卫星通信系统设计

卫星通信系统设计方案班级：011241学号：01姓名：一、背景及研究目标1.1卫星通信卫星通信简单地说就是地球上(包括地面和低层大气中)的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是:通信范围大,只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内,从任何两点之间都可进行通信,不易受陆地灾害的影响(可靠性高);只要设置地球站电路即可开通(开通电路迅速),同时可在多处接收,能经济地实现广播!多址通信(多址特点);电路设置非常灵活,可随时分散过于集中的话务量,同一信道可用于不同方向或不同区间(多址联接)。卫星在空中起中继站的作用,即把地球站发上来的电磁波放大后再反送回另一地球站地球站则是卫星系统形成的链路由于静止卫星在赤道上空3.6万千米,它绕地球一周时间恰好与地球自转一周(23小时56分4秒)一致,从地面看上去如同静止不动一样三颗相距120度的卫星就能覆盖整个赤道圆周故卫星通信易于实现越洋和洲际通信。通信卫星的最大特点就是可以为移动用户之间提供通信服务,具有覆盖区域更广，不受地理障碍约束和用户运动限制等优势,从移动通信卫星的轨道看,目前移动通信卫星的轨道主要有三种:GEO卫星位于地球赤道上空高度为35786km的轨道上,其角速度与地球表面旋转的角速度相同,因此相对地面静止,单颗GEO卫星覆盖范围较广约占地球总面积的1/3),最大可覆盖纬度±70°以内的区域[1]。在三种卫星中,GEO卫星距离地球最远,导致其与地面终端之间的通信延时最大,约为250ms,链路损耗也较大。对于GEO轨道，利用三颗卫星可构成覆盖除地球南、北极区的卫星移动通信系统。MEO卫星通常位于距离地面高度为10000km～20000km之间的圆形轨道上,其与地面终端之间的通信延时约为120ms,链路损耗也相对较小。LEO星座系统中的LEO卫星通常位于距离地面高度为500km～2000km之间的圆形轨道上,其与地面终端之间的通信延时最短,约为25ms,链路损耗也最小。1.2目标本文中所设计的卫星移动通信系统覆盖目标区域为中国大陆和沿海地区,为便于讨论,将目标区域抽象成圆心在东经105°、北纬30°、地心角为26°的一个圆内,其范围基本包括了中国大陆、领海以及部分周边地区。通信卫星为GEO同步轨道卫星，采用QPSK调制方式,上行链路为卫星交换的FDMA每载波单路信号的FDMA（SDMA-SCPC-FDMA）,下行链路为卫星交换的TDMA每载波单路信号的FDMA（SDMA-FDMA-MCPC-TDMA）。.LTE随机接入策略为ALOHA协议。信道分配为按需分配（DA）方式。传输协议为IP协议。该系统设计思路为：用户终端→信息编码→调制器→上变频器→功率放大器→卫星接收、下变频→解调、路由→上变频、发射→接收机与解调器→用户终端。二、星座设计2.1星座的覆盖形式卫星星座的覆盖要求是由星座所要完成的任务来决定的。根据不同的任务确定不同的覆盖方式，一般说来，星座的覆盖形式可以分为以下四种。第一种是持续性全球覆盖（ContinuousGlobalCoverage），指对全球不间断连续覆盖；第二种是持续性地带覆盖（ContinuousZonalCoverage），指对特定纬度范围之间的地带进行不间断的连续覆盖；第三种是持续性区域覆盖（ContinuousRegionalCoverage），指对某些区域（如一个国家的版图）进行连续的覆盖；第四种是部分覆盖（PartialorRevisitCoverage），既指覆盖区域为局部区域，同时覆盖的时间也是间断的，这四种覆盖方式见图2-2。2.2卫星的轨道参数分析在区域性非静止轨道卫星系统中,区域性系如果采用低轨卫星,则需要的卫星数太多,成本过高。如果采用高轨卫星,虽然链路损耗略大,但系统设计的仰角高,在复杂环境下带来的不利影响较小;并且系统的切换、控制不像低轨系统那样频繁和复杂,技术风险小;同时,如果采用可控天线,减小波束宽度以提高信号强度,可充分发挥系统的负载能力。综合考虑多种因素,应采用高轨卫星星座方案。中高轨卫星就轨道类型而言有圆轨道和椭圆轨道两大类。对于中国地区较适合采用圆轨道,其倾角可在20°～50°之间。为实现区域性覆盖,卫星轨道的星下点要能够反复经过该地区,对中国地区区域性覆盖的卫星系统须采用回归轨道。如果用CT表示一个恒星日,一个卫星的运行周期ST满足如下条件:nTTCS式(1)中,n为整数,表示卫星在一个恒星日内围绕地球运转的圈数,卫星运行的轨道才是回归轨道。对于高轨卫星,回归轨道可供选择的轨道高度有13000km、10000km以及8000km,对应的周期大约分别为8h、6h和4.8h,n分别为3、4、5。当n为偶数时,星下点的轨迹交点不在赤道上,而在赤道的两边交替出现,交点的个数为2n。如图1所示,n=4,轨道高度为10000km、周期约为6h、轨道倾角50°的卫星在一个恒星日的星下点的轨迹,该轨道星下点的交点在中国地区中部,覆盖全中国较为适合。n=2是高度最高的回归轨道,轨道周期为12h,高度为20200km,在地球外辐射带的范围内;n=6或更大的偶数,高度在6500km以下,靠近地球的内辐射带。较好的轨道是高度为10000km的回归轨道。当n为奇数时,星下点的轨迹交点在赤道上交点数为n,对于中国的区域覆盖效果较上述n为偶数的差。n=1的轨道周期为24h,高度约为36000km,卫星同地面相对静止,成为地球同步轨道卫星,其星下点蜕变为一个点,用一颗卫星即可实现以其星下点为中心的区域性覆盖,信号覆盖能力强,也正因为同步卫星相对地面静止,更容易受到射频武器的攻击和干扰。为计算连续覆盖中国所需的卫星数,首先要分析相邻两颗卫星之间的协作,用以覆盖特定区域的情况,如图2。其中:S1、S2——相邻两颗卫星的星下点。——一定仰角条件下覆盖区对应的地心角。——相邻两颗卫星星下点与地心连线夹角的一半。——覆盖带的半宽度,也就是覆盖通道的地心角宽度的一半。J——服务区边缘的点,在实际中取距离星下点轨迹最远的点,以使服务区全部在两个圆的并集内。使用一定高度的卫星组成对中国连续覆盖的星座,其所需要的最少卫星数可以通过式(2)～式(4)进行估算。其中:sn——所需卫星数。n——卫星在一个恒星日内围绕地球运转的圈数。——有效覆盖的最小可视仰角。Eh——卫星离地面的高度。ER——地球半径(约等于6378km)。通过计算可得,对中国区域提供连续覆盖的区域性系统,取26°,在最小仰角大于5°条件下,高度为10000km时,所需最少卫星数分别为8。为了覆盖整个中国区域,要适当调整卫星参数,使得整个星座的所有卫星的星下点轨迹重合,当所有卫星的星下点轨迹重合且服务区中心在轨迹上时,服务区能够被很好地覆盖,这时相邻卫星间的配合就可以达到最佳,每颗卫星所在的轨道面的交升点的赤经均匀分布,星座为8轨道面,此星座存在轨道面多机动性不强的问题。通过仿真研究发现覆盖性能较好的倾斜圆轨道星座,轨道面为2个,轨道倾角为55°,两个轨道平面右旋升节点相对于参考子午线的经度分别为210°及300°,每个轨道平面内4颗卫星均匀分布,初始相角为90°;两轨道平面间卫星初始相差为0°,此星座轨道面少机动性较好。三、通信体制所谓卫星通信体制,是指一个卫星通信网,为了获得最佳效率及最小的信息传输失真所采用的一定信号传输方式及一定的信号交换方式。卫星通信体制的确定,关系到全网的具体组成和全网的使用效率与性能。在卫星通信体制中,传输摸拟信号的称为模拟卫星通信系统;传输数字信号的称为数字卫星通信系统;既传输模拟信号,又传输数字信号的称为数模兼容卫星通信系统。不管是哪一种体制,为了提高卫星通信网效率、减少信号传输所产生的失真或差错于都要对信号作一番处理安排。这一般包括下述几方面内容:1.多路复用基带处理卫星基带信道的多路复用是在低频上进行的。它把许多正交分隔的信号合并成~个单一的基带信号。正交分隔复用通常采用频分复用(FDM)、时分复用(TDM)和码分复用(CDM)等方式。一般在基带状态,还要对基带信号进行某些加工,如预(去)加重、加(解)密、差错控制编(解)码及加数字话音内插措施等,以提高传输性能和抗干扰能力。2.调制与解调调机是把待传送的基带信号的频带设法搬移到射频信道上,以便进行有效的传输;解调是从射频、信道中提取基带信号,作与调制相反的变换。调制解调一般是在中频上进行的。卫星通信最早使用调频制(FM);1972年前后开始在SPADE申.系统中采用调相制(PM),·从此卫星通信进人了数字化时代。3.多址联接与信道分配多址联接是卫星通信的一大特色,也是卫星通信体制一中的重点问题之一。它是在卫星射频信道上解决信号的合与分的一种多路复用技术。它使卫星网中的许多地球站,可以通过共用的通信卫星信道,同时建立各自所需的双工通信信道,同时实现多址之间的直接的双工井联而无需中间转接。它的信号来自不同的站址,在每个站只发一个射频载波的情况下,它的区分信号和区分地址是一致的。若一个站发送几个射频载波,则区分信号与区分地址并不完全一致。这时把发射一个载波资源看成一个单元，又称多址联接为多元链接或多元续借。多址联接一般有频分多址、码分多址、时分多址、空分多址方式。多址联接技术显著提高了卫星通信的效用和灵活的自适应能力。3.1卫星通信中调制解调方式(QPSK)调频制的卫星电路一定要保证其解调器工作在门限点以上3~4dB,以保证正常接收。为了降低解调器的门限点,提高卫星功率利用率,采用了门限扩展解调器。事实证明,门限扩展解调器在窄带时的门限扩展比宽带时有效、明显。例如,24路电话门限扩展解调器的门限比普通的解调器的低4~6dB。宽带的电视门限扩展解调器最多能扩展2~3dB。若扩展3dB,卫星功率利用率就可提高一倍。因此,调频解调器性能对卫星系统的影响很大。在卫星数字通信中,最常用的是PSK。其中又以QPSK占主导地位。因为在同样信道情况下,QPSK的比特传输速率比2ΦPsK的高一倍。由于QPSK是两个彼此正交的2ΦPSK信号组成的,此两个2ΦPSK中噪声是独立的,因此QPSK与2ΦPSK性能近似相同,在相同的误码率下,所需的0b/NE近似相同,而QPSK所需的带宽仅为2ΦPSK的一半;且实现也不难。当PSK的相位数大于8以后,在同一误码率下,带宽虽可进一步节约,但所需卫星功率急剧增加,且实现的难度也增加。已不适于卫星电路传输。3.2卫星通信的多址联接方式多址联接方式的种类繁多,各有各的特性和用途。下面对本系统所需的3种多址联接方式作一一简介。3.2.1频分多址联接频分多址是把卫星转发器的频带按射频信号所需的带宽,分割成许多具有一定宽度而又互不重叠的频隙,各地球站上行线可预先分配一个频隙,也可按需要临时申请频隙来发送信号;接收地球站挤收卫星所有须隙,并用射须或中频滤波器选出所需要的频隙。频分多址联接示意图如图1所示。卫星频带收、发各占500MHz:,各分成N个大小不同的频隙给N个地球站使用,如A地球站分到Af频隙,它发给其他地球站的信号,所组成的基带就载在Af上,发向卫星;卫星将Af,转换成下行线频隙'Af,其他地球站都接收到'Af信号,各从'Af信号中取出发给本站的信号。以此类推就实现了多址联接通信。卫星频带的分割一般是先按一定的带宽(如80、40MHz等)划分成转发器带宽;然后根据需要把每个转发器带宽再分割成不同的载波带宽。对4/6GH:z频段的500MHz卫星带宽,一般是分割成12个转发器带宽。采用极化频率再用技术的卫星,4/6GHz频段的两个正交极化波各占500MHz带宽,共可分为24个转发器带宽。按上述分割,每个转发器约有如40MHz,扣除保护带宽后,可用带宽约为36MHz。每个转发器有两种分割方法,一是按群路信号所需要的带宽来分割;一是按单个话路所需要的载波带宽来分割。3.2.2.时分多址时分多址方式,是用不同的时隙来区分各地球站的地址、其联接示意图如图4(a)所示。把卫星的通信时间分隔成互不重叠的周期相同的时隙,称为帧;将每个帧分为互不重