微波與衛(wèi)星通信（第二版）衛(wèi)星通信技術(shù)的應(yīng)用

衛(wèi)星通信技術(shù)的應(yīng)用8.1衛(wèi)星通信技術(shù)在定位系統(tǒng)中的應(yīng)用8.2衛(wèi)星通信技術(shù)在Internet中的應(yīng)用8.3衛(wèi)星通信技術(shù)的新應(yīng)用本章小結(jié)

8.1衛(wèi)星通信技術(shù)在定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

8.1.1衛(wèi)星定位的基本概念衛(wèi)星定位系統(tǒng)就是使用衛(wèi)星對(duì)某物進(jìn)行準(zhǔn)確定位的技術(shù),可以保證在任意時(shí)刻,地球上任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆衛(wèi)星,以便實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時(shí)等功能。它可以用來引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車輛以及個(gè)人,安全、準(zhǔn)確地沿著選定的路線,準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地,還可以應(yīng)用到手機(jī)追尋等功能。

8.1.2北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1)系統(tǒng)構(gòu)成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成,空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星,地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干個(gè)地面站,用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。

2)覆蓋范圍

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是覆蓋中國(guó)本土的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng),覆蓋范圍東經(jīng)約70°~140°(度),北緯5°~55°。

3)定位原理

35顆衛(wèi)星在離地面2萬多千米的高空上,以固定的周期環(huán)繞地球運(yùn)行,使得在任意時(shí)刻,在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。

由于衛(wèi)星的位置精確可知,在接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)中,可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離,根據(jù)三維坐標(biāo)中的距離公式,利用3顆衛(wèi)星,就可以組成3個(gè)方程式,解出觀測(cè)點(diǎn)的位置(X,Y,Z)。

4)定位精度

我國(guó)科研人員利用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鲅芯糠椒?從信噪比、多路徑、可見衛(wèi)星數(shù)、精度因子、定位精度等多個(gè)方面,對(duì)比分析了北斗和GPS在航線上不同區(qū)域、尤其是在遠(yuǎn)洋及南極地區(qū)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的定位效果。

5)發(fā)展計(jì)劃

目前,我國(guó)正在實(shí)施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)。系統(tǒng)將首先具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)能力;計(jì)劃在2020年左右,建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

6)服務(wù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù),包括開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種方式。開放服務(wù)是向全球免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù),定位精度10米,測(cè)速精度0.2米/秒,授時(shí)精度10納秒。授權(quán)服務(wù)是為有高精度、高可靠衛(wèi)星導(dǎo)航需求的用戶,提供定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。

為使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更好地為全球服務(wù),應(yīng)加強(qiáng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的兼容與互操作,促進(jìn)衛(wèi)星定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)的全面應(yīng)用。

8.2衛(wèi)星通信技術(shù)在Internet中的應(yīng)用

8.2.1寬帶IP衛(wèi)星通信及其特點(diǎn)衛(wèi)星IP系統(tǒng)是在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上使用了IP技術(shù),可見其既具有衛(wèi)星通信的特點(diǎn),又兼?zhèn)銽CP/IP的工作特點(diǎn)。

(1)寬帶IP衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有極高的覆蓋能力和廣播特性。

(2)寬帶IP衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣,利于組建靈活的廣域網(wǎng)。

(3)寬帶IP衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有可靠的傳輸性能。

(4)寬帶IP衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有較長(zhǎng)的傳輸時(shí)延。

8.2.2現(xiàn)有寬帶IP衛(wèi)星通信系統(tǒng)

目前在寬帶IP衛(wèi)星系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)IP業(yè)務(wù)的主要技術(shù)有兩種,一種是基于現(xiàn)有的數(shù)字視頻廣播(DVB)技術(shù),另一種則是基于UMTS的3GPP(第三代移動(dòng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn))技術(shù),下面分別加以介紹。

1.基于現(xiàn)有DVB技術(shù)的寬帶衛(wèi)星IP通信系統(tǒng)

1)組網(wǎng)方案

在圖8-1中給出了日本NTT無線實(shí)驗(yàn)室提出的組網(wǎng)方案,這是典型的基于DVB的IP衛(wèi)星通信系統(tǒng)。圖8-1基于DVB的IP衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2)協(xié)議與幀結(jié)構(gòu)

在衛(wèi)星IP系統(tǒng)中,通常將地面中心站(CES)發(fā)出的,經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)而由各用戶終端所接收的信道稱為廣播信道,其衛(wèi)星鏈路采用的是TDM8-Mb/s一個(gè)信道,可以實(shí)現(xiàn)從CES到PUT的點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)的通信。而用戶訪問信道則是指由PUT經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā),由CES接收的信道,該信道可以采用地面線路,如PSTN、ISDN網(wǎng)等,也可以采用衛(wèi)星鏈路。在衛(wèi)星鏈路中采用的是SSFDMA9.6kb/s×256個(gè)信道。協(xié)議堆棧如圖8-2所示。圖8-2基于DVB的IP衛(wèi)星通信系統(tǒng)協(xié)議堆棧

MPEG2TS和ATM信元幀結(jié)構(gòu)如圖8-3所示。圖8-3基于DVB的IP衛(wèi)星通信系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

2.基于SUMTS(SatelliteUMTS)的移動(dòng)衛(wèi)星IP系統(tǒng)

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于SUMTS的移動(dòng)衛(wèi)星IP技術(shù)有兩個(gè)難點(diǎn);一是如何在移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)IP技術(shù)的應(yīng)用;二是如何使基于IP的SUMTS業(yè)務(wù)與第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的IP核心網(wǎng)互聯(lián)。因此各大公司和研究機(jī)構(gòu)正組織人力分別針對(duì)這兩大難題進(jìn)行全力攻關(guān),并提出了不少方案。

圖8-4中給出了基于UMTS(通用移動(dòng)通信系統(tǒng))的移動(dòng)衛(wèi)星IP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖8-4基于UMTS的移動(dòng)衛(wèi)星IP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2)移動(dòng)衛(wèi)星IP系統(tǒng)的協(xié)議堆棧

圖8-5是英國(guó)Bradford大學(xué)的衛(wèi)星移動(dòng)研究中心提出的一個(gè)較完整的基于SUMTS的移動(dòng)IP系統(tǒng)的協(xié)議堆棧。圖8-5基于SUMTS的功能模型的協(xié)議堆棧

當(dāng)移動(dòng)用戶欲與某固定網(wǎng)用戶進(jìn)行通話時(shí),移動(dòng)用戶信息首先經(jīng)過多媒體應(yīng)用和適配設(shè)備進(jìn)入TCP,然后逐層封裝,并將信號(hào)由物理層傳送到移動(dòng)終端的物理層,隨后通過UMTS衛(wèi)星接入網(wǎng)和與固定用戶相連的固定地球站連接,再通過智能網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及路由器,從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶與固定用戶的互通。其中物理層和MAC層采用同步CDMA工作方式,而

且工作于Ka波段的衛(wèi)星具有星上再生功能。

8.3衛(wèi)星通信技術(shù)的新應(yīng)用

8.3.1衛(wèi)星光通信的應(yīng)用衛(wèi)星通信在軍事和民用中都具有相當(dāng)重要的地位,然而隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代社會(huì)對(duì)信息的需求,需要通過衛(wèi)星傳輸?shù)男畔⒘吭絹碓酱?通信、對(duì)地觀測(cè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等均要求很高的數(shù)據(jù)傳輸率,以保證信息的快速和實(shí)時(shí)傳輸。另一方面,近代衛(wèi)星星座技術(shù)的發(fā)展,也迫切需要建立星間鏈路。

衛(wèi)星激光通信的信息傳輸過程一般是:由低軌道衛(wèi)星將信息傳輸給數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)衛(wèi)星,或?qū)?shù)據(jù)傳給地面站;再根據(jù)低軌道衛(wèi)星的位置,經(jīng)第二套激光通信線路傳輸給另一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)衛(wèi)星;最后,再將數(shù)據(jù)傳輸給地面站。這種中轉(zhuǎn)衛(wèi)星如果是同步軌道衛(wèi)星,則可利用兩顆同步軌道通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)東、西半球之間的通信。

8.3.2先進(jìn)的通信衛(wèi)星(ACTS)

未來VSAT網(wǎng),它的發(fā)展很快,總的方向是:降低小站、主站以及整個(gè)通信網(wǎng)的建造和運(yùn)行費(fèi)用;提供數(shù)據(jù)速率更高、應(yīng)用范圍更廣的業(yè)務(wù),其中包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像以及其他類型的業(yè)務(wù);在操作、管理與維護(hù)方面,要求提供更靈活、更受用戶歡迎的網(wǎng)絡(luò)。VSAT網(wǎng)可以同更多類型的用戶設(shè)備、新型交換設(shè)備以及更先進(jìn)的地面通信網(wǎng)相互連接,從而構(gòu)成綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。從現(xiàn)代通信來講,它的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì),則是盡可能使衛(wèi)星復(fù)雜一些,其中包括星上處理設(shè)備,從而簡(jiǎn)化地球站設(shè)備。

ACTS是一個(gè)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,由于它采用了上述先進(jìn)技術(shù),將許多原來由地面系統(tǒng)完成的功能轉(zhuǎn)移到了星上,因而具有如交換、基帶處理、波束跳變等許多先進(jìn)的特性,相較于衛(wèi)星通信網(wǎng)在性能、組網(wǎng)的靈活性以及費(fèi)用等方面做出了許多改進(jìn),并有助于支持許多新的業(yè)務(wù)項(xiàng)目。具體地說ACTS所采用的關(guān)鍵技術(shù)有:Ka波段;動(dòng)態(tài)雨衰補(bǔ)償技術(shù);多波束衛(wèi)星天線;星上中頻交換(SS/TDMA);基帶處理與基帶交換(BBS/TDMA)。

8.3.3寬帶多媒體衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

近年來在微波與衛(wèi)星通信領(lǐng)域中的熱點(diǎn)話題層出不窮,但大多集中在兩個(gè)方面:一個(gè)是有關(guān)衛(wèi)星移動(dòng)通信的發(fā)展問題;另一個(gè)是關(guān)于寬帶IP衛(wèi)星通信系統(tǒng)的討論。但要滿足未

來的需要,必須解決衛(wèi)星網(wǎng)與服務(wù)質(zhì)量有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。面對(duì)各種系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng),如何在技術(shù)上保證提供低價(jià)優(yōu)質(zhì)的服務(wù)業(yè)務(wù)能否及時(shí)占領(lǐng)市場(chǎng)是寬帶多媒體衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

得以生存和發(fā)展的關(guān)鍵。

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

近年來IP和多媒體技術(shù)在衛(wèi)星中的應(yīng)用已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。ITUR于1999年4月在日內(nèi)瓦舉行了會(huì)議,會(huì)議上通過了IP和多媒體技術(shù)在衛(wèi)星中的應(yīng)用這一新技術(shù)課題提案,這對(duì)寬帶衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展具有重要影響。

關(guān)于IP和多媒體技術(shù)在衛(wèi)星中的應(yīng)用目前要研究的主要有:衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如何支持衛(wèi)星IP運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議的性能要求;衛(wèi)星鏈路性能的更高層協(xié)議需要做什么樣的潛在改善;IP保密安全協(xié)議及相關(guān)問題對(duì)衛(wèi)星鏈路的要求將產(chǎn)生什么影響。這種技術(shù)若能實(shí)現(xiàn)與地面IP網(wǎng)絡(luò)兼容,將引起衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的變革。

2)移動(dòng)管理

為了解決目前的移動(dòng)管理協(xié)議效率低的問題,近期提出了一系列的移動(dòng)管理方案,例如一種基于ATM面向連接和面向非連接方式的混合模型的高效移動(dòng)管理方案。其路由策略依據(jù)邏輯子網(wǎng)原理進(jìn)行優(yōu)化,提供滿足服務(wù)質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)。

由于用戶與網(wǎng)絡(luò)之間或網(wǎng)絡(luò)與子網(wǎng)之間的移動(dòng)性,要求將切換引入ATM。如果沒有切換支持,在一次正在進(jìn)行的呼叫中,鏈路變化所造成的丟失將被應(yīng)用層以一種類似其處理臨時(shí)鏈路失敗的方法處理。某些業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)短暫的中斷是無法接受的,特別是接入點(diǎn)經(jīng)常變化時(shí),這種中斷會(huì)頻繁發(fā)生。故此這方面的研究是很重要的。

3)星上處理技術(shù)

為使星上設(shè)備小型化,提出使用FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)。最新的FPGA具有先進(jìn)的封裝技術(shù)、抗輻射能力和現(xiàn)場(chǎng)可編程能力,在工程上容易實(shí)現(xiàn)星上處理硬件的高度小型

化,而且速度較快,利于大批量生產(chǎn)。但目前所使用的抗輻射FPGA,其選通時(shí)間較難匹配,并且SRAMFPGA的容量較小,讀寫速度也不夠快。

4)多址技術(shù)和調(diào)制技術(shù)

為了提高寬帶移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的容量和業(yè)務(wù)質(zhì)量,必須發(fā)展新的傳輸技術(shù)和調(diào)制技術(shù)。近年來CDMA多址技術(shù)和OFDM(正交頻分復(fù)用)多載波調(diào)制方式得到通信產(chǎn)品制造

商的重視。由于CDMA技術(shù)具有聯(lián)合信道估計(jì)和干擾消除的特點(diǎn),因此采用此技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多用戶接收機(jī)的多用戶檢測(cè)功能,有利于通過消除干擾來提高系統(tǒng)容量。OFDM的難點(diǎn)

是它對(duì)系統(tǒng)的同步要求,特別是突發(fā)狀態(tài)下傳輸?shù)姆?hào)時(shí)間恢復(fù)問題,常規(guī)的同步算法不適用于具有快衰減特性以及突發(fā)傳輸要求的NONGEO衛(wèi)星信道。

5)信道編碼

寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)要求在較差的信道誤碼率情況下傳輸高速數(shù)據(jù),這就要求有高效率的信道編/解碼技術(shù),以滿足各類多媒體業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的要求。由于寬帶多媒體業(yè)務(wù)質(zhì)量要求的不同,則信道編碼將要求采用速率可變的差錯(cuò)控制編碼。另外應(yīng)充分利用信源和信道的聯(lián)合