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純TDMA網(wǎng)絡(luò)和TDM/TDMA網(wǎng)絡(luò)在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可靠性上也有很多差別。二者相比，利用純TDMA技術(shù)組網(wǎng)能夠更容易獲得最佳的網(wǎng)絡(luò)可靠性、健壯性和抗毀性。

1.單一故障點和可靠性

在通信系統(tǒng)中有一個“單一故障點”的概念[1]，其含義是指：如果系統(tǒng)中某一部件的失效會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓的話，那么該部件即被稱作該系統(tǒng)的“單一故障點”。在一個含有多個部件的系統(tǒng)中，單一故障點越多，整個系統(tǒng)的可靠性也就越低。

比如，在圖1所示的一個典型的衛(wèi)星通信地面站里，如果天線、高功率放大器（HPA/BUC）、低噪聲放大器（LNA/LNB）、上/下變頻器（Up/Down Converter）和調(diào)制解調(diào)器（Modem）等主要設(shè)備都是單機配置的話，那么它們就都是該地面站中的單一故障點。其中任意一個設(shè)備發(fā)生故障，都將導(dǎo)致整個地面站癱瘓。

在實際應(yīng)用中，有時對某些地面站（如主站）的可靠性要求非常高。而為了加強可靠性[2]，往往會把這些站點中的關(guān)鍵部位都設(shè)置成為有冗余設(shè)備的熱備份（Hot Redundant）配置，如1:1或2:1熱備份等。這樣，當主用設(shè)備發(fā)生故障時，處于冗余熱備份狀態(tài)的備用設(shè)備就能夠立即取代主用設(shè)備的工作，繼續(xù)支持整個站點的正常運行。

比如圖2所示即為除天線以外，高功率放大器、低噪聲放大器、上/下變頻器和Modem等關(guān)鍵設(shè)備均配置為1:1熱備份的情況。而在這種情況下，該衛(wèi)星通信地面站中的單一故障點就只剩有天線這一主要設(shè)備了[3]。

單一故障點的概念不僅僅只適用于衛(wèi)星通信地面站內(nèi)部，而且還可以推廣到整個衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。即，如果衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中某一站點的失效會導(dǎo)致全網(wǎng)癱瘓的話，那么該站點就被稱作該衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的單一故障點。而衡量衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)可靠性高低的一項重要指標就是看網(wǎng)絡(luò)當中是否存在單一故障點？如果存在，又如何消除？

2.TDM/TDMA網(wǎng)絡(luò)的可靠性

在一個典型的TDM/TDMA網(wǎng)絡(luò)中，主站和VSAT遠端站在Modem（調(diào)制解調(diào)器）設(shè)備上的配置是正好相反的。其中：主站的基本配置是一個TDM調(diào)制器和一個TDMA解調(diào)器，發(fā)射TDM載波并接收TDMA載波；而VSAT遠端站的基本配置則是一個TDMA調(diào)制器和一個TDM解調(diào)器，發(fā)射TDMA載波并接收TDM載波。

圖1 僅有單機配置的地面站

圖2 有冗余熱備份配置的地面站

如圖3，所有VSAT遠端站都只能接收并解調(diào)從主站發(fā)出的TDM載波，而所有VSAT遠端站發(fā)射的TDMA載波也只有主站才能接收和解調(diào)。VSAT遠端站則因為只有TDM解調(diào)器，沒有TDMA解調(diào)器，所以是不能直接接收并解調(diào)其它VSAT遠端站發(fā)射的TDMA載波的。故TDM/TDMA一般只用于組建星狀網(wǎng)。

這樣在TDM/TDMA星狀網(wǎng)中，所有VSAT遠端站都只能與主站直接互通，而VSAT遠端站之間則不能通過衛(wèi)星單跳直接互通。倘若VSAT遠端站之間也需要相互通信的話，則必須經(jīng)由主站轉(zhuǎn)發(fā)，通過衛(wèi)星雙跳才能實現(xiàn)。見圖4。

顯然，主站在TDM/TDMA星狀網(wǎng)中起著至關(guān)重要的作用，因為包括用戶業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)控制和網(wǎng)絡(luò)管理在內(nèi)的所有信息都源于，并且都必須先匯集于主站，然后才能做進一步的處理。而主站一旦失效，整個網(wǎng)絡(luò)就必然癱瘓。所以在TDM/TDMA星狀網(wǎng)中，主站就是整個網(wǎng)絡(luò)中的單一故障點。見圖5。

也許有人會說，如果我們拼命加強主站的可靠性，把主站里的所有設(shè)備都配置成熱備份，甚至把像天線這樣再結(jié)實不過的大鐵疙瘩，也都搞一個緊緊挨在主用天線旁邊的熱備份，讓主站萬無一失，那網(wǎng)絡(luò)是不是就不會癱瘓了？

其實不然，因為無論在主站內(nèi)部如何把各種設(shè)備都配置成為熱備份（即本地備份），不管主站自身在設(shè)備上如何可靠，但設(shè)備之外的許多不可控因素，如降雨降雪、地震火災(zāi)、關(guān)機斷電、人為破壞等各種各樣的天災(zāi)人禍，還是難以預(yù)測，甚至不可避免的。而這些因素都有可能導(dǎo)致主站失效，進而使得全網(wǎng)癱瘓。見圖6。

其實不難看出，不單TDM/TDMA星狀網(wǎng)才有這樣的問題，其它衛(wèi)星通信體制，如SCPC、MCPC、DVB/RCS、TDMA等，以及其它拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如網(wǎng)狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)、混合狀網(wǎng)等，都有可能存在單一故障點。而只要存在像主站這樣的單一故障點，整個網(wǎng)絡(luò)在可靠性上就都存在嚴重的隱患。因為只要將主站摧毀，整個網(wǎng)絡(luò)就會全網(wǎng)癱瘓。只不過像TDM/TDMA這樣通常只有一個主站的、典型的星狀網(wǎng)最具代表性，而解決之道則是在網(wǎng)絡(luò)中的不同地點設(shè)置多個異地備用的主站。

圖3 TDM/TDMA星狀網(wǎng)

圖4 TDM/TDMA星狀網(wǎng)中的雙跳通信

圖5 主站失效導(dǎo)致星狀網(wǎng)癱瘓

3.純TDMA網(wǎng)絡(luò)的可靠性

與TDM/TDMA網(wǎng)絡(luò)不同，在一個典型的純TDMA網(wǎng)絡(luò)中，所有站點在Modem設(shè)備的基本配置上都是一樣的，都是一個TDMA的Modem，即一個TDMA調(diào)制器和一個TDMA解調(diào)器。所有站點都向同一頻點上分時發(fā)射突發(fā)載波，并同時在同一頻點上接收來自于其它站點的突發(fā)載波。所以，利用純TDMA技術(shù)組建的網(wǎng)絡(luò)從本質(zhì)上來講是天然的網(wǎng)狀網(wǎng)，而且是真正的全網(wǎng)狀網(wǎng)。見圖7。

至于說其它拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，如星狀網(wǎng)、多星狀網(wǎng)、混合狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)、部分網(wǎng)狀網(wǎng)等，則都是在這樣的全網(wǎng)狀網(wǎng)的基礎(chǔ)上裁剪出來的[4]。

所以，在這樣的純TDMA網(wǎng)絡(luò)中，所有站點不僅在Modem的基本配置上，而且在發(fā)射和接收載波的性質(zhì)、頻率和速率上也都是相同的，即所有站點在衛(wèi)星通信鏈路上和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的地位其實都是平等的，并沒有什么主次之分[5]。這就為消除網(wǎng)絡(luò)中的單一故障點打下了基礎(chǔ)，創(chuàng)造了條件。因為這就有可能把其中的任意一個站點設(shè)置成為主站，甚或把其中的任意幾個站點都設(shè)置成為主站。見圖8。

這樣，不管主用主站的失效是由于設(shè)備故障等站內(nèi)原因，還是由于降雨降雪等站外原因造成的，由于還另有一異地備用主站依然在線，可以自動取代主用主站的工作，繼續(xù)維持全網(wǎng)的正常運行，所以用戶的業(yè)務(wù)中心和VSAT遠端站之間的星狀通信（藍色實線），以及VSAT遠端站之間的網(wǎng)狀通信，還都可以繼續(xù)保持，不會中斷，從而顯著提高整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性。圖10、圖11兩圖即為這一原理分別應(yīng)用于雙主站星狀網(wǎng)和雙主站網(wǎng)狀網(wǎng)時，以網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)來進行描述時的情景。

圖4.6 主站降雨(左)、火災(zāi)(中)或地震(右)等導(dǎo)致星狀網(wǎng)癱瘓

圖7 純TDMA全網(wǎng)狀網(wǎng)

圖8 純TDMA單主站網(wǎng)絡(luò)(左)和雙主站網(wǎng)絡(luò)(右)

圖9 純TDMA網(wǎng)絡(luò)的雙主站無縫切換

如圖10、11所示，在純TDMA網(wǎng)絡(luò)中，由于異地備用主站是始終在線的，所以主用主站和備用主站之間的切換是很輕松而自然的，不僅能夠做到完全自動，而且還可以做到天衣無縫。

不僅于此，倘若覺得只有一個備用主站仍不夠放心，網(wǎng)絡(luò)仍不夠可靠的話，則還可以將這一自動的、無縫的切換方式進一步推廣，組建多主站網(wǎng)絡(luò)。見圖12。

在純TDMA技術(shù)組建的網(wǎng)絡(luò)中，由于各個站點都具有相等的地位，所以在不改變Modem硬件的情況下，將任意站點設(shè)置成為主站并非難事。而倘若把網(wǎng)絡(luò)中的所有站點都設(shè)置為主站的話，網(wǎng)絡(luò)的可靠性就可以達到最高的水平，因為這樣當且僅當所有站點全都失效時（比如全被摧毀），整個網(wǎng)絡(luò)才算真正癱瘓。

4.TDM/TDMA網(wǎng)絡(luò)中的主站異地備份

也許有人會問：“那么在TDM/TDMA網(wǎng)絡(luò)中，可不可以也通過設(shè)置兩個或者多個互為異地備份的主站來消除單一故障點，以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性呢？”

當然可以，不過實現(xiàn)方式與純TDMA網(wǎng)絡(luò)有很大差別，并且分有縫切換和無縫切換兩種方式，而每種方式則都有不盡如人意的地方。

TDM/TDMA網(wǎng)絡(luò)的有縫切換

忽然看到一個白白凈凈的饅頭放到乞丐的碗里，我抬頭一看，原來正是楊公子，他溫藹地對乞丐說，別餓著。乞丐趕緊答謝他。

圖13所示為在TDM/TDMA網(wǎng)絡(luò)中實施有縫切換時的異地備用主站方式。

●在平時正常情況下，只有主用主站才在頻點f出境上發(fā)射TDM出境載波，而位于異地的備用主站則處于待機或關(guān)機模式，不發(fā)射任何載波。即備用主站平時是不在線的，不處于入網(wǎng)運行狀態(tài)。否則，由于TDM載波為連續(xù)載波，而不是像TDMA那樣是突發(fā)載波，倘若兩個主站在同一頻點上一起發(fā)射TDM載波的話，就會相互干擾了。

●當主用主站失效并停止在f出境上發(fā)射TDM出境載波時，備用主站才可以在得到明確的指令之后，開始在f出境上發(fā)射備用的出境載波（灰色載波），其參數(shù)則與原主用主站發(fā)射的TDM載波相同。

圖10 純TDMA星狀網(wǎng)中的異地備用主站切換

圖11 純TDMA網(wǎng)狀網(wǎng)中的異地備用主站切換

圖12 純TDMA多主站星狀網(wǎng)(左)和多主站網(wǎng)狀網(wǎng)(右)

●這樣，所有VSAT遠端站就可以在原來的頻點f出境上，繼續(xù)接收到TDM出境載波，而備用主站也可以在頻點f入境上接收到VSAT遠端站的TDMA入境載波，整個網(wǎng)絡(luò)的通信業(yè)務(wù)也就能夠得到恢復(fù)了。

這種方式的優(yōu)點是簡單，VSAT遠端站使用常規(guī)的、只有一個TDM解調(diào)器的IDU（室內(nèi)單元）就可以了。

但這種方式的缺點也很明顯，那就是由于備用主站平時處于待機甚至關(guān)機狀態(tài)，啟動TDM載波的發(fā)射以取代原主用主站需要一定時間，而所有VSAT遠端站在通信鏈路層和數(shù)據(jù)鏈路層上的重新同步，以及在網(wǎng)絡(luò)層（如IP）和傳輸層（如TCP和UDP）上的業(yè)務(wù)恢復(fù)也需要花費一定時間，所以整個切換過程是有縫的，其間會發(fā)生通信鏈路的中斷，以及用戶業(yè)務(wù)的丟失。故這種有縫的切換方式對于那些對可靠性和實時性有很高要求的業(yè)務(wù)和應(yīng)用，如股票交易、應(yīng)急通信等，并不有利。

另外還有一個缺點，就是TDM/TDMA系統(tǒng)的主站本就已經(jīng)十分昂貴，而再建設(shè)一個備用主站則會使費用更高，這對于一般的用戶來說還是很難以承受的。

TDM/TDMA網(wǎng)絡(luò)的無縫切換

倘若用戶對網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求很高，不允許出現(xiàn)通信鏈路及業(yè)務(wù)的中斷和丟失，那就必須采用無縫的主站切換方式了。見圖14。

●與有縫方式不同，在平時正常情況下，除了主用主站在頻點f出境-1發(fā)射出一個TDM出境載波并向VSAT遠端站傳輸業(yè)務(wù)外，備用主站就已經(jīng)在另外一個頻點f出境-2同時發(fā)射出了另一個完全相同的TDM載波（灰色載波）。而每個VSAT遠端站的IDU（室內(nèi)單元）中也都配置有兩個TDM解調(diào)器，可以同時接收并解調(diào)這兩個主站發(fā)出的TDM載波。

●當主用主站失效并停止在f出境-1上發(fā)射TDM載波時，VSAT遠端站仍可利用另一解調(diào)器（TDM解調(diào)器-2），從f出境-2上接收到備用主站的TDM出境載波，從而繼續(xù)保持與業(yè)務(wù)中心之間的業(yè)務(wù)通信。

圖13 TDM/TDMA雙主站星狀網(wǎng)中的有縫切換

圖14 TDM/TDMA雙主站星狀網(wǎng)中的無縫切換

這種方式的優(yōu)點是大大提高了可靠性，可以確保主備主站之間的無縫切換以及通信鏈路上的連續(xù)暢通，能夠基本保證用戶的通信業(yè)務(wù)不發(fā)生中斷[6]。

而這種方式的缺點也很明顯，那就是貴。不僅像有縫切換那樣，需要再建設(shè)一個昂貴的備用主站，而且VSAT遠端站里的IDU（室內(nèi)單元）也需要再增加一個TDM解調(diào)器，以及相應(yīng)的Switch（切換器、交換機）等[7]。另外在衛(wèi)星上，也需要在平時就額外租用一段帶寬，專門分配給備用主站發(fā)射備用的TDM載波，以備隨時無縫地取代主用主站的工作。而作為備用，這個TDM載波及其占用的帶寬平時基本都處于閑置狀態(tài)，可以說是相當?shù)臒X。

5.總結(jié)

在VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，尤其是在以TDM/TDMA為代表的傳統(tǒng)的星狀網(wǎng)中，造成網(wǎng)絡(luò)可靠性差的一個主要根源就在于主站，就在于主站往往是網(wǎng)絡(luò)中的單一故障點。而提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的最為有效的措施就是設(shè)置兩個或者多個異地備用主站，以消除這網(wǎng)絡(luò)中的單一故障點。雖然在傳統(tǒng)的TDM/TDMA星狀網(wǎng)中可以采取這種措施，但相比而言，在純TDMA網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置異地備用主站，不僅更加輕松自然、無縫可靠，而且還更加經(jīng)濟。

值得一提的是，主站（或中心站）其實是一個概念相當含糊的詞匯，如果進一步細分的話則還有業(yè)務(wù)中心（Hub）、網(wǎng)絡(luò)控制中心（NCC）和網(wǎng)絡(luò)管理中心（NMS）等幾種類型的主站。在很多VSAT網(wǎng)絡(luò)中，尤其是在TDM/TDMA星狀網(wǎng)中，這些中心往往會被集中設(shè)置于同一站點中（如Hub），從而使得網(wǎng)絡(luò)的可靠性更加脆弱；但在TDMA網(wǎng)狀網(wǎng)中，這些中心不僅可以輕松地設(shè)置多個，而且還可以隨意地分布于不同的站點中，從而使得網(wǎng)絡(luò)更加健壯，可靠性和抗毀性能夠得到更進一步的加強。

總而言之，在網(wǎng)絡(luò)的可靠性、健壯性和抗毀性上，利用純TDMA技術(shù)組網(wǎng)比利用TDM/TDMA技術(shù)組網(wǎng)能夠獲得更佳的性能。

注釋

[1]單一故障點的英文為Single Point of Failure。

[2]在衛(wèi)星通信及其它通信系統(tǒng)中，有一個專門用來研究系統(tǒng)可靠性的專業(yè)性指標叫可用度（Availability）。有關(guān)可用度有一套非常嚴密和完整的分析及計算方法，感興趣的讀者可另行查閱。而鑒于可用度對于一般用戶來說頗為陌生，且其應(yīng)用也日漸減少，所以為通俗起見，本文均統(tǒng)一采用可靠性的說法。

[3]這里提到的只是一些主要設(shè)備。其它的一些輔助設(shè)備，如中頻合路/分路器、中頻電纜、倒換開關(guān)、路由器和供電設(shè)備等，也都有可能成為地面站中的單一故障點。

[4]詳見《純TDMA和TDM/TDMA網(wǎng)絡(luò)比較》“組網(wǎng)篇”。

[5]多頻時分多址MF-TDMA技術(shù)的出現(xiàn)，使得在同一TDMA網(wǎng)絡(luò)中可以有多路速率不同的TDMA信道；而ACM（自適應(yīng)編碼調(diào)制）技術(shù)的出現(xiàn)，則允許在同一TDMA信道中，各站發(fā)射載波的編碼調(diào)制（MODCOD）方式以及速率也可按需而變且互不不同。但由于所有站點Modem的基本配置依然是“TDMA調(diào)制器＋TDMA解調(diào)器”，所有站點仍以純TDMA方式時分共享相同的衛(wèi)星信道，所以各站在通信鏈路層面上的地位依然是完全平等的。

[6]雖然通信鏈路在物理層上可一直保持，但在更高的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層上則還存在著其它種類的連接過程，如靜態(tài)和動態(tài)路由、路由匯聚和更新、負載均衡、握手和超時等等。這些過程也會對網(wǎng)絡(luò)的可靠性和業(yè)務(wù)的連續(xù)性造成影響，故也需綜合進行考察。

[7]在有些TDM/TDMA系統(tǒng)中，遠端站的IDU（室內(nèi)單元）在只有一個TDM解調(diào)器的情況下，也可以通過預(yù)先設(shè)置，使其能夠自動地在兩個或多個TDM出境載波之間進行切換接收，從而支持主用主站和備用主站的備份操作。不過，由于涉及到接收頻率的改變和TDM出境載波的重新同步，所以這種切換方式還是有縫的。