北京邮电大学2025年通信工程拔尖计划卫星通信测试试题及答案

北京邮电大学2025年通信工程拔尖计划卫星通信测试试题及答案考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述卫星通信系统与地面通信系统在传输媒介、工作频率、信道特性等方面的主要区别，并说明这些区别对系统设计（如调制方式、多址接入技术、信道编码等）带来的影响。二、解释什么是卫星的星下点轨迹。对于一个位于赤道上空的地球静止轨道（GEO）卫星，其星下点轨迹有何特点？这种特点对于特定应用（如电视广播、固定点对点通信）意味着什么？三、什么是雨衰？简述雨衰的主要影响因素（如频率、地理位置、卫星仰角）及其对卫星通信系统性能（特别是高频段系统）的潜在影响。列举一种或两种减轻雨衰影响的技术手段。四、比较频率分多址（FDMA）和码分多址（CDMA）两种接入技术的基本原理。在卫星通信场景下，哪种技术可能更适用于用户数量密集但信道资源相对有限的区域？为什么？五、简述QPSK调制方式的原理。假设在一个卫星通信信道中采用QPSK调制，信道等效噪声密度谱功率为N0=10^-22W/Hz，带宽B=50MHz。若要求误码率Pe≤10^-5，根据香农定理，理论上该信道能达到的最大信息传输速率是多少？简述计算过程。六、什么是前向纠错（FEC）技术？其在卫星通信中的作用是什么？与简单的自动请求重发（ARQ）技术相比，FEC技术的主要优势体现在哪些方面？七、什么是卫星互联网星座？设计一个低地球轨道（LEO）卫星互联网星座相比设计一个GEO卫星通信系统，在覆盖、延迟、星间链路等方面有哪些显著不同？这些不同对星座的设计（如卫星数量、轨道高度、星上处理能力）提出了哪些新的要求？八、简述卫星通信中直接序列扩频（DS-CDMA）技术的基本原理。它如何实现多用户共享同一频段进行通信？简述其抵抗窄带干扰和多径干扰的基本机制。九、考虑一个由N颗卫星组成的卫星通信网络，每颗卫星覆盖地球表面的一部分区域。简述如何通过星间激光链路（ISL）实现卫星之间的数据路由，以支持地球表面任意两点之间的通信。讨论这种星间链路技术对卫星网络架构和性能可能带来的影响。十、随着物联网（IoT）的发展，卫星通信在偏远地区物联网覆盖方面展现出巨大潜力。简述卫星通信支持大规模物联网应用面临的挑战（至少列举三个），并提出相应的技术解决方案或应对策略。试卷答案一、卫星通信使用大气层外的自由空间作为传输媒介，而地面通信主要使用地面介质（如电缆、光纤）或近地大气层。自由空间传输损耗随距离的四次方增加，带宽资源相对丰富，但信道特性（如延迟、色散、衰落）与频率有关，且易受大气层（如雨衰、大气折射）影响。地面介质损耗较低、信道稳定，但覆盖范围受限。这些区别导致卫星通信系统设计倾向于采用更高频率（以获取更多带宽）、更强的发射功率、更复杂的抗干扰和纠错编码技术；地面系统则更关注传输距离、介质损耗和接入方式。多址接入技术选择也不同，卫星通信常用FDMA、TDMA、CDMA或其组合，而地面系统根据拓扑结构选择不同的接入方式。二、星下点轨迹是指卫星在轨道上运行时，其几何投影点在地球表面随时间移动的路径。对于GEO卫星，由于其轨道高度约35786公里，远高于地球半径，其星下点轨迹在赤道平面内近似为一条闭合的椭圆（实际为缓慢漂移的圆），但视觉效果上常被描述为近似圆形。其核心特点是轨迹中心位于赤道，周期与地球自转周期（约24小时）同步。这种特点使其非常适合需要连续、稳定覆盖特定赤道区域的应用，如电视广播、国际电话和互联网接入，因为卫星相对于地面目标保持相对静止（视运动速度极慢）。三、雨衰是指雨、雪、雾等降水粒子对卫星信号在自由空间传播路径上造成的衰减。主要影响因素包括：工作频率（频率越高，衰减越大）、地理位置（纬度越高，降水越多，衰减越大）、卫星仰角（仰角越低，路径穿过大气层越深，衰减越大）。雨衰会显著降低接收信号强度，可能导致通信中断或质量下降。减轻雨衰的技术手段包括：选择较低的工作频率、使用抗雨衰能力强的调制解调方式（如QPSK优于PSK）、采用功率补偿技术（如高功率发射机、低噪声接收机）、实施链路预算设计时预留足够的裕量，或采用多波束、相控阵天线技术进行波束赋形。四、FDMA将总带宽分割成多个连续的子频带，每个用户占用一个专用频带进行通信，用户在时间和频率上正交。CDMA将用户信号进行扩频，使用独特的伪随机码在相同时间和频率上共享信道，用户信号在接收端通过相关运算分离。在用户数量密集但信道资源相对有限的区域，CDMA可能更适用。因为FDMA需要为每个用户分配连续频谱，频谱效率较低，当用户数增加时，频谱分配难度增大。而CDMA允许多个用户在同一时频资源上重叠传输，用户容量理论上只受限于处理能力和干扰水平，频谱利用率更高，更适合用户密集场景。五、QPSK调制将两个比特组成一组，映射到四个相位状态中的一个，实现相位的最小改变。原理是利用载波相位的四个离散值来传输数字信息。计算过程：根据香农定理，信道容量C=Blog2(1+S/N)，其中B为带宽，S/N为信噪比。信噪比SNR=2*(S/N)0，因为QPSK每比特能量Es=2*E0，其中E0为基本脉冲能量，S/N0为等效噪声密度谱功率。将N0=10^-22W/Hz,B=50MHz=50*10^6Hz,Pe=10^-5代入计算。C=50*10^6*log2(1+2*(10^-22)*(2*E0)/(N0*Es))。因Es=2*E0，简化为C=50*10^6*log2(1+2*(10^-22)*(2*E0)/(N0*2*E0))=50*10^6*log2(1+2*(10^-22)/N0)。计算1+2*(10^-22)/N0=1+2*(10^-22)/(10^-22)=3。所以C=50*10^6*log2(3)≈50*10^6*1.585≈79.25Mbps。理论上该信道能达到的最大信息传输速率为约79.25Mbps。六、前向纠错（FEC）技术是指发送端在发送信息比特的同时，额外发送一些冗余比特。接收端利用这些冗余比特，在收到有噪声干扰的码字时，尝试检测并纠正错误，而无需请求发送端重发。FEC技术的主要优势在于：显著提高了通信的可靠性，减少了重传请求带来的延迟，特别适用于单向通信或往返时延（RTT）受限的系统（如卫星通信）；提高了信道利用率，因为不需要为纠错而预留重传时间；增强了系统对突发性干扰的容忍能力。七、卫星互联网星座是由多颗在特定轨道上运行的卫星组成的网络系统，通过星间链路和地面站协同工作，提供全球覆盖的通信服务。与GEO系统相比，LEO星座具有覆盖范围小、延迟低（通常几十到几百毫秒）、支持星间激光链路实现高速、低延迟路由等显著不同。这些不同对星座设计提出了新的要求：需要大量的卫星（数百甚至数千颗）以实现全球无缝覆盖；需要高效的星间链路技术和星上处理能力以实现路由和切换；需要快速的任务管理能力以应对卫星故障和轨道维持；需要考虑卫星间的碰撞风险和空间碎片问题。八、直接序列扩频（DS-CDMA）技术的基本原理是将待传输的信息比特流与一个高速、码长较长的伪随机码（PN码）进行点对点相乘（扩频），将宽带的噪声干扰限制在较窄的频带内进行传输。在接收端，使用与发送端完全相同的本地PN码与接收到的宽带信号进行相关运算。由于只有匹配的码序列才能产生较大的相关输出，而干扰信号由于码序列不匹配而产生很小的相关输出，从而实现用户信号的分离和解扩。DS-CDMA通过码分多址接入，允许多个用户在同一时间和频率上共享信道，其抵抗窄带干扰的基本机制是利用相关运算将干扰信号与所需信号在时间域和码域上区分开；抵抗多径干扰的基本机制是采用RAKE接收机等技术，将不同路径到达的信号进行合并，提高接收信号质量。九、在卫星通信网络中，通过星间激光链路（ISL）实现卫星之间的数据路由，通常采用类似光纤链路的数据包交换方式。数据从地面站或一颗卫星发送到目标卫星，如果目标卫星不在视距范围内或下一跳路径不直接，则通过ISL切换到其他卫星，逐跳转发，最终到达目的地。路由决策可以基于预设的星间拓扑结构（静态路由）或动态更新的路由表（动态路由），考虑路径长度、链路负载、延迟、可用性等因素。这种星间链路技术使得卫星网络能够构建成类似互联网的端到端连接，支持更灵活、更高效的数据传输，减少对地面站的依赖，尤其适用于高带宽、低延迟要求的场景（如视频传输、实时交互），但也增加了网络管理的复杂性，需要考虑链路稳定性、星上计算能力和功耗。十、卫星通信支持大规模物联网应用面临的挑战主要包括：1.功耗限制：低功耗是物联网设备的基本要求，但卫星通信的传输距离远，信号衰减大，通常需要较高的发射功率或低噪声接收，这对电池寿命提出了挑战。解决方案包括采用低功耗通信协议、设计能量收集技术（如太阳能）、优化功放效率。2.成本高昂：星座构建、卫星发射、地面站建设等成本非常高，导致终端用户