VSAT 系统建设的成本分析和优化*

徐 挺，兰 海，孙 勇，张宏江

（1.老挝亚太卫星有限公司，老挝 万象 999012；2.重庆两江卫星移动通信有限公司，重庆 401135；3.航天恒星科技有限公司，北京 100086；4.中国运载火箭技术研究院，北京 100076）

0 引言

卫星通信作为地面网络的扩展，可以实现站点间远距离互联，为偏远地区提供数据、互联网等多媒体接入。卫星通信的实现方式有很多，其中最普遍的是采用VSAT 方式。

本文首先介绍VSAT 系统组成和实现原理，再比较不同的通信网络、通信体制和多址方式及对应的适用场景，结合卫星转发器参数分析和星地链路计算，确定合适的地面设备规格，然后通过设备类型的优劣比对，实现最佳的设备选型，从而达到降低系统建设成本的最终目的。

1 VSAT 系统

VSAT，又称甚小口径终端，指一类具有小口径天线的地球站，通常可以很方便的安装在用户站，与卫星服务商的关口站协同工作，组成一个卫星通信网，能够支持范围广泛的单向或双向数据、语音、视频等业务。它具有组网灵活、系统可靠性高、设备成本低、安装方便、扩容性好、业务开通快等特点，可建立关口站与用户站间的直达线路，避免了地面中继线路问题，是作为偏远地区基站回传、互联网接入、远程教育等应用的一种很好选择。由于用户站天线口径小，发射功率低，因此站点规模和建设成本低，非常适合作为地面光纤网的补充，进行大规模的站点部署和业务覆盖。

2 网络类型及选择

VSAT 通信网是一个由多个通信站点组成的可实现相互间通信的网络，它可以根据不同的业务需求进行组网，从而搭建出一个灵活易扩展的通信网络。通常根据其拓扑结构可分为星状网（Star）、网状网（Mesh）和混合网（Hybrid）三种，分别适用于不同的场景。

2.1 星状网

星状网是最常用的网络，通常有一个中心站提供业务汇聚和全网控制功能，各远端站都同中心站通信，组成星状拓扑结构。远端站仅与中心站单跳互通，若远端站间有数据通信则需要中心站中继转发通过卫星双跳实现。星状网逻辑图如图1 所示。

图1 星状网逻辑

2.2 网状网

网状网是无中心的分散的网络结构，各远端站间通过单跳直接通信，无需经中心站中继，因此通信时延较比星状网缩减一半。但一般会存在一个主控站，对全网进行时钟同步和监控管理。主控站可以是各远端站的其中一个或几个，甚至所有远端站都作为主控站，因此网状网的通信具有高灵活度、高可靠度和抗毁性。网状网逻辑图如图2 所示。

图2 网状网逻辑

2.3 混合网

混合网是星状网和网状网的混合体，通常是由一个网状网裁减而来，可形成多中心站星状网、树状网、格状网、星座状网等各种拓扑结构的网络，并且可以根据应用场景灵活切换[1]。业务量大的站点可直接与中心站单跳通信，部分站点间通信也可通过单跳完成，同样具有一定的灵活度、可靠度和抗毁性。网状网逻辑图如图3 所示。

图3 混合网逻辑

2.4 网络选择分析

建设VSAT 系统需要根据应用场景选择最合适的网络。站点数较多、业务流量较大、站点间通信较少的场景，星状网是很好的选择，因为星状网中只有一个中心站，其天线口径和功放规格配置高，则远端站采用小口径天线和小功率功放即可满足与中心站的通信链路要求。但由于中心站唯一，整个网络存在单点故障的风险，如果再投资建设备份站，则整体成本投入又会大幅提高[2]。当站点数较少、站点间存在大量通信、业务对时延要求较高且要求网络具有多点备份时，可以考虑选择网状网，此时各站点的天线口径和功放规格都要相应提高才能满足通信链路要求。而当部分站点需要高业务流量、部分站点间需要相互通信，且网络拓扑经常变换的场景，可以考虑选择混合网，此时需要对中心站和个别远端站进行较大成本投资，其他远端站可以低成本投资，以建成一个可满足业务要求的混合网。三种VSAT 网络的特征和应用场景如表1 所示。

表1 VSAT 网络特征

在选择VSAT 网络时，需要根据实际的应用场景，预估未来的网络规模和业务情况，综合衡量比较各网络的整体投资建设成本，从而选择最合适的VSAT 网络。

3 多址方式及选择

多址方式指的是多个远端站通过共用的卫星信道同时建立各自通信信道的一种方式，大大提高了卫星通信链路的利用率和通信连接的灵活性。目前常用的VSAT 多址方式有四种：FDMA/SCPC、TDM/SCPC、TDM/TDMA 和纯TDMA。

3.1 FDMA/SCPC

频分多址/单路单载波（FDMA/SCPC）中，每个载波独占一段频段。每条通信链路的建立都通过位于两通信站点的终端间通信来实现，其信道带宽都是固定分配且独占的，无论该站点的业务量如何变化，带宽始终固定不变。由于载波连续而不存在全网同步的问题，因此通信时延低、抖动小、技术成熟、实现简单。但是由于带宽固定不变，当业务量大时可能会存在网络拥塞，当业务量小时又造成带宽资源浪费的情况。

3.2 TDM/SCPC

时分复用/单路单载波（TDM/SCPC）通常适用于星状网，配备有一个中心站，各远端站同中心站单跳通信，或通过中心站中继双跳实现站点间通信。在该系统中，通信链路被分为两部分：中心站至远端站的叫出境信道、远端站至中心站的叫入境信道。其中，出境信道采用TDM 方式发送一个连续的TDM 载波，其信道带宽固定分配并供所有远端站共享。入境信道采用SCPC 方式，各远端站发送各自连续的SCPC 载波，每个入境信道占用某一固定频带，带宽固定分配且独占的。在TDM/SCPC方式中，同样不存在全网同步的问题，时延抖动性能好，并且实现了出境信道共享，提高了信道利用率，但由于入境信道仍然独享，依旧可能存在网络拥塞或带宽资源浪费的情况。

3.3 TDM/TDMA

时分复用/时分多址接入（TDM/TDMA）跟TDM/SCPC 原理相似，同样将通信链路分为出境信道和入境信道，且出境信道采用TDM 方式。不同之处在于入境信道采用TDMA 方式，各站被分配在一个预分配好的时隙内发送TDMA 突发载波至同一信道中。由于载波频率相同的，要求每个站的突发载波在时间上不重叠。因此中心站需要周期性的下发时间同步信号对所有小站实现全网同步，以确保每个站都能在指定时隙内发送载波而不干扰到其他站。TDM/TDMA 实现了出境和入境双向信道各自的共享，信道利用率进一步提升[3]。

3.4 纯TDMA

时分复用多址（TDMA）是一个天然的网状网，不存在中心站和远端站之分，也不存在出境和入境信道之分，所有站点共享同一信道，按预分配在指定时隙发射自己的TDMA 突发载波。TDMA 同样需要一或多个主控站进行监控管理和全网同步，以确保每个站都能在指定时隙发射载波而不干扰到其他站。TDMA 实现了真正意义上的全网共享，充分的利用了带宽资源。

3.5 多址方式选择分析

在FDMA/SCPC 中，n 条通信链路需要的modem数量为2n 台，通常SCPC modem 的价格较高，不利于大规模部署。当一个站点需要与多个站点建立通信链路，该站点需要部署多台modem，发射多个SCPC 连续载波，为了避免功放工作在非线性状态而导致载波间互调干扰，需要进行功率回退，导致功放的功率规格要求很大且功率效率很低。因此FDMA/SCPC 适用于站点数少、站点间业务流量大、通信时延和抖动要求高的应用场景。

在TDM/SCPC 中，配置有一个中心站进行流量中继和转发。中心站通常配备有较大口径天线和较高功率功放，因此远端站的天线口径和功放规格要求相应降低。由于中心站至远端站采用TDM 方式，出境载波的发射仅需配置一台SCPC modem 来完成，因此无需对功放进行功率回退。而针对各远端站至中心站的多个入境载波的解调，则通过配置一台或多台多通道接收机来完成。各远端站部署一台SCPC modem 完成入境载波的调制和出境载波的解调。因此，若接收机为4 通道，当有n 个远端站时，全网所需设备数量为n+1 台modem 和n/4 台多通道接收机。由于SCPC modem 的价格较高，同样不适合大规模部署。因此，TDM/SCPC适用于站点数较少、各点流量较大、站间通信少的应用场景。

在TDM/TDMA 中，同样配置有一个大天线口径和高功率功放的中心站，远端站规格相应降低。由于中心站还负责监控管理、全网同步、路由策略等功能，因此需要配备一套HUB 基带系统来实现。出境TDM 载波由调制模块完成，入境TDMA载波由多载波解调模块完成，而远端站仅需配置一台remote modem 完成对入境载波的调制和出境载波的解调。因此，当有n 个远端站时，全网所需的设备数量为1 台HUB 基带系统和n 台remote modem。由于HUB 基带系统价格十分昂贵，而remote modem 价格相比SCPC modem 却便宜很多，因此需要大量的站点数来平摊中心站的投资成本。TDM/TDMA 适用于站点数很多、各点流量较少、站间通信少的应用场景。

在TDMA 中，站点间通信通过单跳完成，因此需要的天线口径和功放规格都较大。由于全网共享信道，支持的业务流量较低。各站点配置有1 台TDMA modem，调制并解调信道中的TDMA 突发载波。当有n 个站点时，全网所需的设备数量为n 台TDMA modem。通常此类modem 是通用硬件结构，通过序列码等方式提供主控站功能的授权。根据需求，可将全网配置成一个或多个主控站，当然授权费和投资成本也不同[4]。由于TDMA modem 和其授权费价格较高、全网支持的业务流量较少，因此TDMA 适用于站点数较少、站间通信频繁、网络拓扑更换频繁、灵活度高的特殊应用场景。

四种多址方式的特征和应用场景如表2 所示。

表2 VSAT 多址方式

在选择多址方式时，需要评估现网规模、预估后期网络规模，计算一次成本投资和后续扩容成本，综合衡量比较，从而选择最合适的多址方式。

4 站点组成及选型

4.1 设备组成

一个VSAT 站设备由两部分组成：室内单元（IDU）和室外单元（ODU）。其中，室外单元包括收发天线、功率放大器和低噪声放大器，室内单元包括基带系统和应用终端。设备组成如图4 所示。

图4 设备组成图

同

4.2 天线选型

VSAT 站收发天线通常有两类：正馈天线和偏馈天线，其中正馈天线又分为前馈型和后馈型，后馈型天线中，凯瑟格伦型和格里高利型天线口径尺寸大，通常在6.2 米以上，一般安装在中心站，以提高较大的信号发射和接收能力，从而降低远端站的天线和功放规格。后馈模式能有效保护馈源受日晒雨淋，提高馈源的寿命，但由于构造复杂，并配备有伺服电机和跟踪单元，天线造价也相对较高。环焦天线和偏馈天线口径通常在4.5 米以下，结构简单，造价低，无需配置伺服电机和跟踪单元，可手动调整天线对星，一般安装在远端站。环焦天线因为馈源部分安装在中心体内，可避免受日晒雨淋，但造价方面偏馈天线要高于环焦天线，

天线选择方面，从成本角度考虑，在能满足通信链路要求的情况下，远端站优先考虑采用偏馈天线，而中心站为保证更高的可靠性，可考虑选择后馈形天线[5]。此外，由于伺服电机和跟踪单元价格较高，对于C 波段6 米以下口径天线和Ku 波段4.5米以下口径天线，可以考虑不配备伺服电机和跟踪单元以降低中心站天线的成本投入，对星精度误差损耗可以通过基带部分的功率控制来补偿。

4.3 功放选型

高功率放大器（HPA）的作用是将上行链路的射频（RF）信号进行功率放大，它与收发天线共同决定信号的上行发射能力。目前中心站最广泛使用的HPA 有：固态功率放大器（SSPA）、行波管放大器（TWTA）和速调管放大器（KHPA）。由于它们只有功率放大功能，没有上变频功能，需要和上变频器（U/C）配合使用，先由U/C 将中频（IF）信号上变频成RF 信号，再进行功率放大。三种HPA 各有优缺点，KHPA 输出功率高、效率高、价格低、电源简单，但带宽窄，一般用于卫星测控站卫星上行测控使用。TWTA 带宽大、输出功率高，但价格高、效率低、电源复杂，是目前中心站使用最多的HPA。SSPA 性能稳定、带宽较大、体积小、寿命长、电源简单、价格适中，近年来逐渐有替代TWTA 的趋势[6]。三种功放的优劣势如表3 所示。

表3 各功放对比

TWTA 通常和U/C 一起安装在机房内，并配备有精密空调，温湿度有保障，不受外界环境影响。但由于机房与天线有一定距离，从TWTA 法兰口输出至天线馈源口的路径较远，导致其波导的传输功率损耗较大，降低了信号的上行能力。近年来随着L 波段信号的流行以及SSPA 技术的发展，目前大多数SSPA 产品都可内置L 波段上变频模块组成SSPB，又称功放上变频器（BUC），集成了上变频和功率放大的功能，单台设备可替代上变频器+功放组合使用，且价格远低于TWTA 和KHPA，因此广泛使用于远端站。而且由于其支持L 波段输入，设备可安装在室外收发天线近端，大幅缩短了法兰口至天线馈源口的路径距离，减少波导传输损耗，提高了信号上行能力，因此在各大中心站大放异彩。综合分析，针对远端站和中小型中心站，在频率和功率都满足的情况下，BUC 是最佳选择。而对于可靠性要求极高的大型中心站，则可以选择TWTA+U/C 组合。

4.4 低噪放选型

低噪放的作用是将下行链路的RF 信号进行功率放大的同时限制噪声温度升高，它与收发天线共同决定信号的下行接收能力。低噪放通常有两类：低噪声放大器（LNA）和低噪声下变频器（LNB）。

LNA 只有低噪声功率放大功能，需和下变频器（D/C）配合使用，先将RF 信号功率放大，再通过D/C 进行下变频至L 或者IF 信号输出。通常LNA安装在天线馈源口，而D/C 安装在机房内，中间有一定距离，因此LNA 输出的RF 信号在经过这段传输过程中会有较大的功率损耗，降低了下行信号的接收电平。而LNB 集成了低噪声功率放大和下变频的功能，单台设备可替代LNA+D/C 组合使用，且价格也低于单台LNA，广泛使用于远端站[7]。由于LNB 安装在天线馈源口，下变频后输出的是L 波段信号，相比RF 信号在同等距离的传输损耗大幅减少，因此在各大中心站也普遍使用。综合分析，针对远端站和中小型中心站，LNB 是最佳选择。而对于大型中心站，需要对下行RF 信号监测以及有相关测试需求的，则可以选择LNA+D/C 组合。

4.5 基带系统选型

VSAT 基带系统根据不同的应用场景以及组网和多址方式，可以有很多选择。针对FDMA 和TDM/SCPC，基带系统采用SCPC modem 作为通信终端。由于SCPC modem 价格普遍较高，并且通信体制没有统一的国际标准，各厂家设计各自的通信体制，需要选择一款性能最优的产品以提高频谱利用率。因此需要选择一款性能最产品选型需要考虑如频谱效率、解调门限、滚降系数、封装开销等性能参数，以及是否支持一些如载波对消CnC、自适应编码调制ACM、上行功率控制UPC、包头净荷压缩等功能。通过产品性能和价格比对，结合业务运行周期，计算出费用总和。

对于TDM/TDMA，主流应用是星状网，中心站采用HUB 基带系统，远端站采用remote modem。国际上有统一的通信体制标准，通常出境信道采用DVB-S2 标准，入境信道采用DVB-RCS 标准。目前也有不少产品已支持出境信道采用DVB-S2X 标准，入境信道采用DVB-RCS2 标准，相比上一代频率效率有了大幅提升。系统的信号处理任务大部分都集中在HUB 基带系统完成，使remote modem 的功能和操作简单化，同时也降低了其设备尺寸和价格[8]。作为代价，一套HUB 基带系统的价格却是非常昂贵，只有整网规模庞大、业务周期长的情况，才能担负的起单套系统的采购成本。在选型方面，需要考虑设备采购费用、整网规模、带宽租赁费用等多个因素。由于设备成本投入巨大，需要长期运营来维持，带宽租赁费用同时又是一大笔开支。因此需要提前预估整网规模，选择一款性能最优功能最全的产品。通过产品间性能和价格比较，结合业务周期，计算出其费用总和。

对于TDMA，在应用中本身就是一个天然的网状网，各站点都采用统一的硬件设备，个别站点通过软件授权开通成为主控点。由于网状网比较特殊，需要根据实际的使用场景组成适合的VSAT 网。对于中小型专网通信，为节省成本投资，可以考虑开通一至两个站作为主控点，同时起异地备份的作用。而对于军事、应急、抢险救灾等应用场景，对整网有较高的灵活度和抗毁性要求，此时就要开通所有站作为主控点，当一个主控点失去通信连接，可以第一时间将整网控制功能转移至其他主站点，充分保障通信可靠，通常这种场景对于设备投资也是不计成本的。

5 卫星选择

为了满足通信链路的要求，保证信号传输的可靠性和系统可用度，在选择通信卫星作为空间中继时，需要分析比较不同卫星间的性能差异，包括场强覆盖能力和转发器最重要的三个性能参数。从而选择最具性价比的卫星。

5.1 波束覆盖的考虑

选择一个通信卫星，其信号场强覆盖是第一考虑要素，各站点都在信号波束范围内才能满足通信的条件。目前大多数卫星都支持多频段多波束覆盖，有全球波束、区域波束、点波束等。全球波束通常用于海事卫星MSS 业务，区域波束通常用于C 波段和Ku 波段的FSS 业务，点波束通常用于Ka 波段的高通量业务，通常采用对同一频段多色复用以大幅提高通信容量。根据卫星轨位和地球站所在的地理位置，可算出地球站的天线对星角度，通常建议天线对星仰角不低于15 度。当偏离卫星轨位越远其天线对星仰角越低，信号的空间传输路径越远，信号衰减越大、引入的地面热噪声越大、降雨造成的热噪声和去极化效应越大，为保证通信链路要求就需要建设更大口径天线和更高功率功放，增大了成本投入。因此选择卫星时应尽量保证各站点所在区域离卫星轨位及波束覆盖范围中心越近[9]。

5.2 转发器性能参数考虑

通信卫星转发器有三个主要的性能参数，分别为：EIRP、G/T、SFD，在做星地链路计算和VSAT系统设计中起着关键作用。

EIRP，即有效全向辐射功率，表示卫星发射的下行信号强度。在站点所在区域，EIRP 值越大，信号场强越大，地面站接收的信号越强，接收天线口径可以越小。通常EIRP 场强图呈等高线形式从波束中心向外逐渐减弱。图5 为老挝一号卫星C 频段EIRP 覆盖图。

图5 老挝一号卫星C 频段EIRP 覆盖

G/T，即卫星上行信号接收品质因数，指卫星上行信号接收能力。在站点所在区域，G/T 值越强，卫星上行信号接收能力越强，地面站发射天线口径和功放规格要求越小。同样的G/T 场强图呈等高线形式从波束中心向外逐渐减弱。图6 为老挝一号卫星C 频段G/T 覆盖图。

SFD，即功率饱和通量密度，指上行信号将转发器输出功率推至饱和状态时，卫星天线口面上的功率通量密度。EIRP 和G/T 是卫星设计阶段就确定的，而SFD 可通过调节转发器的线性通道放大器衰减档而改变[10]。SFD 越敏感，星上的信号放大能力越强，地面站所需的上行功率约小，因此对于地面站天线口径和功放规格要求越小。但与此同时上行链路的载噪比变小，导致整条星地链路的通信质量恶化，因此需要综合衡量选择。

图6 老挝一号卫星C 频段G/T 覆盖

用户在选择卫星时，首先需要对比各卫星的场强覆盖情况，选择站点所在区域内EIRP 和G/T 值最强的卫星，再通过星地链路计算及同卫星公司协商，在可满足链路可靠性和系统可用度的情况下，将载波所在转发器的SFD 值适当调整至敏感档位，以降低地面站上行所需功率，从而降低所需的发射天线口径和功放规格，减少设备投入成本。

6 通信体制选择

6.1 通信标准选择

VSAT 通信有很多标准，其中最普遍的是采用DVB-S 标准，目前已经发展到第三代，分别是DVB-S、DVB-S2、DVB-S2X。其中，DVB-S2 是目前主流的通信标准，它相对于DVB-S 有较大的性能提升，具体体现在载波的频谱效率大幅提高。目前大多数modem 两者都兼容。而DVB-S2X 相对于DVB-S2 又有较高的性能提升，具体体现在滚降系数从原0.2 降至最低0.05，调制方式从原32APSK升至最高256APSK 等。此外还有许多厂家在此基础上自研新标准，但系统构架和原理大多跟DVB-S2相同，例如信道编码都采用BCH+LDPC，高阶调制大多采用APSK 方式，不同之处在于信号复用、封装、处理等，会有不同的开销[11]。但同时设备成本也相对较高。目前VSAT 通信普遍采用DVB-S2 通信标准，未来DVB-S2X 等新标准会越来越普遍。图7 为不同通信体制的频谱效率对比图。

图7 通信体制对比

在选择通信标准时，优先考虑采用DVB-S2X及性能相似的其它通信标准，其相对高效的频谱效率可减少同等业务信息速率所需的转发器带宽，且随带宽租赁周期的增长带宽租赁费用节省的越明显。然而由于新标准问世不久，还尚未普及，因此设备的价格相比上一代的会高不少，此外还与上一代体制不兼容。因此，还需结合实际情况和业务周期，计算设备投入费用和带宽租赁费用，选择是否采用新一代通信标准的设备。

6.2 MODCOD 选择

MODCOD 指调制方式(Modulation)和编码速率(Coding)。MODCOD 越高，载波的频谱效率越高，相同业务信息速率所需的信道带宽越小，带宽租赁费越低。但与此同时，信号解调所需的门限值也越高，地面站需要采用更大口径天线和更高功率功放以保证链路可靠性和系统可用度[12]。因此需要权衡考虑，参考卫星转发器的性能参数，通过星地链路计算，在转发器功带平衡的前提下，计算出不同MODCOD 对应频谱效率、载波带宽以及所需收发站点的天线口径、功放规格等参数，结合业务周期，计算出不同MODCOD 下所需的带宽租赁费和地面设备投入费用，综合衡量选择最适合的组合。

通常，若业务信息速率高、需求带宽量大，且服务周期长，相比一次性的地面设备投入成本，长期节省下来的带宽租赁费用则更为可观，此时建议尽可能采用高阶MODCOD。而对于已建成的地面站，天线口径和功放规格都已确定，则需按现有的设备配置做星地链路计算，得出所能支持的MODCOD。

7 结语

VSAT 系统建设的成本优化一直都是围绕着卫星转发器带宽和地面系统设备投入开展。然而实际情况往往是地面系统受限而需要租赁大量带宽，若为了节省带宽又需要投入更大成本提高地面系统配置，两者往往无法兼顾。因此本文通过对整个VSAT 系统建设的各个环节展开分析，总结每个环节对成本投入的影响程度和优化措施，力求寻找一个平衡点，使带宽部分节省的同时地面系统的成本投入在合理范围，从而以最理想的成本投入建设最具性价比的VSAT 通信系统。