基于VLAN 的多信道衛星通信地面系統設計

陳艷麗，王一帆

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.大連理工大學，遼寧 盤錦 124221）

0 引 言

衛星通信作為一種無線通信方式，在通信業務領域占據重要地位。相對于短波、超短波通信，衛星通信具有覆蓋范圍廣、通信距離遠、通信頻帶寬以及傳輸容量更大等優點，可實時傳遞信息，在通信領域發揮非常重要的作用。隨著技術的發展，需要處理的信息越來越多，要求衛星通信系統具有容量大、信息傳輸速率高、不易受干擾以及不易被截獲等能力，這就需要大力發展新技術[1-2]。文章從衛星通信的特點出發，概述多信道通信技術和虛擬局域網（Virtual Local Area Network，VLAN）技術，分析多信道衛星通信系統應用中存在的問題，提出一種基于VLAN 的多信道衛星通信地面系統的設計方法，并深入分析系統的工作原理和信息流程。

1 多信道通信技術與VLAN 技術概述

1.1 多信道通信技術概述

隨著我國信息化建設的腳步不斷加快，多信道通信技術被應用于實際網絡，有效地保證了網絡通信的有效性、可靠性和安全性，同時大幅度提高網絡通信的吞吐量[3]。多信道通信技術的應用主要是減少信息在傳輸過程中受到外部因素的影響。在應用多信道通信技術之前，大多采用節點通信，每2 個節點之間分別建立獨立的傳輸信道，關系過于單一，信息在傳輸的過程中易受其他節點限制，影響數據通信質量。多信道通信技術允許同時使用多個不同的信道進行信息的發送和接收，應用多信道通信后，能夠大大降低各個節點之間的影響，增強系統的健壯性。此外，多信道通信技術的應用可以提高信道的容量，保證信息在傳輸中的速率，從而進一步提高系統效率[4]。然而，多信道通信技術的使用存在一定的弊端。這種弊端主要是與單信道通信相比，多信道通信技術的通信協議和網絡拓撲結構較為復雜。

1.2 VLAN 技術概述

VLAN 是利用交換機虛擬劃分功能將網絡劃分成邏輯上相互獨立的子網，進一步達成虛擬工作組的一種網絡交換技術[5]。每一個VLAN 組成一個邏輯子網，可以覆蓋多個網絡設備，允許處在不同地區的網絡用戶加入任意一個邏輯子網，處在一個邏輯子網中的成員可直接通信，而處在不同邏輯子網之間的成員則需要通過VLAN 間路由相互通信。

根據每一端口對應連接的計算機而動態改變設定的VLAN 稱為動態VLAN。動態VLAN 可大致分成3 類。一是基于用戶的VLAN，根據交換機每一端口對應連接計算機上當前登錄的用戶，決定端口所屬VLAN；二是基于子網的VLAN，通過端口對應連接計算機的網際互連協議（Internet Protocol，IP）地址，決定端口所屬VLAN；三是基于媒體存取控制地址（Media Access Control Address，MAC） 的VLAN，通過端口對應計算機網卡的MAC 地址，決定端口所屬VLAN[6]。根據事先固定劃分的VLAN 稱為靜態VLAN，是明確指定每一端口屬于哪個VLAN 的一種設定方法，又被稱為基于端口的VLAN。就現階段VLAN 技術發展的實際情況而言，針對VLAN 的劃分多采用基于端口的VLAN 和基于子網的VLAN 兩種，基于用戶的VLAN 和基于MAC 的VLAN 兩種劃分方式作為輔助使用。

2 多信道衛星通信中存在的問題

多信道衛星通信作為一種重要的通信方式，在全球范圍內為用戶提供語音、數據、視頻等多種業務。然而，在多信道衛星通信系統的運行過程中，受各種因素的限制，實際應用中存在著一些技術和管理上的問題。

多信道衛星通信技術的特點是多個信道傳輸的業務以并行的方式工作，多信道所傳輸的業務間易引起相互干擾，應在各信道之間設立隔離帶，保證各路業務互不干擾，單純運用傳統路由器很難完成不同信道間的業務完整隔離[7]。

同時，與單信道衛星通信相比，多信道衛星通信中多個衛星信道的業務接入實現復雜、設備體制多樣、端口數量眾多以及設備狀態多變，有可能會引發控制混亂等問題。

3 多信道衛星通信地面系統的設計方案

3.1 系統架構

基于VLAN 的多信道衛星通信地面系統架構如圖1 所示。

圖1 基于VLAN 的多信道衛星通信地面系統架構

多信道衛星通信地面系統由綜合業務系統、主控設備、業務交換機、管理交換機以及衛星信道設備等組成。綜合業務系統為用戶提供信息增值應用，支持IP 綜合數據業務使用衛星通信網以廣播或組播的方式傳輸。主控設備可以預先處理應用消息，并實現協議格式轉換、網間路由以及流量控制等功能，對業務接入控制、狀態收集上報等消息進行封裝及轉換，保證各類業務可以使用衛星通信傳輸網進行信息交互。業務交換機通過劃分VLAN 實現隔離傳輸各衛星信道設備的業務數據、隔離傳輸業務類數據和控制類信息。管理交換機用于匯聚鏈路狀態、網絡狀態及流控信息。衛星信道設備主要實現物理層、數據鏈路層相應的功能，保證信息使用合適的模式進行高速可靠傳輸，以標準的MAC層數據幀格式與上層設備進行交互。其中，衛星信道設備的種類和數量可靈活配置，采用VLAN技術隔離多種衛星信道設備，綜合業務系統、主控設備和衛星信道設備間通過內部協議實現狀態交互，可滿足用戶按需選擇通道的要求。綜合業務系統按平臺號選擇通道，由主控設備執行選路，各衛星信道設備通過管理VLAN 分別向綜合業務系統分別上報設備狀態信息。通過通道號、信道類型、鏈路狀態等信息的自動交互，減少人工干預，提高衛星通信地面系統的易用性。

3.2 實現方法

系統主控設備具備同時向多個綜合業務系統提供數據傳輸服務的能力，綜合業務系統同一時間段內可以接入多個衛星通信網節點。首先，主控設備在各個VLAN 發送通道通告報文，供各個衛星信道設備獲知所處的通道；其次，各個信道設備通過解析通道通告報文獲知所處的通道，建立通道和設備的映射關系，并通過管理交換機上報設備狀態；再次，主控設備根據通道與衛星信道設備的映射關系，將信道設備狀態映射為平臺狀態并上報給綜合業務系統；最后，綜合業務系統根據平臺狀態選擇信道并在該信道上發送應用消息。

衛星通信網作為通信傳輸手段，工作在數據鏈路層，根據各平臺的MAC 地址進行尋址，提供2 種接入方式：一是交換口接入方式，主要特點為對接入數據進行透明轉發，由上層系統實現網絡層尋址功能，要求上層系統各終端IP 地址在同一網段；二是網絡口接入方式，主要特點為實現網絡層路由功能，具備對IP 數據包的尋址功能。

當綜合業務系統或通信終端分配同一網段的IP地址時，可以啟用業務控制功能模塊的交換口模式，利用衛星通信網直接傳輸。當綜合業務系統或通信終端分配不同網段的IP 地址時，啟用業務控制功能模塊的網絡接口，利用業務控制功能模塊的路由功能實現IP 數據的互通。

衛星通信網按照綜合業務系統的標識反饋重要數據的發送狀態。衛星通信網在運行過程中，將本節點設備的工作狀態、廣播業務和綜合業務通信資源分配情況及網絡成員入退網狀態等信息通過管理VLAN 上報至綜合業務系統，以便用戶能夠實時掌握信道狀態。

3.3 信息流程設計

系統發送端的主控設備根據通道與衛星信道設備的映射表，在相應的信道上發送應用消息。具體信號處理流程如下：首先，主控設備對綜合業務系統發送過來的業務類數據和管理類信息進行協議適配處理，將其轉換為衛星通信網的數據格式，并根據目標信道的通道標識添加指定的VLAN 標簽，將加有VLAN 標簽的業務類數據和管理類信息發送至業務交換機；其次，業務交換機去掉數據和信息的VLAN 標簽，并將去掉標簽后的業務類數據進行隔離后發送至對應的衛星信道設備，將去掉標簽后的管理類信息發送至管理交換機，實現選路功能；最后，衛星信道設備將接收的業務類數據進行突發組包、加密、編碼等數字處理后，經中頻調制轉化為模擬信號，將模擬信號進行上變頻、放大后通過天線發射出去。

系統接收端的衛星天線設備將從空中接收到的無線信號進行下變頻、放大后送入衛星信道設備進行解調、解碼、解密等數字處理，處理后的業務類數據發送至業務交換機；衛星信道設備通過其管理端口反饋管理信息至管理交換機，管理信息包括終端狀態和流量控制。業務交換機根據數據來源，將接收的業務類數據和管理類信息添加上對應的VLAN 標簽。系統主控設備將接收到的業務類數據和管理類信息的VLAN 標簽轉換為相應的通道標識，并對數據進行協議適配等處理后發送給綜合業務系統，接收到的數據在綜合業務系統網絡中進行廣播。

4 結 論

文章在多信道通信技術和VLAN 技術的基礎上，提出一種多種信道隔離技術，從而實現多種類衛星信道并行通信傳輸的地面系統的設計方法。該地面系統具有集成化程度高、技術成熟、選路靈活、性能穩定可靠的特點，已應用于系統裝備，并開始大規模建設。實踐結果證明，應用多信道通信技術的衛星通信系統不僅可以擴大系統容量，而且可以增強系統抗干擾能力，有效利用衛星通信資源，使其更好地發揮作用。