VSAT卫星通信系统的介绍

1. VSAT卫星通信系统的介绍

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。

2. VSAT卫星通信系统的结构组成

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(目前运行的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。目前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。 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。 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。 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 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。 温度：户内单元10-40℃户外单元-30-50℃电源：220±10%，50HZ功耗约：400W。

3. VSAT卫星通信系统的特点

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，目前采用较多的是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。

4. VSAT卫星通信系统的VSAT系统工程实施

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。 “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，目前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，目前有关的讨论很多，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。

5. VSAT卫星通信系统的概念定义

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。

6. VSAT卫星通信网的发展概况

自80年代以来，VSAT得到了迅速的发展，究其原因，除了VSAT本身技术上的进步外，还在于VSAT的设计思想一开始就是面向专用网的：一是面向覆盖范围大而业务量又较小的应用环境（即稀路由应用环境）和面向点—多点之间通信的应用环境（包括广播电台、收集、双向交互等通信方式）；二是在保证性能要求的前提下，尽量降低VSAT小站成本，以利于推广普及；三是尽量简化VSAT小站台票操作，使用户易学易用。由于VSAT具有许多优点，特别适用于建立专用网，所以VSAT在与地面网竞争时就占有一定的优势，促进了VSAT网的发展。早期的VSAT网大部分在北美，并且都以数据通信网为主，采用星状网结构。不具备话音通信功能或仅提供话音质量较差的声码话。随着VSAT网在地面电话网不是很普及或不很发达的发展中国家的推广使用，产生了在VSAT网中进行高质量话音通信的要求，因此出现了以话音业务为主的VSAT卫星通信网（例如TES），简称话音VSAT网。而随着进行综合业务通信要求的出现，出现了综合业务的VSAT卫星通信网（例如TSAT）。

7. VSAT卫星通信网的组成

VSAT通信网由VSAT小站、主站和卫星转发器组成。数据VSAT卫星通信网通常采用星状结构，采用星状结构的典型VSAT卫星通信网。 主站也叫中心站或中央站，是VSAT网的心脏。它与普通地球站一样，使用大型天线，天线直径一般约为3.5m～8m（Ku波段）或7m～13m（C波段）。在以数据业务为主的VSAT卫星通信网（下面简称数据VSAT网）中，主站既是业务中心也是控制中心。主站通常与主计算机放在一起或通过其它（地面或卫星）线路与主计算机连接，作为业务中心（网络的中心结点）；同时在主站内还有一个网络控制中心（NCC）负责对全网进行监测、管理、控制和维护。在以话音业务为主的VSAT卫星通信网（下面简称话音VSAT网）中，控制中心可以与业务中心在同一个站，也可以不在同一个站，通常把控制中心所在的站称为主站或中心站。由于主站涉及整个VSAT网的运行，其故障会影响全网正常工作，故其设备皆有备份。为了便于重新组合，主站一般采用模块化结构，设备之间采用高速局域网的方式互连。 VSAT小站由小口径天线、室外单元（ODU）和室内单元（IDU）组成。在相同的条件下（例如相同的频段、相同的转发器条件）话音VSAT网的小站为了实现小站之间的直接通信，其天线明显大于只与主站通信的数据VSAT小站。 一般采用工作于C或Ku波段的同步卫星透明转发器。 　在第一代VSAT网中主要采用C波段转发器，从第二代VSAT开始，以采用Ku波段为主。具体采用何种波段不仅取决于VSAT设备本身，还取决于是否有可用的星上资源，即是否有Ku波段转发器可用，如果没有，那么只能采用C波段。

8. VSAT卫星通信网的介绍

VSAT卫星通信网一般是由大量VSAT小站与一个主站（Hub）协同工作，共同构成的一个广域稀路由（站多，各站业务量小）的卫星通信网。