帧中继技术在VSAT系统中的应用

帧中继技术在VSAT系统中的应用
    近年来随着计算机、网络技术及用户对图像、视频业务需求的发展，通信网络向着高速、
宽带、具有通信质量管理（QoS）控制能力及具有能承载综合通信业务能力等方向发展，而传
统的VSAT卫星通信系统由于其通信体制限制一般很难满足上述要求。另外，由于卫星定位精
度的提高，射频技术的发展，宽带调制技术和信号处理技术的应用，提高了现有VSAT系统的
信嗓比，卫星通信系统的可靠性增强，传输带宽加大，这为新技术的应用提供了充分的条件。
因此，充分利用卫星通信的优势并采用新技术、新体制以解决用户对综合业务通信的需求，
成为当前VSAT通信系统应用发展的热点，帧中继技术就是在这一背景下被引进到VSAT通信系
统中来的。
一、传统VSAT通信系统面临的问题
    70年代以来通信、计算机及集成电路制造等技术领域的发展使得以较低成本为用户提供
卫星终端设备成为可能，卫星通信从政府、军事及邮电等部门迅速成为广大企、事业单位解
决内部远距离。分布通信的有力、甚至是唯一的选择。VSAT通信系统的应用在欧美等发达国
家主要是解决数据通信的需求，而在发展中国家，前期建设主要是解决话音通信的需求。随
着发展中国家经济基础建设的发展，尤其是自90年代以计算机通信为基础的经济、社会及生
活的信息化进程的加快，提供高质量的数据通信成为信息化建设的主要内容。此时我们发现
传统的VSAT通信体制已不能满足用户对通信质量的要求，主要表现为：
    1．传统VSAT系统多采用单路单载波（SCPC）体制，这种系统具有组网结构简单的特点，
其用户信道分配采用ALOHA协议或其改进算法，由于控制信道争用，致使其利用率较低，一
般不超过30％。在某一时刻，通信双方仅能构成点到点连接，即使 SCPC系统组成网状网时，
也需要在每个端站配置多个调制解调器和发射多个载波，硬件设备投资必然成倍增长，同时
还应注意到：这类系统缺乏实现QoS控制的能力。
    2传统VSAT系统的另一主要体制是TDMA及其衍生类型，该类型系统内部多采用分组交换
方式，因此系统设计时，用户端站的吞吐量较低，并且这类系统通常在主站完成数据包交换
工作，端站间通信需两跳完成。
    以上是从载波分配方式上对目前主流VSAT系统的分类。如果从系统组成结构上来看，VS
AT系统可分为有主站和无主站系统。在有主站系统中，系统主站负责完成系统资源分配、系
统各单元管理、监测以及分组交换系统中的数据包交换等功能：无主站系统一般均采用SCPC
方式工作，信道资源主要采用预分配模式，在网络拓补结构上以星型为主。
    由于现代通信系统承载的主要信息正在从单一的话音或数据向着包括数据、话音、图像
等内容的综合业务系统过渡，综合业务通信将成为通信服务的主流，因此必须对传统的VSAT
通信系统进行改造，以适应用户对通信服务的要求。
二、帧中继（Frame Relay）技术简介
    帧中继技术是在传统的分组交换技术基础上发展起来的一种“快速”分组交换技术，其
与X.25的区别主要表现在以下方面：
    1．减少处理层数：按照OSI参考模型，X.25协议涉及物理层、链路层和网络层，而帧中
继在物理层、链路层即可实现，从而减少了处理环节。
    2．简化纠错机制X.25协议需在链路、网络做层层纠错处理，而帧中继则不同，仅在节
点对传输帧做检错处理，一理发现出错即将该帧丢弃。
    3．改变地址含义：帧中继的“地址”称为数据链路层标志（DLCI），仅具有本地意义，
其地址管理工作相对简单；
    4．降低协议开销：标准帧的协议开销仅为4字节。
    5．优化资源配置：由于帧中继技术在OSI参考模型的第二层实现，因此通过对数据帧格
式的定义可实现根据用户业务特征确定的传输帧尺寸、优先级以及处理方式等一系列控制，
并根据用户业务类型和要求对传输带宽动态分配，提高系统资源的利用率和用户综合业务的
传输质量。
    帧中继网中用户带宽的动态分配主要通过对承诺速率（CBW）和突发速率（VBR）的定义
实现：承诺速率定义了帧中继通信网能够可靠传输用户数据的速率；突发速率则定义了用户
通过帧中继网能够传输数据的最大速率。
    帧中继通信网能够保证用户以承诺速率提交的数据可靠通过帧中继网络，而对超出承诺
速率传输的数据，则不能保证其可靠传输，当网络出现拥塞时，这些数据将首先被丢弃；
    通过对承诺速率和突发速率的定义，可以使用户在帧中继通信网重负载时能以承诺速率
可靠传输数据，也能使用户在网络轻负载时以突发速率传输数据，因此可实现网络带宽资源
的充分利用。
三、帧中继VSAT通信系统（FR－VSAT）结构
    1顺中继VSAT系统结构
    帧中继VSAT通信系统主要由卫星通信单元和帧中继协议处理单元两部分组成。卫星通
信中元主要完成与卫星通信有关的功能，其实现可由传统的SCPC设备完成帧中继协议处理
单元主要完成帧中继拆装（FRAD）、帧中继交换、帧中继传输控制等功能。
    2．帧中继VSAT系统的效率
    由帧中继数据帧的结构可知，标准帧中继数据帧的协议开销仅为4字节，同时帧中继通
信网中无复杂的流量控制和纠错机制，因此，同X.25等分组交换技术相比，帧中继技术的
传输效率较高。例如在IPOver Frame Relay传输方式中，如果IP包大小为1500字节，则帧
中继的协议开销为0.27％，而在X.25协议中，其协议开销超过35％。国外对帧中继系统的
实测结果表明，其载波有效利用率可达98％。
    3债中继VSAT系统的组网工作方式
    星状网：
    星状网结构的FR－VSAT系统中，其主站的每一个解调器的频率对应一个端站的工作频
率；每一个端站的解调器的频率工作在主站的发射频率上，主站同各个端站间的通信通过
帧中继的DLCI来识别。
    同SCPC系统组成的星状网相比，帧中继VSAT系统的主站仅发射一个载波，因此可充分
利用功放单元的能力，而在SCPC系统中，由于主站发射多个载波，发射功率必须后退以减
小互调干扰，因此系统硬件设备的利用率不高。在具有一个中心点，N个外围点的星状结
构中，SCPC设备所需要的载波总数为2N个，采用帧中继技术后，所需的载波数为N＋1个，
因此可有效降低系统结构的复杂性及建设运行成本。
    网状网
    FR－VSAT系统的网状网结构采取如下实现方案：在两个有通信要求的用户节点分别添
加对应对方节点发射频率的解调单元，其输出送至帧中继协议处理单元，该单元根据接收
帧的链路层地址进行相应处理。
    在一个有n个端站节点的网状网中，基于SCPC系统的实现方案，系统所需要的载波总
数为N（N－1）个，而在FR－VSAT系统中构成相同规模的网络系统所需的载波总数为N个，
并且系统中各个瑞站节点仅发射一个载波，无须考虑在SCPC系统中由于各节点发射多个载
波时为避免互调所必须采取的工作点后退，因此可充分发挥射频单元的能力。
四、总结
    在 VSAT卫星通行系统中采用帧中继技术主要具有以下优点：
    1．利用帧中继技术可方便地实现单载波多址，并可根据需要灵活组网和改变网络结
构，同时简化了组网过程中的管理维护工作；
    2．同传统的SCPC系统相比，在VSAT系统中采用帧中继技术可显著减少系统使用的卫
星频带资源，有利于降低系统运行成本；
    3．由于实现了单载波多址，无论在组成星状网结构还是网状网结构时，FR－VSAT系
统的各端站节点一般只发射一个载波，因此可充分利用射频单元的性能，降低对硬件设备
的要求；
    4利用帧中继技术所具有的流量控制技术可实现通信传输的QoS，当系统具有话音、
图像传输要求时，能使系统在重负载下保证话音和图像的传输质量。

摘自《卫星通信广播电视》