衛(wèi)星通信概論(課件)

衛(wèi)星通信主要內(nèi)容衛(wèi)星通信的基本概念衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類VSAT系統(tǒng)移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)幾個主要的衛(wèi)星通信系統(tǒng)定義衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電信號，在兩個或多個地球站之間進行的通信。衛(wèi)星通信工作在微波頻段。1-1衛(wèi)星通信示意圖簡史1945年，英國《Extra-TerrestrialRelays》一文中提出利用3顆靜止衛(wèi)星覆蓋全球的設(shè)想。1945年到1964年間，曾經(jīng)先后利用月球、氣球、銅針偶極子帶作為中繼，進行電話電視傳輸試驗1957年，前蘇聯(lián)發(fā)射了第1顆LEO衛(wèi)星－Sputnic（美蘇太空競賽的導(dǎo)火索）1962年，美國第1次發(fā)射了真正實用通信衛(wèi)星（Telstar/MEO）1965年，第1顆商業(yè)通信衛(wèi)星（INTELSAT-1）進入靜止軌道1990-2000年，引入衛(wèi)星直接廣播語言（DAB）業(yè)務(wù)2000-2005年，引入寬帶個人通信；Ka頻段系統(tǒng)得到迅速；多個LEO和MEO衛(wèi)星系統(tǒng)投入運行發(fā)展早期衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用C波段和S波段的靜止軌道衛(wèi)星通信，后來在K波段通信采用VSAT（VerySmallApertureTerminals）系統(tǒng)，可以覆蓋到原來通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的區(qū)域。另外，出現(xiàn)了許多全球移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，利用許多顆中低軌道衛(wèi)星，提供全球的移動通信服務(wù)。早期的衛(wèi)星通信要求昂貴笨重的終端，因此限制了它的普及和可用性。靜止軌道衛(wèi)星處于高軌道，傳輸時延大，不能滿足語音業(yè)務(wù)對時延的高要求。后來的中低軌道移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)雖然時延相對減小，但由于衛(wèi)星運動速度很高，帶來的多普勒頻移很大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。隨著射頻技術(shù)的改進，在提高性能、減小體積和重量的同時降低了終端的成本。技術(shù)的進步也更好的解決了多普勒頻移帶來的影響。要求衛(wèi)星通信的普及要求：低成本：通信費用和終端費用方便：手持電話，漫游，切換可靠：低掉線率，高連接率高質(zhì)量通信：可接受的時延，語音質(zhì)量銥系統(tǒng)的失敗66顆低軌衛(wèi)星(軌道高度780km)組成的銥星座是運行過一段時間的商業(yè)移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)最引人注目的成績是在1997年5月至1998年5月的1年多時間中完成了整個衛(wèi)星星座的發(fā)射，曾成為世界上第一個投人使用的大低軌系統(tǒng)。到2000年3月17日一直苦苦支持的銥公司終于半途夭折，宣告破產(chǎn)。該系統(tǒng)發(fā)射成功后反映出的先進之處在于:應(yīng)用了星上處理與星間鏈路技術(shù)，相當(dāng)于把地面蜂窩網(wǎng)倒置于空中;解決了衛(wèi)星網(wǎng)與地面蜂窩網(wǎng)之間、以及蜂窩網(wǎng)之間的跨協(xié)議漫游，從而實現(xiàn)了通信終端手機化、個人通信全球化，證明了LEO可以用于全球個人通信。銥系統(tǒng)的失敗銥系統(tǒng)全球覆蓋全球漫游的優(yōu)勢是顯而易見的，然而，銥系統(tǒng)固有的問題決定了它失敗的命運：高成本：系統(tǒng)成本47億美元；銥手機Eurasia公司賣8000美元/部，TDCOM公司賣5132美元/部；通話費數(shù)美元/分鐘。漫游費用不方便：終端笨重，美國Motorola雙模為454g，日本單模雙模均為400g；而GSM<100g不可靠：銥系統(tǒng)掉線率高，通信率80%，掉話率15%質(zhì)量低：數(shù)據(jù)傳輸率低，只有2.4k/s，遠(yuǎn)低于GSM系統(tǒng)其它問題：目標(biāo)客戶定位錯誤，手機交貨逾期，來自其它廉價陸地移動通信系統(tǒng)的競爭主要內(nèi)容衛(wèi)星通信的基本概念衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類VSAT系統(tǒng)移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)幾個主要的衛(wèi)星通信系統(tǒng)圖1-2通信衛(wèi)星軌道示意圖分類

靜止軌道衛(wèi)星（GeostationaryEarthOrbit：GEO）：與地球上某一點保持相對靜止赤道延伸平面：36000km

優(yōu)點：經(jīng)濟，三顆衛(wèi)星，覆蓋全球

缺點：長距離造成大信號衰減和大傳播時延（500ms以上）分類

中軌道衛(wèi)星（MediumEarthOrbit：MEO）高度在5000－12000km左右為了覆蓋整個地球需要10顆左右衛(wèi)星GPS：為美國空軍系統(tǒng)運作，用作全球定位。早期為12個衛(wèi)星星座，在1978～1985年間發(fā)射;新的GPS系統(tǒng)，在1989～1994年間發(fā)射；為24顆小衛(wèi)星星座系統(tǒng),分6個軌道平面覆蓋全球分類低軌道衛(wèi)星（LowEarthOrbit：LEO）高度在500－900km提供全球移動電話和數(shù)據(jù)服務(wù)；也可用于地面攝影和偵察

優(yōu)點：信號衰減小，時延小衛(wèi)星重量輕，結(jié)構(gòu)簡單

缺點：為了覆蓋整個地球需要大量衛(wèi)星，系統(tǒng)復(fù)雜！圖1-3全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖主要應(yīng)用領(lǐng)域互接長途電話業(yè)務(wù)：

國內(nèi)公眾衛(wèi)星通信網(wǎng)的干線已有37個大型C波段地球站，運行著3萬5千條雙向電路（占國內(nèi)長途電路的5~6‰），另有4個試驗地球站和約30臺移動衛(wèi)星通信車載站工作在Ku波段國際通信方面：中國電信運營15座國際通信衛(wèi)星地球站，開通了約1萬3千條雙向電路（占國際長途電路的26%）可以提供備份電路或傳送峰值業(yè)務(wù)主要應(yīng)用領(lǐng)域無線電和電視廣播：

使用了11顆通信衛(wèi)星（亞太1A、亞洲2號、亞洲3S、鑫諾1號、亞太2R、泛美3R號、泛美8號、泛美9號、泛美3R號、泛美10號、銀河3R和熱鳥3號）的32個轉(zhuǎn)發(fā)器中央電視臺的12套節(jié)目，中央人民廣播電臺和國際臺的32路聲音廣播節(jié)目，以及31個省、自治區(qū)、直轄市的廣播電視節(jié)目均通過衛(wèi)星向全國傳送主要應(yīng)用領(lǐng)域海上、地面和空中的移動通信：

可以提供廣域或全球覆蓋的移動通信業(yè)務(wù)成為UMTS的一部分基于TCP/IP的internet業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信的特點通信距離遠(yuǎn)且建站費用與通信距離無關(guān)地球站建設(shè)的費用不因兩站之間距離遠(yuǎn)近、地面自然條件而變化。除了國際通信以外，在國內(nèi)通信中，尤其是邊遠(yuǎn)地區(qū)和陸地通信系統(tǒng)難以覆蓋的地區(qū)，衛(wèi)星通信是不可替代的選擇通信頻帶寬，傳輸容量大，適用于多種業(yè)務(wù)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、國際互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、衛(wèi)星電視業(yè)務(wù)、移動通信業(yè)務(wù)固定衛(wèi)星系統(tǒng)通信質(zhì)量高，通信線路穩(wěn)定可靠

衛(wèi)星和地球站的位置相對穩(wěn)定，只有直射徑，無多徑干擾和其他衰落。衛(wèi)星通信的特點發(fā)射與控制技術(shù)復(fù)雜要把衛(wèi)星發(fā)射到靜止軌道上應(yīng)確定點，并經(jīng)常保持較小的漂移，難度是很高的。因為地球表面凹凸不平，太陽和月球的引力，大氣層阻力，太陽輻射壓力等都會造成軌道攝動。與其他地面通信系統(tǒng)之間的相互干擾衛(wèi)星通信與同頻段地面微波通信系統(tǒng)間的干擾；衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的上下行線路間的干擾；衛(wèi)星通信系統(tǒng)與雷達系統(tǒng)間的干擾；衛(wèi)星通信系統(tǒng)與廣播電視系統(tǒng)間的干擾；衛(wèi)星通信系統(tǒng)與ISM設(shè)備間的干擾（存在可能性，但尚未發(fā)現(xiàn)）較大信號傳輸時延和回波干擾靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星與地球相距約36000千米，語音通信時，來回傳播時延超過500ms。具有廣播特性，保密要求高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由空間分系統(tǒng)、通信地球站分系統(tǒng)、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)四大功能部分組成。圖1-5通信衛(wèi)星組成示意圖衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成空間分系統(tǒng)是指通信衛(wèi)星，主要由天線分系統(tǒng)、遙測與指令分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)組成。通信地球站由天線饋線設(shè)備、發(fā)射設(shè)備、接收設(shè)備、信道終端設(shè)備等組成跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)對衛(wèi)星進行跟蹤測量，控制其準(zhǔn)確進入靜止軌道上的確定位置，并對在軌衛(wèi)星的通信性能及參數(shù)進行業(yè)務(wù)開通前的監(jiān)測和校正。監(jiān)控管理分系統(tǒng)對在軌衛(wèi)星的通信性能及參數(shù)進行業(yè)務(wù)開通前的監(jiān)測和業(yè)務(wù)開通后的例行監(jiān)測和控制，以確保通信衛(wèi)星正常運行和工作。具體的結(jié)構(gòu)上，固定衛(wèi)星系統(tǒng)和移動衛(wèi)星系統(tǒng)會有所區(qū)別衛(wèi)星通信使用的頻段衛(wèi)星通信使用的頻段L頻段——1-2GHz（移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)、地面微波、廣電、蜂窩）S頻段——2-4GHz（移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)、數(shù)字音頻廣播、NASA研究）C頻段——4-8GHz（固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)、地面微波）X頻段——8-12.5GHz（衛(wèi)星軍事通信、地球觀測衛(wèi)星）Ku頻段——12.5-18GHz（固定衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星、地面微波）K頻段——18-26.5GHz（固定衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星、LMDS）Ka頻段——26.5-40GHz（固定衛(wèi)星、星際鏈路、衛(wèi)星成像、LMDS）主要內(nèi)容衛(wèi)星通信的基本概念衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類VSAT系統(tǒng)移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)幾個主要的衛(wèi)星通信系統(tǒng)VSAT衛(wèi)星通信什么是VSAT衛(wèi)星通信？

VSAT全稱是VerySmallApertureTerminal，可以理解為小站。它的特點就是一個小字。由于小站具有靈活、簡單、方便、成本低等特點，很多企業(yè)、政府部門把它作為系統(tǒng)內(nèi)的專用通信網(wǎng)?，F(xiàn)在VSAT系統(tǒng)的傳輸速率較初期大為提高，除了數(shù)據(jù)外，還傳輸各種多媒體信息。包括衛(wèi)星電視接收小站在內(nèi)，VAST應(yīng)用得越來越廣泛。圖2-1VSAT實物圖圖2-2VSAT實物圖VSAT衛(wèi)星通信VSAT通信小站的數(shù)量

Comsys在1999年發(fā)布的VSAT研究報告指出，VSAT銷售量的增長，已經(jīng)使許多大公司采用VSAT技術(shù)作為他們網(wǎng)絡(luò)中的核心部件。1997年全球訂購5.5萬個星形TDMAVSAT終端1998年為8萬個連續(xù)3年增長率超過27%至1999年，全球共有50萬VSAT終端VSAT衛(wèi)星通信VSAT通信業(yè)務(wù)的應(yīng)用范圍

語音通信

數(shù)據(jù)通信高速互聯(lián)網(wǎng)廣播電視

電子商務(wù)

證券交易

VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的組成

VSAT通信的應(yīng)用技術(shù)利用Ku波段，VSAT終端的數(shù)據(jù)傳輸速率達到2Mbps以上

Ka波段的開發(fā)，使VSAT帶寬大大增加

數(shù)據(jù)通信協(xié)議逐漸規(guī)范，采用TCP/IP，與Internet互聯(lián)采用多波束天線，節(jié)省星上資源，增加下行功率與B-ISDN結(jié)合，實現(xiàn)衛(wèi)星多媒體通信采用VSAT實現(xiàn)移動通信業(yè)務(wù)VSAT與ATMATMATM是CCITT(ITU的前身)在1990年確定的B-ISDN的傳輸和交換模式。它吸收了電路交換和分組交換的優(yōu)點，將數(shù)據(jù)、圖像、語音等信息分解成定長的數(shù)據(jù)塊，并在各個數(shù)據(jù)塊前面加上信頭，構(gòu)成信元，以信元多路復(fù)用方式進行發(fā)送。當(dāng)信元空閑時，就可以插入數(shù)據(jù)發(fā)送。插入的位置無周期性，所以成為異步傳輸模式。ATM是信息高速公路的核心技術(shù)，ATM到達用戶端的傳輸帶寬為155.2Mbps。壓縮后數(shù)字化電視的傳輸速率為34Mbps，HDTV信號速率為140Mbps，這些ATM是完全可以傳送的。VSAT和ATM結(jié)合，是信息高速公路必不可少的組成部分。VSAT與ATMVSAT-ATM的優(yōu)點衛(wèi)星的加入，使ATM業(yè)務(wù)覆蓋全球任何地方衛(wèi)星通信按需求分配帶寬的能力更強在不同地方建立ATM網(wǎng)時，衛(wèi)星通信可以提供十分靈活的網(wǎng)絡(luò)配置和容量分配利用衛(wèi)星通信的廣播特性，可以建立ATM網(wǎng)的多點對多點應(yīng)用擴容簡單，只需簡單的在用戶處建立ATM地面站VSAT衛(wèi)星通信星上處理技術(shù)

隨著衛(wèi)星通信帶寬不斷增加，為降低地面設(shè)備的復(fù)雜度和用戶終端設(shè)備成本，把一些處理技術(shù)轉(zhuǎn)移到衛(wèi)星上進行，這是衛(wèi)星通信發(fā)展的方向。比特再生：改善信道質(zhì)量3-10db多波束天線：提高EIRP，增加系統(tǒng)容量，簡化終端前向糾錯：8db編碼增益功率放大器矩陣組：動態(tài)功率匹配，減少功率消耗自主基帶切換：增加系統(tǒng)靈活性，系統(tǒng)吞吐量提高3倍自適應(yīng)編譯碼：提高信道可靠性VSAT衛(wèi)星通信多址接入方式

語音：TDMAFDMACDMASDMA:采用多波束天線，每個波束覆蓋一定區(qū)域。空分多址不單獨采用，一般結(jié)合TDMA

數(shù)據(jù)：純ALOHA

時隙ALOHA

預(yù)約ALOHA

主要內(nèi)容衛(wèi)星通信的基本概念衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類VSAT系統(tǒng)移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)幾個主要的衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主要用來覆蓋那些地面蜂窩系統(tǒng)因為成本問題而覆蓋不到的偏遠(yuǎn)地方，將是未來個人通信網(wǎng)的重要組成部分。它通過與地面PSTN和蜂窩網(wǎng)結(jié)合，實現(xiàn)全球覆蓋全球漫游。圖1―4衛(wèi)星通信線路組成框圖衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)衛(wèi)星移動通信的特點要求較高衛(wèi)星EIRP：相對固定衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星移動系統(tǒng)的地面站天線口徑小，功率低；同時它采用單路單載波工作方式，易受噪聲影響，為抑制噪聲，要求衛(wèi)星有較高發(fā)射功率信道復(fù)雜：萊斯衰落信道、非線性信道、多普勒頻移、陰影衰落

噪聲影響：

宇宙射線、電離層影響、雨、霧等衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)參數(shù)

EIRP（等效全向輻射功率）定義為地球站或衛(wèi)星天線發(fā)送功率和天線增益的乘積：EIRP=P*G

噪聲溫度T品質(zhì)因數(shù)（G/T）

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，噪聲溫度的高低嚴(yán)重影響信號的接收，在G里面去掉噪聲溫度的影響后，反映了接收系統(tǒng)的實際質(zhì)量水平衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)衛(wèi)星通信體制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)入網(wǎng)方案頻率選擇數(shù)字技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)多波束天線關(guān)鍵技術(shù)SS-TDMA（這里以3波束系統(tǒng)為例）關(guān)鍵技術(shù)SS-TDMA（這里以3波束系統(tǒng)為例）幾個主要的商用系統(tǒng)大LEO系統(tǒng)Iridium

采用66顆衛(wèi)星運行在765km的6個極地、近地、近圓軌道，每個軌道分布11顆。每顆衛(wèi)星展開硅電池9.28平方米，可輸出500瓦功率。采用L頻段提供衛(wèi)星至地面用戶的鏈路，采用Ka頻段提供星際鏈路和衛(wèi)星到地面關(guān)口和控制中心的鏈路。每顆衛(wèi)星與同軌道上的相鄰衛(wèi)星間有2條星際鏈路，與不同軌道上的衛(wèi)星間有4條星際鏈路。

系統(tǒng)具有空間交換能力，并具有路有分配功能。用戶可以用手提電話直接通過衛(wèi)星通信，而無需通過地面網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接。真正的全球通信系統(tǒng)。幾個主要的商用系統(tǒng)大LEO系統(tǒng)GlobalStar采用48顆衛(wèi)星，分布在8個圓形軌道，每個軌道平均分布6顆衛(wèi)星。軌道高度1389km。

全球星系統(tǒng)和銥星在結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)上都不同。全球星屬于不單獨組網(wǎng)系統(tǒng)，作用是保證全球范圍內(nèi)的移動用戶隨時通過該系統(tǒng)接入地面網(wǎng)。它與地面公共網(wǎng)聯(lián)合組網(wǎng)，作為地面蜂窩網(wǎng)的延伸，成本比銥星低。幾個主要的商用系統(tǒng)

MEO系統(tǒng)Odysse