1、卫星通信基础,2017.8,卫星功能 转发器参数 频带 地球同步轨道 天线指向 卫星的覆盖 卫星通信的特点,内容概要,扩展目标 学员能够: 描述卫星通信系统的功能 了解最通用的卫星频带和上行、下行频率 说明卫星通信的特点,基本目标 学员能够: 描述基本的卫星通信过程,培训目标,卫星通信定义,卫星通信，简单的说就是地球上（包括地面、水面和低层大气中）的无线电通信站之间利用人造卫星作为中继站转发或反射无线电波，以此来实现两个或多个地球站之间通信的一种通信方式无线通信方式可以承载多种通信业务是当今社会重要的通信手段之一,卫星通信示意图,卫星系统的作用好像是一个两跳的微波系统卫星功能: 接收信号 改变
2、信号的频率 放大信号 转发信号,卫星功能,最基本的卫星转发器框图,带宽 典型值为36 MHz(C波段)、54 MHz(Ku波段)有些是72 MHz 功率 每个转发器都有一个功率放大器(HPA),HPA决定了转发器的最大功率输出。为了防止过大的互调分量，如果出现多载波时，输出功率必须从额定值回退。 增益调整（Padding）对不同类型的应用可调衰减器，实际上是调节转发器的增益。VSAT网络最好用低的pad值(即低的衰减值)。当你租用了整个转发器时,卫星公司才能为你改变pad值。,转发器参数1,饱合通量密度SFD (Saturation Flux Density ) 使卫星转发器输出饱合时卫星接收
3、天线每平方米接收到的总能量，此值由卫星公司给出,一般是在PAD等于0时的值。 输出回退OBO (Output Backoff ) 当多载波工作时，为了减少交调，卫星实际的输出功率要比其额定值减少多少。 输入回退IBO (Input Backoff ) 输入回退等于输出回退加转发器HPA的增益压缩值。 极化( Polarization) 每个转发器都有上行、下行链路不同的极化方式（线性极化为垂直V或水平H，或圆极化为左旋LHCP或右旋RHCP）。为了提供最大的TX/RX极化隔离度要使用交叉极化方式。地面站的馈源必须与转发器的极化相匹配。,转发器参数2,频带,通信卫星的轨道,卫星运行的轨迹和趋势称
4、为卫星运行轨道；其轨道近似于椭圆或圆形，地心就处在椭圆的一个焦点或圆心上按照轨道平面与赤道平面的夹角i（轨道倾角）的不同，地球卫星的轨道有赤道轨道（i=0）、极轨道（i=90）、倾斜轨道（0i90）之分,通信卫星的轨道,地球同步轨道特点： 卫星轨道在地球赤道面上 轨道半径约 42,000 km 与地球旋转方向和周期相同 这样在地球表面观察卫星则是静止的，固定的天线可始终对准卫星，窄波束天线需要跟踪系统。,地球同步轨道(GSO),通信卫星的轨道,通信卫星的轨道,天线指向变化规律: 站的纬度越靠近0，仰角越增加 站的经度越接近卫星的经度，仰角越增加 站的经度越接近卫星的经度，方位角越接近 0,天线
5、指向,天线指向计算:,卫星覆盖1,卫星覆盖图2,卫星覆盖3-点波束和全球波束,IS-706 at 50.25E覆盖图 利用覆盖图可以了解各地的卫星参数,如 EIRP, G/Tand SFD。,Ku频段点波束实例 峰值EIRP= 51.2 dBW,卫星通信的特点,路径时延长 广播特性 覆盖区域大 通信容量大 建站成本及通信费用与距离无关 很少受地理条件的限制 抗自然灾害能力强 机动灵活,卫星通信的特点1,路径时延长(RTD) 信号以光速到卫星并返回，轨道海拔高度是36000 公里, 从地面达到卫星需要 36000/c = 0.12 秒。信号往返一次大约需要0.25秒。在地面不同的地点由于到卫星的
6、距离不同，延时略有差别。 长时延将影响话音质量。 长时延将影响TCP/IP数据传输 。,卫星通信特点2,广播特性大范围直接广播功能是卫星通信主要特点之一。这一特点是其他通信方式不能代替的。建立在此特性基础上的通信业务有：数字卫星电视直播DVB/MPEG-2宽带Internet接入DVB-RCS,卫星通信特点3,覆盖范围域大一个卫星可以覆盖1/3地球表面积三 颗卫星可以覆盖全球,卫星通信特点4,通信容量大 除光纤外通信容量最大的通信系统 工作于C、Ku频段，目前又向Ka频段发展 C、Ku频段可用带宽为500MHz， Ka频段可用带宽为3.5GHz,建站成本及通信费用与距离无关很少受地理条件的限制
7、抗自然灾害能力强机动灵活,卫星通信的应用范围,长途电话、传真 电视广播、娱乐 计算机联网 电视会议、电话会议 交互型远程教育 医疗数据 应急业务、新闻广播 交通信息、船舶、飞机的航行数据及军事通信等,卫星通信和地面通信的对比,卫星通信业务,卫星固定网业务 卫星移动通信业务 VSAT通信业务 卫星广播业务 卫星专线业务,卫星通信系统的基本组成,空间分系统,测控管理分系统,跟踪遥测指令分系统,通信地球站系统,卫星通信系统的基本组成,空间分系统 即通信卫星，起无线电中继站作用，主体是通信装置，包括一个或多个转发器（微波收、发信机）和天线，保障部分星体上的遥测指令、控制系统和能源装置等 监控管理分系统
8、 对定点的卫星在业务开通前、后进行通信性能的监测和控制（如对转发器功率、卫星天线增益、各地球站发射功率、带宽等参数进行监控） 跟踪遥测指令分系统 对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入静止轨道上的指定位置；定期对卫星进行轨道修正和位置保持,通信卫星的外观（一）,通信卫星的外观（二）,卫星通信系统的基本组成,卫星转发器的频率安排,卫星通信系统的基本组成,地球站是微波无线电收、发信台（站），用户通过他们接入卫星线路 典型的地球站示意图：,天线、馈源设备,接收设备,发射设备,电源设备,跟踪伺服设备,信道终端设备,电源设备,卫星通信网络的结构,各卫星通信系统都有一定的网络结构，如星形、网格形或混合形,中心
9、站,星形,网格形,混合网,VSAT,VSAT,VSAT,VSAT,VSAT,VSAT,系统工作过程,基带入,B D U,M,F,U C,H P A,B D U,L N A,D C,F,D E M,基带出,处理器发基带,调制器,中频滤波器,上行变频器,功率放大器,放大器低噪声,下行变频器,中频滤波器,解调器,处理器收基带,射频线路,中频线路,卫星无线电线路,上行空间路径,下行空间路径,发送站一个已调载波通路,接收站一个已调载波通路,卫星通信使用频率,电波应能穿过电离层，传输损耗和外部附加噪声应尽可能小有较宽的可用频带，尽可能增大通信容量较合理的使用无线电频谱，防止各宇宙通信业务之间及与其它地面通
10、信业务之间产生相互干扰通信采用微波频段（300MHz-300GHz）,卫星通信使用频率,C频段（3.4-6.65GHz)Ku频段(10.95-18GHz)Ka频段(18-40GHz)L频段(1.12-2.6GHz)其他频段(UHF,S,X,Q,V),常用工作频段,也有如下的频段划分：UHF（特高频）：0.3-3GHzSHF（超高频）：3-30GHzEHF（极高频）：30-300GHz,另一种频段划分,C波段与Ku波段的比较,C波段 资源较丰富 易受地面干扰 天线口径较大 不受天气影响,Ku 波段 资源较为紧张 不易受到干扰 天线口径较小 在地球站和天线一定时波束较窄 在浓云、密雾、暴雨等恶劣天
11、气情况下，信号损耗较大,星蚀及日凌中断,星蚀： 所有静止卫星在每年春分和秋分前后各23天中，当星下点（卫星与地心连线同地球表面的交点）进入当地时间午夜前后，卫星、地球和太阳共处在一条直线上，卫星进入地球阴影区而造成星蚀；此时一般靠星载蓄电池来供给能源 卫星位置西移1，星蚀开始时间可推迟4分钟，东移1则可提前4分钟,星蚀及日凌中断,日凌中断：在每年春分秋分前后，当卫星星下点进入当地中午前后时，卫星处在太阳和地球中间，天线在对准卫星的同时也会对准太阳，会因接收到强大的太阳热噪声而使通信无法进行，称为日凌中断（每次延续约6天）；月亮也会引起类似问题，但其噪声比太阳小的多，不会造成中断每天出现中断的最
12、长时间与天线口径、工作频率有关,星蚀及日凌中断示意图,位置保持,静止通信卫星会因受地球、月球、太阳及其它星球的引力作用而发生漂移；其中，太阳和月球的引力使静止卫星在南北方向上缓慢漂移，而地心引力的不均匀会导致卫星瞬时速度的起伏，使其在东西方向上漂移。通常卫星上装有用于位置保持的喷气推进器，并备有动力原料，通过地面测控站定期控制推进器的工作，修正卫星的轨道位置，保证其位置精确度在要求范围内。,姿态稳定,静止通信卫星在太空中需要以正确的姿态面队地球并保持稳定，以保证星上定向辐射的通信天线照射到地球上的通信区域，太阳能电池板能良好的采集阳光等。常用的姿态控制方法有自旋稳定三轴稳定,极化（一）,天线的
13、辐射场通常是横电磁波，即没有与传播方向平行的（纵向）电磁场分量；利用直角坐标系可将电场分解为Ex和Ey分量（z为传播方向）； 直线极化波：电场的水平与垂直分量的相位相同或相差180，即合成电场的大小随时间变化，但方向总保持在一直线上； 当电波只含水平（与地面平行）分量时称为水平线极化波；只含垂直分量时称为垂直线极化波。,极化（二）,电场的水平分量和垂直分量振幅相等，但相位相差90或270的称为圆极化波，即电场的大小不变，方向随时间在圆上以射频角速度旋转； 若面向电磁波传去的方向，电磁矢量为顺时针方向旋转，称为右旋极化波；反之，若为逆时针方向传播，则为左旋极化波； 水平与垂直极化波之间，左旋与右
14、旋极化波之间无能量耦合，即极化隔离。,传输时延,一条单跳的卫星通信线路，由发送端到接收端的单程传输时延为：t=上行下行空间传输路径距离和/CC为电波在自由空间的传播速度当卫星为静止卫星时，空间传输距离和最小为35786.6公里，最大为41679.4公里，一般取40000公里的约值单程时延一般取0.27秒，双程取0.54秒,卫星通信技术体制,频分多址（FDMA）时分多址（TDMA）码分多址（CDMA）空分多址（SDMA）,FDMA的基本特征,将卫星转发器的可用射频频带分割成若干互不重叠的部分，再分配给各地球站所要发送的各载波使用FDMA方式中各载波的射频频率不同发送的时间可以重合，但载波占用的频
15、带是彼此严格分开的,频分多址（FDMA）,FDMA转发器图,预分配和按申请分配,预分配：将各种频率预先分给固定的VSAT站使用，各小站可随时使用分配给自己的频率而不需要向主站申请；按申请分配：分主站轮询方式和主站发送呼叫请求方式；前者指主站按顺序查询所有地球站，如有呼叫请求，就从可用频率中分配相应的频系给呼叫站；后者也称为集中控制随机多址接入方式，由主站通过专用数字信令信道发送呼叫请求。,时分多址（TDMA）的基本特征,将卫星转发器的工作时间分割成周期性的互不重叠的时隙（每个时隙也称为分帧，一个周期称为一帧），再分配给各站使用 各站的基带信号低速连续输入并存储在缓冲器里，在分配的时隙里以高速突
16、发形式的脉冲串调制载波后发向卫星 任何时候都只有一个站发出的信号通过转发器，转发器始终处于单载波工作状态,时分多址（TDMA）,TDMA方式示意,P,f,A,B,C,TDMA方式,码分多址（CDMA）的基本特征,各站所发的信号在结构上各不相同并相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间、空间上都可能重叠各站所发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对于某一地址码，只有与之相应的接收机才能检测出信号受基带信号调制的已调波再受地址码调制后频谱宽度会大为扩展,码分多址（CDMA）,空分多址（SDMA）,卫星天线有多个窄波束（又称点波束），分别指向不同区域的地
17、球站，利用波束在空间指向上的差异来区分不同的地球站某区域中一站的上行信号经卫星上的转换开关设备转到另一区域的下行波束上，从而传送到该区域的某站一个通信区域内若有多个地球站，则他们之间的站址识别还要借助FDMA或TDMA,空分多址（SDMA）,各类波束示意图,区域波束,点波束,全球波束,地球,各种多址方式的比较,竞争多址,以随机方式争用信道，又称随机多址；网络内各VSAT根据自己的需要随时向信道发送消息，星形网络的中心站作为接收方收到该消息后以时分复用TDM信道向VSAT发确认信号；若VSAT没有收到确认信号，则意味着发出的消息因受到其它站消息的碰撞而丢失或因误码率太大而丢失，需要重新发送，直到
18、收到主站的确认信息为止。,非时隙ALOHA,又称异步ALOHA或ALOHA，表示消息碰撞的意思ALOHA信道不设置时隙，没有网络同步信号，各VSAT用户可随时向信道发送消息，在发生碰撞时等待随机的延时后再次发送遭碰撞的消息只能提供较低的吞吐量和信道利用率（一般为0.18）低入网时延，运行可靠，设备较简单,时隙ALOHA,限制VSAT的消息以固定的长度在时隙内有严格启始和结束的时间发送，只有在两个消息在完全相同的时隙内发送时才会发生碰撞其最大吞吐量比非时隙ALOHA大一倍，但因为时隙ALOHA需要划分时隙和配置同步系统，增加了设备和网络运行的复杂程度，抵消了部分最大吞吐量改善的效果其延时特定与非
19、时隙ALOHA类似，特别适用于固定长度业务量模型的网络,采用TDMA预约的DAMA,信道的帧格式由预约和消息的传输区间组成，在每一帧中都安排有分配给每个VSAT的短预约时隙，VSAT可通过该预约时隙申请一个或更多消息数据时隙；在星形网络中，中心站接收预约时隙后通过TDMA广播信道将分配信息送回VSAT站因为卫星的传播时延和TDMA帧结构的安排，这种方式需要0.6到0.7秒的等待时延，限制了所能支持的最大工作站数,采用时隙ALOHA预约的DAMA,DAMA/TDMA适用于大数据业务量的VSAT使用，特别是消息长度可变的情况；但因为保护时间和安排捕获前置码，吞吐量很难高于0.5-0.6DAMA/时
20、隙ALOHA方式的预约消息采用竞争多址的方式替代TDMA固定分配方式，可使预约的开销同实际支持的站数无关，从而使DAMA系统支持大量的VSAT站工作，具有良好的性能和处理混合交互/文件传递业务的能力,功率和带宽受限信道,VSAT系统一般由大量的远端VSAT站共享卫星转发器的信道资源，使用小尺寸天线的VSAT站由于其全向辐射有效功率（EIRP）较低，占用卫星信道的功率就较大，是一种典型的功率受限系统VSAT站一般传输的入境数据速率较低，因此大多分配给它的带宽较窄，为了使大量VSAT站能有效的共享卫星信道，一般而言它也是一种带宽受限的系统,差错控制编码,差错控制编码的基本做法为：在发送端被传输的信
21、息序列上附加一些监督码元，这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互约束，接收端按按即定的规则检验信息码元与监督码元的关系，一旦传输过程中发生差错，则信息码元与监督码元之间的关系受到破坏，从而发现甚至纠正错误常用的差错控制方式有三中：检错重发（简称ARQ），前向纠错（简称FEC）和混合纠错（简称HEC）,里德-所罗门码,Reed-Solomon，R-S，是为纠正突发错误而设计的编码；不直接对比特进行编码，而是先将比特分组组成符号，再将符号编成数据字和码字；影响一组比特的错误通常只影响一个符号，故R-S码非常适合于纠正突发错误符号在 RS码中，输入信号分成km比特一组，每组包括k个符号，每
22、个符号由m个比特组成，而不是前面所述的二进制码由一个比特组成,卷积码,编码器中有一个位移寄存器，它实现对输入数据的临时存储和位移，而异或门则对位移寄存器中的数据进行编码并输出通常，k个数据比特立即进入位移寄存器，并产生n比特的编码输出；实际中常见的情况是k=1，n=2，码率为1/2初始状态下，寄存器中的二进制数均为0，输入数据以Rb连续输入，寄存器以同样的速率进行位移，随着数据不断输入，最右边存储器的数据不断移出，内部始终保持3比特数据,TPC,叠代循环编码和解码 TPC的优点 在给定的功率电平下，具有很好的BER性能。 相对所罗门编码，具有1.8dB性能改进 相对所罗门编码，时延更小,性能比较,未来卫星通信的应用定位,充分利用卫星通信特点，顺应最新通信潮流，与地面网优势互补 覆盖面大：是海上、边远地区和野外的主要通信手段 广播特性：适于电视直播、信息覆盖分发等业务 灵活便捷：用于应急通信，移动通信，备份线路等 直达特性：解决“最后一公里”,
