7铱星及卫星移动通信系统(修改2)

铱星及卫星移动通信1主要内容1.卫星移动通信及其关键技术2.铱星计划及其衰落3.宇宙垃圾与空间碎片产生及危害4.星座构型设计与保持技术、轨道摄动理论2•1.卫星移动通信及其关键技术3•概念纠偏：卫星移动通信中的“移动”，指的是终端的“移动”，而不是卫星的“移动”。4卫星移动通信系统发展过程第一代卫星移动通信系统：模拟信号技术·1976年，由3颗静止卫星构成的MARISAT系统成为第1个提供海事移动通信服务的卫星系统（舰载地球站40W发射功率，天线直径1.2米）·1982年，Inmarsat-A成为第1个海事卫星移动电话系统第二代卫星移动通信系统：数字传输技术·1988年，Inmarsat-C成为第1个陆地卫星移动数据通信系统·1993年，Inmarsat-M和澳大利亚的Mobilesat成为第1个数字陆地卫星移动电话系统支持公文包大小的终端·1996年，Inmarsat-3可支持便携式的膝上型电话终端第三代卫星移动通信系统：手持终端·1998年，铱（Iridium）系统成为首个支持手持终端的全球低轨卫星移动通信系统·2003年以后，集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统（UMTS/IMT-2000）5卫星与地面移动通信系统的比较卫星移动通信系统地面移动通信系统易于快速实现大范围的完全覆盖覆盖范围随地面基础设施的建设而持续增长全球通用多标准，难以全球通用频率利用率低频率利用率高（蜂窝小区小）遮蔽效应使得通信链路恶化提供足够的链路余量以补偿信号衰落适合于低人口密度、有限业务量的农村环境适用于该人口密度、大业务量的城市环境6•卫星移动通信主要分为静止轨道和低轨卫星通信两种，本章主要介绍近地轨道卫星移动通信系统7你认为卫星移动通信有哪些优点、哪些特点？8近地轨道移动通信卫星的优点①由于卫星轨道高度低，链路传播损耗小，有利于系统为手持移动终端用户提供服务。②传输延时小，对话音通信不存在回声问题；实时性较好。③采用极地轨道或大倾角轨道时，可以为高纬度地区提供服务。④可利用多普勒频移进行定位。⑤星座能够对用户提供多重覆盖。因此可以采用分集接收技术，星座中的个别卫星失效，系统仍可运行。9近地轨道移动通信卫星的缺点①由于一颗卫星不能对某一地区进行连续覆盖，必须利用多卫星构成星座。②星座中任一颗对地面的覆盖时间都是有限的(一般小于15分钟)，为保证通信的连续性，需要频繁切换，技术复杂。③通信过程中，用户天线应该对运动中的卫星进行跟踪，或者，用户天线需要是全向天线.④由于卫星绕地球的公转和地球自身的自转而产生的多普勒频移很大，需要进行补偿。⑤卫星每轨都有太阳阴影区，对星载蓄电池提出了更高的容量要求。10卫星移动通信的特点和问题–卫星功率有限与移动台低天线增益之间的矛盾十分突出；–系统在衰落信道中工作，电波传播情况复杂；–众多用户共享有限的卫星资源（频率和功率）；–移动台要求高度的机动性，在卫星不能保持固定覆盖的情况下对网络管理（切换、路由等）提出较高要求11卫星移动通信关键技术•抗衰落通信技术–调制解调技术、分集和均衡技术、纠错编码技术、功率控制技术•网络管理与控制–多址、切换、路由、交换技术•天线及射频技术–多波束天线、大口径天线•空间段与地面段相匹配的优化设计技术–星座设计、星上处理转发器技术12星际链路•面内星际链路通常，一颗卫星和同一轨道面内位于其前后的各一颗卫星建立面内星际链路因为同一轨道面内卫星间的相对运动几乎为零，因此星际链路天线的指向角是固定的，也无需跟踪功能13星际链路（续）•面间星际链路由于卫星间存在相对运动，因此星际链路天线的方位角、仰角以及链路长度都是时变的，因此需要采用跟踪天线14星际链路（续）•层间星际链路不同高度轨道平面内的卫星间存在相对运动，使得层间星际链路会发生重建需要采用跟踪天线接入卫星选择策略对层间星际链路的稳定性有很大的影响15卫星移动通信系统网络结构•卫星移动通信系统的基本网络结构PSTN/PLMN核心网手持终端移动终端网络控制中心NCC卫星控制中心SCC用户信息管理系统星际链路用户链路馈送链路信关站空间段地面段用户段16•ETSI建议的卫星个人通信网络结构PSTN非静止轨道卫星非静止轨道卫星非静止轨道卫星非静止轨道卫星静止轨道卫星非静止轨道卫星非静止轨道卫星非静止轨道卫星星际链路星际链路非静止轨道卫星非静止轨道卫星静止轨道卫星轨间链路轨间链路星际链路（a）非静止轨道卫星（b）（c）（d）非静止轨道卫星17•ETSI建议的卫星个人通信网络结构结构（a）中，空间段采用透明转发器，系统依赖于地面网络来连接信关站，卫星没有建立星际链路的能力，移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳的传输延时加上信关站间的地面网络传输延时。全球星系统采用该结构方案为移动用户提供服务。18•ETSI建议的卫星个人通信网络结构结构（b）同样没有采用星际链路，使用静止轨道卫星提供信关站之间的连接。静止卫星的使用减少了系统对地面网络的依赖，但会带来数据的长距离传输。该结构中，移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳的传输延时加上静止轨道卫星一跳的传输延时。19•ETSI建议的卫星个人通信网络结构结构（c）使用了星际链路来实现相同轨道结构的卫星进行互连。系统仍然需要信关站来完成一些网络功能，但对其的依赖性已经下降。移动用户间的呼叫传输延时是变化的，依赖于在卫星和星际链路构成的空中骨干网络路由选择。铱系统采用该结构方案为移动用户提供服务。20•ETSI建议的卫星个人通信网络结构结构（d）中使用了双层卫星网络构建的混合星座结构。非静止轨道卫星使用星际链路进行互连，使用轨间链路（IOL：Inter-OrbitLinks）与静止轨道数据中继卫星互连。移动用户间的呼叫传输延时等于两个非静止轨道卫星半跳的延时加上非静止轨道卫星到静止轨道卫星的一跳的延时。在该结构中，为保证非静止轨道卫星的全球性互连，需要至少3颗静止轨道中继卫星。21•系统空间段空间段提供网络用户与信关站之间的连接；空间段由1个或多个卫星星座构成，每个星座又涉及到一系列轨道参数和独立的卫星参数；空间段轨道参数通常根据指定覆盖区规定的服务质量（QoS）要求，在系统设计的最初阶段便确定；空间段的设计可采用多种方法，取决于轨道类型和星上有效载荷所采用的技术。22•系统地面段通常包括：信关站（也称为固定地球站FES）、网络控制中心（NCC）和卫星控制中心（SCC）用户信息管理系统（CIMS）是负责维护信关站配置数据，完成系统计费、生成用户账单并记录呼叫详情的数据库系统，与信关站、网络控制中心和卫星控制中心协同工作可以将网络控制中心、卫星控制中心和用户信息管理系统合在一起称为控制段23•系统地面段——信关站信关站通过本地交换提供系统卫星网络（空间段）到地面现有核心网络（如公用电话交换网PSTN和公用地面移动网络PLMN）的固定接入点卫星移动通信系统与地面移动网络（如GSM和CDMA网络）的集成带来了一些附加的问题，必须在信关站中解决24•系统地面段——网络控制中心又称为网络管理站（NMS），与用户信息管理系统CIMS相连，协同完成卫星资源的管理、网络管理和控制相关的逻辑功能，按照功能又可以划分为网络管理功能组和呼叫控制功能组。网络管理功能组的主要任务包括：管理呼叫通信流的整体概况；系统资源管理和网络同步；运行和维护（OAM）功能；站内信令链路管理；拥塞控制；提供对用户终端试运行的支持呼叫控制功能组的主要任务包括：公共信道信令功能；移动呼叫发起端的信关站选择；定义信关站的配置25•系统地面段——卫星控制中心负责监视卫星星座的性能，控制卫星的轨道位置。与卫星有效载荷相关的特殊呼叫控制功能也能够由卫星控制中心来完成，按照功能又可以划分为卫星控制功能组和呼叫控制功能组卫星控制功能组的主要任务包括：产生和分发星历；产生和传送对卫星有效载荷和公用舱的命令；接收和处理遥测信息；传输波束指向命令；产生和传送变轨操作命令；执行距离校正呼叫控制功能组完成移动用户到移动用户呼叫的实时交换26•系统用户段用户段由各种用户终端组成；主要分为两个主要的类别：移动（Mobile）终端和便携（Portable）终端27•卫星移动通信系统可以工作于多个频段•频段的选取主要取决于系统提供的服务类型•卫星移动通信业务频率分配是先后通过87年和92年的世界无线电行政大会（WARC-87、92），95、97和2000年世界无线电大会（WRC-95、97、2000）分配28WARC-87分配的MSS频谱频率（MHz）传输方向业务类型1530.0-1533.0↓LMSS和MMSS1533.0-1544.0↓MMSS和低速率LMSS1545.0-1555.0↓AMSS（可公用）1555.0-1559.0↓LMSS1626.5-1631.5↑MMSS和低速率LMSS1631.5-1634.5↑LMSS和MMSS1634.5-1645.5↑MMSS和低速率LMSS1646.5-1656.5↑AMSS（可公用）1656.5-1660.5↑LMSS29•WARC-92为全球3个频率区域分配了NGEO卫星移动通信业务和卫星无线定位业务（RDSS）的使用频段，包括VHF、UHF，L和S波段WARC-92的频率分配(MHz)ITU世界分区1传输方向137-137.025137.025-137.175137.175-137.825137.825-138148-149.9149.9-150.05312-315387-390399-400.05400.15-4011492-15251525-15301530-15331533-15351535-15441544-15451545-15551555-15591610-1610.61610.6-1613.81613.8-1626.51625.5-1631.51631.5-1634.51634.5-1645.51645.5-1646.51646.5-1656.51656.5-16601660-1660.51675-16901690-17001675-16901690-17001700-17101930-19701970-19801980-20102120-21602160-21702170-22002483-25002500-25202670-2690MSS23mssMSSmssMSSLMSSmssmssMSSMSS—MSS—MMSS,lmssMSSMMSS,LMSSMMSSMMSS,lmssMMSSMSSAMSS(R)LMSSMMSS,LMSSMMSS,lmssMSSAMSSLMSSLMSS—MSS——MSS——MSS——MSS——MSS——mss——MSS—MSS—mss——MSS—MSSMSSMSSMSSMSS,RDSSMSS,rdssMSSMSS,RDSSMSS,rdssMSS,RDSS,mssMSS,rdss,mssmmss,lmssMSSMSSMSSMSS,RDSSMSS,rdssMSS,mss30•2.铱星计划及其衰落31铱星计划第一个全球覆盖的LEO卫星蜂窝系统，支持话音、数据和定位业务由于采用了星际链路，系统可以在不依赖于地面通信网的情况下支持地球上任何位置用户之间的通信。铱系统于上世纪八十年代末由Motorola推出，九十年代初开始开发，耗资37亿美元，于1998年11月开始商业运行“铱”公司于2000年3月宣告破产。目前，美国国防部出资维持铱系统的运行32铱星通过南北极运行在780千米的轨道上，每条轨道上除布星11颗外，还多布1至2颗作为备用。这些卫星可以覆盖全球，用户用手持话机直接接通卫星进行通信，而无需几米直径的抛物面天线就可以进行全球范围内的通话33铱星计划革命性的想法从何而来？对于摩托罗拉的工程师巴里·伯蒂格来说，它来自于妻子在加勒比海度假时的抱怨，说她无法用手机联系到她的客户。回到家以后，巴里和摩托罗拉在亚利桑那州工作的卫星通信小组的另外两名工程师想到了一种铱星解决方案—由77颗