全网状网VSAT通信系统及最新发展

姜力

2014年10月

    2014年2月，加拿大波拉赛特通信公司正式发布在VSATPlus3 VSAT系统中实现了全网状自适应调制编码技术（Mesh-ACM)。这是VSAT领域中第一个实现Mesh-ACM的产品，它也标志着加拿大波拉赛特通信公司始终处于MF-TDMA技术的领先地位。这一技术突破源于VSATPlus3的调制解调器可以利用其独特的闭环网络控制算法作出最佳判断并在短于10纳秒（10 nano seconds）时间内切换调制和编码（MODCOD）方式。这使得调制解调器可以将网内任意TDMA载波的任意突发（burst）根据天线尺寸、卫星覆盖和天气状况等因素动态地调整到最佳MODCOD组合。采用Mesh-ACM技术后可以提高卫星带宽利用率40% ~ 50%。

    VSATPlus3是加拿大PolarSat公司MF-TDMA的第四代产品。其第一代产品，也是最早的一代商用TDMA产品于1981年推出，至今已超过30年。全网状网（full-mesh)卫星通信技术是在时分多址（TDMA）技术基础上发展起来的，目前更多采用的是MF-TDMA,即多载波跳频时分多址（MF-TDMA）技术。全网状卫星通信网的完整定义是：网内任意节点可以通过卫星单跳与网内所有节点同时建立双向联络。其中“任意”、“单跳”、“所有”、“同时”、“双向”五个要素不可缺一。符合全网状网定义的VSAT产品国外厂家仅有3、4家分别来自加拿大、德国和美国。本文仅结合加拿大PolarSat公司的VSATPlus3产品说明其特点及最新发展。

一、全网状网系统的特点

全网状网技术的第一个特点是网络拓扑的灵活性。由于全网状网具有最复杂的网络拓扑结构，它包含了星状网、树状网、部分网状网和混合网等各种网络拓扑。在不改变硬件配置的情况下，可以根据需要对网络拓扑进行调整改变。

图-1  全网状网及其拓扑结构

图-2  全网状网转变为星状网或树状网

    如图-2所示，全网状网通过去掉某些连接可以方便地构成其它网络拓扑。而典型的星状网络在不增加硬件配置的情况下是不可能变成全网状网的。因此，拥有全网状网的用户可以灵活地改变网络拓扑，已适应不同的需求。

    全网状网技术的第二个特点是网络结构的可靠性。由于全网状网采用的是分布式网络控制机制，没有集中的网络控制中心（Hub），因此不会因为网控中心站的故障或受到干扰造成全网瘫痪。同时也就不需要地理备份网控中心站。由此可见在全网状网中，任一站点的故障不会对网内其它各站产生影响。所以全网状网具有极高的网络可靠性。

全网状网技术的第三个特点是网络扩展的经济性。由于在全网状网中没有集中网控中心站设备，因此网络在扩容时仅需增加相应的端站而不必考虑网控中心能力的扩展。尤其是当网络建设初期站点数量有限时不必考虑昂贵的集中网控中心站设备因此具有较好的网络扩容经济性。

全网状网技术的第四个特点是天然的系统保密性。由于在全网状网中采用了多载波跳频技术，因此时槽（Burst）分配是随机的，跳频也是随机的。同时网络控制系统随时对网内的所有站点进行监控。这就使得非法用户不能仅靠得到的终端设备和频率信息进入用户卫星系统，所以具有较高的通信保密性。

  全网状网技术的第五个特点是独有的上行功率控制（ULPC）机制。由于在全网状网中每个终端可以收到所有站的信令信号并计算出平均值作为晴天参考电平，而每个终端可以将收到的本站信令信号随时与平均值进行比较。本地下雨时，本站信令信号两次通过雨区，因此与平均值存在误差。当利用此误差调整本站发射功率使该误差为零时则本站到达卫星的信号强度与无雨时一致, 其它站收到的本站的信号强度不变, 由于下雨造成的上行信号衰减得到克服。值得提出的是在全网状网中每个卫星通信终端均有独立的ULPC功能，不需通过主站的介入也不需要外加硬件设备完成。

图-3  ULPC示意图

    全网状网技术的以上特点特别适合需要灵活的网络结构、较高的网络可靠性、简单方便的网络扩容、保密性要求高和克服雨衰等应用场合。  

二、全网状网技术的发展方向

结合VSATPLus3系统的性能特点，目前全网状网技术具有以下发展方向：

＊         支持全IP网络

随着TCP/IP通信协议的迅速普及，加拿大PolarSat通信公司在2008年推出了基于全IP的VSATPLus3卫星通信终端。用户接口和卫星链路均采用IP协议，在卫星链路使用了TCP/IP加速技术解决TCP协议延时问题。VSATPlus3可以看作是一个广域无线路由器。可以支持基于IP的许多协议和功能，包括：静态路由、动态路由、QoS、VPN、SNMP等。

＊         采用软射频（Soft RF）设计理念

VSATPlus3卫星终端大量采用了软件替代硬件的设计理念，使得硬件平台的体积和成本大大降低，同时提高了设备的可靠性。由于新的编码算法和调制方式可以通过软件下载实现，因此硬件平台的使用寿命大大延长。例如当调制方式从QPSK升级为8PSK时硬件平台并没有重新设计。最先进的Mesh-ACM功能也是通过软件升级实现的。

＊         支持全网状带宽动态调整（BOD）功能

在全IP网络中，以前基于电路交换的按需分配（DAMA）技术已经不再适应基于包交换的业务应用。原因是DAMA建立的卫星信道收发是对称的且信道带宽在一次建立过程中是固定的。因此DAMA技术不适应基于包交换的IP数据传输。原因是IP数据具有明显的收发不对称性和数据速率（对应信道带宽）不固定性。

解决的方法是采用带宽动态调整即BOD技术。BOD可以在卫星信道建立后根据实际数据传输速率动态地对信道带宽进行调整。在VSATPlus3网络中BOD是全网状网和双向的，CIR和EIR可按单一站点设置。由于在MF-TDMA网络中BOD对带宽的调整是通过增减时槽完成的，不需撤销和建立载波因此是无缝隙的，所以不会产生任何瞬间数据丢失现象。

＊         实现“0”网管（NMS）硬件设计

VSATPlus3系统第一次实现了真正的“0”网管硬件设计，即在网内既没有网络控制中心（NCC）硬件设备也没有网络管理中心（NMC）硬件设备。因此在 VSATPlus3网络中每个站点的终端设备是一样的。网管终端是一台普通的PC机，不需任何专门软件，可以通过以太网接口接到网内任意一个VSATPlus3终端完成网络管理的任务。每个VSATPLus3终端内均驻有网管软件，网内所有终端共同完成网络控制功能。由于不存在特殊的硬件因此网内可以同时有多台网管终端PC机，从而实现分级网管和子网管的功能。网管操作的级别通过密码口令识别。

＊         实现稳定的TDMA网络同步

VSATPlus3网络采用了伪同步方式，并用参考节点提供网络定时基准。具体方法是先指定一个节点作为时钟参考节点，其它节点的时钟均跟踪锁定参考节点的时钟，并将始终误差保持在允许的范围内。由此可见参考节点的时钟绝对精度并不一定要很高，但各节点与参考节点间时钟的相对精度要很高。在采用了MF-TDMA技术后每个TDMA载波的速率相对降低，同时VSATPlus3终端内采用了目前工业界最高级别的时钟源，因此时钟同步的间隔可以达到20毫秒左右，这也是TDMA的帧长通常采用20毫秒的原因。对VSATPLus3网络的进一步测试和统计发现其系统时钟同步十分稳定且尚有足够的余量。因此VSATPLus3系统已经正式提供了40毫秒帧长的选项，以便进一步提高TDMA的效率。

＊         实现多种带宽／功率节省方案

目前VSAT网络的设备的性价比已经达到较好的水平。相对而言VSAT网络的卫星带宽租用费用已逐渐成为VSAT网络运行成本的显著部分。因此如何进一步节省空间资源已成为VSAT技术发展的主要方向。VSATPLus3系统综合采用了TPC编码、全网状BOD、Mesh-ACM技术、ULPC和40毫秒帧长等项技术，在节省卫星资源方面达到了先进水平。

三、VSATPLus3系统的最新进展

    VSATPLus3作为全网状网VSAT系统的代表每隔半年都有一次性能升级，不断提高系统的功能。这种性能升级对用户来说是免费的。最近的性能升级包括：

-    Mesh-ACM全网状网自适应编码调制技术

Mesh-ACM技术除了可以节省卫星带宽之外，还可以解决相同TDMA载波速率时不同站型的配置问题。例如对于采用较小尺寸天线的移动站可以采用较强的编码速率而对采用较大尺寸天线的固定站采用较弱的编码速率以便保证相同的信道质量。Mesh-ACM技术还可以将晴天链路余量充分利用起来以进一步节省卫星功率。

-    次参考站自动替补技术

通常情况下VSATPlus3网络中手动设置一个主参考终端和一个次参考终端。主参考终端为全网提供时钟基准，次参考终端站作为主参考终端的备份。现在，当次参考终端变为主参考终端时，网内其余终端按顺序自动填补次参考终端的位置。这就避免了主参考终端故障时，次参考终端接替主参考终端后需要手动设置新的次参考终端的问题。

-    内置频谱仪功能

VSATPlus3现在内置了频谱仪的功能，对于远端站点的对星和故障诊断提供了方便。频谱图形将在网管终端PC机显示器上显示。

图-4  内置频谱仪功能U

-    内置采用实际测量的BER测试仪功能

VSATPLus3终端内置了BER测试仪的功能。与通常的BER计算值不同，该BER值是实测值，而且可以选择测试的路径和信道。

-    VSATPlus3热备份功能

VSATPlus3现在可以支持1:1热备份功能。热备份功能不需任何切换控制设备和外部服务器管理，仅通过一根短电缆将两台VSATPlus3终端连接起来即可。

-    三维立体地图显示网络管理功能

通过SNMP协议，可以在三维立体地图上动态显示网络状态和运行数据。

-    移动终端在地图上显示运动轨迹功能

通过SNMP协议，移动站的运动轨迹可以在三维立体地图上实时显示。

-    远端BUC的监控功能

通过SNMP协议，可以对本地和远地的BUC进行监控。

-    网管终端AAA认证功能

为了解决网管终端的安全介入问题，除了靠密码口令外，SATPlus3网络现在支持本地或远地AAA认证协议，进一步提高了网管终端的安全性。

－结束－