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1、VSAT 网络协议564 VSAT 网络协议多址协议是发展 VSAT 数据网的关键技术。VSAT 网络协议有两层意思，一层是多址访问协议，它是对卫星转发器而言的，是指地球站如何对卫星信道进行访问；另一层是通信协议，是对地球站而言的，指地球站的各种业务如何对该站已占用的资源进行访问。根据目前 VSAT 技术的发展，按照其传输业务种类可将 VSAT 网络分为两大类：一是传输话音、数据和综合业务的高速率 VSAT 网络，其多址协议一般是固定的；另一类是以传输交互式数据业务为主的 VSAT 网络，其多址协议大多是可变的。 1高速率 VSAT 网络的多址协议由于高速率 VSAT 网络大多以话音业务为主，
2、兼顾数据、图像及传真等，其多址协议一般为固定信道分配，方式如下：主站与远端小站之间均采用 SCPC 方式。这种方式的基本原理及传输线路参数计算与稀路由卫星通信系统是一样的。需要指出的是，在 SCPC 方式中，地球站硬件设备需要配置微波频率综合器，以覆盖整个卫星转发器的工作频段，使远端小站结构复杂、成本提高。主站到远端小站的传输为速率较高的 TDM 广播方式，远端小站到主站采用 SCPC 方式。每一个远端小站通过卫星接收来自主站的同一个 TDM 载波，同时采用搜索本小站的地址码或选择时隙的方法从中提取发往本小站的信息数据流。这种方式比较简单，价格也便宜，对我国边远地区较适宜。主站到远端小站同样使
3、用广播式的 TDM 载波，回程线路为 SSMA(扩展频谱多址连接)方式。由于 VSAT 小站采用小口径天线和低功率发射机，系统容量受到卫星功率的限制，而扩频技术不仅能够提高系统频带利用率，而且可以降低发射功率谱密度，减小与邻里及地面微波线路之问的干扰。当前我国的卫星线路和微波线路共享 6 GHz4 GHz 频段，扩频技术对降低它们之间的干扰有重要的作用。理论分析表明，主站到小站的传输过程中发射一个 TDM 载波对卫星功率的利用率最高，小站到主站之间的 SSMA 方式对小站发射机功率的利用率最高，而且抗干扰性强。这种传输关系决定了小站的发射机和接收机最简单，造价最便宜，所以这种制式的 VSAT
4、系统适用于城市与城市之间，或者城市与边远地区之间的稀疏业务通信。主站到远端小站传输是广播式的 TDM 载波，小站到主站传输采用适当速率的 FDMATDMA(称为 MFTDMA 或多载波 TDMA)。这种方式是将若干个小站的发射信号编为一组以 TDMA 方式组合起来，再调制到一个载波上以 FDMA 方式发射出去，这样，主站将以多个载波的 TDMA 形式接收来自远端小站的信息。图 566 是 MFTDMA 方式协议的原理示意图。 在这种方式中，各站发射或接收的频率和时隙是可调的。由于采用了TDM、 FDMA 和 TDMA 的组合，系统的灵活性增强，容量显著提高。应用一个卫星转发器能够容纳数千个远端
5、小站。主站担负全网的系统管理职能，对网络进行监测和控制，远端小站周期性地从主站发出的信号中诊断本站的工作状态。这种方式特别适合于网络容量大，稀路由地球站众多，每个站台几个话路，业务类型多变，需要动态和灵活连接的情况。在相同条件下与 FDMA 和 TDMA 相比，这种方式以较低的成本提供更大的系统容量和灵活性，效率最高，但技术复杂。需要指出的是，由于目前我国的卫星通信和地面微波通信共同使用 6 GH：4 GHz 频段，对于 C 频段的 VSAT 系统，即使采用扩频技术，由于同频干扰，系统的利用率仍然很有限。尤其在大城市周围区域，微波线路密集，VSAT系统的利用率更低。使用 14 GHz12 GH
6、z 频段受地面微波干扰很小，或者使用较小口径的天线，有利于提高 VSAT 系统的效率，地球站发射的功率谱密度可以大一些，远端小站传输的信息速率能够提高。因此，开发 Ku(14 GHz12 GHz)频段是降低系统干扰、提高 VSAT 系统频率利用率的途径。2交互型数据业务 VSAT 网络的多址协议交互型数据业务 VSAT 网络多址协议的种类很多，如果从各 VSAT 小站接入卫星信道的方式来看，分为随机多址接入和预约可控多址接人；如果根据卫星信道是否划分成时隙，也可将多址协议分为“时隙”和“非时隙”两大类。其详细分类见表 561 所列。 当 VSAT 网络的业务量不大且小站信息速率较低时，通常使用
7、非时隙争用随机多址协议，因为使用这种多址协议可以简化设备，降低系统成本。在表561 中的非时隙争用随机多址协议这一栏里，SREJALOHAFCFS 属于自同步协议，其他几种方式为异步协议。前面已经详细讨论了 PALOHA、 SALOHA 多址协议的工作原理、性能特点及应用情况，这里不再重复。CALOHA(捕获效应 ALOHA)。CALOHA 是纯 ALOHA 的改变型。为了降低PALOHA 方式中由于信息包碰撞而重新发送的次数，每个用户以不同的功率发送信号，即便发生碰撞，其中最大的信号也能够被对方正确地接收。 CALOHA方式要求发送控制单元根据其业务的等级能够改变发送功率，如果不能改变，可以
8、对各用户按照其优先等级决定其发送功率电平。设计合理的情况下，CALOHA 信道的容量可为纯 ALOHA 方式的 3 倍，但如果大量信息包同时进入卫星转发器 CALOHA 信道，由于星上行波管放大器的调幅调相(AM PM)转换作用，会将输入电平的幅度起伏变换为调相分量，经数字解调器后的比特差错率将增大。非时隙 RACDMA。这种协议是将扩频原理与 FEC(前向纠错)技术一起应用于 ALOHA 系统，以改善其工作特性。由于扩频具有很强的抗干扰能力， FEC能够显著改善信息包的传输性能，提高信道容量。一般情况下，RACDMA 的信道利用率比常规的 CDMA 或 PALOHA 提高 2030，虽然其设
9、备比 SREJALOHA 方式复杂，但在系统容量和延时特性方面很有竞争性，是一种有发展潜力的多址协议。非时隙 RACDMA 在系统稳定性方面与 ALOHA 方式相近，随着信道业务量的增加，其吞吐量急剧下降。为了使系统稳定地工作，应合理选择重发延时。 到达时间 CRA。它是 ALOHA 类型中吞吐量较大的多址协议。它保留了ALOHA 系统中许多运行和实现方面的优点，克服了容量低的缺点，是近几年提出的一种新的多址协议。到达时间 CRA 方式的理论基础是即使在检测能力有限的条件下，对于在非时隙工作时分辨碰撞的突发信号也能够提供比同步系统更丰富的碰撞分辨信息。尤其是对固定长度的报文，若只用信号检测(s
10、D)来分辨碰撞的突发信号，则能够确定碰撞中的“第一个”和“最后一个”分组，若还知道碰撞起始标记，则至少能够分辨“第一个”、“第二个”和“最后一个”分组。这样就可以采取有效措施调整每次遭到碰撞的两个分组重发时间而避免碰撞。用 CRA 分辨的分组以自同步方式重发，利用信道事件作为定时标志。信道检测方式主要有两种：一种是信号检测(SD)，也叫载波检测，这时得到的最大信道利用率为 41；另一种兼有信号检测和碰撞检测(即 SDCD)，其信道利用率达到 4751，不必将信道分成时隙就能获得高容量，可与以时隙树形 CRA 为基础的更复杂的系统相抗衡。可以这样说，到达时间 CRA 是大容量交互型数据业务 VS
11、AT 网络较适合的多址协议。SREJALOHA(选择拒绝 ALOHA)。这种方式的基本原理是考虑到在一般的PALOHA 系统中，大部分碰撞是数据包的部分碰撞，未遭碰撞的部分仍可被正确接收。SREJALOHA 协议规定对信息分组仍以纯 ALOHA 方式发送，对每个分组再进一步分成若干个小分组，每个小分组又有各自的报头和前置码，这样，在接收端对每个小分组可以独立地检测。所以在 SREJALOHA 系统中，如果发生信息包碰撞，其中未遭碰撞的小分组被对方站正确接收，只需要重新发送遭到碰撞的小分组。显然，SREJALOHA 方式具有一般 ALOHA 系统共有的不需要定时同步和适合于信息包长度可变的重要特
12、点，又克服了由于碰撞使信道利用率低的缺点。这种多址协议在业务吞吐量上与 SALOHA 大体相当，但能更好地适应可变长度信息传输的需要，可以说 SREJALOHA 保留了 ALOHA 方式的许多优点，在异步系统中容量最高，是一种较好的非时隙随机多址方式，具有广泛的应用前景。SREJALOHAFCFS。因为到达时间 CRA 方式只适合固定长度报文，而VSAT 网络中业务的报文长度大都是可变的，所以将到达时间 CRA 与 SREJ ALOHA 两种方式结合起来，亦即在 SREJALOHA 方式发送情况下对小分组进行碰撞突发信号的分辨，能够在小分组的量级内处理遭到碰撞的报文，提供更有效的分辨能力。采用
13、到达时间 CRA 以后，只要报文中有一个小分组发送成功第二次发送就不会产生碰撞。因为每一个小分组通过的概率非常高，所以在非时隙系统中由于长报文造成的拥塞显著减少。SREJALOHAFCFS 的信道利用率进一步提高，在 4560之间，适用于兼容传输许多短报文和一些长报文的 VSAT 网络。(2)时隙争用多址协议关于时隙争用多址协议的 SALOHA 方式在 544 节已讨论过。这里仅介绍树形 CRA 方式。树形 CRA 即所谓“树形算法”的时隙争用协议，其理论基础是重发程序和新报文接入规约，并非随机延时和 SALOHA 系统中的自由入网规约，遭受碰撞的报文也参与对碰撞分辨的有规则的区分程序，在此期
14、间不允许发送新报文。遭到碰撞的 VSAT 终端将随机地选择碰撞中的两个分组的最后一个分组重新发送，一直到遭受碰撞的所有分组全部发送成功为止。树形 CRA 的信道利用率与碰撞分辨的复杂性有关，一般为 4349，在稳定性方面优于 SALOHA 但是，树形 CRA 系统由于碰撞分辨过程的复杂化而存在闭锁现象。另外，因为卫星信道的交织使传输线路产生较高的延时和等待延时。这两个缺点削弱了容量方面的优势，在一定程度上限制了它在 VSAT 网络中的实用性。(3)预约可控多址协议时隙预约(TDMADAMA)。关于 TDMA 多址方式前面已介绍过，人们对 TDMADAMA 也不陌生。DAMA(Demand As
15、signment Multiple Access)的本意是按照用户的需要将卫星信道动态地分配给用户，TDMA 制式是将信道时隙分配给大量的 VSAT 终端。TDMADAMA 的工作原理是首先利用短的预约分组申请信息接续，使多址碰撞在预约层上解决，一旦预约实现，对实际业务数据报文接续，使数据报文无碰撞地传输。在 TDMADAMA 方式中，预约申请信息的接续一般采用 SALOHA 或固定分配的 TDMA。对于星形 VSAT 网络，预约申请信息被中心站接收之后将按照优先等级和业务种类排队，再将分配顺序回传给各个 VSAT 终端。显然，由于卫星线路传输延时，预约申请信息的接收排队和帧结构使等待时间太长
16、。这种多址协议对于预约报文短、数据报文长的业务是比较适合的。当预约申请信息采用非争用方式的 TDMA 时，每个帧中的一个 VSAT 终端只能为一个或多个数据时隙发出一次申请，所以系统的总效率很有限。如果对预约申请信息采用争用方式的 SALOHA 多址、以树形算法为基础的随机多址或具有交织 ALOHA 和 DAMA 时隙的非成帧格式可以缩短等待时间，但系统容量较低。一般时隙预约系统的信道利用率可以达到 5070，所以 TDMADAMA 对于长数据报文传输是一种有效的多址方式，还能适应可变长度报文业务。自适应时分多址(Adaptive Assignment TDMA，AATDMA)。AATDMA 方式具有较强的自适应能力，在轻业务时以争用方式工作，负载加大后将自动变成预约协议。在数据通信网中，快速的响应时间和大吞吐量是两个重要指标。交互型数据业
