纯TDMA和TDM/TDMA网络比较（可靠篇）
——《马路上的卫星》之九

2020-03-25 01:10一席VSAT

卫星与网络 2020年8期

+一席VSAT

纯TDMA网络和TDM/TDMA网络在实现网络的可靠性上也有很多差别。二者相比，利用纯TDMA技术组网能够更容易获得最佳的网络可靠性、健壮性和抗毁性。

1.单一故障点和可靠性

在通信系统中有一个“单一故障点”的概念[1]，其含义是指：如果系统中某一部件的失效会导致整个系统瘫痪的话，那么该部件即被称作该系统的“单一故障点”。在一个含有多个部件的系统中，单一故障点越多，整个系统的可靠性也就越低。

比如，在图1所示的一个典型的卫星通信地面站里，如果天线、高功率放大器（HPA/BUC）、低噪声放大器（LNA/LNB）、上/下变频器（Up/Down Converter）和调制解调器（Modem）等主要设备都是单机配置的话，那么它们就都是该地面站中的单一故障点。其中任意一个设备发生故障，都将导致整个地面站瘫痪。

在实际应用中，有时对某些地面站（如主站）的可靠性要求非常高。而为了加强可靠性[2]，往往会把这些站点中的关键部位都设置成为有冗余设备的热备份（Hot Redundant）配置，如1:1或2:1热备份等。这样，当主用设备发生故障时，处于冗余热备份状态的备用设备就能够立即取代主用设备的工作，继续支持整个站点的正常运行。

比如图2所示即为除天线以外，高功率放大器、低噪声放大器、上/下变频器和Modem等关键设备均配置为1:1热备份的情况。而在这种情况下，该卫星通信地面站中的单一故障点就只剩有天线这一主要设备了[3]。

单一故障点的概念不仅仅只适用于卫星通信地面站内部，而且还可以推广到整个卫星通信网络。即，如果卫星通信网络中某一站点的失效会导致全网瘫痪的话，那么该站点就被称作该卫星通信网络中的单一故障点。而衡量卫星通信网络可靠性高低的一项重要指标就是看网络当中是否存在单一故障点？如果存在，又如何消除？

2.TDM/TDMA网络的可靠性

在一个典型的TDM/TDMA网络中，主站和VSAT远端站在Modem（调制解调器）设备上的配置是正好相反的。其中：主站的基本配置是一个TDM调制器和一个TDMA解调器，发射TDM载波并接收TDMA载波；而VSAT远端站的基本配置则是一个TDMA调制器和一个TDM解调器，发射TDMA载波并接收TDM载波。

图1 仅有单机配置的地面站

图2 有冗余热备份配置的地面站

如图3，所有VSAT远端站都只能接收并解调从主站发出的TDM载波，而所有VSAT远端站发射的TDMA载波也只有主站才能接收和解调。VSAT远端站则因为只有TDM解调器，没有TDMA解调器，所以是不能直接接收并解调其它VSAT远端站发射的TDMA载波的。故TDM/TDMA一般只用于组建星状网。

这样在TDM/TDMA星状网中，所有VSAT远端站都只能与主站直接互通，而VSAT远端站之间则不能通过卫星单跳直接互通。倘若VSAT远端站之间也需要相互通信的话，则必须经由主站转发，通过卫星双跳才能实现。见图4。

显然，主站在TDM/TDMA星状网中起着至关重要的作用，因为包括用户业务、网络控制和网络管理在内的所有信息都源于，并且都必须先汇集于主站，然后才能做进一步的处理。而主站一旦失效，整个网络就必然瘫痪。所以在TDM/TDMA星状网中，主站就是整个网络中的单一故障点。见图5。

也许有人会说，如果我们拼命加强主站的可靠性，把主站里的所有设备都配置成热备份，甚至把像天线这样再结实不过的大铁疙瘩，也都搞一个紧紧挨在主用天线旁边的热备份，让主站万无一失，那网络是不是就不会瘫痪了？

其实不然，因为无论在主站内部如何把各种设备都配置成为热备份（即本地备份），不管主站自身在设备上如何可靠，但设备之外的许多不可控因素，如降雨降雪、地震火灾、关机断电、人为破坏等各种各样的天灾人祸，还是难以预测，甚至不可避免的。而这些因素都有可能导致主站失效，进而使得全网瘫痪。见图6。

其实不难看出，不单TDM/TDMA星状网才有这样的问题，其它卫星通信体制，如SCPC、MCPC、DVB/RCS、TDMA等，以及其它拓扑结构网络，如网状网、树状网、混合状网等，都有可能存在单一故障点。而只要存在像主站这样的单一故障点，整个网络在可靠性上就都存在严重的隐患。因为只要将主站摧毁，整个网络就会全网瘫痪。只不过像TDM/TDMA这样通常只有一个主站的、典型的星状网最具代表性，而解决之道则是在网络中的不同地点设置多个异地备用的主站。

图3 TDM/TDMA星状网

图4 TDM/TDMA星状网中的双跳通信

图5 主站失效导致星状网瘫痪

3.纯TDMA网络的可靠性

与TDM/TDMA网络不同，在一个典型的纯TDMA网络中，所有站点在Modem设备的基本配置上都是一样的，都是一个TDMA的Modem，即一个TDMA调制器和一个TDMA解调器。所有站点都向同一频点上分时发射突发载波，并同时在同一频点上接收来自于其它站点的突发载波。所以，利用纯TDMA技术组建的网络从本质上来讲是天然的网状网，而且是真正的全网状网。见图7。

至于说其它拓扑结构的网络，如星状网、多星状网、混合状网、树状网、部分网状网等，则都是在这样的全网状网的基础上裁剪出来的[4]。

所以，在这样的纯TDMA网络中，所有站点不仅在Modem的基本配置上，而且在发射和接收载波的性质、频率和速率上也都是相同的，即所有站点在卫星通信链路上和卫星通信网络中的地位其实都是平等的，并没有什么主次之分[5]。这就为消除网络中的单一故障点打下了基础，创造了条件。因为这就有可能把其中的任意一个站点设置成为主站，甚或把其中的任意几个站点都设置成为主站。见图8。

这样，不管主用主站的失效是由于设备故障等站内原因，还是由于降雨降雪等站外原因造成的，由于还另有一异地备用主站依然在线，可以自动取代主用主站的工作，继续维持全网的正常运行，所以用户的业务中心和VSAT远端站之间的星状通信（蓝色实线），以及VSAT远端站之间的网状通信，还都可以继续保持，不会中断，从而显著提高整个网络的可靠性。图10、图11两图即为这一原理分别应用于双主站星状网和双主站网状网时，以网络拓扑结构来进行描述时的情景。

图4.6 主站降雨(左)、火灾(中)或地震(右)等导致星状网瘫痪

图7 纯TDMA全网状网

图8 纯TDMA单主站网络(左)和双主站网络(右)

图9 纯TDMA网络的双主站无缝切换

如图10、11所示，在纯TDMA网络中，由于异地备用主站是始终在线的，所以主用主站和备用主站之间的切换是很轻松而自然的，不仅能够做到完全自动，而且还可以做到天衣无缝。

不仅于此，倘若觉得只有一个备用主站仍不够放心，网络仍不够可靠的话，则还可以将这一自动的、无缝的切换方式进一步推广，组建多主站网络。见图12。

在纯TDMA技术组建的网络中，由于各个站点都具有相等的地位，所以在不改变Modem硬件的情况下，将任意站点设置成为主站并非难事。而倘若把网络中的所有站点都设置为主站的话，网络的可靠性就可以达到最高的水平，因为这样当且仅当所有站点全都失效时（比如全被摧毁），整个网络才算真正瘫痪。

4.TDM/TDMA网络中的主站异地备份

也许有人会问：“那么在TDM/TDMA网络中，可不可以也通过设置两个或者多个互为异地备份的主站来消除单一故障点，以提高网络的可靠性呢？”

当然可以，不过实现方式与纯TDMA网络有很大差别，并且分有缝切换和无缝切换两种方式，而每种方式则都有不尽如人意的地方。

TDM/TDMA网络的有缝切换

忽然看到一个白白净净的馒头放到乞丐的碗里，我抬头一看，原来正是杨公子，他温蔼地对乞丐说，别饿着。乞丐赶紧答谢他。

图13所示为在TDM/TDMA网络中实施有缝切换时的异地备用主站方式。

●在平时正常情况下，只有主用主站才在频点f出境上发射TDM出境载波，而位于异地的备用主站则处于待机或关机模式，不发射任何载波。即备用主站平时是不在线的，不处于入网运行状态。否则，由于TDM载波为连续载波，而不是像TDMA那样是突发载波，倘若两个主站在同一频点上一起发射TDM载波的话，就会相互干扰了。

●当主用主站失效并停止在f出境上发射TDM出境载波时，备用主站才可以在得到明确的指令之后，开始在f出境上发射备用的出境载波（灰色载波），其参数则与原主用主站发射的TDM载波相同。

图10 纯TDMA星状网中的异地备用主站切换

图11 纯TDMA网状网中的异地备用主站切换

图12 纯TDMA多主站星状网(左)和多主站网状网(右)

●这样，所有VSAT远端站就可以在原来的频点f出境上，继续接收到TDM出境载波，而备用主站也可以在频点f入境上接收到VSAT远端站的TDMA入境载波，整个网络的通信业务也就能够得到恢复了。

这种方式的优点是简单，VSAT远端站使用常规的、只有一个TDM解调器的IDU（室内单元）就可以了。

但这种方式的缺点也很明显，那就是由于备用主站平时处于待机甚至关机状态，启动TDM载波的发射以取代原主用主站需要一定时间，而所有VSAT远端站在通信链路层和数据链路层上的重新同步，以及在网络层（如IP）和传输层（如TCP和UDP）上的业务恢复也需要花费一定时间，所以整个切换过程是有缝的，其间会发生通信链路的中断，以及用户业务的丢失。故这种有缝的切换方式对于那些对可靠性和实时性有很高要求的业务和应用，如股票交易、应急通信等，并不有利。

另外还有一个缺点，就是TDM/TDMA系统的主站本就已经十分昂贵，而再建设一个备用主站则会使费用更高，这对于一般的用户来说还是很难以承受的。

TDM/TDMA网络的无缝切换

倘若用户对网络的可靠性要求很高，不允许出现通信链路及业务的中断和丢失，那就必须采用无缝的主站切换方式了。见图14。

●与有缝方式不同，在平时正常情况下，除了主用主站在频点f出境-1发射出一个TDM出境载波并向VSAT远端站传输业务外，备用主站就已经在另外一个频点f出境-2同时发射出了另一个完全相同的TDM载波（灰色载波）。而每个VSAT远端站的IDU（室内单元）中也都配置有两个TDM解调器，可以同时接收并解调这两个主站发出的TDM载波。

●当主用主站失效并停止在f出境-1上发射TDM载波时，VSAT远端站仍可利用另一解调器（TDM解调器-2），从f出境-2上接收到备用主站的TDM出境载波，从而继续保持与业务中心之间的业务通信。

图13 TDM/TDMA双主站星状网中的有缝切换

图14 TDM/TDMA双主站星状网中的无缝切换

这种方式的优点是大大提高了可靠性，可以确保主备主站之间的无缝切换以及通信链路上的连续畅通，能够基本保证用户的通信业务不发生中断[6]。

而这种方式的缺点也很明显，那就是贵。不仅像有缝切换那样，需要再建设一个昂贵的备用主站，而且VSAT远端站里的IDU（室内单元）也需要再增加一个TDM解调器，以及相应的Switch（切换器、交换机）等[7]。另外在卫星上，也需要在平时就额外租用一段带宽，专门分配给备用主站发射备用的TDM载波，以备随时无缝地取代主用主站的工作。而作为备用，这个TDM载波及其占用的带宽平时基本都处于闲置状态，可以说是相当的烧钱。

5.总结

在VSAT卫星通信网络中，尤其是在以TDM/TDMA为代表的传统的星状网中，造成网络可靠性差的一个主要根源就在于主站，就在于主站往往是网络中的单一故障点。而提高网络可靠性的最为有效的措施就是设置两个或者多个异地备用主站，以消除这网络中的单一故障点。虽然在传统的TDM/TDMA星状网中可以采取这种措施，但相比而言，在纯TDMA网络中设置异地备用主站，不仅更加轻松自然、无缝可靠，而且还更加经济。

值得一提的是，主站（或中心站）其实是一个概念相当含糊的词汇，如果进一步细分的话则还有业务中心（Hub）、网络控制中心（NCC）和网络管理中心（NMS）等几种类型的主站。在很多VSAT网络中，尤其是在TDM/TDMA星状网中，这些中心往往会被集中设置于同一站点中（如Hub），从而使得网络的可靠性更加脆弱；但在TDMA网状网中，这些中心不仅可以轻松地设置多个，而且还可以随意地分布于不同的站点中，从而使得网络更加健壮，可靠性和抗毁性能够得到更进一步的加强。

总而言之，在网络的可靠性、健壮性和抗毁性上，利用纯TDMA技术组网比利用TDM/TDMA技术组网能够获得更佳的性能。

注释

[1]单一故障点的英文为Single Point of Failure。

[2]在卫星通信及其它通信系统中，有一个专门用来研究系统可靠性的专业性指标叫可用度（Availability）。有关可用度有一套非常严密和完整的分析及计算方法，感兴趣的读者可另行查阅。而鉴于可用度对于一般用户来说颇为陌生，且其应用也日渐减少，所以为通俗起见，本文均统一采用可靠性的说法。

[3]这里提到的只是一些主要设备。其它的一些辅助设备，如中频合路/分路器、中频电缆、倒换开关、路由器和供电设备等，也都有可能成为地面站中的单一故障点。

[4]详见《纯TDMA和TDM/TDMA网络比较》“组网篇”。

[5]多频时分多址MF-TDMA技术的出现，使得在同一TDMA网络中可以有多路速率不同的TDMA信道；而ACM（自适应编码调制）技术的出现，则允许在同一TDMA信道中，各站发射载波的编码调制（MODCOD）方式以及速率也可按需而变且互不不同。但由于所有站点Modem的基本配置依然是“TDMA调制器＋TDMA解调器”，所有站点仍以纯TDMA方式时分共享相同的卫星信道，所以各站在通信链路层面上的地位依然是完全平等的。

[6]虽然通信链路在物理层上可一直保持，但在更高的网络层和传输层上则还存在着其它种类的连接过程，如静态和动态路由、路由汇聚和更新、负载均衡、握手和超时等等。这些过程也会对网络的可靠性和业务的连续性造成影响，故也需综合进行考察。