课件ppt第七章

1、1毫米波通信技术刘发林电子工程与信息科学系2010年11月第七章、毫米波卫星通信系统研究生选修课 ESD5302中国科学技术大学2第七章、毫米波卫星通信系统 7.1 概述 7.2系统构成及特点 7.2.1 系统的基本组成 7.2.2毫米波卫星通信系统的基本特点 7.2.3 技术问题 7.3 星上处理及星间链路技术 7.3.1 星上处理 7.3.2 星间链路(ISL)技术 7.4 系统设计的考虑 7.4.1 轨道和频段的选择 7.4.2 通信体制 7.4.3 星上有效载荷的考虑 7.4.4 链路计算和卫星资源的最佳利用 7.4.5 关于卫星通信系统(网络)总体设计的进一步讨论 7.5 网络控制与

2、管理 7.5.1 网络控制与管理功能 7.5.2 网络管理的基本架构 7.5.3 网管系统的实现 7.6 毫米波卫星通信系统的应用 7.6.1 毫米波宽带卫星通信网络 7.6.2 利用数字视频广播（DVB）提供卫星因特网服务 7.6.3 利用毫米波的个人卫星通信系统3毫米波卫星通信系统概述 载波扩展：载波扩展：信息化需求加速微波毫米波/光波 卫星技术：卫星技术：广播、透明转发存储转发星上处理与交换技术为多种业务需求提供了技术支持 考虑：网络构成、波束覆盖、多址方式、传输与交换、调制与解调、编解码等介绍：系统构成、特点、信道模型、星间链路、系统设计、网络管理等 7.1 概述4毫米波卫星通信系统

3、卫星通信系统的分类卫星通信系统的分类 卫星通信系统的分类方法很多，按距离地面的高度可分为静止轨道卫星、中地球轨道卫星和低地球轨道卫星。 静止轨道GEO(Geostationary Earth Orbit)卫星，距地面35 780 km，卫星运行周期24h，相对于地面位置是静止的。 中地球轨道MEO(Medium Earth Orbit)卫星，距地面50020 000 km，卫星运行周期412 h，相对于地面位置是移动的。 低地球轨道LEO(Low Earth Orbit)卫星，距地面5005000 km，卫星运行周期14 h，相对于地面位置是快速移动的。 7.2 mmw卫通系统概述5卫星通信系

4、统的构成7.2 mmw卫通系统概述图7.1卫星通信系统的基本组成6卫星作为通信节点，由传统的透明转发（对于用户来说，载频是确定的）向多功能发展星上强大的数据处理功能，从单星向多星组网发展卫星通信系统的构成基本组成：n空间卫星、地面站、遥测遥控、通信业务控制7.2 mmw卫通系统概述7毫米波卫星通信系统的特点n 更强的“视距”（LOS）传输特性n 较低的频段对卫星移动通信和个人通信是十分有利的绕射n 毫米波波段，绕射作用大为削弱，大多数情况下已至可忽略程度，更接近于光线的直线传播特性，其卫星系统成为典型的LOS系统n 除直射到达接收天线的信号功率外，仅存在地形地物的反射和（或）漫射分量，以及某些

5、情况下的绕射分量，如这些分量很弱。n 带宽资源丰富，利于提供宽带大容量通信服务。n 根据ITU世界无线电大会的决定，从20至70GHz这一范围内，属于卫星通信用的带宽即达21.4GHz。n 就Ka（30/20GHz）频段而言，其上、下行链路固定业务可供使用的带宽各为3500MHz，如能在卫星处理设备中采用快速分组交换，加上多点波束蜂窝式覆盖，可大提高系统的传输速率和信息吞吐量。7.2 mmw卫通系统概述8毫米波卫星通信系统的特点续1n 更强的天线方向性n 便于星上实现波束扫描或多点波束蜂窝式覆盖，提高EIRP，也有利于系统的电磁兼容性。 n 空间环境(条件)对系统的可用度影响很大。 n 影响因

6、素包括大气吸收、折射、云层衰减、降雨衰减、雨/冰去极化效应以及电离层闪烁等。n 频段越高，影响的因素越多；程度越大。n 雨衰尤甚。通信质量恶化乃至线路中断。n 如何保证高的链路可用度，是高频段卫星系统面临的重大挑战。n 要求的系统可用度越高，则所要付出的代价越高。n 在系统设计中，如何在成本和可用度之间作出合理的权衡，将关系到系统的成败。7.2 mmw卫通系统概述9 传播因素 C频段 Ku频段 Ka频段 V频段 大气吸收 有 有 云层衰减 有 有 降雨衰减 有 有 有 雨/冰去极化效应 有 有 有 有 电离层闪烁 有 有 有 有 表7.1 影响卫星链路的传播因素7.2 mmw卫通系统概述10卫

7、星通信技术问题n 对于提供多媒体服务的卫星系统，要保证足够的通信资源，并为用户提供高度的灵活性。需要解决的技术问题主要有：n（1）网络拓扑：卫星系统作为一种有效的宽带接入手段，是“解决最后一英里（直接到家或用户DTU）”的最佳方案之一。此情况下为达到最大的频谱利用率和最小的时延，应建立网格网；当卫星系统与公网（PSTN、ISDN等）连接时，则拟用星形网，通过网关站来实现此连接。另外，通常公网是开放式的，而某些特殊用户群则需要封闭的网络进行通信。卫星网络应能满足这些网络拓扑的要求。n （2）交换：为增加业务吞吐量，同一系统中应同时分组交换和电路交换的能力，来处理连续和突发性业务。 7.2 mmw

8、卫通系统概述11卫星通信技术问题续1n（3）按需分配带宽：用户传输的比特速率是建立在按顺序呼叫的基础上的，可根据业务量大小调节，所占用的带宽也要作相应变化，而且，在两个传输方向上可以是不同（不对称）的。n（4）标准/协议：由于用户常常需要提供各种业务，可能同时存在各种不同的传输协议。大多数Ka卫星系统采用ATM或类似的协议，但考虑到其特殊性，与地面网络用的并不尽相同。n（5）全球多播覆盖：为实现除极区外的全球多播覆盖，GEO卫星系统要建立多星组成的星座，每卫每一卫星的位置，要能面向最广大的用户，同时又能便于星间链接和连网。 7.2 mmw卫通系统概述12卫星通信技术问题续2n（6）多波束覆盖：

9、为了充分利用高频段的优点，即较小口径天线可产生高增益（强方向性）的窄波束，将卫星功率集中投射到有用的地方，同时有利于用户终端的小型化，每颗卫星服务的区域通常是用多波束或窄波束扫描覆盖的，每一波束的宽度约为10 20或更窄。多波束或相控阵天线的开发利用是十分重要的。n （7）星间链路（ISL）：为使星座（空间网络）间实现完全的互连而减少对地面基础设施的依靠，星间链路是不可缺少的。在Ka及更高频段，星间链路应能提供足够高的容量（如达到1Gbps）。n （8）抗雨衰技术：降雨对高频造成严重的衰减，尤以大雨、暴雨为甚，从而难以获得高的链路可用度。为克服雨衰，已研究了种种措施，较为有效而可行的有高增益的

10、编码（如内外码组成的级联码），对上行链路（可能时也可对下行链路）实施功率控制等。7.2 mmw卫通系统概述13卫星通信技术问题续3n （9）星上处理：为充分利用卫星资源，提高通信质量，满足多媒体业务传输的需要，星上将引入各种处理技术；特别是，对于采用多波束覆盖和全球联网的卫星系统，常常需要将信号从一波束选择路由到其他波束、从某一卫星到另一卫星的星上路由选择处理。n （10）小型化的用户终端：对DTU链路而言，终端天线口径一般在 0.6m 2m的范围内，以使其便于携带和安装，且价格低廉，从而增强其市场竞争力。n 以上问题有的已在前面有关章节中作了论述，下面主要讨论星上处理及星间链路技术，以及网络

11、的管理、控制；还有一些问题则在系统设计一节中考虑。7.2 mmw卫通系统概述14 一、星上处理n 按基本功能，通信卫星可分为弯管式卫星和具有星上处理的卫星（简称处理卫星） 。n 在有星上处理的卫星中，除完成信号的放大和频率变换外，还包含了信号检测、解码、再编码、再调制，以及通信协议的转换等。 星间链路：n 星间链路可看作是多波束卫星的一些特别的波束，这些波束不是指向地球，而是指向其他卫星。n 当两颗卫星间需要双向通信时，每颗卫星至少要有两个波束：一发一收。n 通过星间链路可扩大对地球的覆盖，实现全球覆盖的网络，或实现网络的互连，其作用是十分重大的。 7.3 星上处理及星间链路技术15n星上处理

12、大致可分为三类：n I类：具有基带星上处理、星上交换和星上路由功能，此种卫星通常称为全处理卫星；n II类：具有星上射频（包括中频）处理、信号再生和星上交换功能，它是部分处理卫星；n III类：具有支持通信功能的处理 。n 在采用高频段的卫星通信系统中，为发挥高频段的优越性，卫星天线通常是高增益、窄波束的，对于较大的通信区域，需用多波束覆盖或点波束扫描；n 为连接不同波束覆盖区内的用户，必须引入星上交换与处理，因此高频段的卫星系统是难以离开星上处理的。n 未来的通信卫星系统将提供一系列新的、先进的信息服务，星上处理将为这些服务提供强有力的支持。因此，星上处理是卫星技术的一个重要的发展趋势。7.

13、3 星上处理及星间链路技术16n 按卫星轨道星间链路可分为：n （1）对地静止轨道（GEO）卫星之间的链路；n （2）对地静止轨道（GEO）卫星与非静止轨道（MEO、LEO）卫星之间的链路；n （3）非对地静止轨道（MEO、LEO）卫星之间（MEO-MEO、MEO-LEO、LEO-LEO）的链路。n 严格地说，上述第二种情况以及第三种情况中不同轨道之间的链路应称为轨（道）间链路。下面主要讨论第一种（GEO-GEO）星间链路技术。 GEOLEOGEOLEOMEOMEO7.3 星上处理及星间链路技术17（1）采用多波束采用多波束天线天线n 图7.2给出了卫星多波束覆盖的示意图。要说明的是，当这些波

14、束相对固定时称为固定多波束；若多波束或一点波束通过扫描或跳动覆盖通信区域时，称为扫描波束或跳波束。7.3 星上处理及星间链路技术 波束交换开关多波束天线多波束卫星aD图7.2 卫星多波束覆盖示意图f2f3f4f1f1f1f1f2f3f4卫星多波束天线和波束间互连18n 卫星系统采用星上多波束天线的主要优点是：n（a）能在地面上获得高的功率通量密度，从而可降低终端天线尺寸，便于实现移动中通信；n（b）可利用不同波束实现射频复用，如图7.7中所示。这样可扩大有限的频带资源的利用率，大大地提高通信容量。n 多波束系统也存在一些不容忽视的问题n 增加了星上有效载荷的重量和复杂度。需建立不同波束覆盖区中

15、终端之间的链路；n 将产生不同程度的波束间干扰。由于波束间旁瓣的影响，上行链路对卫星转发器、下行链路对接收地球站都可出现同频干扰，综合结果，是导致系统总的载噪比恶化，典型的数值可使噪声增加40%。n 在许多应用中，采用多波束仍是利大于弊，特别是Ka频段以上，在已有的和将要建成的系统，几乎都采用多波束覆盖。7.3 星上处理及星间链路技术卫星多波束天线和波束间互连续119 （2）利用转发器跳接的互连）利用转发器跳接的互连n 当波束数量较少时，可采用转发器的跳接实现互连。以二波束为例，其互连方式如图7.3所示。 n 它是将系统所拥有的带宽分为与波束数相等个数的子带，并在星上用滤波器进行分隔。n 每一

16、滤波器的输出连接转发器到达指定波束的天线。n 注意，这里滤波器和转发器的数量至少等于波束数的平方，可见，这种方式仅适合于波束数较少的场合。7.3 星上处理及星间链路技术卫星多波束天线和波束间互连续2207.3 星上处理及星间链路技术卫星多波束天线和波束间互连续3图7.3 二波束系统中利用转发器跳接实现互连21（3）利用星上开关矩阵实现波束间互连）利用星上开关矩阵实现波束间互连n 这种方式 的典型应用是与时分多址结合的星上交换时分多址（SSTDMA）。图7.4给出了以三波束为例的系统示意图。n 其中，假定波束3中的站将突发(Burst)发送给波束2中的站。图中，从同步区的前端到增长空间（grow

17、th space）的尾端为一帧周期，中段为交换时间，它具有时窗结构，每一时窗包含有若干分突发，而这些分突发中则包含有要传送的信息；每一站在分配的时窗内发射其突发。7.3 星上处理及星间链路技术卫星多波束天线和波束间互连续4227.3 星上处理及星间链路技术卫星多波束天线和波束间互连续5图7.4 三波束SS-TDMA系统开关连接及帧结构23 帧中分组的分配（突发时间规划）帧中分组的分配（突发时间规划）n 帧中突发的分配应最大限度地利用卫星转发器，这意味着时窗全部为通信业务突发所占满；n 注意：仅当波束间的业务分布平衡时才有可能，而实际上这是几乎不能做到的。n 希望通过某种突发时间规划，尽可能地朝

18、此目标努力n 首先建立一种称之为业务矩阵用以描述业务的波束走向，仍以三波束间的交换为例，其业务矩阵如下页图所示。 7.3 星上处理及星间链路技术用开关矩阵波束互连方式的几个技术问题247.3 星上处理及星间链路技术 到波束 来自波束 1 t11 t12 t13 S1 2 t21 t22 t23 S2 3 t31 t32 t33 S3 R1 R2 R3 n 其中，每一行 的和表示由同一波束中的所有地球站发送的业务；而每一列 的和表示某一波束所有站接收的业务。当波束间业务分布平衡时， 的和与 的和是相等的；否则，这些和中会有一个比其他的要大。这时相应的矩阵的行或列称为临界线。有各种算法来使时帧获得

19、最佳的填充。iS)3 , 2 , 1( i)3 , 2 , 1( jRjiSjR25n 在一个SSTDMA网络中，其分配方式可以是固定的，或是按申请分配的。当按申请分配时，分配给各地球站的容量是通过分给TDMA不同的突发长度来获得。n 某一地球站突发长度的改变会使其他站的突发位置改变，就会导致突发时间规划发生变化。这里有三种变化情况：n（a）突发时间规划变化而无交换模式配置变化；n（b）突发时间规划变化并伴有交换模式配置变化，但开关状态秩序不变；n（c）突发时间规划变化并伴随开关状态秩序变化。n 上述第一种情况仅牵涉到地球站，而后两种情况中，除与地球站有关外，还要使星上交换矩阵的开关状态作相应

20、的变化。n 开关状态如果是由地面控制时，必须将新的开关状态信息通过特殊用途链路如遥控指令链路传送到分布控制单元寄存器。分配变化要保证所有地球站和卫星能与此变化同步。7.3 星上处理及星间链路技术26 同步问题同步问题 n 在SSTDMA网络中，要解决地球站间的同步，以及地面段与卫星的同步。n 单波束TDMA中，闭环同步是较为精确而有效的同步方式，但照搬到多波束系统中是难以行通的。原因在于，某一波束的地球并不接收它们发射到其他波束去的突发，这样就不能确定其位置误差而进行修正。n 解决此问题的一个方法是采用共运作反馈闭环同步。 其基本思路是：在一波束指定地球站进行时间测量，该站依次指出观察到的有关

21、地球发送的突发的时间误差值。 此法将降低帧效率，只适用于波束数低的场合；如波束数较多，则以开环法为宜。 7.3 星上处理及星间链路技术用开关矩阵波束互连方式的几个技术问题续127 同步问题同步问题续续1n 关于地面段与卫星之间的同步，意味着要选择网络时钟的位置。有两种方案可供选择：n 一种是选在用作TDMA参考站的地面处；n 另一种是选在星上特许节点的虚拟位置。n 保留参考站时钟就必须在卫星上有一解调器和独特码检测电路。在星上安装时钟则需要有一调制器向所有波束广播它的时钟。n 在这两种情况下，都要求在星上增加额外的设备；另外星上钟的稳定度也是一个问题，因为要符合ITU的G811建议网络间准同步

22、的要求，时钟稳定度为10-11，难度很大。一种较好的解决方案是将分布控制单元（DCU）作为网钟。其基本原理可用图7.5来说明。7.3 星上处理及星间链路技术28 同步问题同步问题续续27.3 星上处理及星间链路技术图7.5 一种SS-TDMA网络的同步29 同步问题同步问题续续3n 参考站识别该时钟速率并使参考突发同步。参考站在发射参考突发之前增发一突发，称为测量突发（metering burst）。在稳态同步时，该突发到达卫星进入帧同步区跨在前二个开关组态(switch mode)，n 第一个组态建立一返回连接到参考站波束（图中为波束），第二个组态不提供输入与输出间的任何连接。测量突发返回、

23、被截切而到达参考站，通过此途径控制其传输保持一恒定的截切，从而控制单元时钟保持同步。n 参考突发跟随测量突发传送，有一定的时延。n 在同步区还有第三个开关组态，它将波束与所有波束连接起来，卫星利用该组态在全部波束上分布参考突发。将控制单元钟速率与安装在参考站中的更为精密的时钟的速率进行比较，来获得同步的相位偏差，通过遥控可完成相位校正，从而保证所要求的稳定度。7.3 星上处理及星间链路技术30 帧效率帧效率 TDMA的帧效率可按下式计算： 式中， 是对信息传输没有贡献的时间和； 是帧周期。 由四部分组成：n（a）同步区；n（b）分组报头和保护时间，后者包括留作星上矩阵开关的时间。注意，与单波束

24、卫星不同的是，若地球站的分组要送到若干波束时，则需在一帧内发射若干次，因每一分组有一报头，故将进一步降低帧效率；7.3 星上处理及星间链路技术FiTt1itFTit用开关矩阵波束互连方式的几个技术问题续231n（c）在波束业务分布不平衡时，临界段决定最小的开关组态持续时间，某些帧时窗不能填满，其例子如图7.6所示。矩阵的临界段为S3，这样在波束发送的业务便决定了建立开关组态的最小时间； 图7.6 SS-TDMA在非均匀业务分布情况下的帧分组举例 7.3 星上处理及星间链路技术32n（d）在按申请分配工作方式下，在给定的时间中突发分配不可能达到最佳，当分配变化而开关组态或开关秩序不变时会有“死时

25、”引入时窗中。n 总之，因帧效率取决于业务分布，而这种分布是不确定的，故难以给出准确的数字，一些仿真结果提供的范围是；无论何种假设，其效率均低于单波束卫星。7.3 星上处理及星间链路技术33（4）利用波束扫描的互连）利用波束扫描的互连n 波束扫描概念：在通信区域内划分为许多毗邻的小区，卫星天线每一瞬间照射到其中一个小区，通过周期性地移动波束指向，完成对整个通信区域的覆盖；n 卫星的指向是由星上天线分系统中的波束形成网络控制的。图7.7是其示意图。n 小区中的地球站在波束照射期间发射或接收其突发；如果星上没有存储设备，则在某一瞬间至少应有两个波束，分别用以建立上、下行链路。n 在波束照射驻留的时

26、间，与收、发二小区的业务量成正比。7.3 星上处理及星间链路技术卫星多波束天线和波束间互连续634 图7.7 利用波束扫描互连的示意图35n 当星上具有信息存储功能的设备时，则瞬时仅需一个波束，如图7.8所示。n 在波束照射的小区中的地球站，可实时接收本小区内其他站发来的信号，或接收由存储器输出的基带信号对载波调制后经波束形成网络（BFN）发来的已调载波；与此同时将信号发向卫星，在小区内的站间是实时转发的，如要传送给其他小区的地球站，则先将射频信号解调为基带信号存储起来，待波束扫描到其他小区再转发。n 只要波束扫描速度足够快，便可实现近实时通信。这种方式的突出优点是由于瞬间无多个波束存在，从而

27、可避免同频道干扰。n 以上为波束连续扫描的情况。若小区是分隔的，则通过波束跳变指向进行覆盖。7.3 星上处理及星间链路技术36 图7.8 具有星上信息存储设备的波束扫描37 星上再生处理n 最简单的星上再生转发器是在接收机与发射机间插入解调器和调制器，如果在解调器与调制器之间再插入基带处理器（如图7.9所示），则将获得更强的处理功能。7.3 星上处理及星间链路技术图7.9 再生转发器的基本组成38（1）星上采用调解器的链路性能n 考虑卫星转发器中仅插入解调器和调制器后的通信链路性能。一种星上多载波解调器(MCD)的框图如图7.10所示。n 图中，滤波功能是由多相结构的数字内插滤波器来实现的，一

28、方面可以减少滤波运算的累积误差，提高运算精度；另一方面，滤波是在降速后进行的，滤波器的阶数可以做得很低，大地降低了对滤波器的要求。7.3 星上处理及星间链路技术图7.10 一种星上多载波解调器（MCD）框图39n 设系统（包括卫星和地球站）是线性的，上行链路信号到达卫星后经解调而还原为基带信号，在数字制系统中设其差错率为 ；此基带信号经星上再调制，作为下行链路信号发送给接收地球站，如不考虑上链路所出现的差错，即卫星向下行链路传送的信号是无差错的，到达接收站被解调后的差错率为 。将上、下行链路的差错率同时考虑在内，根据概率论可知总的差错概率BER为 7.3 星上处理及星间链路技术UBERDBER

29、)1 ()1 (UDDUBERBERBERBERBERn 只要上、下行链路的载噪比（ C/N0 ）或码元能量对噪声密度比（ Eb/N0 ）足够高，则可使 和 很低（远小于1），这样上式可化为：UBERDBERDUBERBERBER407.3 星上处理及星间链路技术n 通常，对于较大型的终端，可以产生较高的射频功率，从而使卫星获得高的 ，当 时，便有：UbNE)(0DbUbNENE)()(00DBERBER n 以上分析是假设系统工作于线性时的情况，实际上，卫星转发器和地球站发射机功放都存在着非线性，再考虑到有干扰时，将透明（弯管）转发器与这种再生转发器的性能进行比较发现，只要 与 之比足够高时

30、，再生转发器的干扰容限较高，这一性能对多波束卫星网络来说是至关重要的。n 结论：在多波束卫星网络中采用星上再生处理，可抵消或部分抵消由于波束间引起的同频干扰。 UbNE)(0DbNE)(0417.3 星上处理及星间链路技术（2）星上采用调解器和基带纠错编码处理的性能n 数字通信中，利用前向纠错编码可改善误码性能，或降低解调门限；对于相同的差错率，编码前后所需 之差称为编码增益。上行链路编码是在地球站中进行的，而下行链路编码则在卫星上进行。n 考虑在卫星转发器中加入编码器时对下行链路传输性能的改善。设星上编码前的信息速率为 ，它等于载波调制速率 ，为达到要求的差错率的码元能量对噪声密度比为 ，对

31、于二进制调制有 n为了进行编码，将信息速率降低为 = ( )，所需之解调门限为 ，相应地有)(0NEb1bRCR10)(NEb10110)()(NERNCbbD2bRCrR1r20)(NEb20120220)()()(NErRNERNCbbbbD427.3 星上处理及星间链路技术n 为达到相同的传输性能，编码及降低信息速率后，将使所需之 下降，用分贝数表示时，其总的得益为 = 编（解）码增益+降低信息速率得益n 举例：当采用PSK、前向纠错卷积编码、维特比译码和软判决， ，编码增益为5.3dB，再考虑到降低信息速率的得益，总的得益为8.3dB。此值可用作抗雨衰的储备。若进一步降低信息码率，则还

32、可得到更大的储备量。)(0NC)()()(20100DDNCNCNCrNENEbblg102010)(dB610, 21BERr437.3 星上处理及星间链路技术 （3）变速率处理n 在现代卫星通信网络中，由于站型和用途不同，常需传输速率的变换，如低速率站的信息变为高速率传送给高速率站；高速率站将高速信息变低速传输给低速率站，通过星上射频与基带处理可达此目的。其原理如图7.11所示。n 这在弯管式的卫星中单跳是无法实现的。n 由图可见：n 来自高速率站的高速数据流经射频开关矩阵可选择路由到需要接收这些信息的高速率站中去；n 而高、低速率之间的变换以及低速率之间传输，则通过基带交换矩阵来完成。4

33、47.3 星上处理及星间链路技术图7.11 利用星上再生处理实现传输速率变换457.3 星上处理及星间链路技术 （4）多址方式的变换 星上再生技术奠定了可多址变换的基础。星上再生技术奠定了可多址变换的基础。 n 以FDMA转换为TDM为例。n 如图7.12所示，上行链路中各地球站发射FDMA信号，与采用TDMA相比，可减少地球站的发射功率；n 卫星接收到的是来自不同地球站发来的FDMA信号，经星上解调和基带处理后，通过时分复用（TDM），对单载波进行调制，作为下行链路信号转发给地球站。n 这种处理的好处是可将单载波TDM信号推到转发器功放（TWTA）饱和点附近工作，充分利用卫星的功率资源，从而

34、可适当降低地球站的G/T值。 467.3 星上处理及星间链路技术 图7.12 利用星上处理进行多址方式变换举例477.3 星上处理及星间链路技术 利用ATM的全星上处理n 全星上处理的星上交换ATM卫星通信网络，包括星上处理、星上交换和星上路由，卫星是ATM网络中的一个节点。图7.13是日本研发中的利用有源相控阵天线（APAA）的千兆位通信卫星的框图。n 这种卫星中引入了利用有源相控阵的自适应波束形成装置，星上处理含有解调、重构TDMA帧、调制等，为使卫星资源尽可能与用户群的需求相匹配，并使ATM卫星通信能应用于多播，设计中使ATM虚电路（VC）和天线波束间相关联。所有这些技术的结合，使卫星带

35、宽、功率和EIRP形成一个资源池（resources pool）。n 理想的目标是，通过某种控制，使卫星能从这个资源池中把资源精确地按申请分配到任何用户或用户群中，而且满足业务要求、QoS要求和适应终端的能力。这种控制可以是的卫星上进行，也可以在地面上进行。487.3 星上处理及星间链路技术图7.13 具有自适应波束形成、星上处理和ATM的通信卫星框图49 二、星间链路（ISL）技术n 星间链路可看作是多波束卫星的一些特别的波束，这些波束不是指向地球，而是指向其他卫星。当两颗卫星间需要双向通信时，每颗卫星至少要有两个波束：一发一收。通过星间链路可扩大对地球的覆盖，实现全球覆盖的网络，或实现网络

36、的互连，其作用是十分重大的。n 按所处轨道上的卫星之间的连接，星间链路可分为：n （1）对地静止轨道（GEO）卫星之间的链路；n （2）对地静止轨道（GEO）卫星与非静止轨道（MEO、LEO）卫星之间的链路；n（3）非对地静止轨道（MEO、LEO）卫星之间（MEO-MEO、MEO-LEO、LEO-LEO）的链路。n 上述第二种情况以及第三种情况中不同轨道之间的链路应称为轨（道）间链路。下面主要讨论第一种星间链路。7.3 星上处理及星间链路技术50 表7.2 星间链路使用的频带 射频 (频率GHz) 22.55 23.55 （1986年无线电规则） 32 33 54.25 58.2 59 64

37、116 134 170 182 185 190 激光 (波长nm) 800 900（AlGaAs 激光二极管） 1060 (Nd:YAG激光二极管) 352（Nd:YAG激光二极管） 10600(CO2激光器) 1550（光纤激光）7.3 星上处理及星间链路技术射频和链路传输损耗51n 由于卫星处于大气层外，采用微波和毫米波频率作为射频时，星间链路的信号传输损耗主要是自由空间传播损耗，此外还有天线指向误差损耗和极化以及馈电（包括滤波器）损耗。n 良好的天线跟踪设备通常可保持其指向精度达到波束宽度的1/10，这意味着指向误差损耗约为0.5dB。由于二卫星间电磁波极化面不可能严格对准，加上收、发滤

38、波器的插入损耗，也是不容忽视的，其典型值是收、发各为1 2dB左右。作为例子，表7.3列出了星间链路的有关参数及结果。由此求得所需天线增益，设采用抛物面反射型天线，天线效率为0.75，则可算出所需天线口径为0.79m。n 星间链路利用激光连接时，其传输损耗来源也是类似的，但数值有所差异。 7.3 星上处理及星间链路技术射频和链路传输损耗续152 表7.3 星间链路计算举例 调制方式 BPSK 要求的Eb/No 10dB (BER=10-6) 数据速率 1Gbps 需要的C/No 100 dB-Hz 发射机输出射频功率 75W (48.75dBm) 发射机输出滤波器及极化损耗 -1.5dB 发射

39、天线指向误差 - 0.5dB 自由空间传播损耗（40,000km，60GHz）-220dB 接收天线指向误差 -0.5dB 接收机滤波器及极化损耗 -1dB 噪声功率 No（噪声系数4dB） -170dBm 采用全向天线时的C/No -4.75dB-Hz 需要的收、发天线总增益 104.75dB 7.3 星上处理及星间链路技术537.3 星上处理及星间链路技术 利用毫米波的链路技术n 空间和频率捕获是星间链路建立的关键，一旦完成此运作，便可进行正常的星间通信。 （1）空间和频率捕获n 所谓空间捕获，是指双方天线电轴（主波束最强方向）对准。空间捕获是可利用卫星接收对方发射的信标进行。n 以LES

40、-8/9星间单波束方式为例，如图7.19所示，其基本过程是：首先是要进行粗略的对接，即通过计算使双方天线主波束落入视距（LOS）区内；n 在天线移动过程中，由于多普勒效应，信标频率是变化的，而且所接收到的信标太弱时，接收机本振会对其产生频率牵引作用而影响到对信标的检测，故需要进行频率的捕获和跟踪。54 图7.14 单波束空间捕获示意图 55n 通过计算控制天线的指向是有误差的。n 原因是：轨道拟合误差，姿态控制误差，由于热和“零重力”应力引起的卫星结构变形等。n 本例中，在37GHz，天线口径为0.45m 时，造成总的误差约是1o，而其波束宽度亦为1o 。为达双方天线波束相互对准的目的，通过指

41、令控制进行步进搜索，其范围是2.1x 3.5o ，步进量为0.7o；二卫星天线的扫描速度不是同步的，速度差16倍，使得慢扫卫星天线步进到一个新的位置前，快扫描的卫星已完成15个位置的扫描。快扫卫星到达一个新位置的时间为0.5秒，并在此位置上停留2.3秒。n 另外，此捕获过程中，天线波束对准前，由于信噪比很低，可通过指令以额定速率之半进行扫描。为方便起见，设置了四种扫描速率，其范围是每步2.8 89.6秒。接收机根据收到信标功率达到最大时即判决为完成空间捕获，锁定天线指向并转入跟踪状态。7.3 星上处理及星间链路技术56（2）跟踪接收机n 在星间链路设备中，跟踪接收机的一个重要作用是获取卫星对卫

42、星的自动跟踪指向信息，通过控制，保持天线的正确指向。为了消除其他因素的影响，使接收机输出的幅度仅与偏轴程度成正比，在接收机中加入了自动增益控制(AGC)电路，其设计对接收机性能的好坏是至关重要的。（3）电磁兼容性问题n 在表7.3给出的例子中，星间链路利用60GHz的射频、0.8m左右口径的天线，其波束宽度约0.44o；即使将天线口径增加到2m，其波束宽度亦仅约0.2o，再考虑到天线旁瓣的影响，可能对其他同频段系统产生干扰或受其干扰；特别是当与同频段其他系统的卫星间隔较小时，尤为严重。另外，当要与多颗卫星链接时，所需多波束也容易产生同频干扰问题。总之，系统间的电磁兼容性问题需高度重视。n 采用

43、激光连接星间链路是解决此问题的有效途径。7.3 星上处理及星间链路技术577.3 星上处理及星间链路技术 利用激光的星间链路技术（1）激光星间链路与毫米波星间链路的比较n 由于光波的波长比毫米波的要更短得多，可用很小的孔径产生极窄的波束，避免系统间的相互干扰；光学系统可提供极宽带宽的信道，可支持几千兆比或更高的吞吐量。n 图7.15为采用毫米波与光波的星间链路系统的比较。由图可见，利用光波连接星间链路的优越性是十分明显的。n 研究表明，当要求星间链路传输速率高于1Gbps时，需采用超外差激光系统。表7.4列出了超外差激光星间链路系统传输不同数据速率时的基本特性。587.3 星上处理及星间链路技

44、术 图7.15 采用毫米波与光波的星间链路系统的比较597.3 星上处理及星间链路技术 表7.4 超外差激光星间链路系统的基本特性 速率 10Mbps 100Mbps 1Gbps 5Gbps 光源功率 30mW 30mW 3x60mW 多路/ 800mW 150mW 传输距离 40,000km 40,000km 40,000km 40,000km 孔径直径 10cm 20cm 20cm 20cm 调制方式 FSK FSK 3xFSK/DPSK DPSK 重量 86kg 93kg 127kg/104kg 113kg 功耗 210W 225W 335W/275W 325W 607.3 星上处理及星

45、间链路技术（2）用于星间链路的超外差激光通信设备n 用于星间链路的超外差激光通信设备的组成如图7.16所示图7.16 用于星间链路的超外差激光通信系统设备的基本组成61n 设备的基本组成包括四个分系统：光学模块、电子学模块、发射机和接收机。n 光学模块光学模块 含有望远镜、粗指向镜及其他与波束指向和传送信号有关的光学元件，其作用类似于毫米波系统中的天线及指向跟踪装置；n 电子模块电子模块 提供经调节的电功率和控制处理器；n 发射机模块发射机模块 包括FSK调制器，激光发射器，精密温度和电流控制器，以及用于监视激光功率、波长和调制特性的自动诊断装置，其简化工作原理框图可参见图7.17；n 接收机

46、模块接收机模块 包括一电荷耦合器件（CCD）捕获装置、空间跟踪检测器和电子设备、数据接收机前端，及本振激光器和电子解调器等，基简化工作原理框图参见图7.18。 7.3 星上处理及星间链路技术627.3 星上处理及星间链路技术图7.16 二极管激光器FSK发射机原理框图637.3 星上处理及星间链路技术图7.17 二极管激光器FSK接收机原理框图64（3）空间捕获与跟踪n 空间捕获也即波束指向捕获，由于星间链路有效载荷的光波束极窄，指向和跟踪（PAT）设备是不可缺少的。这里有两种实现途径：直接方式和间接方式。n 间接方式间接方式：设备中装有一个粗指镜，移动它可覆盖较大的指向范围；再用一独立的精指

47、镜提供精确的指向。这种方式要求精指镜装置要去除来自主卫星的干扰分量，干扰的频谱范围约1kHz，其技术难度很大。n 直接方式直接方式：在此方式中，由PAT装置粗指目标，该装装置中有一窄带环路，可滤除大部分跟踪检测器的感应噪声，如此可获得较为精确的指向。7.3 星上处理及星间链路技术65n 初始捕获最为关键。因为光波束极窄，而卫星姿态控制误差、光学指向机械精度的限制和瞬时误差等，造成望远镜轴线对准具有很大的不确定性。n 以20cm孔径的天线为例，波束宽度约0.0003o，而望远镜轴线指向不确定性（半锥角）均方根值（rms）约相应于光波束宽度的数百倍。这样，就需要某些不同于正常传输条件的捕获协议来保

48、证二卫星的相互捕获。n 通过散焦，使卫星上收、发波束展宽，而在接收卫星上执行搜索和捕获程序是可行的。n 然而，其结果是两端天线总增益可能下降上百分贝，即使具有极灵敏的捕获接收机，这一链路损耗也会使链路捕获花费过长的时间。7.3 星上处理及星间链路技术66卫星波束捕获示意图7.3 星上处理及星间链路技术高轨星或同步卫星中继星与轨道地球微波宽波束微波窄波束n利用具有数千个象素的电荷耦合器件或电荷注入器件，可有效地增加接收机的增益，从而有助于此问题的解决。这种方法目前限于1 以下的波长。其次，由于占空比和相干性要求较低，故可设计出高功率的信标源。把这两种方法结合起来，可使捕获在几秒内完成。m67 解

49、决捕获问题可以考虑如下几种方式：n 凝视凝视方式；扫描扫描方式；凝视扫描方式。n（1）凝视凝视：这是一种最有利于捕获的方案。这种方式适用于较大的波束发散角，让波束覆盖接收卫星的整个不确定范围。与此同时，接收端的波束角度也做得较大，让视场覆盖发射卫星的整个不确定范围。n 从理论上讲，这种捕获方式具有百分之百的捕获成功率，并且几乎是在瞬间完成捕获（即捕获时间极短）。但这种方案在卫星通信中却不可取。n 因为一方面虽然能捕获到对方，但对准角度太大，意味着天线增益较低，当通信时要求有较大的毫米波发射功率，另一方面，接收端由于波束过宽而降低了接收灵敏度，使得信噪比严重降低，可能影响正常通信。7.3 星上处

50、理及星间链路技术68n（2）扫描扫描：这种方式是采用较窄的信标波束和信标接收波束，并使两者均按一定的规律相互对对方的位置不确定范围进行扫描，以便在某个扫描步骤中实现双方的捕获。n 这种方式不存在增大发射功耗和降低接收信噪比的问题，但它是一种费时和成功率相对较低的捕获方式。n 此外，若扫描策略选择不当，可能出现无法捕获的情况。n（3）凝视扫描：这种捕获方式是一端（甲端）以大波束角构成对信标另一端（乙端）的凝视，而乙端以较窄的波束对甲端进行扫描。n 该捕获方式的不足之处仍然是由于信标通道某一端的波束宽度较大，意味着天线增益较低，当通信时要求有较大的毫米波发射功率。7.3 星上处理及星间链路技术69

51、n 与激光波束的毫弧度相比，在微波毫米波看来已经足够窄的数十毫弧度（折合12度）的波束仍然可以算是宽波束。因此正好可以用于激光通信中的辅助预捕获。n 比较以上几种捕获方式的特点，可以看出：n“凝视扫描”是一种折中的方式，也是一种能达到实用的捕获技术指标的一种方式。n 另外，这种捕获方式对信标通道的技术要求则比采用“凝视凝视”方式要低。n 再者，采用“凝视扫描”捕获方式和采用“扫描扫描”捕获方式相比，捕获时间一般要缩短几十甚至100倍以上。7.3 星上处理及星间链路技术70 系统设计的考虑n 系统设计在市场需求与技术可行性之间、各项技术指标之间，以及系统规模与投资之间进行综合平衡的复杂过程，其重

52、要性是不言而喻的。主要涉及以下五个方面。n 轨道和频段的选择n 通信体制 n 星上有效载荷的考虑n 链路计算和卫星资源的最佳利用n 关于卫星通信系统(网络)总体设计的进一步讨论7.4 系统设计的考虑71 一、轨道与频段选择n 毫米波卫星通信系统（网络）的卫星轨道，可以采用GEO、MEO、LEO或它们的结合。n 轨道选择的基本原则是：n （1）通信服务覆盖范围的要求n 如全球覆盖或区域覆盖等。单星GEO卫星的覆盖率是最高的，但对于靠近地球两极的高纬度地区，则因仰角太低而无法保证通信质量；利用MEO或LEO可实现对这些区域的覆盖，但将以增加卫星数目为代价；对于较低纬度区域，一般地说，采用MEO或L

53、EO时在覆盖区外将造成卫星资源的浪费，但为能满足对高纬度覆盖的要求则另作别论。n 为实现对全球的无缝隙覆盖，LEO或GEO与MEO结合是最佳的或准最佳的两种选择，但最后的二中择一还要考虑到其他因素。 7.4 系统设计的考虑72轨道选择续1n（2）系统的复杂度n 当要求满足区域覆盖时，单星系统是最简单而可取的；n 对于要求全球或地球上大部分地区覆盖的场合，需要多卫星组成的星座来满足，方案不会是唯一的，这时应对候选方案的复杂度进行具体的比较。n 很显然，系统越复杂，成本越高，风险越大；但为获得更强的功能，也不是以最简单为最高准则。n（3）通信容量n 毫米波频段具有丰富的频带资源，而超大型卫星平台和

54、大推力的运载工具，为大容量通信卫星的升空创造了条件。但即使如此，一颗卫星的能力总是有限，在许多场合下可能无法满足要求，需要多卫星、乃至多轨道组合来提供服务。7.4 系统设计的考虑73n （4）空间环境n 对地球而言，GEO是独一无二的；MEO和LEO可有无数，但并非都完全适用，通常轨道参数如倾角、偏心率、高度等，要根据空间环境来确定。n 空间环境包括客观存在的热环境、星球（如太阳）辐射线和粒子辐射带、地球磁场和宇宙尘埃等；此外是已有的卫星星座产生的电磁辐射。n 例如，空间自然环境中，范阿伦(Van Allen)带中高浓度的粒子对太阳电池板、半导体元器件会产生很大的损害，在选择轨道高度时，应避开

55、该辐射带；还要注意到的是，随着卫星系统的增加，各种在轨卫星越来越多，选择工作轨道时应保证系统内和系统间的电磁兼容性。n （5）其他特殊要求n 如军用与民（商）用的不同。军用系统将更多地注重其生存能力和灵活性，这些特点当然会体现在轨道的选取上。7.4 系统设计的考虑74 表7.5 17 70 GHz中分配给卫星通信的频带 频带 30/20 50/40 21.2 43.0 66.0 (GHz） 27.5 31.0 / 50.0 51.0/ 23.6 48.0 71.0 17.7 21.2 40.0 41.0 可用带宽 3500/3500 1000/1000 2400 5000 5000（MHz）业

56、务种类 固定 固定 固定 固定 移动 移动 移动 （上行）（下行） （上行）（下行） （一般） （航空、航海） 频段选择757.4 系统设计的考虑 上、下行频段选择n 同轨道选择一样，这也是系统设计的重大关键之一。n 制约因素很多，需主要考虑的有：n （1）不同频段传播因素对系统可用度的影响n 实际应用中，大气和降雨对传播的影响是必须考虑的重要因素。其中大雨、暴雨所引起的信号功率衰减尤甚，严重时可导致通信的中断。若上、 下行链路因降雨引起的中断率分别为 、 ，则总的系统可用度 为 n 式中， 、 分别为上、下行链路的可用度。为使可用度满足要求，系统设计上、 下行射频功率应留有足够的余量来补偿雨

57、衰。几种不同可用度下，雨衰备余量与频率的关系，如图7.19所示。UDADUDUAAA11UUA 1DDA 1767.4 系统设计的考虑图7.24 图7.19 不同可用度下雨衰备余量与频率的关系（降雨率30mm/h） （a）地球站天线仰角El = 300时；（b）地球站天线仰角El = 60o时777.4 系统设计的考虑n 由图可见，对于相同的地球站天线仰角，频率越高，为达到相同可用度，所要要求的雨衰备余量越大；n 射频相同时，要求的可用度越高，所需的雨衰备余量越大；n 另外，雨衰备余量也与电波极化方式有关。当然，在克服雨衰保证系统可用度方面，功率备余不是唯一的，如结合采用其他措施，可降低所需之

58、功率余量，而代价是不可避免的。n 总之，从电磁波传播角度看，在要求高的系统可用度的场合，较低的射频是合理的选择。近期的应用情况表明，Ka(30/20GHz)波段是许多卫星系统所采用的，也是充分考虑了此因素的结果。787.4 系统设计的考虑n（2）用户终端小（微）型的考虑n 无论是从“动中通”还是个人通信要求看，用户通信设备的小（微）型化是绝对必要的。减小天线口面尺寸是终端小（微）型化的关键。反射面天线是毫米波通信设备中常用的天线。n 天线增益一定时，提高工作频率可减少天线尺寸；天线口面一定时，工作频率越高，天线增益也越高。当卫星及地面终端均采用具有高增益的定向（面）天线时，对补偿自由空间传播损

59、耗是有利的。但须指出，若考虑到降雨衰减及接收系统噪声的影响，频率升高对信号的传输质量反而不利。以下行链路为例，在地球站天线馈线出口处所提到的载波与噪声温度比C/T（dB）值为 EDsTDTGLEIRPTC797.4 系统设计的考虑卫星的全向有效辐射功率(dBW)卫星转发器输出功率(dBW)卫星发射天线增益(dB)；卫星的馈线损耗(dB)；为下行链路传输损耗(dB)，自由空间传播损耗降雨及大气损耗地球站的接收品质因数 FsTsTsTLGPEIRP sTP sTGFL RfDLLL fLRLETG erFFAERETLTLTGTG11可按下式计算ETG807.4 系统设计的考虑地球站接收天线增益，

60、接收天线噪声温度，包括晴空噪声、大气噪声、降雨噪声等；地球站接收馈线损耗；馈线环境温度，接收机内部等效噪声温度。 ERGATFL1TerT2cDfG24cdfLf天线增益及自由空间传播损耗（真值）可分别按下式计算：817.4 系统设计的考虑n 当天线口径 一定且效率相同时，若射频分别取为 、 ，则按上述各式可求得二者 之差为： n 式中， n以 为参考，利用上式及第四章中给出的大气、降雨损耗和噪声数据及第二章中给出的低噪声放大器的噪声性能，并参考图7.16，求得一组数据如表7.6所示。1f2fTC 21DfDfTCTC 121221lg10lg10lg20fTfTfLfLffDtDtRRerF