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,---北京星空年代通信技術有限公司,衛(wèi)星通信基礎知識簡介,,范曉晴,5November2015,1,衛(wèi)星通信,1、衛(wèi)星通信概述,2、衛(wèi)星通信特點,3、衛(wèi)星軌道及頻段,5、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成,6、衛(wèi)星信道多址接入方式,7、衛(wèi)星網絡組成及結構,8、VSAT,4、通信衛(wèi)星的組成,2,衛(wèi)星通信概述,衛(wèi)星通信是指地球上的兩個或多個無線電通信站之間利用人造衛(wèi)星作為中繼站而進行的通信。從技術上講，衛(wèi)星通信是在地面微波中繼通信和空間技術基礎上發(fā)展起來的一種特殊形式的微波中繼通信，它相當于將微波中繼通信的中繼站搬到衛(wèi)星上。,5November2015,范曉晴,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,衛(wèi)星,地球站B,本地應用如：數(shù)據(jù)、話音、視頻,本地應用如：數(shù)據(jù)、話音、視頻,地面鏈路地球站A,地面鏈路,范曉晴,5November2015,3,衛(wèi)星通信概述,,,,,,4,?優(yōu)點：,–覆蓋面積大，除了地球南、北極地區(qū)，三顆衛(wèi)星即可覆蓋地球–通信費用與通信距離無關–星際通信–組網靈活，建設周期短（經濟活躍時，優(yōu)勢明顯）–非對稱信道,GEO,5November2015,范曉晴,衛(wèi)星通信特點,,5,–同步軌道衛(wèi)星：通信時延大（0.27秒）通信端站體積大設備價格高操作復雜–中、低軌道衛(wèi)星：系統(tǒng)復雜，使用費用高–政策、通信安全方面–易受惡意干擾和攻擊,5November2015,范曉晴,?缺點：,衛(wèi)星通信特點,,6,星蝕與日凌,5November2015,范曉晴,衛(wèi)星通信特點,,7,?GEO：同步靜止軌道，35,863Km，24小時靜止可見,––,覆蓋廣、靜止易跟蹤、廣播和多點應用時延長和信號弱不利點對點、極地覆蓋困難,?LEO：低地球軌道，500-1,500Km，15-20分鐘可見,––,時延短且信號強適合點對點多星組網費用大、多普勒、大氣阻力->軌道惡化,?MEO：中地球軌道，8,000-18,000Km，2-8小時可見,––,很少幾顆衛(wèi)星可組網，遠少于LEO時延和信號不如LEO，但比GEO好,?MolniyaOrbit：閃電軌道（大橢圓軌道）,––,俄羅斯已使用10年，高緯度和極地地區(qū)，傾角>60相對靜止可見8小時，3閃電軌道衛(wèi)星可當1GEO,?HAPs：高空平臺（衛(wèi)星），20Km,––,一個飛艇或飛機，覆蓋范圍小，信號強易布置，但需要很多個才能組網,5November2015,范曉晴,衛(wèi)星軌道及頻段,8,5November2015,范曉晴,各類軌道優(yōu)缺點比較,,9,衛(wèi)星通信頻段及應用,––––,用于MSS（移動業(yè)務）用于MSS和深空研究用于FSS（固定業(yè)務）用于FSS和陸地成像,L–Band：1~2GHz，S-Band：2~4GHz，C-Band：4~8GHz，X-Band：8~12.5GHz，?如：軍用和氣象衛(wèi)星,–Ku-Band：12.5~18GHz，–K-Band：18~26.5GHz，–Ka-Band：26.5~40GHz，,用于FSS和BSS(DBS)用于FSS和BSS用于FSS,BSS(DBS)：廣播（直播）衛(wèi)星不同衛(wèi)星使用不同的頻段,范曉晴,5November2015,,10,衛(wèi)星傳輸段分段定義,5November2015,范曉晴,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,t???1,方位角????=180+,=180?,極化角???=?????1,11,衛(wèi)星通信要素：AZ、EL,?,俯仰角??=tan?1,cos?cos?????????????1?cos2?cos2??????,––––,修正后????=0.5??+??2+4.132（大氣折射）r=????+????=????+?0=軌道半徑???????=0.1512（靜止軌道）?=衛(wèi)星的經度差?地球站經度??????=地球站緯度,t???sin??????,–修正后????=????+???–正南為180度，南偏西大于180度，南偏東小于180度–（南半球的方位角，不需要+180）,??,?sin?1?cos2??????cos2?–上試中?m是地球站磁偏角=地球真北與磁北夾角sin???????????,––,面對天線反射面正面：南偏西為負數(shù)@逆時針轉；南偏東為正數(shù)@順時針轉。接收水平極化@LNB入口波導短邊與地面平行；垂直極化@LNB入口波導長邊與地面平行。,h0,αs,G,Re,S,RsMθγReO,軌道,赤道,5November2015,范曉晴,,12,范曉晴,5November2015,通信衛(wèi)星的組成,天線分系統(tǒng)：定向發(fā)射與接收無線電信號通信分系統(tǒng)：接收、處理并重發(fā)信號。（轉發(fā)器）電源分系統(tǒng)：為衛(wèi)星提供電能，包括太陽能電池、蓄電池和配電設備。跟蹤遙測指令分系統(tǒng)：跟蹤部分用來為地球站跟蹤衛(wèi)星發(fā)送信標;遙測部分用來在星上測定并給地面的TTC站發(fā)送的有關衛(wèi)星姿態(tài)、星上各部件工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)指令部分用于接收來自地面的控制指令，處理后送給控制分系統(tǒng)執(zhí)行?？刂品窒到y(tǒng)：用來對衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道位置、各分系統(tǒng)工作狀態(tài)進行必要的調節(jié)與控制。,,13,范曉晴,5November2015,天線分系統(tǒng),遙測、指令和信標天線全向天線，以便于可靠接收指令與向地面發(fā)射遙測數(shù)據(jù)和信標。通信天線全球波束天線點波束天線賦形波束天線,,14,范曉晴,5November2015,轉發(fā)器,是通信衛(wèi)星中直接起中繼站作用的部分。要求：以最小的附加噪聲和失真，足夠的工作頻帶和輸出功率業(yè)為各地球站有效可靠地轉發(fā)無線電信號。透明轉發(fā)器對收到的信號只進行低噪聲放大、變頻、功率放大，對頻帶內的任何信號是透明的通道。處理轉發(fā)器除進行轉發(fā)信號外，還具有信號處理功能。,,15,范曉晴,5November2015,轉發(fā)器示意圖,放大器,中頻放大,本振1,主振源,本振2,混頻,合路,混頻,功放,,,,,,,解調、信號處理、調制,處理轉發(fā)器,透明轉發(fā)器,,,,,,16,范曉晴,5November2015,衛(wèi)星資源,轉發(fā)器衛(wèi)星上的頻率模塊，典型的帶寬是40MHz/每轉發(fā)器。（36MHz使用-2MHz保護帶寬）部分Ku頻段轉發(fā)器帶寬是54MHz或72MHz。,,17,衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成,范曉晴,5November2015,空間分系統(tǒng),地球站分系統(tǒng),,監(jiān)測管理分系統(tǒng),,跟蹤遙測指令分系統(tǒng),,,,,,18,衛(wèi)星通信系統(tǒng)各部分的作用,范曉晴,5November2015,組成：通信衛(wèi)星(通信裝置(轉發(fā)器)、遙測指令裝置、控制裝置、太陽能蓄電池)。作用：通信衛(wèi)星主要是起無線電中繼站的作用，是靠星上通信裝置中的轉發(fā)器（微波收發(fā)信機）和天線來完成的。,一、空間分系統(tǒng),,19,范曉晴,5November2015,組成：天線饋線設備，發(fā)射設備，接收設備，信道終端設備，天線跟蹤、伺服設備，電源設備。作用：是無線電收發(fā)信臺，用戶通過地球站接入衛(wèi)星線路進行通信。,衛(wèi)星通信系統(tǒng)各部分的作用,二、地球站分系統(tǒng),,20,范曉晴,5November2015,對衛(wèi)星進行跟蹤測量，控制其準確進入禁止軌道上的指定位置；待衛(wèi)星正運行后，定期對衛(wèi)星進行軌道修整和位置保持。,三、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng),衛(wèi)星通信系統(tǒng)各部分的作用,,21,范曉晴,5November2015,對定點后的衛(wèi)星在業(yè)務開通前、后進行通信性能的監(jiān)測和控制，例如對衛(wèi)星轉發(fā)器功率、衛(wèi)星天線增益以及各地球站發(fā)射的功率、射頻頻率和帶寬等基本通信參數(shù)進行監(jiān)控，以確保正常通信。,衛(wèi)星通信系統(tǒng)各部分的作用,四、監(jiān)測管理分系統(tǒng),多址聯(lián)接方式的概述,22,5November2015,范曉晴,1#站,2#站,3#站,,23,5November2015,范曉晴,一個無線電信號可以用若干個參量（指廣義的參量，下同）來表征，最基本的是：信號的射頻頻率，信號出現(xiàn)的時間以及信號所處的空間,,24,5November2015,范曉晴,目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要多址,,25,5November2015,范曉晴,一、頻分多址方式（FDMA）FDMA的基本特征是，把衛(wèi)星轉發(fā)器的可用射頻頻帶分割成若干互不重疊的部分，分配給各地球站所要發(fā)送的各載波使用。因此，F(xiàn)DMA方式中，各載波的射頻頻率不同。發(fā)送的時間雖然可以重合，但各載波占用的頻帶是彼此嚴格分開的。,目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要多址方式,,26,5November2015,范曉晴,頻分多址方式－FDMA,,27,5November2015,范曉晴,頻分多址方式-FDMA,,28,5November2015,范曉晴,頻分多址方式是微波中繼通信系統(tǒng)所用方式的引伸。優(yōu)點:技術成熟，設備較簡單，在大容量線路工作時效率較高。缺點：多個載波信號同時通過轉發(fā)器時，會發(fā)生轉發(fā)器有效輸出功率降低、和生互調噪專用和可懂串話、強信號對弱信號的抑制等現(xiàn)象，因而有效容量將隨載波增多而急劇降低，并且大、小站難以兼容，各站發(fā)射功率必須保持穩(wěn)定（起伏值一般要求小于正負0.5DB）；不靈活，要重新分配頻率比較困難。,,29,5November2015,范曉晴,二、時分多址－TDMA,目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要多址方式,TDMA的基本特征是，把衛(wèi)星轉發(fā)器的工作時間分割成周期性的互不重疊的時隙（每個時隙也稱為分幀，一個周期則稱為一幀），分配給各站使用。典型的制式是TDM-PSK-TDMA，每個站的群路被時分復用成多路信號，然后對其信號進行相移鍵控，轉發(fā)器按時分實現(xiàn)多址聯(lián)接，各分幀含保護時隙。,,30,5November2015,范曉晴,時分多址－TDMA,,31,5November2015,范曉晴,TDMA方式優(yōu)點:充分利用衛(wèi)星功率且無互調；充分利用轉發(fā)器的頻帶；不會產生弱信號受抑制問題，上行功率不需要精確控制；各站所發(fā)分幀的碼速率可以不同，便于大、小站兼空。TDMA方式在中、小容量的線路工作時，也可以得到相當高的效率。它的容量隨站數(shù)增加而下降的速度比FDMA的緩慢得多。TDMA方式缺點:要有精確的同步，以保證各突發(fā)到達轉發(fā)器的時間不發(fā)生重疊，并且保證接收站能正確識別站址和迅速建立載波、位定時的同步，而這是比較復雜、困難的技術。,,32,5November2015,范曉晴,三、碼分多址－CDMA,目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要多址方式,CDMA是基于擴頻通信中的一種多址方式，很多CDMA信號共用一個頻譜，每個信號有不同的PN序列組成，它對載波進行調制擴展其頻譜。CDMA的基本特征是各站所發(fā)的信號在結構上各不相同并且相互具有準正交性，以區(qū)別地址，而在頻率、時間、空間上都可能重疊。采用這種方式時，各站所發(fā)射的載波大都受到兩種調制，一種是基帶信號（一般是數(shù)字的）的調制，一種是地址碼的調制；接收時，對于某一地址碼，只有與之相應的接收機才能檢測出信號，而其它接收機檢測出的卻呈現(xiàn)為類似高斯過程的寬帶噪聲。,,33,5November2015,范曉晴,碼分多址－CDMA,,34,5November2015,范曉晴,CDMA系統(tǒng)特性：,CDMA以擴頻技術為基礎，具有擴頻通信所固有的抗干擾能力強、抗多徑衰落、安全保密性好等優(yōu)點，而且CDMA通信還具有隱蔽性好、多址訪問靈活、對非正交系統(tǒng)不需要系統(tǒng)的同步、與同頻通信系統(tǒng)之間的相互干擾小、對多普勒頻移不敏感等優(yōu)點。與TDMA、FDMA相比，CDMA系統(tǒng)的優(yōu)點在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中體現(xiàn)得更加明顯。,,,,fc,fc-Rd,fc+Rd,fc-Rc,fc+Rc,頻率,,信息調制波頻譜,,擴頻調制后頻譜,fc為中心頻率Rc為碼速率Rd為數(shù)據(jù)速率,擴頻原理示意圖,,35,5November2015,范曉晴,CDMA方式的優(yōu)點：具有較強的抗干擾能力；有一定的保密能力；改變地址比較靈活。CDMA方式的缺點：要占用很寬的頻帶，頻帶利用率一般較低；要選擇數(shù)量足夠的可用地址碼組較為困難；接收時，對地址碼的捕獲與同步需有一定時間。CDMA方式特別適用于軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)及小容量的系統(tǒng)。,,36,5November2015,范曉晴,SDMA的基特征是衛(wèi)星天線有多個窄波束（又稱點波束），它們分別指向不同的區(qū)域地球站，衛(wèi)星上裝有轉換開關設備將其轉換到另一通信區(qū)域的下行波束，從而傳送到此一區(qū)域的某站。一個通信區(qū)域內如果有幾個地球站，則它們之間的站址識別還要借助FDMA或TDMA方式。,目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要多址方式,四、空分多址－SDMA,,37,5November2015,范曉晴,SDMA方式有許多新穎特點：衛(wèi)星天線增益高；衛(wèi)星功率可得到合理有效的利用；不同區(qū)域地球站所發(fā)信號在空間互不重疊，即使在同一時間用相同頻率，也不會相到干擾，因而可實現(xiàn)頻率重復使用，這就成倍地擴大了系統(tǒng)的通信容量；轉換開關使衛(wèi)星成為一臺空中交換機，各地球站之間可像自動電話系統(tǒng)那樣方便地進行多址通信。此外，衛(wèi)星對其它地面通信系統(tǒng)的干擾減少了，對地球站的技術要求也降低。SDMA方式不足：SDMA方式對衛(wèi)星的穩(wěn)定及姿態(tài)控制提出很高的要求；衛(wèi)星天線及饋線裝置也比較龐大和復雜；轉換開關不僅使設備復雜，而且由于空間故障難以修復，增加了通信失效的風險。,,38,5November2015,范曉晴,僅有有限的頻帶可利用，并且一般是分配在衛(wèi)星的幾個轉發(fā)器中的；時間的分割與占用頻帶有關。時隙分割得越小，為傳送足夠的信息必然要提高碼速率，這就意味要增加所需頻帶的寬度，而可利用的頻帶寬度卻是有限的；能占有的最大空間是衛(wèi)星覆球波束所占據(jù)的范圍，雖然分割成很多窄波束小空間，但不可能無限分割；能有效使用的地址碼不是無限多的。,上述幾種分割的局限性,,39,5November2015,范曉晴,各種組合形式的多址聯(lián)接,TDMA/FDMATDMA/SDMATDMA/FDMA/SDMA,,40,5November2015,范曉晴,選擇多址聯(lián)接方式，需要考慮的因素,通信容量的要求；衛(wèi)星頻帶、功率的有效利用；相互聯(lián)接能力的要求；便于處理各種不同業(yè)務量和網絡的不斷增長有靈活的自適應能力；成本和經濟效益；技術的先進性和可實現(xiàn)性；能適應技術和政治情況的變化；其它的某些特殊要求，如軍事上的保密、抗干擾等。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,41,衛(wèi)星通信網絡組成,空軍機載,旅行車載,船載,海軍艦載,衛(wèi)星,通信中心樞紐,偵察機載GSM/CDMABTS,地球站中心站VSAT移動指揮中心,5November2015,范曉晴,,42,?點對點?網狀網?星狀網?混合網(星狀和網狀網的混合網),5November2015,范曉晴,網絡結構,,,,,,,,43,?FDMA/PAMA,F1,F2,F5,F6,F3,F4,Frequency,5November2015,范曉晴,網絡結構：點對點,,,,,,,,,,,43,?FDMA/DAMA,F1,F6,F5,F7,F3,F2,F4,F8,Frequency,5November2015,范曉晴,網絡結構：網狀網,,,,,45,Slot4Slot3Slot2Slot1,slot0,網絡結構：網狀網（/星狀網）,?TDMA/DAMA,Frequency,5November2015,范曉晴,,,,,,46,?CDMA/DAMA,CODE1/2/3/4/5,Frequency,5November2015,范曉晴,網絡結構：網狀網（/星狀網）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,47,?SDMA/(F/T/C-DMA)/DAMA,F1/TDM,F3/TDMA,F1,F4,F2F3波束1,波束2,Frequency,Frequency,5November2015,范曉晴,網絡結構：網狀網（/星狀網）,,49,范曉晴,5November2015,VSAT,VSAT是一種天線口徑很小的衛(wèi)星通信地球站，又稱微型地球站或小型地球站。示意圖其特點是天線直徑很小(一般為0.3-2.4米)，設備結構緊湊、固體化、智能化、價格便宜、安裝方便、對使用環(huán)境要求不高，且不受地面網絡的限制，組網靈活。,,49,范曉晴,5November2015,衛(wèi)星通信地球站,組成：天線分系統(tǒng)發(fā)射分系統(tǒng)接收分系統(tǒng)信道終端設備分系統(tǒng)伺服務跟蹤設備分系統(tǒng)用戶接口分系統(tǒng)電源分系統(tǒng),,50,范曉晴,5November2015,天線分系統(tǒng),任務：發(fā)射和接收信號組成：天線雙工器極化變換器伺服務跟蹤設備要求：天線增益高噪聲溫度低天線波束窄、旁瓣電平低饋線損耗小、頻帶寬、收發(fā)隔離度大、耐功率高,,51,范曉晴,5November2015,發(fā)射分系統(tǒng),放大器：輸出功率大寬頻帶增益穩(wěn)定性高放大器線性好上變頻器：一次變頻二次變頻,,52,范曉晴,5November2015,接收分系統(tǒng),低噪聲放大器:噪聲低，靈敏度高下變頻器:高本振低本振,,53,規(guī)劃設計,????,拓撲：星狀/網狀MAC：P2P或TDM/TDMA/DAMA或……/帶寬選擇：C或Ku/降雨&頻率設備：網絡或獨立–天線：大小-增益(主站大：6-9m，小站?。?.6-4m)–功放:大小-功率(主站大：x0-x00W，小站?。簒-x0W)–調制解調器：編碼和調制(高級、高效、高性價比)?TPC/DVB-S2…；8PSK/16QAM…(LDPC/32APSK)–U/C（上變頻器）,D/C（下變頻器）,LNA（低噪聲放大器）……–BUC（BlockUp-Converter=上變頻器+功率放大器；L頻段輸入）–LNB（LowNoiseBlockdownconverter=低噪聲放大器+下變頻器；L頻段輸出）,5November2015,范曉晴,,54,衛(wèi)星新業(yè)務的應用,5November2015,范曉晴,衛(wèi)星寬帶業(yè)務INTERNET應用IPTV應用3G及WLAN中的應用………,,55,INTERNET應用,5November2015,范曉晴,骨干網應用：因特網發(fā)源于美國，目前大部分的內容都存放儲在美國的服務器上。ISP(InternetServiceProvider)采用衛(wèi)星鏈路與美國INTERNET骨干網建立直接的連接接入網應用：可以實現(xiàn)用戶在任何時間、地點高速從互聯(lián)網獲得信息衛(wèi)星寬帶多播網應用：以衛(wèi)星廣播信道為基礎，通過信息廣播或多播方式，廉價實現(xiàn)因特網信息從一點到多點的分發(fā)，減輕地面骨干網的壓力。,,56,IPTV應用,5November2015,范曉晴,IPTV是以家用電視機為主要終端顯示，通過寬帶網絡傳輸，采用IP協(xié)議進行互動方式多媒體節(jié)目交流的一種新型方式。衛(wèi)星的切入點內容分發(fā)：IPoverDVB，將內容直接推送至邊緣媒體服務器直接到戶：IPoverDVB直接到戶，回傳采用地面互聯(lián)網、無線、衛(wèi)星。,,57,衛(wèi)星數(shù)字聲音廣播DSB業(yè)務,5November2015,范曉晴,數(shù)字化廣播包括數(shù)字化視頻廣播（DVB）和數(shù)字化聲音廣播（DSB）DSB系統(tǒng)可為數(shù)字廣播接收機提供高質量的數(shù)字聲音廣播利用基于衛(wèi)星的DSB系統(tǒng)，能提供國家局部、全國及跨國服務區(qū)域覆蓋衛(wèi)星具有天然的廣播覆蓋特性，與地面廣播結合是實現(xiàn)無縫隙覆蓋的最佳途徑,,58,Wi-Fi(WLAN)中的應用,5November2015,范曉晴,通過衛(wèi)星寬帶連接WLAN不受距離及地形的限制，具有良好的可移動性聯(lián)接方式衛(wèi)星MODEM聯(lián)接DVB-RCS寬帶聯(lián)接衛(wèi)星IP聯(lián)接衛(wèi)星終端可作為路由器、中繼器或網橋,59,衛(wèi)星應急移動通信業(yè)務,5November2015,范曉晴,主要指車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)、便攜式衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要應用場合：軍事應用：完成戰(zhàn)場條件下大地域的指揮、控制、情報等數(shù)據(jù)傳輸及話音、圖象傳輸。廣播電視：新聞采集、大型活動現(xiàn)場直播電信系統(tǒng)：電信網絡的臨時業(yè)務，如與GSM、CDMA移動基站配合，完成緊急狀態(tài)下局部地區(qū)的通信保障任務應急指揮系統(tǒng)：提供應急現(xiàn)場指揮,,謝謝！,