VSAT卫星通信系统

甚小口径卫星终端站

VSAT 是 Very Small Aperture Terminal 的缩字，直译为甚小口径卫星终端站。所以也称为卫星小数据站（小站）或个人地球站（PES），这里的“小”字指的是VSAT卫星通信系统中小站设备的天线口径小，通常为0.3-1.4M。VSAT系统具有灵活性强，可靠性高，成本低，使用方便以及小站可直接装在用户端等特点。VSAT系统由一个主站及众多分散设置在各个用户所在地的远端VSAT组成，可不借助任何地面线路，不受地形、距离和地面通信条件限制，主站和VSAT间可直接进行高达2Mbps的数据通信。特别适用于有较大信息量和所辖边远分支机构较多的部门使用。VSAT系统可提供电话、传真、计算机信息等多种通信业务。该系统由288颗近地轨道构成，每颗星上由路由器通过光通信与相邻卫星连接构成空中互联网。地面服务商接入网关站（双向64Mbps）和一般移动用户（下行64Mbps，上行2Mbps）直接与卫星连接接入。

定义

VSAT - Very Small Aperture Terminal 甚小口径卫星终端站。利用VSAT 此系统进行通信具有灵活性强、可靠性高、使用方便及小站可直接装在用户端等特点，利用VSAT用户数据终端可直接和计算机联网，完成数据传递、文件交换、图像传输等通信任务，从而摆脱了远距离通信地面中断站的问题。使用VSAT作为专用远距离通信系统是一种很好的选择。

组成

VSAT卫星通信系统由空间和地面两部分组成。

网络构成主要由卫星(运行的VSAT系统的卫星主要是静止卫星)、主站(配置有网络控制系统及地面通信设备)、用户VSAT端站组成。典型的网络形态有：星状网与网状网。

星状网是指以VSAT网络主站为网络中心，各VSAT端站与主站之间构成通信链路，各VSAT端站之间不构成直接的通信链路。 VSAT端站之间构成通信链路时需要通过VSAT主站转发来实现。这类功能均由VSAT主站的网络控制系统参与来完成。

网状网是指各VSAT端站之间相互构成直接的通信链路，不通过VSAT主站转发。VSAT主站只起到全VSAT网络的控制、管理及VSAT主站和端站之间的通信。

星状网、网状网的物理结构见图2所示。从应用方面看，VSAT主要分为两大类，即为共用VSAT网与专用VSAT网。

（1）共用VSAT网

共用VSAT网确切地讲是主站共用VSAT网，经营者拥有功能较强的主站网控网管系统，以及较强的通信能力。各种类型的VSAT用户可以作为一个VSAT 子网在同一个VSAT主站控制管理下，组织本子网内的各种类型的通信业务。网络可以是以VSAT主站为中心的星状网络。子网的中心(一般指用户的总部)可以通过公用地面通信网与VSAT主站相联，并通过VSAT主站与本子网的各VSAT端站进行通信。除星状网络之外，也可以在VSAT 主站参与控制管理下组成网状网络。

共用VSAT网网状结构及星状结构网运行图分别如图2所示。

共用VSAT网在使用上较经济。用户自身一般不需要建投资很高、维护要求也很高的VSAT主站。特别在子系统内VSAT端站数量比较少，达不到规模效益的情况下，选用共用VSAT系统是比较合适的。国内已建有具有相当规模的共用VSAT系统的运行公司。

（2）专用VSAT网

专用VSAT网在运行方式上和共用VSAT网一样，同样可以组成星状网系统和网状网系统，主要区别在行政管理上。专用VSAT网是由用户单位自己投资建设系统，自己运行管理，以解决自身的通信业务要求。VSAT端站的用户是本系统的一个分支机构，一般不对社会开放经营通信业务，也不纳入社会通信基础网络中。VSAT专用网具有建设周期短，运行可用性高，技术要求比较低等优点已经成为各专业部门及大型企业非常愿意采用的通信手段。

空间

VSAT卫星通信系统的空间部分就是卫星，一般使用地球静止轨道通信卫星，卫星可以工作在不同的频段，如C、ku和Ka频段。卫星上转发器的发射功率应尽量大，以使VSAT地面终端的天线尺寸尽量小。

地面

VSAT卫星通信系统的地面部分由中枢站、远端站和网络控制单元组成，其中中枢站的作用是汇集卫星来的数据然后向各个远端站分发数据，远端站是卫星通信网络的主体，VSAT卫星通信网就是由许多的远端站组成的，这些站越多每个站分摊的费用就越低。一般远端站直接安装于用户处，与用户的终端设备连接。

指标

系统参数

外向载频：信息速率512KBPS，12FEC，BPSK 调制方式，时分复用（TDM）。

内向载频：信息速率128KBPS，12FEC，BPSK调制方式，频分多址、时分多址混合方式（FDMA TDMA）。

误码率：EB No＞6.5dB时，小于1×10－7。

数据通信

速率：异步：75-19.2kbps

同步：（采用接口规程）1.2-56kbps

同步：（位透明）1.2-65kbps

规程：SDLC、X.25，BITT（位透明方式）

电气接口：主站：RS-232C、RS-449、V35（DTE、DCE均可）

小站：RS-232C（DCE）

电路连接模式：点对点连接、点对多点连接。

语音通信

采用RELP（残余激励线性预测）编码。

接口：主站：用户交换机（PABX）－四线E8M

小站：电话机DTME，工线环路信号，RJ11连接器用户

交换机（PABX）－四线E8M

传真

带内模拟（G3），基带（G3或G4）。

配置

标准配置：一个数据端口（RS-232C）。

扩展配置：三个数据口或一个数据端口，一个语音口。

工作环境

温度：户内单元10-40℃

户外单元-30-50℃

电源：220±10%，50HZ

功耗约：400W。

接入方式

接入方式是决定VSAT性能的关键要素之—，同时也决定着系统的工作量和总延时，早期VSAT无例外地采用了频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）等多址方式。随着技术的进步，分组数据传输的大规模地兴起，VSAT系统又增添了不少新型多址连接方式，例如随机多址连接（RA）和按需分配的多址方式（DAMA）等。当然，在VSAT系统中，不同的网络拓扑结构，不同的传输链路，其接入方式也是不同的。下面就介绍5种常用的接入方式：

TDM/FDMA方式

这种方式通常用于星型网络中心站的出站链路，采用连续的TDM载波，典型的信息速率为：57.6、153.6、256和512kbps。在一个VSAT网络中，如果不能满足业务量要求，则可增加多个TDM 出站载波，即TDM/FDMA载波，每个TDM载波对应一群VSAT站。

SCPC/FDMA 方式

这种方式通常用于各远程VSAT站向中心站发送数据的入站链路，每个VSAT站占用一个载波，这种方式典型的信息速率为：1.2、2.4、4.8、9.6kbps，其优点是线路延时小、线路专用；缺点是线路利用率低，灵活性差。它适用于业务量固定且平稳的VSAT网。

TDMA 时分多址方式

传统的TDMA方式是根据网络内站数的多少，给每个站划分一个固定时隙，而在VSAT网络中，它们与传统的TDMA方式有很大差异，比较典型的有：

1、S-ALOHA（时隙—ALOHA）方式

ALOHA和S-ALOHA均指随机争用卫星信道方式。ALOHA是纯随机方式，既没有预约也没有分配时隙，主要用于突发数据通信，发送短文等。S-ALOHA是时隙ALOHA方式，为普通使用的方式，与ALOHA相比，减少了碰撞概率，提高了传输率，这种方式常用于低业务突发通信且VSAT站数目的网络。

2、R-ALOHA（预约—ALOHA）方式

这是方式是在ALOHA信道上开一个预约时隙，对较长的分组采用预约方式来传输数据，对较短的数据则采用随机方式。在这种接入方式中，当VSAT站有数据要发送到中心站时，需发送一个申请给中心站的按需分配处理器，并表明需要发送的通信量，中心站把定量的TDMA时隙分配给相应的VSAT站。当有多个VSAT站同时向中心站发出申请时，则需排队等侯。这种方式可用于数据量变化较大的用户。

3、Stream（数据流）方式

这种方式主要用于传输较长的连续数据，如大数据文件、话音及视频电话等。

4、AA-TDMA （自适应—时隙分配）方式

这是一种自适应调整TDMA方式。每个远程VSAT站按需使用时隙，并根据通信量的大小调整时隙的宽度。也可根据用户的业务情况，自动变换接入方式，如ALOHA、Stream和R-ALOHA。

CDMA（码分多址）方式

这种方式根据需要采用适当位数的扩频编码，不同的VSAT站采用不同的地址码。当中心站与若干个（如N个）VSAT站通信时，将所要传输的N个信号用指定的N种不同的伪随机码进行扩频调制，同时使用同一种出站载波频率传给N个VSAT站，只要各个VSAT站的接收机使用各自规定的伪随机码来解调，它们便可分别接收到相应的原始信号。这种通信方式具有抗窄带干扰能力及保密通信的能力。

DAMA（按需分配多址）方式

在路由较少环境中，采用保SCPC、传统的FDMA这样的固定分配方式是对空间段资源的浪费，为提高效率，可以使用DAMA技术。这可以在每呼叫（call by call）基础上建立卫星链路，大量的VSAT站按需享用卫星容量，以较好利用空间段资源。当DAMA技术用于FDMA网络时就被称为DA/FDMA方式；用于TDMA网络中时就被称为DA/TDMA方式，或称为SCPC/DAMA方式。

系统特点

VSAT卫星通信系统有十分明显的特点，它主要包括以下几个方面。

(1)　地面（远端）站天线的直径小，一般在2米以下，采用较多的是1.2～1.8米。登山运动员有时用直径0.3米的便携式个人地球站。

(2)　发射功率小，一般在1~3瓦之间。

(3)　质量很轻，常用的为几十千克，有的小到几千克，便于携带。

(4)　价格低廉，经济实用。该系统不但设备的售价低，而且它取得的经济效益远远大于设备的售价。

(5)　建设周期短。它比传统的地面通信手段简单得多，不需要架设电缆、光缆。它也不像微波通信必需每隔50千米架设一个中继站。VSAT卫星通信系统中，只要在通信的两端安装必要的设备就可以，而且这种设备的安装也比较简单。

(6)　通信的费用与通信的距离没有关系。在一般的通信系统中，距离越长费用越高，而VSAT 卫星通信与距离没有关系，而且越远越适合采用VSAT通信。

(7)　VSAT卫星通信不受地形和气候环境的影响，因为它不需要架设地面设施，受地面的干扰小。

(8)　VSAT卫星通信技术的最大优点就是组网灵活，容易扩充用，而且维修方便，因为它没有复杂的地面设备。

应用

VSAT站能很方便地组成不同规模、不同速率、不同用途的灵活而经济的网络系统。一个VSAT网一般能容纳200~500个站，有广播式、点对点式、双向交互式、收集式等应用形式。它既可以应用于发达国家，也适用于技术不发达和经济落后的国家，尤其适用于那些地形复杂、不便架线和人烟稀少的边远地区。因为它可以直接装备到个人，所以军事上也有重要的意义。概括起来，VSAT技术可以应用于以下几个方面。

(1)　普及卫星电视广播和卫星电视教育，传送广播电视、商业电视信号，尤其对于我国的边远地区，利用这种方式可以在物质文明建设和精神文明建设方面起到很大的作用。

(2)　用于财政和金融系统、证券系统，对市场的情况进行动态跟踪管理，大大地缩短资金周转周期。深圳的证券交易系统就是利用VSAT系统与四面八方的客户进行双向通信的。

(3)　用于水利建设的管理，监测水文变化，防止和减少自然灾害的损失。VSAT系统可以及时传输气象卫星、海洋卫星、资源卫星和地面检测站获取的信息。

(4)　用于交通运输的管理。国外发达的国家已经将VSAT用在铁路的运营调度，大大缓解了在交通运输的紧张状态。用VSAT可以方便地开展任何两地的通话、电传和电报业务，节省了经费和时间。

(5)　军事上应用。在1991年的海湾战争中，多国部队利用VSAT进行了大量的移动通信，甚至将其装备到每个士兵。

(6)　应急通信和边远地区通信的应用。对于自然灾害或突发性事件VSAT都是最便利的应急通信备份体系，例如：5.12的汶川地震。

现状

VSAT系统在国内使用面比较广，以专用网居多，一般规模不大，除上海证券交易所、深圳证券交易所两个VSAT系统规模较大，各网均有数千座VSAT地球站外，其他的VSAT系统都在几十至数百座VSAT地球站的范围内。VSAT系统除了专用网系统外，还有中国电信等的公用网VSAT系统，此类网是属通信经营性的VSAT系统。我国VSAT系统属于信息产业部指定的开放性通信业务。

国内VSAT系统的设备除天线外，极大多数尚靠进口，国内有小批量生产相关的部件及设备，但市场占有率很低。在设备大多数价格昂贵，系统规模较小，网络效率比较低的情况下，VSAT系统的经济效益还不十分显著。这是国内VSAT系统存在的一个普遍问题。

发展方向

VSAT系统发展方向主要有如下两个方面：

（1）VSAT系统运行成本降低

VSAT系统的应用面是非常广泛的，深入到各个领域，但VSAT系统的运行成本比较高，制约了其拥有更多的市场。其一，卫星租用的费用较高，现今在运行的VSAT系统规模过小，不能充分利用空间资源(卫星功率与频带)。在VSAT系统未来的发展中必须形成规模效益，从系统设计开始要力促系统处于合理的条件下运行，即卫星功率与占用频带的合理平衡。这将涉及到调制方式的改进(如采用多相调制等)、工作门限点的降低(如采用更有效的纠错功能等)，以充分利用空间资源，降低空间资源运行成本。

VSAT系统的设备昂贵，已使它的优势发挥受到限制。要使VSAT系统普遍为用户接受，降低设备成本是必经之路。VSAT系统中的室外单元(ODU)、室内单元（IOU）及网控系统(MCU)价格分别在十几万到几百万元一套。因此，如果有可能有效地降低ODU、MCU设备的价格，就能赢得更大的VSAT市场，并使VSAT系统得到更广泛的使用。

（2）新业务运行

VSAT系统的应用是以低速、小容量数据传输为主的，大致是19.2kbit/s、32kbit/s、…、512kbit/s。但已研究了用于局域网和因特网的中高速数据传输的VSAT 系统，正在成熟的2Mbit/s传输速率的VSAT系统，用于不同类型LAN互联的设备相继出台。

多媒体传输业务在VSAT系统中也是一个发展方向。由于大多数媒体传输业务对迟延具有敏感度，如话音、视频需独立的局域网支持这些业务。VSAT系统将能把终端的多媒体信息，包括文字图像、视频、音频在内信息的组合接连到一个VSAT系统合并成一个单一的网。为此，VSAT系统工作者将着重研制能传输多媒体业务的各种卫星链路传输协议。

从广义上讲，VSAT系统的新业务运行还应该包括：

① 移动卫星通信业务。

② 非同步卫星VSAT业务。

③ 具有卫星星载处理的VSAT业务。

实施

VSAT系统在卫星通信乃至整个通信领域中是一个非常活跃的通信分支，它经历了初始阶段、成熟阶段，现已进入到发展阶段。

VSAT系统属于无线通信，所用的频率资源是国家资源，无线通信由国家无线电管理部门专门管理，VSAT工程实施过程中，必须符合无线电管理规定。国家无线电频谱管理中心颁发了“设置无线电台(站)申请使用指南”文本，对设立VSAT系统的申请使用作了具体的规定。VSAT系统的设计者、运行者务必熟悉该文本中的相关规定。对于商业经营性的VSAT系统，除向国家无线电管理部门申请VSAT网络使用权外，还需向信息产业部相关部门申请VSAT经营性网络运行许可证。

VSAT系统的总体技术设计

“设置无线电台(站)申请使用指南”附件四要求：技术设计文件应由无线电管理机构认可的有相应的技术水平和组网经验，并有良好信誉的设计单位编制，设计单位对其编制的设计文件质量全面负责。

设计文件的主要内容应包括：

① 概况描述：台网建设的必要性、社会和经济效益、规模容量、业务种类、网络结构和网络组成、近远期规划。

② 台(站)址选址方案、推荐台(站)址的条件和数据、台(站)址电磁环境调查、测试数据和分析结论、有关部门同意设台(站)的意见。

③ 主要无线设备选型与配置、设备主要参数、天线和馈线选择、主要电特性和物理数据(如尺寸、挂高方向特性、损耗等)、天线布置。

④ 传输设计和质量指标或服务范围估算。

⑤ 电磁环境测试分析报告、干扰协调计算报告、多址方式、复用性质；天线仰角图、协调区图、与干扰微波站间剖面图、极化分配、EIRP、G/T、卫星轨道经度和空间段的参数等。

以上的规定中，协调区图的计算及绘制较为复杂，其方法可根据国际无线电规则附录28计算绘制。原则上，VSAT主站必须作协调区图计算及绘制，并与协调区内的同频微波站进行协调。VSAT端站视其具体情况决定是否需作协调区图计算及绘制，大多数不作协调区图。与干扰微波站之间剖面图，一般在协调区内具体协调时考虑，并需得到当地无线电管理部门帮助(提供数据，帮助协调)。

VSAT系统的工程实施准备

VSAT系统的工程实施准备工作，除根据“设置无线电台(站)申请使用指南”要求编制好相关的技术文件外，需办好VSAT网络的申请手续。VSAT网络由建设单位向国家无线电管理部门申请，并由该部门批准。VSAT站由建站单位向当地无线电管理部门申请，并由该部门批准。

站址勘察及电磁环境测试，是一个VSAT站在建站前必须进行的一项准备工作。电磁环境测试是一项专业技术性很强的工作，一般需要委托经无线电管理部门认可、有资质的单位进行，并提出测试报告。有资质的测试单位会根据无线电管理部门的严格要求进行测试。

在建站前需考察环境的轨道弧空间、建筑重量承受能力、电源情况、接地系统等。选定的站址需得到相关的建筑部门、物业管理部门认可。

根据总体设计，了解设备供货情况。由于VSAT的设备没有统一的规范，各供应商家的设备均自成系统，各厂商提供的设备互不兼用，故需对设备进行深入的研究，要考虑设备现有性能、扩容能力、厂商的售后服务能力等等。

了解在轨卫星提供卫星转发器的可能性。卫星转发器资源是有限资源，提前了解现有卫星转发器状况是十分重要的，卫星转发器资源有无是VSAT系统能否建成的关键问题，所以工程准备阶段，一定要做好此项工作。

VSAT建设的前期准备工作涉及的面很广，一般需在有经验的VSAT网络设计单位配合下进行。

VSAT系统工程实施

VSAT系统工程实施过程中，除环境要求，电源条件及接地要求等通信设施建设过程必须满足的一般条件外，VSAT系统还将有一些强制特性必须达到要求。强制特性来自三个方面，一是国家无线电管理部门颁发的必须遵守的规定；二是卫星运行部门对用户的技术要求；三是国际电联对无线通信的规则要求。在VSAT系统建设运行中主要有下述几项：

（1）城市内建设VSAT系统的限制

国家无线电管理委员会[1995]4号文件“建设卫星通信网和设置使用地球站的暂行规定”指出：大、中型发射地球站不应在城市市区内设置，亦不应在高层建筑物顶端设置。在城市市区内设置使用地球站，其天线直径一般不超过4.5m，实际发射功率一般不超过20W。

卫星运行部门对天线的特性提出严格的指标要求，主要是天线旁瓣特性、极化隔离度、射频的频谱特性等。这些特性指标，均为强制性特性指标。地球站入网运行前均需对相关的强制性特性指标作入网特性验证测试，只有在满足要求的条件下，才允许使用卫星，即可入网运行。入网验证测试中关于天线旁瓣特性的要求，不管入哪一个卫星网，均必须符合ITU-R580-3建议：

发射：29-25log(dBi) 1°≤ ≤48°

接收：32-25log(dBi) 1°≤ ≤48°

-10dBi ≥48°

式中：θ为天线的偏轴方向和天线工作指向的夹角。

各卫星运行部门还会提出对极化干扰及频谱特性的指标要求。

（2）地球站天线架设

地球站天线架设是建立地球站的主要工程，技术要求高，应该根据天线厂商提供的曲面数据精密地调整曲面，以能满足旁瓣特性要求，并要求能通过入网特性验证测试。天线投入工作时需根据下列公式，计算天线的指向(方位角、仰角)，同时也可估算极化偏移角：

式中：EL为仰角(度)；AZ为方位角(度)；Фe为地球站所在位置经度(度)；s为卫星轨道位置经度(度)；=地球站所在位置纬度；Re=地球半径=6 378km；Ro=卫星高度(典型值=35 786km)；ξ为极化偏离角（仅适用于线极化天线）。

计算时AZ，卫星在地球站以东取“–”，卫星在地球站以西取“+”。

在天线指向卫星时，若用磁罗盘确定指向，需在建筑群上设置天线，一般应该先调整仰角。此时不会因建筑物内的金属构件扰乱磁力线，而影响罗盘指向读数。调整仰角后，可仔细移动方位角寻找卫星。

极化角ξ是以微波信号的电场水平或垂直定义水平极化或垂直极化。对于卫星发射的微信号，卫星转发的微波信号电场分量垂直于卫星轨道平面和平行于卫星轨道平面，分别定义为垂直极化和水平极化。若计算结果，ξ是正值，地球站天线发射极化角面向卫星逆时针偏移，反之则负。接收极化角与发射极化角为正交(90°)关系，并注意垂直极化以垂直轴线(0°)为起点偏移，水平极化以水平轴线(90°)为起点偏移。

（3）设置VSAT站的防雷接地问题

设置VSAT站的防雷接地问题，有关的讨论很多，由于VSAT一般架设在楼顶等高处，近年来，受雷击的情况时有发生，引起广泛的注意。VSAT站本身是一个小型设施，对于十几至几十层的高楼楼顶，要求专设一套避雷接地系统，实施困难非常大，投资也过高。但还是需要十分重视避雷问题。如果没有条件设置专用避雷系统，至少要使天线接地，接地引线直接(独立)接至接近地面的接地点上，进入三合一地网，而不采用直接接在原建筑物避雷带上。若楼层过高，又不允许直接沿墙体敷设接地引线时，天线接地引线需接到最靠近接地引线处。其次，在电缆或波导进机房的“窗口”外侧，重新作复接地，以免雷击进入机房。

VSAT站的防雷接地还需进行深入研究，以找出确定可行的VSAT站防雷接地系统。

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