浅析VSAT卫星宽带互联网通信系统的发展

张 烨，庞 京

浅析VSAT卫星宽带互联网通信系统的发展

张 烨，庞 京

（国家无线电监测中心北京监测站，北京 100037）

本文对VSAT卫星宽带互联网系统进行简要的技术分析，主要包括系统内部主站与终端的通信交互，以及系统通信的网络协议结构，并对VSAT系统的核心通信体制DVB-S2标准进行分析说明。

VSAT；DVB-S2；卫星宽带互联网

1 引言

随着全球宽带互联网的发展和普及，卫星Ka频段业务的开发和推广，VSAT卫星宽带通信在市场上渐渐兴起，也越来越受到用户的喜爱。

2 VSAT系统概述

VSAT卫星通信系统与其他卫星通信系统一样，由地球站和通信卫星组成。地球站分为主站和小站，主站一般处于中心城市，具有较大口径（一般为11～18米）的天线和较大的发射功率，集中包含网络微机控制系统，这样可以使小站设备尽量简化。系统如图1所示。

图1 VSAT系统概图

3 VSAT系统技术分析

3.1 VSAT系统星上通信网络架构

VSAT系统通信网络结构如图2所示。

图2 VSAT系统通信网络结构图

对于星状网络而言，下行信道传输机制：主站从数据中心接收以随机顺序发送的IP包，并以先入先出的顺序利用时分复用方式插入到对应的时隙中，最后以广播的形式发射下行大载波。所有可接收的远端小站都能接收到这个广播流。

每个远端路由器都有惟一的媒质访问控制（MAC）地址，广播数据流利用MAC地址作为识别码进行编码，所有的数据都能被远端路由器接收并准确过滤。同时，下行信道也传输来自网络管理系统（NMS）的控制信息及带宽的动态分配。

上行信道传输机制：上行载波通过回传信道进行传输，载波基于MF-TDMA方式，远端小站共享卫星带宽，当有需要更多带宽时，远端可以调谐到其他有空闲带宽的上行载波，从这些载波中获得额外带宽。每个远端小站按指定的时隙发送业务信息，时隙分配即带宽分配，由主站网络管理系统指定的QoS限制来分配，同时系统也会根据各小站业务需求，以每秒8次的速度来调整带宽的分配。如果带宽需求增加或者减少时，主站给远端站发送一个新的时间表，在那个载波安排更多或更少的时隙。

网状连接时，远端站发送需求信息给主站，主站分析这个需求，然后在适当的TDMA 载波（回传载波）上分配时隙，并发送新的突发时间安排表给那两个远端站。接收远端站的网状解调器锁定那个TDMA 载波，监听为网状通信指定的时隙。主站每秒8次分析带宽需求并进行带宽分配，快速的带宽分配和释放机制可以保证很高的带宽使用效率。如果带宽需求增加或者减少，主站给远端站发送一个新的时间表，在那个载波安排更多或更少的时隙。

当新的网状远端站加入网络时，主站会更新路由和ARP 列表，并组播传送这个表到所有相关的网状远端站，从而缩短网状连接动态建立的时间。当没有额外可用带宽为网状连接使用时，小站业务可以以传统星状双跳的方式进行通信。当远端站的第二个解调器发生故障时，业务也能正常工作（以星状方式），大大提高了远站的弹性。

3.2 VSAT系统网络协议结构

按照VSAT对于整个系统的功能来说，VSAT就是通信路由器，一端通过无线信道连接卫星，一端通过以太网连接内部局域网。按照TCP/IP五层模型，VSAT网络的协议栈结构如图3所示。

图3 VSAT网络的协议栈结构图

由图3可知，VSAT提供物理层、数据链路层和网络层三层服务。

物理层：物理层定义了网络通信线路的实体馈线链路标准，任何系统底层都包含物理层结构。同时按整个系统信息的传输来看，物理层负责保证前向纠错（FEC）编码技术物理无差错，同时将虚拟信息进行调制或者将物理载波进行解调。

数据链路层：包含“数据链路控制层”及“卫星信道多址控制层”，前一层控制卫星链路的数据，来保证信道上信息的可靠传输，主要包括传输同步、差错控制、流量控制等协议。后一层主要对小站或者主站发射的多路载波进行信道管理控制，保证其有序性和正确性。

网络层：该层主要负责控制通信子网，提供路由选择、流量控制、传输的确认、中断、差错及故障的恢复等功能，保障系统内网络正常连接。经由该层将信息传输给传输层。

VSAT系统种类及产品五花八门，而且随着技术的发展，设备也随之更高性能。不管性能变化多快，网络协议结构不会改变，变化的是承载高速数据的系统处理能力及高效的中转传输能力。

3.3 VSAT信号传输及处理技术

（1）压缩编码技术：为了提高编码率，提高带宽的利用率，系统会对原始数据进行压缩编码。目前，在卫星通信系统中使用较多的有连续可变增量调制（CVSD）、自适应差分脉冲编码（ADPCM）、几种线性预测编码、数字话音插空语音、数字电路倍增等技术。视频编码技术包括统计编码、预测编码、包换编码、基于分形的编码、基于模型的编码、基于区域分割编码和基于神经网络的编码技术等。现有的视频编码标准与技术如MPEG-2，MPEG-4，H.264等都提供了较高的压缩性能，适用于目前高速数据的传输。

（2）数字信号调制技术：由于卫星信道基本可以视为恒参信道，因此可以考虑采用最佳的调制和检测方式，即可选用加性高斯白噪声信道中抗干扰性能强的调制方式。目前VSAT系统，由于数据的庞大化及高速化，需要高阶的调制方式进行调制处理，如QPSK，8PSK，16QAM，64QAM等调制方式。

（3）扰码技术：在发射端使用伪随机码序列与数字基带信号进行模2运算，改变信号原有的统计特性，在接收收端，通过使用相同的伪随机码序列调制出基带信号，按发射端相同的规律进行模2运算，恢复出原数字基带信号。通过使用扰码技术便于提取比特定时信息，使数字信号具有伪随机性，同时对信号进行扩频，提高安全性。

（4）差错控制技术：主要用来提高系统抗干扰性以及提升卫星信道通信容量。卫星通信中常用的参错控制技术在底层协议采用循环冗余交验（CRC）和前向纠错（FEC）技术；在高层，分组通过接受和拒绝系统的数据传输来提供附加的保护。VSAT系统常用的纠错编码方式包括卷积编码、Turbo编码、外码里德-所罗门（RS）码+内码卷积码的级联编码、外码BCH码+内码低密度奇偶校验码（LDPC）的级联编码等。

（5）多路复用技术：VSAT因其小站分布广泛，为了保证各小站同步收发数据以及保证信道容量，上行链路多采用MF-TDMA技术，下行链路多采用TDM技术。

3.4 DVB-S2标准

DVB-S2标准是DVB-S标准的升级版，下面简要介绍一下DVB-S2标准的技术特点及DVB-S2系统的工作流程。

3.4.1 DVB-S2标准技术特点

作为全新的DVB-S2，和DVB-S相比具有以下的优势及特点：

（1）DVB-S2采用BCH码和LDPC（低密度奇偶校验码）级联成新的信道编码方案和高阶调制组合，构成更好的传输方案。

（2）DVB-S2频谱成形中的升余弦滚降系数Q可在0.35、0.25、0.2中选择，而不是DVB-S固定的O.35，自然Q越小，可以获得下降更陡峭的载波波形，频谱利用率越高。

（3）对于不同的业务（SDTV、HDTV、音频和多媒体）可以采用不同的误码保护级别，即用可变的编码和调制方案（VCM，Variable Coding and Modulation）。

（4）DVB-S只有一个QPSK调制方式，使得卫星传输信号的能力受到很大限制。

DVB-S2则将其拓展为多个可以选择的方式，即QPSK，8PSK，16APSK，32APSK，相应每个调制符号映射的比特数分别为2，3，4，5。这就使得卫星传输能力极大地提高。尤其对于直播卫星系统的运营商很有意义，即同样数目的卫星和转发器，可以成倍地增加传输的信号节目套数。

（5）DVB-S2支持实时多变的自适应编码调制技术（ACM）。该技术可自动进行编码和调制优化，随着环境损耗情况切换高低阶调制模式，有效增强了系统抗雨雪衰能力。

3.4.2 DVB-S2的系统流程

DVB-S2系统流程图如图4所示。

图4 DVB-S2系统流程图

（1）模式适配：模式适配是输入数据流的接口，用来适配DVB-S2种类繁多的输入流格式。对于固定编码调制（CCM）模式来说，模式适配部分，包括对DVB-ASI流（或DVB并行传输流）的透明解包和8位循环冗余校验。

（2）流适配：流适配完成基带成帧、加扰两个功能。为配合后续纠错编码，基带成帧需要将输入数据按固定长度打包（不同的纠错编码方案有不同的“固定长度”），不足处则填充无用字节补足。

（3）前向纠错：前向纠错采用LDPC（内码）与BCH（外码）级联的形式。

（4）映射部分：映射部分按后续采用的具体的调制方式（QPSK，8PSK，16APSK，32APSK），将输入的经过前向纠错的串行码流转换成满足特定星座图样式的并行码流。

（5）物理层成帧：物理层成帧部分通过加扰实现能量扩散，以及空帧插入等。

（6）调制：调制部分完成基带成形和调制。

4 结束语

全球宽带一体化还在不断的推进，卫星宽带通信作为必不可少的一环也将不断地发展和创新。VSAT通信系统也必将不断地演化和发展，后期将继续深入研究VSAT通信系统，继续研究卫星宽带互联网的发展。

[1] 项海格，李斗．走向宽带化的VSAT卫星通信[J]．世界电信，2001(11):12-15

[2] 程岚．DVB-S2标准及其在VSAT卫星系统中的应用[J]．系统平台与网络通信，2006(3):41-45

[3] 温小东．VSAT卫星通信监测技术研究[D]．西安电子科技大学，2011

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.07.017

TN927+.2文献标示码：A

1672-7274（2017）07-0045-03