卫星通信导论上课课件-第6章 卫星移动通信系统1.ppt

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 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 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 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 s1 s1 和 s2 s2 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 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 0 E 20 N 卫星B的位置为 50 E 15 S 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 max 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 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 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 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 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 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 max和最长的星际链路距离Dsmax 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 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 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 与卫星有效载荷相关的特殊呼叫控制功能也能够由卫星控制中心来完成 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 32 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 33 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 34 卫星移动通信系统频率规划续1 WARC 87分配的MSS频谱 35 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 36 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 37 卫星移动通信系统频率规划续4 WRC 2000在卫星移动通信和GEOFSS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1610 1626 5 2483 5 2500MHz频段 关于在1 3GHz频段 会议决定开展包括可能用于MSS的1518 1525MHz 1683 1690MHz频段与现有业务的共用研究 为MSS频率的划分做准备 关于NGEOFSS的问题 1 为保护GEOFSS和GEOBSS 静止卫星广播业务 系统对来自多个NGEOFSS系统的总干扰不超过规定要求 操作NGEOFSS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 NGEOFSS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 2 12 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 38 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 39 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5 8年 40 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600km 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 41 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 42 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了系统内ISL的卫星移动通信系统 43 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 44 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 45 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 35 1626 5MHz 时分双工模式 馈送链路 Ka频段 上行29 1 29 4GHz 下行19 3 19 6GHz 星际链路 Ka频段 为23 18 23 38GHz 46 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11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 47 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 48 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 49 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 50 典型卫星移动通信系统介绍续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 51 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 52 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 0 1625 5MHz S频段频率为2483 5 2500 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 53 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5091 5250MHz 带宽159MHz 下行频率为6875 7055MHz 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 54 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 55 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 LockheedMartin 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 56 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LockheedMartin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 57 典型卫星移动通信系统介绍续19 Garuda 1卫星的覆盖特性 58 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手持机 59 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 60 典型卫星移动通信系统介绍续22 Thura