卫星通信概述

Xi卫星卫星通信概述杨天绘2017年9月8日内容大纲卫星通信基础卫星移动通信卫星宽带通信卫星通信基础卫星通信概述卫星通信系统组成卫星轨道介绍卫星链路设计一、卫星通信概述卫星通信是地球站之间或航天器与地球站之间利用人造卫星作为中继的一种微波通信方式。目前卫星通信系统主要有固定业务卫星通信系统，移动业务卫星通信系统和广播业务卫星通信系统。卫星通信适用于以下业务具备广播特性的业务：电视广播音频广播数据广播地面通信手段无法到达的业务：海洋沙漠偏远山区抗自然灾害能力要求高的业务稀路由广域覆盖业务：点多面广的企业内部专用通信网其他适合应用：远程教育远程培训远程医疗资源共享等等卫星通信基础卫星通信基础一、卫星通信概述卫星通信优势覆盖面积大，通信距离远，建站成本与通信距离基本无关组网灵活，便于多址连接不受地理条件的限制，不管是固定站还是移动站，不同种类的业务可组网在同一个卫星通信网内。通信容量大卫星通信工作在微波频段，可用带宽范围很大。通信质量好可靠性高电磁波主要在接近真空的外层空间传播经济效益、社会效益好卫星通信不受地理和环境条件的限制，具有建设快，投资少，经济效益高的优点。卫星通信基础二、卫星通信系统组成卫星通信系统由空间设备通信卫星、地面设备地球站、跟踪遥测及指令分系统以及监控管理分系统四大功能部分组成。(1)空间设备也就是通信卫星是由若干转发器、数副天线与位置和姿态控制、遥测和指令、以及电源分系统组成，其主要作用是转发各地球站信号。(2)地球站由天线、发射、接收、终端分系统及电源、监控和地面设备组成。主要功能是将需要发射的信号传至卫星和从卫星接收信号。(3)地面的跟踪遥测及指令分系统并不直接用于通信，而是用来保障通信的正常进行。(4)监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行监测与控制。通信卫星跟踪遥测及指令分系统监控管理分系统地球站通信业务控制中心三、卫星轨道介绍卫星运动的轨迹和趋势称为卫星运行轨迹，卫星运动所在的平面叫轨道面。椭圆轨道圆轨道按形状赤道轨道极地轨道倾斜轨道按倾角顺行倾斜轨道逆行倾斜轨道回归/准回归轨道非回归轨道按轨道周期低轨道(LEO)中轨道(MEO)高轨道(HEO)按高度(偏心率不等于0，卫星在轨道上做非匀速运动，主要用于重点覆盖某些区域)(具有相对恒定的运动速度，可以提供较为均匀的覆盖特性)轨道面和赤道面的夹角，i(i=0,轨道面和赤道面重合。静止通信卫星就位于赤道轨道平面内)(i=90o,轨道面穿过地球南北极)(0i90o)(90oi180o)(星下点轨迹重复)(星下点轨迹不重复)(500h2000km)(2000kmh20000km)(20000kmhh=35768km,GEO卫星通信基础今天的卫星通信系统—GEO、MEO、LEO卫星通信基础静止轨道卫星运行在轨道高度为35768km的地球静止轨道上，卫星轨道的旋转与地球同步，从天空看起来是固定的。优点：通信距离远，覆盖面积大，3颗便可覆盖全球。地球站不需要复杂的跟踪系统即可对准。缺点：高度高，因此信号衰减和时延大。地球的两极为通信盲区，而且高纬度地区通信效果较差。地球静止轨道只有一条，轨道上所能容纳的卫星数量有限。运行在中、低轨的卫星通信系统目前也得到了广泛的应用。优点：卫星高度低，所以信号衰减小，时延小。卫星重量轻，结构简单。将卫星均匀地排布在整个地球的周围，即使是在南北极，也能使用低轨道卫星进行通信，实现真正的全球覆盖。缺点：覆盖整个地球需要大量的卫星，系统复杂。卫星数量多，寿命短，运行期间要及时补充发射替代或备用系统投资较高。四、卫星链路设计卫星通信基础地球站地球站卫星信道(转发器)放大器变频器带通滤波器(C/N0)u(C/N0)d(C/N0)T透明型卫星的卫星链路四、卫星链路设计卫星通信基础传输方程2)4(dGGPCRTT)4lg(20)()()()(ddBWGdBWGdBWPdBWCRTT自由空间传播损耗传输损耗自由空间损耗馈线损耗天线未对准损耗（一般用统计数据来估计）大气层和离子层损耗法拉第旋转雨衰（对比较高的频率有很大的影响）四、卫星链路设计卫星通信基础载波噪声比)lg(10)(BkTGLLEIRPNCuumupuu)lg(10)(TBkGLLEIRPNCmdpdSddBdB111])()[(duNCNCNC载波干扰比ui,1ui,2…upi,设为上行链路的干扰，在载波带宽内对应的功率为I1,u,I2,u…Ip,u111])([)(,pkuukICIC111])([)(,qkddkICIC卫星链路设计需要考虑：进入或来自邻近卫星的干扰地面微波干扰正交极化干扰邻近信道干扰交调干扰载波噪声干扰比11111dICuICdNCuNCINC111ICNC，则有，卫星移动通信卫星移动业务标准移动地球站标准卫星移动电视标准卫星移动电话标准通用标准舰载站标准机载标准EN300721《SES;基于1GHz以下频段低轨卫星提供低速率服务的移动地球站》EN301473《SES;基于3GHz以下频段航空移动卫星业务和卫星移动业务的机载地球站》通用标准GMR标准UMTS标准SDR标准DVB-SH标准S-MIM标准这些标准不仅对地球站的EIRP、带外抑制等性能指标及其测试方法进行了规定，还对它们自身的监控功能和管理提出了要求。卫星移动通信标准通用标准：对于BSS、FSS、MSS的共性内容，ETSI制定一系标准对其进行规范，如TR103124《SES;卫星地球站及系统，卫星与地面网络融合》、TR103166《SES;卫星地球站及系统，卫星应急通信，基于卫星的应急通信单元》这些标准不仅对卫星与地面网的融合进行了规定，也对系统测量进行了规定；不仅对交互通信中回传链路的数据封装进行了规定，也对卫星通信在应急通信中应用进行了规定；不仅对地球站中的相关设备进行了规定，也对地球站的电磁兼容性进行了规定。这些标准都对指导卫星通信系统的设计起到了重要的作用。卫星移动通信卫星移动电话标准通用标准GMR标准S-UMTSGMR-1（TS101376《地球同步轨道卫星无线接口规范》系列标准）GMR-2（TS101377《地球同步轨道卫星无线接口规范》系列标准）基于GEO卫星在用户链路及馈线链路频段、双工方式、多址方式等方面相同，但在载波间隔、信息速率、调制方式等方面存在差异GMPRS，GMR-13GTS101851《SES;UMTS/MT2000的卫星部分》TS102442《SES;UMTS/IMT2000的卫星部分；多媒体广播和组播业务》其中TS101851分为物理信道、信道复用与信道编码、扩频与调制、物理层流程、用户终端的射频传输与接收、地球站与卫星间的射频传输与接收6个部分，各部分对相关技术进行了规定。TS102442则从系统架构、性能、接口、安全性等方面对S-UMTS开展组播业务进行了规定。针对星地接口和地面段对GMR进行了补充涵盖了GEO、MEO、LEO卫星卫星移动电话标准都分为通用技术规范、服务规范、网络规范、射频接口协议规范、物理层规范、语音编码规范6个部分，从不同技术层面对GMR系统进行了规定。Thuraya、TerreStar、SkyTerraINMARSAT、ACeS卫星移动通信标准卫星移动电视标准卫星移动电视标准和传统卫星电视相比，卫星移动电视对图像质量要求较低，传输数据较小，故对带宽要求较低。ESTI在DVB-S基础上，制定专门针对卫星移动电视的DVB-SH标准，其核心标准为EN302583《DVB;基于3GHz以下频段为手持设备提供卫星服务的帧结构、信道编码及调制》DVB-SH使用3GHz以下的UHF、L及S频段为用户提供广播服务。目前美国全球通信公司的ICOG1卫星和欧洲通信卫星公司的EutelsatW2A卫星都采用了DVB-SH标准其核心标准为TS102721《SES;卫星地球站及系统，S频段移动交互多媒体的空中接口》系列S-MIM标准是对DVB-SH标准的扩展，下行链路沿用DVB-SH相关规定，增加回传链路，因此能同时支持同步传输和异步传输。S-MIM还增加了与地面IP网络的接口，使得其应用更为广泛。目前ESA依托EutelsatW2A卫星建立了基于S-MIM标准的“DENISE”系统。卫星移动通信标准DVB-SH标准SDR标准S-MIM标准SDR（卫星数字无线电通信），其核心标准为EN302550《SES;星数字无线电通信系统》系列标准SDR也为终端用户提供广播服务，也需要地面网络进行辅助，但在工作频段、调制方式、编码形式等方面与DVB-SH存在一定的差异目前美国WorldSpace公司的Afristar和Asiastar两颗卫星的通信体制都采用了SDR标准卫星移动通信系统海事卫星通信系统INMARSAT铱星系统Iridium全球星系统Globalstar卫星移动通信系统介绍LEOGEOMEO国际海事卫星(INMARSAT)通信系统最早的海事卫星移动系统，由美国通信公司（COMSAT）利用Marisat卫星进行卫星通信，是一个军用的卫星通信系统。70年代中期为增强海上船只的安全保障，将部分内容提供给远洋船只使用。1982年形成了以国际海事卫星组织管理的INMARSAT系统，开始提供全球海事卫星通信服务。如今已发展为INMARSAT-4移动通信卫星以及INMARSAT-5宽带通信卫星，控制着135个国家的大量话音和系统。运行在地球静止轨道上，为除南北极75度以上的级区外的全球区域提供通信服务。按发展顺序由INMARSAT-1、INMARSAT-2、INMARSAT-3、IN-MARSAT-4、INMARSAT-5代卫星组成。GEO卫星移动通信系统INMARSAT-4BGAN系统GEO卫星移动通信系统◆BGAN是宽带全球区域网络(broadbandglobalareanetwork)的简称，是国际海事卫星组织所主导的第四代卫星通信系统。◆BGAN具有全球无缝隙的宽带网络接入、移动实时视频直播、兼容3G等多种通信能力，它的出现给海事、航空以及陆地偏远地区移动信息化带来革命性的变化!INMARSAT-4于2005年至2008年8月期间发射，共三颗，容量是第三代的60倍，通信业务量绝大部分是作为IP分组交换数据进行传输，扩展了INMARSAT网络，提供增强的数字移动通信的能力，同时也支持传统的电路交换的服务，具有1个全球波束，19个区域波束，228个窄带点波束。◆星座设计INMARSAT-4BGAN系统用户链路：采用L频段上行1626.5-1660.5MHZ下行1525.0-1559.0MHZ馈线链路：采用C频段上行6424.0-6575MHZ下行3550-3700MHZ◆频率分配◆信道容量630个双向200KHz◆通信体制TDM-TDMA/FDMAGEO卫星移动通信系统◆BGAN是一个3GPP包交换和电路交换的网络，兼容第3代（3G）手机系统，其所有提供的服务都基于UMTS技术。GEO卫星移动通信系统BGAN通信系统介绍用户设备无线接入网核心网分组域模式电路域模式核心网GEO卫星移动通信系统BGAN空中接口◆BGAN使用Inmarsat专用的空中接口IAI-2提供同样的UMTS业务。承载信道链接层承载信道控制层物理层适配层接入层BANG空口协议栈负责移动性管理、呼叫控制、短消息SMS以及GPRS会话管理等功能负责纠错编码和译码、扰码和解扰、滤波、调制解调、交织和解交织、准确接收、接收脉冲的定时、功率测量和使码元在正确的频率、时隙和功率水平上传输等功能。负责控制接入物理层。提供与UTRAN无线链路控制层类似的功能，最主要的就是在UE和网络之间传输空中接口的控制和用户数据。负责注册管理、GMM/MM处理、无线信道控制。非接入层GEO卫星移动通信系统BGAN通信信令流程-注册空口注册过程用户终端无线网络控制单元公共信道（全球波束）：系统信息公共