VSAT接入技术的商业模式案例分析

　[摘要] Intelsat公司是全球最著名和最早开发利用VSAT技术的卫星运营商之一。因其影响力，该公司VSAT的技术和规格成为有影响的商业模式。卫星容量接入协议(又称卫星多址协议)、网络接入协议和用户数据协议是VSAT网络重要的三层协议。而前两种协议又被人们认为是VSAT网络的关键技术。

　　[关键词] Intelsat VSAT 技术

　　甚小口径终端(VSAT)是一种微型地面站，它使用卫星通信领域的最新研究成果来让用户接入稳定的卫星通信。VSAT系统为用户提供与大型网关和地面普通电缆网络相媲美而价格要低许多的业务。一个典型的VSAT系统由通信设备和直径小于3.5米的小天线组成。

　　1.VSAT技术概述

　　VSAT网络为用户提供简单的设备，只需要最小程度的安装与维修，容易操作和便于故障处理。一套典型VSAT的安装由天线、室外设备(ODU)、接口连接电缆(IFL)和室内设备(IDU)组成。天线和室外设备提供了射频转换及卫星上、下行链路的放大功能。室外设备常被称为接收机，它包括了上变频器(U/Cs)、固态功率放大器(SSPA)、低噪声放大器(LNA)，以及下变频器(D/C)。室内设备提供了所需承载用户业务的接口。每套VSAT所需的电源功率不高，有时甚至是太阳能电源。因其简单，每套VSAT的安装仅需数个小时，便为业务做好了准备。

　　1.1.VSAT的地面设备

　　VSAT的终端一般是网络的一部分，并有一个较大的地球站作为网络的“主站”(hub)。主站含有控制网络操作、配置和流量的信息，主站也记录每个VSAT终端的性能、状态和交互水平。主站通常位于网络或终端产生大流量的地方。

　　一个主站由射频设备、VSAT接口设备和用户接口设备组成。射频设备包括天线、低噪声放大器、固态功率放大器和变频器。主站的射频设备可封装在室外设备中，以降低传输线路的损耗。如果需要求高稳定性，那么还需要室内备份设备和转换设备。

　　VSAT的接口设备控制和管理着网络的运行，由调制器、解调器、带宽处理器组成，用户的带宽设备连接VSAT网络信号至用户的地面设备。

　　1.2.VSAT的优点

　　使用Intelsat系统提供的VSAT技术，提供高效、业务灵活、高度稳定、不受距离影响、高流量容量，以及强大的寻路功能。依据效率和质量，VSAT网络所获得的性能超过了地面普通电缆网络的性能。目前卫星链路典型的效率指数超过了99.9%。VSAT网络的总体效率达99.6%至99.7%，误码率(BER)性能优于千万分之一比特。

　　1.3.VSAT的接入协议

　　在VSAT网络的执行过程中，必须考虑3层不同的协议：卫星接入协议(又称卫星多址协议)、网络接入协议和用户数据协议。网络的性能直接受所使用协议的影响。为了特殊的应用和降低卫星所需带宽，一个好的网络的设计应使用能完成最高网络性能的协议。

　　2.卫星容量接入协议

　　2.1卫星带宽分割方式

　　卫星接入协议说明了多个VSAT分享卫星带宽的方式。对于多用户，仅有三种技术来分割卫星带宽：频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。

　　FDMA是VSAT最简单的多址技术，允许网络的每个载波使用不同的频率分配来分享卫星容量。正如图1-a所描述的，VSAT终端利用各自不同频率的传输载波分享固定容量。这些载波并不需要相同的功率和带宽，但其总量必须在分配的容量内。

　　TDMA是第二种多址技术，允许用户以时间分割的方式接入分配容量。每个VSAT在一组时隙内以突发方式传输。一旦分配的突发时间完成了，VSAT将停止其发射并让出容量给其它VSAT。如图1-b所示，在任一时间里，整个分配带宽和功率都由一个用户所利用。

　　CDMA是第三种接入技术，所有的VSAT同时以相同的分配频率、带宽和功率发送。在CDMA方式，一个伪随机序列将原始信号编成在一个较大带宽上。接收设备将存贮在其内存的原始解码序列与该伪随机序列相互作用，从而还原原始信号。

　　图1 卫星容量接入技术的基本形式

　　2.2.卫星容量分配方式

　　卫星网络接入协议通常使用某种通信控制来组合两种卫星容量接入技术。大多数VSAT终端携带稀通信量，对于它们来说，固定分配容量方式的效率不高。如使用网络接入协议，其效率将得到改善。网络接入协议根据通信量的要求对特定的终端安排容量。容量由VSAT申请，并由主站的网络控制器以按需、随机、固定的方式分配。

　　按需分配协议：VSAT发射前要求主站动态地提前分配容量、时隙或载波。这一过程暗示了较慢的初始化响应时间，但数据通信量转发时效率却非常高。

　　随机分配协议：每个VSAT发射自己信号的同时从自己的一个数据端接收信号。这种模式提供了非常短的响应时间，但防止过载的载波通信控制能力却有限。

　　固定分配协议：VSAT的固定分配协议占了卫星容量的一部分。在此情况下，载波速率限制了VSAT能承载的通信量。然而，当VSAT的载波没有使用时，容量就浪费了。

　　3.卫星网络接入协议

　　一般与按需分配、随机分配和固定分配结合的有两种卫星接入协议，以此改善多址接入的效率。它们是时分多路/时分多址(TDM/TDMA)和每载波单信道/按需分配多址(SCPC/DAMA)。TDM/TDMA使用固定的TDM载波承载从主站传输信息到VSAT的出站通信量。TDM/TDMA和SCPC/DAMA以不同的效率来控制话音和数据，两者均能以固定和按需分配方式运行，但只有TDM/TDMA能随机地接入卫星。

　　图2 典型的多址协议

　　3.1.TDM/TDMA网络

　　TDM/TDMA非常有效率，可应用于许多交互数据实践中。数据在利用此协议传输前，必须要分组打包。每个分组包括有VSAT网络域中确认数据终端的地址。无论是VSAT还是主站，接收者在成功地收到任一分组后，都要发送确认。如果噪声、冲突或其它影响损害了分组，那么这种方式就会防止损害分组到达目的地。在这种情况，接收者不会发出确认(ACK)，而同一分组将在一个随机时延内重发。确认机制保证了正确的交付，并使数据传输简单化。

　　主站至VSAT链路：外向载波(Outbound Carrier)是单一载波，是不同用户的所有分组的多址复用的结果，并指导它们到达网络中不同的VSAT。多址复用于连接至用户主计算机的前端处理器(FEP)处获得。每个VSAT受外向载波整个流量的影响，但每个VSAT仅只解码包括有控制信息或地址指向其地面设备的通信分组。

　　VSAT至主站链路：根据网络的大小，一条或数条内向载波(Inbound Carrier)从VSAT转移通信量至主站。如果VSAT要与另一VSAT通信，它首先将信息传至主站，主站再将分组中继至其它VSAT，因此需要双跳。

　　TDM/TDMA协议网络的接入协议由VSAT至主站的内向链路完成。这些协议大部分被普遍称为“随机”或“争用”的协议来使用。这些协议是随机的，这是因为VSAT传输时没有中心控制来决定。这种中心控制的缺失，使网络中的VSAT内向载波的容量为争用而开放。

　　每个VSAT随机地以分组方式传输数据，并与其它VSAT争用内向载波的容量。典型的争用协议有Aloha、时隙Aloha(Slotted Aloha)、选择拒绝Aloha(SREJ-Aloha，或S-Aloha)，以及Slotted Aloha预分配接入的按需分配TDMA(DA-TDMA)。

　　3.1.1.Aloha

　　Aloha是最早的争用技术，并按以下方式操作。无论何时有数据要发送，必须建立分组并传输。VSAT等待主站发来的ACK。如果一切均顺利进行，ACK将在环路2倍延迟的时间内收到。然而，如果另一VSAT同时也在发送一分组，就会造成冲突。主站只是简单地不理会已坏分组，也不发送ACK。当VSAT没收到ACK时，它在一个随机的延迟后重新发送分组。经过数次尝试失败后，它将通过数据终端站证实数据信道是否故障。

　　Aloha的一个优点是只要分享接入的信道在流量低于18%的时候运行，其反应速度就会很快(见图3)。这种性能的降低常因冲突和丢失的分组(图3-a中的MSG2和3)而发生，因为上述情况要求分组在同一信道使用新分组重发。重新发送的分组造成额外的分组负担。

　　图3 多址协议的运作

　3.1.2.时隙Aloha

　　时隙Aloha通过在内向载波中嵌入回归时隙的方法，改善了流量效率和降低了冲突的可能性。每个VSAT从外向载波中重新建立时隙，并覆盖以前的时间信息。如此一来，每个VSAT便与主站的时钟同步。这种同步在循环中并不命令任何VSAT发送信息，而是定义大块时隙。在这种时隙的环境中，每个VSAT都建立有固定长度的分组。VSAT将只在一个时隙的启动时开始发送。数据终端设备(DTE)交付信息流给VSAT，VSAT将固定长度的分组集合在一起。VSAT在下一个时隙开始前，在缓冲区存贮其分组的发送(见图3-b)。嵌入时隙的方法降低了分组冲突的可能性，S-Aloha是纯粹Aloha方式最大载波流量的2倍，达到36%左右(参见图5)。

　　3.1.3.选择拒绝Aloha

　　选择拒绝Aloha是一种非复归的随机接入协议。它不需要同步便可获得几乎与时隙Aloha相同的流量(参见图4)。选择拒绝Aloha将一个分组格式化为二级分组。每个二级分组有自己的分组头、采集报头和分组尾。该协议导致了异步系统中的大多数冲突的分组产生重叠，因此实际上只有产生冲突的二级分组被重发。选择拒绝Aloha的流量范围为30%，并在不同长度的信息设计中工作良好。

　　3.1.4.DA-TDMA

　　DA-TDMA是时隙Aloha和选择拒绝Aloha的一种更复杂的变种。根据分组的规格，采用两层次接入方式。在第一层次中，当从数据终端设备(DTE)至VSAT设备的信息在一个分组，并且在内向载波时隙规格内，其网络便以时隙Aloha方式运行。在第二层次中，当从DTE出来的信息足够长，VSAT准备好包括要求容量预订信息区的分组，VSAT使用时隙Aloha将此分组发往主站，主站成功地接收后，主站带宽处理器(HBP)为申请的VSAT分配数个时隙。主站然后将为此用户拨出的时隙和载波通知网络中的所有VSAT，其它VSAT 将不争用预订期间的容量。这一步骤允许VSAT以不冲突的方式发送(见图4)，余下的VSAT使用其它内向载波和时隙。DA-TDMA的优点是高流量和低延迟，其性能甚至在高流量信号载荷条件下也有保证。

　　图4 DA-TDMA的运作

　　许多制造商在DA-TDMA协议的容量规格方面有稍许变化，以固定方式分配给VSAT网络以TDMA方式运行。这种固定容量因改善了载波效率和响应时间而改善了网络性能。主站也为S-Aloha运行方式预留了一定的容量，这个预留容量将以缓冲区的方式运营，以防止VSAT终端在其固定分配的基础上要求更多的容量。此种安排通过降低 冲突问题改善了效率。如果终端用户仅只是以短分组的方式进行交互应用，那么固定分配方式就能满足其需要。然而，一旦应用中有更多要求和数据速率需要提高，VSAT就将要求更多的容量，主站将从预留的S-Aloha时隙中分配容量。这种方式以按需预订方式保证了快速响应和高流量。DA-TDMA是VSAT接入方式应用最广泛的方式之一。

　　图5 接入协议效率比效

　　3.1.5.性能比较

　　最大流量和最小时延是选择网络多路接入方式的重要特性。现代网络合并了上述所有协议来保证提供给终端用户最合适的技术。这一功能允许网络建立封闭用户群(CUGs)，每个群能使用不同应用和协议而不干扰网络的其余部分。表1简要表明了上述四种协议的性能。

表1 协议接入技术的性能比较

　　3.2.SCPC/DAMA网络

　　按需分配多址(DAMA)是一种允许每个信道使用一个载波的多址协议，与每载波单信道(SCPC)对等的方式来建立链接(参见图6)。此类网络通常主要用于话音线路。一个SCPC/DAMA网络由以下三部分组成：网络管理和控制；主站的通信终端；VSAT的通信终端。网络管控中心(NM&C)负责网络操作，为每个线路分配卫星资源，通过控制线路下载信道配置，为收费记录通话记录。

　3.2.1.控制呼叫的过程

　　当一个话音信道在链路上申请线路时，VSAT将证实主站的确认并数字拨号。DAMA网络控制器(NCC)确定主叫电话并通过拨号数字确认被叫电话。如果目的线路占线，NCC以忙音指示主叫电话。如果被叫电话并未占线，NCC将为主叫和被叫电话提供上行和下行频率单元，一旦信道单元(CUs)调制在分配频率上，线路便准备好了。拨号数字会通过卫星线路转至目的电话所在的PSTN执行通话。NCC根据电话中止信息关闭DAMA载波，CUs返回空间状态等待新电话，卫星频率返回公共频率池以备将来使用。

　　DAMA能在星型和网状拓扑结构中运行，一旦链接建立，CUs携带通信量在没有NCC干预的情况下，通过安排好的通信载波。所有终端的DAMA信道单元分享公共的射频电子设备和天线设备。

　　图6 SCPC/DAMA协议的运作

　　3.2.2.SCPD/DAMA的其它特征

　　话音压缩：为了降低带宽需求，SCPC/DAMA系统使用了话音压缩技术。调制解调器压缩算法可在低速率上运作，同时保证良好的话音质量。

　　话音激活：SPPC/DAMA采用话音激活(VOX)技术，它可以在通话停顿时关闭载波，VOX降低了卫星所需功率。在100个或更多信道的池中，VOX提供使用卫星功率的纯粹下降最高可达2.2dB。

　　按需分配数据信道：如果需要，DAMA能提供比话带更高的按需分配的信道。这些信道还可用于数据传输。

　　3.3.VSAT数据通信协议

　　VSAT的应用数据通信协议至少需要三层。例如网络内核、通信网关和用户接口。

　　网络内核包括网络的多址协议，保证卫星接入，以及分组拥塞控制和网络管理等应用功能信息的交付。

　　通信网关协议将用户协议链接至网络内核。网关协议作为分组装配与分装器(PAD)。其功能包括分组寻址、寻路、交换，以及虚拟线路和流控制。PAD的功能是完成信息在内核里的传输。

　　用户接口模拟用户协议，并在接口处中止用户协议，这是卫星数据流量的性能。理论上，一个用户主机能绕过用户接口和PAD功能直接接入内核。然而在实践中，因为卫星延迟，其性能会降低。因此，在这里选择终止用户协议，发挥PAD功能的优势。

　　4. 用户协议

　　VSAT网络通常代替已存在的地面数据网络，将数据终端经过卫星链接至主机。地面网络一般潜力不高，以线路为基础，但对用户主机协议具有先天的透明性。被广泛使用的用户协议包括SNA/SDLC、BISYNC、ASYNC或TCP/IP。VSAT网络具有与生俱来的卫星潜质，结果能在这一环境中最优化地使用上述协议。无论如何，VSAT网络保持了前面所提到的至用户主机协议的透明性。这种透明性是进入VSAT卫星链路前在当地终止了用户协议而获得的(参见图7)，卫星链路然后转换用户数据至一种有效率的卫星协议，该协议保证了正确的交付和最小的时延。

　　图7 典型VSAT网络与地面网络的对比

　　5.系统运作过程

　　设想一个用户序列号为A的数据终端发送数据至其分支机构的B终端。主计算机为A寻路至B终端虚拟地存在其中的VSAT主机的FEP；FEP将至主机的信息分组进行确认，并将确认发至A终端，同时终止用户协议；FEP取下信息，使用自己的卫星协议来组合或格式化；当信息分组准备好时，引导信息至正确的VSAT目的地的地址也已嵌入其中；卫星协议经过外向卫星链路传输分组，并保证数据的完整和正确的交付；所有的VSAT在接收外向载波时，只要一个VSAT检测到含有该地址的分组，IDU就通过内向载波发出确认信息至主站，这个短分组还包含接收分组的序列号；主站根据所接收到的确认数据，了解到分组已正确交付，便消删除缓冲区中的该信息；VSAT完成解分组过程，并结束卫星协议；IDU以事先选取的约定协议来模拟用户协议交付信息给B终端。

　　大多数情况下，卫星协议对制造商来说是专用的。但VSAT网络必须能够模拟当地所有用户协议，而没有必要变更已有设备的配置。VSAT的基带处理器(VBP)和主站的FEP对用户数据协议的处理负责，接口卡一般以软件来完成处理，因此不同的协议要求不同的软件版本，如此一来，VBP应该能够通过卫星信道从主站下载软件的新版本或升级。