VSAT 系統建設的成本分析和優化*

徐 挺，蘭 海，孫 勇，張宏江

（1.老撾亞太衛星有限公司，老撾 萬象 999012；2.重慶兩江衛星移動通信有限公司，重慶 401135；3.航天恒星科技有限公司，北京 100086；4.中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

0 引言

衛星通信作為地面網絡的擴展，可以實現站點間遠距離互聯，為偏遠地區提供數據、互聯網等多媒體接入。衛星通信的實現方式有很多，其中最普遍的是采用VSAT 方式。

本文首先介紹VSAT 系統組成和實現原理，再比較不同的通信網絡、通信體制和多址方式及對應的適用場景，結合衛星轉發器參數分析和星地鏈路計算，確定合適的地面設備規格，然后通過設備類型的優劣比對，實現最佳的設備選型，從而達到降低系統建設成本的最終目的。

1 VSAT 系統

VSAT，又稱甚小口徑終端，指一類具有小口徑天線的地球站，通常可以很方便的安裝在用戶站，與衛星服務商的關口站協同工作，組成一個衛星通信網，能夠支持范圍廣泛的單向或雙向數據、語音、視頻等業務。它具有組網靈活、系統可靠性高、設備成本低、安裝方便、擴容性好、業務開通快等特點，可建立關口站與用戶站間的直達線路，避免了地面中繼線路問題，是作為偏遠地區基站回傳、互聯網接入、遠程教育等應用的一種很好選擇。由于用戶站天線口徑小，發射功率低，因此站點規模和建設成本低，非常適合作為地面光纖網的補充，進行大規模的站點部署和業務覆蓋。

2 網絡類型及選擇

VSAT 通信網是一個由多個通信站點組成的可實現相互間通信的網絡，它可以根據不同的業務需求進行組網，從而搭建出一個靈活易擴展的通信網絡。通常根據其拓撲結構可分為星狀網（Star）、網狀網（Mesh）和混合網（Hybrid）三種，分別適用于不同的場景。

2.1 星狀網

星狀網是最常用的網絡，通常有一個中心站提供業務匯聚和全網控制功能，各遠端站都同中心站通信，組成星狀拓撲結構。遠端站僅與中心站單跳互通，若遠端站間有數據通信則需要中心站中繼轉發通過衛星雙跳實現。星狀網邏輯圖如圖1 所示。

圖1 星狀網邏輯

2.2 網狀網

網狀網是無中心的分散的網絡結構，各遠端站間通過單跳直接通信，無需經中心站中繼，因此通信時延較比星狀網縮減一半。但一般會存在一個主控站，對全網進行時鐘同步和監控管理。主控站可以是各遠端站的其中一個或幾個，甚至所有遠端站都作為主控站，因此網狀網的通信具有高靈活度、高可靠度和抗毀性。網狀網邏輯圖如圖2 所示。

圖2 網狀網邏輯

2.3 混合網

混合網是星狀網和網狀網的混合體，通常是由一個網狀網裁減而來，可形成多中心站星狀網、樹狀網、格狀網、星座狀網等各種拓撲結構的網絡，并且可以根據應用場景靈活切換[1]。業務量大的站點可直接與中心站單跳通信，部分站點間通信也可通過單跳完成，同樣具有一定的靈活度、可靠度和抗毀性。網狀網邏輯圖如圖3 所示。

圖3 混合網邏輯

2.4 網絡選擇分析

建設VSAT 系統需要根據應用場景選擇最合適的網絡。站點數較多、業務流量較大、站點間通信較少的場景，星狀網是很好的選擇，因為星狀網中只有一個中心站，其天線口徑和功放規格配置高，則遠端站采用小口徑天線和小功率功放即可滿足與中心站的通信鏈路要求。但由于中心站唯一，整個網絡存在單點故障的風險，如果再投資建設備份站，則整體成本投入又會大幅提高[2]。當站點數較少、站點間存在大量通信、業務對時延要求較高且要求網絡具有多點備份時，可以考慮選擇網狀網，此時各站點的天線口徑和功放規格都要相應提高才能滿足通信鏈路要求。而當部分站點需要高業務流量、部分站點間需要相互通信，且網絡拓撲經常變換的場景，可以考慮選擇混合網，此時需要對中心站和個別遠端站進行較大成本投資，其他遠端站可以低成本投資，以建成一個可滿足業務要求的混合網。三種VSAT 網絡的特征和應用場景如表1 所示。

表1 VSAT 網絡特征

在選擇VSAT 網絡時，需要根據實際的應用場景，預估未來的網絡規模和業務情況，綜合衡量比較各網絡的整體投資建設成本，從而選擇最合適的VSAT 網絡。

3 多址方式及選擇

多址方式指的是多個遠端站通過共用的衛星信道同時建立各自通信信道的一種方式，大大提高了衛星通信鏈路的利用率和通信連接的靈活性。目前常用的VSAT 多址方式有四種：FDMA/SCPC、TDM/SCPC、TDM/TDMA 和純TDMA。

3.1 FDMA/SCPC

頻分多址/單路單載波（FDMA/SCPC）中，每個載波獨占一段頻段。每條通信鏈路的建立都通過位于兩通信站點的終端間通信來實現，其信道帶寬都是固定分配且獨占的，無論該站點的業務量如何變化，帶寬始終固定不變。由于載波連續而不存在全網同步的問題，因此通信時延低、抖動小、技術成熟、實現簡單。但是由于帶寬固定不變，當業務量大時可能會存在網絡擁塞，當業務量小時又造成帶寬資源浪費的情況。

3.2 TDM/SCPC

時分復用/單路單載波（TDM/SCPC）通常適用于星狀網，配備有一個中心站，各遠端站同中心站單跳通信，或通過中心站中繼雙跳實現站點間通信。在該系統中，通信鏈路被分為兩部分：中心站至遠端站的叫出境信道、遠端站至中心站的叫入境信道。其中，出境信道采用TDM 方式發送一個連續的TDM 載波，其信道帶寬固定分配并供所有遠端站共享。入境信道采用SCPC 方式，各遠端站發送各自連續的SCPC 載波，每個入境信道占用某一固定頻帶，帶寬固定分配且獨占的。在TDM/SCPC方式中，同樣不存在全網同步的問題，時延抖動性能好，并且實現了出境信道共享，提高了信道利用率，但由于入境信道仍然獨享，依舊可能存在網絡擁塞或帶寬資源浪費的情況。

3.3 TDM/TDMA

時分復用/時分多址接入（TDM/TDMA）跟TDM/SCPC 原理相似，同樣將通信鏈路分為出境信道和入境信道，且出境信道采用TDM 方式。不同之處在于入境信道采用TDMA 方式，各站被分配在一個預分配好的時隙內發送TDMA 突發載波至同一信道中。由于載波頻率相同的，要求每個站的突發載波在時間上不重疊。因此中心站需要周期性的下發時間同步信號對所有小站實現全網同步，以確保每個站都能在指定時隙內發送載波而不干擾到其他站。TDM/TDMA 實現了出境和入境雙向信道各自的共享，信道利用率進一步提升[3]。

3.4 純TDMA

時分復用多址（TDMA）是一個天然的網狀網，不存在中心站和遠端站之分，也不存在出境和入境信道之分，所有站點共享同一信道，按預分配在指定時隙發射自己的TDMA 突發載波。TDMA 同樣需要一或多個主控站進行監控管理和全網同步，以確保每個站都能在指定時隙發射載波而不干擾到其他站。TDMA 實現了真正意義上的全網共享，充分的利用了帶寬資源。

3.5 多址方式選擇分析

在FDMA/SCPC 中，n 條通信鏈路需要的modem數量為2n 臺，通常SCPC modem 的價格較高，不利于大規模部署。當一個站點需要與多個站點建立通信鏈路，該站點需要部署多臺modem，發射多個SCPC 連續載波，為了避免功放工作在非線性狀態而導致載波間互調干擾，需要進行功率回退，導致功放的功率規格要求很大且功率效率很低。因此FDMA/SCPC 適用于站點數少、站點間業務流量大、通信時延和抖動要求高的應用場景。

在TDM/SCPC 中，配置有一個中心站進行流量中繼和轉發。中心站通常配備有較大口徑天線和較高功率功放，因此遠端站的天線口徑和功放規格要求相應降低。由于中心站至遠端站采用TDM 方式，出境載波的發射僅需配置一臺SCPC modem 來完成，因此無需對功放進行功率回退。而針對各遠端站至中心站的多個入境載波的解調，則通過配置一臺或多臺多通道接收機來完成。各遠端站部署一臺SCPC modem 完成入境載波的調制和出境載波的解調。因此，若接收機為4 通道，當有n 個遠端站時，全網所需設備數量為n+1 臺modem 和n/4 臺多通道接收機。由于SCPC modem 的價格較高，同樣不適合大規模部署。因此，TDM/SCPC適用于站點數較少、各點流量較大、站間通信少的應用場景。

在TDM/TDMA 中，同樣配置有一個大天線口徑和高功率功放的中心站，遠端站規格相應降低。由于中心站還負責監控管理、全網同步、路由策略等功能，因此需要配備一套HUB 基帶系統來實現。出境TDM 載波由調制模塊完成，入境TDMA載波由多載波解調模塊完成，而遠端站僅需配置一臺remote modem 完成對入境載波的調制和出境載波的解調。因此，當有n 個遠端站時，全網所需的設備數量為1 臺HUB 基帶系統和n 臺remote modem。由于HUB 基帶系統價格十分昂貴，而remote modem 價格相比SCPC modem 卻便宜很多，因此需要大量的站點數來平攤中心站的投資成本。TDM/TDMA 適用于站點數很多、各點流量較少、站間通信少的應用場景。

在TDMA 中，站點間通信通過單跳完成，因此需要的天線口徑和功放規格都較大。由于全網共享信道，支持的業務流量較低。各站點配置有1 臺TDMA modem，調制并解調信道中的TDMA 突發載波。當有n 個站點時，全網所需的設備數量為n 臺TDMA modem。通常此類modem 是通用硬件結構，通過序列碼等方式提供主控站功能的授權。根據需求，可將全網配置成一個或多個主控站，當然授權費和投資成本也不同[4]。由于TDMA modem 和其授權費價格較高、全網支持的業務流量較少，因此TDMA 適用于站點數較少、站間通信頻繁、網絡拓撲更換頻繁、靈活度高的特殊應用場景。

四種多址方式的特征和應用場景如表2 所示。

表2 VSAT 多址方式

在選擇多址方式時，需要評估現網規模、預估后期網絡規模，計算一次成本投資和后續擴容成本，綜合衡量比較，從而選擇最合適的多址方式。

4 站點組成及選型

4.1 設備組成

一個VSAT 站設備由兩部分組成：室內單元（IDU）和室外單元（ODU）。其中，室外單元包括收發天線、功率放大器和低噪聲放大器，室內單元包括基帶系統和應用終端。設備組成如圖4 所示。

圖4 設備組成圖

同

4.2 天線選型

VSAT 站收發天線通常有兩類：正饋天線和偏饋天線，其中正饋天線又分為前饋型和后饋型，后饋型天線中，凱瑟格倫型和格里高利型天線口徑尺寸大，通常在6.2 米以上，一般安裝在中心站，以提高較大的信號發射和接收能力，從而降低遠端站的天線和功放規格。后饋模式能有效保護饋源受日曬雨淋，提高饋源的壽命，但由于構造復雜，并配備有伺服電機和跟蹤單元，天線造價也相對較高。環焦天線和偏饋天線口徑通常在4.5 米以下，結構簡單，造價低，無需配置伺服電機和跟蹤單元，可手動調整天線對星，一般安裝在遠端站。環焦天線因為饋源部分安裝在中心體內，可避免受日曬雨淋，但造價方面偏饋天線要高于環焦天線，

天線選擇方面，從成本角度考慮，在能滿足通信鏈路要求的情況下，遠端站優先考慮采用偏饋天線，而中心站為保證更高的可靠性，可考慮選擇后饋形天線[5]。此外，由于伺服電機和跟蹤單元價格較高，對于C 波段6 米以下口徑天線和Ku 波段4.5米以下口徑天線，可以考慮不配備伺服電機和跟蹤單元以降低中心站天線的成本投入，對星精度誤差損耗可以通過基帶部分的功率控制來補償。

4.3 功放選型

高功率放大器（HPA）的作用是將上行鏈路的射頻（RF）信號進行功率放大，它與收發天線共同決定信號的上行發射能力。目前中心站最廣泛使用的HPA 有：固態功率放大器（SSPA）、行波管放大器（TWTA）和速調管放大器（KHPA）。由于它們只有功率放大功能，沒有上變頻功能，需要和上變頻器（U/C）配合使用，先由U/C 將中頻（IF）信號上變頻成RF 信號，再進行功率放大。三種HPA 各有優缺點，KHPA 輸出功率高、效率高、價格低、電源簡單，但帶寬窄，一般用于衛星測控站衛星上行測控使用。TWTA 帶寬大、輸出功率高，但價格高、效率低、電源復雜，是目前中心站使用最多的HPA。SSPA 性能穩定、帶寬較大、體積小、壽命長、電源簡單、價格適中，近年來逐漸有替代TWTA 的趨勢[6]。三種功放的優劣勢如表3 所示。

表3 各功放對比

TWTA 通常和U/C 一起安裝在機房內，并配備有精密空調，溫濕度有保障，不受外界環境影響。但由于機房與天線有一定距離，從TWTA 法蘭口輸出至天線饋源口的路徑較遠，導致其波導的傳輸功率損耗較大，降低了信號的上行能力。近年來隨著L 波段信號的流行以及SSPA 技術的發展，目前大多數SSPA 產品都可內置L 波段上變頻模塊組成SSPB，又稱功放上變頻器（BUC），集成了上變頻和功率放大的功能，單臺設備可替代上變頻器+功放組合使用，且價格遠低于TWTA 和KHPA，因此廣泛使用于遠端站。而且由于其支持L 波段輸入，設備可安裝在室外收發天線近端，大幅縮短了法蘭口至天線饋源口的路徑距離，減少波導傳輸損耗，提高了信號上行能力，因此在各大中心站大放異彩。綜合分析，針對遠端站和中小型中心站，在頻率和功率都滿足的情況下，BUC 是最佳選擇。而對于可靠性要求極高的大型中心站，則可以選擇TWTA+U/C 組合。

4.4 低噪放選型

低噪放的作用是將下行鏈路的RF 信號進行功率放大的同時限制噪聲溫度升高，它與收發天線共同決定信號的下行接收能力。低噪放通常有兩類：低噪聲放大器（LNA）和低噪聲下變頻器（LNB）。

LNA 只有低噪聲功率放大功能，需和下變頻器（D/C）配合使用，先將RF 信號功率放大，再通過D/C 進行下變頻至L 或者IF 信號輸出。通常LNA安裝在天線饋源口，而D/C 安裝在機房內，中間有一定距離，因此LNA 輸出的RF 信號在經過這段傳輸過程中會有較大的功率損耗，降低了下行信號的接收電平。而LNB 集成了低噪聲功率放大和下變頻的功能，單臺設備可替代LNA+D/C 組合使用，且價格也低于單臺LNA，廣泛使用于遠端站[7]。由于LNB 安裝在天線饋源口，下變頻后輸出的是L 波段信號，相比RF 信號在同等距離的傳輸損耗大幅減少，因此在各大中心站也普遍使用。綜合分析，針對遠端站和中小型中心站，LNB 是最佳選擇。而對于大型中心站，需要對下行RF 信號監測以及有相關測試需求的，則可以選擇LNA+D/C 組合。

4.5 基帶系統選型

VSAT 基帶系統根據不同的應用場景以及組網和多址方式，可以有很多選擇。針對FDMA 和TDM/SCPC，基帶系統采用SCPC modem 作為通信終端。由于SCPC modem 價格普遍較高，并且通信體制沒有統一的國際標準，各廠家設計各自的通信體制，需要選擇一款性能最優的產品以提高頻譜利用率。因此需要選擇一款性能最產品選型需要考慮如頻譜效率、解調門限、滾降系數、封裝開銷等性能參數，以及是否支持一些如載波對消CnC、自適應編碼調制ACM、上行功率控制UPC、包頭凈荷壓縮等功能。通過產品性能和價格比對，結合業務運行周期，計算出費用總和。

對于TDM/TDMA，主流應用是星狀網，中心站采用HUB 基帶系統，遠端站采用remote modem。國際上有統一的通信體制標準，通常出境信道采用DVB-S2 標準，入境信道采用DVB-RCS 標準。目前也有不少產品已支持出境信道采用DVB-S2X 標準，入境信道采用DVB-RCS2 標準，相比上一代頻率效率有了大幅提升。系統的信號處理任務大部分都集中在HUB 基帶系統完成，使remote modem 的功能和操作簡單化，同時也降低了其設備尺寸和價格[8]。作為代價，一套HUB 基帶系統的價格卻是非常昂貴，只有整網規模龐大、業務周期長的情況，才能擔負的起單套系統的采購成本。在選型方面，需要考慮設備采購費用、整網規模、帶寬租賃費用等多個因素。由于設備成本投入巨大，需要長期運營來維持，帶寬租賃費用同時又是一大筆開支。因此需要提前預估整網規模，選擇一款性能最優功能最全的產品。通過產品間性能和價格比較，結合業務周期，計算出其費用總和。

對于TDMA，在應用中本身就是一個天然的網狀網，各站點都采用統一的硬件設備，個別站點通過軟件授權開通成為主控點。由于網狀網比較特殊，需要根據實際的使用場景組成適合的VSAT 網。對于中小型專網通信，為節省成本投資，可以考慮開通一至兩個站作為主控點，同時起異地備份的作用。而對于軍事、應急、搶險救災等應用場景，對整網有較高的靈活度和抗毀性要求，此時就要開通所有站作為主控點，當一個主控點失去通信連接，可以第一時間將整網控制功能轉移至其他主站點，充分保障通信可靠，通常這種場景對于設備投資也是不計成本的。

5 衛星選擇

為了滿足通信鏈路的要求，保證信號傳輸的可靠性和系統可用度，在選擇通信衛星作為空間中繼時，需要分析比較不同衛星間的性能差異，包括場強覆蓋能力和轉發器最重要的三個性能參數。從而選擇最具性價比的衛星。

5.1 波束覆蓋的考慮

選擇一個通信衛星，其信號場強覆蓋是第一考慮要素，各站點都在信號波束范圍內才能滿足通信的條件。目前大多數衛星都支持多頻段多波束覆蓋，有全球波束、區域波束、點波束等。全球波束通常用于海事衛星MSS 業務，區域波束通常用于C 波段和Ku 波段的FSS 業務，點波束通常用于Ka 波段的高通量業務，通常采用對同一頻段多色復用以大幅提高通信容量。根據衛星軌位和地球站所在的地理位置，可算出地球站的天線對星角度，通常建議天線對星仰角不低于15 度。當偏離衛星軌位越遠其天線對星仰角越低，信號的空間傳輸路徑越遠，信號衰減越大、引入的地面熱噪聲越大、降雨造成的熱噪聲和去極化效應越大，為保證通信鏈路要求就需要建設更大口徑天線和更高功率功放，增大了成本投入。因此選擇衛星時應盡量保證各站點所在區域離衛星軌位及波束覆蓋范圍中心越近[9]。

5.2 轉發器性能參數考慮

通信衛星轉發器有三個主要的性能參數，分別為：EIRP、G/T、SFD，在做星地鏈路計算和VSAT系統設計中起著關鍵作用。

EIRP，即有效全向輻射功率，表示衛星發射的下行信號強度。在站點所在區域，EIRP 值越大，信號場強越大，地面站接收的信號越強，接收天線口徑可以越小。通常EIRP 場強圖呈等高線形式從波束中心向外逐漸減弱。圖5 為老撾一號衛星C 頻段EIRP 覆蓋圖。

圖5 老撾一號衛星C 頻段EIRP 覆蓋

G/T，即衛星上行信號接收品質因數，指衛星上行信號接收能力。在站點所在區域，G/T 值越強，衛星上行信號接收能力越強，地面站發射天線口徑和功放規格要求越小。同樣的G/T 場強圖呈等高線形式從波束中心向外逐漸減弱。圖6 為老撾一號衛星C 頻段G/T 覆蓋圖。

SFD，即功率飽和通量密度，指上行信號將轉發器輸出功率推至飽和狀態時，衛星天線口面上的功率通量密度。EIRP 和G/T 是衛星設計階段就確定的，而SFD 可通過調節轉發器的線性通道放大器衰減檔而改變[10]。SFD 越敏感，星上的信號放大能力越強，地面站所需的上行功率約小，因此對于地面站天線口徑和功放規格要求越小。但與此同時上行鏈路的載噪比變小，導致整條星地鏈路的通信質量惡化，因此需要綜合衡量選擇。

圖6 老撾一號衛星C 頻段G/T 覆蓋

用戶在選擇衛星時，首先需要對比各衛星的場強覆蓋情況，選擇站點所在區域內EIRP 和G/T 值最強的衛星，再通過星地鏈路計算及同衛星公司協商，在可滿足鏈路可靠性和系統可用度的情況下，將載波所在轉發器的SFD 值適當調整至敏感檔位，以降低地面站上行所需功率，從而降低所需的發射天線口徑和功放規格，減少設備投入成本。

6 通信體制選擇

6.1 通信標準選擇

VSAT 通信有很多標準，其中最普遍的是采用DVB-S 標準，目前已經發展到第三代，分別是DVB-S、DVB-S2、DVB-S2X。其中，DVB-S2 是目前主流的通信標準，它相對于DVB-S 有較大的性能提升，具體體現在載波的頻譜效率大幅提高。目前大多數modem 兩者都兼容。而DVB-S2X 相對于DVB-S2 又有較高的性能提升，具體體現在滾降系數從原0.2 降至最低0.05，調制方式從原32APSK升至最高256APSK 等。此外還有許多廠家在此基礎上自研新標準，但系統構架和原理大多跟DVB-S2相同，例如信道編碼都采用BCH+LDPC，高階調制大多采用APSK 方式，不同之處在于信號復用、封裝、處理等，會有不同的開銷[11]。但同時設備成本也相對較高。目前VSAT 通信普遍采用DVB-S2 通信標準，未來DVB-S2X 等新標準會越來越普遍。圖7 為不同通信體制的頻譜效率對比圖。

圖7 通信體制對比

在選擇通信標準時，優先考慮采用DVB-S2X及性能相似的其它通信標準，其相對高效的頻譜效率可減少同等業務信息速率所需的轉發器帶寬，且隨帶寬租賃周期的增長帶寬租賃費用節省的越明顯。然而由于新標準問世不久，還尚未普及，因此設備的價格相比上一代的會高不少，此外還與上一代體制不兼容。因此，還需結合實際情況和業務周期，計算設備投入費用和帶寬租賃費用，選擇是否采用新一代通信標準的設備。

6.2 MODCOD 選擇

MODCOD 指調制方式(Modulation)和編碼速率(Coding)。MODCOD 越高，載波的頻譜效率越高，相同業務信息速率所需的信道帶寬越小，帶寬租賃費越低。但與此同時，信號解調所需的門限值也越高，地面站需要采用更大口徑天線和更高功率功放以保證鏈路可靠性和系統可用度[12]。因此需要權衡考慮，參考衛星轉發器的性能參數，通過星地鏈路計算，在轉發器功帶平衡的前提下，計算出不同MODCOD 對應頻譜效率、載波帶寬以及所需收發站點的天線口徑、功放規格等參數，結合業務周期，計算出不同MODCOD 下所需的帶寬租賃費和地面設備投入費用，綜合衡量選擇最適合的組合。

通常，若業務信息速率高、需求帶寬量大，且服務周期長，相比一次性的地面設備投入成本，長期節省下來的帶寬租賃費用則更為可觀，此時建議盡可能采用高階MODCOD。而對于已建成的地面站，天線口徑和功放規格都已確定，則需按現有的設備配置做星地鏈路計算，得出所能支持的MODCOD。

7 結語

VSAT 系統建設的成本優化一直都是圍繞著衛星轉發器帶寬和地面系統設備投入開展。然而實際情況往往是地面系統受限而需要租賃大量帶寬，若為了節省帶寬又需要投入更大成本提高地面系統配置，兩者往往無法兼顧。因此本文通過對整個VSAT 系統建設的各個環節展開分析，總結每個環節對成本投入的影響程度和優化措施，力求尋找一個平衡點，使帶寬部分節省的同時地面系統的成本投入在合理范圍，從而以最理想的成本投入建設最具性價比的VSAT 通信系統。