VSAT卫星通信技术的应用分析.pdf

2 0 2 3年8期 1 9 2 0 2 3年第4 5卷第8期V S A T卫星通信技术的应用分析马小伟收稿时间:2 0 2 3-0 5-2 9作者简介:马小伟(1 9 8 2-),本科,工程师,研究方向为卫星通信技术。(中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京2 1 0 0 0 1)摘 要 文中简要讲述了V S A T技术的发展历程,讨论了卫星通信系统的基本结构与连接形式。同时,文中重点探究了V S A T卫星通信的应用,从组网与波段、冗余设计、主站、附加功能等方面入手,探究了设计应用问题,并简述其了实际应用情况。关键词:V S A T;卫星通信;主站中图法分类号 T N 9 2 7.2A p p l i c a t i o nA n a l y s i so fV S A TS a t e l l i t eC o mm u n i c a t i o nT e c h n o l o g yMAX i a o w e i(T h e2 8 t hR e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h i n aE l e c t r o n i c sT e c h n o l o g yG r o u pC o m p a n y,N a n j i n g2 1 0 0 0 1,C h i n a)A b s t r a c t T h i sp a p e rb r i e f l yd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fV S A Tt e c h n o l o g y,a n dd i s c u s s e st h eb a s i cs t r u c t u r ea n dc o n n e c t i o nf o r mo f s a t e l l i t ec o mm u n i c a t i o ns y s t e m.A t t h es a m e t i m e,t h i sp a p e r f o c u s e so ne x p l o r i n g t h ea p p l i c a t i o no fV S A Ts a t e l l i t ec o mm u n i c a t i o n,s t a r t i n g f r o mt h ea s p e c t so f n e t w o r k i n ga n db a n d,r e d u n d a n c yd e s i g n,m a s t e r s t a t i o n,a n da d d i t i o n a l f u n c t i o n s,i t e x p l o r e s t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o np r o b l e m s,a n db r i e f l yd e s c r i b e s i t sp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n.K e y w o r d s V S A T,S a t e l l i t ec o mm u n i c a t i o n,M a i ns t a t i o n0 引言V S A T卫星通信包含空间与地面两个部分。空间部分指卫星,通常是地球静止轨道上的通信卫星,其能搭配多种波段,发射器功率较大,使地面侧的天线规模尽可能地缩小。地面部分的通信系统一般指中枢站与远程站、网络控制单元。例如,中枢站负责接收各项数据,并将其分发给远程站。1 V S A T技术的发展历程根据现有的规定,V S A T技术会逐渐向社会公开,这无疑是我国卫星领域快速成长的标志。在使用该系统的同时,也能享受宽带与网络服务,进一步提升通信的便捷性,使V S A T在国内有更深层次的应用。在该过程中,人们对通信服务的需要也在不断提升,促使通信卫星技术全方位进步,覆盖范围不断扩张,由原本寻呼机发展到如今的卫星电话。另外,在光纤技术、互联网技术不断发展的背景下,移动电话也走入了大众的生活。从本世纪开始,国内V S A T朝着现代通信的方向不断前进,语音通话已经极为成熟1。2 V S A T卫星通信系统2.1 系统结构该系统可分成3块,分别为主站、通信卫星和小站。(1)主站。在主站上设置天线,可以降低信号发射功率。借助主站的稳定性,可以监控及管理通信系统的运行情况。(2)通信卫星。借助发射装置完成全频段的覆盖,将卫星波束发射到各个频段。(3)小站(V S A T)。其把用户通信视作两个部分,包括户外与户内,前者的主要装置是抛物面天线,通常分布于高楼顶部。后者装置和用户端连接,借助同轴电缆,提供语音及通话等服务,卫星装置可以支持电话联络,且小站用户能和电话网连接2。2.2 连接形式(1)“点-点”形式。利用空间信道实现和主站的连接,其信息传送主要有3种渠道。1)同步传输,分为单向与双向两种。前者也被称为广播方式,小站数据仅能接收,不支持发出,速率最高能达到6 4 b p s。后者更加灵活,用户仅按照要求使用V S A T系统时钟,在正常状态下,速率就可达到6 4 b p s。2)异步透明形式,其也可以分为单向与双向。前者一般用于国内广播领域,后者的传送速率可达1 9.2 b p s,更加适合终端通信。3)L A P B。其属于平衡式的链路连接,主要用于特殊用户间的通信。(2)“点-多”形式。其呈现模式主要有4种。1)M u l t i-d r o p(异步传输),即一个小站的多个端口和主站端口建立全2 0 2 0 2 3年8期双工的异步通信,终端宜选择面向字符的规程,该过程的速率能达9 6 0 0 b p s。2)异步字符广播,若干小站终端仅接收信号,适用于数据广播。3)同步广播,其运行原理和异步字符广播相同,仅有的区别是,其信息采用同步发送的形式,速率仅有6 4 b p s。4)S D L C,用户终端可配置相应的规程,使其和主站、小站端口连接,每个小站一般能连接1 5个远端装置,并在小站与主站间双向开展数据交换与交替处理,速率可达5 6 b p s3。3 V S A T卫星通信系统的基本设计应用3.1 组网部分组网是构建V S A T卫星通信的基础部分,应先确定网络类型,即星状网或网状网。前者的运行优势体现在中心站,其位于运营商的一侧,利用专线和用户总部相连。星状网结构的主站口径及功放功率会超过远端站,因此远端站会配备相对较小的天线与功放,开发成本较低。但星状网也有缺陷,即系统中的所有小站通信均需要借助主站完成,因此信号传输会存在更大的延时,占用更多的卫星带宽。网状网结构的运行优势体现在任意两个站间能直接通信,无需经过主站。在网状网中,所有小站均能作主站,主站和其他小站的差别主要体现在网管软件坐落于该站点。网状网中的所有站点地位同等,为达到支持通信的等效全向辐射功率(E I R P),各个站的口径与功率均应偏大,开发成本相对较高。根据对潜在用户的调查,通信一般是系统总部与小站间的行为,各小站间的交流较少。而用到V S A T技术的用户对象,通常是全国组网或跨国组网,同时总部设立地区比较集中。若在主站位置确定的条件下设置星状网,主站与总部间仅需利用当地专线相连即可。3.2 波段与卫星在确认V S A T系统的星状网后,就需要考虑工作频段。如今,我 国V S A T系 统 一 般 会 选 择K u波 段,频 率 多 为1 4 GH z与1 2 GH z,利用该波段能有效提升天线增益,主站通常配置4.5 m及6 m的天线。但将K u波段下的V S A T网络投入到通信领域时,由于其抗雨衰效果偏弱,遇到中雨时可能会发生信号中断现象。综合分析,V S A T系统运行的可靠性是首要问题,在运营商的支持下,主站可以配备C波段的天线。基于此,在多方对比中,卫星选择了亚洲4号。如此,卫星和主站的地理经度没有太大差距,可以保障天线仰角,降低杂波干扰与障碍物遮挡,提高信号场的强度4。3.3 冗余设计为提升V S A T系统运转的稳定性,需对C波段进行备用设计。此处可应用K u波段,如果C波段被外界干扰而不能正常通信,就可切换波段,切实保证通信的稳定性。备用频段可以连接其他卫星,这样可避免两个波段互相影响,使其同时具备两个不同波段的通信系统,并支持用户选择特定的服务内容。若用户需要在双星双波段条件下进行冗余设计,就需要在单个小站的区域内建设两个不同波段的小站,以保障通信的可靠性。除此之外,V S A T系统的设计还应注重可能遇到的不可抗情形。因此,需要做好异地主站备份处理,可以挑选距离较远的地区,额外设置一处C波段的备用主站,使其支持异地信息备份。3.4 主站射频(1)天线部分。目前,运营商已建成的C波段标准站较多,且天线口径也有多种规格,为控制远端站的开发成本,可选择1 6 m口径的天线。(2)射频系统。为有效保障系统的可靠性,功率放大装置可以选择2 2 5 0W规格,其故障率较低,稳定性较强。该系统功放选择1 2的额外热备份,支持异地与本地管控,并能手动或自动完成切换。1)上变频器,其包含电源、监控电路、上变频单元、强制风冷模块,增益表现与可靠性均较好,热冗余为1 1。2)主站,选择他国先进的低噪声放大器,拥有高稳定性与高增益、低噪音等特性,即便其功放仅有2W,也能有效接收信号,其冗余设置为1 2,可以维护运行业务的安全性。3)下变频器(B D C),可将C波段调整为L波段,频偏与噪音均较小,有利于获取全频段信号5。(3)备用系统。在K u波段的系统中,选择9 m口径的天线,放大器的功率为7 0 0W,并配以上下变频器以及低噪音的放大器。3.5 主站基带在主站基带系统中,主要有接收与发射的相关装置。包括在上行链路中,和外部网络相连的路由器;拥有热冗余的调制器、封装机、加速器、信号接收机以及转换器;以太网交换机。在下行链路中,则包含时钟分配模块、以太网交换机与网关信道。以网关信道为例,系统入境业务利用主站的接收通路,由低噪音放大器转移至接收机架。在接收机架上设置一组网关信道,使其与以太网交换机连接。筛选出的数据包需经过交换机进入策略路由器,在B A T转换处理后,转移到外部网络。另外,为确保时分多址帧和策略路由器能同步运行,时钟分配和网关信道应相连。同时,为了让不在同一地区的若干用户有效共享卫星带宽,主站系统可选择按需分配的形式,在主站设置一组网关信道,用于接收远端站发出的载波。此外,在V S A T主站系统中,通过网关信道的调制解调装置,能分配、解调多种速率的数据,该功能可以适应多种网络配置模式,按照用户自身的实际通信业务量,通过差异化的服务。3.6 附加功能以N G N系统为例,运营商会将V o I P业务当作增值项目,而V S A T技术就是不错的选择。V o I P业务可通过主站与相应的网关设备相连,并一同连接公网。远端站在获得V o I P的数据包后,就能利用V S A T系统将其传送到主站及公网中。为保障传送的速度,可对数据包进行压缩,减少占用的带宽。在V o I P中,借助关口局和市话网,V S A T系统的小站用户可以与之相连,但均需通过V o I P进行控制,整体类似于电话端局,如图1所示。按照语音通信诉求,可以在V S A T系统中增加软交换单元,支持多方网络连接。移动信息2 0 2 3年8期 2 1 图1 卫星V o I P示意图4 V S A T卫星通信系统的实际应用4.1 应用方案为确保通信链路运行的可靠性,应有效应用既有的资源,选择多余主站系。另外,为保证远端小站能稳定工作,在选择小口径及小功率装置的条件下,为使卫星链路对应的E I R P值满足通信需要,V S A T系统的主站可以选择1 6 m口径的天线,配以高功率的放大装置,用于确保基本通信。这种网络结构设计具备诸多优势,如可以依托C波段的卫星频段,提升抗雨衰性能6;连接亚洲4号卫星,拥有相对更大的辐射仰角,卫星信号场较强,仅需保持较低的E I R O值就能确保通信链路的基本需要;可以有效保障用户投资,在主站部分拥有较大口径的天线,此时相应的远端小站仅用2 W功放便可维系通信;可以提升通信过程的可靠性,随时获取优质服务7。4.2 备份规划根据通信系统的高可靠性需求,给用户提供长期规划,能利用多个卫星及两套V S A T系统,形成互为备用的运行系统,避免某个单元发生故障时,导致网络通信全面瘫痪。另外,两套系统可以配置不同的频段,降低相互扰动的概率,并分担其实际负载。小站成本较低,用户能在开展业务的过程中,按照自身诉求继续开发更多的小站。由此形成的小站能直接划分到V S A T主站中,通过共用带宽,与独立带宽保持通信。在系统方案设计中,可以选择较为先进的编码方法,将天线下调至1.2 m,使其功率保持在2 W内,切实控制V S A T应用的整体投入规模。同时,信息传输效率能根据用户需要来进行调节,下行速率可以在2.56 0 M b p s之间,而回传信道则能达到3.2 M b p s。该系统在运行过程中,带宽可以按需配置。网络则利用I P协议,不仅能进行语音通信,还能支持视频流等服务,并按照用户需要设置差异化的通信功能。4.3 设备网管天线网管可以选择原装的配套系统,其支持不同形式的手动与自动跟踪功能,保证天线始终对准卫星。若由于特殊情况,导致信号强度较低,就会自动触发警报,其系统形式如图2所示。其中,使天线时刻对准卫星的过程中,有3种操作处理方式,即人工作业、自动优化以及自动步进。系统主站点拥有R F网管系统,全部警报信息及控制均能借助远程监控实现,并将故障装置切换为备用装置,以缩短通信异常的时间。图2 网管与通信保护系统结构图4.4 主站网管系统中的主站网管部分可以选择专用网管,以确保操作者能通过远程监控,掌握相连小站的运行状态与警报信息,并及时解决异常隐患。在V S A T系统中,全部装置都搭配了热冗余备份,发生故障后能随时切换到备用装置中。系统中的小站网管则利用主站、卫星链路进行远程监控,相应设备和小站上I P端口相连。此外,若在小站侧布设的装置连接了主站系统,后者就能对其实施网管。例如,VO I P装置可以连接主站的N G N系统,通过相应的网管,远程对该设备及其运行状况进行全方位监控。5 结语V S A T卫星通信技术和常规通信形式相比,有着明显的投入建设优势,其可以切实发挥出卫星的价值,实现通信网络的全覆盖。在国内卫星技术持续优化升级的过程中,V S A T技术拥有较为理想的发展前景,通过合理化的系统设计,能不断扩大V S A T的应用范围,展现出其使用价值。参考文献1岳智勇,田永忠,范淑琴,等.北斗卫星通信技术在航标遥测遥控系统中的应用思考J.中国水运.航道科技,2 0 2 1(5):7 4-7 9.2程岚,王书杰.V S A T天线的对星方式J.指挥信息系统与技术,2 0 1 1,2(2):3 9-4 2.3缪新育,胡昌军.卫星共视技术在通信同步设备检测中的应用研究J.计量科学与技术,2 0 2 1(4):1 9-2 1,1 3.4刘荣斌.卫星通信抗干扰技术的发展及应用研究J.电子元器件与信息技术,2 0 2 0(1 2):4 1-4 2.5张任楠,王志涛.无线网络技术在卫星通信中的应用浅析J.数码世界,2 0 2 0(6):2 4.6王强,卫颖,王璐.基于抛物插值的任意频率卫星链路雨衰计算J.指挥信息系统与技术,2 0 1 4,5(2):6 2-6 6.7张庆岭.卫星通信中无线网络技术的应用研究J.网络安全技术与应用,2 0 2 0(5):8 8-9 0.移动信息