《卫星通信与卫星网络》课件-第14章

第14章典型LEO、MEO轨道卫星系统14.1低轨道卫星系统14.2中轨道卫星系统14.3本章小结

同步轨道卫星的应用具有以下特征:

(1)自由空间中,信号强度与传输距离的平方成反比。

(2)信号经过远距离传输会带来较大的时延。

(3)轨道资源紧张。

所以,人们普遍认为,GEO卫星固然可以用于移动通信,但是用于个人通信还存在较大的技术困难。正因为如此,提出了利用多颗中轨道(MEO)卫星、低轨道(LEO)卫星覆盖全球来实现个人移动通信的方案。

图14-1通信卫星轨道示意图

对于GEO/MEO/LEO系统的性能,可从下述10个方面进行评价:

(1)星座结构;

(2)卫星数量与性能;

(3)覆盖能力与系统容量;

(4)调制方式和多址连接;

(5)动态路由寻址及分集考虑;

(6)信号传输质量;

(7)网络结构与系统成本;

(8)业务范围、服务质量与市场吸引力;

(9)与地面系统的兼容性、互操作性及业务质量;

(10)对规则、政策等政治因素的适应能力。

LEO和MEO卫星轨道的主要特点如下:

(1)轨道高度较低,信号的传播路径比较短,传播损耗和延迟较小。

(2)多颗卫星可以进行频率利用,也能缓解对地静止轨道上卫星过分拥挤的情况。

(3)一次发射多颗卫星降低了发射成本。

(4)卫星制造成本低,卫星系统的可靠性和生存能力较高。

(5)容易实现全球个人通信,特别是高纬度地区。

表14-1给出了LEO和MEO系统的性能对比。

14.1低轨道卫星系统

低轨道卫星移动通信系统由卫星星座、关口地球站、系统控制中心、网络控制中心和用户单元等组成。图14-2示出了中低轨道卫星移动系统的基本组成。

图14-2中低轨道卫星移动系统的基本组成

目前提出的低轨道卫星方案有很多,大致可以分为以下三类:

(1)大LEO:提供全球实时个人通信业务的LEO卫星移动通信系统,如Iridium、Globalstar和Arics等。

(2)宽带LEO:利用LEO提供宽带业务的系统,如Celestri、Teledesic、Mstar、Coscon、Skybridge和Starsys等。

(3)小LEO:利用LEO提供非实时业务的系统,如Orbcomm、LEOSet和LEOone等。

14.1.1Iridium系统

铱系统是针对传统地面蜂窝电话网的局限而提出的用77颗低轨道小型卫星组成的覆盖全球的个人数字化卫星移动通信系统,它与现有通信网结合,可实现全球无缝覆盖,系统总耗资约50亿美元。该系统原设计预备采用77颗小型卫星,分别围绕7个极地圆轨道运行,因卫星数与铱原子的电子数相同,故得名铱系统。后来由于设计修改,星座结构改为66颗卫星围绕6个极地圆轨道运行,但系统名称仍为铱系统。

铱系统采用了星上处理、星上交换和星际链路技术。星际链路是铱系统有别于其他卫星移动通信系统的一大特点,其作用相当于把蜂窝网放置在空中,因而系统的性能极为先

进,但同时也增加了系统的复杂性,提高了系统的投资费用。

铱系统主要是为商务旅行者、航空用户、海事用户、边远地区以及紧急援助等提供语音、传真、数据、定位、寻呼等业务服务。

铱系统主要由空间段、系统控制段、用户段和关口站段四部分组成。

(1)空间段由分布在6个极地圆轨道面的66颗在轨卫星和6颗备用卫星共72颗卫星组成,以此来保证全球任何时间、任何地区都至少有一颗卫星覆盖。

(2)系统控制段是铱系统的控制中心,包含遥测跟踪控制(TT&C)、操作支持网(OSN)和控制设备(CF)三个部分,主要功能为:空间操作、网络操作、寻呼终端控制。系统控制段有两个外部接口,其中一个接口到关口站,另一个接口到卫星,可以提供卫星星座的运行、支持和控制,把卫星跟踪数据交付给关口站,利用寻呼终端控制器(MTC)进行终端控制。

(3)用户段指的是使用铱系统业务的用户终端设备,主要包括手持机(ISU)、寻呼机(MTD)、航空终端、太阳能电话单元、边远地区电话接入单元等。ISU是铱系统移动电话机,包括两个主要部件:SIM卡及无线电话机。它可向用户提供语音、数据、传真业务。MTD类似于市场上的寻呼机,可分为两种:数字式MTD和字符式MTD。

(4)关口站段是提供铱系统业务和支持铱系统网络的地面设施,由以下分系统组成:交换分系统SSS(西门子D900交换机)、地球终端(ET)、地球终端控制器(ETC)、消息发起控制器(MOC)、关口站管理分系统(GMS)。关口站段主要有4个外部接口:关口站到卫星,关口站到国际交换中心(ISC),关口站到铱系统商务支持系统(IBSS),关口站到系统控制段(SC)。

14.1.2Celestri系统

Celestri的地面系统包含网络运营控制中心(NOCC)、分布式虚拟网络部分(DVNS)和用户居所设备(CPE)三部分。NOCC形成卫星系统与网络经营者之间的初级联系。NOCC

负责整个Celestri网络的管理,包括:网络容量的指配、网络架构、安全、记账和故障排除等。DVNS与NOCC相连,使业务分销商可以独立管理,可以对Celestri全球网络的各部分进行加密,进行网络供应、名录及连接管理、电话监听和给终端用户开账单等业务。

CPE又可称为双向智能终端产品及系统,用户通过CPE可以进入Celestri网。摩托罗拉公司为CPE提供了5种类型的设备,包括承载关口站、宽带数据传送终端、多种租户服务器、信息服务器和直接通信终端,容量范围为64kb/s至155Mb/s。其中,承载关口站将CelestriDVNS与公共载体、因特网和主要的广播中心相连;宽带数据传送终端负责将用户的高容量数据节点与Celestri网相连;多种租户服务器可以将Celestri系统接入居民区、商业大楼、旅馆、学校和大学;信息服务器则支持用户接入LAN、计算机、本地电信设备等用户分布式信息环境;而直接通信终端则支持诸如个人电脑、电话、电视机等家庭和小的商业设备连接至Celestri网。

14.1.3Globalstar系统

Globalstar系统又称全球星系统,是由美国劳拉公司(LoralCorporation)和高通公司(Qualcomm)倡导发起的卫星移动通信系统,合伙公司有Alcatel、ChinaTelecom、France

Telecom、Vodafone等。

全球星系统对当前现存系统的本地、长途、公用和专用电信网络是一种延伸、补充和加强,它没有星际链路,无需星上处理,从而大大降低了系统投资费用,而且避免了许多技术风险。当然,因星体设计简单,故系统必须建很多关口站。

全球星系统主要由空间段、地面段、用户段三部分组成。

用户段是指使用全球星系统业务的用户终端设备,包括手持式、车载式和固定式设备,可提供语音、数据(7.2kb/s)、三类传真、定位、短信息等业务。手持式终端包括SIM

卡/SM卡和无线电话机两个主要部件,有全球星单模、全球星/GSM双模和全球星/CDMA/AMPS三模模式。车载终端包括一个手持机和一个卡式适配器。固定终端包括射频单元(RFU)、连接设备和电话机,有住宅电话、付费电话和模拟中继三种。

14.1.4Skybridge系统

kybridge系统又称天桥系统,是由阿尔卡特公司、美国劳拉公司和日本东芝公司发起的低轨道卫星计划,系统目标是针对目前还没有连接到宽带地面基础信息网络或采用传统基础信息网络很不经济的城区、郊区和乡村,把Skybridge用作宽带无线本地环路,预计全部项目总投资35亿美元。

Skybridge系统是一个以卫星为基础的宽带接入系统,允许在全球的任何地方(除两极外)实现高速因特网接入、电视会议等业务。Skybridge系统的卫星用于直接将用户数据传回地面站并接入用户网络,这样可通过处理用户连接管理,合理、高效地开发宽带业务。

Skybridge系统设计的关键是应用了地球静止轨道卫星系统,并采用Ku频段工作,可以满足电信运营商宽带接入的需求,将用户的数据直接返回到地面站网关,并进入运营商的网络;而其他系统是在Ka频段内工作,其主要地面站设备为了满足这些Ka频段工作的特殊需要将不得不重新设计开发。

14.1.5Teledesic系统

Teledesic系统是由美国微软公司和麦考(McCaw)蜂窝通信公司提出的耗资可能达90亿美元的一项庞大的计划,其主要目标瞄准了宽带业务。该计划准备发射924颗卫星(其中84颗备用),充分利用信息高速公路多媒体技术,建造一个覆盖全球的宽带卫星通信网“Internetinthesky”(空中因特网),就像把光缆架设在空中一样,让任何人都能获得双向的、交互式多媒体宽带业务,因此又称为空中因特网系统。

Teledesic系统内每颗卫星配备64条扫描波束,每条波束含9个小区,形成576个小区,每一小区覆盖面积为53km2,可提供1440个16kb/s(卫星与移动用户之间的链路速率)激活语音信道,共576×1440=829440个话路,从而每一颗卫星可以构成巨大的容量能力。卫星用于固定业务或租用业务的速率为N×16kb/s,最大为2.048Mb/s(即卫星个数N≤128)

14.1.6Orbcomm系统

Orbcomm系统由美国OrbitalSciences公司和加拿大Teleglobe公司合伙经营,是目前全球已经商用的低轨道卫星系统。这是一个只能实现短数据(非语音)全球通信的小卫星星座系统,它具有投资少、周期短、兼备通信和定位能力、卫星重量轻(43kg)、用户终端小巧便携、星座运行时自动化程度高、自主功能强等优点,适合市场需要,应用广泛,性价比高,是全球第一个双向短数据低轨小卫星通信系统。

Orbcomm系统是一个广域、分组交换、全球覆盖、双向短数据通信系统。它提供四类基本业务:数据报告、报文、全球数据报和指令。

Orbcomm系统含有三个工作部分:空间段、地面段和用户段。空间段是由41+6(6颗备用卫星)颗LEO卫星组成的。

GCC是网关站的核心,主要有两个子系统:网关报文交换系统(GMSS)和网络管理系统(NMS)。前者负责报文处理、路由选择、规程转换,对外部网络提供SMTP接口和X.25接口;后者对网关站各组成设备进行监控。因此,所有在Orbcomm系统内的通信均经过网关站。

用户段是Orbcomm系统的用户终端,用以和Orbcomm星座发送和接收信息。用户终端实际就是一个无线电收发机,包括移动式和固定式,它能以半双工的形式和

Orbcomm的LEO卫星进行通信。用户终端和卫星之间的射频通信保证了Orbcomm系统用户通过地面网关与系统相连接。用户终端内的电子器件包含一个VHF发送机、一个

VHF接收机、一个可选的UHF接收机、一根天线和数据处理集成块。目前,用户终端有许多制造厂商,如科学亚特兰大、松下等,但它们都必须遵守Orbcomm的协议,提供一个统一的接口。

Orbcomm系统的应用涉及多工业领域,诸如交通运输、油气田、水利、环保、渔船和消防报警等方面,但大致上可分成对固定资产的监控和对移动物资的跟踪两大类型。Orbcomm系统扩展了因特网无线接入,提供以Web为基础的监视和跟踪解决方案,从而使用户获得低成本、高附加值的点对点数据通信服务

14.2中轨道卫星系统

中轨道卫星(MEO)相对于高轨道卫星来说,由于轨道高度的降低,可减弱高轨道卫星通信的缺点,并能够为用户提供体积、重量、功率较小的移动终端设备,且只需用较少数目的中轨道卫星便可构成全球覆盖的移动通信系统。

14.2.1Odyssey系统

Odyssey系统是TRW公司推出的中轨道卫星通信系统,它的网络结构主要包括空间段、地面段和用户单元三个部分。

Odyssey系统的地面段包括卫星管理中心、服务运作中心、地球站、关口站、地面网络等。系统可以作为现存陆地蜂窝移动通信系统的补充和扩展,支持动态、可靠、自动、用户透明的服务。

系统最主要的用户终端是手持机。手持机的设计在许多方面决定整个系统的特性,其最大等效全向辐射功率(EIRP)决定了卫星的G/T值,进而决定了卫星的点波束数量和卫

星每条信道的功率,也就间接地决定了卫星的大小和成本。

14.2.2ICO系统

ICO(IntermediateCircularOrbit)系统又称中圆轨道系统,由Inmarsat发起。Inmarsat于1979年成立,是一个政府间的国际合作组织(自1999年4月15日起转变成私营公司)。该组织成立初期旨在为海运界提供全球遇险安全和航行管理卫星移动通信业务,1982年2月Inmarsat系统正式投入运营。

ICO系统最初有低、中、静止轨道三种方案供论证,最终选择了MEO方案,即所谓的ICO(中圆轨道)方案。该系统的运行目的是利用卫星向全球用户提供手机卫星移动通信,

实现与地面公网相连通的数字语音、寻呼、传真、数据以及定位等多种业务。ICO系统主要由三部分组成:空间段、地面段、用户终端。

跟踪和测控站通过跟踪卫星的运动和调整卫星的轨道,维持星座分布,实现管理ICO卫星系统。该站还通过收集卫星的电源电压、电流、温度、稳定性和其他运行特性的数据,

并把这些数据转发到卫星操作控制中心进行处理和作出反应,从而监测卫星的全面状况。该站还可在任何一颗卫星出现故障时操纵卫星,重新调整卫星星座。

14.2.3Spaceway系统

Spaceway系统又称太空之路系统,是由休斯通信公司提出的卫星网络系统。Spaceway系统提供包括双向语音、高速数据、图像、电话电视会议、多媒体等多种交互宽带通信业务,以满足各种应用需求。最早的两颗Spaceway通信卫星是休斯公司Spaceway全球宽带通信系统的一部分,由美国DIRECTV公司所有并运营。在DIRECTV公司接管休斯公司DTH业务之后,这些卫星改为在全美范围内进行高清本地电视频道的传输。

Spaceway系统的地面终端为可直接与ATM设备进行分组交换的多媒体超小口径终端(USAT)。Spaceway系统可与USAT用户终端和地面网接口两类地面通信设备连接。两种类型的终端均可使用直径为66~1.2m的天线提