1、卫星通信基础卫星通信基础发展及新技术发展及新技术北京星空年代通信技术有限公司范晓晴第一部分：卫星通信概述第二部分：卫星通信系统的组成及各部分作用第三部分：卫星通信基础理论第四部分：多址联接方式第五部分：卫星通信新技术、新业务第一部分卫星通信概述定义：定义： 地球上（包括地面、水面和低地球上（包括地面、水面和低层大气中）的无线电通信站之间层大气中）的无线电通信站之间利用人造卫星做中继站而进行的利用人造卫星做中继站而进行的通信。通信。 1、 卫星通信的概念通信卫星的类型按轨道分类：按轨道分类：GEO(同步同步)，MEO(中轨中轨道道)，LEO(低轨道低轨道)按波束分类：半球波束，点波束按波束分类：
2、半球波束，点波束按业务分类：综合业务，军用，海事按业务分类：综合业务，军用，海事 （航空，陆地移动），电（航空，陆地移动），电 视直播，音频广播视直播，音频广播,多媒体多媒体按频段分类按频段分类: VHF，UHF，L， S，C，X，Ku K，Ka，Q，V卫星通信的优点 除了地球南、北极地区，三颗卫星即可覆盖地球 通信费用与通信距离无关 组网灵活，建设周期短（经济活跃时，优势明显） 非对称信道 网状指挥、控制（司令部与单兵） 面向用户（更好地交互）卫星通信的缺点 同步轨道卫星： 通信时延大 通信端站体积大 设备价格高 操作复杂 中、低轨道卫星： 系统复杂，使用费用高 政策、通信安全方面 易受恶意
3、干扰和攻击 卫星通信的发展概况 1945年,英国空军雷达军官阿瑟.克拉克在杂志发表,最先对静止卫星通信提出科学设想. 20年后变为现实发展过程（一）实验阶段 无源卫星通信实验(1954-1964): 利用月球、无源气球卫星等作为中继站。信号质量差，实用价值不大。有源卫星通信实验 低轨道卫星：美国60年 “信使”通信卫星 中、高轨道：62年，“电星”、“中继”卫星 同步轨道：63、64年，先后发射三颗“辛康姆”卫星，最后一颗进入同步轨道，转播东京奥运会。发展过程（二）实用与提高阶段（1965-）65年，国际卫星通信组织：INTELSAT1正式承担国际通信业务。苏联：第一颗非同步通信卫星“闪电”1
4、发展过程（三）民用： 国际卫星通信组织 海事卫星通信组织 中、低轨道卫星系统 VSAT系统 军用： 发展过程（四）中国卫星通信发展： 民用： 卫星：中卫、亚星、鑫诺 应用：大容量干线 VSAT系统 军用 331 工程 东方红系列卫星 烽火、神通卫星第二部分卫星通信系统组成及各部分的作用卫星通信系统的组成 空间分系统地球站分系统监测管理分系统跟踪遥测指令分系统卫星通信系统各部分的作用 组成组成：通信卫星：通信卫星( (通信装置通信装置( (转发器转发器) )、遥测、遥测指令装置、控制装置、太阳能蓄电池指令装置、控制装置、太阳能蓄电池) )作用作用：通信卫星主要是起无线电中继站的：通信卫星主要是起
5、无线电中继站的作用，是靠星上通信装置中的转发器（微作用，是靠星上通信装置中的转发器（微波收发信机）和天线来完成的波收发信机）和天线来完成的 1 1、 空间分系统空间分系统组成：天线馈线设备，发射设备，接收设备，信道终端设备，天线跟踪、伺服设备，电源设备。作用：是无线电收发信台，用户通过地球站接入卫星线路进行通信 2 2、 地球站地球站卫星通信系统各部分的作用 3、跟踪遥测及指令分系统卫星通信系统各部分的作用 对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入禁止轨道上的指定位置；待卫星正运行后，定期对卫星进行轨道修整和位置保持4、监测管理分系统 对定点后的卫星在业务开通前、后进行通信性能的监测和控制，例如对卫
6、星转发器功率、卫星天线增益以及各地球站发射的功率、射频频率和带宽等基本通信参数进行监控，以确保正常通信。卫星通信系统各部分的作用 卫星通信的特点1、通信距离远。 建站成本与通信距离无关，dmax=18000km.(静止卫星）18100Km卫星通信的特点2、覆盖范围大。一颗静止卫星可覆盖地球表面 42.4%三颗卫星即可覆盖整个地球卫星通信的特点3、以广播的形式工作,便于多址连接。 就象个广播发射台一样，只要在覆盖的区域都能接收。这样能同时实现多地点多方向的通信，因此，组网灵活。卫星通信的特点4、通信容量大。 能传送的业务类型多。卫星通信的特点5、可以自发自收， 进行信号监测。通信卫星组成天线分系
7、统：定向发射与接收无线电信号通信分系统：接收、处理并重发信号。（转发器）电源分系统：为卫星提供电能，包括太阳能电池、蓄电池和配电设备。跟踪遥测指令分系统： 跟踪部分用来为地球站跟踪卫星发送信标 遥测部分用来在星上测定并给地面的TTC站发送的有关卫星姿态、星上各部件工作状态的数据 指令部分用于接收来自地面的控制指令，处理后送给控制分系统执行。控制分系统控制分系统：用来对卫星的姿态、轨道位置、各分系统工作状态进行必要的调节与控制。天线分系统遥测、指令和信标天线 全向天线，以便于可靠接收指令与向地面发射遥测数据和信标。通信天线 全球波束天线 点波束天线 赋形波束天线转发器是通信卫星中直接起中继站作用
8、的部分。 要求：以最小的附加噪声和失真，足够的工作频带和输出功率业为各地球站有效可靠地转发无线电信号。透明转发器 对收到的信号只进行低噪声放大、变频、功率放大，对频带内的任何信号是透明的通道。处理转发器 除进行转发信号外，还具有信号处理功能。转发器示意图放大器中频放大本振1主振源本振2混频合路混频功放解调、信号处理、调制处理转发器透明转发器卫星通信地球站组成： 天线分系统 发射分系统 接收分系统 信道终端设备分系统 伺服务跟踪设备分系统 用户接口分系统 电源分系统天线分系统任务：发射和接收信号组成：天线 双工器 极化变换器 伺服务跟踪设备要求：天线增益高 噪声温度低 天线波束窄、旁瓣电平低 馈
9、线损耗小、频带宽、收发隔离度大、耐功率高发射分系统放大器：输出功率大 宽频带 增益稳定性高 放大器线性好上变频器：一次变频 二次变频接收分系统低噪声放大器 噪声低，灵敏度高 下变频器第三部分卫星通信基础理论信号与噪声电平、调制、带宽、噪声及测量电磁波的参数 频率/波长、幅度、相位分贝 公式、单位增益概念 天线的增益等效全向辐射功率EIRPBit速率、带宽与发射功率噪声噪声功率与带宽噪声功率与温度相关，取决于测量的带宽载噪比与载噪比相关的术语 No C/No Eb/No净空角最小的仰角路径损耗降雨衰落，雨区划分雨衰与仰角日凌天线天线类型天线方向图天线的旁瓣波束宽度与天线口径波束宽度与频率波束宽度
10、与干扰天线的指向误差与干扰天线发射旁瓣与接收旁瓣的影响天线的正确安装调制与解调模拟调制与数字调制 BPSK、QPSK、8PSK、16QAM符号与比特前向纠错FEC 维特比（Viterbi）、格状编码（TCM） 瑞德-所罗门（RS）、 Turbo 误码率极化电磁波的传输极化的设置信号的交叉极化交叉极化隔离度频率复用线极化、圆极化 多址联接方式第四部分多址联接方式的概述实现多址联接的依据卫星转发器信号设计信号识别信号设计信号识别信号设计信号识别1#站2#站3#站 一个无线电信号可以用若干个参量（指广义的参量，下同）来表征，最基本的是：信号的射频频率，信号出现的时间以及信号所处的空间 CDMACDM
11、ASDMASDMATDMATDMAFDMAFDMA按射频多址联接分类按射频多址联接分类按信道的使用和分配方式分类按信道的使用和分配方式分类频分多址频分多址时分多址时分多址空分多址空分多址码分多址码分多址预分配预分配按需分配按需分配CDMASDMATDMAFDMA随机接入随机接入n目前卫星通信系统主要多址目前卫星通信系统主要多址 （1） 频分多址方式（FDMA） FDMA的基本特征是，把卫星转发器的可用射频频带分割 成若干互不重叠的部分，分配给各地球站所要发送的各载波使用。因此，FDMA方式中，各载波的射频频率不同。发送的时间虽然可以重合，但各载波占用的频带是彼此严格分开的。频分多址FDMA站站
12、1卫星转发器卫星转发器发射机发射机调频调频频分多频分多路复用路复用发射机发射机调频调频频分多频分多路复用路复用Bf1fK发射机发射机调频调频频分多频分多路复用路复用发射机发射机调频调频频分多频分多路复用路复用站站2站站3站站Kf1f2f3fK信道1信道2信道3信道K时间频率编码 频分多址方式（FDMA） 频分多址方式（FDMA） 频分多址方式是微波中继通信系统所用方式的引伸。 优点是:技术成熟，设备较简单，在大容量线路工作时效率较高。 缺点是： 、多个载波信号同时通过转发器时，会发生转发器有效输出功率降低、和生互调噪专用和可懂串话、强信号对弱信号的抑制等现象，因而有效容量将随载波增多而急剧降低
13、，并且大、小站难以兼容，各站发射功率必须保持稳定（起伏值一般要求小于正负0.5DB）； 、不灵活，要重新分配频率比较困难（详细分析将在第五章中进行）。 时分多址TDMA卫星转发器卫星转发器发射机发射机移相移相键控键控时分多时分多路复用路复用发射机发射机移相移相键控键控频分多频分多路复用路复用1帧发射机发射机移相移相键控键控时分多时分多路复用路复用发射机发射机移相移相键控键控频分多频分多路复用路复用站站1站站2站站3站站KT1T2T3TKT1T2TK信道1信道2信道K时间频率编码 （2） 时分多址方式（TDMA） TDMA的基本特征是，把卫星转发器的工作时间分割成周期性的互不重叠的时隙（每个时隙
14、也称为分帧，一个周期则称为一帧），分配给各站使用。典型的制式是TDM-PSK-TDMA，每个站的群路被时分复用成多路信号，然后对其信号进行相移键控，转发器按时分实现多址联接，各分帧含保护时隙。 TDMA方式优点是:充分利用卫星功率且无互调；充分利用转发器的频带；不会产生弱信号受抑制问题，上行功率不需要精确控制；各站所发分帧的码速率可以不同，便于大、小站兼空。TDMA方式在中、小容量的线路工作时，也可以得到相当高的效率。它的容量随站数增加而下降的速度比FDMA的缓慢得多。 TDMA方式的主要问题是要有精确的同步，以保证各突发到达转发器的时间不发生重叠，并且保证接收站能正确识别站址和迅速建立载波、
15、位定时的同步，而这是比较复杂、困难的技术。 码分多址CDMA信道1信道2信道3信道K时间频率编码发射机发射机扩频扩频调制调制数据数据调制调制接收机接收机扩频扩频解调解调数据数据解调解调扩频码扩频码产生器产生器双工器双工器扩频码扩频码产生器产生器码同步器码同步器数据数据几种常用的多址联接方式 （3） 码分多址方式（CDMA） CDMA的基本特征是各站所发的信号在结构上各不相同并且相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间、空间上都可能重叠。采用这种方式时，各站所发射的载波大都受到两种调制，一种是基带信号（一般是数字的）的调制，一种是地址码的调制；接收时，对于某一地十码，只有与之相应的接收机才能
16、检测出信号，而其它接收机检测出的却呈现为类似高斯过程的宽带噪声。 CDMA系统特性 CDMA以扩频技术为基础，具有扩频通信所固有的抗干扰能力强、抗多径衰落、安全保密性好等优点，而且CDMA通信还具有隐蔽性好、多址访问灵活、对非正交系统不需要系统的同步、与同频通信系统之间的相互干扰小、对多普勒频移不敏感等优点。与TDMA、FDMA相比，CDMA系统的优点在卫星通信系统中体现得更加明显。fcfc-Rdfc+Rdfc-Rcfc+Rc频率信息调制波频谱扩频调制后频谱fc为中心频率Rc为码速率Rd为数据速率扩频原理示意图码分多址方式（CDMA） CDMA方式的优点是：具有较强的抗干扰能力；有一定的保密能
17、力；改变地十比较灵活。 缺点是：要占用很宽的频带，频带利用率一般较低；要选择数量足够的可用地址码组较为困难；接收时，对地址码的捕获与同步需有一定时间。CDMA方式特别适用于军事卫星通信系统及小容量的系统。几种常用的多址联接方式 （4） 空分多址方式（SDMA） SDMA的基特征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球站，卫星上装有转换开关设备将其转换到另一通信区域的下行波束，从而传送到此一区域的某站。一个通信区域内如果有几个地球站，则它们之间的站址识别还要借助FDMA或TDMA方式。 空分多址方式（SDMA） SDMA方式有许多新颖特点：卫星天线增益高；卫星功率可得到合
18、理有效的利用；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，也不会相到干扰，因而可实现频率重复使用，这就成倍地扩大了系统的通信容量；转换开关使卫星成为一台空中交换机，各地球站之间可像自动电话系统那样方便地进行多址通信。此外，卫星对其它地面通信系统的干扰减少了，对地球站的技术要求也降低。 不足：但是，SDMA方式对卫星的稳定及姿态控制提出很高的要求；卫星天线及馈线装置也比较庞大和复杂；转换开关不仅使设备复杂，而且由于空间故障难以修复，增加了通信失效的风险。上述几种分割的局限性仅有有限的频带可利用，并且一般是分配在卫星的几个转发器中的；时间的分割与占用频带有关。时隙分割得越小，为
19、传送足够的信息必然要提高码速率，这就意味要增加所需频带的宽度，而可利用的频带宽度却是有限的；能占有的最大空间是卫星覆球波束所占据的范围，虽然分割成很多窄波束小空间，但不可能无限分割；能有效使用的地址码不是无限多的。 各种组合形式的多址联接 TDMA/FDMATDMA/SDMA TDMA/FDMA/SDMA 选择多址联接方式，需要考虑的因（1）、通信容量的要求；（2）、卫星频带、功率的有效利用；（3）、相互联接能力的要求；（4）、便于处理各种不同业务量和网络的不断增长有灵活的 自适应能力；（5）、成本和经济效益；（6）、技术的先进性和可实现性；（7）、能适应技术和政治情况的变化；（8）、其它的某
20、些特殊要求，如军事上的保密、抗干扰等。 第五部分卫星通信新技术新业务先进的卫星天线很大口径的可展开式抛物面天线(UHF到Ku),预测到近几年可做到口径12至20米可产生100个波束以上的相控阵天线使用新型材料的大尺寸、重量轻的天线（如压电材料），具有频率选择性的多层天线反射面先进的能源系统光电转换效率高开40%的高效太阳能电池转换效率达50%的热电以能源转换器比现有元件消耗功率低4倍的纳功率元件高容量的贮存电能系统先进的MODEM和编码技术BPSK 1bit/Hz(频谱利用率，理想情况下）QPSK 2bit/Hz8PSK 3bit/Hz16QAM 4bit/Hz频谱利用率达到4bit/Hz的速
21、率为每秒千兆比的卫星MODEM频谱利用率达到10bit/Hz的速率为每秒千兆比的卫星MODEM克服雨衰的先进的编码技术新调制编码技术新的调制技术 8PSK比QPSK节省频带40%至50% 16QAM比QPSK节省频带50%至70%代价：增加射频功率（需要更高的Eb/No) 编码技术TCM/RS：比Viterbi节省功率10%至30%Turbo：比Viterbi节省功率30%至50%信道技术-PCMAPCMA:Pair Carrier Multiple一对PCMA载波共享一个频点采用自适应抵消技术可用于对称和非对称电路节省频带50%，仅提高功率电平0.3dB新型智能化微型终端宽带微型终端，功率小
22、于1W，可支持速率达2Mb/s的多媒体应用移动的可随身携带的卫星用户终端，支持各种应用通用卫星接入终端，可按需接入多个商用卫星系统基于相控阵的智能指向移动卫星电话/多媒体计算机单元。两个基本趋势大型/超大型化：容量更大，功能理强、寿命更长小型化/微型化：构成众多卫星组成的星座或戍区卫星群系统，实现对全球的无缝隙覆盖。大型平台大型卫星需要大型平台的技术：多频段、多天线的安装多部大功率转发器强的星上处理功能长寿命有效载荷项目 目前 未来转发器类型 弯管 再生功放 TWTA SSPA天线类型 反射面 有源相控阵馈电 单或多喇叭 DBF/光星上处理 无 高速OBP/ATMMODEM 无 软件MODEM
23、地球站技术小型化：移动通信系统实现手机化，固定业务系统中，各类终端向小或微型化发展 关键是小型化的天线系统综合化：可多频段工作，提供综合业务智能化：能适应多种多址接入方式、编码和调制方式，可变速率和带宽新业务卫星宽带业务INTERNET应用IPTV应用3G及WLAN中的应用.INTERNET 应用骨干网应用：因特网发源于美国，目前大部分的内容都存放储在美国的服务器上。ISP采用卫星链路与美国INTERNET骨干网建立直接的连接接入网应用：可以实现用户在任何时间、地点高速从互联网获得信息卫星宽带多播网应用：以卫星广播信道为基础，通过信息广播或多播方式，廉价实现因特网信息从一点到多点的分发，减轻地
24、面骨干网的压力。IPTV应用IPTV是以家用电视机为主要终端显示，通过宽带网络传输，采用IP协议进行互动方式多媒体节目交流的一种新型方式。卫星的切入点 （1）内容分发：IP over DVB，将内容直接推送至边缘媒体服务器 （2）直接到户： IP over DVB直接到户，回传采用地面互联网、无线、卫星。Wi-Fi(WLAN)中的应用IEEE 802.11协议族通过卫星宽带连接WLAN不受距离及地形的限制，具有良好的可移动性联接方式卫星MODEM联接DVB-RCS宽带联接卫星IP联按卫星终端可作为路由器、中继器或网桥卫星应急移动通信业务主要指车载卫星通信系统、便携式卫星通信系统主要应用场合军事
25、应用：完成战场条件下大地域的指挥、控制、情报等数据传输及话音、图象传输。广播电视：新闻采集、大型活动现场直播电信系统：电信网络的临时业务，如与GSM、CDMA移动基站配合，完成紧急状态下局部地区的通信保障任务应急指挥系统：提供应急现场指挥卫星数字声音广播DSB业务数字化广播包括数字化视频广播（DVB）和数字化声音广播（DSB）DSB系统可为数字广播接收机提供高质量的数字声音广播利用基于卫星的DSB系统，能提供国家局部、全国及跨国服务区域覆盖卫星具有天然的广播覆盖特性，与地面广播结合是实现无缝隙覆盖的最佳途径移动卫星通信轨道类型特点卫星同步轨道（GEO）高度：约36000公里，在赤道上空，运行周
26、期与地球自转相同INMARSAT大椭圆轨道（HEO）高度：40000（远地点）利用远地点附近开展业务连续业务需要3颗卫星闪电中轨道（MEO）高度：约2000-20000公里连续业务需要15-16颗卫星OdysseyICO低轨道（LEO）高度：500-2000公里连续业务需要20-30颗卫星IridiumGlobalstar各类轨道优缺点比较LEO/MEOHEOGEO优点可覆盖全球传输延时短频率可多次复用卫星和地面设备简单搞摧毁性好适合个人通信可覆盖高纬地区地球站可工作在大仰角上，减少大气影响发射成本低开发早发展星上多点波束技术，可简化地面设备适用于低纬度地区缺点连续工作需要多颗卫星复杂的网络设
27、计要使用星上处理及星间通信等光电技术较大的多普勒移需要频率补偿功能从一颗星向另一颗星切换时，需要电路中继保护措施地球站必须从一颗星跟踪到另一颗星，所以系统至少需要两副天线和一套跟踪设备需要2-3颗卫星保障连续通信业务从一颗星向另一颗星切换时，需要电路中继保护措施需要多普勒移频率补偿功能地球站必须从一颗星跟踪到另一颗星，所以系统至少需要两副天线和一套跟踪设备地面设备比较大，成本高卫星天线必须有波束定位控制系统对高纬度地区通信覆盖效果差地面设备大，成本高，机动性差要用星上处理技术和大功率发射及大口径天线LEO系统介绍系统名称IridiumOdyseeyGlobalstar系统业务提供全球范围蜂窝电
28、话业务和个人卫星通信系统业务包括语音、寻呼、数据、定位覆盖世界九大主要地区的全球移动通信网络业务包括语音、报文、数据、定位提供全球范围内不简继服务的移动卫星系统业务包括语音、寻呼、数据、定位卫星颗数661248轨道高度(KM)733-785103541406频率用户上行1610-1626.5MHz1610-1626.5MHz1610-1626.5MHz用户下行1610-1626.5MHz2483.5-2500 MHz2483.5-2500 MHz关口站上行27.5-30GHz30GHz6484-6675.5 MHz关口站下行18.8-20.2 GHz20 GHz5158.5-5350 MHz使用98年开始商业服务97年开始商业服务99年开始商业服务思考题1、卫星通信地球站由哪几部分组成、卫星通信地球站由哪几部分组成 天线馈线设备，发射设备，接收设备，信道终端设备，天线跟踪、伺服设备，电源设备2、目前卫星通信系统主要多址有哪几种？、目前卫星通信系统主要多址有哪几种？ 频分多址方式（FDMA） 时分多址方式（TDMA） 码分多址方式（CDMA） 空分多址方式（SDMA）
