第6章卫星移动通信系统1

第6章卫星移动通信系统2卫星移动通信系统概述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）3卫星移动通信系统概述续1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4卫星星际链路在卫星之间建立星际通信链路（激光链路或毫米波链路），每颗卫星将成为空间网的一个节点，使通信信号能不依赖于地面通信网络进行传输，提高传输的效率和系统的独立性，对于组建全球性通信网将是十分方便和灵活的。星际链路的特性的描述►仰角的时变特性天线的动态指向特性►方位角的时变特性天线的动态指向特性►星间距离的时变特性功率的动态控制特性5卫星星际链路续1相同轨道高度卫星间的星际链路►同一轨道平面内的轨内星际链路（Intra-OrbitISL）：同一轨道面内的两颗卫星能够基本保持不变的相对位置，轨内星际链路的星间距离、方位角和仰角变化很小，建立相对容易►不同轨道平面之间的轨间星际链路（Inter-OrbitISL）：由于不同轨道面内两颗卫星存在着相对运动，轨间星际链路的方位角、仰角和星间距离一般随时间而变化，建立相对比较困难6卫星星际链路续2星际链路的仰角和距离计算►根据右图所示的几何关系容易推出O卫星A卫星BhRe余隙星际链路EAEBmax22max/22(Re)sin(/2)Re2arccosRe2(Re)(Re)ABsPsPEEDhHhDhH仰角：星间距离：最大地心角：最大星间距离：7卫星星际链路续3已知卫星位置时的仰角计算►如果两颗卫星的瞬时经纬度位置已知，分别以（λs1，φs1）和（λs2，φs2）表示，则卫星所夹的地心角为根据前页的式子可以确定卫星间的仰角和距离121212arccossin()sin()cos()cos()cos()ssssss8卫星星际链路续4例6.6某一星座采用的轨道高度为1414km。某一时刻，卫星A的位置为（0ºE，20ºN），卫星B的位置为（50ºE，15ºS），问在最小余隙为50km时，卫星A和B间能否建立星际链路？如果能，此时星际链路的仰角是多少？解：根据已知条件可以计算该星座卫星能够建立星际链路时对应的最大地心角：在已知两颗卫星瞬时经纬度坐标位置时，可计算星间的地心角：因为ααmax，所以卫星间可以建立星际链路，此时星际链路的仰角和距离为：maxRe506378.1372arccos2arccos68.83Re14146378.137PHharccossin(15)sin(20)cos(15)cos(20)cos(500)60.34/230.172(14146378.137)sin(60.34/2)7831.6()ABsEEDkm9卫星星际链路续5已知卫星轨道参数时的仰角计算►对于星座系统而言，更多时候给出的是卫星的轨道参数（包括轨道高度、仰角、升交点赤经和初始幅角等）►根据Ballard的卫星位置以及相互关系表征方法（图6-15），可以确定卫星i对j的地心角距离Rij（即卫星间的地心角α）：24222242222sin()cos(/2)sin[()/2/2]2sin(/2)cos(/2)sin[()/2]sin(/2)sin[()/2/2]2sin(/2)cos(/2)sin(/2)cos(2)ijjijijijiRiiiiii10卫星星际链路续6星际链路的方位角计算►方位角的度量以卫星运动方向为基准，沿顺时针方向旋转到卫星连线方向。►根据Ballard的卫星位置以及相互关系表征方法（图6-15），t时刻卫星i对j的方位角ψij由下式确定通过下标位置互换可以获得计算j对i的方位角ψji的公式222222arctan{[sinsin()cos()sin(2)sin(/2)sin()]/[sinsin(/2)sin(2)cossin()cos()(cos(/2)cossin(/2))sin()]}ijjjjijijiiiiii11卫星星际链路续7星际链路性能随轨道高度的变化12卫星星际链路续8星际链路性能随轨道高度的变化►方位角的变化周期与卫星轨道周期相同；仰角和星间距离的变化周期为卫星轨道周期的一半►在其他轨道参数不变的情况下，增加轨道高度将降低方位角和仰角的变化速度，可以改善星载天线的捕获、锁定和跟踪性能；但同时会导致星间距离增大，将会提高对发射功率的要求。13卫星星际链路续9星际链路性能随轨道倾角的变化14卫星星际链路续10星际链路性能随轨道倾角的变化►在其他轨道参数不变的情况下，增加轨道倾角将有利于减小星间距离，节省发射功率；但会增加方位角和仰角的变化速度，对星载天线捕获、锁定和跟踪性能的要求增加。15卫星星际链路续11星际链路性能与升交点经度差的关系16卫星星际链路续12星际链路性能与升交点经度差的关系►卫星轨道间升交点经度差的变化不会影响方位角、仰角和星间距离取值的周期特性，但会影响它们取值的大小以及取值的动态变化范围。方位角、仰角和星间距离的取值大小以及取值的动态变化范围均随着升交点经度差的增大而增加。►当面内卫星数量一定时，卫星轨道面间的间隔越小，星际链路的实现越容易17卫星星际链路续13星际链路性能与初始辐角差的关系18卫星星际链路续14星际链路性能与初始辐角差的关系►减小卫星间的初始幅角差虽然可以减小星间距离，但会增加方位角和仰角的动态变化范围，增加指向的变化速度，对星载天线的捕获、锁定和跟踪性能要求提高。19卫星星际链路续15不同轨道高度卫星间的星际链路►据图，容易推出卫星的仰角满足关系式►可见：轨道高度较高的卫星将始终有负的仰角值，而高度较低的卫星的仰角则可正可负卫星A星际链路hA+ReOEAEB卫星BhB+Re余隙Rearctan(cos())/sin()ReAABBAhEhEE20卫星星际链路续16不同轨道高度卫星间的星际链路►在计算出卫星所夹地心角后，可以根据余弦公式计算瞬时星间距离►不同轨道高度卫星间的最大星间地心角αmax和最长的星际链路距离Dsmaxmax2222maxReRearccosarccosReRe(Re)(Re)(Re)(Re)PPABsAPBPHHhhDhHhH22max(Re)(Re)2(Re)(Re)cossABABDhhhh21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22卫星移动通信系统网络结构续1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23卫星移动通信系统网络结构续2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。24卫星移动通信系统网络结构续3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。25卫星移动通信系统网络结构续4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。26卫星移动通信系统网络结构续5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。27卫星移动通信系统网络结构续6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。28卫星移动通信系统网络结构续7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29卫星移动通信系统网络结构续8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30卫星移动通信系统网络结构续9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31卫星移动通信系统网络结构续10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