幀中繼技術(shù)在VSAT系統(tǒng)中的應(yīng)用

幀中繼技術(shù)在VSAT系統(tǒng)中的應(yīng)用
    近年來隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及用戶對圖像、視頻業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)向著高速、
寬帶、具有通信質(zhì)量管理（QoS）控制能力及具有能承載綜合通信業(yè)務(wù)能力等方向發(fā)展，而傳
統(tǒng)的VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于其通信體制限制一般很難滿足上述要求。另外，由于衛(wèi)星定位精
度的提高，射頻技術(shù)的發(fā)展，寬帶調(diào)制技術(shù)和信號處理技術(shù)的應(yīng)用，提高了現(xiàn)有VSAT系統(tǒng)的
信嗓比，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠性增強(qiáng)，傳輸帶寬加大，這為新技術(shù)的應(yīng)用提供了充分的條件。
因此，充分利用衛(wèi)星通信的優(yōu)勢并采用新技術(shù)、新體制以解決用戶對綜合業(yè)務(wù)通信的需求，
成為當(dāng)前VSAT通信系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展的熱點(diǎn)，幀中繼技術(shù)就是在這一背景下被引進(jìn)到VSAT通信系
統(tǒng)中來的。
一、傳統(tǒng)VSAT通信系統(tǒng)面臨的問題
    70年代以來通信、計(jì)算機(jī)及集成電路制造等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展使得以較低成本為用戶提供
衛(wèi)星終端設(shè)備成為可能，衛(wèi)星通信從政府、軍事及郵電等部門迅速成為廣大企、事業(yè)單位解
決內(nèi)部遠(yuǎn)距離。分布通信的有力、甚至是唯一的選擇。VSAT通信系統(tǒng)的應(yīng)用在歐美等發(fā)達(dá)國
家主要是解決數(shù)據(jù)通信的需求，而在發(fā)展中國家，前期建設(shè)主要是解決話音通信的需求。隨
著發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，尤其是自90年代以計(jì)算機(jī)通信為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)、社會及生
活的信息化進(jìn)程的加快，提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)通信成為信息化建設(shè)的主要內(nèi)容。此時我們發(fā)現(xiàn)
傳統(tǒng)的VSAT通信體制已不能滿足用戶對通信質(zhì)量的要求，主要表現(xiàn)為：
    1．傳統(tǒng)VSAT系統(tǒng)多采用單路單載波（SCPC）體制，這種系統(tǒng)具有組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，
其用戶信道分配采用ALOHA協(xié)議或其改進(jìn)算法，由于控制信道爭用，致使其利用率較低，一
般不超過30％。在某一時刻，通信雙方僅能構(gòu)成點(diǎn)到點(diǎn)連接，即使 SCPC系統(tǒng)組成網(wǎng)狀網(wǎng)時，
也需要在每個端站配置多個調(diào)制解調(diào)器和發(fā)射多個載波，硬件設(shè)備投資必然成倍增長，同時
還應(yīng)注意到：這類系統(tǒng)缺乏實(shí)現(xiàn)QoS控制的能力。
    2傳統(tǒng)VSAT系統(tǒng)的另一主要體制是TDMA及其衍生類型，該類型系統(tǒng)內(nèi)部多采用分組交換
方式，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，用戶端站的吞吐量較低，并且這類系統(tǒng)通常在主站完成數(shù)據(jù)包交換
工作，端站間通信需兩跳完成。
    以上是從載波分配方式上對目前主流VSAT系統(tǒng)的分類。如果從系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)上來看，VS
AT系統(tǒng)可分為有主站和無主站系統(tǒng)。在有主站系統(tǒng)中，系統(tǒng)主站負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)資源分配、系
統(tǒng)各單元管理、監(jiān)測以及分組交換系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)包交換等功能：無主站系統(tǒng)一般均采用SCPC
方式工作，信道資源主要采用預(yù)分配模式，在網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)上以星型為主。
    由于現(xiàn)代通信系統(tǒng)承載的主要信息正在從單一的話音或數(shù)據(jù)向著包括數(shù)據(jù)、話音、圖像
等內(nèi)容的綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)過渡，綜合業(yè)務(wù)通信將成為通信服務(wù)的主流，因此必須對傳統(tǒng)的VSAT
通信系統(tǒng)進(jìn)行改造，以適應(yīng)用戶對通信服務(wù)的要求。
二、幀中繼（Frame Relay）技術(shù)簡介
    幀中繼技術(shù)是在傳統(tǒng)的分組交換技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種“快速”分組交換技術(shù)，其
與X.25的區(qū)別主要表現(xiàn)在以下方面：
    1．減少處理層數(shù)：按照OSI參考模型，X.25協(xié)議涉及物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，而幀中
繼在物理層、鏈路層即可實(shí)現(xiàn)，從而減少了處理環(huán)節(jié)。
    2．簡化糾錯機(jī)制X.25協(xié)議需在鏈路、網(wǎng)絡(luò)做層層糾錯處理，而幀中繼則不同，僅在節(jié)
點(diǎn)對傳輸幀做檢錯處理，一理發(fā)現(xiàn)出錯即將該幀丟棄。
    3．改變地址含義：幀中繼的“地址”稱為數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)志（DLCI），僅具有本地意義，
其地址管理工作相對簡單；
    4．降低協(xié)議開銷：標(biāo)準(zhǔn)幀的協(xié)議開銷僅為4字節(jié)。
    5．優(yōu)化資源配置：由于幀中繼技術(shù)在OSI參考模型的第二層實(shí)現(xiàn)，因此通過對數(shù)據(jù)幀格
式的定義可實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶業(yè)務(wù)特征確定的傳輸幀尺寸、優(yōu)先級以及處理方式等一系列控制，
并根據(jù)用戶業(yè)務(wù)類型和要求對傳輸帶寬動態(tài)分配，提高系統(tǒng)資源的利用率和用戶綜合業(yè)務(wù)的
傳輸質(zhì)量。
    幀中繼網(wǎng)中用戶帶寬的動態(tài)分配主要通過對承諾速率（CBW）和突發(fā)速率（VBR）的定義
實(shí)現(xiàn)：承諾速率定義了幀中繼通信網(wǎng)能夠可靠傳輸用戶數(shù)據(jù)的速率；突發(fā)速率則定義了用戶
通過幀中繼網(wǎng)能夠傳輸數(shù)據(jù)的最大速率。
    幀中繼通信網(wǎng)能夠保證用戶以承諾速率提交的數(shù)據(jù)可靠通過幀中繼網(wǎng)絡(luò)，而對超出承諾
速率傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，則不能保證其可靠傳輸，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時，這些數(shù)據(jù)將首先被丟棄；
    通過對承諾速率和突發(fā)速率的定義，可以使用戶在幀中繼通信網(wǎng)重負(fù)載時能以承諾速率
可靠傳輸數(shù)據(jù)，也能使用戶在網(wǎng)絡(luò)輕負(fù)載時以突發(fā)速率傳輸數(shù)據(jù)，因此可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源
的充分利用。
三、幀中繼VSAT通信系統(tǒng)（FR－VSAT）結(jié)構(gòu)
    1順中繼VSAT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    幀中繼VSAT通信系統(tǒng)主要由衛(wèi)星通信單元和幀中繼協(xié)議處理單元兩部分組成。衛(wèi)星通
信中元主要完成與衛(wèi)星通信有關(guān)的功能，其實(shí)現(xiàn)可由傳統(tǒng)的SCPC設(shè)備完成幀中繼協(xié)議處理
單元主要完成幀中繼拆裝（FRAD）、幀中繼交換、幀中繼傳輸控制等功能。
    2．幀中繼VSAT系統(tǒng)的效率
    由幀中繼數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)可知，標(biāo)準(zhǔn)幀中繼數(shù)據(jù)幀的協(xié)議開銷僅為4字節(jié)，同時幀中繼通
信網(wǎng)中無復(fù)雜的流量控制和糾錯機(jī)制，因此，同X.25等分組交換技術(shù)相比，幀中繼技術(shù)的
傳輸效率較高。例如在IPOver Frame Relay傳輸方式中，如果IP包大小為1500字節(jié)，則幀
中繼的協(xié)議開銷為0.27％，而在X.25協(xié)議中，其協(xié)議開銷超過35％。國外對幀中繼系統(tǒng)的
實(shí)測結(jié)果表明，其載波有效利用率可達(dá)98％。
    3債中繼VSAT系統(tǒng)的組網(wǎng)工作方式
    星狀網(wǎng)：
    星狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的FR－VSAT系統(tǒng)中，其主站的每一個解調(diào)器的頻率對應(yīng)一個端站的工作頻
率；每一個端站的解調(diào)器的頻率工作在主站的發(fā)射頻率上，主站同各個端站間的通信通過
幀中繼的DLCI來識別。
    同SCPC系統(tǒng)組成的星狀網(wǎng)相比，幀中繼VSAT系統(tǒng)的主站僅發(fā)射一個載波，因此可充分
利用功放單元的能力，而在SCPC系統(tǒng)中，由于主站發(fā)射多個載波，發(fā)射功率必須后退以減
小互調(diào)干擾，因此系統(tǒng)硬件設(shè)備的利用率不高。在具有一個中心點(diǎn)，N個外圍點(diǎn)的星狀結(jié)
構(gòu)中，SCPC設(shè)備所需要的載波總數(shù)為2N個，采用幀中繼技術(shù)后，所需的載波數(shù)為N＋1個，
因此可有效降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及建設(shè)運(yùn)行成本。
    網(wǎng)狀網(wǎng)
    FR－VSAT系統(tǒng)的網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)采取如下實(shí)現(xiàn)方案：在兩個有通信要求的用戶節(jié)點(diǎn)分別添
加對應(yīng)對方節(jié)點(diǎn)發(fā)射頻率的解調(diào)單元，其輸出送至幀中繼協(xié)議處理單元，該單元根據(jù)接收
幀的鏈路層地址進(jìn)行相應(yīng)處理。
    在一個有n個端站節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)狀網(wǎng)中，基于SCPC系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，系統(tǒng)所需要的載波總
數(shù)為N（N－1）個，而在FR－VSAT系統(tǒng)中構(gòu)成相同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所需的載波總數(shù)為N個，
并且系統(tǒng)中各個瑞站節(jié)點(diǎn)僅發(fā)射一個載波，無須考慮在SCPC系統(tǒng)中由于各節(jié)點(diǎn)發(fā)射多個載
波時為避免互調(diào)所必須采取的工作點(diǎn)后退，因此可充分發(fā)揮射頻單元的能力。
四、總結(jié)
    在 VSAT衛(wèi)星通行系統(tǒng)中采用幀中繼技術(shù)主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：
    1．利用幀中繼技術(shù)可方便地實(shí)現(xiàn)單載波多址，并可根據(jù)需要靈活組網(wǎng)和改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)
構(gòu)，同時簡化了組網(wǎng)過程中的管理維護(hù)工作；
    2．同傳統(tǒng)的SCPC系統(tǒng)相比，在VSAT系統(tǒng)中采用幀中繼技術(shù)可顯著減少系統(tǒng)使用的衛(wèi)
星頻帶資源，有利于降低系統(tǒng)運(yùn)行成本；
    3．由于實(shí)現(xiàn)了單載波多址，無論在組成星狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)還是網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)時，F(xiàn)R－VSAT系
統(tǒng)的各端站節(jié)點(diǎn)一般只發(fā)射一個載波，因此可充分利用射頻單元的性能，降低對硬件設(shè)備
的要求；
    4利用幀中繼技術(shù)所具有的流量控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)通信傳輸?shù)腝oS，當(dāng)系統(tǒng)具有話音、
圖像傳輸要求時，能使系統(tǒng)在重負(fù)載下保證話音和圖像的傳輸質(zhì)量。

摘自《衛(wèi)星通信廣播電視》