卫星移动通信与卫星宽带通信——发展及现状

1、卫星通信的发展及现状,2011-11,主要内容,卫星通信的基本概念 卫星通信系统的相关知识 VSAT系统 卫星移动通信系统 卫星宽带通信系统,定义,卫星通信是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。卫星通信工作在微波频段。,简史,1945年，英国Extra-Terrestrial Relays一文中提出利用3颗静止卫星覆盖全球的设想。 1945年到1964年间，曾经先后利用月球、气球、铜针偶极子带作为中继，进行电话电视传输试验 1957年，前苏联发射了第1颗LEO卫星Sputnic（美苏太空竞赛的导火索） 1962年，美国第1次发射了真正实用通信卫星（

2、Telstar/MEO） 1965年，第1颗商业通信卫星（INTELSAT-1）进入静止轨道 1990-2000年，引入卫星直接广播语言（DAB）业务 2000-2005年，引入宽带个人通信；Ka频段系统得到迅速；多个LEO和MEO卫星系统投入运行,要求,卫星通信的普及要求： 低成本：通信费用和终端费用 方便：手持电话，漫游，切换 可靠：低掉线率，高连接率 高质量通信：可接受的时延，语音质量,主要内容,卫星通信的基本概念 卫星通信系统的相关知识 VSAT系统 卫星移动通信系统 卫星宽带通信系统,分类,静止轨道卫星（Geostationary Earth Orbit：GEO）： 与地球上某一点保

3、持相对静止 赤道延伸平面：36000km 优点： 经济，三颗卫星，覆盖全球 缺点： 长距离造成大信号衰减和大传播时延（500ms以上）,分类,中轨道卫星（Medium Earth Orbit：MEO） 高度在500012000km左右 为了覆盖整个地球需要10颗左右卫星 GPS：为美国空军系统运作，用作全球定位。 早期为12个卫星星座，在19781985年间发射; 新的GPS系统，在19891994年间发射；为24颗小卫星星座系统,分6个轨道平面覆盖全球,分类,低轨道卫星（Low Earth Orbit：LEO） 高度在500900km 提供全球移动电话和数据服务；也可用于地面摄影和侦察 优点

4、： 信号衰减小，时延小 卫星重量轻，结构简单 缺点： 为了覆盖整个地球需要大量卫星，系统复杂！,主要应用领域,互接长途电话业务： 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56），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：中国电信运营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%） 可以提供备份电路或传送峰值业务,主要应用领域,无线电和电视广播： 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3

5、R和热鸟3号）的32个转发器 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卫星向全国传送 海上、地面和空中的移动通信： 基于TCP/IP的internet业务,卫星通信系统的组成,卫星通信系统主要由空间分系统、通信地球站分系统、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统四大功能部分组成。,卫星通信系统的组成,空间分系统是指通信卫星，主要由天线分系统、遥测与指令分系统、控制分系统、通信分系统和电源分系统组成。 通信地球站由天线馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备等组成 跟踪遥测及指令分系统对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入

6、静止轨道上的确定位置，并对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和校正。 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，以确保通信卫星正常运行和工作。 具体的结构上，固定卫星系统和移动卫星系统会有所区别,卫星通信使用的频段,L频段1-2 GHz（移动卫星业务、地面微波、广电、蜂窝） S频段2-4 GHz（移动卫星业务、数字音频广播、NASA研究） C频段4-8 GHz （固定卫星业务、地面微波） X频段8-12.5 GHz（卫星军事通信、地球观测卫星） Ku频段12.5-18 GHz（固定卫星、广播卫星、地面微波） K频段18-26.5 GHz

7、（固定卫星、广播卫星、 LMDS ） Ka频段26.5-40 GHz（固定卫星、星际链路、卫星成像、LMDS）,主要内容,卫星通信的基本概念 卫星通信系统的相关知识 VSAT系统 卫星移动通信系统 卫星宽带通信系统,VSAT卫星通信,什么是VSAT卫星通信？ VSAT全称是Very Small Aperture Terminal，可以理解为小站。它的特点就是一个小字。由于小站具有灵活、简单、方便、成本低等特点，很多企业、政府部门把它作为系统内的专用通信网。现在VSAT系统的传输速率较初期大为提高，除了数据外，还传输各种多媒体信息。包括卫星电视接收小站在内，VAST应用得越来越广泛。,VSAT卫

8、星通信,VSAT通信业务的应用范围 语音通信 数据通信 高速互联网 广播电视 电子商务 证券交易,VSAT通信的应用技术,利用Ku波段，VSAT终端的数据传输速率达到2Mbps以上 Ka波段的开发，使VSAT带宽大大增加 数据通信协议逐渐规范，采用TCP/IP，与Internet互联 采用多波束天线，节省星上资源，增加下行功率 与 B-ISDN结合，实现卫星多媒体通信 采用VSAT实现移动通信业务,VSAT卫星通信,星上处理技术 随着卫星通信带宽不断增加，为降低地面设备的复杂度和用户终端设备成本，把一些处理技术转移到卫星上进行，这是卫星通信发展的方向。 比特再生：改善信道质量3-10db 多波

9、束天线：提高EIRP，增加系统容量，简化终端 前向纠错：8db编码增益 功率放大器矩阵组：动态功率匹配，减少功率消耗 自主基带切换：增加系统灵活性，系统吞吐量提高3倍 自适应编译码：提高信道可靠性,VSAT卫星通信,多址接入方式 语音：TDMA FDMA CDMA SDMA:采用多波束天线，每个波束覆盖一定区域。空分多址不单独采用，一般结合TDMA 数据：纯ALOHA 时隙ALOHA 预约ALOHA,主要内容,卫星通信的基本概念 卫星通信系统的相关知识 VSAT系统 卫星移动通信系统 卫星宽带通信系统,铱星系统是划时代的开路先锋,1996年，铱星获得联邦通讯委员会(Federal Commun

10、ications Commission)的经营许可，一个国际范围的支持者队伍共融资20亿美元给铱星公司 2000年3月18日， 铱星背负40多亿美元债务正式破产。昨夜星光灿烂，而今化做一道美丽的流星。 铱星在2001年接受新注资后起死回生，美国军方是他主要客户。,铱星的技术概况,66颗星在6个轨道面上排列运行（原计划77颗星，有如元素“铱”） 铱星系统的复杂、先进之处在于采用了星上处理和星间链路技术，相当于把地面蜂窝网倒置在空中，使地面实现无缝隙通讯。 另外一个先进之处是铱星系统解决了卫星网与地面蜂窝网之间的跨协议漫游。铱星系统由空间段和地面段组成：空间段即星座，地面段包括系统控制中心、关口站

11、和用户终端。 铱星系统开创了全球个人通信的新时代，被认为是现代通信的一个里程碑，使人类在地球上任何能见到 的地方都可以相互联络。其最大特点就是通信终端手持化，个人通信全球化，实现了5个“任何”（5W），即任何人（Whoever）在任何地点（Wherever）、任何时间（Whenever）与任何人（Whomever）采取任何方式 （Whatever）进行通信。,铱星失败的原因市场角度,摩托罗拉启动铱星计划的时候没有作过认真的市场分析。当绝大部分城市、城市近郊的农村、交通干线、旅游胜地都被地面网络覆盖，当移动电话的国际漫游成为可能，卫星移动电话的市场无疑在被不断地压缩着，用户群的规模相应地不断减少

12、。地面移动电话网络在成本费用、手机轻便性等方面占了相当的优势。 “贵族科技”。铱星手机价格每部高达3000美元，加上高昂的通话费用。,铱星失败的原因技术角度,铱星电话在建筑物内无法接收信号 铱星电话过于笨重，使用不方便 摩托罗拉公司的铱星双模式手机重约454克，京瓷公司的铱星单模式和双模式手机均重400克，它们比重量不到100克的GSM手机笨重得多，使用也不方便。 铱星系统与蜂窝电话网络相连，必须适应不同的区域传输标准，由此产生的转换成本给用户带来较大的不便。例如一位欧洲用户到美国和日本商务旅行，需买3个通话卡才能与这3个地区的传输技术标准相匹配，而每个卡大约价格为660900美元。 语音质量

13、和传输速度不理想 铱星所采用的MF-TDMA（多频时分多址）通信体制的话音质量不如CDMA（码分多址）。另外，铱星系统的数据传输速率仅有2.4kbps，因此除通话外，只能传送简短的电子邮件或慢速的传真，无法满足互联网时代的需求。,铱星的后继者全球星,全球星是由美国劳拉公司（Loral Corporation）和高通公司（Qualcomm）倡导发起的卫星移动通信系统。 全球星系统用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。用户可使用双模式手持机，双模式手持机既可工作在地面蜂窝通信模式（即目前手持

14、机的工作模式），也可工作在卫星通信模式（在地面蜂窝网覆盖不到的地方）。 全球星系统采用低轨卫星通信技术和CDMA技术，能确保良好的话音质量，增加通话的保密性和安全性，且用户感觉不到时延。 全球星系统没有星际链路，无需星上处理，从而大大降低了系统投资费用，而且避免了许多技术风险。当然，星体设计的简单使得系统必须建很多关口站，在全球需建100至150座。,全球星系统的组成（一）,空间段 轨道高度约为1414km，传输时延和处理时延小于300ms，因此，用户感觉不到时延。每颗卫星能够与用户保持17min的连通，然后通过软切换转到另一颗卫星，用户感觉不到切换。卫星采用码分多址方式（CDMA），码元带宽

15、为1.23MHZ。卫星定位精度最高可达300m。 地面段 该段包括全球星控制中心（NCC）和关口站（GW）。全球星系统的一主一备NCC自责管理全球星系统的地面接续，在中国建三个关口站即可覆盖全国。关口站的空中信道最少为80条，最大为1000条；用户容量最小为1万，最大为10万，三个关口站最终可容纳30万用户。,全球星系统的组成（二）,用户段 该段指的是使用全球星系统业务的用户终端设备，包括手持式、车载式和固定式。手持式终端有三种模式：全球星单模，全球星/GSM双模、全球星/CDMA/AMPS三模。手机尺寸略大于现有地面蜂窝手机，通话时间和待机时间与现有地面蜂窝手机相当。 全球星是通过卫星向世界

16、各地提供话音、数据（最高速率达9.6kbit/s）、传真、短信息、紧急呼叫、语音信箱、定位及全球漫游等通信业务的无线通信系统。,全球星系统仍在建设,2011年7月13日，俄罗斯航天部门在哈萨克斯坦境内的拜科努尔发射场发射6枚美国“全球星”系列通信卫星。 俄联邦航天署发布消息说，此次将6颗卫星同时送入太空的是一枚“联盟2”型运载火箭。,最雄心勃勃的Teledesic系统,巨LEO卫星Teledesic系统 Teledesic系统是迄今为止最雄心勃勃的LEO星座系统，其卫星数量之多，建造成本之高，都创下了星座系统之最，因此该计划一出笼，立即引起世人关注。在系统设计上从最初的840颗星，分布在21个

17、轨道上，每个轨道48颗卫星，卫星高度700km，每颗卫星由64个点波束形成64个直径为1500km的圆形覆盖区。又称为“千星系统”，减至288颗星，后来又减至120颗星加6颗在轨备份。卫星高度为700km，每颗卫星用64个点波束形成相应64个直径为1500km的圆形覆盖区。它最初的目标是宽带互联网业务。,几种主要系统比较,主要内容,卫星通信的基本概念 卫星通信系统的相关知识 VSAT系统 卫星移动通信系统 卫星宽带通信系统,现实的威胁IPSTAR,拥有者： 泰国泰信公司 制造商：美国劳拉公司 转发器数量： 114 星上功率：14 KW 预期寿命：12 年 发射重量：6,500公斤 发射日期：2

18、005年8月11日 定点： 东经119.5度,综合业务平台-IPSTAR,IPSTAR系统，是一座建立在大容量多波束的IPSTAR-1卫星基础上的天基宽带卫星通信网络 IPSTAR-1卫星总容量达45Gbps，是一颗传统通信卫星容量的20-30倍 IPSATR-1卫星的单位带宽容量的成本远低于传统卫星 IPSTAR系统具有充分的比较优势 将推翻人们脑海中卫星通信“昂贵”的观念 充分发挥了卫星通信的”无处不在、业务开通灵活便捷”等优势,IPSTAR介绍-波束覆盖(中国区),IPSTAR 卫星分别提供： 宽带单播流量， 使用点波束和成型波束 广播多播内容，使用广播波束,中国卫通与IPSTAR,IP

19、STAR系统由中国卫通与泰国信卫星大众有限公司合作推出 IPSTAR-1卫星可提供中国地区使用的总容量约12Gbps 23个点波束覆盖中东部地区 1个成形波束覆盖西部地区 一个广播波束重叠覆盖中东部地区,IPSTAR系统网络结构,IPSTAR系统概览,IPSTAR系统是一个完全基于IP技术的宽带卫星通信广播系统 由IPSTAR-1卫星、业务关口站和小口径天线地面终端组成 拓扑结构：星型 关口站工作于Ka频段，端站工作于Ku频段 即关口站到终端的前向链路为Ka上行，Ku下行 终端到关口站的返向链路为Ku上行，Ka下行 由IPSTAR-1卫星完成Ka-Ku频段的交链 端站与地面宽带网络以及相互之间

20、的业务连接和交换由关口站完成,IPSTAR关口站的构成,IPSTAR 用户终端,天线,射频子系统,IPSTAR TOLL发射机 &STAR 接收机,IPSTAR 网络管理系统,本地内容服务器,IPSTAR TOLL & STAR接口,IPSTAR TCP加速器“NettGain”,VoIP 网关,Internet 骨干网,IPSTAR关口站,IPSTAR关口站,IPSTAR关口站的主要功能： 接入控制、授权、故障管理、配置管理、性能管理和计费数据采集； 卫星及地面网络资源管理； 收集、存储、统计和处理计费信息； 为用户终端提供基于IP的包交换； 提供IPSTAR系统与地面网络之间的接口 服务于

21、中国地区的关口站有三座，分别位于北京、上海和广州，相互之间通过地面光缆相连接,IPSTAR用户终端（UT）,IPSTAR 用户终端设备包括：,专业系列,室外单元 (ODU): 室外单元系统为IPSTAR室内单元的使用作了特别的优化,室内单元 (IDU): 高性能的 IPSTAR卫星Modem,IPSTAR终端：专业系列,高性能的卫星终端： 下载速度最高达 4 Mbps 上传速度最高达 2 Mbps IP转发，支持多PC环境 支持TCP加速，GRE 隧道协议 灵活的接口： Ethernet 10/100 BaseT (RJ45) USB 2.0 100-240V 交流供电 -12V 直流供电(可

22、选) 应用： VoIP 视频会议 热点和WLAN IP专网 IP2TV,与微蜂窝结合，后果会如何？,IPSTAR中国业务网络组成,IPSTAR系统的综合优势（一）,系统得到最优化设计 IPSTAR系统是由IPSTAR-1卫星、关口站和用户终端有机结合的一个天地一体的全IP宽带接入网络。自IPSTAR项目之始，卫星载荷、关口站和用户终端既是作为整个系统的子系统进行优化设计的，因此相互之间可以做到有机的结合和协调 链路可靠性高 IPSTAR系统采用了星上动态功率管理和动态带宽管理等新技术，解决Ka和Ku波段卫星通信降雨衰耗大的问题，使IPSTAR系统的链路可靠性和传输性能得到了最大的保证 系统安全性高 IPSTAR系统采用Ka+Ku频段空间交链技术和跳频技术，可有效防止不法信号对卫星的干扰，较完全开放的传统卫星有更高的安全性,IPSTAR系统的综合优势（二）,系统容量大 IPSTAR系统可提供中国地区使用的容量达12Gbps，是目前可提