基于DVB-RCS的VSAT宽带卫星通信技术与应用

摘要 介绍了VSAT数据网原理、卫星通信系统宽带化的发展趋势及DVB-RCS开放标准。通过介绍基于DVB～RCS的VSAT宽带卫星通信系统在工程中的应用实例，其中包括系统业务与特点，以及各子系统的基本配置等，可以得出，随着网络和业务的宽带化，VSAT卫星通信系统正在从传统的窄带向宽带系统转变。在现有技术中，基于DVB～RCS标准因其开放性和较高性价比，在VSAT宽带卫星通信系统中的应用将具有广泛的市场前景，尤其在广大偏远农村地区，将成为解决我国农村通信问题的主要手段之一。
关键词 VSAT；DVB-RCS；宽带卫星通信

1 VSAT数据网原理
    VSAT数据网通常以主站为中心，通过卫星与各小站连成星形网。每个小站支持一组用户终端或LAN，主站与数据处理中心或信息库相连。
    数据网的数据信息通常以分组的方式进行传输和交换。作为VSAT数据网，它提供开放系统互连体系结构OSI参考模型下三层，即物理层、数据链路层和物理层的服务。下三层所关心的是网络的连接和通信。对于单节点卫星网络来说，它对系统两端所产生的分组起中继作用，实现1～3层功能，如图1所示。在第3层执行交换和路由选择功能。各层的功能定义、协议标准和层间接口均有相关规定。由于卫星信道的共用性，在第2层实现用户协议与VSAT网络多址协议的转换。

2 VSAT网络发展趋势
    VSAT卫星通信系统是20世纪末兴起的一种新型卫星网络。它的出现是卫星通信技术的重大突破，其不仅改变了当前卫星通信行业的产品结构和生产规模，还形成了新的组网概念。
    随着网络的宽带化和业务需求的多样化，VSAT卫星通信系统正从传统窄带数据通信应用，向一个融合电信、广播、计算机的宽带卫星网络发展。在提供传统的话音、数据交互等业务的同时，宽带化的VSAT设备还扩展了远程教育、远程医疗、电视会议等功能；随着广播业务的发展，利用卫星通信的广域覆盖特性和宽带卫星广播技术，实现新闻、数据分发和广播，数据视频音频广播到户、卫星寻呼、Web广播、视频点播(VOD)、IP数据音频和视频广播等。宽带卫星数据传输作为计算机互连网的一部分，提供了方便的文件软件下载和Internet接入、企业的Internet互连、ISP骨干业务、电子邮件、电子商务、金融证券等，并且还将随着需求和技术更新，不断提供更多样的业务服务。

3 DVB-RCS开放标准
    卫星宽带接入从技术上的可行性已经论证多年，在已提出的几项新技术和架构中，DVB-RCS开放标准已获得了商业成功。DVB-RCS是卫星通信市场上第一个非专有的双向VSAT标准，其市场和设备相对成熟。DVB-RCS标准是一个真正的开放型标准，允许不同执行DVB-RCS标准厂商的产品可以具有互操作性。
    DVB-RCS标准：
    出向信道：DVB／MPEG-2数据格式，IP封包，数据速率达到45 Mbit·s-1。
    回传信道：MF-TDMA，QPSK，数据速率4 Mbit·s-1。
    MF-TDMA (Multiple Access-Time Division Muhiplex)多频时分多址，它是从时间和频率上分为一个二维帧，如图2所示。上行线路的所有终端可以合用一个二维MF-TDMA帧，分为若干个不相覆盖的时间频率槽，如图2所示，显著提高了系统容量。由于每个终端发出的多媒体业务是突发的，因而多路合用必须是动态的。MF-TDMA的优势在于：载波频率和分配带宽都可以灵活适应多变的多媒体传输要求，而且时隙和突发速率都可以根据网控中心的要求来改变，有效降低了终端功率和传输速率，从而降低终端成本。

    由于DVB-RCS标准的出台，结束了各个VSAT厂商各自为阵、标准不统一的局面，使得芯片的生产趋于标准化，这样DVB-RCS设备在性能上与传统的VSAT设备已经不可同日而语，而价格却比传统的VSAT设备拥有更强的市场竞争力。近年来，阿而卡特、Gilat、Viasat以及NewTech等业内知名公司宣布，他们的设备均遵从DVB-RCS标准，已经在世界范围内建设有数百个完全依从DVB—RCS标准的系统。美军计划2008年开始投资1亿美元在全球大规模部署DVB-RCS系统，作为宽带数据链的组成部分。
    自DVB-RCS标准推出以来，使得传统的VSAT系统经历了一场革命，在性价比上得到了前所未有的提升，使得宽带双向卫星通信系统在城市的地面互联网迅速扩展的同时，也扩展到了偏远农村那些地面线路无法覆盖的地方，实现了与地面线路的无缝连接。

4 VSAT卫星通信系统在农村的应用
4．1 应用概述
    “低成本、广覆盖、低功耗、易维护”是面向未来我国农村通信市场发展的技术特点，因其组网灵活，不受地形影响；通信容量大、覆盖面广、可同时传输数据和话音；具有多点广播能力，便于扩容；既可与地面系统相结合，又可绕开复杂的地面网建立独立的卫星网等适合农村通信的诸多优点。因此，自20世纪末以来，卫星通信在我国农村通信中就已经得到广泛应用。随着互联网和信息化的快速发展，农村通信对宽带业务的需求越来越大，VSAT宽带卫星通信系统不仅能够满足农村日益增长的宽带业务需求，而且成本较低，应用前景广阔。伴随着“村村通”工程的深入应用，其已成为目前解决我同农村通信问题的主要通信手段之一。
4．2 系统介绍
    该VSAT宽带卫星通信系统基于DVB-RCS，工作于Ku频段，由一个中心主站和若干个远端站组成，并且远端站可随需求增减。系统基于IP平台设计，基本通信体制为TDM／MF-TDMA，出向支持DVB-S／S2，入向支持DVB-RCS。出向速率15 Mbit·s-1，回传速率：1．6～2 Mbit·s-1。组网规模灵活。该系统的基本拓扑结构为星状和网状，如图3所示。

    中心主站到远端站是广播式的TDM载波，远端站到中心主站采用适当速率的多载波TDMA。这种方式是将若干远端站的发射信号编为一组以TDMA方式组合，再调制到一个载波上发射出去，同时，主站将以多个载波的TDMA形式接收来自远端小站的信息。在这种方式下，各站接收和发射的频率和时隙是可调的。由于采用TDM、MF-TDMA的组合，系统的灵活性增强，容量显著提高。一个卫星转发器能够容纳几千个远端站。中心主站担负全网的系统管理职能，对网络进行监测和控制。远端站周期性地从主站发出的信号中诊断本站的工作状态。
    系统业务包括：(1)实时的电视电话会议。(2)高清晰图像传输。(3)文件数据传输。(4)Internet接入。(5)话音服务。(6)信息共享。
    系统特点：(1)灵活的组网方式。数据传输为星状拓扑，话音通信为网状拓扑。因此既可以支持远端站到主站之间的一跳通信，也可以支持两个远端站之间的一跳通信。(2)支持多业务。(3)接口多样。(4)动态带宽分配。(5)高可靠性设计，保障系统的高可用度。(6)系统自动识别语音信号，支持QoS设计，为话音预留带宽，使得话音通信在任何时候都享有最高优先级。(7)主站模块化设计，易于扩展、维护、升级。(8)远端站无人值守，安装、维护简单。(9)网管界面友好，功能强大。
4．3 子系统配置说明
4．3．1 中心站配置
    中心站是VSAT宽带系统的核心，使用Ku频段6 m天线。由天线／控制子系统、高功率放大器SSPB、低噪声放大器LNA、信道子系统、IP子系统和网管子系统等组成。因主站关系到整个VSAT网的运行，所以采用1：1设备备份冗余。
    中心站提供整个VSAT网接入外部通信网的接口。VSAT网可以看作是一个由卫星建立连接的局域网，语音、视频、数据通过IP来传输，可同时接收10路图像(1．5 Mbit·s-1×10)。在中心站，通过VoIP语音网关和PBX使VSAT网内电话与PSTN连接，支持120路话音通道；通过路由器使VSAT网与Internet连接起来，满足专网对外网访问的要求。中心站的系统基本构架如图4所示。

    系统主站的基本组成架构为4个子系统：
    (1)前向链路子系统(FLSS)。完成中心站与远端站话音、图像及数据等信息的广播。
    (2)回传链路子系统(RLSS)。完成远端站与中心站的回传包括控制等信息的通信。
    (3)IP子系统(IPSS)。负责广播及控制信息的数据处理，将所传信息打包成IP包，完成不同接口的统一IP传输。
    (4)网管子系统(NetManager)。由网管系统对整个系统的运行情况、操作系统、指挥／控制系统、保持状况及统计信息进行管理。系统管理员可通过Internet这样一个灵活的方式，访问网络管理子系统，包括用户管理、QoS管理、SLA管理、配置管理等。
4．3．2 远端站配置
    远端站由1．8 m天线、功放、低噪声放大器、变频器、调制解调器、数据终端等组成，如图5所示。通常采用固化部件，便于安装与维护，可直接与数据终端连接。天线直径可依据雨衰量大小，采用不同直径。远端站可通过VOIP网关连接至话音网关或PC及PSTN，传输1路图像(1．5 Mbit·s-1)，2路VoIP，1路数据(64 kbit·s-1)。卫星modem连接一个交换机，交换机上连接各种应用设备，例如电话、计算机、视频终端等。

5 结束语
    VSAT卫星通信网向宽带业务发展已是必然趋势，但由于以往建设的VSAT卫星通信系统标准不统一、各自为阵，使得终端设备的投入成本较昂贵，使其在市场上的推广受限。如何积极地统一标准、研发新技术以期使卫星宽带接入大幅降低成本，能被广泛地接受，是目前研究和应用的热点。其中，基于DVB-RCS标准因其开放性好越来越被重视，尤其在解决我国偏远农村地区的宽带卫星通信，将发挥重要作用，并具有广阔的应用前景。