微波与卫星通信（第二版）卫星通信技术的应用

卫星通信技术的应用8.1卫星通信技术在定位系统中的应用8.2卫星通信技术在Internet中的应用8.3卫星通信技术的新应用本章小结

8.1卫星通信技术在定位系统中的应用

8.1.1卫星定位的基本概念卫星定位系统就是使用卫星对某物进行准确定位的技术,可以保证在任意时刻,地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星,以便实现导航、定位、授时等功能。它可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人,安全、准确地沿着选定的路线,准时到达目的地,还可以应用到手机追寻等功能。

8.1.2北斗卫星导航系统简介

1)系统构成

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成,空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星,地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站,用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。

2)覆盖范围

北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统,覆盖范围东经约70°~140°(度),北纬5°~55°。

3)定位原理

35颗卫星在离地面2万多千米的高空上,以固定的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

由于卫星的位置精确可知,在接收机对卫星观测中,可得到卫星到接收机的距离,根据三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。

4)定位精度

我国科研人员利用严谨的分析研究方法,从信噪比、多路径、可见卫星数、精度因子、定位精度等多个方面,对比分析了北斗和GPS在航线上不同区域、尤其是在远洋及南极地区不同运动状态下的定位效果。

5)发展计划

目前,我国正在实施北斗卫星导航系统建设。系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力;计划在2020年左右,建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

6)服务

北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务,包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务,定位精度10米,测速精度0.2米/秒,授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户,提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

为使北斗卫星导航系统更好地为全球服务,应加强北斗卫星导航系统与其他卫星导航系统之间的兼容与互操作,促进卫星定位、导航、授时服务的全面应用。

8.2卫星通信技术在Internet中的应用

8.2.1宽带IP卫星通信及其特点卫星IP系统是在卫星通信系统的基础上使用了IP技术,可见其既具有卫星通信的特点,又兼备TCP/IP的工作特点。

(1)宽带IP卫星通信系统具有极高的覆盖能力和广播特性。

(2)宽带IP卫星通信系统应用范围广,利于组建灵活的广域网。

(3)宽带IP卫星通信系统具有可靠的传输性能。

(4)宽带IP卫星通信系统具有较长的传输时延。

8.2.2现有宽带IP卫星通信系统

目前在宽带IP卫星系统中实现IP业务的主要技术有两种,一种是基于现有的数字视频广播(DVB)技术,另一种则是基于UMTS的3GPP(第三代移动通信协议标准)技术,下面分别加以介绍。

1.基于现有DVB技术的宽带卫星IP通信系统

1)组网方案

在图8-1中给出了日本NTT无线实验室提出的组网方案,这是典型的基于DVB的IP卫星通信系统。图8-1基于DVB的IP卫星通信系统结构

2)协议与帧结构

在卫星IP系统中,通常将地面中心站(CES)发出的,经卫星转发而由各用户终端所接收的信道称为广播信道,其卫星链路采用的是TDM8-Mb/s一个信道,可以实现从CES到PUT的点到点或点到多点的通信。而用户访问信道则是指由PUT经过卫星转发,由CES接收的信道,该信道可以采用地面线路,如PSTN、ISDN网等,也可以采用卫星链路。在卫星链路中采用的是SSFDMA9.6kb/s×256个信道。协议堆栈如图8-2所示。图8-2基于DVB的IP卫星通信系统协议堆栈

MPEG2TS和ATM信元帧结构如图8-3所示。图8-3基于DVB的IP卫星通信系统帧结构

2.基于SUMTS(SatelliteUMTS)的移动卫星IP系统

1)系统结构

基于SUMTS的移动卫星IP技术有两个难点;一是如何在移动卫星系统中实现IP技术的应用;二是如何使基于IP的SUMTS业务与第三代移动通信系统的IP核心网互联。因此各大公司和研究机构正组织人力分别针对这两大难题进行全力攻关,并提出了不少方案。

图8-4中给出了基于UMTS(通用移动通信系统)的移动卫星IP实验系统结构。图8-4基于UMTS的移动卫星IP实验系统结构

2)移动卫星IP系统的协议堆栈

图8-5是英国Bradford大学的卫星移动研究中心提出的一个较完整的基于SUMTS的移动IP系统的协议堆栈。图8-5基于SUMTS的功能模型的协议堆栈

当移动用户欲与某固定网用户进行通话时,移动用户信息首先经过多媒体应用和适配设备进入TCP,然后逐层封装,并将信号由物理层传送到移动终端的物理层,随后通过UMTS卫星接入网和与固定用户相连的固定地球站连接,再通过智能网网关及路由器,从而实现移动用户与固定用户的互通。其中物理层和MAC层采用同步CDMA工作方式,而

且工作于Ka波段的卫星具有星上再生功能。

8.3卫星通信技术的新应用

8.3.1卫星光通信的应用卫星通信在军事和民用中都具有相当重要的地位,然而随着卫星技术的发展以及现代社会对信息的需求,需要通过卫星传输的信息量越来越大,通信、对地观测、科学实验等均要求很高的数据传输率,以保证信息的快速和实时传输。另一方面,近代卫星星座技术的发展,也迫切需要建立星间链路。

卫星激光通信的信息传输过程一般是:由低轨道卫星将信息传输给数据中转卫星,或将数据传给地面站;再根据低轨道卫星的位置,经第二套激光通信线路传输给另一个数据中转卫星;最后,再将数据传输给地面站。这种中转卫星如果是同步轨道卫星,则可利用两颗同步轨道通信卫星实现东、西半球之间的通信。

8.3.2先进的通信卫星(ACTS)

未来VSAT网,它的发展很快,总的方向是:降低小站、主站以及整个通信网的建造和运行费用;提供数据速率更高、应用范围更广的业务,其中包括语音、数据、图像以及其他类型的业务;在操作、管理与维护方面,要求提供更灵活、更受用户欢迎的网络。VSAT网可以同更多类型的用户设备、新型交换设备以及更先进的地面通信网相互连接,从而构成综合业务数字网。从现代通信来讲,它的一个重要发展趋势,则是尽可能使卫星复杂一些,其中包括星上处理设备,从而简化地球站设备。

ACTS是一个实验卫星,由于它采用了上述先进技术,将许多原来由地面系统完成的功能转移到了星上,因而具有如交换、基带处理、波束跳变等许多先进的特性,相较于卫星通信网在性能、组网的灵活性以及费用等方面做出了许多改进,并有助于支持许多新的业务项目。具体地说ACTS所采用的关键技术有:Ka波段;动态雨衰补偿技术;多波束卫星天线;星上中频交换(SS/TDMA);基带处理与基带交换(BBS/TDMA)。

8.3.3宽带多媒体卫星移动通信系统

近年来在微波与卫星通信领域中的热点话题层出不穷,但大多集中在两个方面:一个是有关卫星移动通信的发展问题;另一个是关于宽带IP卫星通信系统的讨论。但要满足未

来的需要,必须解决卫星网与服务质量有关的系统设计问题。面对各种系统的竞争,如何在技术上保证提供低价优质的服务业务能否及时占领市场是宽带多媒体卫星移动通信系统

得以生存和发展的关键。

1)系统结构

近年来IP和多媒体技术在卫星中的应用已成为一个研究热点。ITUR于1999年4月在日内瓦举行了会议,会议上通过了IP和多媒体技术在卫星中的应用这一新技术课题提案,这对宽带卫星移动通信系统的发展具有重要影响。

关于IP和多媒体技术在卫星中的应用目前要研究的主要有:卫星IP网络结构如何支持卫星IP运行的网络层和传输层协议的性能要求;卫星链路性能的更高层协议需要做什么样的潜在改善;IP保密安全协议及相关问题对卫星链路的要求将产生什么影响。这种技术若能实现与地面IP网络兼容,将引起卫星通信业务的变革。

2)移动管理

为了解决目前的移动管理协议效率低的问题,近期提出了一系列的移动管理方案,例如一种基于ATM面向连接和面向非连接方式的混合模型的高效移动管理方案。其路由策略依据逻辑子网原理进行优化,提供满足服务质量要求的业务。

由于用户与网络之间或网络与子网之间的移动性,要求将切换引入ATM。如果没有切换支持,在一次正在进行的呼叫中,链路变化所造成的丢失将被应用层以一种类似其处理临时链路失败的方法处理。某些业务应用对短暂的中断是无法接受的,特别是接入点经常变化时,这种中断会频繁发生。故此这方面的研究是很重要的。

3)星上处理技术

为使星上设备小型化,提出使用FPGA(现场可编程门阵列)。最新的FPGA具有先进的封装技术、抗辐射能力和现场可编程能力,在工程上容易实现星上处理硬件的高度小型

化,而且速度较快,利于大批量生产。但目前所使用的抗辐射FPGA,其选通时间较难匹配,并且SRAMFPGA的容量较小,读写速度也不够快。

4)多址技术和调制技术

为了提高宽带移动卫星通信系统的容量和业务质量,必须发展新的传输技术和调制技术。近年来CDMA多址技术和OFDM(正交频分复用)多载波调制方式得到通信产品制造

商的重视。由于CDMA技术具有联合信道估计和干扰消除的特点,因此采用此技术可实现多用户接收机的多用户检测功能,有利于通过消除干扰来提高系统容量。OFDM的难点

是它对系统的同步要求,特别是突发状态下传输的符号时间恢复问题,常规的同步算法不适用于具有快衰减特性以及突发传输要求的NONGEO卫星信道。

5)信道编码

宽带卫星系统要求在较差的信道误码率情况下传输高速数据,这就要求有高效率的信道编/解码技术,以满足各类多媒体业务服务质量的要求。由于宽带多媒体业务质量要求的不同,则信道编码将要求采用速率可变的差错控制编码。另外应充分利用信源和信道的联合