基于VSAT衛星通信的跨境數據傳輸系統設計

馬永春，楊德運，姜漢卿，于 航，李潔榆

（1.航天恒星科技有限公司，北京 100086；2.中國空間技術研究院衛星應用總體部，北京 100094）

隨著我國“一帶一路”戰略的推動實施，越來越多的中國企業加快了“走出去”的步伐，積極拓展海外市場，承擔海外項目建設?！耙粠б宦贰睓M跨歐洲、亞洲和非洲三大洲，遍及地中海、波斯灣、印度洋和南海等海域，覆蓋140個國家。但是，境外部分國家受當地政治因素的影響和經濟發展水平的限制，無法提供完備的通信基礎設施保障，極大制約了中國企業的發展，因此對境外數據通信提出了迫切的需求。

VSAT（Very Small Aperture Terminal，甚小口徑終端）衛星通信網具有覆蓋范圍廣、系統組網靈活、可擴展性強與系統集成度高等優點，相比于傳統地面通信網絡，雖然在鏈路傳輸延時和費用成本方面存在劣勢，但是具有通信不受距離、復雜地形限制和網絡接入快速便捷等優勢，可應用于遠程會議、遠程教育與應急通信等場景中?？苫赩SAT衛星通信技術設計跨境數據傳輸系統，為中國駐境外企業跨境通信提供保障。

1 VSAT衛星通信系統介紹

VSAT衛星通信系統由空間段和地面段組成，其中地面段通常由1個主控站和多個用戶終端站組成[1～2]。利用空間段衛星轉發器，實現主控站與終端站間、終端站與終端站間的數據傳輸。

1.1 空間段

空間段為地球同步軌道衛星（GEO），衛星轉發器通常采用透明轉發機制，不進行星上數據處理。目前，我國在軌自主可控的民用寬帶通信衛星共計15顆，衛星轉發器資源涵蓋C頻段、Ku頻段和Ka頻段，可覆蓋中國全境、澳大利亞、東南亞、南亞、中東以及歐洲、非洲等地區。

1.2 地面段

1.2.1 主控站

主控站是VSAT衛星通信系統的數據交換和控制中心，主要由天線射頻單元、基帶單元和網絡管理單元組成，負責衛星數據的發送接收、調制解調和網絡控制管理，通過協調全網內所有資源和設備的分配，實現對網內所有終端站點的監管，確保整個VSAT衛星通信網絡的正常運行。

主控站作為VSAT衛星通信系統的中心站，為了彌補終端站天線增益和發射功率，通常采用7.3 m、9 m和13 m等大口徑天線，以實現最大限度地降低終端站體積和功耗。

1.2.2 終端站

終端站主要由天線射頻單元和衛星通信調制解調器組成，根據使用需求不用，可選用便攜天線、固定天線、動中通天線等不同形態天線，可細分為便攜站、固定站、車載站、船載站和機載站等終端站型。終端站天線通常采用0.6 m、0.9 m等小口徑天線，便于終端站的攜帶和部署使用。

在星狀網網絡架構中，終端站與主控站間可依托衛星實現單跳互通；終端站與終端站間必須經過主控站轉發，實現雙跳互通，即終端站先通過衛星將數據發送至主控站，再由主控站通過衛星轉發將數據發送至另一個終端站。

星狀網網絡架構雖然在傳輸延時方面存在劣勢，且對主控站的可靠性提出較高要求，但是該架構能夠支持小口徑終端，且支持大規模組網，在設備成本方面具有顯著優勢。

2 跨境數據傳輸系統總體設計

2.1 系統拓撲

結合中國駐外企業境外通信需求，以及VSAT衛星通信系統的優勢，設計出基于VSAT衛星通信的跨境數據傳輸系統網絡拓撲結構。該系統由位于境內的主控站和位于境外的固定站、便攜站和車載站等終端站組成，主控站與企業總部通過光纖線路連接，能夠滿足中國駐外企業與企業總部間的通信需求，可實現傳真、語音、視頻及數據傳輸等業務功能。如圖1所示。

圖1 系統拓撲圖

2.2 衛星頻段選擇

VSAT衛星通信系統可工作于C頻段、Ku頻段和Ka頻段，現對各頻段特性進行分析。C頻段具有投入使用早、技術成熟、受雨衰影響小等優勢，但是其通信容量小、終端設備體積偏大（通常1.8 m以上），適用于對通信質量有嚴格要求的業務，如廣播電視上行傳輸；Ku頻段具有終端設備體積較小、受地面干擾影響較小、技術成熟等特點，相較C頻段受雨衰影響較大，適用于便攜、動中通等移動應急通信、VSAT衛星專網通信、衛星新聞采集及廣播電視直播等業務；Ka頻段具有通信容量大、終端設備體積小、干擾少等特點，但是受雨衰影響大，對器件和工藝的要求較高，且目前我國Ka頻段在軌衛星數量少、覆蓋范圍小。

表1 工作頻段優劣勢對比

衛星通信工作頻段的選擇對系統的傳輸速率、裝備體積和投入成本均會產生影響?？紤]到本系統應用于駐外企業，盡量采用技術成熟、易于攜行的裝備，因此在確?？褂晁ピO計的前提下選用Ku頻段進行跨境數據傳輸。

2.3 衛星選擇

根據中國駐外企業境外通信需求，綜合考慮工作頻段、信號覆蓋和自主可控等因素，選用中星12號衛星Ku頻段中東非波束實現本系統的衛星信號轉發。中星12號衛星定軌于東經87.5°，由航天科技集團下屬的中國衛通集團有限公司運營和管理。在中星12號衛星Ku頻段中東非波束覆蓋北京、中東和中北非地區，無須進行星上轉發器鉸鏈，即可實現以上地區與北京的直接連通，適合中國駐以上地區企業與境內企業總部的互聯互通。

2.4 衛星鏈路計算

衛星鏈路計算是衛星通信系統設計的重要步驟，根據VSAT衛星通信技術體制、中星12號衛星EIRP、G/T、極化等性能參數和系統的拓撲結構，遵照衛星資源功帶平衡的原則，同時考慮雨衰、臨星干擾等因素影響，為選擇合適的衛星帶寬、天線口徑和功放等提供指導[3～4]。

本系統采用中星12號Ku頻段衛星轉發器進行鏈路計算，主控站采用9 m Ku頻段天線、100 W功放，終端站提供1.2 m天線、16 W功放和0.6 m天線、40 W功放兩種配置[5]，系統可用度為99.9%，考慮到傳真、語音、視頻及數據傳輸等業務傳輸需要，1.2 m天線、16 W功放終端站提供2 Mbps業務速率傳輸信道，0.6 m天線、40 W功放終端站提供1 Mbps業務速率傳輸信道。

現以北京主控站與肯尼亞首都內羅畢終端站傳輸場景為例進行鏈路計算，中星12中東非波束北京EIRP為46.48 dBW、G/T為-1.13 dB/K，內羅畢EIRP為49.79 dBW、G/T為3.78 dB/K，鏈路計算結果如表2所示。

表2 1.2 m、16 W功放終端站鏈路計算結果

表3 0.6 m、40 W功放終端站鏈路計算結果

從上述計算結果可以看出，主控站9 m天線、100 W功放在晴天和雨天都能夠滿足系統傳輸速率需求，并且具有一定的余量。終端站1.2 m天線、16 W功放和0.6 m天線、40 W功放兩種配置，在與主控站通信時，晴天和雨天也具有一定余量，能夠滿足業務速率要求。

2.5 數據傳輸流程

以駐境外用戶終端站車載站向國內企業總部發送數據為例，介紹跨境數據傳輸系統數據傳輸流程。

（1）在駐境外用戶終端站側，語音、文件及音視頻等IP業務數據經交換機匯總后發送至終端站衛星通信調制解調器。

（2）終端站衛星通信調制解調器將接收到的IP業務數據封裝為衛星協議數據包后，經過信道編碼、調制為L頻段中頻信號。

（3）L頻段中頻數據經過終端站功放上變頻、放大至Ku頻段信號，由終端站天線發送至中星12號通信衛星。

（4）中星12號通信衛星將接收到的數據透明轉發至位于國內的衛星主控站。

（5）衛星主控站天線在接收到衛星數據后，通過LNB將Ku頻段衛星數據下變頻、放大至L頻段中頻信號。

（6）L頻段中頻數據被傳送至主控站基帶設備，經過主控站基帶設備的衛星協議數據包解封、信道解碼和解調后，恢復為IP業務數據。

（7）通過主控站與企業總部之間的光纖線路，最終將境外IP業務數據發送至企業總部。

3 結束語

VSAT衛星通信作為一種成熟的通信技術，已廣泛應用于遠程會議、遠程教育與應急通信等場景中。本文針對中國駐外企業境外通信保障需求，設計了一種基于VSAT衛星通信的跨境數據傳輸系統，系統采用星狀網網絡架構，依托中星12號通信衛星Ku頻段中東非波束，通過在中國駐外企業部署固定站、便攜站和車載站等終端站型，提供傳真、語音、視頻及數據傳輸等業務功能，為駐外企業提供安全、可靠的跨境通信保障。