1、19.19.1卫星通信概述卫星通信概述9.29.2卫星通信多址连接方式卫星通信多址连接方式9.3 VSAT9.3 VSAT卫星通信系统卫星通信系统9.4 9.4 卫星移动通信系统卫星移动通信系统第九章第九章 卫星通信网卫星通信网29.1卫星通信概述卫星通信概述 q卫星通信是是在地面微波中继通信和空间电子技卫星通信是是在地面微波中继通信和空间电子技术的基础上发展起来的，术的基础上发展起来的，优点：优点：o 具有通信距离远、覆盖范围广、性能可靠、容量大、不具有通信距离远、覆盖范围广、性能可靠、容量大、不受地理条件的约束、通信费用同距离无关等。受地理条件的约束、通信费用同距离无关等。q目前，卫星通信
2、已在得到了广泛应用。随着太空目前，卫星通信已在得到了广泛应用。随着太空技术的进步和人类太空活动日趋频繁，未来卫星技术的进步和人类太空活动日趋频繁，未来卫星通信将获得更大的发展。通信将获得更大的发展。3卫星通信的定义 q卫星通信，指的是设置在地球上（包括地面、水面和低层大气中）或太空中的无线电通信站之间利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波，在2个或多个通信站之间进行的通信。 4卫星通信缺点（1）通信时延较长对于地球同步卫星而言，其离地面的距离为35786km，发端信号经过卫星转发到收端地球站，传输时延可达270ms。如果要再经另一颗卫星进行转接通话，时延更长。（2）通信链路易受外部条件影
3、响由于卫星通信的电波要通过大气层，所以其通信链路易受外部条件如通信信号间的干扰，大气层微粒（雨滴等）的散射、吸收，电离层闪烁，太阳噪声、宇宙噪声的影响。（3）存在星蚀和日凌中断现象。5卫星通信网络的组成卫星通信网络的组成 6（1）空间分系统）空间分系统q空间分系统即通信卫星。通信卫星由若干个转发空间分系统即通信卫星。通信卫星由若干个转发器、数副天线与位置和姿态控制分系统、遥测指器、数副天线与位置和姿态控制分系统、遥测指令分系统、电源分系统组成，其主要作用是转发令分系统、电源分系统组成，其主要作用是转发各地球站信号：接收来自地面的上行信号，进行各地球站信号：接收来自地面的上行信号，进行低噪声放大
4、、变频后再进行功率放大，然后发回低噪声放大、变频后再进行功率放大，然后发回地面。卫星通信中，为了避免同频干扰，上行信地面。卫星通信中，为了避免同频干扰，上行信号与下行信号频率是不相同的，通常，上行信号号与下行信号频率是不相同的，通常，上行信号频率高于下行信号。频率高于下行信号。q一个卫星的通信装置可以包括一个或多个转发器，一个卫星的通信装置可以包括一个或多个转发器，每个转发器能接收和转发多个地球站的信号。每个转发器能接收和转发多个地球站的信号。7（2）地球站分系统q 地球站分系统一般包括中央站（或中心站）和若干个普通地球站。中央站除具有普通地球站的通信功能外，还负责通信系统中的业务调度与管理，
5、对普通地球站进行监测控制以及业务转接等。q 每个地球站都由天线、发射、接收、终端分系统及电源、监控和地面设备组成，主要作用是发射和接收用户信号。用户通过它们接入卫星线路，进行通信。地球站有大有小，业务形式也多种多样。一般来说，地球站的天线口径越大，发射和接收能力越强，功能也越强。 8（3）跟踪遥测及指令分系统q 跟踪遥测及指令分系统也称为监控站，它的主要作用有两个：一是在卫星发射过程中，对卫星进行跟踪并控制卫星准确进入轨道上的定点位置；二是在卫星正常运行过程中，对其位置及姿态进行监视和控制。通过接收卫星发来的信标和各种数据，经过分析处理，再向卫星发出指令去控制卫星的位置、姿态及各部分工作状态。
6、（4）监控管理分系统q 监控管理分系统也称为监控中心，它的主要作用有两个：一是在通信业务开通前，对系统的参数进行测试与鉴定；二是在通信业务开展过程中，对系统的主要参数，如转发器增益、卫星天线增益以及各地球站发射的功率、射频频率和带宽等进行监视和管理。 9卫星通信线路传送原理 10q 从地球站A发射的射频信号，传输到卫星时，卫星转发器将其变成中频信号，并且进行适当的放大（也可以对射频直接进行放大），然后再进行频率转换，变成频率f2（如4GHz）的射频信号，经过发射机进行功率放大，最后由天线转发下来。为了使比较强的转发信号不至于通过转发器天线反过来干扰接收信号，转发器发射载波频率与接收频率之间必须
7、有足够的频差。 q 卫星转发器转发下来的射频信号，到达地球站B。地球站B接收到的信号强度就显得更加微弱。一般先经过低噪声放大器加以放大，再变成（在下变频器中）中频信号进一步进行放大 11q 发信站发送的信号只经一次卫星转发后就被接收站接收，这种卫星通信线路叫作单跳单工卫星通信线路。固定发信站发送的信号经过两次卫星转发后被固定接收站接收，这种卫星通信线路叫作双跳单工卫星通信线路。对于静止轨道GEO卫星，上行、下行线路的距离大约都是36000公里，电磁波单跳传播时延约为270ms，双跳时延约为540ms 12通信转发器卫星上的通信系统称为转发器或中继器，它实质上是一部宽频带的收、发信机。卫星上可能
8、有若干个转发器，每个转发器覆盖一段频段。对转发器的基本要求是工作可靠，附加噪声和失真要小。转发器是通信卫星的核心，它通常分为透明转发器和处理转发器两种基本类型。 13透明转发器所谓透明转发器是指它接收地面发来的信号后，只进行放大、变频、再放大后发回地面，对信号不进行任何加工和处理，只是单纯地完成转发任务。 14处理转发器q在数字卫星系统中，常采用处理式转发器。其组成方框图如图9-6所示。首先，接收到信号经微波放大和下变频，变成中频信号再进行解调和数据处理从而得到基带数字信号，然后再经调制、上变频、放大后发回地面 159.19.1卫星通信概述卫星通信概述9.29.2卫星通信多址连接方式卫星通信多
9、址连接方式9.3 VSAT9.3 VSAT卫星通信系统卫星通信系统9.4 9.4 卫星移动通信系统卫星移动通信系统第九章第九章 卫星通信网卫星通信网16FDMA频分多址方式突出的特点是简单、可靠和易于实现。在卫星通信发展初期，几乎都采用这种多址方式，至今仍得到广泛使用，其特点可进一步归纳如下。设备简单，技术成熟； 系统工作时不需要网同步，且性能可靠；在大容量线路工作时效率较高；转发器要同时放大多个载波，容易形成多个交调干扰，为了减少交调干扰，转发器要降低输出功率，从而降低了卫星通信的有效容量；各站的发射功率要求基本一致，否则会引起强信号抑制弱信号现象，因此，大站、小站不易兼容；灵活性小，要重新
10、分配频率比较困难；需要保护带宽以确保信号被完全分离开，频带利用不充分。 17TDMA时分多址方式的主要特点：由于在任何时刻都只有1个站发出的信号通过卫星转发器，这样转发器始终处于单载波工作状态，因而从根本上消除了转发器中的交调干扰问题；与FDMA方式相比，TDMA方式能更充分地利用转发器的输出功率，不需要较多的输出补偿；由于频带可以重叠，频率利用率比较高；对地球站有效发射功率变化的限制不像FDMA方式那样严格；易于实现信道的“按需分配”；各地球站之间在时间上的同步技术较复杂，实现比较困难。 18CDMA码分多址具有如下突出优点：在地址码相关性较理想和频谱扩展程度较高的条件下，CDMA具有较强的
11、抗干扰能力，直接表现在扩频解调器输出载波与干扰功率比相对于输入的载扰比有很大的改善；较好的保密通信能力。首先，由于采用抗扩频调制，在信道中传输的载波与（噪声+干扰）的功率比很低，信号完全隐蔽在噪声、干扰之中，不易被对方发现。其次，用独特的地址码进行扩频调制，相当于一次加密，可以增加敌方破译的难度。易于实现多址联接，灵活性大。CDMA的缺点是占用的频带较宽，频带利用率较低，选择数量足够的可用地址码较为困难；接受时，需要一定的时间对地址码进行捕获与同步。 19SDMAq空分多址是根据各地球站所处的空间区域的不同而加以区分的，它的基本特性是卫星天线有多个窄波束（又称点波束），它们分别指向不同的区域地
12、球站 。20qSDMA方式有许多优点:（1）卫星天线增益高；（2）卫星功率可得到合理有效的利用；（3）不同区域地球站所发信号在空间互不重叠，即使在同一时间用相同频率，也不会相互干扰，因而可以实现频率重复使用，成倍扩大系统的通信容量。 219.19.1卫星通信概述卫星通信概述9.29.2卫星通信多址连接方式卫星通信多址连接方式9.3 VSAT9.3 VSAT卫星通信系统卫星通信系统9.4 9.4 卫星移动通信系统卫星移动通信系统第九章第九章 卫星通信网卫星通信网22q VSAT是Verysmall Aperture Terminal 的缩写，直译为“甚小孔径终端”，意译应是“甚小天线地球站”。V
13、SAT系统中小站设备的天线口径通常为0.32.4m，由主站应用管理软件监测和控制小型地球站。VSAT具有以下特点：（1）VSAT系统可支持多种业务类型，包括数据、语音、图像等；（2）VSAT系统可工作在C波段或Ku波段；（3）VSAT终端天线小、设计结构紧密、功耗小、成本低、安装方便、对环境要求低；（4）VSAT网络组网灵活、独立性强，其网络结构、技术性能、设备特性和网络管理都可以根据用户的要求进行设计和调整；（5）可以进行计算机、ISDN联网。23VSAT的工作原理 q 以随机接入/随机分配时分多址（RA/TDMA）方式为例：各VSAT站的数据分组按随机方式进行发送，由卫星转发，经一段时间迟
14、延后被中枢站Hub接收。如果判断出所接收的数据无任何差错，则通过广播方式的TDM信道发出“确认”通知；按原发送数据的顺序，对所接收的数据分组进行重组，进而恢复出原来的数据报文。如果所接收的数据中存在差错，则要求发送站进行重发操作。 249.19.1卫星通信概述卫星通信概述9.29.2卫星通信多址连接方式卫星通信多址连接方式9.3 VSAT9.3 VSAT卫星通信系统卫星通信系统9.4 9.4 卫星移动通信系统卫星移动通信系统第九章第九章 卫星通信网卫星通信网25q卫星移动通信是指利用卫星实现移动用户之间或移动用户和固定用户间的相互通信。 q可向人口密集的城市和人口稀少的边远地区提供更大范围的移
15、动通信，也可在运动的汽车、火车和航空运输中进行通信。 26卫星移动通信系统的组成q卫星移动通信系统通常由空间段、地面段和用户段组成 27终端可以分为两个主要的类别。（1）移动（Mobile）终端o 移动终端指支持在移动中工作的终端，又可细分为两类移动个人终端和移动集群终端。移动个人终端主要指各种手持和掌上设备，也包括各种置于移动平台（如汽车）上的终端。移动集群终端适合于团体使用，装备于某个集体运输系统（如汽车、飞机、火车或航天器）中的各成员上。（2）便携（Portable）终端o 便携终端指尺寸与公文包或笔记本电脑相当的可搬移的设备。这些设备可以从一个地方搬移到另一个地方，但不支持在搬运移动过
16、程中通信。 28按卫星移动通信系统卫星的轨道分类（1）静止轨道（GEO）卫星移动通信系统：系统的卫星位于地球赤道上方35000km附近的地球同步轨道上，卫星绕地球公转与地球自转的方向和周期都相同，卫星相对于地球是静止的。（2）中轨道（MEO）卫星移动通信系统：该系统的卫星距地面10000km15000km。（3）低轨道（LEO）卫星移动通信系统：该系统的卫星距地面1000km左右。29q中轨道系统和低轨道系统的卫星绕地球一周的时间在数小时以内，若数颗卫星连接成网，绕地球快速运转，使地面上的移动用户在视野内至少有一颗卫星，从而确保通信不中断。 o 静止轨道系统传输时延250ms270ms，中轨道
17、系统延迟70ms80ms，低轨道系统传输时延只有5ms10ms，这对实时通信所需的时延要求是十分有利的。o 中、低轨道卫星可以覆盖到静止轨道卫星系统的覆盖盲区-两极地区，使得在这些地区的许多特殊业务得到可靠、有效的通信，真正实现全球无缝隙覆盖。o 随着小卫星技术的提高，成本也将降低。30卫星移动通信系统获得了广泛的应用q典型的GEO卫星移动通信系统有国际海事卫星Inmarsat，印度尼西亚的亚洲蜂窝卫星系统ACES等。q典型的MEO卫星移动通信系统主要有国际海事卫星组织的Inmarsat-P、欧洲航天局的MAGSS-14等。q典型的LEO卫星移动通信系统主要有美国的铱星和全球星等。o 2015年年初，谷歌公司联合太空技术公司SpaceX，计划发射700颗LEO卫星，打造覆盖全球的“天网”，为全球提供高速、低廉的网络连接。31作业q9-2 卫星通信系统由哪几部分组成？每部分的作用有哪些？q9-4 简述通信卫星的组成及轨道分类。GEO、MEO、LEO等卫星传送时延大约是多大？q9-6 简述卫星转发器分类及其特点。
