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走向寬帶化的VSAT衛(wèi)星通信

作者: 時間:2006-12-11 來源:網絡 收藏
VSAT衛(wèi)星通信網由小型地球站組成,地球站和用戶設備都設置在同一建筑物上。VSAT衛(wèi)星通信網具有廣泛的適應性和很大的靈活性,它可以提供單獨的話音、數據、圖像通信業(yè)務,也可以提供話音與非話音的綜合通信業(yè)務。合理設計的VSAT衛(wèi)星通信網可以為廣播、電信、計算機互聯(lián)網接入等提供有效的通信手段,并將發(fā)展成為寬帶化智能化綜合業(yè)務的衛(wèi)星通信網。

  寬帶化推動新業(yè)務的發(fā)展

  VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)正從單一窄帶業(yè)務的衛(wèi)星通信網,向一個融合電信、廣播、計算機的寬帶衛(wèi)星網絡發(fā)展,將成為未來電信系統(tǒng)的重要組成部分。依賴地面超大容量光纖網以及空間寬帶衛(wèi)星網,用戶設備可以方便地直接接入全國或全球寬帶網絡。

  VSAT用戶利用架設在辦公室或住宅的VSAT設備,可方便地接入衛(wèi)星通信網。用戶還可按照業(yè)務的需要來自適應地使用衛(wèi)星網絡的資源,并構造它與衛(wèi)星網絡的拓撲結構(一跳或兩跳)。用戶設備是一個小口徑的天線(0.6米以下),一個附在天線上的筆記本式室外單元和一個筆記本式的室內單元。用戶的辦公和生產設施可以像接在地面設備一樣地接在VSAT設備上。

  VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供的業(yè)務包括電信業(yè)務、計算機互聯(lián)業(yè)務,以及數據、音頻、視頻等廣播業(yè)務。隨著網絡的寬帶化,VSAT衛(wèi)星通信在提供傳統(tǒng)的話音、數據等交互業(yè)務的同時,發(fā)展了遠程教育、遠程醫(yī)療、電視會議等。隨著廣播業(yè)務的發(fā)展,利用衛(wèi)星通信的廣域覆蓋特性和寬帶衛(wèi)星廣播技術,還可實現(xiàn)新聞和數據分發(fā)、廣播、數據音頻視頻廣播到戶、衛(wèi)星尋呼、Web廣播、視頻點播、IP數據音頻和視頻廣播等。寬帶衛(wèi)星數據傳輸和為計算機互連網的一部分,提供了方便的文件軟件下載和Internet接入、企業(yè)的Internet互連、ISP骨干業(yè)務、電子郵件、電子商務和金融證券等。

  寬帶化VSAT通信系統(tǒng)

  衛(wèi)星網絡的寬帶化趨勢體現(xiàn)在超大容量的衛(wèi)星和星卒系統(tǒng)的發(fā)展上。超大容量的衛(wèi)星和星座系統(tǒng)不斷擴展新的寬帶工作頻段,在使用傳統(tǒng)衛(wèi)星通信L、C和Ku波段的基礎上,大大推動了更寬帶寬的Ka波段的采用。大容量衛(wèi)星和星座系統(tǒng)還促進了一系列新技術的發(fā)展:軌道調整的發(fā)動機技術、高效太陽能電池和蓄電池技術、星上轉發(fā)器數量的增加、超大口徑的衛(wèi)星天線和多波束天線、大發(fā)射功率的衛(wèi)星轉發(fā)器、衛(wèi)星轉發(fā)器頻帶資源的按需帶寬分配、星上再生和交換處理及衛(wèi)星之間的通信鏈路,適應了衛(wèi)星寬帶業(yè)務發(fā)展的需要。超大容量衛(wèi)星支持多種寬帶衛(wèi)星直播業(yè)務和便攜式手持式衛(wèi)星終端的使用。大容量衛(wèi)星和星座系統(tǒng)帶可進一步支持寬帶互連網和移動衛(wèi)星通信,如Teledesic:使用288顆低軌衛(wèi)星,2Mbit/s上行鏈路和64Mbit/s下載鏈路(美國微軟);Spaceway:使用9顆高軌衛(wèi)星和63顆低軌衛(wèi)星(Motorola公司);Skybridge:使用80顆低軌衛(wèi)星(勞拉公司)。

  目前,VSAT地球站是經過一個主站接入寬帶網絡,實現(xiàn)相應的通信、廣播、計算機互聯(lián)網業(yè)務的。衛(wèi)星地球主站通過衛(wèi)星網關、編碼器、條件接收發(fā)送設備、DVB/IP復接器、調制器、變頻器發(fā)送設備、接收設備、變頻器、變頻器、解調器等與衛(wèi)星鏈路相接。衛(wèi)星地球主站通過地面網關與地面寬帶網絡相連。衛(wèi)星地球主站的網絡管理、業(yè)務服務器等設備連成一個局域網。隨著大容量衛(wèi)星和衛(wèi)星星座系統(tǒng)的發(fā)展,VSAT衛(wèi)星通信網主站的功能將由大容量衛(wèi)星或星座系統(tǒng)的星上系統(tǒng)的處理功能來實現(xiàn)。

  VSAT設備實現(xiàn)了智能化,而且簡單可靠。它成本低,地面接口靈活,有GPS全球定位功能,可變數據速率和傳輸帶寬,可以不同的拓撲方式和多址方式接入衛(wèi)星通信網。所以,它可以呈星狀網結構進行數據音頻視頻廣播接收、文件軟件下載、互聯(lián)網瀏覽、遠程登錄和文件傳輸以及網絡管理等業(yè)務,也可以呈網狀網進行話音數據傳輸,舉行各種會議。VSAT技術的進步表現(xiàn)在:新工作頻段的采用、集成電路技術的進展、通信規(guī)程的標準化和全球化、設備互操作性的改善等。

  VSAT通信的寬帶廣播和寬帶多址接入

  VSAT站的衛(wèi)星鏈路有主站到VSAT站的出主站鏈路,有VSAT站到主站的入主站鏈路。隨著業(yè)務從窄帶向寬帶發(fā)展,出主站鏈路數據速率不斷提高,從幾Mbit/s到幾十Mbit/s;入主站鏈路的數據速率也不斷提高,從幾Kbit/s發(fā)展到幾百Kbit/s,甚至幾Mbit/s。

  出主站鏈路多采用單載波TDM方式,有基于廣播信號的DVB數據格式,有基于互連網的IP數據格式。VSAT衛(wèi)星通信的寬帶廣播,可以廣播數據音頻視頻、也可以實現(xiàn)文件數據的下載。

  入主站鏈路有多種衛(wèi)星多址接入方式:FDMA、CDMA、TDMA、MF/CDMA。也有利用地面Internet鏈路代替入主站鏈路的,稱為外交互方式,而把采用入主站鏈路稱為內交互方式。傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信多址接入方式是時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA)。它們是把衛(wèi)星轉發(fā)器的資源,按時間分成時隙、按頻率分成頻道、或者按正交的編碼波形分成碼道,由各個地球站按照固定分配方式、隨機競爭方式、或者動態(tài)分配的方式來使用。所謂動態(tài)競爭方式,轉發(fā)器資源由主站來管理,用戶站接入時,先使用固定分配方式或隨機競爭方式來申請,主站分配給用戶地球站使用,使用完了歸還給主站。

  隨著大容量VSAT衛(wèi)星通信網絡以及寬帶接入業(yè)務的發(fā)展,主站接入設備的容量日益增大,用戶地球六也需要使用高速的寬帶接入,需要主站接入信道的可變速率范圍擴大。時分多址方式要求用戶站的接入時隙寬度變化范圍增大,頻分多址方式要求用戶站發(fā)送信號帶寬可變或使用并行的多載波傳輸,碼分多址方式要求用戶站發(fā)送信號的擴展頻譜增益可變或者使用多碼道并行傳輸。組合的多址接入方式,可以方便地實現(xiàn)寬帶多址接入:例如多載波(多頻率)時分多址,多載波碼分多址等。目前技術成熟的是多頻率時分多址。

  多頻率時分多址設置有多個頻段(多個載波),每個頻率又劃分成時間幀和時隙。各個用戶地球站可以使用特定的頻率和特定的時隙進行接入申請,根據申請的業(yè)務,得到相應的頻率和時隙。對于寬琮業(yè)務申請,用戶可以再在一個頻率上,用一個時隙或多個時隙進行接入業(yè)務傳輸;也可以在幾個頻率上,用多個時隙進行接入業(yè)務傳輸。根據系統(tǒng)接入的特點,系統(tǒng)在接入信道上設置了不同的時隙:用戶接入申請的時隙,用戶業(yè)務傳輸的業(yè)務時隙,校正用戶地球站發(fā)送時間和頻率的粗同步時隙,以及校正發(fā)送時間和頻率的精同步時隙。

  寬帶VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)的前向鏈路和反向鏈路往往是不對稱的,前向鏈路和反向鏈路的轉發(fā)器資源的配置要和業(yè)務的特性相匹配。寬帶VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要設計和配置接入信道的資源、多載波數目,以及相應的幀結構,以適應給定接入突發(fā)特性、接入業(yè)務量條件下的接入時延和接入成功率的要求。寬帶VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)往往有多種業(yè)務同時工作,系統(tǒng)的配置和設計只能適應總體的要求,為了適應各種業(yè)務的具體要求,還應該對不同業(yè)務設置各自的優(yōu)先級,調整整個系統(tǒng)對不同業(yè)務的適應性。

  VSAT通信網的通信規(guī)程協(xié)議

  VSAT衛(wèi)星通信網最初是作為透明信道使用的,它只提供固定的連接,傳輸單一的業(yè)務。這時針對不同的衛(wèi)星信道,設備必須配置不同的通信軟件。由于衛(wèi)星通信必須支持網絡管理和多址接入的控制,衛(wèi)星通信業(yè)務的綜合化必須傳輸多種業(yè)務,例如電信、計算機數據、以及數據音頻視頻廣播,VSAT衛(wèi)星通信網必須支持通信規(guī)程協(xié)議。

  衛(wèi)星通信規(guī)程要考慮傳輸的業(yè)務以及相應的規(guī)程協(xié)議。例如音頻視頻廣播的數據結構和規(guī)程協(xié)議、計算機互聯(lián)網通信的TCP/IP協(xié)議,以及電信通信的信令。隨著寬帶VSAT通信的發(fā)展,通信規(guī)程要支持交互通信,特別是寬帶交互通信業(yè)務。衛(wèi)星通信規(guī)程要考慮網絡管理的規(guī)程協(xié)議,例如常用的SNMP(Simple Network Management Protocol),而SNMP是建立在UDP/IP提供服務的基礎上的。衛(wèi)星通信規(guī)程要考慮用戶站接入時介質訪問控制,以及衛(wèi)星鏈路差錯控制對通信規(guī)程的影響。

  TCP/IP支持計算機互聯(lián)網通信,支持網絡管理SNMP,也可以支持數據音頻視頻廣播,在衛(wèi)星網絡使用TCP/IP上運行各種業(yè)務和在地面網絡一樣方便。為了支持電信業(yè)務,可以把信令作為數據分組來傳輸;為了支持數據音頻視頻廣播,可以把它們作為數據分組來傳輸,也可以把數據分組放在數據音頻視頻廣播的一個通道上廣播(TCP/IP over DVB)。目前研究最多的是VSAT衛(wèi)星通信網怎樣運行TCP/IP協(xié)議。

  但是在VSAT衛(wèi)星網上使用TCP/IP也遇到困難,包括衛(wèi)星傳輸的長時延、衛(wèi)星信道比地面信道高的差錯概率、用戶站多址接入的介質訪問控制和資源共享與分配等問題。

  針對衛(wèi)星信道固有的長時延,人們在TCP/IP協(xié)議上已經做了許多工作,例如:協(xié)調接收緩區(qū)和發(fā)送窗口,定義選擇重發(fā)模式,協(xié)調慢啟動和擁塞控制的參數。針對衛(wèi)星信道比地面信道高的差錯概率,已經采用了多種信道編解碼技術、干擾抑制技術來改善信道的傳輸特性?,F(xiàn)在重視研究衛(wèi)星通信的數據鏈路層和介質訪問控制層,使它與TCP/IP協(xié)議匹配。將通信鏈路的差錯由數據鏈路層和介質訪問控制層來解決;鏈路的擁塞和多址接入的延遲和阻塞由TCP/IP協(xié)議來解決。

  VSAT通信網的網絡管理

  VSAT衛(wèi)星通信網是包括衛(wèi)星轉發(fā)器、衛(wèi)星通信主站、眾多用戶站的系統(tǒng),它們分散在廣闊的地域,不間斷、全天候的工作著。為了保證系統(tǒng)正常有效地工作,必須對網內各地球站的工作狀態(tài)及業(yè)務運行狀態(tài)進行監(jiān)視、控制和管理,需要一個網絡管理系統(tǒng)來支持它。網絡監(jiān)控管理系統(tǒng)是VSAT網,特別是一個大型VSAT網運行好壞的決定因素。

  網絡管理系統(tǒng)有一個設置在主站,集中的網絡管理計算機和相應的數據庫;在各個地球站和網絡設備上,有一個網絡管理計算機的代理設備,即網絡管理代理。網絡管理設備和網絡管理代理之間,需要通過衛(wèi)星通信網的通信信道進行數據通信。網絡管理的通信應該和業(yè)務通信并行使用衛(wèi)星通信網絡,它們的區(qū)別只是數據結構不同。網絡管理的通信業(yè)務和數據通信業(yè)務共享衛(wèi)星通信,但只占用通信鏈路業(yè)務的一個小部分,管理著整個衛(wèi)星通信網。

  VSAT衛(wèi)星通信網的網絡監(jiān)控管理包括:

  *系統(tǒng)結構和配置管理

  *用戶VSAT站的注冊管理

  *用戶VSAT站的業(yè)務管理

  *VSAT站條件接收的管理

  *系統(tǒng)運行狀態(tài)管理

  *操作員和網絡管理系統(tǒng)的后處理

  網絡監(jiān)控管理必須是實時的,且要求具有按需及定期監(jiān)視的功能。通過對網絡各單元抽樣及收集數據對VSAT網進行監(jiān)視。

  VSAT網絡管理監(jiān)控能力之一就是事件監(jiān)視、記錄及篩選(即壓縮故障)、提出告警,對事件和告警信息的篩選準則必須是操作員可控的。所有事件及告警信息均要規(guī)定時間并存入中柜站的網絡管理計算機數據庫中,達到給定等級嚴重的告警(操作員設置的)要通過操作員接口送給操作員。

  監(jiān)控分級系統(tǒng)的另一功能是切換系統(tǒng)中的備份設備。價格低廉的VSAT很少有備用系統(tǒng),但中心站的故障將關系到全網的工作,都設有備份。管理系統(tǒng)必須了解所有工作和備分設備的狀態(tài),并根據需要進行設備的切換。

  為了實現(xiàn)上述功能,必須建立網絡數據庫,在網絡管理數據庫中儲存網絡配置、VSAT站注冊、VSAT站業(yè)務、系統(tǒng)運行時的VSAT站、數據鏈路、衛(wèi)星通信鏈路等各種信息。在實現(xiàn)系統(tǒng)管理的過程中,不斷從數據中獲取信息,并更新數據庫信息,實現(xiàn)系統(tǒng)的實時或非實時管理。

  VSAT衛(wèi)星通信網的監(jiān)控管理還包括操作人員的工作,網絡管理要提供很好的人機界面,使操作員方便、迅速地介入、確保操作員隨時了解網絡的運行狀態(tài),一旦出現(xiàn)影響網絡正常運行的變化,便可迅速而有效地進行管理。網絡管理系統(tǒng)操作員接口可采用樹形結構,便于操作員對系統(tǒng)中不同層次進行監(jiān)視與管理,隨時了解全網及其子系統(tǒng)的狀態(tài)及運行的情況。

  根據操作人員的要求,網絡監(jiān)控管理系統(tǒng)收集并提供有關網絡狀態(tài)、性能及操作的數據、系統(tǒng)的管理數據、產生相應的報告并歸檔,以滿足長期管理的需要。

  VSAT網有兩種基本類型,即單用戶專用網及共享中樞站網。這兩種網絡的監(jiān)控管理功能相似,但亦存在一些明顯區(qū)別。因此網絡管理系統(tǒng)必須與網絡設計結合起來,并要求具有一定的靈活性,以滿足不同用戶的各種需求及支持網絡的運行功能。對于專用網來說,通常情況下只需一個管理中心進行網絡的監(jiān)視與控制,而共享中樞站網不僅要求有主站操作員進行最高級操作與控制,且必須具有每個用戶對共享系統(tǒng)的管理功能。各個虛擬子網分中心必須有重組和測試各用戶設備邏輯歸屬的能力。并能使這些功能在實現(xiàn)過程中共享設備的其它用戶完全透明。

  網絡管理功能分實時處理和非實時處理兩種,實時處理的網絡管理任務通過全網所有的處理器(包括各VSAT站的及中樞站的)和中樞站的網絡管理計算機完成。非實時處理由安裝在中樞站的、具有網絡數據庫的大型處理機完成?! 拵SAT通信網的虛擬子網  寬帶VSAT通信網占用資源大,提供大容量的業(yè)務服務;往往不是一個單一的網絡,而多個網絡的集合;總是包括了多個業(yè)務子網,而這些子網又希望有獨立的網絡管理。

  VSAT衛(wèi)星通信發(fā)展的一個方向,是在網內建立多個虛擬子網,或者說是將多個小型的網絡合并成為一個大型的綜合使用衛(wèi)星轉發(fā)器、系統(tǒng)設備、以及網絡管理系統(tǒng)的VSAT衛(wèi)星通信網。各個虛擬子網可以屬于不同的業(yè)務或行政管理部門,它們共享統(tǒng)一的VSAT衛(wèi)星通信網。

  基于強有力的衛(wèi)星網絡管理系統(tǒng),各個虛擬子網獨立地管理各自設備的注冊、入網、退網;調整各自設備數據傳輸的參數、傳輸的優(yōu)先級、時延和業(yè)務數據流的成熟概率;記錄業(yè)務過程和網絡資源使用的情況?! ≌麄€網絡的管理系統(tǒng)記錄虛擬子網的管理,并協(xié)調全網的資源和設備的分配、擁塞和路由的控制、優(yōu)和無級的協(xié)調,使整個網絡和各個虛擬子網都正常的運行。


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