徐 挺，蘭 海，孫 勇，張宏江

（1.老撾亞太衛(wèi)星有限公司，老撾 萬象 999012；2.重慶兩江衛(wèi)星移動通信有限公司，重慶 401135；3.航天恒星科技有限公司，北京 100086；4.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

0 引言

衛(wèi)星通信作為地面網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)間遠(yuǎn)距離互聯(lián)，為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等多媒體接入。衛(wèi)星通信的實(shí)現(xiàn)方式有很多，其中最普遍的是采用VSAT 方式。

本文首先介紹VSAT 系統(tǒng)組成和實(shí)現(xiàn)原理，再比較不同的通信網(wǎng)絡(luò)、通信體制和多址方式及對應(yīng)的適用場景，結(jié)合衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)分析和星地鏈路計(jì)算，確定合適的地面設(shè)備規(guī)格，然后通過設(shè)備類型的優(yōu)劣比對，實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)備選型，從而達(dá)到降低系統(tǒng)建設(shè)成本的最終目的。

1 VSAT 系統(tǒng)

VSAT，又稱甚小口徑終端，指一類具有小口徑天線的地球站，通?？梢院芊奖愕陌惭b在用戶站，與衛(wèi)星服務(wù)商的關(guān)口站協(xié)同工作，組成一個衛(wèi)星通信網(wǎng)，能夠支持范圍廣泛的單向或雙向數(shù)據(jù)、語音、視頻等業(yè)務(wù)。它具有組網(wǎng)靈活、系統(tǒng)可靠性高、設(shè)備成本低、安裝方便、擴(kuò)容性好、業(yè)務(wù)開通快等特點(diǎn)，可建立關(guān)口站與用戶站間的直達(dá)線路，避免了地面中繼線路問題，是作為偏遠(yuǎn)地區(qū)基站回傳、互聯(lián)網(wǎng)接入、遠(yuǎn)程教育等應(yīng)用的一種很好選擇。由于用戶站天線口徑小，發(fā)射功率低，因此站點(diǎn)規(guī)模和建設(shè)成本低，非常適合作為地面光纖網(wǎng)的補(bǔ)充，進(jìn)行大規(guī)模的站點(diǎn)部署和業(yè)務(wù)覆蓋。

2 網(wǎng)絡(luò)類型及選擇

VSAT 通信網(wǎng)是一個由多個通信站點(diǎn)組成的可實(shí)現(xiàn)相互間通信的網(wǎng)絡(luò)，它可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行組網(wǎng)，從而搭建出一個靈活易擴(kuò)展的通信網(wǎng)絡(luò)。通常根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為星狀網(wǎng)（Star）、網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh）和混合網(wǎng)（Hybrid）三種，分別適用于不同的場景。

2.1 星狀網(wǎng)

星狀網(wǎng)是最常用的網(wǎng)絡(luò)，通常有一個中心站提供業(yè)務(wù)匯聚和全網(wǎng)控制功能，各遠(yuǎn)端站都同中心站通信，組成星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)端站僅與中心站單跳互通，若遠(yuǎn)端站間有數(shù)據(jù)通信則需要中心站中繼轉(zhuǎn)發(fā)通過衛(wèi)星雙跳實(shí)現(xiàn)。星狀網(wǎng)邏輯圖如圖1 所示。

圖1 星狀網(wǎng)邏輯

2.2 網(wǎng)狀網(wǎng)

網(wǎng)狀網(wǎng)是無中心的分散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各遠(yuǎn)端站間通過單跳直接通信，無需經(jīng)中心站中繼，因此通信時延較比星狀網(wǎng)縮減一半。但一般會存在一個主控站，對全網(wǎng)進(jìn)行時鐘同步和監(jiān)控管理。主控站可以是各遠(yuǎn)端站的其中一個或幾個，甚至所有遠(yuǎn)端站都作為主控站，因此網(wǎng)狀網(wǎng)的通信具有高靈活度、高可靠度和抗毀性。網(wǎng)狀網(wǎng)邏輯圖如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)狀網(wǎng)邏輯

2.3 混合網(wǎng)

混合網(wǎng)是星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)的混合體，通常是由一個網(wǎng)狀網(wǎng)裁減而來，可形成多中心站星狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)、格狀網(wǎng)、星座狀網(wǎng)等各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，并且可以根據(jù)應(yīng)用場景靈活切換[1]。業(yè)務(wù)量大的站點(diǎn)可直接與中心站單跳通信，部分站點(diǎn)間通信也可通過單跳完成，同樣具有一定的靈活度、可靠度和抗毀性。網(wǎng)狀網(wǎng)邏輯圖如圖3 所示。

圖3 混合網(wǎng)邏輯

2.4 網(wǎng)絡(luò)選擇分析

建設(shè)VSAT 系統(tǒng)需要根據(jù)應(yīng)用場景選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)。站點(diǎn)數(shù)較多、業(yè)務(wù)流量較大、站點(diǎn)間通信較少的場景，星狀網(wǎng)是很好的選擇，因?yàn)樾菭罹W(wǎng)中只有一個中心站，其天線口徑和功放規(guī)格配置高，則遠(yuǎn)端站采用小口徑天線和小功率功放即可滿足與中心站的通信鏈路要求。但由于中心站唯一，整個網(wǎng)絡(luò)存在單點(diǎn)故障的風(fēng)險，如果再投資建設(shè)備份站，則整體成本投入又會大幅提高[2]。當(dāng)站點(diǎn)數(shù)較少、站點(diǎn)間存在大量通信、業(yè)務(wù)對時延要求較高且要求網(wǎng)絡(luò)具有多點(diǎn)備份時，可以考慮選擇網(wǎng)狀網(wǎng)，此時各站點(diǎn)的天線口徑和功放規(guī)格都要相應(yīng)提高才能滿足通信鏈路要求。而當(dāng)部分站點(diǎn)需要高業(yè)務(wù)流量、部分站點(diǎn)間需要相互通信，且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?jīng)常變換的場景，可以考慮選擇混合網(wǎng)，此時需要對中心站和個別遠(yuǎn)端站進(jìn)行較大成本投資，其他遠(yuǎn)端站可以低成本投資，以建成一個可滿足業(yè)務(wù)要求的混合網(wǎng)。三種VSAT 網(wǎng)絡(luò)的特征和應(yīng)用場景如表1 所示。

表1 VSAT 網(wǎng)絡(luò)特征

在選擇VSAT 網(wǎng)絡(luò)時，需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場景，預(yù)估未來的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和業(yè)務(wù)情況，綜合衡量比較各網(wǎng)絡(luò)的整體投資建設(shè)成本，從而選擇最合適的VSAT 網(wǎng)絡(luò)。

3 多址方式及選擇

多址方式指的是多個遠(yuǎn)端站通過共用的衛(wèi)星信道同時建立各自通信信道的一種方式，大大提高了衛(wèi)星通信鏈路的利用率和通信連接的靈活性。目前常用的VSAT 多址方式有四種：FDMA/SCPC、TDM/SCPC、TDM/TDMA 和純TDMA。

3.1 FDMA/SCPC

頻分多址/單路單載波（FDMA/SCPC）中，每個載波獨(dú)占一段頻段。每條通信鏈路的建立都通過位于兩通信站點(diǎn)的終端間通信來實(shí)現(xiàn)，其信道帶寬都是固定分配且獨(dú)占的，無論該站點(diǎn)的業(yè)務(wù)量如何變化，帶寬始終固定不變。由于載波連續(xù)而不存在全網(wǎng)同步的問題，因此通信時延低、抖動小、技術(shù)成熟、實(shí)現(xiàn)簡單。但是由于帶寬固定不變，當(dāng)業(yè)務(wù)量大時可能會存在網(wǎng)絡(luò)擁塞，當(dāng)業(yè)務(wù)量小時又造成帶寬資源浪費(fèi)的情況。

3.2 TDM/SCPC

時分復(fù)用/單路單載波（TDM/SCPC）通常適用于星狀網(wǎng)，配備有一個中心站，各遠(yuǎn)端站同中心站單跳通信，或通過中心站中繼雙跳實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)間通信。在該系統(tǒng)中，通信鏈路被分為兩部分：中心站至遠(yuǎn)端站的叫出境信道、遠(yuǎn)端站至中心站的叫入境信道。其中，出境信道采用TDM 方式發(fā)送一個連續(xù)的TDM 載波，其信道帶寬固定分配并供所有遠(yuǎn)端站共享。入境信道采用SCPC 方式，各遠(yuǎn)端站發(fā)送各自連續(xù)的SCPC 載波，每個入境信道占用某一固定頻帶，帶寬固定分配且獨(dú)占的。在TDM/SCPC方式中，同樣不存在全網(wǎng)同步的問題，時延抖動性能好，并且實(shí)現(xiàn)了出境信道共享，提高了信道利用率，但由于入境信道仍然獨(dú)享，依舊可能存在網(wǎng)絡(luò)擁塞或帶寬資源浪費(fèi)的情況。

3.3 TDM/TDMA

時分復(fù)用/時分多址接入（TDM/TDMA）跟TDM/SCPC 原理相似，同樣將通信鏈路分為出境信道和入境信道，且出境信道采用TDM 方式。不同之處在于入境信道采用TDMA 方式，各站被分配在一個預(yù)分配好的時隙內(nèi)發(fā)送TDMA 突發(fā)載波至同一信道中。由于載波頻率相同的，要求每個站的突發(fā)載波在時間上不重疊。因此中心站需要周期性的下發(fā)時間同步信號對所有小站實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步，以確保每個站都能在指定時隙內(nèi)發(fā)送載波而不干擾到其他站。TDM/TDMA 實(shí)現(xiàn)了出境和入境雙向信道各自的共享，信道利用率進(jìn)一步提升[3]。

3.4 純TDMA

時分復(fù)用多址（TDMA）是一個天然的網(wǎng)狀網(wǎng)，不存在中心站和遠(yuǎn)端站之分，也不存在出境和入境信道之分，所有站點(diǎn)共享同一信道，按預(yù)分配在指定時隙發(fā)射自己的TDMA 突發(fā)載波。TDMA 同樣需要一或多個主控站進(jìn)行監(jiān)控管理和全網(wǎng)同步，以確保每個站都能在指定時隙發(fā)射載波而不干擾到其他站。TDMA 實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全網(wǎng)共享，充分的利用了帶寬資源。

3.5 多址方式選擇分析

在FDMA/SCPC 中，n 條通信鏈路需要的modem數(shù)量為2n 臺，通常SCPC modem 的價格較高，不利于大規(guī)模部署。當(dāng)一個站點(diǎn)需要與多個站點(diǎn)建立通信鏈路，該站點(diǎn)需要部署多臺modem，發(fā)射多個SCPC 連續(xù)載波，為了避免功放工作在非線性狀態(tài)而導(dǎo)致載波間互調(diào)干擾，需要進(jìn)行功率回退，導(dǎo)致功放的功率規(guī)格要求很大且功率效率很低。因此FDMA/SCPC 適用于站點(diǎn)數(shù)少、站點(diǎn)間業(yè)務(wù)流量大、通信時延和抖動要求高的應(yīng)用場景。

在TDM/SCPC 中，配置有一個中心站進(jìn)行流量中繼和轉(zhuǎn)發(fā)。中心站通常配備有較大口徑天線和較高功率功放，因此遠(yuǎn)端站的天線口徑和功放規(guī)格要求相應(yīng)降低。由于中心站至遠(yuǎn)端站采用TDM 方式，出境載波的發(fā)射僅需配置一臺SCPC modem 來完成，因此無需對功放進(jìn)行功率回退。而針對各遠(yuǎn)端站至中心站的多個入境載波的解調(diào)，則通過配置一臺或多臺多通道接收機(jī)來完成。各遠(yuǎn)端站部署一臺SCPC modem 完成入境載波的調(diào)制和出境載波的解調(diào)。因此，若接收機(jī)為4 通道，當(dāng)有n 個遠(yuǎn)端站時，全網(wǎng)所需設(shè)備數(shù)量為n+1 臺modem 和n/4 臺多通道接收機(jī)。由于SCPC modem 的價格較高，同樣不適合大規(guī)模部署。因此，TDM/SCPC適用于站點(diǎn)數(shù)較少、各點(diǎn)流量較大、站間通信少的應(yīng)用場景。

在TDM/TDMA 中，同樣配置有一個大天線口徑和高功率功放的中心站，遠(yuǎn)端站規(guī)格相應(yīng)降低。由于中心站還負(fù)責(zé)監(jiān)控管理、全網(wǎng)同步、路由策略等功能，因此需要配備一套HUB 基帶系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。出境TDM 載波由調(diào)制模塊完成，入境TDMA載波由多載波解調(diào)模塊完成，而遠(yuǎn)端站僅需配置一臺remote modem 完成對入境載波的調(diào)制和出境載波的解調(diào)。因此，當(dāng)有n 個遠(yuǎn)端站時，全網(wǎng)所需的設(shè)備數(shù)量為1 臺HUB 基帶系統(tǒng)和n 臺remote modem。由于HUB 基帶系統(tǒng)價格十分昂貴，而remote modem 價格相比SCPC modem 卻便宜很多，因此需要大量的站點(diǎn)數(shù)來平攤中心站的投資成本。TDM/TDMA 適用于站點(diǎn)數(shù)很多、各點(diǎn)流量較少、站間通信少的應(yīng)用場景。

在TDMA 中，站點(diǎn)間通信通過單跳完成，因此需要的天線口徑和功放規(guī)格都較大。由于全網(wǎng)共享信道，支持的業(yè)務(wù)流量較低。各站點(diǎn)配置有1 臺TDMA modem，調(diào)制并解調(diào)信道中的TDMA 突發(fā)載波。當(dāng)有n 個站點(diǎn)時，全網(wǎng)所需的設(shè)備數(shù)量為n 臺TDMA modem。通常此類modem 是通用硬件結(jié)構(gòu)，通過序列碼等方式提供主控站功能的授權(quán)。根據(jù)需求，可將全網(wǎng)配置成一個或多個主控站，當(dāng)然授權(quán)費(fèi)和投資成本也不同[4]。由于TDMA modem 和其授權(quán)費(fèi)價格較高、全網(wǎng)支持的業(yè)務(wù)流量較少，因此TDMA 適用于站點(diǎn)數(shù)較少、站間通信頻繁、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓鼡Q頻繁、靈活度高的特殊應(yīng)用場景。

四種多址方式的特征和應(yīng)用場景如表2 所示。

表2 VSAT 多址方式

在選擇多址方式時，需要評估現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模、預(yù)估后期網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，計(jì)算一次成本投資和后續(xù)擴(kuò)容成本，綜合衡量比較，從而選擇最合適的多址方式。

4 站點(diǎn)組成及選型

4.1 設(shè)備組成

一個VSAT 站設(shè)備由兩部分組成：室內(nèi)單元（IDU）和室外單元（ODU）。其中，室外單元包括收發(fā)天線、功率放大器和低噪聲放大器，室內(nèi)單元包括基帶系統(tǒng)和應(yīng)用終端。設(shè)備組成如圖4 所示。

圖4 設(shè)備組成圖

同

4.2 天線選型

VSAT 站收發(fā)天線通常有兩類：正饋天線和偏饋天線，其中正饋天線又分為前饋型和后饋型，后饋型天線中，凱瑟格倫型和格里高利型天線口徑尺寸大，通常在6.2 米以上，一般安裝在中心站，以提高較大的信號發(fā)射和接收能力，從而降低遠(yuǎn)端站的天線和功放規(guī)格。后饋模式能有效保護(hù)饋源受日曬雨淋，提高饋源的壽命，但由于構(gòu)造復(fù)雜，并配備有伺服電機(jī)和跟蹤單元，天線造價也相對較高。環(huán)焦天線和偏饋天線口徑通常在4.5 米以下，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，無需配置伺服電機(jī)和跟蹤單元，可手動調(diào)整天線對星，一般安裝在遠(yuǎn)端站。環(huán)焦天線因?yàn)轲佋床糠职惭b在中心體內(nèi)，可避免受日曬雨淋，但造價方面偏饋天線要高于環(huán)焦天線，

天線選擇方面，從成本角度考慮，在能滿足通信鏈路要求的情況下，遠(yuǎn)端站優(yōu)先考慮采用偏饋天線，而中心站為保證更高的可靠性，可考慮選擇后饋形天線[5]。此外，由于伺服電機(jī)和跟蹤單元價格較高，對于C 波段6 米以下口徑天線和Ku 波段4.5米以下口徑天線，可以考慮不配備伺服電機(jī)和跟蹤單元以降低中心站天線的成本投入，對星精度誤差損耗可以通過基帶部分的功率控制來補(bǔ)償。

4.3 功放選型

高功率放大器（HPA）的作用是將上行鏈路的射頻（RF）信號進(jìn)行功率放大，它與收發(fā)天線共同決定信號的上行發(fā)射能力。目前中心站最廣泛使用的HPA 有：固態(tài)功率放大器（SSPA）、行波管放大器（TWTA）和速調(diào)管放大器（KHPA）。由于它們只有功率放大功能，沒有上變頻功能，需要和上變頻器（U/C）配合使用，先由U/C 將中頻（IF）信號上變頻成RF 信號，再進(jìn)行功率放大。三種HPA 各有優(yōu)缺點(diǎn)，KHPA 輸出功率高、效率高、價格低、電源簡單，但帶寬窄，一般用于衛(wèi)星測控站衛(wèi)星上行測控使用。TWTA 帶寬大、輸出功率高，但價格高、效率低、電源復(fù)雜，是目前中心站使用最多的HPA。SSPA 性能穩(wěn)定、帶寬較大、體積小、壽命長、電源簡單、價格適中，近年來逐漸有替代TWTA 的趨勢[6]。三種功放的優(yōu)劣勢如表3 所示。

表3 各功放對比

TWTA 通常和U/C 一起安裝在機(jī)房內(nèi)，并配備有精密空調(diào)，溫濕度有保障，不受外界環(huán)境影響。但由于機(jī)房與天線有一定距離，從TWTA 法蘭口輸出至天線饋源口的路徑較遠(yuǎn)，導(dǎo)致其波導(dǎo)的傳輸功率損耗較大，降低了信號的上行能力。近年來隨著L 波段信號的流行以及SSPA 技術(shù)的發(fā)展，目前大多數(shù)SSPA 產(chǎn)品都可內(nèi)置L 波段上變頻模塊組成SSPB，又稱功放上變頻器（BUC），集成了上變頻和功率放大的功能，單臺設(shè)備可替代上變頻器+功放組合使用，且價格遠(yuǎn)低于TWTA 和KHPA，因此廣泛使用于遠(yuǎn)端站。而且由于其支持L 波段輸入，設(shè)備可安裝在室外收發(fā)天線近端，大幅縮短了法蘭口至天線饋源口的路徑距離，減少波導(dǎo)傳輸損耗，提高了信號上行能力，因此在各大中心站大放異彩。綜合分析，針對遠(yuǎn)端站和中小型中心站，在頻率和功率都滿足的情況下，BUC 是最佳選擇。而對于可靠性要求極高的大型中心站，則可以選擇TWTA+U/C 組合。

4.4 低噪放選型

低噪放的作用是將下行鏈路的RF 信號進(jìn)行功率放大的同時限制噪聲溫度升高，它與收發(fā)天線共同決定信號的下行接收能力。低噪放通常有兩類：低噪聲放大器（LNA）和低噪聲下變頻器（LNB）。

LNA 只有低噪聲功率放大功能，需和下變頻器（D/C）配合使用，先將RF 信號功率放大，再通過D/C 進(jìn)行下變頻至L 或者IF 信號輸出。通常LNA安裝在天線饋源口，而D/C 安裝在機(jī)房內(nèi)，中間有一定距離，因此LNA 輸出的RF 信號在經(jīng)過這段傳輸過程中會有較大的功率損耗，降低了下行信號的接收電平。而LNB 集成了低噪聲功率放大和下變頻的功能，單臺設(shè)備可替代LNA+D/C 組合使用，且價格也低于單臺LNA，廣泛使用于遠(yuǎn)端站[7]。由于LNB 安裝在天線饋源口，下變頻后輸出的是L 波段信號，相比RF 信號在同等距離的傳輸損耗大幅減少，因此在各大中心站也普遍使用。綜合分析，針對遠(yuǎn)端站和中小型中心站，LNB 是最佳選擇。而對于大型中心站，需要對下行RF 信號監(jiān)測以及有相關(guān)測試需求的，則可以選擇LNA+D/C 組合。

4.5 基帶系統(tǒng)選型

VSAT 基帶系統(tǒng)根據(jù)不同的應(yīng)用場景以及組網(wǎng)和多址方式，可以有很多選擇。針對FDMA 和TDM/SCPC，基帶系統(tǒng)采用SCPC modem 作為通信終端。由于SCPC modem 價格普遍較高，并且通信體制沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，各廠家設(shè)計(jì)各自的通信體制，需要選擇一款性能最優(yōu)的產(chǎn)品以提高頻譜利用率。因此需要選擇一款性能最產(chǎn)品選型需要考慮如頻譜效率、解調(diào)門限、滾降系數(shù)、封裝開銷等性能參數(shù)，以及是否支持一些如載波對消CnC、自適應(yīng)編碼調(diào)制ACM、上行功率控制UPC、包頭凈荷壓縮等功能。通過產(chǎn)品性能和價格比對，結(jié)合業(yè)務(wù)運(yùn)行周期，計(jì)算出費(fèi)用總和。

對于TDM/TDMA，主流應(yīng)用是星狀網(wǎng)，中心站采用HUB 基帶系統(tǒng)，遠(yuǎn)端站采用remote modem。國際上有統(tǒng)一的通信體制標(biāo)準(zhǔn)，通常出境信道采用DVB-S2 標(biāo)準(zhǔn)，入境信道采用DVB-RCS 標(biāo)準(zhǔn)。目前也有不少產(chǎn)品已支持出境信道采用DVB-S2X 標(biāo)準(zhǔn)，入境信道采用DVB-RCS2 標(biāo)準(zhǔn)，相比上一代頻率效率有了大幅提升。系統(tǒng)的信號處理任務(wù)大部分都集中在HUB 基帶系統(tǒng)完成，使remote modem 的功能和操作簡單化，同時也降低了其設(shè)備尺寸和價格[8]。作為代價，一套HUB 基帶系統(tǒng)的價格卻是非常昂貴，只有整網(wǎng)規(guī)模龐大、業(yè)務(wù)周期長的情況，才能擔(dān)負(fù)的起單套系統(tǒng)的采購成本。在選型方面，需要考慮設(shè)備采購費(fèi)用、整網(wǎng)規(guī)模、帶寬租賃費(fèi)用等多個因素。由于設(shè)備成本投入巨大，需要長期運(yùn)營來維持，帶寬租賃費(fèi)用同時又是一大筆開支。因此需要提前預(yù)估整網(wǎng)規(guī)模，選擇一款性能最優(yōu)功能最全的產(chǎn)品。通過產(chǎn)品間性能和價格比較，結(jié)合業(yè)務(wù)周期，計(jì)算出其費(fèi)用總和。

對于TDMA，在應(yīng)用中本身就是一個天然的網(wǎng)狀網(wǎng)，各站點(diǎn)都采用統(tǒng)一的硬件設(shè)備，個別站點(diǎn)通過軟件授權(quán)開通成為主控點(diǎn)。由于網(wǎng)狀網(wǎng)比較特殊，需要根據(jù)實(shí)際的使用場景組成適合的VSAT 網(wǎng)。對于中小型專網(wǎng)通信，為節(jié)省成本投資，可以考慮開通一至兩個站作為主控點(diǎn)，同時起異地備份的作用。而對于軍事、應(yīng)急、搶險救災(zāi)等應(yīng)用場景，對整網(wǎng)有較高的靈活度和抗毀性要求，此時就要開通所有站作為主控點(diǎn)，當(dāng)一個主控點(diǎn)失去通信連接，可以第一時間將整網(wǎng)控制功能轉(zhuǎn)移至其他主站點(diǎn)，充分保障通信可靠，通常這種場景對于設(shè)備投資也是不計(jì)成本的。

5 衛(wèi)星選擇

為了滿足通信鏈路的要求，保證信號傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)可用度，在選擇通信衛(wèi)星作為空間中繼時，需要分析比較不同衛(wèi)星間的性能差異，包括場強(qiáng)覆蓋能力和轉(zhuǎn)發(fā)器最重要的三個性能參數(shù)。從而選擇最具性價比的衛(wèi)星。

5.1 波束覆蓋的考慮

選擇一個通信衛(wèi)星，其信號場強(qiáng)覆蓋是第一考慮要素，各站點(diǎn)都在信號波束范圍內(nèi)才能滿足通信的條件。目前大多數(shù)衛(wèi)星都支持多頻段多波束覆蓋，有全球波束、區(qū)域波束、點(diǎn)波束等。全球波束通常用于海事衛(wèi)星MSS 業(yè)務(wù)，區(qū)域波束通常用于C 波段和Ku 波段的FSS 業(yè)務(wù)，點(diǎn)波束通常用于Ka 波段的高通量業(yè)務(wù)，通常采用對同一頻段多色復(fù)用以大幅提高通信容量。根據(jù)衛(wèi)星軌位和地球站所在的地理位置，可算出地球站的天線對星角度，通常建議天線對星仰角不低于15 度。當(dāng)偏離衛(wèi)星軌位越遠(yuǎn)其天線對星仰角越低，信號的空間傳輸路徑越遠(yuǎn)，信號衰減越大、引入的地面熱噪聲越大、降雨造成的熱噪聲和去極化效應(yīng)越大，為保證通信鏈路要求就需要建設(shè)更大口徑天線和更高功率功放，增大了成本投入。因此選擇衛(wèi)星時應(yīng)盡量保證各站點(diǎn)所在區(qū)域離衛(wèi)星軌位及波束覆蓋范圍中心越近[9]。

5.2 轉(zhuǎn)發(fā)器性能參數(shù)考慮

通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器有三個主要的性能參數(shù)，分別為：EIRP、G/T、SFD，在做星地鏈路計(jì)算和VSAT系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵作用。

EIRP，即有效全向輻射功率，表示衛(wèi)星發(fā)射的下行信號強(qiáng)度。在站點(diǎn)所在區(qū)域，EIRP 值越大，信號場強(qiáng)越大，地面站接收的信號越強(qiáng)，接收天線口徑可以越小。通常EIRP 場強(qiáng)圖呈等高線形式從波束中心向外逐漸減弱。圖5 為老撾一號衛(wèi)星C 頻段EIRP 覆蓋圖。

圖5 老撾一號衛(wèi)星C 頻段EIRP 覆蓋

G/T，即衛(wèi)星上行信號接收品質(zhì)因數(shù)，指衛(wèi)星上行信號接收能力。在站點(diǎn)所在區(qū)域，G/T 值越強(qiáng)，衛(wèi)星上行信號接收能力越強(qiáng)，地面站發(fā)射天線口徑和功放規(guī)格要求越小。同樣的G/T 場強(qiáng)圖呈等高線形式從波束中心向外逐漸減弱。圖6 為老撾一號衛(wèi)星C 頻段G/T 覆蓋圖。

SFD，即功率飽和通量密度，指上行信號將轉(zhuǎn)發(fā)器輸出功率推至飽和狀態(tài)時，衛(wèi)星天線口面上的功率通量密度。EIRP 和G/T 是衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段就確定的，而SFD 可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)發(fā)器的線性通道放大器衰減檔而改變[10]。SFD 越敏感，星上的信號放大能力越強(qiáng)，地面站所需的上行功率約小，因此對于地面站天線口徑和功放規(guī)格要求越小。但與此同時上行鏈路的載噪比變小，導(dǎo)致整條星地鏈路的通信質(zhì)量惡化，因此需要綜合衡量選擇。

圖6 老撾一號衛(wèi)星C 頻段G/T 覆蓋

用戶在選擇衛(wèi)星時，首先需要對比各衛(wèi)星的場強(qiáng)覆蓋情況，選擇站點(diǎn)所在區(qū)域內(nèi)EIRP 和G/T 值最強(qiáng)的衛(wèi)星，再通過星地鏈路計(jì)算及同衛(wèi)星公司協(xié)商，在可滿足鏈路可靠性和系統(tǒng)可用度的情況下，將載波所在轉(zhuǎn)發(fā)器的SFD 值適當(dāng)調(diào)整至敏感檔位，以降低地面站上行所需功率，從而降低所需的發(fā)射天線口徑和功放規(guī)格，減少設(shè)備投入成本。

6 通信體制選擇

6.1 通信標(biāo)準(zhǔn)選擇

VSAT 通信有很多標(biāo)準(zhǔn)，其中最普遍的是采用DVB-S 標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)發(fā)展到第三代，分別是DVB-S、DVB-S2、DVB-S2X。其中，DVB-S2 是目前主流的通信標(biāo)準(zhǔn)，它相對于DVB-S 有較大的性能提升，具體體現(xiàn)在載波的頻譜效率大幅提高。目前大多數(shù)modem 兩者都兼容。而DVB-S2X 相對于DVB-S2 又有較高的性能提升，具體體現(xiàn)在滾降系數(shù)從原0.2 降至最低0.05，調(diào)制方式從原32APSK升至最高256APSK 等。此外還有許多廠家在此基礎(chǔ)上自研新標(biāo)準(zhǔn)，但系統(tǒng)構(gòu)架和原理大多跟DVB-S2相同，例如信道編碼都采用BCH+LDPC，高階調(diào)制大多采用APSK 方式，不同之處在于信號復(fù)用、封裝、處理等，會有不同的開銷[11]。但同時設(shè)備成本也相對較高。目前VSAT 通信普遍采用DVB-S2 通信標(biāo)準(zhǔn)，未來DVB-S2X 等新標(biāo)準(zhǔn)會越來越普遍。圖7 為不同通信體制的頻譜效率對比圖。

圖7 通信體制對比

在選擇通信標(biāo)準(zhǔn)時，優(yōu)先考慮采用DVB-S2X及性能相似的其它通信標(biāo)準(zhǔn)，其相對高效的頻譜效率可減少同等業(yè)務(wù)信息速率所需的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬，且隨帶寬租賃周期的增長帶寬租賃費(fèi)用節(jié)省的越明顯。然而由于新標(biāo)準(zhǔn)問世不久，還尚未普及，因此設(shè)備的價格相比上一代的會高不少，此外還與上一代體制不兼容。因此，還需結(jié)合實(shí)際情況和業(yè)務(wù)周期，計(jì)算設(shè)備投入費(fèi)用和帶寬租賃費(fèi)用，選擇是否采用新一代通信標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。

6.2 MODCOD 選擇

MODCOD 指調(diào)制方式(Modulation)和編碼速率(Coding)。MODCOD 越高，載波的頻譜效率越高，相同業(yè)務(wù)信息速率所需的信道帶寬越小，帶寬租賃費(fèi)越低。但與此同時，信號解調(diào)所需的門限值也越高，地面站需要采用更大口徑天線和更高功率功放以保證鏈路可靠性和系統(tǒng)可用度[12]。因此需要權(quán)衡考慮，參考衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的性能參數(shù)，通過星地鏈路計(jì)算，在轉(zhuǎn)發(fā)器功帶平衡的前提下，計(jì)算出不同MODCOD 對應(yīng)頻譜效率、載波帶寬以及所需收發(fā)站點(diǎn)的天線口徑、功放規(guī)格等參數(shù)，結(jié)合業(yè)務(wù)周期，計(jì)算出不同MODCOD 下所需的帶寬租賃費(fèi)和地面設(shè)備投入費(fèi)用，綜合衡量選擇最適合的組合。

通常，若業(yè)務(wù)信息速率高、需求帶寬量大，且服務(wù)周期長，相比一次性的地面設(shè)備投入成本，長期節(jié)省下來的帶寬租賃費(fèi)用則更為可觀，此時建議盡可能采用高階MODCOD。而對于已建成的地面站，天線口徑和功放規(guī)格都已確定，則需按現(xiàn)有的設(shè)備配置做星地鏈路計(jì)算，得出所能支持的MODCOD。

7 結(jié)語

VSAT 系統(tǒng)建設(shè)的成本優(yōu)化一直都是圍繞著衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和地面系統(tǒng)設(shè)備投入開展。然而實(shí)際情況往往是地面系統(tǒng)受限而需要租賃大量帶寬，若為了節(jié)省帶寬又需要投入更大成本提高地面系統(tǒng)配置，兩者往往無法兼顧。因此本文通過對整個VSAT 系統(tǒng)建設(shè)的各個環(huán)節(jié)展開分析，總結(jié)每個環(huán)節(jié)對成本投入的影響程度和優(yōu)化措施，力求尋找一個平衡點(diǎn)，使帶寬部分節(jié)省的同時地面系統(tǒng)的成本投入在合理范圍，從而以最理想的成本投入建設(shè)最具性價比的VSAT 通信系統(tǒng)。