卫星通信基本原理.ppt

中国移动卫星通信网培训教程 2 主要内容 卫星通信原理典型卫星通信系统简介 3 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 4 卫星通信示意图 5 通信卫星的轨道 卫星运行的轨迹和趋势称为卫星运行轨道 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 0 i 90 之分 6 通信卫星的轨道 7 同步静止轨道卫星 卫星运行轨道处于地球赤道平面内 运行方向与地球自转方向一致 饶地球一圈的时间与地球自转一周的时间相同 24小时 的卫星称为同步静止轨道卫星 此时卫星距地面高度为35785 6公里 从地面看卫星是 静止 不动的 即地面上各点与卫星之间的相对位置不变 8 通信卫星的轨道 9 通信卫星的轨道 10 卫星通信的发展概况 一 1945年五月英国人阿瑟克拉克提出关于静止卫星的设想50年代 美国宇航局和国防部分别研制了不同类型的通信卫星 NASA 反射镜 被动式 无源式 通信卫星 回声 DoD 转发器 主动式 有源式 通信卫星 通信质量要好的多 11 卫星通信的发展概况 二 1954 1964卫星通信试验 1957年10月4日苏联发射了第一颗人造卫星 1963年7月美国发射了第一颗地球同步卫星 他们都进行了卫星通信试验1965年国际通信卫星组织的IS 1 国际通信卫星 发射 卫星通信进入实用阶段 12 卫星通信的发展概况 三 我国于1970年4月24日 成功地发射了自行研制的东方红一号卫星 1984年4月发射了我国第一颗同步通信卫星东方红二号 1997年5月12日月发射了我国第一颗三轴稳定的同步通信卫星东方红三号 该星目前正在运行我国自1972年开始运行卫星通信业务目前全球共有地球同步静止轨道卫星约210颗 其中我国拥有10颗 包括亚洲卫星公司和亚太卫星公司 13 卫星通信的特点 覆盖区域大 通信距离远 通信成本与通信距离无关以广播方式工作 便于实现多址联接 组网方式灵活通信容量较大 能应用的业务种类多可自发自收进行监测机动灵活设备复杂 有时延要解决星蚀及空间干扰问题 14 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 15 卫星通信和地面通信的对比 16 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 17 卫星通信的应用简介 中国的卫星通信经过近三十年的发展 从无到有 已经初具规模 但是发展速度仍比较缓慢 注册的卫星运营公司已有中国通信广播卫星公司 中国东方通信卫星有限责任公司 鑫诺卫星通信有限公司 亚洲卫星通信有限公司 亚太卫星控股有限公司五家 在大陆注册三家 共拥有9颗卫星 342个转发器单元 C波段236个 Ku波段106个 均已折合至每转发器36MHz带宽 其业务已覆盖到亚洲大部分地区和欧洲部分地区 18 卫星通信的应用简介 目前国内公众卫星通信网的干线已有37个大型C波段地球站 运行着3万5千条双向电路 占国内长途电路的5 6 另有4个试验地球站和约30台移动卫星通信车载站工作在Ku波段 国际通信方面我国运营15座国际通信卫星地球站 开通了约1万3千条双向电路 占国际长途电路的26 中国通信广播卫星公司等具有国际点对点业务许可的单位开通了150 200条国际双向VSAT电路 公众通信约使用50个转发器 19 卫星通信的应用简介 我国已有中央电视台的12套节目 中央人民广播电台和国际台的32路声音广播节目 以及31个省 自治区 直辖市的广播电视节目均通过通信卫星向全国传送 目前我国广播电视节目共使用了11颗通信卫星 亚太1A 亚洲2号 亚洲3S 鑫诺1号 亚太2R 泛美3R号 泛美8号 泛美9号 泛美3R号 泛美10号 银河3R和热鸟3号 的32个转发器 我国已建成的广播电视卫星地球站共31座 地面卫星收转台站52万多座 与1985年上卫星时相比 我国广播电视人口覆盖率已由68 3 和68 4 上升为2001年底的92 9 和94 1 20 卫星通信的应用简介 至2001年底国内VSAT经营者有43家 双向VSAT站7000多个 单向VSAT站近17000个 目前 经营性和专用性VSAT卫星通信网约达120个左右 专网通信约使用14个转发器 经营性VSAT通信用了约14个转发器 21 VSAT通信 VSAT是英文VerySmallApertureTerminal的缩写 其意为甚小天线口径终端 也就是使用小口径天线的用户地球站 天线口径小于2 5米 一个典型的VSAT系统 是由众多的VSAT 一个 或少数几个 大的主站组成 以通信卫星为中继 VSAT可与主站或其它VSAT对通 提供各种电信业务VSAT是80年代中期美国开发的一种卫星通信设备 它建造成本很低且容易在作业现场或其它地面线路难以到达的场合进行安装 22 VSAT系统分类 按通信能力分 单向VSAT双向VSAT按网络结构分 星状网网状网混合网 23 VSAT通信的优点 建造成本低 覆盖范围广安装方便 可在楼顶 水泥座上安装集成性好 可将语音数据集成在一起使用相对独立 容易组成点对点的网络而不受公网的制约通信质量好 抗干扰能力强组网方便 可以是星 网或星网结合数据安全性好 24 ODU ODU是一个紧凑的 安装在防风 防雨盒子内的射频单元 由固态功放 SSPA 低噪声放大 变频组件 LNC 上变频器以及正交模耦合器 用以收 发共用天线 组成一般安装在天线发射面焦点处或附近 以减小天线馈电喇叭与射频设备之间的传输损耗提供信号的上 下变频发送端站信号至卫星及接收主站信号 25 26 IDU IDU配置在靠近用户终端设备的室内 由调制解调器和基带处理单元组成提供VSAT与用户的接口 VSAT与卫星的链接 地面通信规程与卫星线路通信规程之间的变换等 27 VSAT业务 点对点 点对多点单 双向数据通信和广播业务网状网话音和数据通信业务寻呼联网与覆盖业务报刊印版 声讯 证券信息传输业务VSAT工程服务 28 卫星通信系统的基本组成 测控管理分系统 跟踪遥测指令分系统 通信地球站系统 空间分系统 29 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 30 通信卫星的外观 一 31 通信卫星的外观 二 32 卫星通信系统的基本组成 卫星转发器的频率安排 33 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 34 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 中心站 星形 网格形 35 混合网 VSAT VSAT VSAT VSAT VSAT VSAT 36 系统工作过程 基带入 BDU M F UC HPA BDU LNA DC F DEM 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 37 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信业务之间产生相互干扰通信采用微波频段 300MHz 300GHz 38 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 39 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 40 另一种频段划分 41 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 暴雨等恶劣天气情况下 信号损耗较大 42 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 43 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长时间与天线口径 工作频率有关 44 星蚀及日凌中断示意图 45 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 46 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 47 极化 一 天线的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1800 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 48 极化 二 电场的水平分量和垂直分量振幅相等 但相位相差900或2700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 左旋与右旋极化波之间无能量耦合 即极化隔离 49 地球站的方位角和仰角 E 天线的仰角A 天线的方位角 1 卫星星下点经度r h 0 151 2 所在地的经度 所在地纬度 仰角E S 1 S 地面投影 方位角A 正南 S 2 50 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 51 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 52 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 但载波占用的频带是彼此严格分开的 53 频分多址 FDMA 54 FDMA转发器图 站1 站2 站k 55 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 56 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 57 时分多址 TDMA 58 TDMA方式示意 P f A B C 59 TDMA方式 60 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 61 码分多址 CDMA 62 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 63 空分多址 SDMA 64 各类波束示意图 区域波束 点波束 全球波束 地球 65 各种多址方式的比较 66 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 直到收到主站的确认信息为止 67 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 68 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时隙ALOHA类似 特别适用于固定长度业务量模型的网络 69 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 70 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 71 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 72 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