二十一世纪VSAT卫星通信系统的应用与发展

发布: 2010-10-20 00:48 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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□ 信息产业部电信科学技术研究院杨运年

    十多年来，VSAT卫星通信系统以其独特的方式在信息通信领域里扮演着重要的角色，其网络建设已经遍布世界各地。在众多的专用网中，它支持着话音、数据和图象等多种业务，成为许多大型企业、商业团体、金融机构、新闻单位等赖以生存的神经中枢。在广阔的公共电信网络中，对于远距离的小容量通信，以及地面蜂窝网或寻呼系统的组网方面，VSAT系统发挥着重要的作用。面对信息技术迅速发展的二十一世纪，VSAT系统仍然充满着强劲的活力。目前我国已建VSAT小站约8000台，分别归属于大约70个独立的系统。由于VSAT系统具有投资省、建设周期短、效益高、传输距离远、信号质量好、设备体积小、便于安装、使用维护方便等特点，在专用网和边远地区的通信中发挥着重要的作用。本世纪末和二十一世纪初期，VSAT系统仍将处于高速发展阶段。随着全球经济的发展和世界各国之间信息交流的扩大，建立国际性VSAT卫星通信网已经提到了议事日程。许多发展中国家迫切需要迅速加强电信设施建设，但又缺乏资金，所以采用VSAT卫星通信系统是一个较好的选择。本文将重点介绍当前VSAT系统的两个应用热点：一个是作为宽带Internet接入，另一个是组建广阔的农村通信网络，并分析新世纪VSAT技术的发展动向。

    一、我国建设和发展VSAT系统的概况

    从八十年代末期到现在，特别是在电信主管单位将VSAT系统列入放开的电信业务以来，我国VSAT卫星通信系统发展迅速。许多国家部门、大型企业、专业用户和边远地区纷纷建立相应的VSAT网络，满足了各单位和地区对通信的迫切要求，也在一定程度上缓解了我国干线通信线路的供需矛盾。据不完全统计，目前我国已建VSAT系统大约有80多个，小站数目约7000多台，这些系统分别归属于银行金融证券机构，新闻单位，电力、煤炭、石油天然气等能源系统，交通民航、海关贸易、旅游饭店、公安武警、大型综合企业、以及邮电系统和联通公司等下属部门。还有一些专门经营VSAT系统的营运公司。1998年我国VSAT小站的增长速度约35％，预计2003年可能达到50％以上，并将与国际VSAT网络互连。

    但是我国在发展VSAT系统的过程中，由于建设速度较快，缺乏必要的政策指导和宏观调控，没有及时给予正确的技术导向，再加上少数用户对VSAT系统的一些技术问题了解不够，所以出现了一些应该引起重视的问题，其中主要是：（1）系统容量小，网络效率低；（2）总体设计不合理，占用卫星资源较大；（3）出站链路与入站链路业务配置不合理，业务量估算与实际应用差距较大，造成网络资源浪费；（4）对雨衰储备选择不当，链路可用性指标达不到要求；（5）链路延时太长，使系统容量和利用率降低；（6）往往在一个网络里因采用不同厂家的设备而分别配置几个相应的网管分系统，难以形成集中统一的网络管理系统，网管投资费用太高。这些问题归纳起来,有的属于系统总体设计不合理，有的是链路计算有错误，有的是设备选型不当，也有的是由于缺乏实际工程经验或者经营管理不善而造成的。所以形成了少数VSAT网络规模小、效率低、经济亏损严重。近两年来有个别系统的营运商因长期负债而不得不予以关闭。今后在建设和发展VSAT系统时，对于这些问题应给以足够的重视。

    二、应用VSAT接入高速Internet

    目前有135个国家加入了Internet网。今后5年内Internet网的收入将以每年60%的速度增长，2000年可望达到780亿美元。近年来，我国Internet网发展非常迅速。1993年开始起步，1998年用户数上升到210万户，估计2000年可望达到1000
多万户。

    以Internet和多媒体为代表的信息技术在未来人们生活和社会发展中占有非常重要地位。虽然利用地面电信网络和CATV可以提供较为满意的宽带Internet接入，但由于建设时间较长以及一些技术问题尚不成熟，还不能满足人们的急需。这样就为应用VSAT接入Internet和多媒体提供了一个良好的时间和空间。同时，由于Internet业务传输的不对称性和面向广大用户的直接广播特性，应用VSAT卫星通信作为Internet的传输媒体也是一种较为合适的选择。这将是VSAT卫星通信一个新的应用领域。

    应用卫星通信接入Internet具有以下优点：（1）卫星通信覆盖范围大，凡是处于卫星波束覆盖范围内任何地方的网民，都可以通过远程终端接收VSAT主站发射的Internet信息；（2）传输距离远，不受自然地理环境条件的限制。应用VSAT传输Internet信息的成本与用户的距离和地理环境无关，这一特点对于幅员辽阔的中国具有明显的优势；（3）应用VSAT传输Internet信息，避免了地面电路的多次转接，传输质量较好。但是，工作在Ku波段的VSAT卫星通信系统，对于雨衰问题应给予足够的重视；（4）应用VSAT传输Internet的主要优点是能够向用户提供即时的高速数据信息，系统可向许多用户同时提供宽带信息。这一特点既满足了Internet
用户的使用要求，又发挥出卫星通信广播载波多路复用的优势；（5）一般地讲，VSAT系统的出境速率可以达到几十Mbit/s，能为Internet用户提供较大的传输速率。由于各种原因，实际提供给某个远端用户的最大数据速率相对较低，通常约为400Kbit/s。因为一般PC机不能处理高于400Kbit/s的数据流，更高的速率是没有意义的；（6）应用VSAT传输Internet的关键问题之一是系统能够支持多少个用户，也就是能否达到有效益的网络规模。实践证明，用3Mbit/s的出境信道可同时支持200到300个同时上线的一般用户。概括地讲，在一个商业性的Internet系统中，任何时候大约只有十分之一的用户是处于上线状态。这样，一个3Mbit/s的出境信道可支持2000多个用户。当需要扩大容量或支持宽带用户时，系统可以扩展上行信道带宽或配置多个出境载波。

    当前应用VSAT接入Internet的典型系统主要有：美国休斯网络系统公司推出的DirecPC系统和美国VitaCOM公司开发的VIPSTAR系统。它们都是以几十Mbit/s的出站速率向全网所有Internet用户提供高速数据，每一个远端用户通过VSAT小站就可以获得大约400Kbit/s的下载信息，比目前普通电话线Modem接入的速度高20倍左右。Internet的上网信号仍通过电话线拨号方式。对于电话线尚未延伸到的偏僻地区，可以配置具有双向通信能力的VSAT小站，通过入站链路申请上网。同时，我国清华大学与SatCom公司合作，研制开发出“外交互式卫星Internet”系统，也称作SatComNET。其系统结构与DirecPC类似，用户通过SatPC可以享受到2Mbit/s的接入速率.学生拥有一台SatPC机,就可以浏览每天的课目单,也可以在线参加学位证书考试。

    应该说明的是，近几年内应用卫星接入宽带Internet是一个良好的机遇。以后，随着地面电信宽带接入网的建设和利用CATV提供宽信息业务的发展，在大中城市和人口密集地区，卫星的优势将可能下降。但在边远地区VSAT接入方式仍然具有明显的优势。

    三、应用VSAT解决我国边远农村通信问题

    改革开放二十多年来，我国城市电话用户普及率超过28％。但是，农村电话发展很不平衡，东部地区经济情况比较好的地方，农话发展具有相当规模，而中西部地区农村电话普及率还很低。据统计，现在我国农村电话普及率还不到3％。全国76万个行政村中，尚有24万个还未开通电话业务。

    党中央、国务院明确提出在“十五”计划期间实现村村通电话的奋斗目标。农村通信是一个急待开发的广阔市场，尤其是中西部广大农村。根据我国农村通信的特点，当前急待解决通信问题的绝大多数农村处于远离城市和交通沿线的偏远山区，如果采用光缆或微波作为通信手段，不仅施工困难，投资费用高，而且覆盖范围很有限。所以解决我国农村通信应主要依靠VSAT卫星通信，并结合其它的辅助手段如450MHz无线接入方式等。但是，如果要将传统的VSAT系统应用于我国农村，还需要进行适当的改造。经过认真地分析研究，我国农村通信VSAT系统的主要特点有以下几个方面。

    1．全省卫星通信公用一个主站平台

    按照我国实际国情，在每个省会城市都建设有天线口径约为φ13m以上的大型地球站，主要用于和全国各大城市之间构成国内干线卫星通信网，其通信制式为IDR。有的省还利用该站组建省内稀路由卫星通信系统，解决省会与各地（市）、县之间的通信问题，其制式一般为SCPC。我国农村通信也应该以省为单位，充分利用φ13m地球站这个平台作为中心站，组建全省农村VSAT网络。这样使三个卫星通信系统能够共用主站的电源、机房等基础设施。如条件允许，也尽可能地利用主站的天线、高功放等公用部件，以节约成本。

    2．省内卫星通信由二级网络组成

    省内卫星通信一般由二级网络组成：一个是省会城市与各地、县（市）之间构成的一级网络，通常为SCPC方式；另一个是各地、县（市）与其下属乡、村镇之间构成的二级网络，即农村VSAT系统。

    3．全省农村通信VSAT系统公用一个网络管理系统

    在农村VSAT中，各乡、村镇相互之间及其与县(市)之间的通信约占总业务量的80％。各乡、村镇与省会、地(市)之间的通信约占20％。但是在网络管理和控制方面，只采用一级管理，将其网控中心建在省会主站。同时按照行政管辖区域，在各个主管的地、县（市）建立关口站（GATEWAY），对下属VSAT站进行虚拟管理。网控中心统管全网所有VSAT小站和地、县(市)级GATEWAY站的信道分配、工作状态监视、故障记录、业务量统计、自动记费等，并按行政区划将下属VSAT小站的网络管理信息通过控制信道及时传送到相应的GATEWAY站，进行记录和存储，以便于业务管理，并节约一大笔经费。

    4．全省VSAT系统采用混合网络结构

    由于农村VSAT系统使用省会城市主站进行一级网管，主站以星状网络与GATEWAY站、VSAT站直接传输网管信息。但各个地球站之间的通信业务信道则按照网状网进行运作，即各个VSAT站、GATEWAY站及省会主站相互之间能够直接进行通信，没有必要经过GATEWAY站或省会主站以“两跳”方式连接，避免了两次占用卫星转发器资源。

    5．对农村VSAT系统的一般性能要求

    如上所述，我国农村VSAT系统应用的对象是地处偏僻的边远村镇，交通不便，自然环境条件恶劣，经济比较落后，技术力量差。鉴于这种情况，对农村VSAT系统的一般性能要求如下：（1）农村VSAT系统是一种体积小、重量轻、质量好、便于运输、使用方便、价格便宜的远程卫星通信网络。一般能够支持电话、传真和数据业务，也可以提供应急电话和付费电话服务。按照我国农村实际情况，一个VSAT小站应配置2～3个信道为宜；（2）农村VSAT系统应尽可能使用Ku波段，便于显著减小地球站设备和天线体积；（3）
农村VSAT系统以话音通信业务为主。为了充分节约卫星转发器资源，降低卫星租费，应采用先进的话音压缩编码方式。实践证明，每路话音压缩到6.4Kbit/s或4.8Kbit/s,语言自然度仍然比较好；（4）因为我国每个省的管辖范围较大，人口较多。一个农村VSAT系统通常包括几千个到上万个远端小站，其出站链路一般采用TDM或STDM(统计时分复用)方式，而入站链路为FMTDMA方式。在主站的网络操作人员能够做到更新小站参数、对系统软件升级、打开或关闭远端小站；（5）低功耗，高可靠性。低功耗和高可靠性是农村VSAT系统的重要要求，
VSAT小站应具有使用太阳能供电的能力。一个VSAT站的功耗应不超过50w。设备的MTBF指标应处于工业产品中的领先地位，并具有良好的抗干扰性能。应能适应于室内温度为0～+40C，和我国版图覆盖区域室外温度变化为-40C~+60C的工作环境条件要求；（6）VSAT小站应具有多种接口。农村VSAT小站的终端设备应配备多种接口，以支持多种业务如数字压缩话音、话音带内数据、三类传真(速率4.8Kbit/s)等。同时也可以与小型交换机或其它无线接入设备相连接；（7）体积小，重量轻，运输安装方便。农村VSAT小站的室内设备重量一般不超过4Kg，其体积应尽可能地减小，以适应于运输方便、安装快捷的要求。同时，为了便于在灾区或其它特殊情况下架设临时站的需要，还应该提供可选择的三角架和便携箱；（8）经济性能。面对我国边远地区的经济现状和广大农民的实际承受能力，一个农村VSAT系统的投资费用如果平均分摊到每个VSAT站(2～3个话路)约为3万元人民币，则可能被广大村民所接受。由此可以看出，应用VSAT解决边远农村通信将是卫星通信一个新的领域。

    四、二十一世纪VSAT技术的发展

    在跨世纪的今天，面对通信技术领域的激烈竞争，VSAT卫星通信技术将会不断向前发展，主要表现在以下几个方面。

    （1）向更高频段发展：继C波段和Ku波段之后，未来的VSAT系统将开发和使用Ka波段和毫米波段，以便进一步扩展工作频带、增大系统容量、减小设备体积、避开与其它无线通信系统之间的干扰。当前日本已经建立了实用化的Ka波段VSAT系统，一些技术先进的国家也正在进行Ka波段或毫米波段的技术开发工作。

    （2）向高速率、大容量发展：以前提供商用VSAT系统的入境链路传输速率最大为几百Kbit/s,现在可以达到2Mbit/s，以后达到5Mbit/s,能够充分满足各种高速业务的需要。与此同时，主站及其网管系统能够支持的远端小站数目也将大幅度的增加。

    （3）提供多种业务服务：VSAT系统不仅可支持数据、话音、图象业务，也能够提供多媒体、帧中继、Internet、IP等多种业务。它在实现移动通信的远距离组网和信息高速公路分支线路连接方面将担负着重要的角色。

    （4）提高智能化功能：网络管理系统是VSAT网络的心脏和灵魂，决定了智能化程度水平的高低。随着软件技术的发展，VSAT系统在设备的实时远程监视与控制、故障诊断、业务量统计、自动记费等智能化管理方面都将提高到一个新水平，更便于操作人员进行使用、管理和维护。

    总之，VSAT卫星通信系统作为一种现代化通信技术，将以微电子技术、软件技术、通信与计算机等先进技术为基础，并促进相互之间密切结合，带动VSAT系统的整体技术不断革新。从而提高VSAT系统的通信容量、业务种类和智能化水平，充分节约卫星转发器资源，使通信设备达到简单、小型、廉价、可靠、实用的目标。

摘自《通信世界》2001.29期