【卫星通信系统及关键技术探析综述3400字】

卫星通信系统及关键技术分析综述目录TOC\o"1-2"\h\u31656卫星通信系统及关键技术分析综述 1208861.1卫星通信系统概述 1191991、卫星端 176392、地面端 156383、用户端 144821.2地球同步卫星通信 241961.1.1地球同步卫星的特点 2100921.1.2亚洲5号卫星介绍 2123471.3卫星通信关键技术 3208091.3.1调制技术 331071.3.2编码技术 3205371.3.3多址接入技术 4312261.3.4差错控制技术 51.1卫星通信系统概述卫星通信是指地面站与卫星之间、地面站之间利用通信卫星转发器实现的无线通信[5]，本设计采用地面卫星便捷站经由地球同步通信卫星转发实现视频通话。卫星通信系统由卫星端、地面端、用户端三部分组成。卫星端卫星通信系统的卫星端由卫星母体与星载设备两大子系统组成。卫星母体为星载设备提供能源并使整个卫星安全运行在其轨道上；星载设备则相当于中继器，将地面站发出的电磁波处理放大后发送给另一地面站。地面端地面端是卫星系统与地面公众网络的接口，用户可以通过地面站便捷地链接相应的卫星，形成通信链路完成通信；地面站还包括地面卫星控制中心、跟踪、遥测及指令站。地面工程师可通过监控管理系统检查、调试卫星状态，确保卫星安全健康地运行；并通过指令系统调整卫星参数、天线增益等以满足不同用户地需求。用户端用户端即用户用以链接卫星实现通信目的的各种终端。1.2地球同步卫星通信人们将轨道高度在100~120km的卫星称为低轨卫星，轨道高度600~900km称为中轨卫星，轨道高度2800~3700km称为高轨卫星，而将距地面大约36000km的卫星称为地球同步轨道卫星。1.1.1地球同步卫星的特点 由于地球同步卫星位于地球同步轨道，所以其运行周期与地球自转周期相同，相对于地面静止不动。因此将其应用与通信领域将有以下优点：覆盖范围广，由于静止轨道较高，故单颗卫星便可覆盖约1/3的地球表面，只需3颗同步卫星便可完成全球组网。对星便捷，由于同步卫星相对于地面静止，使用者只需将天线对准卫星便可进行通信，后续无需追踪卫星轨迹。通信容量大，由于地球同步卫星频带较宽，故其可使用的波段范围很大，因此便可覆盖各种各样的通信业务。通信质量高，经过卫星卫星“一跳”便可将信息传送给对方，而不像微波接力通信那样不断中继从而引入大量噪声。不受环境影响，由于通信中转站位于太空，因此不用担心地形地貌、自然灾害（洪涝灾害、地震、大风）对通信路径造成的影响。1.1.2亚洲5号卫星介绍 “亚洲5号”通讯卫星是由美国劳拉空间系统公司建造，为香港亚洲卫星有限公司所有的新一代通信卫星[6][7]。亚洲5号卫星的C频段信号覆盖北至俄罗斯，南至新西兰；东起日本，西至中东及部分非洲国家，遍及亚太地区内50多个国家和地区。亚洲5号还装有18个Ku波段转发器（含备用转发器4个）。其部分技术参数如表1.1所示：表1.1亚洲5号技术参数转发带宽54MHz上/下行极化方式线性双极化（水平、垂直）行波管放大器功率150W转发器特性带自动电平控制或线性化器最大有效全向辐射功率(EIRP)53dBW最大品质因数(G/T)8dB/K最大饱和通量密度(SFD)-94dBW/m@G/T=odB/K，odB衰减1.3卫星通信关键技术1.3.1调制技术传统数字调制方式有振幅键控（ASK）：用调制信号去控制载波的通断；移频键控（FSK）：用调制信号的正负去控制载波的频率；移相键控（PSK）：用调制信号的正负去控制载波的相位。在卫星通信领域常常采用移相键控的调制方式，这是因为在卫星通信系统中含有高功率放大器等非线性器件，使得卫星通信的传输信道具有带限及非线性特性，因此需要有包络恒定和最小功率谱占有率特性的调制方式。目前常采用QPSK、OPSK、π/4DQPSK等，近几年，随着高速数据传输业务的发展以及转发器和天线技术的突破，使得8PSK、16APSK、16QAM等高阶调制方式逐步应用起来。比如在APSK调制中，相位与幅度信息是可以分离的，因此该调制方式能够使用简单的预失真法来实现相关的幅度非线性矫正，并且不会干扰相位特征，使得其在透明转发的过程中功率效率不会明显下滑[8]。目前在广播电视卫星通信领域广泛应用着APSK调制技术，并且业务范围还拓展到了移动通信领域。1.3.2编码技术占自从香农的论文发表后，就出现了诸如BCH码、RS码、Turbo码、LDPC码、前向纠错码等各种各样的纠错编码方法。在卫星通信领域，并行级联形式的Turbo码和低密度奇偶校验码（LDPC）作为两种先进的信道编码算法被广泛使用。并行级联形式的Turbo码并行级联形式的Turbo码是由法国人C.Berrou于1993年提出的。传统编码技术与香农极限存在2-3dB的差距，而对于Turbo码，该差距仅为0.7dB，这无疑使其成为了一种优秀的编码技术。Turbo码之所以能如此接近香农极限，其奥秘是因为Turbo码采用了独特的编码结构和全新的译码思想：在子编码器中采用了反馈型的系统卷积码，并且还在子编码器之间引入了交织器，使子编码器之间信息的相关性大大减少；同时在译码方面引入了迭代译码的思想，在译码中采用了软输入、软输出的译码算法和信息反馈的译码器形式。种种新技术、新思想的应用使得Turbo码有着优秀的性能，并且在高码率中能实现较高的编码增益。Turbo码在通信领域有着广泛的应用场景，但其缺点也很明显，在码长过长时，由于交织器的存在，具有较大的时延，且译码复杂度较大。低密度奇偶校验码（LDPC）LDPC码是在Turbo码的启发下发展起来的，相较于Turbo码而言，LDPC码编码更加简单，且码长较短。LDPC码由于校验矩阵稀疏，所以其可在线性时间内完成译码，而且LDPC码的译码算法是一种并行算法，通过硬件的方式有效地降低了译码时延。另外值得注意的是，相较于Turbo码而言，LDPC码没有交织器，这使得其时延很小，可在线性时间复杂度内完成编码过程。虽然LDPC码相较于Turbo码牺牲了一些性能，但却换了译码复杂度的明显降低，从整体来看这是值得的。目前LDPC编码逐渐成为卫星通信领域的首选编码方式。1.3.3多址接入技术多址接入在卫星通信领域是指多个地面站通过公用的卫星信道，建立各自的信道，从而实现各地面站之间通信的一种技术。常用的多址方法有：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）。频分多址（FDMA）频分多址技术的原理是：将工作频带划分成若干段互不重叠的子频带，然后地面站根据其业务选择不同的子频带进行使用。该多址接入技术由于设备简单、工作稳定等优点因此很早便应用于卫星通信领域，特别适合地面站较少而容量需要较大的场景。其缺点也很明显，由于划分了若干子频带，需要转发器同时放大多个载波，因此容易形成互调干扰，使系统中的数据吞吐率显著降低[9]。时分多址（TDMA）时分多址技术的原理是：在一条通信载波上，将载波划分为了一个个时隙，然后若干时隙组成一帧，地面站由总控协调使用一帧内的不同时隙传输数据，互相不重叠。TDMA的优点是充分利用了卫星转发器的功率资源、无需上行链路功率控制、使用灵活、扩容方便。但是由于多地面站共用同一载波资源，因此载波的最高速率会被通信能力最小的地面站限制，导致卫星频率资源浪费。码分多址（CDMA）码分多址技术的原理是根据地址码的正交性实现信号分割，每个地面站都被分配了一个独特的“码序列”，各个用户之间不会互相干扰。这种多址接入技术抗干扰能力强、宽带传输、允许多星同频。其缺点则是码同步较长，且增加用户会影响性能，因此适用于移动卫星通信。MF-TDMAMF-TDMA是将频分多址（FDMA）和时分多址（CMDA）结合形成的二维多址方式，兼有FDMA和TDMA的优点，用户数量和业务容量扩展方便，组网灵活，资源动态分配，利用率高，更多的载波数量意味着更大的通信容量，而且可以对每个载波都进行不同的设置以满足不同的用户需求，处理相应的组网问题。MF-TDMA技术凭借其独特的优势已经在中等规模军事通信和政府部门内部通信中广泛应用[10]。1.3.4差错控制技术在同步卫星通信系统中，由于白噪声和多普勒频移的影响，会产生随机误码，影响传输质量，因此差错控制是很有必要的。1、自动要求重发技术（ARQ）最早的ARQ系统称作停止等待ARQ系统，在该系统中，数据按分组发送，每发送一组数据后发送端等待接收端的确认（ACK）复答，然后再发送下一组数据。拉后ARQ系统作为一种改进型ARQ系统，其在发送端连续发送数据组，接收端对于每个接收到的数据组都发回确认（ACK）或否认（NAK）答复。选择重发ARQ系统则更加智能，它指挥重发出错的数据组，因此可以进一步提高传输效率。2、前向纠错技术（FEC）前向纠错技术的接收端利用发送端在发送码元序列中加入的差错控制码元，不但能够发现错码，还能将错码恢复其正确取值。