純TDMA和TDM/TDMA網絡比較（可靠篇）
——《馬路上的衛星》之九

2020-03-25 01:10:58一席VSAT

衛星與網絡 2020年8期

關鍵詞：故障

+一席VSAT

純TDMA網絡和TDM/TDMA網絡在實現網絡的可靠性上也有很多差別。二者相比，利用純TDMA技術組網能夠更容易獲得最佳的網絡可靠性、健壯性和抗毀性。

1.單一故障點和可靠性

在通信系統中有一個“單一故障點”的概念[1]，其含義是指：如果系統中某一部件的失效會導致整個系統癱瘓的話，那么該部件即被稱作該系統的“單一故障點”。在一個含有多個部件的系統中，單一故障點越多，整個系統的可靠性也就越低。

比如，在圖1所示的一個典型的衛星通信地面站里，如果天線、高功率放大器（HPA/BUC）、低噪聲放大器（LNA/LNB）、上/下變頻器（Up/Down Converter）和調制解調器（Modem）等主要設備都是單機配置的話，那么它們就都是該地面站中的單一故障點。其中任意一個設備發生故障，都將導致整個地面站癱瘓。

在實際應用中，有時對某些地面站（如主站）的可靠性要求非常高。而為了加強可靠性[2]，往往會把這些站點中的關鍵部位都設置成為有冗余設備的熱備份（Hot Redundant）配置，如1:1或2:1熱備份等。這樣，當主用設備發生故障時，處于冗余熱備份狀態的備用設備就能夠立即取代主用設備的工作，繼續支持整個站點的正常運行。

比如圖2所示即為除天線以外，高功率放大器、低噪聲放大器、上/下變頻器和Modem等關鍵設備均配置為1:1熱備份的情況。而在這種情況下，該衛星通信地面站中的單一故障點就只剩有天線這一主要設備了[3]。

單一故障點的概念不僅僅只適用于衛星通信地面站內部，而且還可以推廣到整個衛星通信網絡。即，如果衛星通信網絡中某一站點的失效會導致全網癱瘓的話，那么該站點就被稱作該衛星通信網絡中的單一故障點。而衡量衛星通信網絡可靠性高低的一項重要指標就是看網絡當中是否存在單一故障點？如果存在，又如何消除？

2.TDM/TDMA網絡的可靠性

在一個典型的TDM/TDMA網絡中，主站和VSAT遠端站在Modem（調制解調器）設備上的配置是正好相反的。其中：主站的基本配置是一個TDM調制器和一個TDMA解調器，發射TDM載波并接收TDMA載波；而VSAT遠端站的基本配置則是一個TDMA調制器和一個TDM解調器，發射TDMA載波并接收TDM載波。

圖1 僅有單機配置的地面站

圖2 有冗余熱備份配置的地面站

如圖3，所有VSAT遠端站都只能接收并解調從主站發出的TDM載波，而所有VSAT遠端站發射的TDMA載波也只有主站才能接收和解調。VSAT遠端站則因為只有TDM解調器，沒有TDMA解調器，所以是不能直接接收并解調其它VSAT遠端站發射的TDMA載波的。故TDM/TDMA一般只用于組建星狀網。

這樣在TDM/TDMA星狀網中，所有VSAT遠端站都只能與主站直接互通，而VSAT遠端站之間則不能通過衛星單跳直接互通。倘若VSAT遠端站之間也需要相互通信的話，則必須經由主站轉發，通過衛星雙跳才能實現。見圖4。

顯然，主站在TDM/TDMA星狀網中起著至關重要的作用，因為包括用戶業務、網絡控制和網絡管理在內的所有信息都源于，并且都必須先匯集于主站，然后才能做進一步的處理。而主站一旦失效，整個網絡就必然癱瘓。所以在TDM/TDMA星狀網中，主站就是整個網絡中的單一故障點。見圖5。

也許有人會說，如果我們拼命加強主站的可靠性，把主站里的所有設備都配置成熱備份，甚至把像天線這樣再結實不過的大鐵疙瘩，也都搞一個緊緊挨在主用天線旁邊的熱備份，讓主站萬無一失，那網絡是不是就不會癱瘓了？

其實不然，因為無論在主站內部如何把各種設備都配置成為熱備份（即本地備份），不管主站自身在設備上如何可靠，但設備之外的許多不可控因素，如降雨降雪、地震火災、關機斷電、人為破壞等各種各樣的天災人禍，還是難以預測，甚至不可避免的。而這些因素都有可能導致主站失效，進而使得全網癱瘓。見圖6。

其實不難看出，不單TDM/TDMA星狀網才有這樣的問題，其它衛星通信體制，如SCPC、MCPC、DVB/RCS、TDMA等，以及其它拓撲結構網絡，如網狀網、樹狀網、混合狀網等，都有可能存在單一故障點。而只要存在像主站這樣的單一故障點，整個網絡在可靠性上就都存在嚴重的隱患。因為只要將主站摧毀，整個網絡就會全網癱瘓。只不過像TDM/TDMA這樣通常只有一個主站的、典型的星狀網最具代表性，而解決之道則是在網絡中的不同地點設置多個異地備用的主站。

圖3 TDM/TDMA星狀網

圖4 TDM/TDMA星狀網中的雙跳通信

圖5 主站失效導致星狀網癱瘓

3.純TDMA網絡的可靠性

與TDM/TDMA網絡不同，在一個典型的純TDMA網絡中，所有站點在Modem設備的基本配置上都是一樣的，都是一個TDMA的Modem，即一個TDMA調制器和一個TDMA解調器。所有站點都向同一頻點上分時發射突發載波，并同時在同一頻點上接收來自于其它站點的突發載波。所以，利用純TDMA技術組建的網絡從本質上來講是天然的網狀網，而且是真正的全網狀網。見圖7。

至于說其它拓撲結構的網絡，如星狀網、多星狀網、混合狀網、樹狀網、部分網狀網等，則都是在這樣的全網狀網的基礎上裁剪出來的[4]。

所以，在這樣的純TDMA網絡中，所有站點不僅在Modem的基本配置上，而且在發射和接收載波的性質、頻率和速率上也都是相同的，即所有站點在衛星通信鏈路上和衛星通信網絡中的地位其實都是平等的，并沒有什么主次之分[5]。這就為消除網絡中的單一故障點打下了基礎，創造了條件。因為這就有可能把其中的任意一個站點設置成為主站，甚或把其中的任意幾個站點都設置成為主站。見圖8。

這樣，不管主用主站的失效是由于設備故障等站內原因，還是由于降雨降雪等站外原因造成的，由于還另有一異地備用主站依然在線，可以自動取代主用主站的工作，繼續維持全網的正常運行，所以用戶的業務中心和VSAT遠端站之間的星狀通信（藍色實線），以及VSAT遠端站之間的網狀通信，還都可以繼續保持，不會中斷，從而顯著提高整個網絡的可靠性。圖10、圖11兩圖即為這一原理分別應用于雙主站星狀網和雙主站網狀網時，以網絡拓撲結構來進行描述時的情景。

圖4.6 主站降雨(左)、火災(中)或地震(右)等導致星狀網癱瘓

圖7 純TDMA全網狀網

圖8 純TDMA單主站網絡(左)和雙主站網絡(右)

圖9 純TDMA網絡的雙主站無縫切換

如圖10、11所示，在純TDMA網絡中，由于異地備用主站是始終在線的，所以主用主站和備用主站之間的切換是很輕松而自然的，不僅能夠做到完全自動，而且還可以做到天衣無縫。

不僅于此，倘若覺得只有一個備用主站仍不夠放心，網絡仍不夠可靠的話，則還可以將這一自動的、無縫的切換方式進一步推廣，組建多主站網絡。見圖12。

在純TDMA技術組建的網絡中，由于各個站點都具有相等的地位，所以在不改變Modem硬件的情況下，將任意站點設置成為主站并非難事。而倘若把網絡中的所有站點都設置為主站的話，網絡的可靠性就可以達到最高的水平，因為這樣當且僅當所有站點全都失效時（比如全被摧毀），整個網絡才算真正癱瘓。

4.TDM/TDMA網絡中的主站異地備份

也許有人會問：“那么在TDM/TDMA網絡中，可不可以也通過設置兩個或者多個互為異地備份的主站來消除單一故障點，以提高網絡的可靠性呢？”

當然可以，不過實現方式與純TDMA網絡有很大差別，并且分有縫切換和無縫切換兩種方式，而每種方式則都有不盡如人意的地方。

TDM/TDMA網絡的有縫切換

忽然看到一個白白凈凈的饅頭放到乞丐的碗里，我抬頭一看，原來正是楊公子，他溫藹地對乞丐說，別餓著。乞丐趕緊答謝他。

圖13所示為在TDM/TDMA網絡中實施有縫切換時的異地備用主站方式。

●在平時正常情況下，只有主用主站才在頻點f出境上發射TDM出境載波，而位于異地的備用主站則處于待機或關機模式，不發射任何載波。即備用主站平時是不在線的，不處于入網運行狀態。否則，由于TDM載波為連續載波，而不是像TDMA那樣是突發載波，倘若兩個主站在同一頻點上一起發射TDM載波的話，就會相互干擾了。

●當主用主站失效并停止在f出境上發射TDM出境載波時，備用主站才可以在得到明確的指令之后，開始在f出境上發射備用的出境載波（灰色載波），其參數則與原主用主站發射的TDM載波相同。

圖10 純TDMA星狀網中的異地備用主站切換

圖11 純TDMA網狀網中的異地備用主站切換

圖12 純TDMA多主站星狀網(左)和多主站網狀網(右)

●這樣，所有VSAT遠端站就可以在原來的頻點f出境上，繼續接收到TDM出境載波，而備用主站也可以在頻點f入境上接收到VSAT遠端站的TDMA入境載波，整個網絡的通信業務也就能夠得到恢復了。

這種方式的優點是簡單，VSAT遠端站使用常規的、只有一個TDM解調器的IDU（室內單元）就可以了。

但這種方式的缺點也很明顯，那就是由于備用主站平時處于待機甚至關機狀態，啟動TDM載波的發射以取代原主用主站需要一定時間，而所有VSAT遠端站在通信鏈路層和數據鏈路層上的重新同步，以及在網絡層（如IP）和傳輸層（如TCP和UDP）上的業務恢復也需要花費一定時間，所以整個切換過程是有縫的，其間會發生通信鏈路的中斷，以及用戶業務的丟失。故這種有縫的切換方式對于那些對可靠性和實時性有很高要求的業務和應用，如股票交易、應急通信等，并不有利。

另外還有一個缺點，就是TDM/TDMA系統的主站本就已經十分昂貴，而再建設一個備用主站則會使費用更高，這對于一般的用戶來說還是很難以承受的。

TDM/TDMA網絡的無縫切換

倘若用戶對網絡的可靠性要求很高，不允許出現通信鏈路及業務的中斷和丟失，那就必須采用無縫的主站切換方式了。見圖14。

●與有縫方式不同，在平時正常情況下，除了主用主站在頻點f出境-1發射出一個TDM出境載波并向VSAT遠端站傳輸業務外，備用主站就已經在另外一個頻點f出境-2同時發射出了另一個完全相同的TDM載波（灰色載波）。而每個VSAT遠端站的IDU（室內單元）中也都配置有兩個TDM解調器，可以同時接收并解調這兩個主站發出的TDM載波。

●當主用主站失效并停止在f出境-1上發射TDM載波時，VSAT遠端站仍可利用另一解調器（TDM解調器-2），從f出境-2上接收到備用主站的TDM出境載波，從而繼續保持與業務中心之間的業務通信。

圖13 TDM/TDMA雙主站星狀網中的有縫切換

圖14 TDM/TDMA雙主站星狀網中的無縫切換

這種方式的優點是大大提高了可靠性，可以確保主備主站之間的無縫切換以及通信鏈路上的連續暢通，能夠基本保證用戶的通信業務不發生中斷[6]。

而這種方式的缺點也很明顯，那就是貴。不僅像有縫切換那樣，需要再建設一個昂貴的備用主站，而且VSAT遠端站里的IDU（室內單元）也需要再增加一個TDM解調器，以及相應的Switch（切換器、交換機）等[7]。另外在衛星上，也需要在平時就額外租用一段帶寬，專門分配給備用主站發射備用的TDM載波，以備隨時無縫地取代主用主站的工作。而作為備用，這個TDM載波及其占用的帶寬平時基本都處于閑置狀態，可以說是相當的燒錢。

5.總結

在VSAT衛星通信網絡中，尤其是在以TDM/TDMA為代表的傳統的星狀網中，造成網絡可靠性差的一個主要根源就在于主站，就在于主站往往是網絡中的單一故障點。而提高網絡可靠性的最為有效的措施就是設置兩個或者多個異地備用主站，以消除這網絡中的單一故障點。雖然在傳統的TDM/TDMA星狀網中可以采取這種措施，但相比而言，在純TDMA網絡中設置異地備用主站，不僅更加輕松自然、無縫可靠，而且還更加經濟。

值得一提的是，主站（或中心站）其實是一個概念相當含糊的詞匯，如果進一步細分的話則還有業務中心（Hub）、網絡控制中心（NCC）和網絡管理中心（NMS）等幾種類型的主站。在很多VSAT網絡中，尤其是在TDM/TDMA星狀網中，這些中心往往會被集中設置于同一站點中（如Hub），從而使得網絡的可靠性更加脆弱；但在TDMA網狀網中，這些中心不僅可以輕松地設置多個，而且還可以隨意地分布于不同的站點中，從而使得網絡更加健壯，可靠性和抗毀性能夠得到更進一步的加強。

總而言之，在網絡的可靠性、健壯性和抗毀性上，利用純TDMA技術組網比利用TDM/TDMA技術組網能夠獲得更佳的性能。

注釋

[1]單一故障點的英文為Single Point of Failure。

[2]在衛星通信及其它通信系統中，有一個專門用來研究系統可靠性的專業性指標叫可用度（Availability）。有關可用度有一套非常嚴密和完整的分析及計算方法，感興趣的讀者可另行查閱。而鑒于可用度對于一般用戶來說頗為陌生，且其應用也日漸減少，所以為通俗起見，本文均統一采用可靠性的說法。

[3]這里提到的只是一些主要設備。其它的一些輔助設備，如中頻合路/分路器、中頻電纜、倒換開關、路由器和供電設備等，也都有可能成為地面站中的單一故障點。

[4]詳見《純TDMA和TDM/TDMA網絡比較》“組網篇”。

[5]多頻時分多址MF-TDMA技術的出現，使得在同一TDMA網絡中可以有多路速率不同的TDMA信道；而ACM（自適應編碼調制）技術的出現，則允許在同一TDMA信道中，各站發射載波的編碼調制（MODCOD）方式以及速率也可按需而變且互不不同。但由于所有站點Modem的基本配置依然是“TDMA調制器＋TDMA解調器”，所有站點仍以純TDMA方式時分共享相同的衛星信道，所以各站在通信鏈路層面上的地位依然是完全平等的。

[6]雖然通信鏈路在物理層上可一直保持，但在更高的網絡層和傳輸層上則還存在著其它種類的連接過程，如靜態和動態路由、路由匯聚和更新、負載均衡、握手和超時等等。這些過程也會對網絡的可靠性和業務的連續性造成影響，故也需綜合進行考察。