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VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的基本概念及其特點(diǎn) VSAT是英文 VerySmallApertureTerminal 甚小口徑終端 的縮寫 簡(jiǎn)稱小站 它是國(guó)外20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一個(gè)衛(wèi)星通信新領(lǐng)域 所謂VSAT 是指一類具有甚小口徑天線的智能化小型或微型地球站 這類小站可以很方便地安裝在用戶處 通常 大量這類小站與一個(gè)大站協(xié)同工作 構(gòu)成一個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng) 能夠支持范圍廣泛的單向或雙向數(shù)據(jù) 話音 圖像及其它綜合電信及信息業(yè)務(wù) 它的出現(xiàn) 是一系列先進(jìn)技術(shù)綜合運(yùn)用的結(jié)果 發(fā)展背景 VSAT于20世紀(jì)80年代最先在美國(guó)興起 發(fā)展速度很快 是30多年來(lái)衛(wèi)星通信技術(shù)的轉(zhuǎn)折性發(fā)展 利用這種系統(tǒng)進(jìn)行通信具有靈活性強(qiáng) 可靠性高 成本低 使用方便以及小站可直接裝在用戶端等特點(diǎn) 借助VSAT用戶數(shù)據(jù)終端可直接利用衛(wèi)星信道與遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng) 完成數(shù)據(jù)傳遞 文件交換或遠(yuǎn)程處理 從而擺脫了本地區(qū)的地面中繼線問題 這在地面網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達(dá) 通信線路質(zhì)量不好或難于傳輸高速數(shù)據(jù)的邊遠(yuǎn)地區(qū) 使用VSAT作為數(shù)據(jù)傳輸手段是一種很好的選擇 它將是未來(lái)電信系統(tǒng)的重要組成部分 依賴地面超大容量光纖網(wǎng) 以及空間寬帶衛(wèi)星網(wǎng) 使用戶設(shè)備方便地直接接入全國(guó)或全球?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò) 其主要特點(diǎn)有 1 設(shè)備簡(jiǎn)單 體積小 重量輕 耗電省 造價(jià)低 安裝 維護(hù)和操作簡(jiǎn)便 2 組網(wǎng)靈活 容易擴(kuò)充用 而且維修方便 3 通信效率高 性能質(zhì)量好 可靠性高 通信容量可以自適應(yīng) 適于多種數(shù)據(jù)率和多種業(yè)務(wù)類型 即能夠傳輸綜合業(yè)務(wù) 便于向ISDN過渡 4 可建立直接面對(duì)用戶的直達(dá)電路 它可以與用戶終端直接接口 避免了一般衛(wèi)星通信系統(tǒng)信息落地后還需要地面線路引接的問題 5 集成化程度高 智能化 包括操作智能化 接口智能化 支持業(yè)務(wù)智能化 信道管理智能化等 功能強(qiáng) 可無(wú)人操作 6 建設(shè)周期短 不受地形和氣候環(huán)境的影響 它比傳統(tǒng)的地面通信手段簡(jiǎn)單得多 不需要架設(shè)電纜 光纜 7 獨(dú)立性強(qiáng) 互操作性好 可使采用不同標(biāo)準(zhǔn)的用戶跨越不同地面網(wǎng)而在同一個(gè)VSAT網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行通信 VSAT數(shù)據(jù)通信網(wǎng) VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng)的組成及工作原理 1 VSAT網(wǎng)的組成 VSAT網(wǎng)是由主站 HUB 衛(wèi)星和許多遠(yuǎn)端小站 VSAT 三部分組成的 通常采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) VSAT網(wǎng)構(gòu)成示意圖 1 主站 中心站 主站又稱中心站 中央站 或樞紐站 HUB 它是VSAT網(wǎng)的心臟 它與普通地球站一樣 使用大型天線 其天線直徑一般為3 5 8m Ku波段 或7 13m C波段 并配有高功率放大器 HPA 低噪聲放大器 LNA 上 下變頻器 調(diào)制解調(diào)器及數(shù)據(jù)接口設(shè)備等 主站通常與主計(jì)算機(jī)放在一起或通過其它 地面或衛(wèi)星 線路與主計(jì)算機(jī)連接 主站高功率放大器的功率要求與許多因素有關(guān) 例如 通信體制 工作頻段 數(shù)據(jù)速率 發(fā)射載波數(shù)目 衛(wèi)星特性以及遠(yuǎn)端接收站的大小及位置等 其額定功率一般為數(shù)百瓦 最小1W 最大達(dá)數(shù)千瓦 當(dāng)額定功率為1 10W時(shí) 一般采用固態(tài)砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管 GaAsFET 放大器 當(dāng)額定功率為10 250W時(shí) 一般采用行波管放大器 TWTA 而當(dāng)它為500 2000W時(shí) 一般采用速調(diào)管放大器 例如 采用6 0個(gè)發(fā)射載波的C波段11m地球站 HPA的功率約為300W 2 小站 VSAT VSAT小站由小口徑天線 室外單元和室內(nèi)單元組成 VSAT天線有正饋和偏饋兩種形式 正饋天線尺寸較大 而偏饋天線尺寸小 性能好 增益高 旁瓣小 且結(jié)構(gòu)上不易積冰雪 因此常被采用 室外單元主要包括GaAsFET固態(tài)功放 低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管放大器 上 下變頻器和相應(yīng)的監(jiān)測(cè)電路等 整個(gè)單元可以裝在一個(gè)小金屬盒子內(nèi)直接掛在天線反射器背面 室內(nèi)單元主要包括調(diào)制解調(diào)器 編譯碼器和數(shù)據(jù)接口設(shè)備等 室內(nèi)外兩單元之間以同軸電纜連接 傳送中頻信號(hào)和供電電源 整套設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊 造價(jià)低廉 全固態(tài)化 安裝方便 環(huán)境要求低 可直接與其數(shù)據(jù)終端 微計(jì)算機(jī) 數(shù)據(jù)通信設(shè)備 傳真機(jī) 電傳機(jī)等 相連 不需要地面中繼線路 3 空間段 VSAT網(wǎng)的空間部分是C頻段或Ku頻段同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器 C頻段電波的優(yōu)點(diǎn)是傳播條件好 降雨影響小 可靠性高 小站設(shè)備簡(jiǎn)單 可利用地面微波成熟技術(shù) 開發(fā)容易 系統(tǒng)費(fèi)用低 但由于有與地面微波線路相互干擾的問題 功率通量密度不能太大 限制了天線尺寸進(jìn)一步小型化 而且在干擾密度強(qiáng)的大城市選址困難 C波段通常采用擴(kuò)頻技術(shù)降低功率譜密度 以減小天線尺寸 但采用擴(kuò)頻技術(shù)限制了數(shù)據(jù)傳輸速率的提高 通常 Ku頻段與C頻段相比具有以下優(yōu)點(diǎn) 不存在與地面微波線路相互干擾的問題 架設(shè)時(shí)不必考慮地面微波線路而可隨地安裝 允許的功率通量密度較高 天線尺寸可以更小 傳輸速率可更高 天線尺寸一樣時(shí) 天線增益比C頻段高6 10dB 雖然Ku頻段的傳播損耗特別是降雨影響大 但實(shí)際上線路設(shè)計(jì)時(shí)都有一定的余量 線路可用性很高 在多雨和衛(wèi)星覆蓋邊緣地區(qū) 使用稍大口徑的天線即可獲得必要的性能余量 因此 目前大多數(shù)VSAT系統(tǒng)主要采用Ku頻段 2 VSAT系統(tǒng)工作原理 1 外向 Outbound 傳輸 在VSAT網(wǎng)中 主站向外方向發(fā)射的數(shù)據(jù) 也即從主站通過衛(wèi)星向小站方向傳輸?shù)臄?shù)據(jù) 叫作外向傳輸數(shù)據(jù) 外向信道通常采用時(shí)分復(fù)用 TDM 或統(tǒng)計(jì)TDM技術(shù)連續(xù)性地向外發(fā)射 即從主站向各遠(yuǎn)端小站發(fā)送的數(shù)據(jù) 由主計(jì)算機(jī)進(jìn)行分組格式化 組成TDM幀 通過衛(wèi)星以廣播方式發(fā)向網(wǎng)中所有遠(yuǎn)端小站 為了各VSAT站的同步 每幀 約1s 開頭發(fā)射一個(gè)同步碼 同步碼特性應(yīng)能保證各VSAT小站在未糾錯(cuò)誤比特率為1 10 3時(shí) 仍能保證可靠地同步 該同步碼還應(yīng)向網(wǎng)中所有終端提供TDMA幀的起始信息 SOF 2 內(nèi)向 Inbound 傳輸 各遠(yuǎn)端小站通過衛(wèi)星向主站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)叫作內(nèi)向傳輸數(shù)據(jù) 在VSAT網(wǎng)中 各個(gè)用戶終端可以隨機(jī)地產(chǎn)生信息 因此 內(nèi)向數(shù)據(jù)一般采用隨機(jī)方式發(fā)射突發(fā)性信號(hào) 采用信道共享協(xié)議 一個(gè)內(nèi)向信道可以同時(shí)容納許多小站 所能容納的最大站數(shù)主要取決于小站的數(shù)據(jù)率 許多分散的小站 以分組的形式 通過具有延遲 S秒的RA TDMA衛(wèi)星信道向主站發(fā)送數(shù)據(jù) 由于VSAT本身一般收不到經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的小站發(fā)射信號(hào) 因此不能用自發(fā)自收的方法監(jiān)視本站發(fā)射信號(hào)的傳輸情況 因而利用爭(zhēng)用協(xié)議時(shí) 需要采用肯定應(yīng)答 ACK 方案 以防止數(shù)據(jù)的丟失 即主站成功收到小站信號(hào)后 需要通過TDM信道回傳一個(gè)ACK信號(hào) 宣布已成功收到了數(shù)據(jù)分組 如果由于誤碼或分組碰撞造成傳輸失敗 小站收不到ACK信號(hào) 則為失敗的分組 需要重傳 綜上所述可以看出 VSAT網(wǎng)與一般衛(wèi)星網(wǎng)不同 它是一個(gè)典型的不對(duì)稱網(wǎng)絡(luò) 即鏈路兩端設(shè)備不同 執(zhí)行的功能不同 內(nèi)向和外向業(yè)務(wù)量不對(duì)稱 內(nèi)向和外向信號(hào)強(qiáng)度不對(duì)稱 主站發(fā)射功率大得多 以便適應(yīng)VSAT小天線的要求 VSAT發(fā)射功率小 主要利用主站高的接收性能來(lái)接收VSAT的低電平信號(hào) VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及組網(wǎng)形式VSAT通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)有星型 網(wǎng)型及兩者的混合形式 在星型網(wǎng)中 外圍各遠(yuǎn)端小站只與中心站直接發(fā)生聯(lián)系 它們互相之間不能通過衛(wèi)星直接互通 如有必要 各小站需經(jīng)中心站轉(zhuǎn)接方能建立聯(lián)系 形成邏輯上的網(wǎng)型網(wǎng) 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?它是目前VSAT網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)形式 VSAT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) a 星型網(wǎng)絡(luò) b 網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò) c 星型和網(wǎng)型混合網(wǎng)絡(luò) d 點(diǎn) 點(diǎn)或衛(wèi)星單跳結(jié)構(gòu) VSAT作網(wǎng)關(guān) e VSAT作遠(yuǎn)端終端 VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng)接入方式 多址協(xié)議 1 頻分多址 FDMA FDMA是一種傳統(tǒng)的多址方式 FDM FDMA和TDM QPSK FDMA一般用在業(yè)務(wù)量大的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中 在VSAT系統(tǒng)中一般采用SCPC FDMA多址方式 尤其在以傳輸話音為主的VSAT系統(tǒng)中大量采用SCPC方式 與按需分配 DAMA 技術(shù)相結(jié)合 可以大大提高衛(wèi)星信道利用率 SCPC方式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是 各個(gè)地球站發(fā)射功率大小僅與本站發(fā)射載波 即信道 數(shù)有關(guān) 與整個(gè)VSAT系統(tǒng)的信道數(shù) 即系統(tǒng)總通信量 無(wú)關(guān) 業(yè)務(wù)量較小的地球站可以發(fā)射較小的功率 從而降低了小站成本 2 時(shí)分多址 TDMA TDMA是一種適用于大容量通信的多址方式 適用于站少容量大的系統(tǒng) 像VSAT這樣一種站數(shù)十分多的系統(tǒng)單純使用TDMA是不合理的 但TDMA是一種很有吸引力的多址方式 尤其數(shù)字傳輸系統(tǒng)為TDMA的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了有利的技術(shù)基礎(chǔ) 在VSAT系統(tǒng)中 TDMA是與FDMA及頻率跳變 FH 結(jié)合在一起發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)的 系統(tǒng)占用的帶寬先按頻率劃分成各個(gè)載波 然后在每個(gè)獨(dú)立載波的基礎(chǔ)上使用TDMA 每個(gè)站指定的載波在所分配的時(shí)隙內(nèi)發(fā)射 時(shí)隙的長(zhǎng)短可以按業(yè)務(wù)量改變 也可以在必要時(shí)跳變到另一個(gè)載波上指定的時(shí)隙內(nèi)發(fā)射 這種多載波的TDMA方式避免使用較大的TDMA載波 降低了小站發(fā)射功率和成本 在VSAT系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用 并與DAMA技術(shù)相結(jié)合 常用的形式有 1 預(yù)分配TDMA TDMA PA 它是最基本的TDMA方式 但一般可以做到按時(shí)重分配 由網(wǎng)絡(luò)控制中心設(shè)定各站信道數(shù)及路由 在指定的時(shí)刻切換改變 2 按需 動(dòng)態(tài) 分配TDMA TDMA DA 各站僅在有業(yè)務(wù)要發(fā)送時(shí)向控制中心申請(qǐng)時(shí)隙 由控制中心實(shí)時(shí)分配時(shí)隙 3 比特流方式 系統(tǒng)通過配置 設(shè)定用戶固定地使用某一段固定時(shí)隙進(jìn)行透明傳輸 這是在有協(xié)議支持的系統(tǒng)中為用戶提供無(wú)需協(xié)議支持的透明信道的一種方式 比特流時(shí)隙的分配可以是按需分配 也可以是預(yù)分配 在實(shí)際應(yīng)用中 這一時(shí)隙的安排通常是在內(nèi)向載波和外向載波中同時(shí)對(duì)應(yīng)設(shè)置的 對(duì)于具有均勻輸入比特速率且要求實(shí)時(shí)傳送的用戶數(shù)據(jù) 如數(shù)字話音業(yè)務(wù) 比特流方式是最佳的 4 組合訪問TDMA CA TDMA 該方式是一種同時(shí)包括爭(zhēng)用方式和固定分配方式的多址訪問協(xié)議 它由前述S ALOHA和固定分配TDMA FA TDMA 兩種方式組成 它主要用于信道內(nèi)各VSAT的異型混合 其中有些需要低延時(shí)的交互式應(yīng)用 有些則要求分配專用信道來(lái)傳輸大業(yè)務(wù)量交互式數(shù)據(jù)和 或批文件 CA TDMA具有良好的韌性 中等的時(shí)延 批數(shù)據(jù)傳輸所需的吞吐量 中等的復(fù)雜程度及中等的信道利用率 因此比較適合于中等要求下的交互式數(shù)據(jù)傳輸以及專用帶寬占用下的數(shù)據(jù)傳輸 5 自適應(yīng)多址方式 目前在大型VSAT網(wǎng)中 采用的最為先進(jìn)的多址方式為自適應(yīng)多址方式 它綜合了幾種多址方式的優(yōu)點(diǎn) 根據(jù)VSAT網(wǎng)中實(shí)際業(yè)務(wù)的特點(diǎn)動(dòng)態(tài)地選取適合的多址方式 對(duì)于大量的低業(yè)務(wù)量 短數(shù)據(jù)突發(fā)的用戶 為保證短的響應(yīng)時(shí)間 宜采用S ALOHA方式 而當(dāng)需要傳輸偶爾出現(xiàn)的長(zhǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí) 可采用預(yù)約方式 通過S ALOHA 信道預(yù)約或拆除預(yù)約 預(yù)約用戶得到批準(zhǔn)后 可長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)占預(yù)約得到的信道時(shí)隙 直到傳輸完畢拆除預(yù)約為止 對(duì)于傳輸數(shù)字話音和要求透明傳輸用戶數(shù)據(jù)的場(chǎng)合 可采用比特流方式 將一定時(shí)隙固定分配給用戶獨(dú)用 用戶究竟采用哪種方式可以在系統(tǒng)組建時(shí)預(yù)先設(shè)置好 也可以在系統(tǒng)運(yùn)行過程中根據(jù)需要通過主站的控制進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整 可以做到自動(dòng)測(cè)控 自動(dòng)調(diào)節(jié) 協(xié)議之間可智能轉(zhuǎn)換 3 碼分多址 CDMA 方式 CDMA方式的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性強(qiáng) 常用的CDMA實(shí)現(xiàn)方案是直接序列擴(kuò)頻 DS 采用CDMA方式的系統(tǒng)中各站在同一時(shí)間使用同一頻率 且發(fā)射功率不需進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控 因此整個(gè)系統(tǒng)不需要復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)控制 CDMA的主要缺點(diǎn)是頻帶利用率低 一般僅為百分之十幾 因此 該方式適用于傳輸速率較低的業(yè)務(wù) 用于較小的系統(tǒng) 尤其是軍用通信系統(tǒng) 也可用于廣播式系統(tǒng)中 4 隨機(jī)多址 RA 方式 RA是一種爭(zhēng)用多址方式 是VSAT系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的多址協(xié)議 無(wú)論是P ALOHA S ALOHA 還是SREJ ALOHA均有應(yīng)用 隨機(jī)多址協(xié)議不僅其本身作為獨(dú)立的數(shù)據(jù)信道多址協(xié)議應(yīng)用 而且在許多新型的多址協(xié)議 如預(yù)約協(xié)議 組合訪問協(xié)議和自適應(yīng)協(xié)議 中 它也是重要的組成部分 多址協(xié)議的選擇 VSAT通信網(wǎng) 1 話音VSAT網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 1 業(yè)務(wù)信道 話音VSAT網(wǎng)通常采用電路交換方式 這是由電話業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性決定的 話音VSAT網(wǎng)的業(yè)務(wù)子網(wǎng)中 業(yè)務(wù)信道 話音信道 多采用SCPC方式 也可采用TDMA等多址方式 對(duì)以話音為主 采用電路交換的話音VSAT網(wǎng)而言 顯然采用DAMA方式分配信道資源比較合適 但在少數(shù)大業(yè)務(wù)量的站間也可分配一定數(shù)量的預(yù)分配信道 2 控制信道 話音VSAT網(wǎng)的控制子網(wǎng)相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng) 在控制子網(wǎng)中 小站和中心站之間一般采用TDM ALOHA體制 即外向傳輸采用TDM 內(nèi)向傳輸采用ALOHA S ALOHA或其它改進(jìn)型 此種方式技術(shù)簡(jiǎn)單 造價(jià)低 因此在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用較多 2 話音VSAT網(wǎng)按需分配呼叫過程 話音VSAT網(wǎng)的信道分配方式通常是按需分配與預(yù)分配相結(jié)合的 按需分配的呼叫過程有三個(gè)基本階段 呼叫建立 2 通話 3 拆線 DAMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 1 DAMA呼叫建立過程 呼叫建立過程 建立一個(gè)DAMA呼叫的步驟如下 呼叫方的PABX占用至VCU的中繼線 VCU確認(rèn)該線占用并向呼叫方PABX發(fā)回一 占用確認(rèn) 信號(hào) 同時(shí)準(zhǔn)備接收撥號(hào)號(hào)碼 VCU接收到號(hào)碼的最后一位數(shù)后 即形成一 呼叫請(qǐng)求 信息 其中含有撥號(hào)號(hào)碼 并將其發(fā)給NCS NCS立即向呼方VCU發(fā)回一 確認(rèn) 信號(hào)以應(yīng)答該ALOHA信息 NCS確定被叫方VCU的地址后 即檢驗(yàn)該VCU是否處于空閑狀態(tài) 若該VCU可用 則在主叫方和被叫方VCU之間建立一條話音電路 這兩個(gè)VCU在NCS處被標(biāo)識(shí)處于工作狀態(tài) 這樣就不會(huì)再被分配用作另一呼叫 NCS接著給主叫方和被叫方發(fā)送一 呼叫分配 信息 該信息內(nèi)容包括 誰(shuí)是呼叫方 誰(shuí)是被叫方 呼叫所用頻率等 同時(shí)在NCS的呼叫記錄中開始對(duì)此次呼叫計(jì)時(shí) 呼叫和被叫VCU均調(diào)諧在分配的話音電路上 被叫方VCU同時(shí)占用與其相連的PABX的中繼線 收到撥號(hào)號(hào)碼后 PABX將電路接通至被呼號(hào)用戶 2 DAMA呼叫的拆線過程 DAMA呼叫的拆線過程如圖所示 DAMA呼叫的拆線順序 話音呼叫的拆線步驟如下 呼叫方掛機(jī)后 呼叫方PABX檢測(cè)出掛機(jī)信號(hào) 呼叫方VCU確認(rèn)掛機(jī)狀態(tài)后 即通過分配的話音信道向被叫方VCU發(fā)送一 拆線指示信息 被叫方VCU發(fā)回一個(gè) 拆線指示確認(rèn) 信息 并將掛機(jī)狀態(tài)通知本地PABX 收到 拆線指示確認(rèn) 信息后 呼叫方VCU即回到控制信道并向NCS發(fā)送一個(gè) 呼叫完成 信息 NCS用一 ALOHA確認(rèn) 應(yīng)答 被叫方VCU收到本地PABX發(fā)來(lái)的掛機(jī)信號(hào)后 即返回控制信道 并發(fā)送一 呼叫完成 信息 NCS收回分配的頻率點(diǎn) 標(biāo)識(shí)呼叫方和被叫方VCU處于空閑狀態(tài) 并向兩個(gè)VCU發(fā)出 呼叫終止 信息 NCS對(duì)本次呼叫的呼叫記錄結(jié)束并存盤 VSAT站能很方便地組成不同規(guī)模 不同速率 不同用途的靈活而經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 一個(gè)VSAT網(wǎng)一般能容納200 500個(gè)站 有廣播式 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式 雙向交互式 收集式等應(yīng)用形式 它既可以應(yīng)用于發(fā)達(dá)國(guó)家 也適用于技術(shù)不發(fā)達(dá)和經(jīng)濟(jì)落后的國(guó)家 尤其適用于那些地形復(fù)雜 不便架線和人煙稀少的邊遠(yuǎn)地區(qū) 因?yàn)樗梢灾苯友b備到個(gè)人 所以軍事上也有重要的意義