卫星通信系统基础

1,吕晶教授南京通信工程学院,卫星通信系统基础,2,1概述,1、1卫星通信的基本概念什么是卫星通信利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信。,3,1概述,1、1卫星通信的基本概念“地球站”与“地面站”地球站指在地球表面的无线电通信站，包括地面站、机载站和船（舰）载站。,地面站,机载站,船（舰）载站,4,1概述,1、1卫星通信的基本概念“视距”通信在视线可达、“看得见”人造卫星的范围通信,5,1概述,1、1卫星通信的基本概念是一种特殊的微波中继通信方式属宇宙通信之一地球站与宇宙站之间宇宙站之间通过宇宙站的转发或反射进行的地球站之间,6,1概述,1、1卫星通信的基本概念星间链路与星际链路同轨道卫星之间的通信链路ISL（Inter-SatelliteLinks）不同轨道宇宙站之间的通信链路IOL（Inter-OrbitLinks）,7,1概述,1、2卫星通信系统的基本组成,8,1概述,1、2卫星通信系统的基本组成跟踪遥测及指令分系统发射阶段：对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入指定轨道的指定位置。运行阶段：对在轨卫星的轨道、位置及姿态进行监视和校正（轨道修正和位置保持）。,9,1概述,1、2卫星通信系统的基本组成监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行监测和控制，以保证通信卫星的正常运行和工作。,10,1概述,1、2卫星通信系统的基本组成空间分系统通信卫星无线电中继站,11,1、2卫星通信系统的基本组成通信地球站分系统无线电收发信台，是用户接入卫星线路的接口。,1概述,12,1概述,1、3卫星通信系统的组网形式,13,1概述,1、4卫星通信系统的发展及动向从应用上看国际-国内、地区-企业、住家-手持从业务范围看固定业务-移动业务点对点多路复用电话和电视节目的中继传输-数据、传真、会议电视等-多媒体、ISDN业务（利用VSAT构成卫星广域网）-流媒体、数字广播,14,1概述,1、4卫星通信系统的发展及动向从技术上看模拟-数字（兼容性、灵活性、经济性、可再生、差错控制等）多种多址技术更高的频段（干扰、容量）星上设备和功能越来越简单、功率小设备和功能日趋复杂和完善、功率大,15,1概述,1、4卫星通信系统的发展及动向从技术上看地球站中心站技术越来越复杂、功能日趋齐全远端站多功能、小型化、低成本（全数字化、软件化）轨道多样化、复杂化总的来看，围绕四大资源的有效利用进行。,16,1概述,1、5卫星通信系统的四大资源频带功率时间（寿命）轨道位置,17,1概述,1、6卫星通信的特点卫星通信的优点无缝隙覆盖能力宽域的复杂的网络拓扑构成能力移动性距离不敏感性,18,1概述,1、6卫星通信的特点卫星通信存在的问题时延问题高速宽带问题高性能、低误码率问题网络控制协议优化设计问题轨道/频谱分配与干扰协调问题,19,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、1电波传播,20,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、1电波传播卫星通信系统中的传播损伤,21,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、1电波传播大气吸收损耗大气吸收损耗是由地球大气层的气体吸收能量引起的。大气吸收损耗随着频率的变化而变化。,22,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、1电波传播大气吸收损耗,气压1个标准大气压温度20C水蒸气含量7.5g/m3,23,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、1电波传播大气吸收损耗大气吸收存在两个吸收峰值点：第一个峰值点在22.3GHz频率处，主要是由水蒸气(H2O)谐振吸收引起的。第二个峰值点在60GHz频率处，主要是由氧气(O2)谐振吸收引起的。在明显离开峰值点的其它频率处，吸收损耗相当的低。,24,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、1电波传播大气闪烁效应是一种衰落现象。由大气层中不同的折射率而引起电磁波的聚焦和扩散，造成传播路径的不同而引起。衰落周期约几十秒。链路预算时引入备余量来补偿。,25,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、1电波传播电离层效应电离层中自由电子的不规则变化引起的信号随机起伏变化。影响包括闪烁、吸收、到达方向变化、传播时延、散射、频率变化和极化（法拉第）旋转。对卫星通信而言，主要是闪烁和极化旋转。所有影响随频率增加而减小，且大多数与频率平方成反比。,26,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、1电波传播电离层闪烁电离层闪烁的主要影响是对信号可能产生严重的衰落。可能持续几分钟。链路预算时引入备余量来补偿。,27,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、1电波传播极化旋转极化偏移的角度（法拉第旋转）与电磁波通过电离层路径的长度、地球磁场强度、电子密度等因素有关。法拉第旋转与频率的平方成反比，10GHz以上时可忽略。圆极化时不对电场的同极化或交叉极化分量产生影响；线极化则需极化跟踪。,28,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、1电波传播降雨衰减是由于雨滴的散射和吸收引起。单位降雨衰减是降雨率的函数。降雨率指雨水蓄积的速度；降雨率超过指定值的时间百分比。单位降雨衰减与频率和极化方式有关。降雨衰减与信号经过降雨区域的有效路径长度有关。,29,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、1电波传播降雨衰减,30,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、1电波传播各种外部噪声宇宙噪声大气噪声与频率、仰角有关降雨噪声与雨量、频率、仰角有关地面噪声干扰噪声,31,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、2卫星通信的工作频段卫星通信工作频段的选择是一个十分重要的问题，它将影响到系统的传输容量、地球站及转发器的发射功率、天线尺寸和设备复杂程度等。,32,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、2卫星通信的工作频段选择原则电离层不能成障碍天线系统接收的外界噪声尽量小电波传输损耗尽量小各种干扰尽可能避免具有较宽的可用频带,33,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、2卫星通信的工作频段无线电频率分区区域1：欧洲、非洲、前苏联和蒙古。区域2：南北美洲和格陵兰岛。区域3：亚洲（除区域1中的地区外）、澳大利亚和西南太平洋在这些区域，卫星频带被分配给各种卫星业务。一种给定的业务在不同的区域可能分配给不同的频带防止同频干扰；也可能分配给相同的频带提高频谱利用率。,34,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、2卫星通信的工作频段卫星提供的业务卫星固定业务（FSS）卫星广播业务（BSS）卫星移动业务（MSS）卫星导航业务卫星气象业务卫星间业务,35,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、2卫星通信的工作频段卫星通信目前使用的频段VHF（0.10.3GHz）UHF（0.31GHz）L波段（1.02.0GHz）S波段（2.04.0GHz）C波段（4.08.0GHz，4/6GHz）X波段（8.012.0GHz）Ku波段（1218GHz，11/14GHz，12/14GHz）K波段（1827GHz）Ka波段（2740GHz，20/30GHz，20/40GHz）,36,2卫星通信的电波传播和工作频段,2、2卫星通信的工作频段,37,3通信卫星,3、1卫星轨道开普勒定律普遍适用于宇宙中通过重量相互作用的任意两个物体。（主体和副体或卫星）开普勒定律卫星围绕地球的运动轨迹是一个椭圆，且地心在这个椭圆的一个焦点上。对于相同的时间间隔，地心指向卫星的矢量扫过的面积相同。轨道周期的平方正比于地心到卫星的平均距离的立方。此平均距离等于长半轴。,38,3通信卫星,3、1卫星轨道卫星轨道分类按轨道形状圆轨道和椭圆轨道按轨道平面倾角赤道轨道、极轨道和倾斜轨道按轨道高度静止轨道、中轨道、低轨道和长椭圆轨道按运转周期及相对地球运动关系同步轨道和非同步轨道,39,3通信卫星,3、1卫星轨道卫星轨道分类,LEO,MEO,GEO,HEO,40,3通信卫星,3、1卫星轨道对地静止轨道相对地球表面的固定观察者呈现静止状态的卫星，称作对地静止卫星，简称静止卫星。对地静止卫星运行的轨道称为对地静止轨道，简称静止轨道。,41,3通信卫星,3、1卫星轨道成为对地静止轨道的三个条件卫星必须以与地球相同的旋转速度向东运动。轨道必须是圆形的。轨道的倾角必须为零度。对地静止轨道只有一条，资源宝贵,42,3通信卫星,3、1卫星轨道卫星的摄动偏离开普勒定律所确定的理想轨道的现象太阳、月亮引力的影响南北漂移地球引力场不均匀的影响东西漂移地球大气层阻力的影响太阳辐射压力的影响东西漂移必须采取位置保持技术，克服摄动,43,3通信卫星,3、1卫星轨道星蚀和日凌中断,44,3通信卫星,3、1卫星轨道轨道平面倾斜效应,45,3通信卫星,3、2通信卫星的覆盖地球覆盖区分类,46,3通信卫星,3、2通信卫星的覆盖地球覆盖区分类,47,3通信卫星,3、2通信卫星的覆盖亚洲四号Ku波束点波束覆盖图实例,48,3通信卫星,3、3通信卫星的组成有效载荷收发天线支持通信传输的电子设备转发器,49,3通信卫星,3、3通信卫星的组成卫星平台舱体电源太阳能帆板、蓄电池姿态控制空间指向的控制轨道控制轨道位置的保持温度控制维持固定的温度条件TT&C（遥测、跟踪和指令系统）,50,3通信卫星,3、3通信卫星的组成透明转发器实质上是一部宽频带的收、发信机,51,3通信卫星,3、3通信卫星的组成透明转发器中宽带接收机,52,3通信卫星,3、3通信卫星的组成透明转发器中去复用器,53,3通信卫星,3、3通信卫星的组成透明转发器中功率放大器,54,3通信卫星,3、3通信卫星的组成透明转发器中功率放大器,55,3通信卫星,3、3通信卫星的组成处理（再生）转发器,56,3通信卫星,3、3通信卫星的组成处理（再生）转发器相对透明转发器的优势避免上下链路噪声的积累上下行链路性能、调制解调方式一样时，总体性能再生卫星优隔离上下行链路中非线性的影响可降低对地球站的要求（EIRP、G/T值）,57,3通信卫星,3、4转发器的主要性能指标G/T值（“性能因数”或“品质因数”）EIRP（有效全向辐射功率）SFD（W）饱合通量密度带宽与极化方向输入补偿BOi与输出补偿BOo,58,3通信卫星,59,4地球站,4、1地球站的主要性能指标全向有效辐射功率（EIRP）发射能力品质因数（G/T）接收灵敏度射频工作范围载波频率准确度和稳定度EIRP的稳定度,60,4地球站,4、2地球站的组成一个典型的收发双工地球站，一般包括天线分系统、发射分系统、接收分系统、信道终端设备分系统、伺服跟踪设备分系统、监控分系统、用户接口分系统和电源分系统等组成。,61,4地球站,4、2地球站的组成,天线分系统,62,4地球站,4、2地球站的组成天线分系统完成发送信号、接收信号和跟踪卫星的任务，是决定地球站容量和通信质量的关键组成部分之一。要求：工作频率范围足够宽；具有较高的增益和合乎要求的辐射波瓣；尽可能低的等效噪声温度；良好的旋转性能及机械精密度等。,63,4地球站,4、2地球站的组成发射分系统将基带信号对中频进行调制，合路后经上变频和功率放大，最后馈送给天线。要求：足够的输出功率，以满足EIRP的要求；发射功率、频率稳定；通频带足够。,64,4地球站,4、2地球站的组成接收分系统对收到的微弱信号进行放大、下变频和解调。要求：低噪声；宽频带；选择性好。,65,4地球站,4、2地球站的组成信道终端设备分系统完成基带信号的处理和变换。包括信道编码、话音编码、数据压缩等。用户接口分系统完成对外部及与地面通信线路的接口。,66,4地球站,4、2地球站的组成监控分系统监视系统内各种设备的工作状态，发生故障是能告警及故障处理。可能包括网管代理。伺服跟踪设备分系统保证地球站天线对准卫星。,67,4地球站,4、2地球站的组成电源分系统对所有通信设备及辅助设备供电。要求：定电压、高可靠、不间断。,68,5多址技术,5、1多址接入单址接入卫星上的一个转发器通道被来自地球站的一个发送信号全部占用，这种工作方式称为单址接入工作模式。多址接入多个载波共用一个转发器，这些载波来自地理上相隔很远的许多地球站，每个地球站可能发射一个或多个载波，这种工作模式被称为多址接入。,69,5多址技术,5、1多址接入基本的多址接入方式FDMATDMACDMASDMA多址接入与多路复用是两个不同的概念,70,5多址技术,5、1多址接入,地球站,（a）频分多址,（b）时分多址,（c）码分多址,卫星,卫星,卫星,123,N地址码,f1f2f3,fN,频率,71,5多址技术,5、1多址接入三种基本多址方式的三维表示,72,5多址技术,5、1多址接入三种基本多址方式的三维表示,SDMA,PDMA,SDMA+PDMA,73,5多址技术,5、2多址分配制度基本概念为了充分利用卫星转发器的功率和频率资源而进行的卫星通道的分配方式。这里的通道对应着FDMA的频带、TDMA的时隙、CDMA的码型、SDMA的窄波束。,74,5多址技术,5、2多址分配制度预分配方式（PA）固定预分配（FPA）按时预分配（TPA）按申请分配方式（DA）收端固定发端可变（FRVT）发端固定收端可变（FTVR）全可变（VTVR）动态/随机分配方式,75,5多址技术,5、3针对几种多址方式及多址分配的讨论FDMA需考虑的问题邻道干扰保护频带互调回退的影响,76,5多址技术,5、3针对几种多址方式及多址分配的讨论FDMA的特点简单无需网同步缺乏重构的灵活性容量变化必须重新做频率计划互调引起回退，导致接入载波数增加时，容量有损失需功率控制，以避免捕获效应（最好能补偿上行链路雨衰）,77,5多址技术,5、3针对几种多址方式及多址分配的讨论TDMA需考虑的问题帧结构保护时隙网同步,78,5多址技术,5、3针对几种多址方式及多址分配的讨论TDMA的特点单载波工作，无互调产物，可饱和工作无需功率控制多站