卫星通信网络设计与链路计算常江PPT课件.ppt

1 常江南京通信工程学院 卫星通信网络设计与链路计算 2 内容概要 1卫星网络设计1 1卫星通信网络基本拓扑结构1 2卫星通信网设计流程1 2 1需求分析与业务量预计1 2 2网络结构选择与容量计算1 2 3设备及卫星资源选择考虑1 3卫星通信网工程设计1 3 1规划网络框架1 3 2根据网络结构 容量及用户使用要求选择多址方式和载波速率1 3 3与公用网及专用网接口设计 3 内容概要 2链路计算2 1卫星链路计算中的基本参数与干扰2 1 1链路计算中的基本参数2 1 2链路中的噪声与损耗2 2卫星链路计算的任务与方法2 3链路计算举例 4 1卫星网络设计 5 1 1卫星通信网络基本拓扑结构 1 1 1星状网远端站仅与中央站间存在物理信道 远端站间不能通过卫星直接通信 远端站间信息的传输需中央站转接 中央站价格昂贵 功能复杂 天线口径大 远端站简单 廉价 天线口径较小 6 星状网的优点远端站更小 更便宜 易于安装网络投资集中于中央站 后期的网络扩容投资相对较小星状网的缺点中央站价格昂贵中央站是全网信息交换中心 若发生故障 则全网无法工作 因此其健壮性 Robustness 不如网状网远端站间通信需要双跳 时延长 且两次占用卫星信道 降低了信道利用率什么样的业务适合星状网业务主要存在于中央站 远端站方向 远端站间业务量较小典型系统 GilatSkybridgeDVB RCS ViaSatLinkStar 7 1 1 2网状网远端站间可建立直接的物理信道 由于远端站要与远端站直接通信 因此其天线口径较星状网远端站大 中央站不进行远端站信息的交换 功能相对星状网简单 8 网状网优点中央站价格较低或无专门中央站远端站端对端信号传输只需单跳远端站间的信息不需在中央站交换 系统健壮性较好网内存在大量远端站间信息时 信道利用率较星状网高网状网缺点远端站设备较复杂 价格相对星状网较高 天线口径较大什么样的业务适合网状网电话 多媒体或点对点数据典型系统 ViaSatLinkWay DAMATDMA ViaSatSkyLinx DAMASCPC 9 1 1 3混合网业务信道的组织按星状网或网状网实现不同业务信道按不同方式组织 10 1 2卫星通信网设计流程 卫星通信网总体技术方案应包括的技术资料信息产业部 建设卫星通信网和设置使用地球站的管理规定 的要求包括网络的一般特性工作频段及卫星空间电台特性载波参数地球站特性传输链路计算 业务需求和功能 组网方式 网络规模 技术体制 拟使用的上 下行频率范围 拟使用的卫星空间电台名称 轨道位置 相关转发器的编号 类别 极化和带宽 相关发射 接收波束的天线增益等值线图 卫星接收系统噪声温度 相关转发器的饱和等效全向辐射功率 EIRPS 图或表 接收系统品质因素 G T 图或表 饱和通量密度 SFD 图或表 输入补偿 BOi 输出补偿 BOo 每个载波的发射类别 必要带宽及拟使用的上 下行频率 每个载波的上 下行功率及功率密度 载波频率规划示意图 适用于多载波工作情况 载波正常接收所要求的C N值 主站技术参数 远端站 典型 技术参数 包括地理位置 高功放饱和输出功率 所要求的实际发射功率 天线类型及口径 发射及接收天线增益 旁瓣特性 接收系统噪声温度 主站每个载波所需的上行EIRP及发射功率 全部载波所需的发射功率 远端站 典型 每个载波所需的上行EIRP及发射功率 全部载波所需的发射功率 所占用的转发器EIRP和带宽 11 1 2 1用户需求分析依据用户总的业务特点 确定卫星网络的拓扑结构依据选定的网络结构 考查各厂家的设备 确定具体设备根据选定设备的特点 设计实现用户要求的各种业务的方案 12 例1业务种类 话音为主 兼传低速数据要求 通话阻塞率低 系统可扩容 存在许多特殊业务需求 如会议电话 双向远程电教 文件传真 电传 电报 数据广播等业务特点 中央节点与子节点业务量大 各子节点间存在一定的业务量 但业务量不大 承载低速数据业务 主要为文件传输 13 例1分析话音业务最适合的网络形式是网状网 考虑到数据业务均为批量业务 可用电路交换方式处理 所以选定网状网络为基本结构 由于中央站至小站的数据 话音业务量较多 因此中央站应具有较高的业务处理能力 数据传输方式 由于其业务量较小 因此而在网络成本上作较大提高并不值得 所以考虑的重点在于 实现 而不在于 高效 可以专用DCU方式或话带数据方式 拨号数据方式 实现 14 例2业务类型 Internet接入 多媒体流广 点 播 远程教育要求 中央节点完成全网的对外接口及信息源的组织 远端站包括单收站及双向站业务特点 宽带 高可靠性 降低用户设备成本 易于扩容 15 例2分析该系统主要业务集中于中央节点与分支节点间 带宽要求较高外向 中央至分支 业务量远大于入向 分支至中央 现有的标准化设备的引入将大大降低设备成本数据源的组织与采集可能需要部分分支节点具有较高的入向信息速率综上 采用基于DVB S作为外向信号传输方式较为合适 入向可根据用户需要及可承受的成本采用地面回传或卫星回传 DVB RCS 方式 部分小站入向速率应答到2Mbps 在系统的中央站 应配置大容量的信息交换 处理设备 16 用户所需各种数字业务对信道质量的要求 BER话音 一般要求延时应不大于静止卫星单跳时延 270ms 信道误码率约为10 3时可正常通信 与语音编码方式有关 误码后果 噪声或语音失真视频 MPEG 2视频在BER 10 6时出现可感觉的质量下降 BER 10 8时可达理想效果误码效果 马赛克效果数据 一般要求BER 10 5 10 6 由于一般数据业务有链路层及运输层通过重传进行差错控制 所以对于如文件传输等非实时性业务 最终可实现极低的差错率 而对于以数据方式传输的实时业务 VOIP或视频 无法通过重传降低BER 且由于数据包出现错误时将引起整包的丢失 从而使BER增加 因此 此方式传输的实时业务时 对信道要求更低的误码率 误码效果 数据包被丢弃 引发重传 或数据丢失 对于以数据方式传输的话音业务与视频业务则引起音质或图像质量下降 17 1 2 2业务量的估算业务量是进行网络结构规划 多址方式选择 各载波信息速率与卫星带宽预算 地球站配置参数的基础数据量 包括单位时间网络总的数据流量及单个地球站的数据流量话务量 包括网络总的话务量及单个地球站的话务量 18 数据量的估算数据量估算的必要性当系统所能负担的数据流量小于实际数据流量时 会导致传输时延的增加 从而使网络指标下降 数据量的不对称性数据的突发性与统计特点 19 基本数据业务对网络吞吐量的要求 20 数据量与带宽估算举例 IP数据速率 8615 059kbps传输方式 DVB S 路由器 IPE ASI MUX PCR插入 RS码 204 188 3 4FEC QPSK Mod 65kbps 1 25 125kbps 8615 059kbps 100kbps 204 188 4 3 8000kSps 滚降系数 0 35 于是得到带宽为10800kHz FSH 10768 82375kbps 10833 82375kbps 10958 82375kbps 11058 82375kbps 16000kbps 21 话务量估算话务量估算的必要性当实际话务量超过设计允许值时 呼损率将提高 导致服务质量的下降话务量的计算方法根据话务量 计算卫星信道数目 地球站提供的话音接口数目 或对于VoIP 预算关守处理能力以及语音信息占用的数据速率 22 BHCA BusyHourCallAttempt 忙时呼叫尝试话务量 一个忙时系统内话路占用的平均时间 为系统平均呼叫次数与呼叫平均持续时间之积 单位为欧兰 Erlang 电信级运营商长途话路每线参考负荷BHCA为28次 平均呼叫持续时间为90秒 即参考话务量为0 7欧兰 28 90 3600 不同应用场合下 实际BHCA和平均呼叫持续时间会不同 如电信网中的VoIP业务 由于其价格便宜 因而平均呼叫持续时间会大于一般电信话路情况 而专用网应用中 可能会更长 23 话务量与阻塞率的关系 欧兰公式与欧兰表欧兰公式A 话务量N 信道数或中继线数B 阻塞率欧兰表 24 传统电路交换方式PSTN与VoIP方式的比较 网站上有在线话务量计算器以及VoIP话路与数据流量计算器1路IP电话占用带宽为十几至几十kbps不等 视编码方式和传输方式而定 25 1 2 3设备与卫星资源的选择通信设备选择依据 主要业务对于多址技术 组网方式的要求辅助业务的实现可能性网络管理功能是否附合要求设备提供的接口是否满足要求系统扩容是否方便通信卫星的选择依据 卫星的EIRP与G T覆盖 以及由此而确定的终端天线口径 发射功放输出等参数是否附合用户要求 是否有利于降低设备成本卫星对各个设站地点的仰角 26 1 3卫星通信网工程设计 多址方式 载波速率的选择不同多址方式适合的业务类型TDMA 中 高速综合业务DAMA SCPC 稀路由 多方向 低容量 话音业务TDM TDMA 低 中 高速点对多点数据业务载波速率选择数据业务 依据业务种类及流量进行选择话音业务 PCM 64kbps ADPCM CVSD 32kbps 声码话 2 4 16kbps 27 网络框架的规划系统框架根据用户要求 确定地球站的地点与种类根据业务特点 确定地球站的组网方式确定卫星网与其他网络的互联关系网络管理功能卫星站配置与外部设备 网络的接口与业务量 卫星链路相关的软 硬件配置卫星带宽占用情况预算信道数目 信道带宽所决定的卫星带宽占用的卫星功率 EIRP 28 与公用网 专用网的接口数据网的接口类型OSI七层协议模型OSI模型中与通信相关的只有低4层协议 因此在考虑接口时 应考虑低4层的兼容性各层协议举例 物理层 RS 232 V 35 RS 422 USB 10Base T 100Base T数据链路层 HDLC PPP 802 3网络层 IP IPX运输层 TCP UDP SPX卫星链路长延时对通信协议的影响 协议哄骗 技术 物理层 数据链路层 网络层 运输层 会话层 表示层 应用层 OSI模型 与通信网设计相关 29 与公用网 专用网的接口电话网的接口类型模拟接口 FXS FXO接口 E M接口数字接口 E1接口 30 2链路计算 31 2 1卫星链路计算中的有关参数 天线的增益与波束宽度有效全向辐射功率自由空间传输损耗转发器的工作点噪声与损耗 32 天线的增益与波束宽度 天线的增益 对于微波天线 波束宽度 所谓半功率角是指主叶瓣上场强为主射方向场强的1 2 0 707时 即功率下降1 2时 两个方向间的夹角 33 计算举例 计算 直径3米 效率为65 的卡塞格伦天线 在6GHz频率下的增益与半功率角 若直径改为10米 其它条件不变 计算上述二值工作频率改为14GHz 重新计算3米天线的上述两个参数 解 当3米天线采用14GHz作为工作频率时 34 通信距离方程 在接收点的功率密度 单位面积上的功率 为 于是接收天线收到的功率为 35 自由空间传输损耗Lf 自由空间传输损耗 GT GR L 发送点 PT 接收点 PR 式 一般性地描述通信线路中信号的传输 称之为 通信距离方程 代入 可得 将Lf定义为自由空间传输损耗 物理解释 由于电磁波在自由空间无方向性地辐射 使得只有少部分信号被接收点收到 而其他大部分无法被收到的能量即视为损耗 36 有效全向辐射功率EIRP 若考虑馈线损耗 则 物理解释 在接收点进行测量时 将PT功率送入增益为GT 最大辐射方向指向接收点的发射天线时所测得的结果与将PTGT功率送入无方向性发射天线时所测得的结果是相同的 37 Lf计算举例 计算卫星C波段上行链中的Lf 若不以dB形式表示 则为1020数量级 38 转发器的工作参数 工作点输入补偿输出补偿多载波与单载波工作时的输出功率 39 饱和通量密度 为使卫星转发器单载波饱和工作 在其接收天线的单位有效面积上应输入的功率 一般以W或SFD表示 PR 即 40 转发器的增益调整 FCA FluxControlAttenuator 通量衰减控制器 HPA FCA 可变增益放大器 总输入功率 dBW 总输出功率 dBW FCA 0 FCA 0 41 接收系统的G T值 接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度的比值称为地球站的G T值 也称性能因数或品质因数 Figureofmerit 实际接收机 计算系统噪声温度的参考点 实际天线 T 无噪声接收机 无噪声天线 噪声源 等效图中的噪声源是将天线 接收机的所有噪声全部集中起来的等效 其中 天线的噪声包括了天线本身的热噪声以及天线从外部接收的噪声 所以此噪声源可以理解为是整个接收线路上噪声的集中等效 42 噪声与损耗 噪声 干扰热噪声互调噪声共信道干扰交叉极化噪声邻星 邻站干扰邻道干扰 43 热噪声 由传输媒质中带电粒子随机运动而产生的 R Rin R Rin 其中 k为玻耳兹曼常数 1 38054 10 23J KT为电阻R的绝对温度 44 热噪声的等效带宽 R Rin 无噪声线性网络 N 其中B即为等效噪声带宽 45 等效噪声温度 R 有噪声线性网络 N R 无噪声线性网络 N k T Te Te即为网络的等效噪声温度 进一步可得到输出端的信号与噪声功率比S N 46 R 有噪声线性网络 N Si Ni S N Ti T0 噪声系数 NoiseFigure 一个电阻与线性网络匹配连接 当该电阻处于室温T0条件下 输入信噪比与输出信噪比的比值称为噪声系数 室温T0定为290K 通常以F或NF表示 47 减小互调噪声的方法是使得转发器的工作点靠近线性区 但这将使转发器的发射功率不足 一般用于频带受限系统 另一种方法是使各个载波按不等间隔排列 即力求产生的互调产物不会落在有用信号的频带内 这将使转发器的频带得不到充分利用 一般用于功率受限系统 互调噪声 48 共信道干扰CCI Co ChannelInterference 共信道干扰以隔离度表示 即有用信号的功率与干扰的功率之比 49 交叉极化干扰XPI CPI 收发天线极化隔离不理想传输中由雨滴引入的极化方向改变电磁法穿过地球磁场引入的法拉第效应 X Y 扁平状雨滴 原始极化方向 经雨滴后极化发生改变 同极化分量 交叉极化分量 极化鉴别度XPD 通常要求即使在降雨期间 XPD 不低于20dB 50 邻星干扰 ASI 上行链路 来自相邻卫星系统卫星站发送信号的干扰下行链路 来自相邻卫星的下行链路信号的干扰 51 与地面微波中继系统间的干扰 4GHz 6GHz 6 4GHz 4GHz 6GHz 4GHz中继站 6GHz中继站 卫星地球站 52 邻道干扰ACI 产生原因有以下两个 相邻信道间隔过小和滤波不完全工作频带相近的其他站的寄生发射 53 损耗 除了自由空间传输损耗外 还存在着下列损耗大气损耗 大气层对信号的吸收与散射雨衰 雨滴对电磁波的吸收大气折射引起的损耗 由大气层对电磁波折射率不均匀引起天线方向跟踪误差损耗 由星体漂移 天线跟踪精度不够及大气折射等原因引起极化误差损耗多径衰落电离层闪烁 由电离层的不均匀性及时变性引起的信号振幅 相位 极化等参数的不规则变化 54 雨衰雨衰是降雨率的函数 降雨率是指某地区雨水蓄积的速度 以mm h为单位 某一地区的降雨情况一般描述为 降雨率超过Rpmm h的时间比率为p 由Rp可得到单位传输距离上由降雨引入的衰减其中a和b两参数与频率及极化方式有关 55 a b数值参下表 由表中数据可见 频率越高的电磁波所遭受的雨衰越大 56 上行链路中雨衰的克服 发送站采用上行功率控制或选择较大余量的功放 下行链路中雨衰的克服 降雨备余量 左图为使用SatMaster得到的位于雨区N的某地Ku频段下行链路可用度与雨衰的关系 由图中可见 对链路要求的可用度越高 则进行链路设计时要使用的雨衰预算值越大 57 2 2 线路计算的任务与方法 卫星线路计算的任务 已知转发器及地球站的参数 计算地球站能得到的载噪比以及相应的发射EIRP 用于对线路进行评估 已知转发器及接收机的基本参数 确定地球站的天线尺寸 发射功率等 用于对设备配置进行估算 58 一般线路计算中主要是对地球站天线尺寸 发射功放 占用的卫星功率及链路可用度进行优化设计 天线口径小 则天线及其基座的造价便宜 安装方便 但对HPA输出功率 卫星EIRP 抗雨衰等问题带来不利影响 HPA通常按发射功率分为几种规格 HPA的发射功率增大一级 其价格增加较多 而减小发射功率又会导致天线增大转发器租费是按占用卫星转发器功率或频率百分比来计算的 按二者间最大者计 故优化后这两个百分比应基本相同 其中占用的带宽主要取决于用户通信量 而占用卫星功率则取决于接收天线口径 链路可用度主要是指抗雨衰能力 可用度越高 则下雨时通信越不易中断 但这就要求系统中有较大的降雨备余量 即较大的天线及发射功率 59 线路计算方法 计算系统总的载噪比 接收机入口处 以此为基础对其他参数进行计算 可见 C T C n0 C N是对应关系 其中k 1 38054x10 23 60 线路计算方法 续 图中b点处 即 式中各量均为b点处的值 61 线路计算方法 续 实际上b点处的 和 与a点处的 和 相等 b点处的 与c点处的 a点载波功率为C1 c点载波功率为C2 b点载波功率为C 相等 62 线路计算方法 续 因此在计算中下式中各参量按如下方法计算 转发器入口处 接收机入口处 转发器入口处 接收机入口处 转发器出口处 63 上行链路C T的计算 转发器 参考点 1 单载波饱和工作 用dB形式表示即为 64 上行链路C T的计算 续 另一种方法 以dB形式表示即为 由于 所以前者又称为 单位面积天线增益 65 上行链路C T的计算 续 2 多载波工作时整个转发器的C T 另一种方法为 66 上行链路C T的计算 续 3 多载波工作时某一载波单独的C T 分配因子的定义 其含义即为卫星转发器上某一载波的输出功率或EIRP在总的输出功率或EIRP中所占的比例 在后面的计算中认为转发器某一载波输入功率或EIRP在总输入功率或EIRP中所占的比例与输出中所占比例相同 67 上行链路C T的计算 续 于是多载波工作时某一载波单独的C T 用另一种方法 则有 68 下行链路C T的计算 1 单载波饱和工作 以dB形式表示即为 若考虑到降雨备余量 则 69 下行链路C T的计算 续 2 多载波工作 考虑到降雨备余量 则 70 下行链路C T的计算 续 3 多载波工作时某一载波的C T值 若考虑到降雨备余量 则 71 互调噪声部分的C T 一般情况下 卫星的互调噪声特性可能以 C T IM形式直接给出 也可能给出卫星互调噪声功率谱密度 n0 IMS 此时 C T IM可按下式计算 此为多载波工作时总载波功率与T的比值 72 上行链路中干扰的C T 上行链路中的 C T IU一般情况下可取典型值 但也可只考虑邻星干扰 此时可按CCIR ITU R 建议进行计算 根据CCIR建议524 1规定地球站最大偏轴辐射功率谱密度为 据此可得 此为多载波工作时总载波功率与T的比值 73 下行链路中的C T 下行链路中的 C T ID一般情况下可取典型值 但也可只考虑邻星干扰 此时可按如下方法进行计算 其中 EIRPIS为干扰卫星的EIRP 以一个转发器计算 取一典型值即可GER为地球站接收天线增益G ER为在干扰卫星方向上地球站天线的增益 按32 25lg 计算 为卫星间隔角度 一般取3 BIS为干扰卫星转发器的带宽 以36 54 72MHz计算 74 门限载噪比 在数字通信中 传输质量以误比特率衡量 不同的调制解调方式 不同的纠错编码方式 为达到要求的误比特率需要的 Eb n0 th是不同的 其对应的载噪比也是不同的 10 3 10 4 BPSK QPSK相干解调 PCM编码要求的Eb n0 DM编码要求的Eb n0 75 2 3线路计算举例 例1已知 WS 67 5 dBW m2工作频段 CBOi 11dB G T S 11 6dB K EIRP S S 26dBWBOO 6dB G T E 41 3dB K C T IM 131 7dBW K C T I 130dBW K带宽 36MHz计算 地球站总的 EIRP E M 总的 C T 总的 C N 76 解 先求出上下行自由空间传输损耗 上行链路考虑0 7dB大气损耗 于是LU 199 8dB 下行自由空间传输损耗 下行链路考虑0 6dB大气损耗 于是LD 196 2dB 77 求各地球站总的EIRP 于是有 78 求上行链路 C T U 求下行链路 C T D 79 求总的C T 80 求 C N 81 线路计算举例 续 例2已知 转发器工作频段 Ku 14 12GHz 转发器带宽 72MHzWS 82dBW m2 BO i 8dB G T S 3dB K接收系统噪声系数 1 0dB EIRP S M 51 6dBW C N I 21 31dB信息速率 10Mbps调制方式 BPSK信道滤波器滚降系数 0 4要求Pe 10 5 此时的 Eb n0 th 9 5dB接收天线与发送天线的口径相同 转发器互调噪声可忽略 计算 每个发送站只发出一个载波 求发送站HPA输出功率 接收 发送天线口径 82 先求出上下行自由空间传输损耗 上行链路考虑0 7dB大气损耗 于是LU 207 1dB 下行自由空间传输损耗 下行链路考虑0 6dB大气损耗 于是LD 205 7dB 83 计算上行链路的C T 由于我们希望对卫星转发器带宽的占用与对其EIRP的占用比例相同 所以我们认为此处 于是有 载波占用的的带宽B1 10MHz 1 0 4 14MHz 84 对于下行链路 考虑降雨备余量为6 3dB 则 Bn 10MHz 85 由 Eb n0 th可得 考虑4 8dB的门限备余量 则 86 由前面得到的 C N D表达式可得 C N 与 C T 间的关系相同 所以 当然 此处若以C T进行计算也可 87 其中天线效率取0 7 天线直径约为1 6m 因发射天线与接收天线口径相同 则发射天线增益为 而发送站单个载波的 EIRP E 1应为 88 则地球站HPA输出应为 若考虑HPA预留上行链路雨衰补偿5dB 及馈线损耗0 7dB则 此配置下 对功放输出能力要求过高 成本过高 且存在对邻近卫星干扰问题 于是可采用较大天线 来换取较小的功放 使用3米天线 则功放可减小至100W 进一步 使用4 5米天线 则功放可减小到50W 功放价格举例125W 110 000100W 98 00080W 85 00050W 50 00040W 45 00020W 20 000天线价格举例1 8m 2 0003m 20 0004 5m 70 000 89 本计算中 所有发送站以使卫星达到正常工作点输出功率的总EIRP发射信号 各载波的EIRP按带宽所占比例分配 若以高于此值的功率发送 则载波在卫星EIRP中所占比例将高于其频带在转发器频带中所占比例 租星费用将提高 若以低于此功率的功率发射 则