淺析VSAT衛星寬帶互聯網通信系統的發展

張 燁，龐 京

淺析VSAT衛星寬帶互聯網通信系統的發展

張 燁，龐 京

（國家無線電監測中心北京監測站，北京 100037）

本文對VSAT衛星寬帶互聯網系統進行簡要的技術分析，主要包括系統內部主站與終端的通信交互，以及系統通信的網絡協議結構，并對VSAT系統的核心通信體制DVB-S2標準進行分析說明。

VSAT；DVB-S2；衛星寬帶互聯網

1 引言

隨著全球寬帶互聯網的發展和普及，衛星Ka頻段業務的開發和推廣，VSAT衛星寬帶通信在市場上漸漸興起，也越來越受到用戶的喜愛。

2 VSAT系統概述

VSAT衛星通信系統與其他衛星通信系統一樣，由地球站和通信衛星組成。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）的天線和較大的發射功率，集中包含網絡微機控制系統，這樣可以使小站設備盡量簡化。系統如圖1所示。

圖1 VSAT系統概圖

3 VSAT系統技術分析

3.1 VSAT系統星上通信網絡架構

VSAT系統通信網絡結構如圖2所示。

圖2 VSAT系統通信網絡結構圖

對于星狀網絡而言，下行信道傳輸機制：主站從數據中心接收以隨機順序發送的IP包，并以先入先出的順序利用時分復用方式插入到對應的時隙中，最后以廣播的形式發射下行大載波。所有可接收的遠端小站都能接收到這個廣播流。

每個遠端路由器都有惟一的媒質訪問控制（MAC）地址，廣播數據流利用MAC地址作為識別碼進行編碼，所有的數據都能被遠端路由器接收并準確過濾。同時，下行信道也傳輸來自網絡管理系統（NMS）的控制信息及帶寬的動態分配。

上行信道傳輸機制：上行載波通過回傳信道進行傳輸，載波基于MF-TDMA方式，遠端小站共享衛星帶寬，當有需要更多帶寬時，遠端可以調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。每個遠端小站按指定的時隙發送業務信息，時隙分配即帶寬分配，由主站網絡管理系統指定的QoS限制來分配，同時系統也會根據各小站業務需求，以每秒8次的速度來調整帶寬的分配。如果帶寬需求增加或者減少時，主站給遠端站發送一個新的時間表，在那個載波安排更多或更少的時隙。

網狀連接時，遠端站發送需求信息給主站，主站分析這個需求，然后在適當的TDMA 載波（回傳載波）上分配時隙，并發送新的突發時間安排表給那兩個遠端站。接收遠端站的網狀解調器鎖定那個TDMA 載波，監聽為網狀通信指定的時隙。主站每秒8次分析帶寬需求并進行帶寬分配，快速的帶寬分配和釋放機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，主站給遠端站發送一個新的時間表，在那個載波安排更多或更少的時隙。

當新的網狀遠端站加入網絡時，主站會更新路由和ARP 列表，并組播傳送這個表到所有相關的網狀遠端站，從而縮短網狀連接動態建立的時間。當沒有額外可用帶寬為網狀連接使用時，小站業務可以以傳統星狀雙跳的方式進行通信。當遠端站的第二個解調器發生故障時，業務也能正常工作（以星狀方式），大大提高了遠站的彈性。

3.2 VSAT系統網絡協議結構

按照VSAT對于整個系統的功能來說，VSAT就是通信路由器，一端通過無線信道連接衛星，一端通過以太網連接內部局域網。按照TCP/IP五層模型，VSAT網絡的協議棧結構如圖3所示。

圖3 VSAT網絡的協議棧結構圖

由圖3可知，VSAT提供物理層、數據鏈路層和網絡層三層服務。

物理層：物理層定義了網絡通信線路的實體饋線鏈路標準，任何系統底層都包含物理層結構。同時按整個系統信息的傳輸來看，物理層負責保證前向糾錯（FEC）編碼技術物理無差錯，同時將虛擬信息進行調制或者將物理載波進行解調。

數據鏈路層：包含“數據鏈路控制層”及“衛星信道多址控制層”，前一層控制衛星鏈路的數據，來保證信道上信息的可靠傳輸，主要包括傳輸同步、差錯控制、流量控制等協議。后一層主要對小站或者主站發射的多路載波進行信道管理控制，保證其有序性和正確性。

網絡層：該層主要負責控制通信子網，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，保障系統內網絡正常連接。經由該層將信息傳輸給傳輸層。

VSAT系統種類及產品五花八門，而且隨著技術的發展，設備也隨之更高性能。不管性能變化多快，網絡協議結構不會改變，變化的是承載高速數據的系統處理能力及高效的中轉傳輸能力。

3.3 VSAT信號傳輸及處理技術

（1）壓縮編碼技術：為了提高編碼率，提高帶寬的利用率，系統會對原始數據進行壓縮編碼。目前，在衛星通信系統中使用較多的有連續可變增量調制（CVSD）、自適應差分脈沖編碼（ADPCM）、幾種線性預測編碼、數字話音插空語音、數字電路倍增等技術。視頻編碼技術包括統計編碼、預測編碼、包換編碼、基于分形的編碼、基于模型的編碼、基于區域分割編碼和基于神經網絡的編碼技術等。現有的視頻編碼標準與技術如MPEG-2，MPEG-4，H.264等都提供了較高的壓縮性能，適用于目前高速數據的傳輸。

（2）數字信號調制技術：由于衛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制和檢測方式，即可選用加性高斯白噪聲信道中抗干擾性能強的調制方式。目前VSAT系統，由于數據的龐大化及高速化，需要高階的調制方式進行調制處理，如QPSK，8PSK，16QAM，64QAM等調制方式。

（3）擾碼技術：在發射端使用偽隨機碼序列與數字基帶信號進行模2運算，改變信號原有的統計特性，在接收收端，通過使用相同的偽隨機碼序列調制出基帶信號，按發射端相同的規律進行模2運算，恢復出原數字基帶信號。通過使用擾碼技術便于提取比特定時信息，使數字信號具有偽隨機性，同時對信號進行擴頻，提高安全性。

（4）差錯控制技術：主要用來提高系統抗干擾性以及提升衛星信道通信容量。衛星通信中常用的參錯控制技術在底層協議采用循環冗余交驗（CRC）和前向糾錯（FEC）技術；在高層，分組通過接受和拒絕系統的數據傳輸來提供附加的保護。VSAT系統常用的糾錯編碼方式包括卷積編碼、Turbo編碼、外碼里德-所羅門（RS）碼+內碼卷積碼的級聯編碼、外碼BCH碼+內碼低密度奇偶校驗碼（LDPC）的級聯編碼等。

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

3.4 DVB-S2標準

DVB-S2標準是DVB-S標準的升級版，下面簡要介紹一下DVB-S2標準的技術特點及DVB-S2系統的工作流程。

3.4.1 DVB-S2標準技術特點

作為全新的DVB-S2，和DVB-S相比具有以下的優勢及特點：

（1）DVB-S2采用BCH碼和LDPC（低密度奇偶校驗碼）級聯成新的信道編碼方案和高階調制組合，構成更好的傳輸方案。

（2）DVB-S2頻譜成形中的升余弦滾降系數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）對于不同的業務（SDTV、HDTV、音頻和多媒體）可以采用不同的誤碼保護級別，即用可變的編碼和調制方案（VCM，Variable Coding and Modulation）。

（4）DVB-S只有一個QPSK調制方式，使得衛星傳輸信號的能力受到很大限制。

DVB-S2則將其拓展為多個可以選擇的方式，即QPSK，8PSK，16APSK，32APSK，相應每個調制符號映射的比特數分別為2，3，4，5。這就使得衛星傳輸能力極大地提高。尤其對于直播衛星系統的運營商很有意義，即同樣數目的衛星和轉發器，可以成倍地增加傳輸的信號節目套數。

（5）DVB-S2支持實時多變的自適應編碼調制技術（ACM）。該技術可自動進行編碼和調制優化，隨著環境損耗情況切換高低階調制模式，有效增強了系統抗雨雪衰能力。

3.4.2 DVB-S2的系統流程

DVB-S2系統流程圖如圖4所示。

圖4 DVB-S2系統流程圖

（1）模式適配：模式適配是輸入數據流的接口，用來適配DVB-S2種類繁多的輸入流格式。對于固定編碼調制（CCM）模式來說，模式適配部分，包括對DVB-ASI流（或DVB并行傳輸流）的透明解包和8位循環冗余校驗。

（2）流適配：流適配完成基帶成幀、加擾兩個功能。為配合后續糾錯編碼，基帶成幀需要將輸入數據按固定長度打包（不同的糾錯編碼方案有不同的“固定長度”），不足處則填充無用字節補足。

（3）前向糾錯：前向糾錯采用LDPC（內碼）與BCH（外碼）級聯的形式。

（4）映射部分：映射部分按后續采用的具體的調制方式（QPSK，8PSK，16APSK，32APSK），將輸入的經過前向糾錯的串行碼流轉換成滿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加擾實現能量擴散，以及空幀插入等。

（6）調制：調制部分完成基帶成形和調制。

4 結束語

全球寬帶一體化還在不斷的推進，衛星寬帶通信作為必不可少的一環也將不斷地發展和創新。VSAT通信系統也必將不斷地演化和發展，后期將繼續深入研究VSAT通信系統，繼續研究衛星寬帶互聯網的發展。

[1] 項海格，李斗．走向寬帶化的VSAT衛星通信[J]．世界電信，2001(11):12-15

[2] 程嵐．DVB-S2標準及其在VSAT衛星系統中的應用[J]．系統平臺與網絡通信，2006(3):41-45

[3] 溫小東．VSAT衛星通信監測技術研究[D]．西安電子科技大學，2011

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.07.017

TN927+.2文獻標示碼：A

1672-7274（2017）07-0045-03