卫星通信基础

1、卫星通信简介卫星通信简介 中国卫星通信集团公司中国卫星通信集团公司 二一三年二一三年1 概述概述1 1、1 1卫星通信的基本概念卫星通信的基本概念l什么是卫星通信 卫星通信是微波通信的一种。只是中继站是太空中的卫星。 利用人造地球卫星作为中继站转发或发射无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信1 概述概述l“地球站” 地球站指在地球表面的无线电通信站，包括地面站、机载站和船（舰）站。1 1、1 1卫星通信的基本概念卫星通信的基本概念1 概述概述1 1、1 1卫星通信的基本概念卫星通信的基本概念l是一种特殊的微波中继通信方式属宇宙通信之一 包括：1）地球站与宇宙站之间的通信。例如地球站与空间

2、站之 间的通信。 2）宇宙站之间的通信。例如航天飞机与空间站间的通信。 3）通过宇宙站的转发或反射进行的地球站之间的通信。1 概述概述1 1、2 2卫星通信的基本组成卫星通信的基本组成1 概述概述1 1、3 3卫星通信系统的组网形式卫星通信系统的组网形式星状网星状网网状网网状网1 概述概述1 1、4 4卫星通信系统的卫星通信系统的4 4大资源大资源l频带l功率l时间（寿命）l轨道位置1 概述概述1 1、5 5卫星通信的特点卫星通信的特点l卫星通信的优点 1、无缝隙覆盖能力 2、宽域的复杂的网络拓扑构成能力 3、移动性 4、距离不敏感性l卫星通信存在的问题 1、时延问题 2、高速宽带问题 3、高

3、性能、低误码率问题 4、网络控制协议优化设计问题 5、轨道/频谱分配与干扰协调问题2 卫星通信的电波传播和工作频段卫星通信的电波传播和工作频段 1、卫星通信的电波在空间中传播会因为以下几个因素造成功率衰减： (1)大气吸收存在两个吸收峰值点：第一个峰值点在22.3GHz频率处， 主要是由水蒸气（H2O）谐振吸收引起的。第二个峰值点在60GHz 频率处，主要是有(O2)谐振吸收引起的。在明显离开峰值点的其 它频率处，吸收损耗相当的低。 (2)大气闪烁效应 1）是一种衰落现象。 2）由大气层中不同的折射率而引起电磁波的聚焦和扩散，造成 传播路径的不同而引起。 3）衰落周期约几十秒。 4）链路预算时

4、引入备余量来补尝。 (3)电离层效应 1）电离层中自由电子的不规则变化引起的信号随机起伏变化。 2）影响包括闪烁、吸收、到达方向变化、传播时延、散射、频率 变化和极化（法拉第）旋转。对卫星通信而言，主要是闪烁 和极化旋转。 3）所有影响随频率增加而减小，且大多数与频率平方成反比 2 卫星通信的电波传播和工作频段卫星通信的电波传播和工作频段 (4)电离层闪烁 1）电离层闪烁的主要影响是对信号可能产生严重的衰落。 2）可能持续几分钟。 3）链路预算时引入备余量来补尝。 (5)极化旋转 1）极化偏移的角度（法拉第旋转）与电磁波通过电离层路径的长 度、地球磁场强度、电子密度等因素有关。 2）法拉第旋转

5、与频率的平方成反比，10GHz以上时可忽略。 3）圆极化时不对电场的同极化或交叉极化分量产生影响；线极化 则需极化跟踪。 (6)降雨衰减 1）是由于雨滴的散射和吸收引起。 2）单位降雨衰减是降雨率的函数。 3）降雨率指雨水蓄积的速度；降雨率超过指定值的时间百分比。 4）单位降雨衰减与频率和极化方式有关。 5）降雨衰减与信号经过雨区域的有效路径长度有关。2 卫星通信的电播传播和工作频段卫星通信的电播传播和工作频段 (7)各种外部噪声 1）宇宙噪声。 2）大气噪声-与频率、仰角有关。 3）降雨噪声-与雨量、频率、仰角有关。 4）地面噪声 5）干扰噪声 2 2、2 2卫星通信的工作频段卫星通信的工作

6、频段 1、卫星通信工作频段的选择是一个十分重要的问题，它将影响到系 统的传输容量、地球站及转发器的发射功率、天线尺寸和设备复 杂程度等。 2、选择的原则 1）电离层不能成障碍。 2）天线系统接收的外界噪声尽量小。 3）电波传输损耗尽量小。 4）各种干扰尽可能避免。 5）具有较宽的可用频带 2 卫星通信的电波传播和工作频段卫星通信的电波传播和工作频段 3、卫星提供的业务。 1）卫星固定业务（FSS）。 2）卫星广播业务（BSS）。 3）卫星移动业务（MSS）。 4）卫星导航业务。 5）卫星气象业务。 6）卫星间业务。 4、卫星通信目前使用的频段 1）VHF(0.1-0.3GHz) 2）UHF(0

7、.3-1GHz) 3）L波段(1.0-2.0GHz) 4）S波段(2.0-4.0GHz) 5）C波段(4.0-8.0GHz,4/6GHz) 7)X波段(8.0-12GHz) 8)Ku波段(12-18GHz,11/14GHz,12/14GHz) 9)K波段(18-27GHz) 10)Ka波段(27-40GHz,20/30GHz,20/40GHz) 3 通信卫星通信卫星3 3、1 1卫星轨道中的星蚀和日凌中断卫星轨道中的星蚀和日凌中断3 通信卫星通信卫星 1、有效载荷 1）收发天线。 2）支持通信传输的电子设备转发器。 2、卫星平台 1）舱体 2）电源-太阳能电持帆板、蓄电池。 3）姿态控制-空间

8、指向的控制。 4）轨道控制-轨道位置的保持。 5）温度控制-维持固定的温度条件。 6）TT&C（遥测、跟踪和指令系统）。 3 3、2 2通信卫星的组成通信卫星的组成 1、日凌：天线正对卫星时也刚好正对太阳，这样会造成噪声迅速提高。 2、星蚀：卫星的太阳能帆板照射不到太阳光，不能使用太阳能，必须启 动卫星上的蓄电池。 3 通信卫星通信卫星3 3、3 3转发器的主要性能指标转发器的主要性能指标 1、G/T（“性能因数”或“品质因数”） 2、EIRP(有效全向辐射功率) 3、SFD（W）饱合通量密度 4、带宽与极化方向 5、输入补尝BOi与输出补尝BOo 4 地球站地球站4 4、1 1地球站

9、的主要性能指标地球站的主要性能指标 1、全向有效辐射功率（EIRP）-发射能力 2、品质因数(G/T)接收灵敏度 3、射频工作范围 4、载波频率准确度和稳定度 5、EIRP的稳定度 4 4、2 2地球站的组成地球站的组成 1、一个典型的收发双工地球站，一般包括天线分系统、发射分系统、接 收分系统、信道终端设备分系统、伺服跟踪设备分系统、监控分系统、 用户接口分系统和电源分系统等组成。 4 地球站地球站 2、天线分系统 1）完成发送信号、接收信号和跟踪卫星的任务，是决定地球站容量和通 信质量的关键组成部分之一。 2）要求：工作频率范围足够宽；具有较高的增益和合乎要求的辐射波瓣; 尽可能低的等效噪

10、声温度；良好的旋转性能及机械精密度等。 3、发射分系统 1）将基带信号对中频进行调制，合路后经上变频和功率放大，最后馈送 给天线。 2）要求：足够的输出功率，以满足EIRP的要求；发射功率、频率稳定； 通频带足够。 4、接收分系统 1）对收到的微弱信号进行放大、下变频和解调。 2）要求：低噪声；宽频带；选择性好。 5、信道终端设备分系统 1）完成基带信号的处理和变换。包括信道编码、话音编码、数据压缩等。 4 地球站地球站 6、用户接口分系统 1）完成对外部及与地面通信线路的接口。 7、监控分系统 1）监控系统内各种设备的工作状态，发生故障是能告警及故障处理。可能 包括网管代理。 8、伺服跟踪分

11、系统 1）保证地球站天线对准卫星。 9、电源分系统 1）对所有通信设备及辅助设备供电。 2）要求：定电压、高可靠、不间断。 5 多址接入多址接入 1、单址接入 卫星上的一个转发器通道被来自地球站的一个发送信号全部占用， 这种工作方式称为单址接入工作模式。 2、多址接入 多个载波共用一个转发器，这些载波来自地理上相隔很远的许多地 球站，每个地球站可能发射一个或多个载波，这种工作模式被称为 多址接入。 3、基本的多址接入试式 1）FDMA 2）TDMA 3）CDMA 4）SDMA 4、多址接入与多路复用是两个不同的概念 5 5、1 1多址接入多址接入5 多址接入多址接入5 多址接入多址接入5 5、

12、2 2多址分配制度多址分配制度 1、基本概念 为了充分利用卫星转发器的功率和频率资源而进行的卫星通道的分 配方式。这里的通信对应着FDMA的频带、TDMA的时隙、CDMA的码型 SDMA的窄波束。 2、预分配方式（PA） 1）固定预分配（FPA）。 2）按时预分配（TPA）。 3、按申请分配方式（DA） 1）收端固定发端可变（FR-VT） 2）发端固定收端可变（FT-VR） 3）全可变（VT-VR） 4、动态/随机分配方式 5、FDMA需要考虑的问题 1）邻道干扰 2）保护频带 3）互调 4）回退的影响 5 多址接入多址接入5 5、2 2多址分配制度多址分配制度 6、FDMA的特点 1）简单 2）无需网同步 3）缺乏重构的灵活性容量变化必须重新做频率计划 4)互调引起回退，导致接入载波数增加时，容量有损失。 5）需功率控制，以避免捕获效应（最好能补偿上行链路雨衰） 7、TDMA需要考虑的问题 1）帧结构。 2）保护时隙。 3）网同步。 8、TDMA的特点 1）单载波工作，无互调产物，可饱和工作 2）无需功率控制 3）多站接入时能保持较高的吞吐量 4）需网同步 5 多址接入多址接入 5）由于高速率的突发比特率，相对FDMA而言，需较多的功率和带宽 6）复杂9、CDMA需要考虑的问题 1）数量足够多、相关特性足