VSAT衛星通信系統

VSAT 是 Very Small Aperture Terminal 的縮字，直譯為甚小口徑衛星終端站。所以也稱為衛星小數據站（小站）或個人地球站（PES），這裡的“小”字指的是VSAT衛星通信系統中小站設備的天線口徑小，通常為0.3-1.4M。VSAT系統具有靈活性強，可靠性高，成本低，使用方便以及小站可直接裝在用戶端等特點。VSAT系統由一個主站及眾多分散設定在各個用戶所在地的遠端VSAT組成，可不藉助任何地面線路，不受地形、距離和地面通信條件限制，主站和VSAT間可直接進行高達2Mbps的數據通信。特別適用於有較大信息量和所轄邊遠分支機構較多的部門使用。VSAT系統可提供電話、傳真、計算機信息等多種通信業務。該系統由288顆近地軌道構成，每顆星上由路由器通過光通信與相鄰衛星連線構成空中網際網路。地面服務商接入網關站（雙向64Mbps）和一般移動用戶（下行64Mbps，上行2Mbps）直接與衛星連線接入。

基本介紹

• 中文名：VSAT衛星通信系統
• 外文名：Very Small Aperture Terminal
• 分類：通信
• 套用：數據傳輸
• 又稱：甚小口徑衛星終端站

概念定義

VSAT - Very Small Aperture Terminal 甚小口徑衛星終端站。利用VSAT 此系統進行通信具有靈活性強、可靠性高、使用方便及小站可直接裝在用戶端等特點，利用VSAT用戶數據終端可直接和計算機聯網，完成數據傳遞、檔案交換、圖像傳輸等通信任務，從而擺脫了遠距離通信地面中斷站的問題。使用VSAT作為專用遠距離通信系統是一種很好的選擇。

結構組成

VSAT衛星通信系統由空間和地面兩部分組成。

圖1 VSAT網路一般結構

網路構成主要由衛星(目前運行的VSAT系統的衛星主要是靜止衛星)、主站(配置有網路控制系統及地面通信設備)、用戶VSAT端站組成。典型的網路形態有：星狀網與網狀網。

星狀網是指以VSAT網路主站為網路中心，各VSAT端站與主站之間構成通信鏈路，各VSAT端站之間不構成直接的通信鏈路。 VSAT端站之間構成通信鏈路時需要通過VSAT主站轉發來實現。這類功能均由VSAT主站的網路控制系統參與來完成。

網狀網是指各VSAT端站之間相互構成直接的通信鏈路，不通過VSAT主站轉發。VSAT主站只起到全VSAT網路的控制、管理及VSAT主站和端站之間的通信。

星狀網、網狀網的物理結構見圖2所示。從套用方面看，VSAT主要分為兩大類，即為共用VSAT網與專用VSAT網。

圖2 星狀網和網狀網的物理結構

（1）共用VSAT網

共用VSAT網確切地講是主站共用VSAT網，經營者擁有功能較強的主站網控網管系統，以及較強的通信能力。各種類型的VSAT用戶可以作為一個VSAT 子網在同一個VSAT主站控制管理下，組織本子網內的各種類型的通信業務。網路可以是以VSAT主站為中心的星狀網路。子網的中心(一般指用戶的總部)可以通過公用地面通信網與VSAT主站相聯，並通過VSAT主站與本子網的各VSAT端站進行通信。除星狀網路之外，也可以在VSAT 主站參與控制管理下組成網狀網路。

共用VSAT網網狀結構及星狀結構網運行圖分別如圖2所示。

共用VSAT網在使用上較經濟。用戶自身一般不需要建投資很高、維護要求也很高的VSAT主站。特別在子系統內VSAT端站數量比較少，達不到規模效益的情況下，選用共用VSAT系統是比較合適的。目前國內已建有具有相當規模的共用VSAT系統的運行公司。

（2）專用VSAT網

專用VSAT網在運行方式上和共用VSAT網一樣，同樣可以組成星狀網系統和網狀網系統，主要區別在行政管理上。專用VSAT網是由用戶單位自己投資建設系統，自己運行管理，以解決自身的通信業務要求。VSAT端站的用戶是本系統的一個分支機構，一般不對社會開放經營通信業務，也不納入社會通信基礎網路中。VSAT專用網具有建設周期短，運行可用性高，技術要求比較低等優點已經成為各專業部門及大型企業非常願意採用的通信手段。

空間

VSAT衛星通信系統的空間部分就是衛星，一般使用地球靜止軌道通信衛星，衛星可以工作在不同的頻段，如C、ku和Ka頻段。衛星上轉發器的發射功率應儘量大，以使VSAT地面終端的天線尺寸儘量小。

地面

VSAT衛星通信系統的地面部分由中樞站、遠端站和網路控制單元組成，其中中樞站的作用是匯集衛星來的數據然後向各個遠端站分發數據，遠端站是衛星通信網路的主體，VSAT衛星通信網就是由許多的遠端站組成的，這些站越多每個站分攤的費用就越低。一般遠端站直接安裝於用戶處，與用戶的終端設備連線。

技術指標

系統參數

外向載頻：信息速率512KBPS，12FEC，BPSK調製方式，時分復用（TDM）。

內向載頻：信息速率128KBPS，12FEC，BPSK調製方式，頻分多址、時分多址混合方式（FDMA TDMA）。

誤碼率：EB No>6.5dB時，小於1×10－7。

數據通信

速率：異步：75-19.2kbps

同步：（採用接口規程）1.2-56kbps

同步：（位透明）1.2-65kbps

規程：SDLC、X.25，BITT（位透明方式）

電氣接口：主站：RS-232C、RS-449、V35（DTE、DCE均可）

小站：RS-232C（DCE）

電路連線模式：點對點連線、點對多點連線。

語音通信

採用RELP（殘餘激勵線性預測）編碼。

接口：主站：用戶交換機（PABX）－四線E8M

小站：電話機DTME，工線環路信號，RJ11連線器用戶

交換機（PABX）－四線E8M

傳真

帶內模擬（G3），基帶（G3或G4）。

小站配置

標準配置：一個數據連線埠（RS-232C）。

擴展配置：三個數據口或一個數據連線埠，一個語音口。

小站工作環境

溫度：戶內單元10-40℃

戶外單元-30-50℃

電源：220±10%，50HZ

功耗約：400W。

VSAT的接入方式（多址方式）

接入方式是決定VSAT性能的關鍵要素之—，同時也決定著系統的工作量和總延時，早期VSAT無例外地採用了頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）等多址方式。隨著技術的進步，分組數據傳輸的大規模地興起，VSAT系統又增添了不少新型多址連線方式，例如隨機多址連線（RA）和按需分配的多址方式（DAMA）等。當然，在VSAT系統中，不同的網路拓撲結構，不同的傳輸鏈路，其接入方式也是不同的。下面就介紹5種常用的接入方式：

TDM/FDMA（時分復用/頻分多址）方式

這種方式通常用於星型網路中心站的出站鏈路，採用連續的TDM載波，典型的信息速率為：57.6、153.6、256和512kbps。在一個VSAT網路中，如果不能滿足業務量要求，則可增加多個TDM 出站載波，即TDM/FDMA載波，每個TDM載波對應一群VSAT站。

SCPC/FDMA 方式

這種方式通常用於各遠程VSAT站向中心站傳送數據的入站鏈路，每個VSAT站占用一個載波，這種方式典型的信息速率為：1.2、2.4、4.8、9.6kbps，其優點是線路延時小、線路專用；缺點是線路利用率低，靈活性差。它適用於業務量固定且平穩的VSAT網。

TDMA 時分多址方式

傳統的TDMA方式是根據網路內站數的多少，給每個站劃分一個固定時隙，而在VSAT網路中，它們與傳統的TDMA方式有很大差異，比較典型的有：

1、S-ALOHA（時隙—ALOHA）方式

ALOHA和S-ALOHA均指隨機爭用衛星信道方式。ALOHA是純隨機方式，既沒有預約也沒有分配時隙，主要用於突發數據通信，傳送短文等。S-ALOHA是時隙ALOHA方式，為普通使用的方式，與ALOHA相比，減少了碰撞機率，提高了傳輸率，這種方式常用於低業務突發通信且VSAT站數目的網路。

2、R-ALOHA（預約—ALOHA）方式

這是方式是在ALOHA信道上開一個預約時隙，對較長的分組採用預約方式來傳輸數據，對較短的數據則採用隨機方式。在這種接入方式中，當VSAT站有數據要傳送到中心站時，需傳送一個申請給中心站的按需分配處理器，並表明需要傳送的通信量，中心站把定量的TDMA時隙分配給相應的VSAT站。當有多個VSAT站同時向中心站發出申請時，則需排隊等侯。這種方式可用於數據量變化較大的用戶。

3、Stream（數據流）方式

這種方式主要用於傳輸較長的連續數據，如大數據檔案、話音及視頻電話等。

4、AA-TDMA （自適應—時隙分配）方式

這是一種自適應調整TDMA方式。每個遠程VSAT站按需使用時隙，並根據通信量的大小調整時隙的寬度。也可根據用戶的業務情況，自動變換接入方式，如ALOHA、Stream和R-ALOHA。

CDMA（碼分多址）方式

這種方式根據需要採用適當位數的擴頻編碼，不同的VSAT站採用不同的地址碼。當中心站與若干個（如N個）VSAT站通信時，將所要傳輸的N個信號用指定的N種不同的偽隨機碼進行擴頻調製，同時使用同一種出站載波頻率傳給N個VSAT站，只要各個VSAT站的接收機使用各自規定的偽隨機碼來解調，它們便可分別接收到相應的原始信號。這種通信方式具有抗窄帶干擾能力及保密通信的能力。

DAMA（按需分配多址）方式

在路由較少環境中，採用保SCPC、傳統的FDMA這樣的固定分配方式是對空間段資源的浪費，為提高效率，可以使用DAMA技術。這可以在每呼叫（call by call）基礎上建立衛星鏈路，大量的VSAT站按需享用衛星容量，以較好利用空間段資源。當DAMA技術用於FDMA網路時就被稱為DA/FDMA方式；用於TDMA網路中時就被稱為DA/TDMA方式，或稱為SCPC/DAMA方式。

特點

VSAT衛星通信系統有十分明顯的特點，它主要包括以下幾個方面。

(1)　地面（遠端）站天線的直徑小，一般在2米以下，目前採用較多的是1.2～1.8米。登山運動員有時用直徑0.3米的攜帶型個人地球站。

(2)　發射功率小，一般在1~3瓦之間。

(3)　質量很輕，常用的為幾十千克，有的小到幾千克，便於攜帶。

(4)　價格低廉，經濟實用。該系統不但設備的售價低，而且它取得的經濟效益遠遠大於設備的售價。

(5)　建設周期短。它比傳統的地面通信手段簡單得多，不需要架設電纜、光纜。它也不像微波通信必需每隔50千米架設一個中繼站。VSAT衛星通信系統中，只要在通信的兩端安裝必要的設備就可以，而且這種設備的安裝也比較簡單。

(6)　通信的費用與通信的距離沒有關係。在一般的通信系統中，距離越長費用越高，而VSAT衛星通信與距離沒有關係，而且越遠越適合採用VSAT通信。

(7)　VSAT衛星通信不受地形和氣候環境的影響，因為它不需要架設地面設施，受地面的干擾小。

(8)　VSAT衛星通信技術的最大優點就是組網靈活，容易擴充用，而且維修方便，因為它沒有複雜的地面設備。

VSAT衛星技術的套用

VSAT站能很方便地組成不同規模、不同速率、不同用途的靈活而經濟的網路系統。一個VSAT網一般能容納200~500個站，有廣播式、點對點式、雙向互動式、收集式等套用形式。它既可以套用於已開發國家，也適用於技術不發達和經濟落後的國家，尤其適用於那些地形複雜、不便架線和人煙稀少的邊遠地區。因為它可以直接裝備到個人，所以軍事上也有重要的意義。概括起來，VSAT技術可以套用於以下幾個方面。

(1)　普及衛星電視廣播和衛星電視教育，傳送廣播電視、商業電視信號，尤其對於我國的邊遠地區，利用這種方式可以在物質文明建設和精神文明建設方面起到很大的作用。

(2)　用於財政和金融系統、證券系統，對市場的情況進行動態跟蹤管理，大大地縮短資金周轉周期。深圳的證券交易系統就是利用VSAT系統與四面八方的客戶進行雙向通信的。

(3)　用於水利建設的管理，監測水文變化，防止和減少自然災害的損失。VSAT系統可以及時傳輸氣象衛星、海洋衛星、資源衛星和地面檢測站獲取的信息。

(4)　用於交通運輸的管理。國外發達的國家已經將VSAT用在鐵路的運營調度，大大緩解了在交通運輸的緊張狀態。用VSAT可以方便地開展任何兩地的通話、電傳和電報業務，節省了經費和時間。

(5)　軍事上套用。在1991年的海灣戰爭中，多國部隊利用VSAT進行了大量的移動通信，甚至將其裝備到每個士兵。

(6)　應急通信和邊遠地區通信的套用。對於自然災害或突發性事件VSAT都是最便利的應急通信備份體系，例如：5.12的汶川地震。

現狀

VSAT系統目前在國內使用面比較廣，以專用網居多，一般規模不大，除上海證券交易所、深圳證券交易所兩個VSAT系統規模較大，各網均有數千座VSAT地球站外，其他的VSAT系統都在幾十至數百座VSAT地球站的範圍內。VSAT系統除了專用網系統外，還有中國電信等的公用網VSAT系統，此類網是屬通信經營性的VSAT系統。目前，我國VSAT系統屬於信息產業部指定的開放性通信業務。

目前，國內VSAT系統的設備除天線外，極大多數尚靠進口，國內有小批量生產相關的部件及設備，但市場占有率很低。在設備大多數價格昂貴，系統規模較小，網路效率比較低的情況下，VSAT系統的經濟效益還不十分顯著。這是目前國內VSAT系統存在的一個普遍問題。

發展方向

VSAT系統發展方向主要有如下兩個方面：

（1）VSAT系統運行成本降低

VSAT系統的套用面是非常廣泛的，深入到各個領域，但目前VSAT系統的運行成本比較高，制約了其擁有更多的市場。其一，衛星租用的費用較高，現今在運行的VSAT系統規模過小，不能充分利用空間資源(衛星功率與頻帶)。在VSAT系統未來的發展中必須形成規模效益，從系統設計開始要力促系統處於合理的條件下運行，即衛星功率與占用頻帶的合理平衡。這將涉及到調製方式的改進(如採用多相調製等)、工作門限點的降低(如採用更有效的糾錯功能等)，以充分利用空間資源，降低空間資源運行成本。

VSAT系統的設備昂貴，已使它的優勢發揮受到限制。要使VSAT系統普遍為用戶接受，降低設備成本是必經之路。目前，VSAT系統中的室外單元(ODU)、室內單元（IOU）及網控系統(MCU)價格分別在十幾萬到幾百萬元一套。因此，如果有可能有效地降低ODU、MCU設備的價格，就能贏得更大的VSAT市場，並使VSAT系統得到更廣泛的使用。

（2）新業務運行

目前VSAT系統的套用是以低速、小容量數據傳輸為主的，大致是19.2kbit/s、32kbit/s、…、512kbit/s。但已研究了用於區域網路和網際網路的中高速數據傳輸的VSAT 系統，正在成熟的2Mbit/s傳輸速率的VSAT系統，用於不同類型LAN互聯的設備相繼出台。

多媒體傳輸業務在VSAT系統中也是一個發展方向。由於大多數媒體傳輸業務對遲延具有敏感度，如話音、視頻需獨立的區域網路支持這些業務。VSAT系統將能把終端的多媒體信息，包括文字圖像、視頻、音頻在內信息的組合接連到一個VSAT系統合併成一個單一的網。為此，VSAT系統工作者將著重研製能傳輸多媒體業務的各種衛星鏈路傳輸協定。

從廣義上講，VSAT系統的新業務運行還應該包括：

① 移動衛星通信業務。

② 非同步衛星VSAT業務。

③ 具有衛星星載處理的VSAT業務。

VSAT系統工程實施

VSAT系統在衛星通信乃至整個通信領域中是一個非常活躍的通信分支，它經歷了初始階段、成熟階段，現已進入到發展階段。

VSAT系統屬於無線通信，所用的頻率資源是國家資源，無線通信由國家無線電管理部門專門管理，VSAT工程實施過程中，必須符合無線電管理規定。國家無線電頻譜管理中心頒發了“設定無線電台(站)申請使用指南”文本，對設立VSAT系統的申請使用作了具體的規定。VSAT系統的設計者、運行者務必熟悉該文本中的相關規定。對於商業經營性的VSAT系統，除向國家無線電管理部門申請VSAT網路使用權外，還需向信息產業部相關部門申請VSAT經營性網路運行許可證。

VSAT系統的總體技術設計

“設定無線電台(站)申請使用指南”附屬檔案四要求：技術設計檔案應由無線電管理機構認可的有相應的技術水平和組網經驗，並有良好信譽的設計單位編制，設計單位對其編制的設計檔案質量全面負責。

設計檔案的主要內容應包括：

① 概況描述：台網建設的必要性、社會和經濟效益、規模容量、業務種類、網路結構和網路組成、近遠期規劃。

② 台(站)址選址方案、推薦台(站)址的條件和數據、台(站)址電磁環境調查、測試數據和分析結論、有關部門同意設台(站)的意見。

③ 主要無線設備選型與配置、設備主要參數、天線和饋線選擇、主要電特性和物理數據(如尺寸、掛高方向特性、損耗等)、天線布置。

④ 傳輸設計和質量指標或服務範圍估算。

⑤ 電磁環境測試分析報告、干擾協調計算報告、多址方式、復用性質；天線仰角圖、協調區圖、與干擾微波站間剖面圖、極化分配、EIRP、G/T、衛星軌道經度和空間段的參數等。

以上的規定中，協調區圖的計算及繪製較為複雜，其方法可根據國際無線電規則附錄28計算繪製。原則上，VSAT主站必須作協調區圖計算及繪製，並與協調區內的同頻微波站進行協調。VSAT端站視其具體情況決定是否需作協調區圖計算及繪製，目前大多數不作協調區圖。與干擾微波站之間剖面圖，一般在協調區內具體協調時考慮，並需得到當地無線電管理部門幫助(提供數據，幫助協調)。

VSAT系統的工程實施準備

VSAT系統的工程實施準備工作，除根據“設定無線電台(站)申請使用指南”要求編制好相關的技術檔案外，需辦好VSAT網路的申請手續。VSAT網路由建設單位向國家無線電管理部門申請，並由該部門批准。VSAT站由建站單位向當地無線電管理部門申請，並由該部門批准。

站址勘察及電磁環境測試，是一個VSAT站在建站前必須進行的一項準備工作。電磁環境測試是一項專業技術性很強的工作，一般需要委託經無線電管理部門認可、有資質的單位進行，並提出測試報告。有資質的測試單位會根據無線電管理部門的嚴格要求進行測試。

在建站前需考察環境的軌道弧空間、建築重量承受能力、電源情況、接地系統等。選定的站址需得到相關的建築部門、物業管理部門認可。

根據總體設計，了解設備供貨情況。由於VSAT的設備沒有統一的規範，各供應商家的設備均自成系統，各廠商提供的設備互不兼用，故需對設備進行深入的研究，要考慮設備現有性能、擴容能力、廠商的售後服務能力等等。

了解在軌衛星提供衛星轉發器的可能性。衛星轉發器資源是有限資源，提前了解現有衛星轉發器狀況是十分重要的，衛星轉發器資源有無是VSAT系統能否建成的關鍵問題，所以工程準備階段，一定要做好此項工作。

VSAT建設的前期準備工作涉及的面很廣，一般需在有經驗的VSAT網路設計單位配合下進行。

VSAT系統工程實施

VSAT系統工程實施過程中，除環境要求，電源條件及接地要求等通信設施建設過程必須滿足的一般條件外，VSAT系統還將有一些強制特性必須達到要求。強制特性來自三個方面，一是國家無線電管理部門頒發的必須遵守的規定；二是衛星運行部門對用戶的技術要求；三是國際電聯對無線通信的規則要求。在VSAT系統建設運行中主要有下述幾項：

（1）城市內建設VSAT系統的限制

國家無線電管理委員會[1995]4號檔案“建設衛星通信網和設定使用地球站的暫行規定”指出：大、中型發射地球站不應在城市市區內設定，亦不應在高層建築物頂端設定。在城市市區內設定使用地球站，其天線直徑一般不超過4.5m，實際發射功率一般不超過20W。

衛星運行部門對天線的特性提出嚴格的指標要求，主要是天線旁瓣特性、極化隔離度、射頻的頻譜特性等。這些特性指標，均為強制性特性指標。地球站入網運行前均需對相關的強制性特性指標作入網特性驗證測試，只有在滿足要求的條件下，才允許使用衛星，即可入網運行。入網驗證測試中關於天線旁瓣特性的要求，不管入哪一個衛星網，均必須符合ITU-R580-3建議：

發射：29-25log(dBi) 1°≤ ≤48°

接收：32-25log(dBi) 1°≤ ≤48°

-10dBi ≥48°

式中：θ為天線的偏軸方向和天線工作指向的夾角。

各衛星運行部門還會提出對極化干擾及頻譜特性的指標要求。

（2）地球站天線架設

地球站天線架設是建立地球站的主要工程，技術要求高，應該根據天線廠商提供的曲面數據精密地調整曲面，以能滿足旁瓣特性要求，並要求能通過入網特性驗證測試。天線投入工作時需根據下列公式，計算天線的指向(方位角、仰角)，同時也可估算極化偏移角：

式中：EL為仰角(度)；AZ為方位角(度)；Ф_e為地球站所在位置經度(度)；_s為衛星軌道位置經度(度)；=地球站所在位置緯度；R_e=地球半徑=6 378km；R_o=衛星高度(典型值=35 786km)；ξ為極化偏離角（僅適用於線極化天線）。

計算時AZ，衛星在地球站以東取“–”，衛星在地球站以西取“+”。

在天線指向衛星時，若用磁羅盤確定指向，需在建築群上設定天線，一般應該先調整仰角。此時不會因建築物內的金屬構件擾亂磁力線，而影響羅盤指向讀數。調整仰角後，可仔細移動方位角尋找衛星。

極化角ξ是以微波信號的電場水平或垂直定義水平極化或垂直極化。對於衛星發射的微信號，衛星轉發的微波信號電場分量垂直於衛星軌道平面和平行於衛星軌道平面，分別定義為垂直極化和水平極化。若計算結果，ξ是正值，地球站天線發射極化角面向衛星逆時針偏移，反之則負。接收極化角與發射極化角為正交(90°)關係，並注意垂直極化以垂直軸線(0°)為起點偏移，水平極化以水平軸線(90°)為起點偏移。

（3）設定VSAT站的防雷接地問題

設定VSAT站的防雷接地問題，目前有關的討論很多，由於VSAT一般架設在樓頂等高處，近年來，受雷擊的情況時有發生，引起廣泛的注意。VSAT站本身是一個小型設施，對於十幾至幾十層的高樓樓頂，要求專設一套避雷接地系統，實施困難非常大，投資也過高。但還是需要十分重視避雷問題。如果沒有條件設定專用避雷系統，至少要使天線接地，接地引線直接(獨立)接至接近地面的接地點上，進入三合一地網，而不採用直接接在原建築物避雷帶上。若樓層過高，又不允許直接沿牆體敷設接地引線時，天線接地引線需接到最靠近接地引線處。其次，在電纜或波導進機房的“視窗”外側，重新作復接地，以免雷擊進入機房。

VSAT站的防雷接地還需進行深入研究，以找出確定可行的VSAT站防雷接地系統。