卫星通信系统

1、2020/7/10,1,现 代 通 信 网 络,张 冬 梅 () 北京邮电大学计算机科学与技术学院,2020/7/10,2,卫星通信系统与网络(课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播),2020/7/10,3,主要内容,卫星通信概述 卫星的轨道与频带 卫星通信技术 卫星通信网络 典型卫星通信系统,2020/7/10,4,卫星通信的概念,卫星通信是利用卫星作为中继站，转发微波信号，实现两个或多个地球站间的通信,2020/7/10,5,卫星通信的发展背景与地位,发展背景 1965年4月，第一颗商用卫星升空，开始了卫星通信实用化的新时代； 上世纪70-80年代，卫星通信系统达到了鼎盛时期； 随着光纤通信

2、和地面蜂窝移动通信系统的崛起。卫星通信受到了严重挑战 目前地位 空间与频谱是国家强盛的重要资源； 是其他通信手段的扩展与补充； 军事通信的主角（在综合天基信息网络中，卫星通信是实施作战指挥与控制信息传递的主通道）,2020/7/10,6,卫星通信相关术语,地球站(Earth Station) 地球上负责接收来自卫星的信号的系统，主要由天线、低噪声放大器、下变频器和接收机等组成。天线尺寸一般2.4m-27m。 上行链路(Down Link) 地球站到卫星的传输链路 下行链路(Up Link) 卫星到地球站的传输链路 转发器(Transponder) 卫星的电子器件，负责将上行链路信号转换为下行链

3、路信号,由接收机、发射机和天线组成。,2020/7/10,7,卫星通信相关术语,远地点(Apogee) 卫星椭圆轨道上距离地球最远处的点 近地点(Perigee) 卫星椭圆轨道上距离地球最近处的点 仰角(Elevation) 地球站天线瞄准卫星的仰角,2020/7/10,8,卫星通信相关术语,点波束(Spot Beam) 点波束截面为圆形或椭圆形，覆盖地球表面的一定区域 卫星覆盖区(Footprint) 卫星波束覆盖区域,2020/7/10,9,通信卫星分类,按覆盖范围分类 全球、区域、国家 按业务类型分类 固定业务卫星(Fixed service satellite, FSS) 移动业务卫星

4、(Mobile service satellite, MSS) 宽带业务卫星(Broadcast service satellite, BSS) 气象业务卫星 无线电导航业务卫星、无线电定位业务卫星 按使用方式分 商用、军用、业余爱好者、实验,2020/7/10,10,卫星通信的发展历史(1945年以前-理论阶段),1609-1619 Kepler的关于行星运动的观点 1926 美国人R.H.Goddard第一次发射液体助推火箭 1927 第一次横穿大西洋的无线通信实验 1942 德国第一次成功发射V-2火箭 1945，英国科学家Arthur Clarke发表论文“地球外的中继”,提出利用地球

5、同步卫星实现全球通信（GEO）,2020/7/10,11,V2 Rocket,2020/7/10,12,卫星通信的发展历史(1950-1965 实验阶段),1957 前苏联发射第一颗人造卫星(Sputnik LEO) 1958 第一颗美国广播试验卫星发射(SCORE)，进行磁带录音信号的传输，利用卫星实现了语音通信(LEO) 1960 第一颗无源通信卫星发射(Large balloons Echo I and II) 1962 第一颗非政府的主动通信卫星发射（Telstar I,MEO）, 实现了横跨大西洋的电话、电视、传真和数据的传输，奠定了商用卫星通信的技术基础 1963 第一次发射卫星进

6、入地球同步轨道Syncom I 1964 国际电信卫星组织建立(INTELSAT) 1965 第一颗商用通信卫星发射进入地球同步轨道(INTELSAT 1),2020/7/10,13,卫星通信的发展历史(1950-1965 实验阶段),1957 前苏联发射第一颗人造卫星(Sputnik LEO) 1958 第一颗美国广播试验卫星发射(SCORE)，进行磁带录音信号的传输，利用卫星实现了语音通信(LEO) 1960 第一颗无源通信卫星发射(Large balloons Echo I and II) 1962 第一颗非政府的主动通信卫星发射（Telestar I,MEO）, 实现了横跨大西洋的电话

7、、电视、传真和数据的传输，奠定了商用卫星通信的技术基础 1963 第一次发射卫星进入地球同步轨道Syncom I 1964 国际电信卫星组织建立(INTELSAT) 1965 第一颗商用通信卫星发射进入地球同步轨道(INTELSAT 1),至此，经过通信卫星的试验，使卫星通信的 实用价值得到了广泛的承认,2020/7/10,14,Sputnik - I,2020/7/10,15,Explorer - I,2020/7/10,16,ECHO I,2020/7/10,17,Telstar I,2020/7/10,18,Intelsat I,Hubble Space Telescope哈勃 太空望遠

8、鏡,Link,NOAA Polar Orbiting Weather Satellite 氣象衛星 (風雲系列),Global Positioning System (GPS)全球 定位 系統,ESA Galileo Satellite STEP2: 地面站把电话信号发射到卫星， STEP3: 卫星接到这个信号后通过功率放大器，将信号放大再转发到大西洋彼岸的地面站， STEP4: 地面站把电话信号取出来，送到受话人所在的城市长途电话局转接用户。,2020/7/10,57,电视节目的转播,与电话传输相似 由于各国的电视制式标准不一样，在接收设备中还要有相应的制式转换设备，将电视信号转换为本国标准

9、。,2020/7/10,58,其他业务,电报、传真、广播、数据传输等业务与电话传输过程相似， 不同的是需要在地面站中采用相应的终端设备。,2020/7/10,59,卫星通信相关技术,多址接入技术 差错控制技术 组网技术 路由技术 移动地面站定位 卫星系统切换,2020/7/10,60,多址接入技术,卫星通信的链路 点到点链路 广播链路 带宽分配策略 FDMA TDMA CDMA,2020/7/10,61,FAMA-TDMA 多址接入,传输的形式：重复序列的帧 每个帧被划分为若干个时隙 每个时隙被指定给一个特定的发送器 地面站轮流使用上行信道 在指定的时隙内发送数据 卫星中继转发接收到的信号 向

10、所有地面站广播 地面站需要知道使用哪些时隙发送信号、哪些时隙接收信号,2020/7/10,62,FDMA-TDMA 上行,2020/7/10,63,FDMA-TDMA下行,2020/7/10,64,差错控制技术,常用的差错控制技术：ARQ,FEC,ARQ+FEC 思考题：卫星通信中的差错控制机制是如何设计的？,2020/7/10,65,路由技术,利用卫星进行路由 需要的网关数量减少 尽量在卫星网络中转发连接和数据包 两个移动电话之间的连接仅需要一条上行链路和一条下行链路 存在的问题 卫星之间更复杂的天线集中 由于移动路由器造成系统更加复杂 卫星上更多的能量消耗 更短的使用寿命,2020/7/1

11、0,66,移动地面站位置管理技术,与GSM机制类似 网关维护用户的相关注册信息 HLR VLR SUMR 分配给某个移动站的卫星 全部卫星的位置信息 移动站的注册 通过卫星的位置信息定位移动站的位置 向HLR请求用户数据 更新VLR和SUMR中的信息 呼叫移动站 采用与GSM类似的HLR/VLR移动性管理方法定位移动站位置 利用合适的卫星建立连接,2020/7/10,67,卫星系统切换技术,卫星内部切换 同一个卫星不同点波束（Spot Beam）之间的切换 触发条件：移动站仍在卫星的覆盖区域内，但移动到不同的小区 卫星之间切换 不同卫星之间的切换 触发条件：移动站离开了当前卫星的覆盖区域 网关

12、切换 不同网关之间的切换 触发条件：移动站仍在当前卫星的覆盖区域内，但是网关离开了当前卫星的覆盖区域 系统之间切换 从卫星网络到陆地蜂窝网络之间的切换 触发条件：移动站能够重新接入到一个便宜、低延迟的陆地网络,2020/7/10,68,主要内容,卫星通信概述 卫星的轨道与频带 卫星通信系统的组成 典型卫星通信系统 卫星互联网技术,2020/7/10,69,典型卫星通信系统-Iridium (铱)星系统,目标 向携带手持式移动电话的铱用户提供全球个人通信能力， 能够在没有地面蜂窝系统的情况或PSTN欠发展的区域 提供类似蜂窝系统一样的电信业务。 铱系统概况 由Motorola提出的世界上第一个低

13、轨道全球卫星移动通信系统 支持话音、数据和定位业务 系统在不依赖地面网的情况下可支持地球上任何位置用户之间的通信,2020/7/10,70,典型卫星通信系统-Iridium (铱)星系统,发展 1998年11月，开始商业运营 1999年7月止，用户数量不足3万 1999年8月13日，申请破产保护 2000年12月，新铱星公司成立，用2500万收购了投资近60亿的铱星公司 2001年3月，重新开始提供全球通信业务 2004年7月，实现盈利 2005年5月，全球用户数14.8万户 2006年1月，共发射卫星95颗，66颗工作，13颗在轨备份，11颗失效，5颗陨落。系统能够连续工作到2014年而无需

14、发送额外卫星,2020/7/10,71,典型卫星通信系统-Iridium (铱)星系统,发展 1998年11月，开始商业运营 1999年7月止，用户数量不足3万 1999年8月13日，申请破产保护 2000年12月，新铱星公司成立，用2500万收购了投资近60亿的铱星公司 2001年3月，重新开始提供全球通信业务 2004年7月，实现盈利 2005年5月，全球用户数14.8万户 2006年1月，共发射卫星95颗，66颗工作，13颗在轨备份，11颗失效，5颗陨落。系统能够连续工作到2014年而无需发送额外卫星,2020/7/10,72,系统组成 卫星星座 系统控制段 信关站 用户单元 通信链路

15、用户链路L波段 星际链路Ka波段 馈电链路Ka波段,典型卫星通信系统-Iridium (铱)星系统,典型卫星通信系统-Iridium (铱)星系统,2020/7/10,74,卫星星座 66颗主用卫星，分布在6个轨道面 轨道高度777.84km 每颗卫星 3个L波段用户链路 4个Ka波段星际链路 4个Ka波段馈电链路 具备复杂的星上处理与交换能力，能够不依赖地面独立传输与交换,典型卫星通信系统-Iridium (铱)星系统,2020/7/10,75,典型卫星通信系统-Globalstar全球星系统,概述 由美国劳拉公司和高通共同建设 用48颗绕地球运行的低轨道卫星在全球范围（不包括南北极）向用户

16、提供无缝隙覆盖的、低价的卫星移动通信业务，业务包括话音、传真、数据、短信息、定位等 系统用户通过卫星链路接入地面公用网，在地面网的支持下实现全球卫星通信，是地面网的补充和延伸。 全球星系统没有星际链路，无需星上处理，系统投资费用低，技术风险小,2020/7/10,76,典型卫星通信系统-Globalstar全球星系统,系统组成 空间段 48颗卫星，8个轨道,每个卫星16个点波束 用户链路和馈电链路 无星际链路和星上处理与交换 地面段 地面操作控制中心 卫星操作控制中心 射频控制设施 用户段：各类用户终端,2020/7/10,77,典型卫星通信系统-Globalstar全球星系统,通信体制 用户

17、链路：移动用户与卫星的通信 L&S波段（上行L波段，下行S波段，调制方式QPSK） 多址方式：CDMA/FDMA/SDMA 馈电链路：信关站与卫星的通信 C波段（上行L波段，下行S波段，调制方式QPSK） 多址方式：FDMA/FDM 切换：只有波束之间的切换和星际切换，切换由信关站决定 路由计划 接入原则：优先接入地面网 路由选择原则,2020/7/10,78,典型卫星通信系统 (Inmarsat-海事卫星移动系统),关于Inmarsat 最早的GEO卫星移动系统，由美国通信卫星公司（COMSAT）利用Marisat卫星进行卫星通信，是一个军用卫星通信系统 70年代中期为增强海上船只的安全保障

18、，将部分内容提供给远洋船只使用 1982年形成了以国际海事卫星组织（Inmarsat）管理的Inmarsat 系统，开始提供全球海事卫星通信服务 1985年对公约作修改，决定把航空通信纳入业务之内 1989年决定把业务从海事扩展到陆地 目前是一个有72个成员国的国际卫星移动通信组织，控制着135个国家的大量话音和数据系统。中国也参加了这个组织,2020/7/10,79,典型卫星通信系统 (Inmarsat-海事卫星移动系统),Inmarsat的四个发展阶段 第一代：主要通过租用卫星实现 第二代：1990年投入使用，共四颗卫星 第三代：1996年投入使用，共5颗卫星 第四代：2008年8月完成全部发射，共3颗卫星,2020/7/10,80,典型卫星通信系统 (Inmarsat-海事卫星移动系统),Inmarsat系统概述 是目前惟一的全球海上、空中和陆地商用及遇险安全卫星移动通信服务的提供者 GEO系统，第三代系统由4颗静止轨道卫星组成，分别覆盖太平洋