VSAT關鍵技術在大渡河流域集控中心的應用

【摘要】 甚小孔徑終端（Very Small Aperture Terminal）衛(wèi)星通信系統(tǒng)在以其微型化、速率高、建設快等優(yōu)點已逐步成為建立電力系統(tǒng)應急通信網(wǎng)的最佳選擇。文中以大渡河流域衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)為例，介紹了大渡河流域衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構和業(yè)務數(shù)據(jù)，闡述了VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)關鍵技術在大渡河流域集控中心的成功應用，為今后進一步擴大VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用提供了積極的參考。

【關鍵詞】 甚小孔徑終端 衛(wèi)星通信 電力系統(tǒng) 應急通信系統(tǒng)

甚小孔徑終端[1，2]（VSAT，Very Small Aperture Terminal）衛(wèi)星通信系統(tǒng)以其微型化、速率高、建設快等優(yōu)點已逐步成為電力系統(tǒng)行業(yè)中應急通信網(wǎng)的最佳選擇。文中以大渡河流域衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)為例，介紹了大渡河流域衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構和業(yè)務數(shù)據(jù)，闡述了VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)部分關鍵技術在大渡河集控中心的成功應用。

一、VSAT衛(wèi)星通信體制

目前VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)常見的體制有3種，分別是單路單載波[3]、單路單載波/按需分配多址[4]和時分復用/時分多址接入[5]。

SCPC和SCPC/DAMA實際上都是傳統(tǒng)的FDMA分配方式，在頻域上每路載波互相分離，每個遠端站均獨享1路載波。SCPC/DAMA在SCPC基礎之上引入了DAMA技術，使得每個遠端站可以做到按需享用衛(wèi)星容量，提高頻帶資源利用率，但同時增加了網(wǎng)絡管理的難度。SCPC與SCPC/DAMA系統(tǒng)優(yōu)點是線路延時小、線路專用；缺點是頻帶資源利用率相對較低，靈活性較差，只適用于業(yè)務量相對穩(wěn)定的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，不適合突發(fā)性業(yè)務的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡。

TDM/TDMA體制。TDM/TDMA系統(tǒng)在中心站至遠端站的下行通信方向上只有1個TDM廣播載波包，每個遠端站使用TDM技術從這個TDM廣播載波包中解析出各自站的數(shù)據(jù)。在遠端站至中心站的上行方向上，傳統(tǒng)的S-Aloha TDM/TDMA系統(tǒng)所有遠端站采用TDMA技術，在每個時隙上以競爭的方式發(fā)送TDMA載波，如果發(fā)生時隙碰撞則重發(fā)，以此來保證通信成功。最新的TDM/D-TDMA系統(tǒng)采用D-TDMA（決定性TDMA），帶寬利用率比傳統(tǒng)的S-Aloha提高了3倍，其決定性的TDMA機制使系統(tǒng)能夠快速響應遠端站的通信需求，對每個遠端站做到了按需分配帶寬，適合遠端站突發(fā)性業(yè)務需求，使得整個衛(wèi)星頻帶資源得到最高效的使用。

二、大渡河衛(wèi)星通信系統(tǒng)結構

2.1 衛(wèi)星體制

大渡河流域衛(wèi)星通信系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)主要是中心站（集控中心）與遠端站（各流域梯級水電站）之間一些突發(fā)的通信業(yè)務，各遠端站之間幾乎無數(shù)據(jù)交互，通信類型呈星型通信網(wǎng)絡結構。綜合考慮信道帶寬利用率、系統(tǒng)靈活性以及今后遠端站擴容等因素，大渡河流域衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)采用TDM/D-TDMA衛(wèi)星傳輸體制。

2.2 帶寬需求

中心站（集控中心）與遠端站（各流域梯級水電站）的應急通信業(yè)務主要是監(jiān)控系統(tǒng)IEC104數(shù)據(jù)（遙控、遙調、遙信）業(yè)務和VOIP衛(wèi)星應急電話語音業(yè)務。經(jīng)過測試每個遠端站配置128kbit/s帶寬即可滿足需求。系統(tǒng)實際租用衛(wèi)星為中星5A，軌道位置為東經(jīng)87.5度，KU轉發(fā)器為24個（16x36MHz，8x72MHz）；租用頻譜帶寬為1MHz，上行、下行各500KHz，換算成信息傳輸速率后上行、下行各約為600kbit/s。

2.3 中心站網(wǎng)絡結構

系統(tǒng)由1個中心站（集控中心）、4個遠端站（瀑布溝電站、深溪溝電站、龔嘴電站、銅街子電站）和1個移動便攜式衛(wèi)星小站組成。遠端站將來可擴容至20個站，可覆蓋全流域各梯級電站。按照電力二次系統(tǒng)安全防護分區(qū)，為實現(xiàn)不同業(yè)務數(shù)據(jù)之間分區(qū)隔離，中心站與遠端站均劃分3個VLAN。為保證中心站的可靠性，中心站側的重要設備：上變頻功率放大器（BUC）、低噪聲下變頻器（LNB）、衛(wèi)星調制解調器（MiniHub）均采用1+1熱備配置，中心站網(wǎng)絡結構如圖1所示。

三、業(yè)務數(shù)據(jù)應用

3.1 業(yè)務數(shù)據(jù)網(wǎng)絡結構

業(yè)務數(shù)據(jù)包括計算機監(jiān)控系統(tǒng)IEC104數(shù)據(jù)（遙控、遙調、遙信）業(yè)務和VOIP衛(wèi)星應急電話語音業(yè)務。集控中心監(jiān)控系統(tǒng)接入交換機與電站監(jiān)控系統(tǒng)接入交換機通過衛(wèi)星通道連接，實現(xiàn)IEC104數(shù)據(jù)的衛(wèi)星通道傳輸功能，IEC104數(shù)據(jù)在衛(wèi)星系統(tǒng)中的網(wǎng)段為VLAN10。集控中心電話程控交換機通過衛(wèi)星通道將VOIP電話部署到電站中控室，實現(xiàn)衛(wèi)星電話功能， VOIP衛(wèi)星電話網(wǎng)段為VLAN20，系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)網(wǎng)絡結構如圖2所示：

3.2 出/入向載波關鍵技術

目前系統(tǒng)由于只有4個遠端站和1個移動小站，因此系統(tǒng)載波由1個下行TDM載波和1個D-TDMA（確定性時分多址）入向載波組成。一個上行載波能支持的遠端站數(shù)目取決于實際通信業(yè)務需求和載波大小，隨著新建的16遠端站陸續(xù)接入，今后可以配置成多個D-TDMA上行載波。系統(tǒng)在下/上行載波進行了IP應用優(yōu)化，實現(xiàn)了TCP/IP加速和加密。下行載波為TDM技術的一個高效廣播包，以最佳的方式對數(shù)據(jù)包進行分址、排序和傳輸，每個遠端站都分配一個唯一的ID號，廣播數(shù)據(jù)流用相應的ID號進行編碼，廣播包中的所有數(shù)據(jù)都能準確地被遠端站接收。為了獲得了最大衛(wèi)星空間資源利用率，下行載波利用高效、簡潔的HDLC幀結構來封裝完整的IP包，從而避免了在衛(wèi)星側拆數(shù)據(jù)包的工作。上行載波被劃分為12個時隙（time-slot），每個遠端站在上行載波上被賦以一個最小的承諾信息速率（CIR值）以實現(xiàn)帶寬共享，使所有遠端站能夠高效地共享有限的帶寬資源。中心站BUC功率為16W，遠端站BUC功率為8W，BUC本振頻率為13050MHz，LNB本振頻率為11300 MHz。上行載波（Upstream Carrier）與下行載波（Downstream Carrier）各項配置參數(shù)如表1所示：

3.3 業(yè)務數(shù)據(jù)流量分析

系統(tǒng)根據(jù)每個遠端站預先制定的Qos策略和實際通信業(yè)務需求來分配相應的衛(wèi)星帶寬。系統(tǒng)以每秒8次的速度實時調整每個遠端站的帶寬分配，非常適合本系統(tǒng)突發(fā)性的TCP/IP業(yè)務的網(wǎng)絡應用。由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)是備用的應急通信系統(tǒng)，因此正常情況下無業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸，只有很少一部分系統(tǒng)Qos鏈路管理數(shù)據(jù)傳輸，因此在入向載波上的12個時隙（time-slot）中，每個遠端站只占用了1個時隙，大部分時隙處于空閑狀態(tài)，時隙使用情況如圖（3）所示，2/3的時隙處于空閑狀態(tài)，工作時隙只有1/3（紅色部分）。

系統(tǒng)入向載波流量數(shù)據(jù)監(jiān)視圖如圖（4）所示，在入向載波上Qos鏈路等管理數(shù)據(jù)流量很低，大約為4～5kbps，單個遠端站IEC104數(shù)據(jù)與VOIP語音等應用數(shù)據(jù)啟用后，流量大約為60kbps，系統(tǒng)入向載波配置的帶寬為634.57 kbps足夠4個遠端站和1個移動站使用。

四、結束語

大渡河流域衛(wèi)星通信系統(tǒng)自投運以來，作為地面光纖通信的重要補充，為大渡河集控中心與流域各梯級水電站之間提供了穩(wěn)定、可靠性的應急通信電路，滿足了集控中心對通信通道高可靠性需求。文中以大渡河流域衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)為例，介紹了大渡河流域衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構和業(yè)務數(shù)據(jù)，詳細闡述了VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)關鍵技術在大渡河集控中心的成功應用，為今后進一步擴大VSAT衛(wèi)星通信在電力系統(tǒng)中應用提供了積極的參考。

參 考 文 獻

[1] FELIX L.E.M， PONTES M. S . Unavailability due to rain of VSAT networks operating in Ka and Ku bands in Brazi. International Journal of Satellite Communications and Networking，2006，24（3）

[2] 高毫林，黃炎，張白愚. VSAT衛(wèi)星信號中的郵件數(shù)據(jù)分析與提取. 通信技術，2008，41（5）

[3] 方華，丁科，續(xù)欣. SCPC/DAMA衛(wèi)星地球站軟件設計與實現(xiàn). 通信技術，2010，43（12）

[4] 王婧婧，趙艷秋，陳越新. VSAT網(wǎng)絡實時拓撲結構與通聯(lián)分析模型. 電視技術，2012，36（9）

[5] 薛冰，劉雪峰，姜韜. TDM/TDMA在點對多點無線局域網(wǎng)中的應用. 無線電工程，2008，38（6）