卫星通信概论(课件)

1、卫卫 星星 通通 信信主要内容n卫星通信的基本概念n卫星通信系统的分类nVSAT系统n移动卫星通信系统n几个主要的卫星通信系统定义 卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信。卫星通信工作在微波频段。 1-1卫星通信示意图 ABCDE地球地球ABR0he卫星简史n1945年，英国Extra-Terrestrial Relays一文中提出利用3颗静止卫星覆盖全球的设想。 n1945年到1964年间，曾经先后利用月球、气球、铜针偶极子带作为中继，进行电话电视传输试验n1957年，前苏联发射了第1颗LEO卫星Sputnic（美苏太空竞赛的导火索）n19

2、62年，美国第1次发射了真正实用通信卫星（Telstar/MEO）n1965年，第1颗商业通信卫星（INTELSAT-1）进入静止轨道n1990-2000年，引入卫星直接广播语言（DAB）业务n2000-2005年，引入宽带个人通信；Ka频段系统得到迅速；多个LEO和MEO卫星系统投入运行发展n早期卫星通信系统采用C波段和S波段的静止轨道卫星通信，后来在K波段通信采用VSAT（Very Small Aperture Terminals）系统，可以覆盖到原来通信网络覆盖不到的区域。另外，出现了许多全球移动卫星通信系统，利用许多颗中低轨道卫星，提供全球的移动通信服务。n早期的卫星通信要求昂贵笨重的

3、终端，因此限制了它的普及和可用性。静止轨道卫星处于高轨道，传输时延大，不能满足语音业务对时延的高要求。后来的中低轨道移动卫星通信系统虽然时延相对减小，但由于卫星运动速度很高，带来的多普勒频移很大，严重影响系统性能。随着射频技术的改进，在提高性能、减小体积和重量的同时降低了终端的成本。技术的进步也更好的解决了多普勒频移带来的影响。要求卫星通信的普及要求：n低成本：通信费用和终端费用n方便：手持电话，漫游，切换n可靠：低掉线率，高连接率n高质量通信：可接受的时延，语音质量铱系统的失败n66颗低轨卫星(轨道高度780km)组成的铱星座是运行过一段时间的商业移动卫星通信系统，该系统最引人注目的成绩是在

4、1997年5月至1998年5月的1年多时间中完成了整个卫星星座的发射，曾成为世界上第一个投人使用的大低轨系统。到2000年3月17日一直苦苦支持的铱公司终于半途夭折，宣告破产。n该系统发射成功后反映出的先进之处在于:应用了星上处理与星间链路技术，相当于把地面蜂窝网倒置于空中;解决了卫星网与地面蜂窝网之间、以及蜂窝网之间的跨协议漫游，从而实现了通信终端手机化、个人通信全球化，证明了LEO可以用于全球个人通信。铱系统的失败 铱系统全球覆盖全球漫游的优势是显而易见的，然而，铱系统固有的问题决定了它失败的命运：n高成本：系统成本47亿美元；铱手机Eurasia公司卖8000美元/部，TDCOM公司卖5

5、132美元/部；通话费数美元/分钟。漫游费用n不方便：终端笨重，美国Motorola双模为454g，日本单模双模均为400g；而GSM 100 gn不可靠：铱系统掉线率高，通信率80%，掉话率15%n质量低：数据传输率低，只有2.4k/s，远低于GSM系统n其它问题：目标客户定位错误，手机交货逾期，来自其它廉价陆地移动通信系统的竞争主要内容n卫星通信的基本概念n卫星通信系统的分类nVSAT系统n移动卫星通信系统n几个主要的卫星通信系统图1-2 通信卫星轨道示意图 赤道赤道赤道轨道倾斜轨道极轨道北极分类 静止轨道卫星（Geostationary Earth Orbit：GEO）：n与地球上某一点

6、保持相对静止n赤道延伸平面：36000km 优点：n经济，三颗卫星，覆盖全球 缺点：n长距离造成大信号衰减和大传播时延（500ms以上）分类 中轨道卫星（Medium Earth Orbit：MEO）n高度在500012000km左右n为了覆盖整个地球需要10颗左右卫星 GPS：为美国空军系统运作，用作全球定位。n早期为12个卫星星座，在19781985年间发射;n新的GPS系统，在19891994年间发射；为24颗小卫星星座系统,分6个轨道平面覆盖全球分类 低轨道卫星（Low Earth Orbit：LEO）n高度在500900kmn提供全球移动电话和数据服务；也可用于地面摄影和侦察 优点：

7、n信号衰减小，时延小n卫星重量轻，结构简单 缺点：n为了覆盖整个地球需要大量卫星，系统复杂！ 图1-3 全球卫星通信系统示意图 极通信卫星1地球通信卫星2通信卫星3静止轨道主要应用领域n互接长途电话业务： 国内公众卫星通信网的干线已有37个大型C波段地球站，运行着3万5千条双向电路（占国内长途电路的56），另有4个试验地球站和约30台移动卫星通信车载站工作在Ku波段 国际通信方面：中国电信运营15座国际通信卫星地球站，开通了约1万3千条双向电路（占国际长途电路的26%） 可以提供备份电路或传送峰值业务主要应用领域n无线电和电视广播： 使用了11颗通信卫星（亚太1A、亚洲2号、亚洲3S、鑫诺1号

8、、亚太2R、泛美3R号、泛美8号、泛美9号、泛美3R号、泛美10号、银河3R和热鸟3号）的32个转发器 中央电视台的12套节目，中央人民广播电台和国际台的32路声音广播节目，以及31个省、自治区、直辖市的广播电视节目均通过卫星向全国传送主要应用领域n海上、地面和空中的移动通信： 可以提供广域或全球覆盖的移动通信业务 成为UMTS的一部分n基于TCP/IP的internet业务卫星通信的特点n通信距离远且建站费用与通信距离无关 地球站建设的费用不因两站之间距离远近、地面自然条件而变化。除了国际通信以外，在国内通信中，尤其是边远地区和陆地通信系统难以覆盖的地区，卫星通信是不可替代的选择n通信频带宽

9、，传输容量大，适用于多种业务 宽带数据业务、国际互联网业务、卫星电视业务、移动通信业务n固定卫星系统通信质量高，通信线路稳定可靠 卫星和地球站的位置相对稳定，只有直射径，无多径干扰和其他衰落。卫星通信的特点n发射与控制技术复杂 要把卫星发射到静止轨道上应确定点，并经常保持较小的漂移，难度是很高的。因为地球表面凹凸不平，太阳和月球的引力，大气层阻力，太阳辐射压力等都会造成轨道摄动。n与其他地面通信系统之间的相互干扰 卫星通信与同频段地面微波通信系统间的干扰；卫星通信系统网络的上下行线路间的干扰；卫星通信系统与雷达系统间的干扰；卫星通信系统与广播电视系统间的干扰；卫星通信系统与ISM设备间的干扰（

10、存在可能性，但尚未发现）n较大信号传输时延和回波干扰 静止卫星通信系统中，卫星与地球相距约36000千米，语音通信时，来回传播时延超过500ms。n具有广播特性，保密要求高卫星通信系统的组成n卫星通信系统主要由空间分系统、通信地球站分系统、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统四大功能部分组成。图1-5 通信卫星组成示意图 电源部分太阳能电池执行机构自 旋传感器姿态控制蓄电池天线控制电源控制电路轨道控制遥测编码器指令译码器遥控发射机指令接收机双工器本 机振荡器变频器发射机接收机双工器控制部分遥测指令部分通信部分(转发器)遥测指令天线通信天线卫星通信系统的组成n空间分系统是指通信卫星，主要由天线分

11、系统、遥测与指令分系统、控制分系统、通信分系统和电源分系统组成。n通信地球站由天线馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备等组成n跟踪遥测及指令分系统对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入静止轨道上的确定位置，并对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和校正。n监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行监测和控制，以确保通信卫星正常运行和工作。n具体的结构上，固定卫星系统和移动卫星系统会有所区别卫星通信使用的频段卫星通信使用的频段nL频段1-2 GHz（移动卫星业务、地面微波、广电、蜂窝）nS频段2-4 GHz（移动卫星业务、数字音频广播、NASA研究）

12、nC频段4-8 GHz （固定卫星业务、地面微波）nX频段8-12.5 GHz（卫星军事通信、地球观测卫星）nKu频段12.5-18 GHz（固定卫星、广播卫星、地面微波）nK频段18-26.5 GHz（固定卫星、广播卫星、 LMDS ）nKa频段26.5-40 GHz（固定卫星、星际链路、卫星成像、LMDS）主要内容n卫星通信的基本概念n卫星通信系统的分类nVSAT系统n移动卫星通信系统n几个主要的卫星通信系统VSAT卫星通信n什么是VSAT卫星通信？ VSAT全称是Very Small Aperture Terminal，可以理解为小站。它的特点就是一个小字。由于小站具有灵活、简单、方便、

13、成本低等特点，很多企业、政府部门把它作为系统内的专用通信网。现在VSAT系统的传输速率较初期大为提高，除了数据外，还传输各种多媒体信息。包括卫星电视接收小站在内，VAST应用得越来越广泛。图2-1 VSAT实物图图2-2 VSAT实物图VSAT卫星通信nVSAT通信小站的数量 Comsys在1999年发布的VSAT研究报告指出，VSAT销售量的增长，已经使许多大公司采用VSAT技术作为他们网络中的核心部件。 1997年全球订购5.5万个星形TDMA VSAT终端 1998年为8万个 连续3年增长率超过27% 至1999年，全球共有50万VSAT终端VSAT卫星通信nVSAT通信业务的应用范围

14、语音通信 数据通信 高速互联网 广播电视 电子商务 证券交易 VSAT卫星通信网的组成 VSAT通信的应用技术 利用Ku波段，VSAT终端的数据传输速率达到2Mbps以上 Ka波段的开发，使VSAT带宽大大增加 数据通信协议逐渐规范，采用TCP/IP，与Internet互联 采用多波束天线，节省星上资源，增加下行功率 与 B-ISDN结合，实现卫星多媒体通信 采用VSAT实现移动通信业务VSAT与ATMnATM ATM是CCITT(ITU的前身)在1990年确定的B-ISDN的传输和交换模式。它吸收了电路交换和分组交换的优点，将数据、图像、语音等信息分解成定长的数据块，并在各个数据块前面加上信

15、头，构成信元，以信元多路复用方式进行发送。当信元空闲时，就可以插入数据发送。插入的位置无周期性，所以成为异步传输模式。 ATM是信息高速公路的核心技术，ATM到达用户端的传输带宽为155.2Mbps。压缩后数字化电视的传输速率为34Mbps，HDTV信号速率为140Mbps，这些ATM是完全可以传送的。VSAT和ATM结合，是信息高速公路必不可少的组成部分。VSAT与ATMnVSAT-ATM的优点1.卫星的加入，使ATM业务覆盖全球任何地方2.卫星通信按需求分配带宽的能力更强3.在不同地方建立ATM网时，卫星通信可以提供十分灵活的网络配置和容量分配4.利用卫星通信的广播特性，可以建立ATM网的

16、多点对多点应用5.扩容简单，只需简单的在用户处建立ATM地面站VSAT卫星通信n星上处理技术 随着卫星通信带宽不断增加，为降低地面设备的复杂度和用户终端设备成本，把一些处理技术转移到卫星上进行，这是卫星通信发展的方向。比特再生：改善信道质量3-10db多波束天线：提高EIRP，增加系统容量，简化终端前向纠错：8db编码增益功率放大器矩阵组：动态功率匹配，减少功率消耗自主基带切换：增加系统灵活性，系统吞吐量提高3倍自适应编译码：提高信道可靠性VSAT卫星通信n多址接入方式 语音：TDMA FDMA CDMA SDMA:采用多波束天线，每个波束覆盖一定区域。空分多址不单独采用，一般结合TDMA 数

17、据：纯ALOHA 时隙ALOHA 预约ALOHA 主要内容n卫星通信的基本概念n卫星通信系统的分类nVSAT系统n移动卫星通信系统n几个主要的卫星通信系统卫星移动通信系统n卫星移动通信系统主要用来覆盖那些地面蜂窝系统因为成本问题而覆盖不到的偏远地方，将是未来个人通信网的重要组成部分。它通过与地面PSTN和蜂窝网结合，实现全球覆盖全球漫游。图14 卫星通信线路组成框图多路复用调制器发射机多路分离调制器接收机双工器多路复用调制器发射机多路分离解调器接收机双工器发射机频率变换接收机双工器卫星转发器天线馈电设备卫星移动通信系统n卫星移动通信的特点 要求较高卫星EIRP： 相对固定卫星系统，卫星移动系统

18、的地面站天线口径小，功率低；同时它采用单路单载波工作方式，易受噪声影响，为抑制噪声，要求卫星有较高发射功率 信道复杂： 莱斯衰落信道、非线性信道、多普勒频移、阴影衰落 噪声影响： 宇宙射线、电离层影响、雨、雾等卫星移动通信系统n移动卫星通信系统参数 EIRP（等效全向辐射功率） 定义为地球站或卫星天线发送功率和天线增益的乘积：EIRP=P*G 噪声温度 T 品质因数（ G/T ） 在卫星通信系统中，噪声温度的 高低严重影响信号的接收，在G里面去掉 噪声温度的影响后，反映了接收系统的实际质量水平卫星移动通信系统n关键技术1. 卫星2.通信体制3.网络结构4.入网方案5.频率选择6.数字技术关键技

19、术n多波束天线关键技术nSS-TDMA（这里以3波束系统为例）关键技术nSS-TDMA（这里以3波束系统为例）几个主要的商用系统n大LEO系统Iridium 采用66颗卫星运行在765km的6个极地、近地、近圆轨道，每个轨道分布11颗。每颗卫星展开硅电池9.28平方米，可输出500瓦功率。 采用L频段提供卫星至地面用户的链路，采用Ka频段提供星际链路和卫星到地面关口和控制中心的链路。 每颗卫星与同轨道上的相邻卫星间有2条星际链路，与不同轨道上的卫星间有4条星际链路。 系统具有空间交换能力，并具有路有分配功能。用户可以用手提电话直接通过卫星通信，而无需通过地面网络转接。真正的全球通信系统。几个主要的商用系统n大LEO系统GlobalStar 采用48颗卫星，分布在8个圆形轨道，每个轨道平均分布6颗卫星。轨道高度1389km。 全球星系统和铱星在结构设计和技术上都不同。全球星属于不单独组网系统，作用是保证全球范围内的移动用户随时通过该系统接入地面网。它与地面公共网联合组网，作为地面蜂窝网的延伸，成本比铱星低。几个主要的商用系统n MEO系统Odyssey几个主要的商用系统n巨LEO卫星Teledesic系统 Teledesic系统是迄今为止最雄心勃勃的LEO星座系统，其卫星数量之多，建造成本之高，都