MATLAB仿真在现代通信中的应用：卫星通信系统

卫星通信系统6.1铱星系统6.2美国ICO卫星通信系统6.3甚小孔径终端卫星通信系统

1996年，铱星系统获得联邦通信委员会(FCC)的经营许可，1997、1998年，美国铱星公司发射了几十颗用于手机全球通信的人造卫星，这些人造卫星就叫铱星。铱星移动通信系统(IRIDIUM)是美国铱星公司1997年委托摩托罗拉公司设计的一种全球性卫星移动通信系统，它通过使用卫星手持电话机，透过卫星可在地球上的任何地方拨出和接收电话。美国铱星公司为此项目发射了几十颗用于铱星移动通信系统项目的人造卫星。6.1铱星系统铱星移动通信系统特别适合于GSM或CDMA等公众移动通信系统信号覆盖不到的人烟稀少的地区，或受自然灾害影响而无法使用公众移动网络的地区。铱星计划的用户定位是需要在全球任何一个区域范围内都能够进行电话通信的移动客户。

当用户拨打铱星电话手机时，用户所在区域上空的卫星会先确认使用者的账号和位置，接着自动选择最便宜也是最近的路径传送电话信号。如果用户是在公众移动网络没有覆盖的地区，则电话将直接由卫星层层转达到目的地；如果附近有公众移动电话系统(GSM或CDMA移动通信系统)，则卫星控制系统会使用现在的地面移动通信系统的网络来传送电话。铱星移动通信系统的建设思想早在1987年就由美国提出，早期计划在天空上设置7条卫星运行轨道，每条轨道上均匀分布11颗卫星，组成一个完整的卫星移动通信的星座系统。由于它们就像化学元素铱(Ir)原子核外的77个电子围绕其运转一样，因此该全球性卫星移动通信系统被称为铱星系统。后来经过优化设计，设置6条卫星运行轨道就能够满足技术性能要求，因此，全球性卫星移动通信系统的卫星总数被减少到66颗，但仍习惯称为铱星移动通信系统。铱星移动通信系统中，每颗卫星的质量为670kg左右，功率为1200W，采取三轴稳定结构，每颗卫星的信道为3480个，服务寿命为5～8年。铱星移动通信系统最大的技术特点是通过卫星与卫星之间的接力来实现全球通信，相当于把地面蜂窝移动电话系统搬到了天上。铱星移动通信系统计划开始了个人卫星通信的新时代。与目前使用的静止轨道卫星通信系统相比，铱星主要具有两方面的优势：一是轨道低，传输速度快，信息损耗小，通信质量大大提高；二是不需要专门的地面接收站，每部卫星移动手持电话都可以与卫星连接，这就使地球上人迹罕至的不毛之地、通信落后的边远地区、自然灾害现场的通信都变得畅通无阻。铱星系统的复杂、先进之处在于采用了星上处理和星间链路技术，相当于把地面蜂窝网倒置在空中，使地面实现无缝隙通信；另外一个先进之处是铱星系统解决了卫星网与地面蜂窝网之间的跨协议漫游。铱星系统由空间段和地面段组成：空间段即星座，地面段包括系统控制中心、关口站和用户终端。铱星系统开创了全球个人通信的新时代，被认为是现代通信的一个里程碑，使人类在地球上任何“能见到的地方”都可以相互联络。其最大特点就是通信终端手持化、个人通信全球化，实现了5个“任何”(5W)，即任何人(Whoever)在任何地点(Wherever)、任何时间(Whenever)与任何人(Whomever)采取任何方式(Whatever)进行通信。然而，由于铱星系统资费过高、终端昂贵、系统维护费用高昂，使用铱星系统的用户量很少，“铱星”业务在市场上的用户最多时才5.5万，而据估算它必须发展到50万用户才能赢利。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。2000年，铱星背负了40多亿美元债务正式破产。铱星在2001年接受新注资后起死回生，现在，美国军方是它的主要客户。此外，由于采用手持机同卫星直接联系的方式，导致铱星电话在建筑物内无法收发信号。这成为其一个严重的缺陷。铱星手持机功率大，耗电多，过于笨重，使用不方便，也不利于人体健康。用户需要特殊的培训，每部电话机必须附带整整一个背包的附件。摩托罗拉公司的铱星双模式手机重约454g，京瓷公司的铱星单模式和双模式手机均重400g，它们比重量不到100g的GSM手机笨重得多，使用也不方便。当铱星系统与蜂窝电话网络相连时，必须适应不同的区域传输标准，由此产生的转换成本给用户带来了不便。在语音质量和传输速度方面，铱星电话远远比不上蜂窝电话。铱星所采用的MF-TDMA(多频时分多址)通信体制的语音质量不如CDMA(码分多址)。另外，铱星系统的数据传输速率仅有2.4kb/s，因此除通话外，只能传送简短的电子邮件或慢速的传真，无法满足目前互联网的需求。铱星手机主要由美国摩托罗拉公司和日本京瓷公司提供，在我国的售价大约在36000元人民币每部，入网费约2500元。国内通话费约为12.5元/分钟，国际通话费约为平均每分钟5美元。虽然语音是通过距地面780km高的铱星系统传送，但声音延迟不会超过26ms。

目前，除了美国军方，铱星系统的主要用户集中在国际商务旅游者、野外作业人员、科学考察(如在我国赴南极科考队、雅鲁藏布大峡谷探险队、三星越野挑战赛等活动中都得到了成功的应用)及其政府主管部门和应急通信等方面。

铱星系统的空中接口采用QPSK调制，发送滤波器采用平方根升余弦滤波器，滚降系数为0.4。基带符号速率为25ksymbol/s。铱星系统的业务有双工2.4kb/s语音、2400bd(波特)数据和传真、寻呼等。

铱星系统的发送信号仿真模型如图6-1所示。图中，RandomInteger模块产生符号速率为25ksymbol/s的4元整数序列(0，1，2，3)，平方根升余弦滤波器的滚降系数为0.4。AWGN信道的输入信号功率设置为仿真测量值0.084W。当信道信噪比设置为30dB时执行仿真得到的接收信号功率谱如图6-2所示。

图6-1铱星系统的发送信号仿真模型(SCHX6_1.mdl)

图6-2铱星系统的发送信号功率谱仿真结果

美国ICO(中圆轨道系统，IntermediateCircularOrbit，ICO)通信卫星公司最初是由国际海事卫星组织(Inmarsat)创建的。1993年，Inmarsat为适应世界通信业务发展潮流，推出了21世纪卫星移动通信系统InmarsatP，也就是现在的ICO通信系统。ICO在1995年成为独立公司，ICO卫星通信系统是一种中轨道卫星通信系统。6.2美国ICO卫星通信系统

ICO公司在1995年7月订购了第一批12颗卫星，在2000年又订购了另外3颗。ICO针对中轨道(MEO)运行的特点对这些卫星进行了一些调整。新型ICO卫星配置于相差90°的两个轨道平面上，能够持续不断地重叠覆盖整个地球表面。其中的10颗卫星将组成基本的星座，而其他卫星则作为在轨的备用卫星。

ICO系统的出现，在世界各国、社会各界引起了广泛的关注，成为通信界议论的热门话题之一。1998年ICO等四个系统在我国进行试验，标志着我国卫星移动通信的发展进入了一个新的阶段。

ICO的突出优点是它的卫星轨道高度较高，跨越观测者视线范围的速度低，可以减少越区切换的频度，降低掉话的机率。ICO系统由空间段、地面段(或称I-CONET)和用户终端组成。ICO使用GSM标准作为其主要的数据通信技术平台，同时保留与非GSM标准业务漫游的兼容能力。ICO整个系统通信容量为每年40～60亿分钟。

(1)空间段。ICO的空间段由在高度10355km轨道上运行的10颗主用卫星、2颗备用卫星及相关控制设备组成。每颗卫星至少能支持4500个电话轨道，分布在大约750个载波上，采用时分多址TDMA技术，保证整个系统每年支持24亿分钟的通话量。预计ICO卫星的寿命大约为12年。卫星运行在中圆轨道，其重量为2000kg，采用新材料的太阳能阵列电池。ICO计划使用1980～2200MHz频段，一颗卫星有163个点波束，由网络协调中心(NCC)通过网络控制站(NCS)实施全面管理和运作。

(2)地面段。地面段由合理分布在全球不同地方的12个卫星接续枢纽站(SAN站)和两个网络中心(NME)与一个通过光缆组成的全球网络相互连接而构成。每个SAN站提供与ICO卫星的各种用于转接通信容量的基本接口并存储必要的用户数据，SAN站还与地面各种互联接点相连，作为与公众电话交换网、移动网和数据网的基本接口，SAN站由当地运营者管理和维护。12座SAN站由投资者公开竞标，中国竞标1座。其他SAN站分别位于澳大利亚、巴西、智利、德国、印度、马来西亚、韩国、墨西哥、南非、阿联酋和美国。

(3)用户终端段。ICO系统的绝大多数用户终端为单模手持电话机和兼容陆地蜂窝系统的双模式手持机。双模式手持机可自动选择卫星或地面操作模式。也可由用户根据现有的卫星和地面系统可利用的程度及用户的意愿进行选择，其手持机与当前的蜂窝系统、电话手持机在体积外观和语音质量方面都非常相似。ICO双模式手机将提供GSM/ICO、DMAPS/ICO、PDC/ICO业务。ICO用户电话还有其他更多的用户终端，其中包括车载、航空、船舶等终端以及半固定和固定终端(如农村电话亭和集体电话)。

ICO系统的潜在用户群包括：

(1)现有的蜂窝用户，他们希望在不兼容的蜂窝系统覆盖范围内或根本没有陆地通信覆盖的地域得到服务。

(2)航空、海运和长途陆地运输经营者。

(3)居住在农村或偏远地区的缺乏通信服务的用户群。

(4)陆地通信服务覆盖不到的潜在移动通信用户等。

ICO系统的主要技术性能指标：

(1)兼容性。ICO使用GSM标准，同时也能与非GSM标准兼容。ICO使用TDMA和FDD制式。

(2)工作频段。ICO的工作频率选用1980～2010MHz和2170～2200MHz。地面频段为C/Ka波段。

(3)发射功率。卫星发射功率为5100W。

(4)系统容量。ICO可同时维持45000路电话。

(5)调制方式。在ICO系统中可以采用BPSK、GMSK和QPSK三种调制方式之一。当在ICO系统中采用BPSK调制方式时，系统对应的符号传输速率是36ksymbol/s，采用的发射滤波器是平方根升余弦滤波器，对应的参数是0.4。采用GMSK调制方式时，符号传输速率是18ksymbol/s，采用的发射滤波器是高斯滤波器，对应的参数是0.3。采用QPSK调制方式时，符号传输速率是18ksymbol/s，采用的发射滤波器是平方根升余弦滤波器，对应的参数是0.4。图6-3给出了ICO系统在GMSK调制方式下的发送信号频谱估计模型。其中，发送符号速率为18kb/s，GMSK的BT参数为0.3，高斯脉宽为3个符号时间，GMSK调制器中每符号采样16点，其输出信号功率为1W。

图6-3ICOGMSK的发送信号频谱估计模型(SCHX6_3.mdl)

图6-4ICOGMSK的发送信号功率谱估计的仿真结果

甚小孔径终端卫星系统(VSAT，VerySmallApertureTerminal)兴起于20世纪80年代，工作在Ku或C波段。其地球站天线口径一般小于2.4m(0.3～2.4m)，G/T值(天线增益与噪声温度之比)低于19.7dB/K，用于小容量数据传输和小容量语音。

VSAT的特点是：天线小，设备结构紧凑，全固体化，功耗小，成本低，环境要求低，安装方便，覆盖范围大，组网灵活且有独立性。这些特点特别适合于许多大型企业或部门的通信要求。6.3甚小孔径终端卫星通信系统

VSAT系统由卫星、枢纽站和小地球站组成，枢纽站一般设在总部附近，起主控作用，其天线口径和功率都比小站大。VSAT卫星通信系统的空间部分就是卫星，一般使用地球静止轨道通信卫星，卫星可以工作在不同的频段，如C、Ku和Ka频段。星上转发器的发射功率应尽量大，以使VSAT地面终端的天线尺寸尽量小。地面VSAT卫星通信系统的地面部分由中枢站、远端站和网络控制单元组成。其中，中枢站的作用是汇集卫星来的数据然后向各个远端站分发数据，远端站是卫星通信网络的主体，VSAT卫星通信网就是由许多的远端站组成的，这些站越多每个站分摊的费用就越低。一般远端站直接安装于用户处，与用户的终端设备连接。利用VSAT系统进行通信具有灵活性强、可靠性高、成本低、使用方便以及小站可直接装在用户端等优点。借助VSAT用户数据终端可直接利用卫星信道与远端的计算机进行联网，完成数据传递、文件交换或远程处理，从而摆脱了本地区的地面中继线问题，这在地面网络不发达、通信线路质量不好或难于传输高速数据的边远地区是一种很好的选择。

VSAT根据业务性质可分为三类：

(1)以数据通信为主的网，这种网除数据通信外，还能提供传真及少量的语音业务。

(2)以语音通信为主的网，这种网主要是供公用网和专用网语音信号的传输和交换，同时也能提供交互型的数据业务。

(3)以电视接收为主的网，接收的图像和伴音信号可作为有线电视的信号源通过电缆分配传送到用户家中。

目前，VSAT广泛应用于新闻、气象、民航、人防、银行、石油、地震和军事等部门以及边远地区通信。由众多甚小天线地球站组成的卫星通信网，叫做“VSAT网”。

VSAT卫星通信系统从单一窄带业务的卫星电信网，向一个融合电信、广播、计算机的宽带卫星网络发展。它将是未来电信系统的重要组成部分，依赖地面超大容量光纤网，以及空间宽带卫星网，使用户设备方便地直接接入全国或全球宽带网络。VSAT用户利用架设在办公室或住宅的VSAT设备，方便地接入卫星通信网。用户按照业务的需要来自适应地使用卫星网络的资源，并构造它与卫星网络的拓扑结构(一跳或两跳)。用户设备是一个小口径的天线(0.6m以下)，一个室外单元，一个室内单元。用户的办公和生活设施可以像接在地面设备一样地接在VSAT设备上。VSAT卫星通信系统提供的业务包括电信业务，计算机互联网业务，以及数据、音频、视频等广播业务。VSAT卫星通信在提供传统的语音、数据等交互业务的同时，随着网络的宽带化，发展了远程教育、远程医疗、电视会议等功能。随着广播业务的发展，利用卫星通信的广域覆盖特性和宽带卫星广播技术，可实现新闻和数据的分发和广播、数据音频/视频广播到户、卫星寻呼、Web广播、视频点播(VOD)、IP数据音频和视频广播。宽带卫星数据传输作为计算机互联网的一部分，提供了方便的文件软件下载和Internet接入、企业的Internet互连、ISP骨干业务、电子邮件、电子商务、金融证券。

VSAT站的卫星链路有主站到VSAT站的出主站链路，有VSAT站到主站的入主站链路。随着业务从窄带向宽带发展，出主站链路数据速率不断提高，从几兆比特每秒到几十兆比特每秒；入主站链路的数据速率也在不断提高，从几千比特每秒发展到几百千比特每秒、几兆比特每秒。出主站链路多采用单载波TDM的方式，也有基于广播信号的DVB数据格式和基于互联网的IP数据格式。VSAT卫星通信的宽带广播，可以广播数据音频/视频、可以实现文件数据的下载。入主站链路有多种卫星多址接入方式：FDMA、CDMA、TDMA、MF/CDMA。也有利用地面Internet链路代替入主站链路的，称为外交互方式，而把采用入主站链路称为内交互方式。传统的卫星通信多址接入方式是：时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)。它们是把卫星转发器的资源，按时间分成时隙、按频率分成频道或者按正交的编码波形分成码道，由各个地球站按照固定分配方式、随机竞争方式或者动态分配的方式来使用。所谓动态竞争方式，转发器资源由主站来管理，用户站接入时，先使用固定分配方式或随机竞争方式来申请，主站进行分配给用户地球站使用，使用完了归还给主站。随着大容量VSAT卫星通信网络以及宽带接入业务的发展，主站接入设备的容量日益增大，用户地球站也需要使用高速的宽带接入，需要主站接入信道的可变速率范围扩大。时分多址方式要求用户站的接入时隙宽度变化范围增大，频分多址方式要求用户站发送信号带宽可变或使用并行的多载波传输，码分多址方式要求用户站发送信号的扩展频谱增益可变或者使用多码道并行传输。组合的多址接入方式，可以方便地实现宽带多址接入，例如多载波(多频率)时分多址、多载波码分多址等。目前技术成熟的是多频率时分多址。多频率时分多址设置有多个频段(多个载波)，每个频率又划分成时间帧和时隙。各个用户地球站可以使用特定的频率和特定的时隙进行接入申请，根据申请的业务，得到相应的频率和时隙。对于宽带业务申请，用户可以再在一个频率上，用一个时隙或多个时隙进行接入业务传输；也可以在几个频率上，用多个时隙进行接入业务传输。根据系统接入的特点，系统在接入信道上设置了不同的时隙：用户接入申请的时隙、用户业务传输的业务时隙、校正用户地球站发送时间和频率的粗同步时隙以及校正发送时间和频率的精同步时隙。宽带VSAT卫星通信系统的前向链路和反向链路往往是不对称的，前向链路和反向链路的转发器资源的配置要和业务的特性相匹配。宽带VSAT卫星通信系统需要设计和配置接入信道的资源、多载波数目以及相应的帧结构，以适应给定接入突发特性、接入业务量条件下的接入时延和接入成功率的要求。宽带VSAT卫星通信系统往往有多种业务同时工作，系统的配置和设计只能适应总体的要求，为适应各种业务的具体要求，还应该对不同业务设置各自的优先级，调整整个系统对不同业务的适应性。

VSAT卫星通信网最初是作为透明信道使用的，它只提供固定的连接，传输单一的业务。这时针对不同的卫星信道，设备必须配置不同的通信软件。由于卫星通信必须支持网络管理和多址接入的控制，卫星通信业务的综合化必须传输多种业务，例如电信、计算机数据以及数据音频视频广播，VSAT卫星通信网必须支持通信规程协议。卫星通信规程要考虑传输的业务以及相应的规程协议：例如音频/视频广播的数据结构和规程协议、计算机互联网通信的TCP/IP协议以及电信通信的信令。随着宽带VSAT通