1、第6章 卫星移动通信系统,2,6.3 非静止轨道卫星星座,卫星星座定义：具有相似类型和功能的多颗卫星，分布在相似的或互补的轨道上，在共享控制下协同完成一定的任务。卫星星座的提出：使用卫星星座来为全球主要地区提供无线通信服务的思想可以追溯到1945年，Clarke在无线世界（Wireless World）上发表的论文中提出采用3颗静止轨道卫星为赤道区域提供连续覆盖。,3,6.3 非静止轨道卫星星座,现在，已经提出了很多的低轨（LEO）、中轨（MEO）、和高椭圆轨道（HEO）星座，这些星座能过提供对全球区域或特定目标区域的连续覆盖。已经成功运行的低轨卫星星座有铱（Iridium）系统和“全球通”（
2、Globalstar），它们分别提供全球覆盖和对南北纬70之间区域的连续覆盖。,4,6.3.1 星座设计时的基本考虑,在卫星星座的设计中，首先考虑的问题是以最少数量的卫星实现对指定区域的覆盖。如前所述，在给定了最低用户仰角的情况下，轨道高度成为影响单颗卫星覆盖区域大小的唯一因素。虽然单颗的静止轨道卫星能够提供大范围的连续覆盖，但是卫星移动通信系统还是倾向于采用非静止轨道星座。,5,6.3.1 星座设计时的基本考虑,通常，卫星星座的选择会基于以下的一些因素： 用户仰角应尽可能大。大仰角对卫星移动业务而言是特别重要的。随着仰角的增大，多径和遮蔽问题将得到缓解，使得通信链路的质量得到提高。当然，我们
3、必须在仰角特性和卫星的覆盖尺度特性上取得折中，毕竟大仰角意味着小的覆盖半径，也就意味着需要更多的卫星。,6,6.3.1 星座设计时的基本考虑,信号的传输延时应尽可能低。低延时对实施通信服务（话音、视频会议等）是至关重要的，这也从很大程度上限制了移动卫星通信的轨道高度选择。 卫星有效载荷的能量消耗要尽可能低。毕竟卫星只能依靠太阳能电池板和蓄电池提供能量。,7,6.3.1 星座设计时的基本考虑,如果系统采用星际链路，则面内和面间的星际链路干扰必须限制在可以接受的范围内。这给星座轨道的分布间隔提出了一定的要求。通常，对一个最佳卫星星座而言，最高效的轨道平面是那些卫星在面内均匀分布的平面，而同时这些轨
4、道平面的升交点应在赤道平面内等间隔分布。此时，星座中总的卫星数量为N=P*S，其中，P是轨道面数量，S是每轨道面内的卫星数量。,8,6.3.1 星座设计时的基本考虑,星座设计时的另外一个需要考虑的是对覆盖区的多重覆盖问题。多重覆盖能够提升系统的物理抗毁性，支持信号的分集接受，对支持特定的应用和提供有保障的服务是很重要的。,9,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ij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ji的公式,10
5、,卫星星际链路 续7,星际链路性能随轨道高度的变化,11,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。,12,卫星星际链路 续9,星际链路性能随轨道倾角的变化,13,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
6、踪性能的要求增加。,14,卫星星际链路 续11,星际链路性能与升交点经度差的关系,15,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,16,卫星星际链路 续13,星际链路性能与初始辐角差的关系,17,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
7、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。,18,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,19,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max和最长的星际链路距离Dsmax,20,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,21,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,22,卫星移
8、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。,23,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
9、传输延时。,24,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。,25,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-Orbit Links）与静止轨道数据中继卫星互连。移动用户间的呼叫传输延
10、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。,26,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。,27,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
11、（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,28,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,29,卫星移动通信系统网络结构 续9,系统地面段网
12、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,30,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。与卫星有效载荷相关的特殊呼叫控制功能也能够由卫星控制
13、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,31,卫星移动通信系统网络结构 续11,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,32,卫星移动通信系统频率规划,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
14、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,33,卫星移动通信系统频率规划 续1,WARC-87分配的MSS频谱,34,卫星移动通信系统 频率规划 续2,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,35,卫星移动通信系统频率规划 续3,WRC-95考虑了C、Ku和Ka多个频段。并对Ka频段的卫星移动通信馈送链路频段和NGEO的FSS（固定卫星业务）频段进行了分配 若干大LEO和MEO系统的用户业务和馈送链路频段如下表,36,卫星移动
15、通信系统频率规划 续4,WRC-2000在卫星移动通信和GEO FSS方面频率规划包括 关于IMT-2000卫星部分的问题，会议充分考虑到IMT-2000卫星应用与其他非IMT-2000的业务间共用性研究没有完成，因此决定由各国主管部门自愿考虑使用这些频段，其中包括16101626.5/2483.52500MHz频段 关于在13GHz频段，会议决定开展包括可能用于MSS的15181525MHz、16831690MHz频段与现有业务的共用研究，为MSS频率的划分做准备关于NGEO FSS的问题：1）为保护GEO FSS和GEO BSS（静止卫星广播业务）系统对来自多个NGEO FSS系统的总干扰
16、不超过规定要求，操作NGEO FSS的主管部门应采取相应措施（包括对自身系统的修改）。当其总干扰超过规定标准时，NGEO FSS系统主管部门应采取一切必要手段减少总的干扰电平，直至达到要求为止。2）原划分给FSS的12.212.5GHz频段，规定其只能用于国内或区域性子系统的限制被取消,37,典型卫星移动通信系统介绍,铱（Iridium）系统 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
17、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,38,典型卫星移动通信系统介绍 续1,铱系统空间段 铱系统星座最初的设计由77颗LEO卫星组成，它与铱元素的77个电子围绕原子核运行类似，系统因此得名 实际星座包括66颗卫星，它们分布在6个圆形的、倾角86.4的近极轨道平面上，面间间隔27，轨道高度780km 每个轨道平面上均匀分布11颗卫星，每颗卫星的重量为689kg，卫星设计寿命58年。,39,典型卫星移动通信系统介绍 续2,铱系统空间段 “铱”星座中的每颗卫星提供48个点波束，在地面形成48个蜂窝小区，在最小仰角8.2的情况下，每个小区直径为600
18、km，每颗卫星的覆盖区直径约4700km，星座对全球地面形成无缝蜂窝覆盖，如图所示 每颗卫星的一个点波束支持80个信道，单颗卫星可提供3840个信道,40,典型卫星移动通信系统介绍 续3,铱系统空间段部署过程 从1997年5月5日到1999年6月12日的2年期间，共有88颗铱系统卫星发射到轨道中，其中前1年发射了72颗 3种运载火箭被用于发射这88颗卫星，其中11枚美国波音公司的德尔塔2型（DeltaII）火箭发射了55颗，3枚俄罗斯质子（Proton）火箭发射了21颗，7枚中国的长征2型（2C/SD）火箭发射了14颗。,41,典型卫星移动通信系统介绍 续4,铱系统空间段 铱系统是目前唯一使用
19、了系统内ISL的卫星移动通信系统,42,典型卫星移动通信系统介绍 续5,铱系统地面段 铱系统的地面段包括信关站、用户终端和遥测、跟踪和控制站（TT&C） 由于铱系统采用了星际链路，因此只需在全球设置少数几个信关站即可。考虑到国家和地区的主权和经济利益，实际上系统按照国家和地域差别在全球设置了共12个信关站，分别位于美国阿利桑那州坦佩、泰国的曼谷、俄罗斯的莫斯科、日本东京、韩国汉城、巴西里约热内卢、意大利罗马、印度孟买、中国北京、台湾地区台北、沙特的吉达，外加一个美军专用关口站在夏威夷。,43,典型卫星移动通信系统介绍 续6,铱系统地面段 用户终端有手持机、车载台和半固定终端3种类型。系统手持机
20、设计为双模终端，手机重量和体积比目前蜂窝电话略大，能够支持地面蜂窝通信网络的多种标准（如GSM、PDC，D-AMPS或CDMA），既适用于铱系统，又适用于本地地面蜂窝网络。,44,典型卫星移动通信系统介绍 续7,铱系统通信链路 用户链路，L频段，1621.351626.5MHz，时分双工模式； 馈送链路，Ka频段，上行29.129.4GHz；下行19.319.6GHz； 星际链路，Ka频段，为23.1823.38GHz。,45,典型卫星移动通信系统介绍 续8,全球星（Globalstar）系统 全球星系统由美国劳拉空间和通信公司和Qualcomm公司提出，与铱系统提出的时间差不多 1996年1
21、1月，全球星系统获得了美国联邦通信委员会颁发的运营证书 全球星系统是以支持话音业务为主的全球低轨卫星移动通信系统，总投资逾26亿美元 系统没有采用星际链路，系统用户将通过卫星链路接入地面公用网，在地面网的支持下实现全球卫星移动通信,46,典型卫星移动通信系统介绍 续9,全球星系统结构 空间段 地面段 用户段,47,典型卫星移动通信系统介绍 续10,全球星空间段 采用倾斜轨道星座，包括48颗卫星 均匀分布在8个倾角52的轨道平面上 轨道高度1414公里相邻轨道相邻卫星间的相位差7.5,48,典型卫星移动通信系统介绍 续11,全球星系统卫星瞬时的分布和对地覆盖情况,49,典型卫星移动通信系统介绍
22、续12,全球星系统空间段部署过程 全球星系统从1998年5月第一次发射4颗卫星开始，到2000年初共发射了48颗工作卫星和4颗备用卫星入轨 1999年9月，全球星系统经历了一次灾难性的发射，这次发射失败共导致系统损失了12颗卫星，因而也推迟了系统的运营开始时间 有两种运载火箭被用于发射这52颗卫星，其中7枚波音公司的德尔塔2型（DeltaII）火箭发射了28颗，6枚SoyuzIkar火箭发射了24颗,50,典型卫星移动通信系统介绍 续13,全球星用户链路特性 全球星卫星的L/S频段天线为有源相控阵天线，在地面形成16个点波束覆盖区，如下图所示 用户链路采用FDD双工方式：上行L频段，下行S频段
23、,51,典型卫星移动通信系统介绍 续14,全球星用户链路特性 全球星系统使用的L频段频率为1610.01625.5MHz；S频段频率为2483.52500.0MHz。每个频段的16.5MHz带宽被分为13个1.23MHz的频分子信道，如下图所示,52,典型卫星移动通信系统介绍 续15,全球星馈送链路特性 全球星系统的馈送链路采用C频段，上行频率为50915250MHz，带宽159MHz；下行频率为68757055MHz，带宽180MHz C频段天线采用宽波束覆盖，地面信关站使用抛物面天线跟踪卫星 上行和下行频段均按频分复用方式划分出9个子信道，最低频率的子信道分别用作命令和遥测信道，其余的8个
24、通过正交极化（左旋和右旋圆极化）分割产生16个子信道，对应16个用户点波束,53,典型卫星移动通信系统介绍 续16,全球星馈送链路与点波束的频率对应方案,54,典型卫星移动通信系统介绍 续17,亚洲蜂窝卫星通信系统ACeS 由印度尼西亚的PSN公司、美国洛克希德-马丁（Lockheed Martin）全球通信公司、菲律宾长途电话公司(PLDT)和泰国Jasmine公司共同组建的合股公司 ACeS系统的目标是利用静止轨道卫星为亚洲范围内的国家提供区域性的卫星移动通信业务，包括数字语音、传真、短消息和数据传输服务，并实现与地面公用电话交换网PSTN和地面移动通信网PLMN（GSM网络）的无缝链接,
25、55,典型卫星移动通信系统介绍 续18,亚洲蜂窝卫星通信系统ACeS ACeS系统的第一颗卫星Garuda-1于2000年2月发射，定位于东经123上空 Garuda-1卫星由美国Lockheed Martin公司制造，使用该公司的A2100AX卫星共用舱 Garuda-1卫星的星载伞装赋形天线直径为12米，具有140个点波束，在地面产生140个宏小区，覆盖亚洲24个国家和地区，覆盖面积超过2850万平方公里，覆盖区人口超过30亿,56,典型卫星移动通信系统介绍 续19,Garuda-1卫星的覆盖特性,57,典型卫星移动通信系统介绍 续20,ACeS的地面设备,信关站天线 Ericsson手持
26、机,58,典型卫星移动通信系统介绍 续21,ACeS通信链路 用户链路使用L频段：上行1626.5-1660.5MHz，下行1525.0-1559.0MHz；上行用户信道带宽50kHz，采用GMSK调制方式和FDD/TDMA/FDMA多址接入方式 馈送链路采用C频段，上行6.425-6.725GHz，下行3.400-3.700GHz；上行用户信道带宽200KHz，采用OQPSK调制方式和FDD/TDMA/FDMA多址接入方式,59,典型卫星移动通信系统介绍 续22,Thuraya系统 Thuraya公司1997年在阿联酋创立，是一个私营股份制公司，目前共有21个股东，主要是一些国家的主要电信业
27、务提供商和国际投资机构，系统的总投资为11亿美元 Thuraya系统提供区域性的卫星移动通信业务，支持包括语音、传真、短消息、数据传输和GPS定位服务 Thuraya系统的空间段计划由3颗地球同步轨道卫星组成，每颗卫星均装配高功率多点波束天线和移动通信有效载荷,60,典型卫星移动通信系统介绍 续23,Thuraya系统空间段 卫星Thuraya-1和Thuraya-2已分别于2000年10月21和2003年6月发射入轨，分别定位于东经28.5和44，轨道倾角为6.3 Thuraya系统目前的覆盖区域包括欧洲决大部分地区、中东、北部和中部非洲、西亚、中亚和南亚的共110个国家和地区，覆盖区人口数
28、超过23亿,61,典型卫星移动通信系统介绍 续24,Thuraya系统卫星 Thuraya-1卫星装配有TRW公司新型的直径为12.25米的L频段孔径收发天线，结合波音公司的星上数字信号处理器，形成动态相控阵天线，产生250-300个在轨可重定向的点波束来形成覆盖区域内的宏小区 极限情况下，Thuraya-1卫星可以将总功率的20%分配给单个的点波束，产生热点（hot spot）波束 Thuraya-2由美国波音公司制造，采用和Thuraya-1相同的技术，但比Thuraya-1增加了10%的星上电能储备和40%的通信容量，使得Thuraya-2有更长的使用寿命和更大的系统容量,62,典型卫星移动通信系统介绍 续25,Thuraya系统通信体制 Thuraya系统采用FDD/TDMA/FDMA接入方式，采用QPSK调制技术，系统阻塞率低于2 用户链路采用L频段，上行频带1626.5-1660.5MHz，下行1525.0-1559.0MHz 馈送链路采用C频段，上行6425.0-6725.0MHz，下行3400.0-3625.0MHz,63,结 束 ！,
