不同多址接入方式组建宽带VSAT网的比较分析

王 莹，周 凯，邸迎满

（1．国家新闻出版广电总局无线电台管理局，北京 100866；2．北京市第二中学分校，北京 100010）

不同多址接入方式组建宽带VSAT网的比较分析

王 莹1，周 凯1，邸迎满2

（1．国家新闻出版广电总局无线电台管理局，北京 100866；2．北京市第二中学分校，北京 100010）

本文通过对比采用不同多址接入方式组建VSAT应急卫星通信网在技术体制、网络规模、业务应用及经济效益等方面的不同，阐述了在三网融合背景下如何组建适合于不同应用场合的宽带多媒体VSAT卫星通信系统。

VSAT；宽带多址接入；比较

1 引言

近年来，我国自然灾害和突发事件频发，为了能及时准确地进行报道，广电行业应具备一套覆盖全国范围且灵活调度、适应性强的应急通信系统。在当前三网融合的背景下，这个系统必须具有高效、组网灵活、安全可靠和功能强大等特点，又必须具有宽带多媒体的特征，具备在任何时间、任何地点，一旦有突发事件，通过该系统，可以实时提供包括语音、数据、图像在内的综合信息服务的能力，其传输的语音和图像质量要求要高于一般的窄带卫星通信系统。

2 宽带多媒体VSAT系统

VSAT（甚小口径终端系统）通常指天线口径终端小于1.5米的小型地球站，主要用于专用网络传输双向通信数据。其网络的基本结构一般包括一个主站和众多远端VSAT小站，主站是一个向网内所有远端站广播信息的设施，远端站通过某种多址方式接入卫星。

随着宽带业务的兴起，新一代的宽带VSAT系统与传统窄带VSAT系统相比不同之处在于：

⊙ 随着DVB-S2的推出，VSAT设备的物理层编码方面都从传统的RS级联卷积码过渡到以LDPC，Turbo等为代表的新型编码方式，其编码效率更接近于香农理论极限值。

⊙ 宽带VSAT系统充分与因特网业务相融合，完全适应以IP为基础的数据传输。

⊙ 结合回传信道，实现了自适应可变的调制（ACM）编码方式，使得链路效率大大提高。

⊙ 完全基于IP的网管操作与控制，通过网管系统可以实现对整个卫星网络的控制与管理。

宽带VSAT将过去由卫星调制解调器、TCP加速器、路由器、协议转换器、PBX等串接组成的系统统一集成在VSAT终端上，大大增强了VSAT终端的网络功能并降低了设备故障点。

VSAT系统传输体系主要包括地面段数据传输和空间段传输。地面段数据传输技术主要解决在卫星通信系统各个环节中数据交换的问题，空间段传输技术主要是解决在不同地理位置上的地球站如何共用一个卫星转发器的问题。目前主流的VSAT系统地面段数据传输采用IP分组交换，空间段射频多址接入方式主要有三种制式：频分复用（FDMA）、时分复用（TDMA）和码分多址（CDMA）。

目前，我国所采用的VSAT设备有基于DVB-S2/DV B-RCS标准的星状设备，也有纯MF-TDMA的网状设备，还有TDM+SCPC方式的点对点设备（由于采用CDMA方式的设备较少，本文不做分析）。按照组网方式的不同，可以分为点对点、星状、网状和混合状四种。国际主要厂商生产的宽带多媒体VSAT设备均支持较高速率的传输能力。经参考厂家公开数据，美国休斯公司的HN系统，采用DVB-S2/DVB-RCS标准，其前向传输速率最高为45Mb/s；美国康泰易达公司的V IPERSAT系统，采用TDM+SCPC方式组网，其前向传输速率最高为155Mb/s；德国诺达公司的SkyWAN系统，采用MF-TDMA方式组成纯网状网时，最高传输速率为10Mb/s。

3 不同技术体制VSAT系统比较和分析

目前主流的宽带多媒体VSAT系统，地面段数据传输均采用基于IP协议的传输机制，其主要区别在于空间段采用何种多址接入技术，不同的多址接入技术决定了系统的组网方式、传输能力及组网成本等。

3.1 多址接入技术比较

3.1.1 FDMA频分多址

1．FDMA的定义

以不同频率分割载波，在该系统中每个地球站都具有自己被指配的载波频率，这种多址方式成为频分多址。如图1所示，5个VSAT站点，采用FDMA多址方式，每个站点利用载波频率不同完成多址接续。

由于在FDMA方式下工作的卫星转发器的功率是由多个载波共享，考虑到转发器的非线性，不同载波间会产生互调干扰，为降低互调干扰的影响，必须使卫星转发器的功放输出功率大大低于饱和输出功率，即需要有一定的输出回退。因此对于FDMA来说，需要综合考虑以下因素：输出回退与互调、保护频带与邻频干扰。

图1 FDMA示意图

2．FDMA的特点

⊙ 系统结构简单；

⊙ 无需网络同步；

⊙ 缺乏重构的灵活性（容量变化必须重新做频率规划）；

⊙ 互调引起输出功率回退，导致接入载波数增加时，容量有损失；

⊙ 需要功率控制，以避免捕获效应。

3．FDMA系统容量和转发器利用效率计算

（1）功率受限情况

如果np不是整数，则只取整数部分。

所以此时采用FDMA技术的卫星转发器功率利用率为

（2）带宽受限情况

设卫星转发器带宽为BT，一路载波的信息速率为R，采用QPSK调制，则调制后的载波速率为R/2，经过FEC 3/4编码，编码后的速率为R/2×4/3，考虑滚降系数ρ的影响后，载波带宽BC和转发器容量n分别为

如果nt不是整数，则只取整数部分。由上可以推算出转发器带宽利用率为

实际的利用率取功率利用率和带宽利用率中的较小者。因此在具体选择FDMA系统时，应兼顾两者，尽量使功率和带宽的利用效率都达到最佳，以达到设计需求。

3.1.2 TDMA时分多址

1．TDMA的含义

TDMA（时分多址）多址接入方式是指以时间（时隙）分割使用同一载波频率。如图2所示，5个VSAT站点，采用TDMA多址方式，每个站点利用时间分割完成多址接续。

在卫星通信中，以上行为例，地球站只在规定的时隙内以突发的形式发射它的已调信号，这些信号在时间上严格依次排列，互不重复，以实现各地球站的不同载波在特定的时间内占用同一转发器。各地球站的载波在时间上应当留有一定的空隙，以保证相邻载波在时间上不相互重叠。接收站在对应所需地球站的相应时间上提取所需的信号。所谓突发，是指在给定的时间内地球站发射的短暂已调脉冲序列，包含报头和信息。

在TDMA工作方式下，任一时刻都只有一个载波进入卫星转发器，不存在由于转发器的非线性而引起的载波间的互调，因此卫星转发器几乎可以工作在饱和点附近，可以有效利用卫星转发器功率。但为了不使每个地球站发出的载波在到达卫星转发器的时间上有冲突，需要全网具有严格的网同步，这种同步方式通常是借助于参考站发射的基准脉冲串来实现的，即每一入网站发出的脉冲串相对基准脉冲串均保持预定的时间差进入卫星转发器。

图2 TDMA示意图

2．TDMA的特点

⊙ 单载波工作，无互调产物，所以转发器可以工作在饱和状态，充分利用转发器功率；

⊙ 无需功率控制；

⊙ 适合于在卫星上建立时隙交换系统；

⊙ 多站接入时能保持较高的吞吐量；

⊙ 对全网的同步要求极高，结构复杂，一旦出现干扰容易引起全网中断；

⊙ 由于高速率的突发比特率，相对FDMA而言，需较多的功率和带宽。

3．TDMA容量和转发器利用效率计算

（1）容量（用户数）计算

① 功率受限情况

假设转发器的放大器供电在饱和点时的输出功率最大为Pmax，每一路信号的载波经过转发器放大后的输出功率为Po，则该转发器的容量（用户数）为

如果np不是整数，则只取整数部分。

②带宽受限情况

设卫星转发器带宽为BT，一路载波的信息速率为R，采用QPSK调制，则调制后的载波速率为R/2，经过FEC 3/4编码，编码后的速率为R/2×4/3，考虑滚降系数ρ的影响后，载波带宽BC和转发器容量n参见式（3），式（4）。

（2）转发器利用效率计算

图3 TDMA系统帧结构图

如图3所示，假设系统有N个通信地球站和1个参考站组成，TDMA帧长为Tf，各通信地球站业务突发的报头比特数相同，都为Bpre，业务比特分别为Bi（i为整数1～N），各业务之间的保护时长为Tg。另外，每帧包括1个地面基准站发送的基准突发，用来提供系统定时，该基准突发的比特数为Bref，则该系统传输比特速率Rsys为

则系统转发器的信道利用率为

3.2 不同多址方式组网性能比较

3.2.1 采用FDMA多址方式组建VSAT网

优势：

⊙ 网内远端站向主站方向发射的入境载波可以使用固定带宽；

⊙ 网络结构较简单，抗风险能力较强；

⊙ 全网载波传输具备低延时和低抖动的特点，抗干扰能力强；

⊙ 网络适合传输实时的宽带业务。例如高质量的语音、视频以及广播电视传输业务等；

可以推得该TDMA系统转发器的有效传输速率为

那么，系统的传输速率Rsys和转发器信道利用率η越高，卫星转发器的有效传输速率Rms就越高。

3.1.3 TDMA和FDMA多址接入的比较

工作在TDMA多址方式下，全网各地面站点使用相同的频率，因此卫星转发器工作在单载波状态，不存在FDMA中的互调干扰问题，其转发器的利用效率只与帧结构有关。一般可以达到90%左右。

⊙ 采用FDMA方式组建的VSAT网更适合突发的、大数据量的应急通信要求。

缺点：

⊙ 网内每传输一个载波均需要占用转发器一定的频率资源，业务传输完成后才能释放；

⊙ 如果全网业务量较小，则卫星转发器资源会出现一定程度的浪费；

⊙ FDMA体制的卫星调制解调器设备使用成本较高；

⊙ 如果需要增加传输业务载波，那么主站需要配置更多的卫星调制解调器来满足要求。

3.2.2 采用TDMA多址方式组建VSAT网

优势：

⊙ 全网内所有站点共享相同的带宽；

⊙ 与FDMA方式相比，采用TDMA方式，全网的运营费用相对较低；

⊙ 采用TDMA方式组建的VSAT网非常适合大规模、长期占用的、低速率的通信要求；

⊙ 远端站设备的成本较低。

缺点：

⊙ 网内传输时延增大，抖动增加，抗干扰性较差；

⊙ 主站设备的成本很高；

⊙ 需要一定规模的远端站数量才能摊低全网的运行成本；

⊙ 网络设计时，必须兼顾传输环境最恶劣的小站的情况，造成网络设计成本增加。

⊙ 对实时性需求较强的音频、视频等业务切割造成传输的效率降低。

3.3 典型的宽带VSAT卫星通信系统介绍

3.3.1 IP+TDM+SCPC（FDMA）典型系统

美国康泰易达公司的V IPERSAT卫星通信系统是智能化IP宽带卫星网络系统。该系统支持IP话音（Vo IP）功能、按需单跳组网能力以及视频会议DAMA功能。

该系统最大的优势在于用户端组网方式灵活，可根据应用需求的变化，灵活实现星状网、网状网和混合网等多种组网形式。系统具备动态带宽分配、载波管理、动态切换功能。

图4 VIPERSAT系统典型组网图

图5 SkyWAN典型组网图

如图4所示，V IPERSAT系统基于IP+TDM+SCPC（FDMA）技术体制。系统采用两个载波，一个出境广播载波（DVB或TDM）和一个入境载波（STDMA），外加一段所有远端站共享的频率池。当远端站没有业务的时候，它以sTDMA方式向网管发射管理信息。一旦远端站有业务需求，系统网管可以自动调整空间的带宽分配，给远端站分配相应的频率资源，并将其从sTDMA方式切换到SCPC方式，业务传输完毕后在回到sTDMA状态，频率资源释放。

3.3.2 IP+TDMA典型系统

德国诺达公司的SkyWAN卫星通信系统采用IP+MF-TDMA技术体制。系统支持在每个站点只配备1个Modem（调制解调器）的情况下，所有站点之间均可通过卫星单跳同时进行双向交互式通信，组成全网状网。支持多中心站模式，可将任一站点作为中心站应用。

如图5所示，SkyWAN系统数据传输在地面段采用分组交换技术（IP、帧中继等），而在空间段则采用MF-TDMA多频时分多址技术，实现带宽按需分配（BoD），既能支持点到点专线方式应用（即SCPC），也能支持点到多点共享方式应用（即TDMA）。同时，系统支持组播应用。每个站点可以把本站信息以组播方式同时传输给多个（甚至所有）其他站点，也可以同时接收多个（甚至所有）其他站点发出的组播，支持高质量视频传输以及多点视频会议等多种应用。

4 结束语

在三网融合的背景下，建设一套适用于广电行业的宽带多媒体卫星应急通信系统显得尤为重要。本文结合宽带多媒体卫星通信的特点和市场主要VSAT设备，重点从卫星通信多址技术入手，分析了采用不同多址进行VSAT组网的优缺点，仅供人们在选择宽带多媒体VSAT卫星通信系统时参考。

[1] 杜宇玲．三网融合背景下卫星应急通信系统的建设[J]．数字通信世界，2012,(4).

[2] 冯少栋，张更新，李广侠．宽带多媒体卫星通信系统组网技术[J]．卫星与网络，2010,(7).

[3] 丹尼斯•罗迪．卫星通信（第三版）[M] ．人民邮电出版社，2002.

[4] 吕海寰，甘仲民，蔡剑铭等．卫星通信系统[M]．人民邮电出版社，1999.

东进助沈阳12348热线架起政府百姓“连心桥”

遇到法律困惑想咨询，要办公证不知道找哪，打官司请不起律师……人们生活中的法律需求五花八门，由沈阳司法局推出的12348法律援助服务热线轻松解决老百姓的上述问题。在这背后，由东进技术携手沈阳美丽肯公司打造的12348法律援助服务热线呼叫平台发挥着至关重要的作用。

为了进一步深入开展普法教育活动，加强人们的法制观念，司法部要求全国各地开通法律服务专用电话，以向广大群众提供方便、快捷的法律咨询服务，沈阳司法局12348法律援助服务热线正是在此背景建立。但由于原有的法律服务普遍采用人工方式，工作效率低、信息共享能力差，线路数量少、受话能力低，越来越不能满足群众的需要，而建立先进的呼叫中心则能够从根本上解决上述问题。

对于这套面向公共事业服务领域的呼叫中心，东进技术认为，要将12348热线打造成集实体援助、法律服务、法制宣传、业务解答和展示形象为一体的司法行政公共服务平台，为群众提供智能化、亲情化、高效、快捷、优质的法律咨询服务。

针对于此，在基于沈阳云鸟科技提供的法律援助服务平台上，东进技术向沈阳司法局12348法律援助服务热线呼叫平台提供其主打产品keygoe系列多媒体交换机。据悉，Keygoe多媒体交换机是一个融合的多媒体信息交换平台，具有高稳定性以及大容量、分布式特性和便于操作等优点。系统采用标准开发接口和国际标准协议，为基于电路交换网和分组交换网上的业务或应用提供语音、视频、Vo IP、传真和会议等多媒体处理能力支撑，并实现这些业务或应用的跨网络融合。基于Keygoe多媒体交换机打造的呼叫中心还可以与板卡系统实现互联，并确保系统的平滑升级和改造，有效控制住总体建设成本和后期扩展成本。

据了解，沈阳司法局12348法律援助服务热线呼叫平台已覆盖沈阳市9区1市3县，以及30多个律师事务所。对于各种来电，由呼叫中心对各座席接听顺序进行统筹分配，以分流来电、调配繁闲，力求群众来电无一久等、无一漏接，确保件件有接听、事事有答复。此外，呼叫平台还与法律援助业务系统进行整合对接，对所有咨询来电均进行网上登记，并对咨询和解答情况进行全程录音，实现了对服务过程的有效监督，极大地提高了服务质量和群众满意度。

沈阳司法局相关负责人表示，12348法律援助服务热线呼叫平台全面建成并投入使用，在政府和百姓之间架起了一座“连心桥”，拉近了政群距离，传递了政府温情，同时也提升了司法机关的公众形象和服务水平。

Compare Different Ways to form Different Multiple Access Emergency VSAT Satellite Communications Network

Wang Ying1, Zhou Kai1, Di Yingman2
(1.Adm inistrative Bureau of Radio Stations,The State Adm inistration of Press Publication Radio Film & Television, Beijing, 100866; 2. Beijing NO.2 Middle School Junior Division, Beijing, 100010)

This paper compares different ways to form different multiple access emergency VSAT satellitecommunications network in technical systems, network size, business applications and econom ic benefits,described in the context of triple play broadband how to build suitable for different applications multimedia VSATsatellite communication system.

VSAT; Broadband Multiple Access; Compare

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.05.008

TN927+.2

A

1672-7274（2014）05-0032-06

王 莹，国家新闻出版广电总局无线电台管理局高级工程师。

周 凯，国家新闻出版广电总局无线电台管理局工程师。

邸迎满，北京市第二中学分校教师。