《卫星通信技术》课堂14.VSAT与大容量通信

卫星通信技术起源于人类对通信的两个最重要的追求：长距离与大容量。长距离的定义很明白。通信容量就是每秒钟能够传输多少信息量——信息速率。大家知道信息量的基本单位是比特（bit），因此每秒比特数（bits per second，缩写：bps）就是通信容量的单位。Kbps单位就是千比特/秒，Mbps就是兆比特/秒，Gbps就是千兆比特/秒。当然可以用每秒多少码元（Baud）、每秒多少字节（Byte/s）等等单位来表达通信容量，而它们都可以用bps换算得到。通信容量（传输速率）与频率带宽（Frequency bandwidth）直接相关。上世纪二十年代末，美国物理学家奈克斯特的研究证明，理想情况下基带传输的带宽利用率为2Baud/Hz，即理想情况下1Hz的频率带宽只能传输2Baud（每秒传输2个码元）。这样的基带信号经过调制器以后，带宽利用率就减少一半为1Baud/Hz。“给定信息速率，再给一些附加条件，然后问：传输这样的信号需要占用的转发器频率带宽？”这是作者当年必须要给学生出的一道考试题。假如不仅要给出答案，还要给出推导过程，考题的难度其实不低。

拿举重运动员来说，有许多因素左右他能够举起多重的杠铃。但关键因素是他的肌肉爆发力。要实现大容量通信也有许多技术，但关键的因素是频率带宽（Frequency bandwidth）和特殊的频率复用。而带宽关键取决于使用的频段。因为任何物理系统的相对带宽都是有限度的，只有使用的频率（中心频率）越高，同样百分比的相对带宽其绝对值就越大。因此5G向更高频段发展是追求更高通信容量的必然选择。卫星通信当然也是如此。卫星通信最早使用的频段是UHF、L频段和C频段。

作者曾经听一位亲历者说：“1983年，美国的大型连锁超市沃尔玛（Wal-Mart）希望有一种大容量的通信手段，进行超市价格、仓储管理。她因此找到美国休斯公司旗下的休斯网络公司，从而诞生了一种采用甚小口径终端的卫星通信系统——Very Small Aperture Terminal ，缩写：VSAT”。后来，随着Ku频段的使用，卫星通信地球站的天线口径变小至1米，而且地球站无人值守由主站进行远程监控。典型的VSAT系统如图：

每个小站可以安装在屋顶上。小站只要安装时对准卫星，其他所有运行都可以由主站监控。小站以主站为信关站接入地面网络。

这样的VSAT网还可以细分为如下几种拓扑类型：

在星形拓扑中，小站之间是不能通过卫星进行通信的，小站只能通过卫星与主站通信。

在网状拓扑中，所有小站之间都可以通过卫星进行通信。这时每个小站都要具备与其他小站的通信能力，其设备的造价必然会远高与星形拓扑。这时的主站其实就是一个具有网络管理功能的一个“小站”。

在这种拓扑中，小站之间可以通过卫星进行通信，但是必须按照“小站—卫星—主站—卫星—小站”的路径通信，也就是说，小站与小站之间的通信要经过卫星“两跳”才能完成，通信延时将大于1秒钟，对于实时语音通信不可取。但是，假如是不需要及时应答的数据传输，这种方式对通信质量影响不大，此时用户感觉不到“两跳”带来的延时，因此称其为“虚拟网状”拓扑。这种拓扑带来的设备成本降低还是可观的得益。

典型的VSAT小站设备简单如图：

上世纪90年代休斯网络公司TES系统、PES和HES相继进入中国。TES采用网状拓扑，通信体制为FDMA/SCPC，满足长途电话通信（Telephone），也可以传输低速率数据。PES采用星形网络拓扑，通信体制TMD/TDMA，支持多种数据传输协议，主要用于数据传输（PC到PC），并可传输话音(低质量声码话)。HES是数据和语音兼容的混合网。

 Comtech Vipersat 网络系统公司是上市公司Comtech公司的一个全资子公司。其VSAT系统采用Vipersat网管系统和姊妹公司Comtech EF Data公司的CDM系列卫星调制解调器，在我国应用于公安等许多领域。

Vipersat网管支持主站和小站在星形或网状拓扑中互相传输数据，动态切换使小站从共享模式（STDMA）切换到专用信道模式（SCPC）。对于IP电话（VoIP）或视频，这些业务的数据流属性决定了它们的高速或实时的特点，这些应用也需要临时的专用信道，小站的MODEM中内置的软件能够自动检测到这些应用所使用的通信协议，来控制自动切换到专用信道（SCPC），达到减少延时、提高传输速率的目的。协议检测是通过识别符合H.323协议栈的连接信息包来完成的。

一个网络可以有选择时分多址 (STDMA)——星形拓扑。从主站到小的出境信道采用TDM广播模式，典型的工作速率为512Kbps到45Mbps。所有需要由主站发送到小站的数据都通过这个广播式信道广播发送到所有的远端局域网。一组小站使用一个STDMA时间帧作为回传信道，STDMA载波速率为64Kbps到2Mbps，同时使用多个STDMA回传信道可以支持数百个小站。为了支持一个大型网络，系统支持多个STDMA信道同时工作，每一个STDMA信道使用一个STDMA控制器，每一个STDMA控制器都独立于网管工作，保证网管服务器失效时，STDMA仍然能够连续不断地传输业务数据。也可以有按需单跳 (SHOD)——网状拓扑。按需单跳（SHOD）技术是一种在小站到小站之间使用频率池中的带宽动态地建立低延时的单跳卫星电路的方法，从而保证一些需要传输低延时的应用，如电话或电视会议，能够不受双跳所带来的长延时的影响。每一个支持SHOD功能的远端站需要额外配备至少一台调制解调器。有时，为了使一个小站能够支持同时与多个小站通电话，需要为该小站配备多个调制解调器。

德国诺达卫星通信公司(ND SatCom)是欧洲最主要的卫星通信系统及设备供应商，它产品SkyWan VSAT系统在中国也有较多用户：

美国iDirect公司是一家技术领先的卫星系统和设备供应商。它的VSAT平台从底层设计支持IP的。其调制解调器内置了TCP/HTTP加速、Qos保障等等。出主站载波采用HDLC封装的TDM的SCPC载波。在小站上行载波上，iDirect使用所谓的“确定性TDMA”（Deterministic-TDM），支持多种网络拓朴结构（星状、网状、混合）：

以色列的吉莱特（Gilat Satellite Networks Ltd.）是世界著名卫星通信设备供应商。它的SkyEdgeTM Call 是一个高速IP平台，支持RIP、IRDP、DHCP、NAT、IGMP、IP优先级划分、ACL等IP功能。SkyEdgeTM Gateway 平台是企业电话和数据网络的中继解决方案，支持E1接口、连接电话网关、全网状、IP DAMA。

SkyEdgeTM DVB-RCS 平台是DVB-RCS平台。Gilat平台的一个网管，可以同时支持星形、网状和多星形的网络拓扑。

Viasat公司是一家总部位于美国加利福尼亚州卡尔斯巴德的通信公司，在美国和全球范围内开展业务。提供高速卫星宽带服务和安全网络系统的公司，覆盖军事和商业市场。LinkStar平台是星型网络结构。出、入境非对称传输，出境载波采用DVB/DVB-S2标准的时分复用（TDM）入境载波采用多路时分多路复用（MF-TDMA）。具有带宽按需分配(BoD)功能，提供基于Web 或SNMP 协议的网络管理系统（NMS），支持各种频段（Ku 频段/C 频段）工作，支持高低速数据业务及VoIP话音业务。LinkWay是一种无主站的、用于单跳、星状或网状网络连接的‘VSAT-like’平台，采用多载波、多速率TDMA体制，不同速率载波间可跳频工作，支持1 至256 条载波，调制解调器突发速率为312 Ksps, 625Ksps, 1.25 Msps, 2.5 Msps, 5.0Msps（信息速率达8.75Mbps)，可跨转发器工作。

作者以上描述了中国内陆应用比较多的进口卫星通信设备。就像中国的家用汽车市场一样，国外的好产品都来了，而中国本土产品相比较而言却乏善可陈，因此作者就不在这里啰嗦了。

截止2015年，全球共有在轨卫星1381颗，其中超过半数为通信卫星：

如此拥挤的轨道空间，如何能够再提高卫星通信容量呢？高通量通信卫星出现了。高通量通信卫星又一次改变了卫星通信的格局。美国ViaSat公司的高通量通信卫星Viasat-1，其通信容量竟然大于传统的63颗通信卫星。如图：

下面这个图是每单位卫星频率带宽的成本对比，从中可以看出高通量通信卫星的竞争优势：

一颗ViaSat-2高通量通信卫星，竟然其单位带宽成本会低至传统卫星的1-2%。

如今世界上通常以总容量10Gbps为高通量卫星的门槛。那么，高通量卫星何以达到如此的进步？关键因素就两点：1、采用Ka频段；2、采用先进的多波束天线。示意图如下：

Ka频段：下行：17.7GHz—21.2GHz

              上行：27.5GHz—31.0GHz

              圆极化，收发正交。

绝对带宽从传统通信卫星的0.5GHz提高到了3.5GHz。再加上多波束天线带来的增益和频率复用，提高百倍容量就可以实现了。这与5G的思路类似，但是如此复杂庞大的天线其研发、制造、发射和控制的难度远比5G大得多。

高通量卫星会带来新的应用优势如下：

中国的首颗高通量通信卫星是采用自己的东方红四号卫星平台的实践十三号（中星16），目前已经投入使用。中星16的通信总容量20Gbps，刚过高通量卫星门槛不多。2020年1月5日，长征五号遥三运载火箭搭载的实践二十号卫星成功定点在地球同步轨道，实践二十号卫星采用的中国最新的东方红五号卫星平台，报道说它是目前我国研制的地球同步轨道发射重量最重的卫星，没有报道其通信总容量，估计会大于20Gbps，但是肯定还与ViaSat-2的300Gbps相差极远。

在高通量卫星条件下诞生的新一代VSAT将又一次完成卫星通信领域的“洗牌”，比如休斯公司的JUPITER系统：

除了ViaSat公司，老牌的HUGHES公司也不逊色：

读者朋友们不要忘记，美军应用的卫星通信技术一直是远远高于民用领域的。比如公开报道的美军“先进极高频（AEHF）”通信卫星系统。AEHF通信卫星由洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin Space Systems Company，简称LMT）研制，又名“第三代军事星”，是最新一代美国军用通信卫星。2010年8月14日，第一颗AEHF卫星由“宇宙神”-5运载火箭搭载，在卡纳维拉尔角航天发射中心升空。2012年5月和2014年9月，第二、第三颗AEHF卫星依次发射升空。发射质量约6600千克，入轨质量4100千克。AEHF采用了相控阵天线和波束成形网络、毫米波单元和电离子发动机推进系统等等一系列先进技术：

北京时间2020年3月27日凌晨4:18，宇宙神5号火箭从卡纳维拉尔角点火，将AEHF星座的最后一颗卫星AEHF-6发射升空。

上面AEHF卫星照片中有一张图片，作者看像相控阵天线，放大如下，也不知道真假：

最后，作者不得不说说洛马公司的软件定义卫星——SmartSat。一颗同步轨道卫星，如今的寿命会超过10年，在这么长的时间里面，随着应用需求的变化，卫星会像变形金刚一般地在软件控制下“变身”：可以根据任务变化改变卫星天线的波束覆盖；可以响应用户需求改变频率带宽；可以改变数字信号处理；采用柔性结构，既可以缩小到立方体卫星。又可以放大到目标卫星；采用通用架构，以缩短构建时间。多么不可思议的设想！

作者在这里要提醒读者朋友们，我们追赶世界先进水平的道路依然很漫长，切不可“夜郎自大”。