第9章 卫星网络20111218

1、第9章 卫星网络金光,江先亮Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 2本章内容简介卫星网络概述卫星网络原理卫星网络应用卫星网络的仿真卫星网络的发展前景Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 3卫星网络概述l卫星网络通信的基本概念卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发两个或多个地球站之间进行通信的无线电信号卫星通信是宇宙无线电通信的形式之一，是在空间技术、微波通信技术等基础上发展起来Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、

2、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 4卫星网络示意图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 5l卫星网络的发展1945年，著名的科幻作家Clarke在英国无线电世界杂志上发表了一篇具有历史意义的关于卫星通信的科学设想论文“地球外的中继”，副标题是“卫星能给出全球范围的无线电覆盖吗”1957年10月4日，前苏联成功发射了人类历史上第一颗人造地球卫星“SPUTNIK-I”1958年1月31号，美国成功发射了其首颗人造卫星“探索者1号”1962年7月和1963年5月，美国成功发射了第一

3、批真正实用的通信卫星电星l号和电星2号Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 61965年4月，国际通信卫星组织(Intelsat)的第一颗卫星升空1965年，欧美开始了卫星的商业运营，静止轨道卫星通信变成了现实到2007年，Intelsat拥有在轨卫星51颗1979年7月，国际海事卫星通信组织(Inmarsat，现改称为国际移动卫星组织)成立到1998年，Inmarsat已拥有84个成员国，能在全球范围内向陆地、海洋和空中用户提供商用、应急和安全救护等卫星移动通信业务 1998年11月铱星(Iridium)系统投

4、入运营，开创了卫星通信的新时代Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 7我国的航天事业始于二十世纪五六十年代。我国于1970年4月成功地发射了首颗人造卫星东方红1号，之后的几十年来，卫星通信事业取得了长足进步。目前我国从事卫星通信的主要企业是中国航天科技集团(CASC)，拥有神舟、长征等著名品牌和自主知识产权，主要从事运载火箭、人造卫星、载人飞船和战略、战术导弹系统的研究、设计、生产和试验，为经济建设、社会发展、科技进步和国防现代化建设做出了重要贡献自1985年其进入国际市场参与商业卫星发射服务以来，已进行了20多

5、次次国际商业发射，将29颗外国卫星送入预定轨道，并完成了5次搭载服务Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 8l卫星网络的特点卫星网络通信具有以下优点：通信距离远，覆盖面积大，费用与距离无关便于实现多址连接通信通信频带宽，传输容量大机动灵活通信线路稳定可靠，传输质量高成本与通信距离无关Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 9卫星网络具有以下局限性：高可靠和长寿命的要求发射与控制技术复杂较大的信号传输时延和回声干扰存在星蚀和日凌中断现象

6、此外，静止卫星通信系统在地球高纬度地区的通信效果不好，两极地区存在通信盲区，地面微波系统与卫星通信系统之间还存在着相互的同频干扰 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 10利用静止卫星建立全球卫星通信系统 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 11l卫星网络的分类 分类方式类别按卫星制式静止卫星网络、随机轨道卫星网络、低轨道卫星网络按通信覆盖范围国际卫星网络、国内卫星网络、区域卫星网络按用户性质公用卫星网络、专用卫星网络、军用卫星网

7、络按业务范围固定业务卫星网络、移动业务卫星网络、广播业务卫星网络、科学实验卫星网络按基带信号体制模拟制式卫星网络、数字制式卫星网络Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 12l卫星网络的拓扑与组网卫星星座拓扑结构卫星星座拓扑特点表现为：节点的位置及节点间的相对距离都是以时间为变量的函数；节点的邻居状况遵循一定规则；一般情况下，整个网络节点总数不会发生变化；节点间距比较大，且距离变化也较大，不能忽略；节点间的拓扑关系呈周期性变化；Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua U

8、niversity Press 13星型拓扑，通常由一颗卫星为中心节点，其它卫星通过中心进行通信环型拓扑，同一轨道面内的每颗卫星都和相邻卫星相连，构成一个封闭环型链路网状型拓扑，每颗卫星至少和两颗以上其它卫星连接，铱星、Teledesic等系统等都采用网状拓扑Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 14卫星网络组网方式基于地面的组网方式，网络功能主要由地面网络提供基于空间的组网方式。网络功能主要由卫星网络提供LEO/MEO卫星网络结构图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsing

9、hua University Press 15卫星网络原理l卫星轨道卫星通信系统采用的轨道从空间形状上看分两种：椭圆轨道和圆轨道椭圆轨道仅在卫星相对地面运动速度较慢的远地点附近提供通信服务，适合于为高纬度区域提供服务圆轨道卫星则可提供较均匀的覆盖特性，通常用于提供均匀覆盖的卫星系统 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 16从轨道高度分类，可将卫星轨道分为低地球轨道(LEO)、中地球轨道(MEO)、静止轨道(GEO)和高椭圆轨道(HEO) ，下图所示为轨道高度比较示意图Jin & Jiang, 无线网络技术教程：

10、原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 17轨道高度比较示意图Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 18项目低轨道中轨道高轨道轨道高度7001200km800013000km35800km波束数6481915058200天线直径约1米约2米8米以上卫星信道数50015001000400030008000射频功率50200w200600w600900w卫星成本合计高低中不同高度卫星轨道的参数对比 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua

11、 University Press 19静止轨道卫星通信技术的不足轨道高，链路损耗大，终端功率和接收机要求高链路距离长，传播时延大覆盖有限静止轨道资源有限Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 20l卫星网络的通信体制卫星通信体制指卫星通信系统的工作方式，即信号传输、处理和交换方式等，具体包括多路复用、调制、编码、多址连接、信道分配与交换方式等信道分配技术信道分配有预分配和按需分配方式两种，其中前者分固定和按时两种，后者包括全可变、分群全可变、随机分配等。目前使用最多的是预先固定分配，即两个地球站间通道为预先半永久

12、性分配，连接方便，可看作专用 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 21分配方式类型特点预分配固定预分配通信线路的建立和控制非常简便，但信道利用率低按时预分配信道利用率高按需分配全可变分配信道可随时申请和分配，可获得转发器全部可用信道分群全可变分配卫星信道被分成若干个群，在群内进行全可变分配随机分配随机选取信道，信道利用率高，易造成数据冲突卫星通信信道分配技术 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 22多址连接方式多个地球站通过同一

13、卫星通信建立连接，称为多址连接或多址通信多址技术特点频分多址卫星转发器的可用射频频带分割成若干互不重叠的部分，分配给各地球站时分多址卫星转发器的工作时间分割成周期性的互不重叠的时隙，分配给各地球站码分多址具较强的抗干扰能力，有一定保密能力，改变地址较灵活。但要占用较宽的频带，频带利用率一般较低，选择数量足够的可用地址码较困难。接收时，对地址码的获取与同步需一定时间空分多址卫星天线增益高，卫星功率利用高卫星网络的多址技术 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 23l卫星网络的关键技术星座设计在非静止轨道卫星星座设计

14、方面，先后涌现了很多方案，如极/近极轨道星座、星座、Rosette星座、星座和星座等。其中星座在全球星、ICO、Leo One、Celestri、GIPSE等系统中得到采用，另一类是极/近极轨道星座，被铱星系统和Teledesic系统等采用Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 24星际链路星际链路为无线点对点，可采用微波、毫米波或激光链路，其中激光在带宽、保密性、成本等方面具有优势，但其对卫星的姿态控制要求较高星上处理星上处理技术有星上信号处理、星上交换和星上路由等，分硬件和软件两方面切换技术卫星的切换技术包括波

15、束间切换、卫星间切换、信关站切换等Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 25卫星TCP/IP与地面有线网络的TCP不同，卫星网络链路的长时延、大带宽时延积、链路的高差错率和不对称性等使得已有的TCP不在适用Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 26l卫星网络的组成和工作过程卫星网络组成卫星通信系统由空间部分和地面部分组成。空间部分以一颗或多颗通信卫星为主体，包括用于卫星控制和监测的设施，即卫星控制中心、跟踪、遥测和指令站、能源装置等

16、。地面部分包括所有地球站，通常通过一个地面网络或者直接连接到终端用户设备。卫星通信网络系统通常包括通信地球站、跟踪遥测指令、监控管理、空间分系统共4大部分Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 27通信地球站分系统，一般由中央站、若干地面站、海上和空中地面站构成跟踪遥测指令分系统(测控站)，跟踪测量卫星，控制其准确进入轨道并到达指定位置监控管理分系统(监控中心)，对已定点轨道的卫星在业务开通前后监测和控制其通信性能空间分系统(即通信卫星)，是卫星通信系统的核心Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与

17、仿真实验, Tsinghua University Press 28卫星网络工作过程卫星通信分为单跳和多跳两种，前者指发送信号只经一次卫星转发后就被对方站接收，后者指信号需经两次或以上卫星转发后才被对方接收简单卫星通信工作示意图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 29l卫星链路卫星通信的链路构成 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 30卫星链路包括以下3种类型的全双工链路星间链路，指卫星通信通过星间链路实现，包括轨内星间链路和

18、轨间星间链路轨间链路，MEO和LEO卫星通过轨间星间链路进行通信用户数据链路，地面网关与覆盖它的LEO卫星之间通过用户数据链路连接Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 31卫星链路示意图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 32瞬时铱星系统卫星链路示意图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 33Teledesic卫星链路网络示意图 Jin & Ji

19、ang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 34卫星网络应用l卫星网络应用概述广泛应用于地面通信系统不易覆盖或建设成本过高的领域，如海事、渔政、水利、乡村、救灾、勘探科考、光缆备份等导航定位技术的发展，使得卫星网络在导航定位领域得到了较好应用卫星技术可以预警、防御和减轻威胁人类的自然灾害，对防灾抗灾意义非凡Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 35l典型的卫星网络系统铱星移动通信系统由Motorola公司提出，共成功发射了88颗低轨卫星，由66颗卫星组成

20、星座，轨道高733785km。用户的上下行频率均为l.6161.626GHz，关口站的上行频率为27.530.0GHz，下行频率为18.820.2GHz卫星采用三轴稳定方式，转发方式为星上处理，工作寿命5年，单颗星净重495kg，面向移动用户的天线是3个16波束相控阵天线，有4条星间链路，数据率为25Mbps，工作频率22.5523.55GHzJin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 36铱星系统示意图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Pre

21、ss 37全球星(GlobalStar)移动通信系统共发射了52颗卫星(含4颗备用卫星)。48颗卫星均匀分布在8个轨道平面内，轨道高13891414km。用户的上行频率为1.6101.625GHz，下行频率为2.4835-2.500GHz，关口站上行频率为6.4846.5415GHz，下行频率为5.15855.216GHz卫星采用三轴稳定方式，转发方式为弯管式，工作寿命7.5年，单颗星净重310kg，面向用户的天线是16波束相控阵天线，无星间链路Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 38Teledesic卫星移动

22、通信系统由840颗卫星组成，均匀分布于21个低轨道平面。每个轨道平面另有备用卫星，整个系统卫星数量达924颗。优化后的实际系统已将卫星数降至288颗GPS (Global Positioning System，全球定位系统)GPS的空间部分由24颗工作卫星组成，位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4 颗)Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 39伽利略定位系统系统由32颗中高度圆轨道卫星和2个地面控制中心组成，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统由5颗

23、静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式：开放服务和授权服务，可在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 40l典型的卫星网络应用某林业局需要建立一个卫星通信的指挥系统，其中包括通信指挥车。方案要求利用卫星网络连接通信指挥车和林业局，实现通信指挥车与林业局本部的双向视频、语音和数据的交互该系统由多个通信指挥车和远端卫星基站组成，其中通信指挥车上安装车载卫星远端站，林业局本部安装了固定远端卫星站。车载卫星远端站和固定卫星远端站采用相同的卫星室内终端、话

24、音终端和视频终端Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 41某林业局的卫星通信指挥系统示意图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 42卫星网络的仿真l卫星网络仿真模块无线信道模块：Channel/Sat；无线物理接口模块：Phy/Sat；无线MAC层模块：Mac/Sat；无线LL模块：LL/Sat；其他无线模块；Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 4

25、3l仿真场景说明仿真实验中的数据源起点为北京，由于卫星通信网络和所在地的地理位置紧密相关，因此以上海、香港、悉尼、纽约、里约热内卢5个城市作为数据的接收方。为简便起见，这里采用单一的CBR数据流城市北京上海香港悉尼纽约里约经度116:28E121:26E114:15E151:00E74:00W43:12W纬度39:54N31:12N22:15N33:00S40:43N22:54S卫星网络仿真实验中城市的经度和纬度 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 44l铱星系统仿真仿真背景有关铱星系统的仿真见教材9.3.2节

26、仿真拓扑由于NS2中对三维拓扑支持有限，因而仿真中未给出具体拓扑结构，以数据分析为主仿真代码仿真代码见电子资源和教材9.4.2节Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 45l仿真结果和分析见教材219-221页北京到上海的时延变化图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 46北京到香港的时延变化图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 47北京到悉尼的时

27、延变化图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 48北京到纽约的时延变化图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 49北京到里约的时延变化图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 50北京到各个城市的时延对比 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 51北京到各城市的时延抖动率 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 52lTeledesic系统仿真仿真背景有关铱星系统的仿真见教材9.3.2节仿真拓扑由于NS2中对三维拓扑支持有限，因而仿真中未给出具体拓扑结构，以数据分析为主仿真代码仿真代码见电子资源和教材9.4.3节Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua Univ