重点与难点,1.重点：VSAT网的组成及工作原理2.难点：VSAT数据通信网协议,课题引入,现在大家每天都要上网聊天，收发文件，查找资料，玩游戏等。“一网天下知”、“无网不入”、“无网而不胜”，可以说现在已经进入到了网络社会，无论工作和生活都和网络息息相关。大家对Ineternet已经非常熟悉了，那么大家请思考这两个问题：1.Ineternet和卫星通信网有什么区别与联系？2.卫星通信网的结构与原理是什么？,所谓通信网，就是将各种通信设备互连在一起的通信网络。通信网也可描述为由各个通信节点(端节点、交换节点、转接点)及连接各节点的传输链路组成的互相依存的有机结合体，以实现两点或多个规定点间的通信。从物理结构或硬件设施方面看，通信网由终端设备、交换设备和传输链路三要素所组成。,所谓卫星通信网，就是利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在地球站之间进行通信的网络。它具有全球覆盖的能力，不仅能够保证高传输速率和较宽的带宽，而且支持灵活的、大规模的网络结构。卫星通信网不但可以作为地面网络的补充和完善，而且可以单独构成天基卫星网络，使得来自陆地、海洋、天空乃至于太空的信息流能够顺利通过卫星网络传输。,根据使用目的和要求的不同，可以组成各种不同的卫星通信网。例如，根据卫星在轨高度，可分为GEO卫星通信网、MEO卫星通信网和LEO卫星通信网；根据通信用途，可分为民用卫星通信网和军事卫星通信网；根据服务范围，可分为国际卫星通信网、国内卫星通信网、区域卫星通信网，等等。对于大量分散、稀路由、低速的数字卫星通信系统，还可组成VSAT(甚小口径天线终端)卫星通信网。根据业务性质、容量和特点的不同，组成的网络结构也将有所不同。本章主要介绍VSAT卫星通信网的基本概念与原理，以及典型的卫星通信网络系统。,VSAT发展背景饿及阶段,1.发展背景自从1847年电话诞生以来，电信业务得到了迅速的发展，但即使在发达国家大容量的网络也仅限于有限的区域，对大多数发展中国家来说，电信网络的质量和普及率还很低。80年代引人的VSAT技术能较快地解决此问题，它不仅能为无地面线路可用的区域提供服务，而且在性能、提供的业务种类、可用度、传输成本、扩容成本等方面都能与地面线路进行竞争。,VSAT的迅速发展还得益于80年代计算机的大量普及和计算机联网需求的大量增加。由于相当多的计算机通信业务是在一个主计算机与许多远端计算机之间进行的，而VSAT网能非常经济、方便地解决地面通信网很难处理的这种点对多点寻址;加上当时的VSAT已综合了许多新的技术(如分组传输与交换技术、高效的多址接续技术、微处理器技术、协议的标准化、地球站射频技术、天线的小型化及高功率的卫星等)，因此，SAT从80年代开始得到了迅速的发展，成为卫星通信中发展最快的一个领域。,VSAT的三个发展阶段,从VSAT的发展来看，可以分为三个阶段1.初期阶段主要指1980年以前及以后2年。在此阶段，VSAT以采用C波段为主要标志，并且只能提供单收和低速数据业务。2.第一代VSAT指1983年一1988年这一时期的VSAT产品。此阶段的VSAT以采用Ku波段和星形结构进行数据传输为显著标志，并开发了一些新的多址方式。3.第二代VSAT指1988年到90年代中期。此阶段，VSAT已从单纯数据型向数据、话音、图形等综合业务方向转化，并且开始采用网状结构。,1.1军用卫星通信的发展概况,“运筹帷握要耳聪目明，决胜千里需信息通畅”。确保战场信息获取将是未来战争制胜的关键。通信卫星在陆、海、空、太空作战中起着连接枢纽的关键作用，是军队指挥员的千里眼、顺风耳。使用单颗通信卫星可以覆盖地球表面的三分之一，使用性能相同的三颗静止地球卫星，就可以覆盖除两极之外的整个地球，实现全球通信。卫星通信具有覆盖范围大、通信距离远、传输质量高、通信容量大等优点，因此，它在保障协同作战，一体化联合作战、信息化战争中具有举足轻重的作用。,利用卫星通信系统，把分散在海、陆、空和太空的情报侦察、预警探测、导航定位等各类信息系统融合成统一、高效的军事信息网络系统，使各种作战力量均能利用该网络实时监视战场态势，实施联合作战，较好的将信息优势转化为作战优势。两伊战争的实践证明，卫星通信在情报获取、作战行动决策、战场态势感知、联合作战等方面都发挥了重要的作用，由卫星提供的通信业务占整通信量的90%以上。,美国是最早把卫星用十军事通信的国家，目前美国拥有世界上最先进的军用卫星通信网，主要包括国防卫星通信系统(DSCS)、超高频后续星(UFO)、军事星系统(MILSTAR)、全球广播服务系统(GBS)等，并且为伴随装备了20多种卫星通信终端设备，基本实现了对战区内所有作战目标的指挥、控制与协调。21世纪以来，卫星通信作为天基信息网的神经中心，在信息化战争条件下对战争的胜负起着至关重要的作用，各军事大国纷纷加强对军事卫星通信和卫星军事应用技术的研发力度。,美国卫星网,国防卫星通信系统(DSCS)，包括5颗同步卫星，是美国空军运转时间最长的卫星系统,我国的卫星网,我国自20世纪60年代中期，开始着手军事卫星通信技术的研究，经过几十年的研究，目前我国已经初步形成六大卫星系列:“东方红”通信卫星广播卫星系列、返回式遥感卫星系列、“风云”气象卫星系列、“实践”科学探测与技术试验卫星系列、“资源”地球资源卫星系列、“北一斗”导航定位卫星系列。我国的军用卫星通信系统由十受到综合国力和经费投入的影响，与发达国家军队相比，还有较大差距。虽然先后发射了多颗C波段军民供用卫星，初步建立以中央地球站为枢纽，包括大军区、军兵种地球站的军事卫星通信网，但从整体上看，军用卫星通信的规模、技术的先进程度还远落后十发达国家。,“北一斗”导航定位卫星,“北一斗”二号卫星系列,侦察卫星(ReconnaissanceSatellite),侦察卫星(ReconnaissanceSatellite)通常是指用于获取军事情报的人造地球卫星，广义的侦察卫星包括利用光电式遥感器或无线电接收机等侦察设备，从轨道上对目标实施侦察、监视、跟踪，以搜集地面、海洋或空中目标的情报。侦察设备记录目标反射或辐射的电磁波、可见光、红外信号，用胶卷、磁带等存储于返回舱内，在地面予以回收，或者利用无线电传输方式即时或延时将资讯传到地面接收站。收到的信号经处理、判读而产生有价值的情报。,侦察卫星的核心技术,侦察卫星的核心技术是遥感技术。遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线对目标进行探测和识别的技术。现代遥感技术主要包括资讯的获取、传输、存储和处理等环节，缺一则不能形成有效率的系统。具有上述功能的全套系统称为遥感系统，其核心组成部分是获取资讯的遥感器。遥感器的种类很多，主要有：可见光照相机、电荷耦合（CCD）相机、电视摄影机、多光谱扫描器、成像光谱仪、微波辐射计、合成孔径雷达等。,早期发射的侦察卫星是“返回式照相侦察卫星”，该型卫星上装有光学摄影机与大型胶卷盒，胶卷拍摄完了之后，回收舱回到地球己方所能控制的地区，回收胶卷盒，然后把照片洗印出来，才能进行判读与运用情资。这类“返回式照相侦察卫星”所得到的已是几天甚至十几天前的资讯，无法掌握最新情况。,美国是世界上第一个拥有即时传输照相侦察卫星的国家，1971年发射的“大鸟”照相侦察卫星，兼有胶卷回收和即时传输双重功能。此后发射的“即时传输型侦察卫星”，有KH-11照相侦察卫星及其改进型的KH-12卫星和“长曲棍球”雷达成像卫星。前苏联1982年底以后发射的照相侦察卫星、以色列1995年4月发射的“地平线3号”卫星、法国1995年7月发射的“太阳神1A”卫星都属于即时传输照相侦察卫星。此外，一些国家的地球资源卫星如美国的“陆地卫星”、法国的“斯波特（Spot）”卫星、日本的地球遥感卫星、印度的地球资源卫星、加拿大的雷达卫星等，也具有即时传输遥感资料的能力。,美国KH-12侦察卫星,我国于1999年10月14日与2000年9月1日，分别发射入轨的“中巴地球资源卫星”“中国资源二号”卫星，皆属于“即时传输型遥感卫星”，系的第二代侦察卫星。,合成孔径雷达（SAR）,合成孔径雷达（SAR）是一种主动式微波遥感成像系统，它依靠自身发射的电磁波而不是借助地面目标反射光成像，因此不论在白天或黑夜都可以工作。由于雷达发射的是微波，可以穿透云雾雨雪，因而不受气象条件的影响；而且这种雷达波对植被、干沙、土壤、冰块等地物也有一定的穿透能力。因而合成孔径雷达能透过植被和松散土层获取植被覆盖的地面影像，对干沙穿透的深度可达几十公尺，而能揭露伪装，发现隐蔽的武器装备和地下设施。此外，这种雷达采用合成孔径技术和脉冲压缩技术，所以能获得高分辨率的雷达图像。如美国陆续升空的“长曲棍球”雷达成像侦察卫星，获取的图像几何分辨率可达1公尺左右。,“资源二号”侦察卫星是一种非常先进的“现场直播”式的实时侦察卫星。就是其上的传输遥感器不用胶片感光，而是利用高技术摄象机拍摄冻结的电视画面。这在军事上可以更快的获取敌方的情报。中国的侦察卫星上的合成孔径雷达非常先进，在海湾战争中是美军取胜的亥心高技术之一，被美国人讲的神乎其神，但在中国却被用于都江堰水利建设和西北沙漠防治。,如果美国在将来的台海战争中企图干预，它会发现它在全球的军事调动都在中国侦察卫星的掌握中，他的航空母舰和驱护舰(包括台湾的)都在100米以上，中国的侦察卫星可随时发现它们，在中国近海，利用侦察卫星定位指挥，用大量的远程反舰导弹和潜艇攻击，美航母很难抵挡！同样，美日台空军的F15，F16，B2，130，C141中国都能发现它们在基地的增加和减少。在未来的台海战争中，中国完全有能力监视和切断台湾空中和海上的军事运输能力。还有钓鱼岛，南沙，中国的卫星在高高的太空睁着大大的眼睛就像妈妈在看着自己的孩子一样，虽然她现在还不是十分强大，还因为这样那样的原因没有收回这些土地，但她一刻也没放松对这些地方的注视，所有的侵略活动她都看的一清二楚，总有那么一天，这些失去的领土都会回到母亲的身边。,中国的侦察卫星还能发现地下的建筑，台湾所有建在地下的军事工程，中国都能发现，中国的军事情报专家们每天都在研读从太空发回的各种信息，台湾的军事部署对大陆而言，没有多少秘密可言。中国还拥有发达的气象卫星和电子侦察卫星，用卫星收集对方的雷达通信等电子信号，为电子干扰提供基本资料，另一方面，它通过测定无线电信号的发射方位，可以对对方部队和舰艇随时跟踪和定位。,目前，中国的“资源”和“尖兵”系列，已经具备全天候和米级分辨率。“北斗”导航系统是中国自己的GPS，与美国的GPS，俄罗斯的“格洛纳斯”系统，并称全球三大定位系统，这也是体现大国力量的重要标志。虽然现在的北斗只是二维定位系统，并且只能在亚太使用，但这足以为中国管理一个强大的全球定位系统提供必要的经验，在此基础上，只要在补发3颗地球同步定位星和3颗运行于地球两极间高轨道的移动星，或者补发3颗地球同步定位星和9颗三组在特定轨道运行的移动星，即可构成完善我们的全球定位系统。目前从经济技术方面中国都不是问题.,反卫星武器,中美都具有摧毁卫星的能力。实现反卫星作战的技术途径有：核能反卫星、卫星反卫星、动能武器反卫星、定向能武器反卫星和航天飞机反卫星。,4.1VSAT卫星通信网的基本概念及其特点,VSAT是英文“VerySmallApertureTerminal”(甚小口径终端)的缩写，简称小站。它是国外20世纪80年代发展起来的一个卫星通信新领域。所谓VSAT，是指一类具有甚小口径天线的智能化小型或微型地球站。这类小站可以很方便地安装在用户处。通常，大量这类小站与一个大站协同工作，构成一个卫星通信网，能够支持范围广泛的单向或双向数据、话音、图像及其它综合电信及信息业务。它的出现，是一系列先进技术综合运用的结果。其主要特点有：(1)设备简单，体积小，重量轻，耗电省，造价低，安装、维护和操作简便。,(2)组网灵活，接续方便。(3)通信效率高，性能质量好，可靠性高，通信容量可以自适应，适于多种数据率和多种业务类型，即能够传输综合业务，便于向ISDN过渡。(4)可建立直接面对用户的直达电路，它可以与用户终端直接接口，避免了一般卫星通信系统信息落地后还需要地面线路引接的问题。,(5)集成化程度高，智能化(包括操作智能化、接口智能化、支持业务智能化、信道管理智能化等)功能强，可无人操作。(6)VSAT站很多，但各站的业务量较小。(7)有一个较强的网管系统。(8)独立性强，一般用作专用网，用户享有对网络的控制权。(9)互操作性好，可使采用不同标准的用户跨越不同地面网而在同一个VSAT网内进行通信。,5、3VSAT分类及特点分类方式：（1）按安装方式固定式、车载式、机载式、手提式、船载式等等,（2）按主要业务分类小数据站、小通信站、小电视单收站（TVRO）（3）按网络结构分类星型结构、网型结构、混合结构（4）按收发方式分类单收、单发、双向（5）按业务性质分类固定业务、移动业务（6）按支持的业务类型分类其他分类法：根据天线口径、调制类型、传输速率等因数分类例如超小型终端USAT系统，天线口径小到0.25米,4.2VSAT数据通信网,4.2.1VSAT数据网的组成及工作原理1.VSAT网的组成典型的VSAT网是由主站、卫星和许多远端小站(VSAT)三部分组成的，通常采用星形网络结构。其示意图如图4.1所示。,图4.1VSAT网构成示意图,(1)主站(中心站)。主站又称中心站(中央站)或枢纽站(HUB)，它是VSAT网的心脏。它与普通地球站一样，使用大型天线，其天线直径一般为3.58m(Ku波段)或713m(C波段)，并配有高功率放大器(HPA)、低噪声放大器(LNA)、上/下变频器、调制解调器及数据接口设备等。主站通常与主计算机放在一起或通过其它(地面或卫星)线路与主计算机连接。,主站高功率放大器的功率要求与许多因素有关，例如，通信体制、工作频段、数据速率、发射载波数目、卫星特性以及远端接收站的大小及位置等。其额定功率一般为数百瓦(最小1W，最大达数千瓦)。当额定功率为110W时，一般采用固态砷化镓场效应管(GaAsFET)放大器；当额定功率为10250W时，一般采用行波管放大器(TWTA)；而当它为5002000W时，一般采用速调管放大器。例如，采用610个发射载波的C波段11m地球站，HPA的功率约为300W。,(2)小站(VSAT),VSAT小站由小口径天线、室外单元（ODU）和室内单元（IDU）组成。VSAT天线有正馈和偏馈两种形式，正馈天线尺寸较大，而偏馈天线尺寸较小、性能好（增益高、旁瓣小），且结构上不易积冰雪，因此常被采用。,VSAT小站的室外单元(ODU)主要包括固态功率放大器、低噪声放大器、上/下变频器及其检测控制电路等模块的电子成套设备。室外单元的组件紧密地集成在一起，其结构防水、易散热、便于安装，通常设置在天线馈源附近。,室外单元（ODU）,至IDU,室内单元（IDU）,来至ODU,室内单元(IDU)，分数据为主和话音为主的两种类型，主要包括：1、信源编码器波形编码器。最常用32kbit/s的ADPCM(自适应差分脉码调制)方式，这种编码方式在保证高质量的话音性能前提下，与普通PCM编码方式相比，可使频带压缩一半，如NEC的NEXTAR-VO系统。参量编码器。常用的有CELP(码激励线性预测)，速率4.816kbit/s；RELP(残余激励线性预测)，速率4.8kbit/s、9.6kbit/s、16kbit/s，如休斯公司的TES系统。,2、回波抵消设备3、话音激活设备4、调制解调器VSAT小站功率带宽受限，通常采用功率和频带利用率较高的QPSK或BPSK调制方式。它们都是成熟、性能优良的实用技术。5、差错控制设备主要采用前向纠错编码(FEC)技术。目前普遍采用1/2码率，K=7的卷积编码，以及维特比算法译码，可使系统获得35dB的编码增益。,6、图像压缩编译码器会议电视系统，未压缩前的比特率为36.5Mbit/s，压缩后1.52Mbit/s；可视电话由5.2Mbit/s压缩到56kbit/s。有关的压缩技术标准有JPEG、H.261、MPEG等。常用的图像压缩标准是H.261，会议电视系统压缩后的最低码率为384kb/s。MPEG-2主要用于广播电视部门对音视频信号进行数字化处理，如数字视频广播、高清电视传输等。,7、接口设备如数据端口、话音接口、LAN接口、串行接口等。8、监控器每个VSAT终端配置一个监控器，用以监视和控制设备的状态和信道，保持网络管理系统和控制信道处于良好状态。它可以监视室外单元、也可以监测小站内的信道单元。,室内外单元之间通常以同轴电缆连接。室内和室外单元通常采用固化部件，便于安装与维护，整套设备结构紧凑、造价低廉、环境要求低，可直接与数据终端连接。,(3)卫星转发器卫星转发器又称为空间段，一般采用工作于C或Ku波段的同步卫星透明转发器。在第一代VSAT网中主要采用C波段转发器，从第二代VSAT开始，以采用Ku波段为主。具体采用何种波段不仅取决于VSAT设备本身，还取决于是否有可用的星上资源。卫星转发器造价很高，空间部分设备的经济性是VSAT网必须考虑的一个重要问题，因此，可以只租用转发器的一部份，地面终端网可以根据所租用卫星转发器的能力来设计。,VSAT的工作频段,C频段电波传播条件好、降雨影响小、可靠性高、小站设备简单、可利用地面微波成熟技术、开发容易、系统费用低。由于与地面微波线路干扰问题，功率通量密度不能太大，限制了天线尺寸进一步小型化。而且在干扰密度强的大城市选址困难。C波段通常采用扩频技术降低功率谱密度，以减小天线尺寸。但采用扩频技术限制了数据传输速率的提高。,Ku频段与C频段相比，不存在与地面微波线路互相干扰问题，架设时不必考虑地面微波线路而可随地安装。允许的功率通量密度较高，天线尺寸可以更小，传输速率可更高。天线尺寸一样时，天线增益比C频段高610dB。因此，目前大多数VSAT系统主要采用Ku频段。,VSAT按波段分类C波段VAST，6/4GHz，一般C频段VSAT站的天线口径为2.4m、1.8m、1.2mKu波段VAST，14/12GHz，一般天线口径1m左右，如1.2m、1m、0.75m、0.6mKa波段VAST，30/20GHz，天线口径0.6m甚至更小在相同的条件下（例如相同的频段、相同的转发器条件）话音VSAT网的小站为了实现小站之间的直接通信，其天线明显大于只与主站通信的数据VSAT小站。,主站发射功率大于小站主站的天线尺寸比小站大得多主站的具有网络管理和控制的功能,VSAT系统主站与小站的比较,按照通信方式，VSAT系统可分为单向和双向VSAT系统。单向VSAT系统VSAT只具有单向传输功能。一般是单向接收，数据广播系统。图像和数据等信号从中心站传输到许多单收VSAT终端。如证券公司的数据信息发布系统。也有单向发送，数据采集系统，比如新闻数据采集系统，气象数据采集系统。,单向VSAT数据广播系统,单向VSAT新闻数据采集系统,双向VSAT系统VSAT与主站，或VSAT与VSAT之间可进行交互通信，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。如电话传输用的VSAT系统。主战发送给VSAT的信号称为外向(outbound)传输或出境。VSAT发送给主站的信号称为内向(inbound)传输或入境。,双向VSAT系统,5.2.2VSAT网的网络结构,VSAT卫星通信网常见的有星形网、网状网、混合网(1)星形网(Starnetwork)通常由一个主战对应若干小站组成，小站只能和主站通信，小站之间通信要通过主站，要经过双跳形式才能通信。,卫星VSAT星形网的组成和路径,星形网是以传输数据业务为主的系统。点到多点的单向星形网。广播式网络由主站向远端VSAT小站传输数据、图象、电视等业务，而不需要VSAT小站向主站回传业务信息。数据采集式网络则各VSAT将信息数据分别发送给主站，然后由主站综合处理。点到多点的双向通信星形网。以主站为中心，与各个远端VSAT小站构成星形通信网。主站既可以向全网广播公共信息，也可以分别与各个VSAT小站以“单跳”方式进行双向通信。各小站之间不能直接通信，一定要经过主站转接，增加了传输信息的时间。,(2)网状网(Meshnetwork)网状网允许任何两个VSAT地球站之间进行直接通信。它是无中心的分散的网络结构，但一般会选一个站作为主控站，对全网进行监控和管理，主控站不作业务转接。网状网是以话音通信为主的系统。适合于话务量较大，各远端站之间通信业务较多的情况。在这种网络结构中，任何两站之间的通信不会出现“两跳”问题，避免了双跳时延。,卫星VSAT网状网的组成和路径,(3)混合网(Hybridarchitecture)星形网与网状网的混合体。网形结构：实时性要求高的业务，如话音点对点通信星形结构：实时性要求不高的业务，如数据点对多点通信系统的信道分配，设备性能的监控、计费等由主站来完成（集中控制）,星形网最适合于广播、收集等进行点到多点的通信应用环境，主要用于数据传输。小站天线口径比较小，但网络时延比较大。网形网适合于点到点之间进行实时性通信的应用环境，主要用于话音传输。没有双跳时延，但VSAT小站天线口径很难进一步缩小。混合网最适合于点到点或点到多点之间进行综合业务传输的应用环境。对卫星资源的利用率比较高，网络比较大，传输业务范围比较广，适合于既有话音业务又有数据业务的情形。但网络结构比较复杂。,2.VSAT系统工作原理,1)外向(Outbound)传输在VSAT网中，主站向外方向发射的数据，也即从主站通过卫星向小站方向传输的数据，叫作外向传输数据。外向信道通常采用时分复用(TDM)或统计TDM技术连续性地向外发射，即从主站向各远端小站发送的数据，由主计算机进行分组格式化，组成TDM帧，通过卫星以广播方式发向网中所有远端小站。为了各VSAT站的同步，每帧(约1s)开头发射一个同步码。同步码特性应能保证各VSAT小站在未纠错误比特率为110-3时，仍能保证可靠地同步。该同步码还应向网中所有终端提供TDMA帧的起始信息(SOF)。,图4.2TDM帧结构,在TDM帧中，每个报文分组包含一个地址字段，标明需要与主站通信的小站地址。所有小站接收TDM帧，从中选出该站所要接收的数据。利用适当的寻址方案，一个报文可以送给一个特定的小站，也可发给一群指定的小站或所有小站。当主站没有数据分组要发送时，它可以发送同步码组。,2)内向(Inbound)传输各远端小站通过卫星向主站传输的数据叫作内向传输数据。在VSAT网中，各个用户终端可以随机地产生信息。因此，内向数据一般采用随机方式发射突发性信号。采用信道共享协议，一个内向信道可以同时容纳许多小站，所能容纳的最大站数主要取决于小站的数据率。许多分散的小站，以分组的形式，通过具有延迟S秒的RA/TDMA卫星信道向主站发送数据。由于VSAT本身一般收不到经卫星转发的小站发射信号，因此不能用自发自收的方法监视本站发射信号的传输情况。因而利用争用协议时，需要采用肯定应答(ACK)方案，以防止数据的丢失，即主站成功收到小站信号后，需要通过TDM信道回传一个ACK信号，宣布已成功收到了数据分组。如果由于误码或分组碰撞造成传输失败，小站收不到ACK信号，则为失败的分组，需要重传。,图4.3TDMA帧结构,RA/TDMA(随机分配/时分多址)信道是一种争用信道，可以利用争用协议(例如S-ALOHA)由许多小站共享TDMA信道。TDMA信道分成一系列连续性的帧和时隙，每帧由N个时隙组成。VSAT网内向传输的TDMA帧结构如图4-9所示。各小站只能在时隙内发送分组，一个分组不能跨越时隙界限，即分组的大小可以改变，但其最大长度绝不能大于一个时隙的长度。各分组要在一个时隙的起始时刻开始传输，并在该时隙结束之前完成传输。,在VSAT网中，所有共享RA/TDMA信道的小站都必须与帧起始(SOF)时刻及时隙起始时刻保持同步，这种统一的定时是由主站在TDM信道上广播的SOF信息获得的。TDMA数据分组包括前同步码、数据字符组、后同步码和保护时间。前同步码由比特定时、载波恢复、FEC(前向纠错)、译码器同步和其它开销组成。数据字符组则包括起始标志、地址码、控制码、用户数据、CRC(循环冗余校验)和终止标志，其中控制码主要用于小站发送申请信息。后同步码可包括维特比译码器删除移位比特(Veterbidecoderflushingoutbit)。小站可以在控制字段发送申请信息。,综上所述可以看出，VSAT网与一般卫星网不同，它是一个典型的不对称网络。即链路两端设备不同；执行的功能不同；内向和外向业务量不对称；内向和外向信号强度不对称，主站发射功率大得多，以便适应VSAT小天线的要求。VSAT发射功率小，主要利用主站高的接收性能来接收VSAT的低电平信号。因此，在设计系统时必须考虑到VSAT网的上述特点。,2、VSAT系统的工作原理(总结)双跳方式由于小站EIRP较小，星载转发器增益有限，小站之间的通信必须以：小站卫星主站卫星小站的方式（双跳方式）完成。VSAT网通常采用随机分配/时分多址（RA/TDMA）方式。TDMA的帧结构：信息分组（包）的概念：在TDMA通信网中传输的信号，在计算机的处理下，要分成固定长度的段落（报文），每段报文要加上必要的地址和控制信息，并按规定格式排列起来形成信息“分组”或称信息“包”。VSAT系统的同步：由于采用时分多址方式，系统必须同步。同步是由主站以广播的方式向系统内所有小站发送帧起始信息（OSF）来完成的。（1）、外向传输：主站卫星小站（2）内向传输：小站卫星主站,5.3VSAT业务类型及应用,除了个别宽带业务外，VSAT卫星通信网几乎可支持所有现有业务，包括话音、数据、传真、LAN互连、会议电话、可视电话、低速图像、可视电话会议、采用RF接口的动态图像和电视、数字音乐等。VSAT网可对各种业务分别采用广播（点多点）、收集（多点点）、点-点双向交互、点-多点双向交互等多种传递方式，充分说明了VSAT的灵活性。,按通信业务性质，VSAT系统可分为(1)数据传输系统主要以传输数据为主例如证券公司用的信息发布系统、银行系统用的资金结算系统等，它们都是以传送数据为主，通常是分组交换网。典型的小型地球站为美国休斯公司的PES系统。数据速率异步最大19.2kbit/s，同步1.264kbit/s。,(2)话音传输系统主要以传输话音为主。例如稀路由电话系统、专用电话通信网等，它们都是以传送话音为主，通常是电路交换网。典型的话音VSAT系统为美国休斯公司的TES系统。它采用频分多址的单载波单路(SCPC)体制，按需分配多址(DAMA)方式，话音速率为9.6kbit/s、16kbit/s、32bit/s，数据传输速率为4.864kbit/s。,(3)综合卫星业务网系统主要以综合业务为主的VSAT系统该类VSAT系统可以用作数据传输、语音传输、会议图像传输、图文传输等，典型的综合业务VSAT系统为日本NEC公司的NEXTAR系统。数据传输速率9.6kbit/s2Mbit/s。分为多种系统，适合话音传输、交互式数据传输、数据广播等多种业务。,5.4VSAT数据通信网,5.4.1卫星数据网的主要特点数据传输和交换可以是非实时的。传输数据是随机地、间断地使用信道。峰值和平均传输速率相差很远。数据业务种类繁多。一般采用分组传输方式。数据广播网中，地球站成本低、数量多。数据传输必须高度准确和可靠。,4.2VSAT网络体系结构,VSAT通信网为数据终端设备相互连接提供通道，按OSI参考模型，只提供下三层服务。物理层链路层网络层,4.3多址协议对于VSAT网，其多址协议就是大量分散的远端小站通过共享卫星信道，进行可靠的多址通信的规则。卫星数据网多址协议是发展VSAT数据网的关键技术。传统的卫星通信多址协议，如FDMA、TDMA和CDMA，主要是针对话音通信业务设计的，主要目的是追求信道容量和吞吐量达到最大，适合于大型地面站共享高速卫星信道。这种环境下，信道共享效率和不延迟是最重要的要求，而且可以用复杂的设备来实现。因为站少，每个地球站的成本对整个系统影响不大。信道分配可以采用固定分配或利用某种控制算法的按需分配，,FDMA和TDMA对于话音和某些成批数据传输业务是有效的多址方案。但是对于数据通信网而言，由于数据传输业务的突发性，使得若在一般的数据传输中仍沿用电话业务中使用的FDMA或TDMA预分配方式，则其信道利用率会很低，即使是使用按需分配方式也不会有很大改善，因为如果发送数据的时间远小于申请分配信道的时间，则按需分配也不是很有效的。对于VSAT网来说，大量分散的小型VSAT站共享卫星信道与中心站沟通。由于这种方式有别于目前通用的卫星通信系统，因此选择有效、可靠且易于实现的多址协议是保证数据通信系统性能的重要问题。,确定多址协议时应考虑的原则主要如下：(1)要有较高的卫星信道共享效率，即吞吐量要高。(2)有较短的延迟，其中包括平均延迟和峰值延迟。(3)在信道出现拥塞的情况下具有稳定性。(4)应有能承受信道误码和设备故障的能力。(5)建立和恢复时间短。(6)易于组网，且设备造价低。,目前，VSAT数据通信网采用的多址协议有很多，这些协议是根据系统对信道延迟、系统容量、系统稳定性和复杂性、业务数据类型等方面的不同要求而提出的。根据远端站报文的入网方式，信道的共享协议可分为固定分配、争用、预约及混合型协议；按照是否将卫星共享信道划分成若干固定长度的时隙，将多址协议划分为分时隙型和非时隙型,表4-2为卫星多址协议分类。,表4-2卫星多址协议分类,4.固定分配多址协议固定分配多址协议包括非时隙和分时隙这两种固定分配方式，其中非时隙固定分配方式主要用于SCPC/FDMA和CDMA卫星通信系统，分时隙固定分配方式主要用于TDMA卫星通信系统。,1、频分多址(FDMA)在VSAT系统中用的最多的是单载波单路SPSC，即每一个小站分配一个信道。特别是在以传输话音业务为主的VSAT系统中，大量采用SCPC方式，与按需分配相结合，可以大大提高卫星信道利用率。典型代表为美国休斯公司的话音地球站（TES,TelephonyEarthStation）系统。,优点：技术成熟，设备简单，造价低廉。与按需分配(DAMA)方式结合，端站增减、业务扩容都比较方便。相比多路复用FDMA方式，各地球站发射功率大小仅与本站发射的载波（信道）数有关，与整个VSAT系统的信道数（即系统总通信量）无关。业务量小的地球站可以发射较小的功率，从而降低了小站的成本。,缺点：卫星转发器的多载波会不可避免地导致互调产物产生，使得转发器降低功率工作，转发器的功率利用率比较低。小站天线直径较大，Ku波段为1.2m1.8m，C波段为1.8m2.4m。当C波段工作在大城市时由于地面微波干扰严重，选址不方便。,2、时分多址(TDMA)此体制特别适合于网络容量大、地球站少的情况。它的缺点是随着地面站数目的增加，将导致延迟增长很快。VSAT这种站数多的系统单纯使用TDMA方式是不合理的。VSAT系统中，TDMA是与FDMA以及频率跳变结合在一起共同发挥优势，即FDMA-TDMA方式。避免使用较大的TDMA载波，降低了小站发射功率和成本。典型代表为日本NEC公司的NEXTAR系统。,优点：TDMA是一种先进的系统，能更充分、更方便、更有效的使用各种数字技术。无互调干扰，转发器可以工作于饱和状态，其功率利用率比较高，可达90%以上。与按需分配(DAMA)方式相结合，信道利用率高，系统容量大。网中各站发射或接收所用的频率和时隙均可调整，灵活性好，扩容方便。缺点：必须做到全网准确地同步，这就相应提高了设备和系统的复杂度，成本也随之加大。,3、码分多址(CDMA)适用于传输速率较低的业务，用于较小的系统，尤其是军用通信系统，也可用于广播式系统中。主要用于C波段，常用方案是直接序列扩频(DSSS)。典型代表为GTEspacenet公司的产品，其数据广播采用CDMA方式。,优点：抗干扰能力强。扩频增益很大，大大降低了功率谱密度，减小了与地面微波及邻星之间的干扰，特别是C波段地面微波干扰较多的地区，抗干扰非常有效。降低了网络峰值功率要求，且隐蔽性好。可降低C波段天线口径，用1.2m天线即可实现双向通信，单收站只需0.6m天线。小站简单、造价低。内向采用CDMA避免了碰撞问题，且对过载不敏感,缺点：频带利用率低，一般仅为百分之十几，网络容量较小。设备比较复杂，接收方对每个VSAT发送站都需要相应的解调设备，不适合话音通信。,随机多址(RA)纯ALOHA(P-ALOHA)方式,纯ALOHA是一种完全随机多址方式。每个地球站有一个发射控制单元，它将数据分成若干段，每段加上报头和报尾构成一个数据分组，每次以分组的形式高速发射数据。在纯ALOHA系统中，任何站只要有数据要发射，随时都可以发射，然后等待一段时间（电波往返传播时间），如果该站在这段时间内收到对方应答信号，就认为发射成功，否则必须重发。,卫星分组通信原理,由于在纯ALOHA方式中对用户发送数据分组的时间未加以任何限制，因此对任一分组而言，只要有其他站发射分组，便会在信道上发生“碰撞”现象。,ALOHA方式的应用特点系统结构简单，全网不需要定时和同步，用户入网方便，无需协调。当业务量较小时具有良好的通信性能。吞吐量低。由于存在碰撞现象，其吞吐量（即有效传输的数据率）较低，最高吞吐量也只能达到网络容量的18.4%。存在信道不稳定性。即当信道业务量较小时，信道利用率随业务量增加而增加，但当业务量增大到一定的程度时，吞吐量反而减小，信道利用率下降，极端情况吞吐量降为零。,例：ALOHA网络采用9600kbit/s的数据率，则总的最大吞吐量为0.1849600kbit/s=1766kbit/s且这1766kbit/s的容量必须由所有用户共享,时隙ALOHA(S-ALOHA)方式,时隙ALOHA是一种时分随机多址方式。它是将信道分成许多时隙，每个时隙正好传送一个分组。时隙的定时由系统时钟决定，各站控制单元必须与此时钟同步。各站只允许在时隙始端开始发射。因此，一旦发生碰撞就是完全重叠，完全碰撞。最大信道利用率可达36.8%，相比纯ALOHA方式增加一倍，但全网需要定时和同步，设备比较复杂，且仍存在信道不稳定性问题。,业务量,吞吐量,捕获效应ALOHA(C-ALOHA)方式,在ALOHA方式中，由于卫星转发器所接收的两个分组功率相同，因而发生碰撞情