卫星应急通信系统——VSAT系统

       VSAT是英文"VerySmallApertureTerminaf,(甚小口径终端)的缩写，所谓VSAT,是指一类具有甚小口径天线的智能化小型或微型地球站，简称小站。通常，大量这类小站与一个大站协同工作，构成一个卫星通信网。它的出现是20世纪80年代一系列先进技术综合运用的结果。这包括：

      (1)大规模和超大规模集成电路技术；

      (2)微波集成和固态功率放大技术；

      (3)高增益、低旁瓣的天线小型化技术；

      (4)高效多址连接技术；

      (5)微机软件技术；

      (6)高效、灵活的网络控制和管理技术；

      (7)分组传输和分组交换技术；

      (8)扩频、纠错和调制解调技术；

      (9)数字信号处理技术；

      (10)卫星大型化技术等。

VSAT的发展可以划分为三个阶段。

        第一代VSAT以工作于C波段的广播型数据网为代表。

        第二代VSAT具有双向多端口通信能力，但系统的控制与运行还是以硬件实现为主。

        第三代VSAT以釆用先进的计算机技术和网络技术为特征。系统规模大，有图形化面向用户的控制界面；有由信息处理器及相应的软件操控的多址方式；与用户之间实现多协议、智能化的接续。

VSAT卫星通信网具有许多其他通信网不可比拟的优点，其中主要特点如下。

       (1)设备简单，体积小，重量轻，耗电省，造价低，安装、维护和操作简便。根据使用条件的不同，小站天线的直径可以为0.3〜2.4m,发射机功放为1〜2W。终端部分也很小，安装只需简单的工具和一般地基。因此可以直接放在用户室内外。例如，用户庭院、屋顶、阳台、墙壁或交通工具上。随着天线的进一步小型化还可以置于室内桌面上,只要天线能够通过窗口对准卫星而无障碍即可。可以迅速安装和开通业务，设备易于操作、使用和维护。目前用户年通信费用比地面线路可节省40%〜60%,建站费用比建一 个微波中继站费用的1/2还少。

       (2)组网灵活、接续方便。网络部件模块化，易于扩展和调整网络结构。可以适应用户业务量的增长以及用户使用要求的变化。开辟新通信点所需时间短。

       (3)通信效率高、性能质量好、可靠性高、通信容量可以自适应，适于多种数据率和多种业务类型，便于向ISDN过渡。

       (4)可建立直接面对用户的直达电路，它可以与用户终端直接连接，避免了一般卫星通信系统信息落地后还需要地面线路引接的问题。特别适合于用户分散、业务量轻的边远地区以及用户终端分布范围广的专用和公用通信网。

       (5)集成化程度高，智能化(包括操作智能化、接口智能化、支持业务智能化、信道管理智能化等)功能强，可无人操作。

       (6)VSAT站很多，但各站的业务量较小。

       (7)有一个较强的网管系统。

       (8)独立性强，一般用作专用网，用户享有对网络的控制权。

       (9)互操作性好，可使釆用不同标准的用户跨越不同地面网而在同一个VSAT网内进行通信O

       自1984年中国成为世界上少数几个能独立发射静止通信卫星的国家以来，卫星通信已被国家确定为重点发展的高技术电信产业。VSAT专用网和公用网不断建成投入使用。             VSAT已经应用在我国的国防、金融、能源、交通、邮电等许多领域，为所应用的行业的发展起到巨大的作用。特别是在应急安全方面，VSAT通信网更是展现出巨大的优势，目前我国已经建立了专门的VAST卫星通信网。

VSAT网主要由三部分构成：通信卫星、主站、许多远端小站。其示意图如图2.16所示。

 

 

  图2.16  VSAT网构成示意图

     （1）VSAT主站。主站又称中心站（中央站）或枢纽站（Hub）,它是VSAT网的心脏。它与普通地球站一样，其天线直径一般为3.5〜8m（Ku频段）或7〜13m（C波段），并配有高功率放大器（HPA）、低噪声放大器（LAN）、上/下变频器、调制解调器及数据接口设备等。主站通常与主计算机放在一起或通过其他（地面或卫星）线路与计算机连接。

        主站高功率放大器的功率要求与许多因素有关，例如，通信体制、工作频段、数据速率、发射载波数目、卫星特性以及远端接收站的大小及位置等。其额定功率一般为数百瓦（最小1W,最大达数kW）。当额定功率为1〜10W时，一般釆用固态碑化傢场效应管（CaAsFET）放大器，额定功率为10〜250W时，一般釆用行波管放大器（TWTA）,而为500-2000W时，一般采用速调管放大器。例如，釆用6〜10个发射载波的C波段11m地球站，HPA的功率约为300Wo为了对全网进行监控、管理、控制和维护，一般在主站内（或其他地点）设有一个网络控制中心，对全网运行状况进行监控和管理，如实时监测、诊断各小站及主站本身的工作情况，测试信道质量，负责信道分配，统计，计费等。操作员可在控制台使用键盘进行操作，通过屏幕显示和打印结果。由于主站涉及整个VSAT网的运行，其故障会影响全网的正常工作，故其设备皆有备份。为了便于重新组合，主站一般采用模块化结构，设备之间釆用高速局域网的方式互连。

      （2）VSAT小站。VSAT小站由小口径天线、室外单元和室内单元组成。VSAT天线有正馈和偏馈两种形式，正馈天线尺寸较大，而偏馈天线尺寸小、性能好（增益高、旁瓣小），且结构上不易积冰雪，因此常被釆用。室外单元主要包括GaAsFET固态功放、低噪声场效应管放大器、上/下变频和相应的监测电路等。整个单元可以装在一个小金属盒子内直接挂在天线反射器背面。室内单元主要包括调制解调器、编译码器和数据接口设备等。室内外两单元之间以同轴电缆连接，传送中频信号和供电电源，整套设备结构紧凑、造价低廉、全固态化、安装方便、环境要求低，可直接与其数据终端（微计算机、数据通信设备、传真机、电传机等）相连，不需要地面中继线路。

     （3）空间段。VSAT网的空间部分是C频段或Ku频段同步卫星转发器。C频段电波传播条件好、降雨影响小、可靠性高、设备简单、可利用地面微波成熟技术、开发容易、系统费用低。但由于与地面微波线路干扰问题，功率通量密度不能太大，限制了天线尺寸进一步小型化，而且在干扰密度强的大城市选址困难。C波段通常釆用扩频技术降低功率谱密度，以减小天线尺寸。但釆用扩频技术限制了数据传输速率的提高。通常Ku频段与C频段相比具有以下优点。

       ①不存在与地面微波线路相互干扰问题，架设时不必考虑地面微波线路而可随意安装。

       ②允许的功率通量密度较高，天线尺寸可以更小，传输速率可以更高。

       ③天线尺寸一样时，天线增益比C频段高6〜10dB。

       虽然Ku频段的传播损耗特别是降雨影响大，但实际上线路设计时都有一定的余量,线路可用性很高，在多雨和卫星覆盖边缘地区，使用稍大口径的天线即可获得必要的性能余量。因此目前大多数VSAT系统主要釆用Ku频段。只有ContelASC（原赤道公司）的扩频系统主要工作在C频段。当其他非扩频系统工作在C频段时，则需要较大的天线和较大的功率放大器，并占用卫星转发器较多的功率。我国的VSAT系统工作在C频段,这是由目前所拥有的空间段资源所决定的。

       由于转发器造价很高，空间部分设备的经济性是VSAT网必须考虑的一个重要问题，可以只租用转发器的一部分，地面终端网可以根据所租用卫星转发器的能力来进行设计。

       VSAT系统组网形式十分灵活，可以组成各种复杂的网络，以满足不同用户的需求。

       VSAT通信网的基本结构有星状、网状及两者的混合形式，网络拓扑如图2.17所示。在星状网中，外围各远端小站只与中心站直接联系，它们互相之间不能通过卫星直接互通。如有必要，各小站经中心站转接方能建立联系（形成逻辑上的网状网），星状网络拓扑如图2.17（a）所示。它是目前VSAT网中应用最广泛的网络形式。

       建立星状网的主要指导思想是：①考虑那些釆用从上到下或从下到上的方式作决策的机构的需要，在这种方式中上级根据下级提供的信息，制定政策或作出决策；在上下级或总部与分部（或基层）之间交换信息；②支持计算机釆用分级机构，用主机起“高级管理”作用，个人计算机用户与主机数据库相联系。因此这种卫星数据网，特别适用于全国性或全球性的分支机构很多，并有大量数据信息需要传送和集中处理的行业或企事业建立专用的数据通信网来改善自动化管理，或发布、收集行情和信息，如新闻、银行、民航、交通、联营旅馆和商店、供应商的销售网、股票行情、气象、地震预报以及政府计划、统计等部门使用。在星状网中VSAT之间以双跳形式进行通信时，两跳延时对大多数数据传输影响不大，但话音质量要受影响，一般采用音频编解码通话。随着星上处理大功率卫星的发展，交换功能在星上完成，最终将解决双跳延时问题，从而提高了双向话音的传输质量。

图2.17   VSAT通信网的网络拓扑结构

       在网状网中，各站彼此可经卫星直接沟通，如图2.17(b)所示。在以话音为主的小站网中，为了避免双跳延时，需要釆用这种网络结构。这种类型的VSAT,其数据率可增大到传输数字电视信号所需要的1.544Mbit/So有A速率的VSAT,必须要有区域波束和点波束的较高功率卫星，如果使用一般的卫星，则地球站就需要有较高的功率或较大的天线。

       图2.17(c)所示为星状和网状混合结构网。它在传输实时性要求高的业务(如话音)时，釆用网状结构，而在传输实时性要求不高的业务(如数据)时，釆用星状结构，当进行点对点通信时釆用星状结构。需要指出在话音VSAT网中，网络的信道分配、网络监测、管理、控制等由网控中心负责，而控制信道是星状网(虚线所示)，话音信道是网状网(实线所示)。

       VSAT通信网是用大量模块化网络部件实现的，使用灵活、易于扩展，能适应各种用户需要，能将传输和交换功能结合在一起。因此它能为各种网络业务提供预分配和按需分配窄带与宽带链路，并能在任意网络结构中应用。图2.17(d)是一种点-点或卫星单跳结构。其中VSAT作为低速率数据终端和话音业务的网关(Gateway),这些用户可以是个人计算机或某商业系统的各机构。在图2.17(e)中VSAT作为远端终端，用来向一组末端用户终端或局域网(LAN)收集/分配数据。在这种应用中，一组VSAT与一个特定的中心站连接，中心站是一些经卫星或光纤链路连接的大型卫星地球站，它们一般位于机构中心或数据中心，一个中心站所服务的VSAT数目没有特别的限制，它由业务量的分布及要求的中心站规模来确定。

       VSAT网既可组成独个用户使用的专用网，也可组成中心站共用网，即几个用户独立共用一个中心站，但彼此之间并不相通。有的国家由电信部门建立公用共享网，一个网内容纳多个专用子网。它可以为众多小型和中型用户提供服务，这些用户可以共用一个或多个内向载波。中型和大型用户可以租用一个或多个内向载波，并建立它们自己的专用子网，与其他用户只共享中心站设施。通过先进的软件控制把各个用户群互相隔离，使它们的中心或部门只能与属于自己的小站连通，并且通过远程控制终端进行控制，就像专用网一样，从而保证了用户数据的保密和可靠。电信部门则按各用户单位使用的小站数目和数据的多少收取一定的租金。

       中国自1993年开放VSAT经营业务以来，工业和信息化部(简称工信部)已经为十多家卫星通信经营公司颁发了经营许可证，并加强了行业指导与管理，目前地面服务业务主要由中国电信运营。证券业方面，深圳、上海证券交易所都建立了VSAT卫星通信专用网。全国各大证券公司均为方便用户，又为发展自己建立VSAT专用网。目前我国每天的证券交易都通过卫星通信进行。期货业方面，上海金属交易所、深圳金属交易所、上海粮油交易所、上海商品交易所、郑州粮油交易所等，全部釆用VSAT系统用于行情发布以及成交撮合。银行业方面，中国人民银行、中国银行已经有了VSAT卫星通信网，建立VSAT网是全国金融业电子化的重要内容。另外，许多中央部委都建立了VSAT网，如中国气象局、中华人民共和国海关总署、中央人民政府贸易部、中华人民共和国水利部、中华人民共和国农业农村部等。

中国电信应急通信VSAT网是一个覆盖全国的大型话音数据网，主要用于保障各种紧急状况下的通信，如发生洪水、地震等自然灾害使地面通信线路中断时，因该网具有较高的机动性及灵活性，能够快速组网，迅速恢复重要通信，对组织抢险救灾、防汛、应对突发事件、保持信息畅通发挥着极其重要的作用，完成应急通信等特殊时期的话音和传真等任务。中国电信应急VSAT网既可通过固定站与公网内的用户建立双向通信，也可以和其他移动小站通过卫星直接通信。

        2002年中国电信被分成南北两个公司后，按照属地划分的原则，应急通信12个机动通信局（北京、上海、湖北、辽宁、黑龙江、河北、内蒙古、新疆、福建、四川、陕西、广东）也被分成南北两部分，七个机动通信局划到中国电信，五个机动通信局划到中国网通。每个省、直辖市主要配有VSAT机动通信设备或一个固定站或若干移动站，没有能力支撑较大的应急通信任务。各省均釆用美国科学亚特兰大公司的卫星通信设备，经“中卫二号”卫星转发器，加入全国VSAT应急卫星通信网。本网既可自成体系，又可作为公网的延伸和补充。在网内任何两移动小站既可通过卫星建立直达通信，又可通过固定站进入公网，与公网用户建立通信，固定站与长途交换中心相连可提供30条长途中继电路。

（1）Ku频段VSAT应急卫星通信移动小站主要技术指标如下。

通信频段：发信14000〜14500MHz；收信10950〜12750MHz。

系统容量：两路话音。

天线口径：1.8m、1.2m。

发信功率：2.5W。

中频频率：（70±ll）MHz。

发信天线增益：43.2dBi。

收信天线增益：41.6dBi。

（2）Ku频段VSAT应急卫星通信固定站主要技术指标如下。

网络规模：主控站为北京、上海。两站功能完全相同，互为备用；移动站200多个,分布于各省。

独立组网号：0ABC。

天线口径：主控站为4.5m；固定站为3.6m。

系统容量：30路话音。

现以两个实际通话过程来介绍宁夏VSAT应急通信设备（小站）与地面固定电话网的通信链路是通过西安VSAT固定站连接的。

     （1）固定电话0951-1234567呼叫宁夏1号VSAT小站的过程：固定电话“0951・1234567"拨叫1号VSAT小站的“0ABC+XXXXXXX”号码后，经过宁夏银川长途交换关口局、西安长途交换关口局后，再通过西安VSAT固定站发射到空中的卫星转发器，最后到达宁夏1号VSAT小站；应答过程则相反。其中，西安VSAT固定站负责将西北地区的地面有线通信链路转换为空间的无线通信链路。

       (2)宁夏1号VSAT小站呼叫固定电话027-12345678的过程：宁夏1号VSAT小站的“ABCXXXXXXX”拨叫地面固定电话“027・12345678”用户号码后，先经过空中的卫星转发器到西安VSAT固定站，再经过西安长途交换关口局，通过地面的长途干线传输网络到达武汉的长途交换关口局，又经过市话交换局，最后到达武汉的"027-12345678"电话用户；应答过程则相反。

       以宁夏1号VSAT小站呼叫宁夏2号VSAT小站的过程为例：宁夏1号VSAT小站的第一路0ABCXXXXXXX电话呼叫2号VSAT小站第一路0ABC+YYYYYYY电话，只通过空中的卫星转发器即可完成；应答过程则相反。其中，北京(上海)VSAT主控站负责通信秩序的监管、控制软件版本升级后的下发、小站通信参数的配置，不参与小站之间每次的呼叫、应答过程。小站与固定站之间的通信过程基本同上。