浅析卫星通信中的接入技术

1、浅析卫星通信中的接入技术第1页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四1.1 卫星通信的发展历史 1945年10月，英国空军雷达军官阿瑟克拉克在无线电世界杂志上发表了“地球外的中继站”一文。第2页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四1.1 卫星通信的发展历史1957年，苏联成功发射了第一颗低轨道卫星Sputnic。1958年，美国发射了第一颗卫星，实现语音通话。1960年，美国防部发射“信使”COVRIER有源无线电中继卫星，它可以接收和存储360000个字符，并可以转发给地球。1962年，美ATT公司发射了“电星”TELSAT，可进行电话、电视、传真和数据

2、的传输。1964年，美发射第一颗静止轨道卫星“辛康姆3号”SYNCOM 3，同年，国际电信卫星组织（INTELSAT）成立。第一阶段 第3页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四1.1 卫星通信的发展历史1965年4月，INTELSAT把把原名晨鸟的国际电信卫星，代号为S-1的卫星射入地球同步轨道，作为商用国际通信业务。两周后，苏联发射了第一颗非同步通信卫星“闪电”MOLNIYA1号。卫星转为实用阶段。1969年，美军方发射了第1代战术通信卫星，可转发10000条语音信道。1970年4月24日我国在酒泉卫星发射中心成功发射了第1颗卫星东方红1号。1972年，加拿大发射第一颗国

3、内通信卫星。1975年，第一次从美国到印度实现广播实验，卫星广播。1979年，国际海事卫星组织（International Maritime Satellite），提供全球范围内移动卫星通信的政府间合作机构。1982年，国际海事卫星通信进入运行阶段。第二阶段 实用阶段第4页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四1.1 卫星通信的发展历史1998年，LEO星座引入手机通信业务，使非静止轨道卫星进入运行阶段。2000年后，宽带个人通信。第三阶段 个人宽带通信第5页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四1.1 卫星通信的发展历史我国的卫星发展历史1970年4月24

4、日，我国在酒泉卫星发射中心成功发射了第1颗卫星东方红1号。1984年4月8日，东方红2号，中国利用本国的卫星进行通信的历史，使中国成为世界上第5个独立研制和发射静止轨道卫星的国家。1986年2月1日，第2颗东方红二号1988年至1990年，3颗东方红二号甲，通信、广播、交通、水利、教育提供服务。1997年5月12日，东方红3号成功发射。第6页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四1.2 卫星通信的概念 卫星通信：指的是设置在地球上的无线电通信站之间利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波，在2个或多个地球站之间进行的通信。 第7页，共32页，2022年，5月20日，11点

5、32分，星期四2.1卫星通信系统 GEO 同步轨道35786km MEO 轨道高度10000km LEO 轨道高度700-1500km HEO 近地点轨道高度1000-21000km，远点39500-50600km 第8页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四卫星发展趋势1960年1970年1980年1990年21世纪卫星40kg(INTELSAT)700kg(5.3M) 970kg(15.6M)1500kg(21.8M)GEO&LEO地球站30M10M2M 个人通信固定通信 移动通信2.1卫星通信系统 第9页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四2.1卫星

6、通信系统 两个典型的LEO铱系统 铱卫星系统属于极轨道系统，66颗星均匀分布在离地面785km上空的6个轨道，轨道倾角86.4度，各轨道沿经度线方向环绕地球，在南北两极上空相交。每颗星与临近的4颗星有星间电路，星上具有处理功能。 系统连接的最小仰角为8.2度，每个用户对每颗卫星的最大可视时间为9min。 每颗卫星可提供48个点束波，在地球表面形成48个蜂窝区，每个蜂窝区的直径为667km，总覆盖直径约为4450km，全球共有2150个蜂窝。每个波束平均包含80个信道，每颗星可提供3840个全双工电路信道。第10页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四2.1卫星通信系统 铱系统

7、铱星陨落： 由于巨大的研发费用和系统建设费用，铱星背上了沉重 的债务负担，整个铱星系统耗资达50多亿美元，每年光系统的维护费就要几亿美元。最终导致铱星公司背负40多亿美元债务于2000年3月18日正式宣布破产。 第11页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四2.1卫星通信系统 全球星系统 由48颗工作卫星和8颗备用卫星组成。工作卫星分布在8个轨道平面内，每个轨道平面有6颗卫星。轨道高度为1414km，轨道倾角为52度。 卫星绕地球一周的飞行时间为114分钟，卫星过顶时间为10-15分钟。在最小仰角为10度的情况下，星座能够连续覆盖纬度70度以内的地区。 第12页，共32页，2

8、022年，5月20日，11点32分，星期四2.1卫星通信系统 全球星系统 此系统无星上处理和星间链路能力。所以所有终端之间的通信均要通过信关站，信关站完成所有路有分配、用户管理和与地面网的接口。两个信关站之间的距离大致在1000-3000公里，覆盖全球的数量大致需要150-210个。 信关站主要由三部分组成，即射频子系统、CDMA设备和交换子系统。交换子系统完成信息路由的分配、移动管理、接入有关数据库和与地面网的接口，一般都接有访问位置登记器和住地位置登记器。 第13页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四2.1卫星通信系统 两系统的比较 铱星系统具有星间电路的系统，而全球星

9、系统则不是，这直接影响了系统设计的不同。第14页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四3.1卫星通信系统的组成 第15页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四3.1卫星通信系统的组成 3.1.1 卫星通信系统的空间段 空间段包含天上的一颗或几颗卫星，在空中对发来的信号起中继放大和转发作用。3.1.2 卫星通信系统的地面段 地面段主要由多个业务地球站组成。 按其服务类型又分为三种： 1）用户站 2）关口站 3）服务站第16页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四3.2 卫星通信系统的关键技术 卫星移动通信网中要实现的主要功能与地面移动通信网的

10、功能一致，包括呼叫处理、资源分配、移动管理、无线电资源管理、保密和安全、网络管理。与地面蜂窝通信系统唯一不同的是移动性管理，必须考虑的卫星在移动、终端也在移动的特点。因此，在卫星通信系统中，必须考虑信道资源分配、接入控制、功率控制、切换控制这些关键的技术，使得更为有效合理地使用资源。 第17页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四3.2 卫星通信系统的关键技术3.2.1 接入技术 第18页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四3.2 卫星通信系统的关键技术3.2.2 切换技术 卫星通信中呼叫切换的频繁程度对系统的性能有极大的影响。对用户而言，频繁的切换请求使

11、得切换对相邻卫星没有空闲信道而造成中断的概率大大增加，降低了用户通信的可靠性，对于已建立的链接的呼叫用户，被强制中断是不可容忍的。对系统而言，频繁的切换使得系统网络重构变化剧烈，切换所带来的系统开销，如链路的建立和拆除、额外信令、网络管理的开销等也大大增加，增加了系统的成本。第19页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四3.2 卫星通信系统的关键技术 切换策略 1）最短馈电链路切换方案2）最长可视时间切换方案 第20页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四3.2 卫星通信系统的关键技术3.2.3 信道分配技术 呼叫接入和切换都是针对局部网络的信道；对于网络的

12、一部分或整个网络，为了更为有效的利用系统资源，就需要考虑信道分配的策略问题了。 主要有以下三种策略： 1）固定信道分配策略 2）动态信道分配策略 3）灵活信道分配策略第21页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四4.1 卫星通信系统的接入技术 当卫星用户进行呼叫时，选择覆盖到它的哪一颗卫星为自己服务，才能在保证实时业务服务质量的基础上，使系统资源得到更好的利用并提高系统容量？4.1.1 卫星通信系统的接入第22页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四4.1 卫星通信系统的接入技术4.1.2 传统的卫星通信系统的接入 在传统的卫星通信系统中，呼叫接入控制所采用

13、的策略和地面蜂窝移动通信所采用的策略很相似，当卫星具有固定信道数时，在不考虑切换呼叫时，如果系统有空闲得信道满足呼叫的请求，就接纳呼叫，否则就拒绝。 对于地面蜂窝移动通信系统的呼叫接入问题，主要的策略就是小区内预留一定数量的保护信道专门供切换使用，而各种策略研究的主要目的集中在如何使预留的信道更合理。其中最有效的方法是利用定位预测用户的移动趋势来合理地预留保护信道。 第23页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四4.1 卫星通信系统的接入技术4.1.3 LEO卫星通信系统的接入 在非同步卫星系统中，必须考虑呼叫接入的问题，不仅是新用户在本小区内建立新连接所涉及的呼叫接入，还包

14、括相邻小区内切换过来的那部分呼叫请求的接入。 由于卫星和地面用户终端之间的高速相对移动，使得部分呼叫在通信过程中需跨越区边界，此时系统必须将这类呼叫切换至相邻的、具有空闲信道的卫星继续服务；如果呼叫申请切换时，多颗卫星均可提供后续信道，按照何种规则选定卫星进行星间切换也是接入方案需要解决的问题。 第24页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四4.1 卫星通信系统的接入技术4.1.4 LEO卫星通信系统的接入策略 目前比较典型的接入方案有距离优先方案、覆盖时间优先方案和仰角加权覆盖时间优先方案。 1）距离优先方案 2）覆盖时间优先方案 3）仰角加权 第25页，共32页，2022

15、年，5月20日，11点32分，星期四4.1 卫星通信系统的接入技术4.1.4 LEO卫星通信系统的接入策略 距离优先方案：优先考虑接收信号最强的卫星作为接入卫星：通话时间短时比较好，但呼叫时间长的话就会频繁地发生切换，增加系统的负担和阻塞率。第26页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四4.1 卫星通信系统的接入技术4.1.4 LEO卫星通信系统的接入策略 覆盖时间优先方案中用户优先考虑的是覆盖卫星对其还能覆盖的时间，这样能有效的减少切换的频率，但对于呼叫时间较短的用户，这种方案选择的卫星的信号不是最好的。第27页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四4.1 卫星通信系统的接入技术4.1.4 LEO卫星通信系统的接入策略 仰角加权是综合考虑了以上两种方案，具备了二者的优点。 这种方案中，用户在选择接入卫星时，只要覆盖用户的卫星的距离是最短的或者覆盖该用户的时间是最长的，就把它作为接入卫星，接入时还要考虑到卫星资源的利用情况。这样能有效地利用信道资源，降低卫星用户呼叫和切换阻塞的概率。第28页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四4.1 卫星通信系统的接入技术4.1.5 几个系统接入策略的比较第29页，共32页，2022年，5月20日，11点32分，星期四4.1 卫星通信系统的接入技