基于VSAT卫星通信技术服务平台的设计与运用

                           

目   录

摘要 II

关键词 II

Abstract III

Key words IV

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究意义 2

1.3国内外研究现状 3

1.3.1 国外研究现状 3

1.3.2 国内研究现状 4

1.4本文主要研究内容 4

第二章 VSAT卫星通信相关技术概述 7

2.1 VSAT通信系统 7

2.2 VSAT卫星网络结构 8

2.3 卫星通信频段 9

2.4 KU频段卫星通信网络介绍 9

2.5 卫星网络通信协议分析 11

第三章 卫星通信市场需求分析 13

3.1 卫星移动通信业务需求 13

3.2 VSAT通信及广播业务需求 14

3.3 应急通信应用领域对卫星资源的需求 15

3.4 卫星国际专线业务需求 16

第四章 基于VSAT卫星通信的通信服务平台设计 18

4.1组网设计 18

4.2 卫星及波段选择与设计 19

4.2.1 波段与卫星的选择 19

4.2.2 波段与卫星的冗余设计 19

4.3 异地地面主站设计 20

4.3.1 地面主站天线 20

4.3.2 地面所用射频系统设计 20

4.3.3 冗余系统设计 21

4.4 地面主站系带系统设计 21

4.4.1 主站基带系统设计 23

4.4.2 远端小站系统设计 26

4.4.3 网络技术及控制管理 27

第五章 VSAT通信系统的应用实例 28

5.1 电力系统电网业务通信需求 28

5.1.1 业务需求 28

5.1.2 通道带宽需求 28

5.2 基于VSAT通信的电网应急管理系统方案 29

5.2.1方案一：利用该省电网公司自建的地面中心站 29

5.2.2 方案二：自建地面中心站 29

5.2.3 两种建设方案比较 30

5.3 应急管理系统组网方式 31

5.4 应急通信业务业务测试 32

5.4.1 固定卫星站性能测试 32

5.4.2 移动通信卫星车性能测试 33

5.4.3 VSAT 卫星通信系统测试遇到的困难 34

第六章 总结与展望 36

参考文献 40

 

第一章 绪论
 

1.1研究背景
 

卫星通信简单地说就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地面站两部分组成。卫星通信的特点是：通信距离远；只要在卫星发射的波束所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信，理论上在卫星与地球的两端切线的夹角范围内的任意两点，都可以通过这颗卫星进行中继，实现卫星通信；这种通信方式不易受陆地灾害的影响，可靠性很高。

中国最早的卫星通信起源于70年代初。1972年初，中国邮电部为了保障美国尼克松总统访华期间的新闻电视转播和与美国本土进行通信的需要，与美国相关的卫星通信公司合作，在北京首都机场附近组建了第一个临时性的卫星通信地面站，当时的卫星通信设备均由美国卫星通信设备公司提供，卫星通信地面站的建设和管理则由中国邮电部负责。尼克松总统访华结束以后，为了国际越洋电话通信和视频传输的需要正式在中国上海建成了中国第一个卫星地面站，即上海卫星通信地面站。1973年，经国家批准，中国邮电部从国外购置了两套大型卫星地面站系统设备，在北京组建了中国联通北京地面站。这样就由上海和北京卫星地面站承担着当时特别繁重的国际通信业务。

在随后的几年中，中国的卫星通信从骨干网话音数据传输，到国际国内广播电视传输，发展很快，中国联通沙河地面站也发展成为在卫星通信领域内规模是最大的，技术手段一直保持与国际先进技术同步的卫星通信运营商；很多重要的通信任务，如每年“两会”的重点通信保障、国家领导人出访的电视转播、境内外媒体的新闻传送、以及奥运会、世界杯等体育赛事的现场直播，都是由中国联通的卫星地面站提供通信保障，中央电视台曾经有六套电视节目都由中国联通的北京地面站上星；中国联通的沙河地面站一度发展成为亚洲规模最大的卫星通信地面站，除了中国联通的北京沙河地面站以外，北京的各部位，行业用户，电视台等单位也纷纷建立自己的地面站，全国一时出现了数百乃至上千个卫星通信地面站，仅仅在北京就云集着几十家卫星通信地面站，卫星通信成为了高新技术、代表现代通信最新成果的技术；然而曾经的辉煌却无法掩盖这样一个事实，随着80年代光纤的大规模发展，以点到点传输为主要方式卫星通信辉煌不再，开始衰落了，并在随后的几年逐渐被边缘化了，整个通信业出现了光纤进、卫星退的局面，在光纤通信大容量、低成本的优势面前，卫星通信几乎毫无招架之力，卫星通信技术成了一种过时的，被淘汰的技术；曾经辉煌一时的卫星通信难道真的不行了，卫星通信重蹈70年代电台通信的覆辙吗？80年代，卫星通信一种新的通信形式出现了------VSAT卫星通信，VSAT卫星通信技术充分利用卫星通信的广播优势，采用点对多点的通信形式，严格的说，VSAT卫星通信把卫星通信由一种传输方式变成了一种接入方式，正是这种转变，使卫星通信得到了新的发展。随着IP技术在VSAT卫星通信领域的应用，在技术层面；随着宽带共享式技术在VSAT卫星通信领域的应用，尤其随着BOD技术在VSAT卫星通信领域的应用，在业务层面，随着VSAT卫星通信由单一业务，发展成为视频、音频、数据等综合业务可以同时进行通信，在这种情况下，卫星通信的春天终于来了，卫星通信将迎来新的旺盛的发展期，出路就是发展VSAT卫星通信。


 

通过对VSAT卫星通信网络的通信原理、技术特点等进行了探讨分析，设计适合运营商运营的VSAT卫星通信网络、以该VSAT卫星通信系统的技术特点和技术能力为基础进行VSAT卫星通信网络的应用实施设计；并对VSAT卫星通信的发展前景做了大胆的展望。#p#分页标题#e#

1.2研究意义
 

海上通信系统是海陆交流的基础保障。在海陆基础通信手段与设施还需进一步健全与完善的现状下，通过VSAT卫星通信网建立海上通信平台，结合海上甚高频（VHF）通信和全球海上遇险安全通信系统（GMDSS）等设备，将海上通信系统进行充分利用和有效结合，形成覆盖范围大、设施优势互补、功能安全可靠、通信价格低廉的海上通信系统将是保障海上人命安全、财产安全和保护海洋环境的重要举措，是增强海员职业幸福感、提升海员职业价值和增加海运社会效益的重要手段。

目前，海洋科考船、钻井平台、海事巡逻船以及部分商船都装设了船载VSAT通信系统，但船上人员对的应用普遍缺乏足够的认知，而各类船员培训院校受限于目前培训要求，普遍未能提供相应培训与研究，使得在海上移动通信应用中普遍存在船舶局域网构建及系统功能利用不充分等问题。为了更好地开发、设计与运用通信系统，本文通过阐述通信原理，科学分析船载VSAT通信链路，系统分析船载功能开发与运用，模拟测试船载系统的安装与调试，并对船载系统进行展望，期待系统能够在海船上得到普及。

1.3国内外研究现状
 

随着全球卫星通信应用的迅速发展，传统的C，Ku卫星通信频带由于带宽受限，己难以适应综合多媒体信息传输的高速、宽带的应用要求。从70年代起，世界上的一些发达国家就己经开始研究比C， Ku频段更高的卫星通信频段，其中20G~30G的Ka频段的相关研究和应用发展迅速。近年来，随着以美国、欧洲等发达国家大容量Ka频段通信卫星的成功发射，各种类型的Ka频段器件及设备己实现工业化生产，Ka频段广域、高速信息互联的卫星通信己经进入大规模应用阶段，而我国因受制于卫星信道资源和器件研发生产能力的限制，Ka频段卫星通信地面站的研究和应用尚处于起步阶段。

1.3.1 国外研究现状
 

美国是世界上最早采用Ka频段卫星通信实现商业化服务的国家。美国休斯网络公司作为世界领先的VSAT设备制造商和运营服务商，于2007年8月14日成功发射了第一颗Ka频段大容量Spaceway-3卫星，为北美地区提供Ka频段宽带卫星服务。Spaceway-3卫星配置多个Ka频段点波束，设计容量达到10Gbit/s，对北美和夏威夷等主要地区卫星覆盖。休斯网络公司采用自己的HX卫星通信网络平台并用于Ka波段运营服务，该运营网络由相比于传统VSAT设备能支持更高速率载波、更大带宽运用的基带部分（中心站、关口站、远端站）、休斯网络管理系统（HX-NM S ）、运营和业务支撑系统（OSSBSS ）等后端设备组成。2014年6月为止，休斯公司仅在北美地区的Ka用户数己经超过了90万个，在市场发展的高峰期，休斯公司每月小站用户的新装数量达到2万个以上。2016年6月，休斯公司从美国星康公司签署了100套Ku/Ka频段的机载卫星通信天线，为全球航空公司提供客机后仓互联网接入服务，Ka频段卫星通信业务己经由地面向空中拓展。

美国WildBlue通信公司通过WildBlue-1号卫星为北美地区宽带用户提供的Ka频段互联网接入运营服务，在2018年底，WildBlue的Ka频段宽带运营网络的用户数量己经突破了87万。

2011年10月20日，全球容量最大的Ka频段通信卫星由美国卫讯公司（ViaSat ）成功发射，该卫星全部搭载Ka频段转发器，设计容量达到140Gbps。与传统C，Ku波段卫星通信应用相比较，ViaSat-1大容量卫星在支持高速数据通信、高清视频传输、DTH接入、移动互联网接入等方面具有明显优势。依托ViaSat-1高性能卫星指标，美国卫讯公司采用自有的LinkStar卫星通信系统，组建了全球最大的Ka频段VSAT卫星通信中心地面站，并为用户提供高速、宽带的卫星通信运营服务。

在欧洲地区，欧星公司的“Ka频段卫星”（Ka-SAT）直播卫星于2010年12月27日成功发射。Ka-SAT与ViaSat-1卫星一样全部搭载Ka频段转发器，一共搭载了82个Ka频段点波束用于覆盖欧洲和地中海地区，通信总容量超过70Gbps，可为100万个终端用户提供互联网宽带接入应用。自2011年Ka-SAT卫星投入商业化运营以来，迄今为止，己有近40万用户使用。

1.3.2 国内研究现状
 

国内VSAT卫星通信系统应用研究从70年代开始，并在2008年汉川地震后由于应急通信的需求，经历了一个爆发式的发展。国内VSAT卫星通信应用主要以中国移动、中国电信等运营商采用的点对点模式提供机动通信保障、边远地区电话覆盖等应用为主，其他各部委、大型企业的VSAT通信以专网通信为主，商用VSAT通信网络集中在证券、医疗等方面，而且这些网络采用的都是国外VSAT通信系统，国内自研的VSAT系统组建的卫星通信网络主要为军用定制使用，在商用方面没有得到大规模的应用。

国内Ka频段卫星通信地面站的研究与国外发达国家相比起步较晚，主要集中在部分院、所进行相关研究工作。目前国内采用Ka频段的卫星通信只有军用中继卫星通信，用于航天信息中继传输使用，点对点通信体制。

国内Ka频段的商用卫星转发器的研究我国还属于起步阶段。中国卫通在2017年4月发射一颗Ka频段试验卫星中星16号，开展基于Ka频段的卫星运营服务，选择的VSAT系统是以色列吉莱特公司的设备，目前卫星还正轨测试。

1.4本文主要研究内容
 

本论文通过研究Ka频段卫星通信的技术实现方案并结合项目的实际技术条件和进度要求，针对Ka频段卫星通信的特殊性、玻利维亚复杂气候和地理条件，通过仿真设计、验证试验及链路闭环测试等技术手段，利用国产化的VSAT系统设备，研究并完成VSAT卫星通信中心地面站和远端地面站的设计，最终研制出了满足用户技术要求的Ka频段卫星地面站设备和工程实施，项目顺利交付。

通过论文的研究，完成了玻利维亚Ka频段VSAT卫星通信地面站的方案设计和相关的各种仿真实验、验证测试、闭环测试、组网测试等工作，实现项目的国内验收和国外的系统交付。在此基础上，整理相关技术材料和研究心得，最终完成了本论文。

论文主要完成的工作排如下：

（1）Ka频段地面站系统的设计
完成了地面站系统的总体设计，根据网内组网及业务传输速率要求，选择并确定了VSAT系统的技术体制和调制编码方式，并设计网络拓扑和工作流程；结合卫星的实际参数，选择合理的链路计算参数和天线口径尺寸，并针对Ka频段卫星通信的技术特点，设计了一套合理的链路计算方法。在链路计算站点的选择上，重点考虑雨衰对Ka频段通信的影响，分别在N雨区和E雨区选择具有代表性的远端站，并和中心地面站点之间进行端到端的详细链路计算。最后，根据调制解调设备的性能完成全链路电平的计算，依据计算结果，对设备提出了更高的增益或更低插损的指标要求。

研究中心地面站的设计需求和业务能力，首先对中心地面站组成进行详细设计，并在此基础上完成包括射频、基带、通信、时钟和网络通信等各个分系统设计，其中的重点是设计双子网中心地面站基带部分。设计中采用2套信令模块分别对应高低雨区远端站，回传信道采用网管统一的DAMA池分配，两个不同组之间的远端站通过中心站转发完成双跳的通信。在确定了中心站硬件设备后，还对机柜布置、电源功耗、设备布局等工程实际进行了设计。在网管方面，首先提出双子网的网管模型，从硬件上配置两套NCS网控单元分别对应一个子网，由一套NMS进行管理。并对网管的功能进行了详细设计，包括配置管理、连接管理、资源管理、远端站管理等提出详细的要求，并由软件组完成了网管系统设计功能的实现。

完成了远端地面站的设计。首先分析地球站天线形式并结合Ka频段对天线精度要求，确定远端站采用Ka频段环焦天线。远端站天线的设计完成后，重点对天线的生产加工进行研究，制定了合理的模具设计方法和生产工艺，实现远端站天线产品的研制和批量生产。确定了远端站射频单元和卫星调制解调器等设备的技术指标。

（2）Ka频段VSAT卫星通信地面站齐套研制
完成了地面站设备的齐套研制工作。首先根据Ka频段地面站系统总体设计方案，将地面站设备分为了终端子系统、天线子系统、软件开发组和外购RF设备四个部分。并制定研制计划，组织项目组人员和资源，完成了所有软硬件设备的研制，考虑到国内Ka期间水平和质量，确定Ka射频关键的RF设备采用国外进口设备。

远端站天线2012年5月开始研制，根据设计方案天线效率要高、抗风性能要好，在研究了天线的各种形式和优缺点后，确定研发环焦天线产品来取代原定的偏馈天线产品，这样设计优点是天线效率高，增益高，LNB和BUC安装在中心体内，不受雨雪的直接腐蚀。在生产加工方面组织调研，并选择了盐城星地通信有限公司作为合作伙伴，经过近3个月反复试模和试生产，总结出一套模具生产和天线加工的工艺要求，并完成了形面精度满足设计要求的天线产品。通过在504所的测试，天线所有指标均满足设计要求。经过批量生产、测试验收，120套天线研制工作全部结束。#p#分页标题#e#

网管软件开发主要完成了双子网网管软件总体框架设计，设计了网管配置管理的具体内容和指标要求，并组织软件开发组完成了网管系统的集中开发，研制的网管系统从硬件配置和系统功能均满足双子网应用的需求。网管系统在完成和地面站硬件系统的联调联试后，经系统验收测试和系统试运行证明，完全满足了设计需求。

（3）地面站全系统完整的验证测试
对地面站系统（包括中心地面站站、远端地面站）可能存在的技术风险进行验证测试，以确保项目的顺利交付。首先在与总体单位多种沟通并确认后，设计了地面站系统的验证测试的测试内容、测试项目，并完成了Ka频段地面站全系统验证测试。最终的验证测试共计测试大项9项，分别包含功能检查、分系统级指标测试、网络管理测试、设备监控测试、端站批产设备性能测试、对外接口检查、主要单机指标测试、环境条件适应性检查、设备齐套性检查、系统可靠性试验等。并且在每个大项测试中包含了主要功能、主要指标。

针对验证测试的难点问题，设计了测试解决方案，编制了详细的测试细则：网络支持600远端站大容量测试采用了半物理仿真测试，解决了现场无法实现搭建数百个个远端站进行实物测试的问题；Ka频段上星测试将测试内容分解为为Ku频段上星测试和Ka模拟转发器闭环，即测试了系统的功能和性能，又解决了国内没有Ka频段卫星资源用于实际测试的问题；高原测试中，选择了与玻利维亚地理环境类似的国内高原地区，将地面站设备按单机和分系统的方式分别进行了指标和稳定性的测试，解决了无法在玻利维亚进行现场测试的问题。

Ka频段卫星通信地面站在完成了所有的验证测试后，依据系统验证测试的成果，完成了出厂评审。在后期项目实施中地面站设备抵达玻利维亚后，一次性通过了现场测试的交付验收，这也证明了我们的系统测试验证内容和方法的正确性。