卫星通信系统课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5.,卫星通信系统,5.1,概述,卫星通信,多个地球站之间以人造卫星作为中继站的无线电通信方式。,静止卫星,（同步卫星）；,卫星轨道在赤道平面内，位于赤道上空,35800km,，卫星的运行方向与地球自转方向相同，绕地球一周的时间与地球自转周期同步。,每颗卫星覆盖大约,42%,的地表面积，三颗卫星实现除两极地区以外的全球通信。,卫星,2.,卫星通信特点,（,1,）覆盖区域大，通信距离远,一颗静止卫星覆盖一万多公里，相当于,200,多个微波中继。,（,2,）便于实现多址连接,（,3,）建站组网机动灵活,（,4,）频带宽，容量大,（,5,）通信质量好，可靠性高。,3.,卫星通信系统的基本组成,空间子系统,跟踪检测指令子系统,监控管理子系统,地球站,通信业务控制中心,地球站子系统,定期进行轨道修正和位置保持。,4.,卫星通信频率,UHF 0.3,1.12,移动业务，导航,L 1.12,2.6,移动业务，导航,S 2.6,3.95,C 3.95,8.2,固定业务，,6,（上行）,/4,（下行）,X 8.2,12.4,K,U,12.4,18,直播，某些固定业务，,14/12,最常用,K 18,26.5,K,a,26.5,40,毫米波,40,300,5.,电波传播特点,（,1,）自由空间损耗,（,2,）对流层影响,大气吸收损耗：天线仰角,3,1.15dB,；,天线仰角,0.5,5dB,。,仰角,5,以下，多径信号干扰引起损耗。,降雨衰减,A = aR,P,L,S,r,P,b,(dB),a,、,b,与,频率和极化有关的单位衰减系数，查文献。,R,P,降雨率,mm/h,，,P,指超过该降雨率的百分比,L,S,几何路径长度,L,G,= L,S,cosE,L,，当,E,L,10,时，,L,S,= (h,R,h,0,) /sinE,L,降雨高度,h,R,与纬度、气候带、时间百分比等有关，查文献。,L,S,L,G,h,0,h,R,E,L,（,3,）电离层影响,与入射角有关。,（,4,）多普勒效应,轨道飘移，需要补偿。,（,5,）噪声,内部：电子热噪声,外部：宇宙噪声，银河系辐射，太阳射电辐射，月球、行星、射电源等辐射，,大气噪声，降雨噪声，地面噪声（由旁瓣进入的地面温度产生的噪声和地面反射的大气噪声）,利用载噪比,C/N,衡量链路性能。,（,6,）,干扰,地球站,地球站,地球站,卫星,卫星,卫星网络,1,卫星网络,2,F,A,1,A,2,C,1,C,2,B,1,B,2,ITU,分成不同模式干扰,A,1,地球站发送信号可能对地球站接收造成的干扰。,ITU,无线电规则限定最大辐射功率。,B,1,、,B,2,限定卫星轨道间隔。,FCC,已将,6/4,由,4,改为,2 ,。地球站可利用天线增益对抗,B,1,、,B,2,干扰，但卫星站受到限制。,（,7,）星蚀与日凌中断,星蚀,当静止卫星和地心及太阳在一条直线上，且地球挡住太阳使卫星处于阴影区，影响静止卫星供电，这种现象称为星蚀。,在春分和秋分前后各,23,天共,92,天，发生在当地午夜前后,1,小时左右，需蓄电池或化学电池供电。,日凌中断,卫星处于太阳和地球之间，强大的太阳噪声会淹没卫星信号而使通信短暂中断。,发生在每年春分和秋分前后各,6,天左右，每次大约,6min,。,与地球纬度有关，最大中断时间,10min,。,地球,太阳,日凌中断时的卫星,星蚀时的卫星,6.,卫星通信传输线路性能参数,卫星通信线路组成：,发端地面站，上行线路，通信卫星，下行线路，收端地面站,通信线路,接收设备,终端设备,通信线路,终端设备,发射设备,上行线路,下行线路,通信卫星,发端地面站,收端地面站,通信线路工作过程,卫星转发器,频率变换,接收机,发射机,双工器,基带,终端设备,70MHz,多路分解,发射机,双工器,调制器,中频,接收机,解调器,多路复用,:,:,:,:,双工器,发射机,调制器,中频,接收机,解调器,多路分解,多路复用,:,:,:,:,终端设备,基带,70MHz,f,1,f,2,f,3,f,4,工作过程,发送端：基带信号经过调制器变换为中频信号（,70MHz,）,再经上变频变为微波信号（,6GHz,），经高功放放大后，由天线发向卫星（上行线）。,卫星：上行信号经放大处理，变换为下行微波信号（,4GHz,）。,接收端：下行信号经低噪声放大、下变频、中频解调，还原为基带信号。,（,1,）全向有效辐射功率,EIRP,天线对着目标方向辐射的电场强度（,dBW,）,EIRP =,P,T,G,T,L,T,P,T,为发射功率；,G,T,为发射天线增益；,L,T,为发射部分天馈系统损耗。,G,T,=,D,2,D,为,天线直径,；,为发射电波波长；,为天线效率。,EIRP,E,：,地面站天线向着卫星方向辐射的电场强度；,EIRP,S,：,卫星转发器天线向着接收地面站方向辐射的电场强度。,（,2,）传播损耗（固有衰减）,自由空间（恒参信道）传播损耗：,L,P,=,4,d,2,d,为,卫星与地面站之间的距离,。,（,3,）传播方程,接收信号强度,P,R,=,EIRP,G,R,L,P,G,R,为排除天馈系统损耗的接收天线有效增益。,（,4,）接收地面站性能指数,G/T = 10 lg = 10 lg G,R, 10 lg T,G,R,L,P,T,为接收系统的有效噪声温度。,（,5,）载波噪声温度比,C/T,、,载噪比,C/N,和信噪比,S/N,C/T,与,C/N,表明卫星线路未经解调前送入接收设备的参数。,N = KTB,，,所以,C,N,C,KTB,=,N,噪声功率；,K,波尔兹曼常数；,T,系统等小噪声温度；,B,接收机带宽。,C/N,与,C/T,的,区比在于,C/T,无带宽因素；,S/N,信号经解调后的信噪比。,（,6,）门限电平,满足信噪比或误比特率要求所需要的最小载噪比值。,改善界限,调频系统门限电平,输出,S/N/dB,C/N/dB,门限效应：,C/N,小于某一数值，,S/N,会急剧下降。,（,7,）卫星传输的信号处理技术,能量扩散技术,工作在多载波下的转发器的非线性变频器件会使未调制或负担少的载波对其他载波产生严重干扰。,对未调制的载波外加一个信号（如,20,50Hz,的三角波）使其能量扩散，接收时通过高通滤波去掉。,预加重,基带处理时通过预加重网络使频带内的信噪比均匀。,加权,针对人的视觉和听觉频率特性，用加权修正值改善人的接收感觉。,5.2,通信卫星,1.,通信卫星组成,遥测指令天线,太阳能电池,蓄电池,电源控制电路,执行机构,自旋,传感器,姿态控制,天线控制,轨道控制,遥测编码器,遥测发射机,指令译码器,指令接收机,双工器,双工器,发射机,接收机,变频器,本机振荡器,通信天线,遥测指令系统,通信系统,控制系统,电源系统,温控系统,（,1,）控制系统,调整装置，驱动装置（喷气抵进器），转换开关等。,（,2,）通信系统,天线,体积小、重量轻、馈电方便、易折叠、增益高、效率高、宽频带,遥测天线：全向性，完成遥测和指令信号的发送、接收功能。,通信天线：球波束，覆形波束（区域波束），半球波束，点波束。完成接收、转发地面站的通信信号功能。,转发器,单边频转发器：用得较多,前放,变频器,高放,倍频,本振,双变频转发器：,用的较少,前放,变频器,高放,倍频,本振,中放,限幅器,变频器,倍频,处理转发器：,前放,变频器,高放,倍频,本振,解调,信号处理,变频器,倍频,调制,信号处理：,判决、再生；,多个卫星天线之间信号的交换处理；,更复杂的信号变换、交换和处理；,（,3,）遥测指令分系统,遥测,收集星上设备状态：电压，电流，温度，传感器信息，气体压力等。 这些数据经处理后送往地面监测中心站。,遥控指令,地球上收到卫星遥测的有关数据时，要对卫星位置，姿态进行控制，部件转换，大功率电源开关等，都由遥控指令来进行。,2.,影响同步卫星通信的因素,(1),摄动,在空中运行的卫星，受到来自地球、太阳、月亮的引力以及地球形状不均匀，太阳辐射压力等影响，使卫星运行轨道偏离预定理想轨道，这种现象称为摄动。,（,2,）轨道平面倾斜效应,当静止卫星受到某些因素影响而发生相对于赤道平面向上、向下的固定偏离时，就使卫星的位置及星下点发生改变，这种现象称为倾斜效应。,（,3,）星蚀和日凌中断,（,4,）卫星姿态的保持和控制,位置保持；,天线波束指向覆盖区中心。,控制方法：角度惯性控制，三轴稳定法（较多使用）,5.3,卫星通信多址接入方式,概述,多址接入方式（多址联接）：,指在卫星覆盖区内的多个地球站通过一颗卫星的转发信号，建立以地球站为站址的两址或多址间的通信。（这里的多址是指在卫星转发器频带的射频信道的复用,）,（,1,）频分多址（,FDMA,）,按地面站分配的射频不同来区别地球站的站址。,缺点：易产生交调干扰。,f1,f2,fk,卫星带宽,f1,fk,（,2,）时分多址（,TDMA,）,用时隙来区别地球站的站址，各地球站的信号只能在规定的时隙通过卫星转发器进行通信。,关键：时间基准。（同步）,A,B,C,R,A,1,A,2,A,3,B,1,B,2,B,3,C,1,C,2,C,3,R,1,R,2,R,3,卫星,R,：,参考站（基准站）由高精度时钟（,10,-11,）驱动，向卫星发送包含定时标记的参考突发，并将参考突发钻发给各业务站，地球站根据导卫星的距离修正发送时间。,卫星位置变化造成最大时延变化达,0.55ms,。,卫星广播到所有地面站,R,1,A,1,C,1,B,2,A,2,B,1,R,2,帧,各站顺序发送突发，需要同步。,（,3,）空分多址（,SDMA,）,以卫星天线指向地面的波束来区别地球站的站址。即利用波束的方向性来分割不同区域地球站电波，使各地球站发射电波在空间不互相重叠，即使在同一时间，不同区域站使用同一频率，也不会形成干扰。,优点：频率、时间可再用。可容纳更多用户。,关键技术：天线波束指向。,（,4,）码分多址（,CDMA,）,用不同的码型来区别地球站站址。,适用于用户容量小、但地球站站址多的系统，具有抗干扰、保密、隐蔽等特点，广泛用于军事、公安、国防等重要领域。,音频、视频、因特网，点对点通信附带,DBS,（,1,）,基本特点,频率：,Ku,频段,如：大功率,17.3G,17.8G/ 12.2G,12.7G,；,中功率,14G,14.5G/ 11.7G,12.2G,卫星,EIRP,高：,51,60 dBW,采用数据压缩：,MPEG,QPSK,，,滚降系数,=0.2,，,24MHz,转发器带宽，速率为,2B,IF,/(1+,) = 40Mbps,典型值电影,4Mbps,，,综合频道,5Mbps,，,体育频道,6Mbps,，,1,个转发器,4,8,路,5.4,卫星直播业务（,DBS,）,（,2,）,家用接收系统,LNB,：,低噪声模块,天线：偏馈，口径,46cm,，,左右旋极化再用。,口径大，增益高，利用信号强度等高线确定合适的天线尺寸。,条件接收，审查收费。,LNB,调谐,QPSK,解调纠错,去复用,音频译码,视频译码,极化器,950 1450MHz,控制器,调制解调器,条件接收控制,5.5 VSAT,VSAT,（,Very Small Aperture Terminal,）：,甚小口径终端,天线口径,2.4m,1.5m0.6m,。,VSAT,主要指专用网。,VSAT,一般由一个主站（中心站）和众多,VSAT,站组成，主站由业务提供商负责运营。,VSAT,网络特点：适于构成具有网络控制权的专用网，可一点对多点，网络结构简单。,主站向网内所有,VSAT,站广播信息，由,VSAT,站通过某种多址方式实现共享。,主站常用,TDM,或地址编码向网内所有,VSAT,站广播信息。,VSAT,站到主站方向的接入更复杂，可用,FDMA,、,TDMA,、,CDMA,或专用方式。,我国有几十个,VSAT,企业，租用卫星转发器开展业务。,初期建设费用高，双向比单向贵。,我国石油勘探、证券、银行，报纸传版、远程教育、远程医疗等应用,VSAT,。,5.6,因特网的卫星通信链路,1.,因特网概述,基于网际协议（,IP,）（,或其扩展协议,/,后续协议）的地址在逻辑上连接起来的全球信息系统；,通过传输控制协议,/,网际协议（,TCP/IP,）,集（或其扩展协议,/,后续协议）和,/,或其他,IP,兼容的协议进行通信；,通过公共或专用的方式对所描述的分层的通信或相关基础设施提供、使用或作出能够接入的高层业务。,因特网虽然没有自身明确的物理结构，但要遵循一定的介入规则：,因特网,服务提供商,ISP,网络,服务提供商,NSP,其它用户,服务器,用户,路由器（计算机）沿着网络中最有效的路径进行数据传输的寻路或引导。,万维网,WWW,（,World Wide Web,）,基于因特网的超媒体结构的全球信息网。,2. TCP/IP,的结构模型,数据分组传送中的寻址、路由和拥塞控制等每一项功能分配到软件或软硬件结合实现的某一层中。,应用层,TCP UDP,IP层,链路层,物理层,物理层：物理连接器，信号格式，调制方式，卫星的上下行链路；,链路层：帧格式，,TDMA,，,ATM,；,IP,层（网络层）：面向无连接,报头包含源地址和目的地址，只管从路由器到路由器的连接，不管分组的丢失或失序。,传输层：面向连接（,TCP,）,分组排列，丢失的恢复，避免拥塞的速率调整,面向无连接（,UDP,用户数据报协议）,报头增加源和目的的端口号,TCP Segment UDP Message,Data,Datagram（Packet）,Frame,术语：,数据,数据,TCP/UDP,报头,数据,TCP/UDP,报头,IP,报头,数据,TCP/UDP,报头,IP,报头,帧头,帧尾,3.,卫星链路对,TCP,性能的影响,误码率,BER,TCP,传输要求,BER10,-8,，,卫星链路无差错控制的典型的,BER,在,10,-6,。,BER,高，分组丢失率大，,TCP,层,会认为像一般地面链路一样由拥塞造成，从而降低速率。,往返时间,RTT(round-trip time),带宽时延积,BDP(bandwidth-delay product),带宽表明速率，,RTT,造成时延。,可变往返时间,(variable round-trip time),：,非静止卫星。,4.,卫星链路的,TCP,增强机制（,目标：不修改,TCP,或,兼容性扩展,TCP,）,路径,MTU,发现：允许发送者发现最大数据分组（,MTU,），,进而确定不分片的最大,TCP,段，增大拥塞窗口，提高链路通过性能。,前向纠错,慢启动和拥塞避免：控制信息段的数量。,快速重传和快速恢复：在设定超时的期限内识别和重发丢失的信息段，避免进入慢启动状态。多个丢失仍会触发慢启动。,TCP,大窗口：与带宽时延积有关，收、发端扩展,TCP,窗口。,往返时间测量,RTTM,（,RTT Measurement,）：,大窗口难取,RTT,，,TCP,报头扩加时间戳域。,分组序号交叠保护,PAWS,（,Protection Against Wrapped Sequence,）：,旧序列编号的信息段在大窗口下会与新的发生交叠，利用,TCP,报头的时间戳。,TCP,选择性确认,SACK,（,Selective Acknowledgement,）：,用于多段丢失时，使接收方通知发送方只重发丢失部分。,5.,非对称信道,数据流的非对称,反向链路的确认分组（,20B,）,小于前向链路的信息段（,1500B,）,发向,Web,的请求和,Web,返回,链路容量的非对称,小型地球站的上行链路与下行链路,对,1.5Mbps,数据链路，反向链路小于,20kbps,由可能造成,ACK,拥塞。可利用地面电路实现反向链路。,6.,卫星技术的发展,静止卫星长时延和高时延带宽积对因特网业务影响大，可采用中低轨道卫星。,采用星上信号处理技术，在卫星链路上采用替代,TCP/IP,协议（协议欺骗）。,在,ATM,模式上传送,IP,。,