純TDMA和TDM/TDMA網絡比較（組網篇）
——《馬路上的衛星》之八

+一席VSAT

星狀網是VSAT行業中比較常見的一種衛星通信網絡。雖然利用純TDMA系統和TDM/TDMA系統都能夠組建星狀網，并且在組網過程中都用到了TDMA技術，但在實際的網絡運行中卻有著很多的不同之處。所以，這里不妨就從星狀網出發，比較一下傳統的TDM/TDMA系統和純TDMA系統在組建VSAT衛星通信網絡上的差別。

一、星狀網定義

所謂星狀網，顧名思義，就是以某一站點為中心，所有其它站點圍繞該中心組建成具有星狀拓撲結構的網絡。圖1所示即為一個典型的VSAT星狀網：

如圖1左所示，在一個典型的星狀網中包含有兩種站型：一種是主站（或中心站）[1]，即通常所說的Hub；另一種是遠端站，即通常所說的VSAT。一般情況下，一個星狀網就是由一個主站和若干個VSAT遠端站組成的（見圖1左）。其中，每個VSAT遠端站都僅與主站通過衛星單跳直接互通，而VSAT遠端站之間則沒有直接的通信關系（見圖-1右中的VSAT-A和VSAT-D）。倘若VSAT遠端站之間也有業務往來，需要進行通信的話，則必須經由主站，通過衛星雙跳才能間接互通（見圖1右中的VSAT-B和VSAT-C）。

二、純TDMA系統基本組網和網絡變換

正如在本系列《純TDMA和TDM/TDMA網絡比較》之一“基礎篇”中所介紹的那樣，在純TDMA網絡中，由于包括主站和VSAT遠端站在內的所有站點都在同一路頻率信道上發射和接收載波，所有站點都能夠同時通過衛星單跳直接互通，所以純TDMA網絡實際上是個天然的網狀網，而且地地道道是真正的全網狀網（True Mesh &Full Mesh，見圖2）[2]。

圖1 星狀網示意圖

圖2 純TDMA系統全網狀網

需要特別注意的是，這里純TDMA的全網狀網或真網狀網是在每個站點只配備了1個Modem（即只有1個調制器+1個解調器）的情況下實現的，而不是像某些VSAT系統那樣需要在每個站點由多個Modem，或由1個調制器加上多個解調器“搭”出來的。對這一差別清晰而準確認識對于順利理解后續的延伸分析是相當重要的，所以最好不要有半點兒模糊。

所以，當用純TDMA技術組建星狀網時，網絡建設和管理人員所要做的工作實際上是要去掐斷VSAT遠端站之間業已存在的通信鏈路，人為地去禁止VSAT遠端站之間直接互通，“裁”出一個具有星狀拓撲結構的網絡（圖3）。而相應的措施和手段則有多種多樣，比如在硬件配置上有意地減小VSAT遠端站的天線尺寸和功放功率，或在軟件上通過NMS網絡管理系統對網絡結構進行勾畫，或通過許可證（License）管理對站點的拓撲功能進行限制等等。

既然在純TDMA系統中，網絡的形狀是“裁”出來的，那么除了星狀網，當然也就能夠裁出其它形狀的網絡，如部分網狀網、雙主站星狀網、多主站星狀網、混合狀網、樹狀網、格狀網、星座網等（見圖4-圖7）。

所以說，利用純TDMA系統可以靈活組建包括點到點、點到多點、多點到多點、星狀、全網狀、部分網狀、單主站、多主站、混合狀、樹狀、格狀、星座狀等在內的各種拓撲結構網絡。這對于用戶來說就會帶來很大的便利，不僅可以滿足項目初期的組網需求，而且還能隨時隨地對網絡進行升級、改造或擴展，將星狀網轉變成為其它任意拓撲結構網絡，以適應用戶將來的應用變化和發展需要。

比如在搶險救災的應急通信中，領導和首長會時常親赴前線，在前方甚至現場地區開展指揮工作（見圖8）。這時，領導和首長的所在之處就是一個臨時的指揮中心和業務中心，而位于這一中心的衛星通信地面站則很自然地就成為了一個臨時的主站。由于是應急通信，所以這個主站的地點事先是無法預知的，它既可能是某個已經建好的固定站，也有可能是某部被臨時調往前線的車載站或便攜站。于是在這種情況下，在局部地區和部分站點之間，甚至在全部地區和所有站點之間就會出現網狀的通信需求，即在衛星通信網中的遠端站點之間也需要直接互通。

圖3 純TDMA網狀網“裁”為星狀網

圖5 純TDMA雙主站星狀網（左）和多主站星狀網（右）

圖6 純TDMA混合狀網（左）和樹狀網（右）

此時，純TDMA系統就可以充分發揮靈活組網和快速應變的優勢，在不增加硬件設備的情況下，迅速對網絡的拓撲結構進行重新配置和修改，讓領導和首長所處的臨時指揮和業務中心與其它任意站點乃至所有站點，都能夠不經主站轉發，就可以通過衛星單跳直接互通，從而有力地支持應急通信工作的開展，圓滿完成搶險救災的指揮任務。

三、TDM/TDMA系統基本組網和網絡變換

相比之下，在TDM/TDMA網絡中，TDMA載波則是只由VSAT遠端站發射并只由主站接收，而主站發射的其實是TDM載波并只由VSAT遠端站接收，所以VSAT遠端站僅與主站之間存在直接的通信關系，組成的網絡其實是個天然的星狀網（見圖9）。

顯然，TDM/TDMA系統的這一特點使其最適合于那些本身應用即為星狀的網絡。而且，由于TDM/TDMA系統的主站相當昂貴，VSAT遠端站卻非常便宜，所以幾十年來都常常被用于組建大型的、每個VSAT遠端站的業務量都較少的、稀路由的星狀網，如超市連鎖店、加油站等網絡。但是，倘若主站和VSAT遠端站之間，以及VSAT和VSAT遠端站之間的通信關系發生了變化，出現了新的要求，還用TDM/TDMA星狀網來支持就會出現問題了。

3.1 傳輸時延

如圖-3.2所示為TDM/TDMA星狀網中兩個VSAT遠端站之間的相互通信。由于在每個VSAT遠端站里，IDU室內單元[3]中Modem的基本配置都是“1個TDM解調器+1個TDMA調制器”，都只能接收主站發出的TDM載波，所以不管是從VSAT-A到VSAT-B，還是從VSAT-B到VSAT-A，在每個方向上都需要經過衛星兩次（雙跳）才能到達對方，而完整的一次往返過程則一共需要經歷衛星4跳。如果每一跳的衛星傳輸時延按250～270毫秒計算的話，則整個通信過程就會超過1秒鐘。這對于那些對傳輸時延有很高要求的實時性業務，如話音、視頻會議、雷達數據、VHF和數字集群通信等都是十分不利的。

圖7 純TDMA格狀網（左）和星座狀網（右）

圖8 純TDMA系統VSAT衛星應急通信網

圖9 TDM/TDMA系統星狀網

而具體到搶險救災的應急通信應用，在TDM/TDMA星狀網中，當領導和首長位于前線某個VSAT遠端站時，其它VSAT遠端站向領導和首長的所有匯報，以及領導和首長下達給其它VSAT遠端站的所有指令，都必須經由主站通過衛星雙跳才能間接完成（見圖11）。如此長的傳輸時延勢必造成響應緩慢和反應遲鈍，很容易引起前后方人員之間相互搶話。這對于那些本來就已心急如焚，但對衛星通信卻并不太熟悉和習慣的領導和首長來說，一定會造成明顯的不適。

3.2 帶寬占用

另外，相比于全網狀網中的單跳互通，TDM/TDMA星狀網中的雙跳傳輸還意味著某一VSAT遠端站的業務在傳送到另一個VSAT遠端站時會兩次占用衛星帶寬。例如，假設在VSAT-A和VSAT-B之間召開雙向的IP視頻會議，如果采用的視頻圖像的編碼率為768kbps，包含IP包頭等額外開銷之后每路視頻的帶寬約為1Mbps的話，則在純TDMA網狀網和TDM/TDMA星狀網中所需要消耗的衛星帶寬分別如下表所示。

即相比于純TDMA網狀網，傳統的TDM/TDMA星狀網在這種情況下需要付出兩倍帶寬的代價。

3.3 升級改造

所以，要想減少VSAT遠端站之間的傳輸時延并節省衛星帶寬，就必須把星狀網升級改造為網狀網，讓遠端站之間也能通過衛星單跳直接互通，而方案之一就是在VSAT遠端站中增加TDMA解調器（見圖12）。

圖10 TDM/TDMA星狀網中的雙跳通信

圖11 TDM/TDMA系統VSAT衛星應急通信網

如圖12所示，在遠端站VSAT-A和VSAT-B的IDU室內單元中，原本都只有1個TDM解調器，都只能接收和解調主站發出的TDM出境載波。經過升級改造以后，在每個VSAT遠端站的IDU中都再增加1個或多個TDMA解調器，使其還能同時接收和解調其它VSAT遠端站發出的TDMA載波。這樣，VSAT遠端站之間就能夠通過衛星單跳直接互通，整個網絡也就從星狀網升級成為網狀網了。

不過這里有幾點需要注意，雖然升級的原理看似簡單，但在實際實施中卻有可能會復雜得多，設備的改造并不一定僅僅是增加一個TDMA解調器，而是還有可能牽扯到其它方面。

射頻配置。

例如，為了降低VSAT遠端站的費用，在傳統的TDM/TDMA星狀網中往往會把主站做得很大，如天線的口徑配置為4.5米、7.3米，甚至16米，HPA高功率放大器的功率配置為400瓦、700瓦，甚至3000瓦等。這樣，由于VSAT遠端站僅需與主站通過衛星單跳互通，所以射頻的負擔和壓力就可以大幅減輕，即使天線和功放的配置很?。ㄈ?.6～1.2米和0.5～2瓦），也不會感到吃力，也足夠使用。

但如果想要對網絡的結構進行改造，由星狀網升級為網狀網，VSAT遠端站之間也要通過衛星單跳直接互通的話，那么原來的小口徑天線和小功率功放就不夠用了，也需要改造，必須更換成更大口徑天線（如1.8～2.4米等）和更高功率功放（如8～20瓦等）。這樣一來，不僅工程上會很麻煩，工程量會增加許多，而且改造的費用也無疑會大幅增長。

一跳半。

另外，在TDM/TDMA網絡的升級改造中還有一個需要注意的地方。如果不是所有VSAT的IDU室內單元中都加裝了TDMA解調器，而是只有部分站點加裝，則會在網絡中出現一跳半（1.5跳）的情景（見圖13）。

如圖13所示，在VSAT-A中加裝了TDMA解調器，所以在VSAT-B至VSAT-A的方向上，傳輸是不必經由主站轉發的，通過衛星單跳即可直接到達；而在VSAT-A至VSAT-B的方向上，則由于VSAT-B并沒有加裝TDMA解調器，還是只有TDM解調器，所以傳輸還是必須經由主站轉發，通過衛星雙跳才能間接到達。這樣一個方向上為單跳，另一個方向上仍為雙跳，兩向平均就出了個奇葩的“1.5跳（一跳半）”，而相應的網絡也不是真正的網狀網，而是半網狀網，在傳輸時延和帶寬占用上仍然存在問題。

單一故障點。

還有，在純TDMA網狀網中是可以設置兩個或多個主站及異地備份主站的。這樣，當主用主站由于如降雨降雪、設備故障等原因而無法發揮作用時，其它的備用主站可以自動接管網絡的控制和管理工作，繼續維持全網的正常運行，而VSAT遠端站之間的連接則可仍然保持不斷，依然能夠直接互通。就是說，在TDMA網狀網中可以通過在不同地點設置兩個或多個互為異地備份的主站，消除網絡中的單一故障點，從而使得整個網絡不會因為某一站點（如主站）失效而完全癱瘓（見圖14左）。

圖12 TDM/TDMA星狀網（左）升級為網狀網（右）

圖13 TDM/TDMA半網狀網1.5跳（一跳半）通信

相比之下，在一般的TDM/TDMA星狀網中則只設置有一個主站，所以存在單一故障點。即使把網絡升級改造為網狀網，VSAT遠端站之間的業務可以不必再經主站轉發即可互通，但由于所有站點都必須在主站的控制和管理之下才能正常運行，所以倘若主站失效，整個網絡還是會癱瘓，而VSAT遠端站之間也就無法再進行什么網狀網的通信了（見圖14右）。

四、總結

從以上對雙跳、單跳和1.5跳的分析中可以看出，用TDM/TDMA技術雖然也能實現VSAT遠端站之間的互通，雖然也能組建網狀網或半網狀網，但卻需要通過占用更多衛星帶寬和增加站點硬件配置才能“搭”出來。與此類似的情況也同樣出現在采用SCPC和MCPC等頻分多址技術的組網中，而這與采用純TDMA技術，在每個站點只需1個Modem的情況下即可“裁”出任意拓撲結構網絡是很不相同，甚至完全相反的，因而也就成為區別純TDMA系統和其它VSAT系統的一個最為鮮明的特點。

后記

TDM/TDMA系統的主站相當昂貴，而其優勢則是VSAT遠端站的價格能夠很低，堪稱衛星通信市場中最便宜的VSAT。所以TDM/TDMA系統特別適合于支持大規模的、稀路由的星狀網應用?？墒钱斢脕碇С制渌W型應用時，經過東一搭和西一擴，不僅其原有的VSAT價格優勢會被削弱，而且在帶寬的利用上也會很難堪，這就與其追求經濟性的原始初衷背道而馳了。相比之下，采用純TDMA系統反而會更加輕松自如，能夠在業務質量、帶寬占用和站點費用等整體性能上表現出更大的優勢。

圖14 純TDMA（左）和TDM/TDMA網絡（右）中的單一故障點

另外，純TDMA系統所具有的先天的全網狀網的特點，還使其在組建LEO（低地球軌道）或MEO（中地球軌道）衛星星座，以及“LEO+MEO”或“LEO+GEO（靜止地球軌道）”等混合型衛星星座時，都具有天然的優勢和巨大的潛力。因為從太空中觀察，這些星座網絡所呈現出的拓撲結構就是網狀網、格狀網或混合狀網，而無論其星間鏈路和星地鏈路之間的通信關系為何種拓撲狀態，都盡在純TDMA的之中。（見附圖1）

備注：

[1]：在絕大多數傳統的基于TDM/TDMA體制的VSAT星狀網中，主站（Hub）不僅是網絡的業務中心，而且還是網絡的控制中心和管理中心，即主站集業務、控制和管理中心于一身。但是在純TDMA網絡中，這三種中心卻可以分布在不同的站點中，不必非在一起不可。而這則又是純TDMA網絡和傳統的TDM/TDMA網絡的另一主要不同之處。

[2]：注意這里所說的網狀網指的是真正的網狀網（True Mesh）或全網狀網（Full Mesh），其意是指網絡中的所有站點均能同時通過衛星單跳進行雙向互通。在這里，“所有”、“單跳”、“同時”和“雙向”等條件缺一不可（見附圖2）。

有些人把單跳與網狀網混為一談，以為只要兩個遠端站能夠通過衛星單跳互通就是網狀網了，其實這種觀點并不正確。比如在附圖-1.2中所示的網絡里，當VSAT-A與VSAT-C通過衛星單跳互通時，其它站點之間（如VSAT-B和VSAT-D等）就不能再互通了。除非VSAT-A掐斷與VSAT-C的通信，其它站點之間才能再建立連接（如VSAT-B和VSAT-D）。所以，這本質上還是點到點通信，是若干個點到點連接的搭建，這與真正的全網狀網是不可同日而語和相提并論的。

[3]：由于VSAT遠端站中的基帶處理部分并不僅僅只有調制和解調功能，并不僅僅是個Modem，而是還經常內置有IP路由、TCP加速、包頭壓縮和QoS（服務質量）等其它一些功能，所以往往被稱作IDU室內單元（Indoor Unit），或衛星路由器。

[4]：在某些廠家的TDMA（或MFTDMA）系統中，要求VSAT遠端站都必須能夠自發自收。即，遠端站在接收主站信號的同時，還必須能夠通過衛星自環收到自己發出的信號，以實現網絡同步、時延和頻率校準、上行功率控制等功能。這樣，即使網絡中業務的拓撲結構為星狀，VSAT遠端站之間并不需要通過衛星單跳直接互通，但由于每個站點均需自發自收，在天線和功放上仍要按照網狀進行設計和配置，所以其拓撲結構在物理本質上還是網狀的。

附圖1 真網狀網，全網狀網

附圖2 LEO、LEO+MEO和LEO+GEO星座衛星通信網

附圖3 假網狀網