卫星通信系统

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,电子信息工程学院,空管通信系统,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,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,*,*,电子信息工程学院,通信系统,第六章 卫星通信系统,第6章 卫星通信系统,6.1,卫星通信系统概述,6.2,海事卫星通信系统,6.3,航空移动卫星通信业务,6.4 VAST,卫星通信网络,6.5,中国民航C波段卫星通信网络,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信简况,卫星通信的定义,卫星通信发展历史,卫星通信系统分类,卫星通信特点,卫星通信系统组成,卫星通信系统的技术体制,6.1 卫星通信系统概述,什么是卫星通信？,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。,6.1 卫星通信系统概述,同步卫星通信系统,绝大多数通信卫星是地球同步卫星（静止卫星）,卫星运行于赤道上空,距地面约,35786km,周期,24,小时，相对于地面静止,6.1 卫星通信系统概述,同步卫星通信系统,3,颗卫星即可覆盖全球,重叠区内地球站可用于不用卫星覆盖区内地球站通信,6.1 卫星通信系统概述,卫星覆盖波束,全球覆盖：卫星天线照射地球表面最大面积，约,17.4,度,区域覆盖：典型的区域覆盖天线波束宽度,5,度,点波束覆盖：天线的波束宽带约,2,度,全球覆盖,区域覆盖,点波束覆盖,6.1 卫星通信系统概述,卫星覆盖波束,赋形波束（成形波束）,6.1 卫星通信系统概述,非全球波束的优点,提高卫星有效辐射功率，提高系统容量,在系统容量不变的情况下，减小地球站天线口径，因而提高地球站的机动性和灵活性,便于实现空分多址,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信简史,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（,Telstar/MEO,）,1965,年，第,1,颗商业通信卫星（,INTELSAT-1,）进入静止轨道,1990-2000,年，引入卫星直播音频（,DAB,）业务,2000-2005,年，引入宽带个人通信；,Ka,频段系统得到迅速发展；多个,LEO,和,MEO,卫星系统投入运行,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信简史（我国）,1970,年，我国发射成功第一颗人造地球卫星“东方红,1,号”,1972,年，北京、上海建设,4,座大型地球站,1975,年，第一个试验性卫星通信工程开始全面实施。,1984,年，成功发射第一颗试验通信卫星 （静止卫星，,E125,）,1986,年第一颗实用通信卫星发射成功（,E103,）,当前，国家公用卫星通信网和各部门的专用卫星通信网 （长途电话、传真、数据、电视等业务）,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统分类,按卫星运动状态,同步卫星通信系统,运动卫星通信系统,按卫星通信范围,国际卫星通信系统,区域卫星通信系统,国内通信卫星系统,按卫星转发能力,有源卫星通信系统（主动型）,无源卫星通信系统（被动型）,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统分类（续）,按基带信号体制,模拟卫星通信系统,数字卫星通信系统,按多址方式,频分多址（,FDMA,）卫星通信系统,时分多址（,TDMA,）卫星通信系统,空分多址（,SDMA,）卫星通信系统,码分多址（,CDMA,）卫星通信系统,混合多址卫星通信系统,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统分类（续）,按所用频段,特高频（,UHF,）卫星通信系统,超高频（,SHF,）卫星通信系统,极高频（毫米波）（,EHF,）卫星通信系统,激光卫星通信系统,按通信业务种类,固定业务卫星通信系统,移动业务卫星通信系统,广播电视卫星通信系统,科学实验卫星通信系统,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统分类（续）,按卫星轨道高度,高轨（,HEO, GEO,）卫星,中轨,(MEO),卫星,低轨,(LEO),卫星,6.1 卫星通信系统概述,250ms,100ms,15ms,传送延迟来回时间,传输延迟大,卫星成本较高,轨道位置有限,卫星体系复杂,有多普勒效应,生命周期短,卫星体系复杂,有多普勒效应,缺点,地表覆盖率,42.2%,无多普勒效应,中度成本,传输延迟低,低成本,传输延迟低,讯号衰减低,优点,24hrs,2-4hrs,15min,可用时间,36000 km,3000-30000 km,300-3000 km,高度,同步卫星,GEO,中轨卫星,MEO,低轨卫星,LEO,型态,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统分类（续）,按卫星重量,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信特点,优点,（,1,）通信距离远，且费用与通信距离无关。,(,最大通信距离,18000km,）,（,2,）覆盖面积大，可进行多址通信。,（,3,）通信频带宽，传输容量大。,（,4,）机动灵活。,（,5,）通信线路稳定可靠，传输质量高,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信特点,缺点和问题,（,1,）静止卫星的发射与控制技术比较复杂。,（,2,）地球高纬度地区通信效果不好，并且两极地区为通信盲区。,（,3,）存在日凌中断和星蚀现象。,（,4,）电波的传播时延较大和存在回波干扰。单跳时延,0.27,秒,6.1 卫星通信系统概述,日凌中断和星蚀现象,6.1 卫星通信系统概述,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。,6.1 卫星通信系统概述,空间分系统,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,6.1 卫星通信系统概述,跟踪遥测及指令分系统（,TT&C,，,tracking, telemetry and command station,）,对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入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,(SCC, satellite control center),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。,6.1 卫星通信系统概述,卫星转发器（通信卫星中的通信分系统）,为避免同频干扰，收发不同频，需要混频,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统的工作频段,大气中自由电子、离子、氧和水气分子对电波的吸收衰减,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统的工作频段（续）,外界噪声对接收信号的影响,1-,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统的工作频段（续）,UHF,波段：,400/200MHz,L,波段：,1.6/1.5GHz,C,波段：,6.4GHz,X,波段：,8/7GHz,Ku,波段：,14/11GHz,、,14.12GHz,Ka,波段：,30/20GHz,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统的技术体制,多址方式,FDMA,TDMA,CDMA,SDMA,6.1 卫星通信系统概述,TDMA帧结构,6.1 卫星通信系统概述,例 某一TDMA系统5个地球站共用一卫星转发器，TDMA帧周期（frame duration）为125 s，数据速率为40Mbps，话音信号采样频率为8kHz，8bit量化，每一地面站的报头时间（preamble time）为5 s，保护时间（guard time）为2 s, 计算每一地面站可容纳的语音信道数目。,6.1 卫星通信系统概述,解：,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统的技术体制（续）,信道分配方式,信道含义：,FDMA,中指频段，,TDMA,中指时隙，,CDMA,中指正交码组等,预分配方式,固定预分配（,PAMA,）,按时预分配（,TPA,）,按需分配方式,全可变方式,分群全可变方式,随机分配方式,作业,1.,卫星通信系统主要由哪几部分组成，主要功能是什么？,2.,什么是日凌和星蚀中断现象？,第6章 卫星通信系统,6.1,卫星通信系统概述,6.2,海事卫星通信系统,6.3,航空移动卫星通信业务,6.4 VAST,卫星通信网络,6.5,中国民航C波段卫星通信网络,6.2 海事卫星通信系统,美国于1976年建立了世界上第一个海事卫星通信站,1979年7月国际海事卫星组织（INMARSAT）成立,最初有28个成员国,先后租用美国MARISAT，欧洲INTELSAT,1982年建立了国际海事卫星通信系统，成为第一代国际海事卫星通信系统,INMARSAT总部设在伦敦，系政府间合作,6.2 海事卫星通信系统,包括四个重叠覆盖区域，这种复叠覆盖可保证发生故障时业务不致中断,最初用于海事通信，目前,INMARSAT,已成为世界上唯一为海陆空用户提供全球移动卫星公众通信和遇险安全业务的国际组织,国际海事卫星组织（现已改称国际移动卫星组织）是全球移动卫星通信业务的主要提供者,6.2 海事卫星通信系统,国际海事卫星（,INMARSAT,）是一个,GEO,卫星系统,组成,:,空间段,地面站,移动终端,6.2 海事卫星通信系统,空间段,空间段,:,通信卫星、网络控制中心和网络协调站组成,通信卫星,INMARSAT,分布在地球同步轨道上，距地球约为,35,800,km,。卫星收发采用,L,波段和,C,波段，天线采用圆极化方式。,网络控制中心（,NOC,）,负责检测、协调和控制网络内所有卫星的操作运行。,网络协调站（,NCS,） 的主要任务包括,分配语音、数据和高速数据信道频率。,6.2 海事卫星通信系统,地面站 （岸站）,地面站,:,设在海岸附近的地球站，它既是卫星系统与地面系统的接口，又是一个控制和接入中心,主要功能有：, 对从船舶或陆上来的呼叫分配和建立信道； 信道状态（空闲、正在受理申请、占线等）的监视和排队的管理,6.2 海事卫星通信系统,地面站 （岸站）（续）, 船舶识别码的编排和核对；, 登记呼叫，产生计费信息；, 遇难信息监收；, 卫星转发器频率偏差的补偿；, 通过卫星的自环测试；, 在多岸站运行时的网络控制功能；, 对船舶终端进行测试。,6.2 海事卫星通信系统,移动终端,(,船站,),移动终端信号上达卫星，再经地面站，通过国际或国内的邮电公众通信网与其他的用户通信。,反过来，公众网用户也可以通过卫星与卫星移动终端联系。,6.2 海事卫星通信系统,海事卫星电话,便携性好,可移动性,新的终端带宽比较宽,6.2 海事卫星通信系统,海事卫星电话（续）,汶川灾区一线救援人员正在用海事卫星电话与外界沟通,6.2 海事卫星通信系统,INMARSAT,航空系统,1990,年开始全球运行,由卫星、航空地球站（简称航站）和机站,卫星与航站之间通信用,C,和,L,波段双频，卫星和机站之间通信用,L,波段,6.2 海事卫星通信系统,航空移动通信系统的限制因素,带宽有限,EIRP,（等效全向辐射功率）有限,飞机高速运动引起的多普勒效应比海事系统严重得多,多径衰落效应比海事系统严重得多,频率重用,高功率放大器,交错编码、比特交织与偏置调制,机站天线仰角大于,25,度,如何应对,第6章 卫星通信系统,6.1,卫星通信系统概述,6.2,海事卫星通信系统,6.3,航空移动卫星通信业务,6.4 VAST,卫星通信网络,6.5,中国民航C波段卫星通信网络,现在的通信,未来的通信,通信,6.3 航空移动卫星通信业务概况,航空移动通信业务（,AMSS,）概述,Aeronautical Mobile Satellite Service,移动通信业务提供全球范围内，包括双向话音通信、传真和数据通信服务,由国际移动卫星组织（,INMARSAT,）从海事移动卫星业务扩展而来,始用于,1990,年,6.3 航空移动卫星通信业务概况,航空移动通信业务（,AMSS,）概述,（续）,首先提供航空旅客通信（,APC,）用的空中电话，后扩展到传真，直至数据链,从向航空公司提供航务通信（,AOC,）、管理通信（,AAC,）直至空中交通服务（,ATS,）通信,从航空非安全通信到航空安全通信，直至全面的空地通信服务,数据链路从面向字符协议到面向位协议,6.3 航空移动卫星通信业务概况,航空移动通信业务（,AMSS,）概述（续）,飞机与卫星之间通信采用,L,波段,，下行,1545-1555MHz,，上行,航空地面地球站和网络协调站与卫星之间通信可采用,C,（,INMARSAT,）或,Ku,（,MTSAT,）频段，跟踪遥控站与卫星之间通信可采用,C,、,Ku,或,Ka,频段,AMSS,信息传输过程中按优先级高低有序传播,6.3 航空移动卫星通信业务概况,AMSS,通信系统的特点,飞机速度高，机动性大，活动范围广，所通过区域电磁环境可能有大而迅速的变化,飞机某些部位的电磁散射可能干扰通信信号,飞机速度快，产生较大的多普勒频移,多径衰落叫地面小，衰落储备量可以低些,6.3 航空移动卫星通信业务概况,AMSS,的业务种类,1,、数据通信,2,、自动相关监视,(ADS),3,、话音通信 应急通信及驾驶员与管制员间的非常规通信仍需用话音通信。,6.3 航空移动卫星通信业务概况,AMSS,的业务种类（续）,空中交通服务（,ATS,）,航务管理通信（,AOC,）,航空行政管理通信（,AAC,）,航空旅客通信（,APC,）,其中,ATS,和,AOC,属于安全通信，,AAC,和,APC,属于非安全通信。,6.3 航空移动卫星通信业务设备,AMSS,设备,系统组成,空间段,通信卫星,地面地球站,GES,提供空间段与地面固定话音和数据网络之间的接口,机载地球站,AES,网络协调站,NCS,管理卫星资源在各,GES,的分配,6.3 航空移动卫星通信业务设备,空间段,(,卫星转发器,),平台,包括姿态和轨道控制系统，跟踪、遥测和指令系统，机械骨架及通信载荷和电源分系统。,通信载荷,(,通信转发器,),正向转发器：接收,GES,发来的,(C,或,Ku),频段信号，变为,L,频段信号，转发至,AES,；饱和输出功率约,80W,反向转发器：接收,AES,发来的,L,频段信号，变为,C(,或,Ku),频段信号，转发至,GES,）；饱和输出功率约,20W,抛物面天线增益公式,6.3 航空移动卫星通信业务设备,转发器方框图,6.3 航空移动卫星通信业务设备,地面地球站,(GES),每个卫星波束覆盖一到多个,GES,多个,GES,中可能指定一个,GES,协调全网工作，称为网络协调站（,NCS,）,组成,天线,C,或,Ku,频段收发机,L,频段收发机,网络管理设备,6.3 航空移动卫星通信业务设备,6.3 航空移动卫星通信业务设备,天线,C,频段天线直径,9,13,米，远离干扰严重的郊区,Ku,频段天线直径,7,米，可置于近郊区及城内,备份保证可靠工作,每颗卫星应有不止一个,GES,，彼此可代用,最好有一个备份,GES,经常指向备用卫星，若工作卫星故障，可立即转至备用,GES,和备用卫星,否则，若将,GES,的大型天线重新指向备用卫星一般需,3-5,分钟,6.3 航空移动卫星通信业务设备,6.3 航空移动卫星通信业务设备,6.3 航空移动卫星通信业务设备,C,（或,Ku,）频段收发信机,收发首先经过,70MHz,中频再变频为射频,L,频段收发信机,对于,GES,，空地通信本身不用,L,频段，由于,GES,与卫星间有多普勒频移，也由于卫星转发器中本振有较大频率偏移，需要对,C(,或,Ku),频段载波进行自动频率补偿，因此收发信机需用,L,频段“导频”,网络管理（,NCP,）设备,控制卫星容量分配，建立优先权体制,6.3 航空移动卫星通信业务设备,机载地球站,AES,组成：天线、卫星数据单元（,SDU,）、射频单元（,RFU,）、高功率放大器（,HPA,）,6.3 航空移动卫星通信业务设备,卫星数据单元（,SDU,）,包括调制解调器、纠错编译码器、交织,/,去交织器、扰码去扰码器、数据速率切换控制器等,获得基带或中频信号,射频单元（,RFU,）,包括低功率放大器、滤波器、变频器等,将基带或中频信号变频到射频,高功率放大器（,HPA,）,射频功放,6.3 航空移动卫星通信业务设备,天线,天线类型,顶装小型可控型，装在天线罩内,顶装相控阵天线,装在两侧与机身共形的相控阵天线,天线增益,低增益,(0dB),中增益,(6dB),高增益,(12dB),6.3 航空移动卫星通信业务设备,网络协调站（,NCS,）,NCS,和各,GES,的接口，目的是管理卫星资源的分配，即卫星功率和通信信道在各,GES,间的分配。,6.3,航空移动卫星通信业务,系统结构与技术,物理层,4,种信道,数据信道：,P,信道,R,信道,T,信道,话音信道：,C,信道,6.3,航空移动卫星通信业务,系统结构与技术,P,信道,时分复用分组方式数据信道,仅用于正向,(GES,到,AES),，传送信令和用户数据,P,smc,信道,-,系统管理功能,P,d,信道,-,其他功能,6.3,航空移动卫星通信业务,系统结构与技术,R,信道,随机多址存取信道,仅用于反向,(AES,到,GES),，传送信令和小量用户数据,以突发方式工作,多架飞机可以共用一条,R,信道。,R,smc,信道,-,系统管理功能,R,d,信道,-,其他功能,6.3,航空移动卫星通信业务,系统结构与技术,T,信道,预约时分多址信道,仅用于反向,传送较大的报文数据,工作时先用,R,信道为,T,信道预约一定数量的时隙,6.3,航空移动卫星通信业务,系统结构与技术,C,信道,按需分配,电路交换方式,6.3,航空移动卫星通信业务,系统结构与技术,调制方式,信道速率,2400bps,，航空二相相移键控（,A-BPSK,）,信道速率,2400bps,，航空四相相移键控（,A-QPSK,）,常用信道间隔,17.5KHz,10KHz,7.5kHz,5.0/2.5kHz,信道编码,卷积码,6.3,航空移动卫星通信业务,机载移动式卫星通信,几种地空通信方式比较,VHF,优点：技术成熟，通信质量好，设备资费适中,缺点：通信距离近,HF,优点：技术成熟，成本低，通信距离远,缺点：通信质量差，不稳定，易受干扰,AMSS,优点：技术先进，通信质量好，通信距离远,缺点：投资费用高，运行费用高，技术不够成熟,第6章 卫星通信系统,6.1,卫星通信系统概述,6.2,海事卫星通信系统,6.3,航空移动卫星通信业务,6.4 VAST,卫星通信网络,6.5,中国民航C波段卫星通信网络,6.4 VAST卫星通信网络,VAST,卫星通信网络简介,VAST,卫星通信网络的组成,VAST,卫星通信网络的网络结构,VAST,网络协议,VAST,站原理,6.4 VAST卫星通信网络简介,VSAT,卫星通信的基本概念,所谓,VSAT,（,Very Small Aperture Terminal,）卫星通信网络，其含义是“甚小口径终端”卫星通信系统。,是指利用大量小口径天线的小型地球站与,个大站协调工作构成的卫星通信网络。,可以通过它进行单向或双向数据、语音、图像及其它业务通信。,6.4 VAST卫星通信网络简介,VSAT,卫星通信的基本概念（续）,VSAT,是卫星通信技术发展的一个重要成果,天线口径越来越小,VSAT,的另外一种定义,VSAT,是天线典型口径小于,2.4m,，且适用在用户房顶或附近简易安装的通过中央站或另一,VSAT,站能够提供多种业务的小型地球站。,这个定义充分反映了,VSAT,卫星通信系统的特点。,VSAT,系统天线口径小到可直接安装在用户房顶或附近，并且结合其它先进的技术措施，使其具有独特的优点。,6.4 VAST卫星通信网络简介,VSAT,的特点,小口径天线，天线口径,，设备简单，体积小，重量轻，功耗小，造价低，安装、维护和操作简便,组网灵活，易扩展和改进,多种业务可以在一个网内并存，适于多种数据率和多种业务类型：数据、话音、图象等,可建立直接面对用户的直达电路,集成化程度高，,VSAT,从外表看只有天线、室内单元,(IDU),和室外单元,(ODU),三部分,6.4 VAST卫星通信网络简介,VSAT,的特点（续）,智能化功能强，可无人操作,覆盖范围广，特别适合用户分散、业务量轻的边远地区和用户终端分布范围广的专用通信网,互操作性好，采用不同标准的用户可以跨越不同的地面网而在同一个,VSAT,网内进行通信,6.4 VAST卫星通信网络,VAST,卫星通信网络简介,VAST,卫星通信网络的组成,VAST,卫星通信网络的网络结构,VAST,网络协议,VAST,站原理,6.4 VAST卫星通信网络组成,VAST,卫星通信系统组成,主站（也叫中央站、中心站、枢纽站）,包括网络管理系统,VSAT,站（也叫小站）,数量众多,通信卫星,主要是卫星转发器,6.4 VAST卫星通信网络组成,6.4 VAST卫星通信网络组成,主站,VSAT,网的核心,它与普通地球站一样，使用大型天线，天线直径一般约,3.5m,8m,（,Ku,波段）或,7m,13m,（,C,波段）,主站通常规模做的较大（如天线口径，发射功率等），功能也比较复杂。,为了提高可靠性，中央站通常还要有备份（站备份或设备备份）,6.4 VAST卫星通信网络组成,主站,主站通常与主计算机配置在一起，也可通过地面线路与主计算机连接。,为了对全网进行监测、控制、管理与维护，在主站还设有网络监控与管理中心，对全网运行状态进行监控管理，如监测地球站及主站本身的工作状况、信道质量、信道分配、统计、记费等等,。,6.4 VAST卫星通信网络组成,主站的组成,6.4 VAST卫星通信网络组成,VAST,站,安装在,VSAT,用户处的独立单元。它提供用户终端设备与卫星信道的接口。,为了降低,VSAT,站成本，其设计尽量简单，例如单接收,VSAT,站不含任何发射设备,VSAT,站通常不设备份,6.4 VAST卫星通信网络组成,VAST,站的组成,小口径天线,室外单元,ODU,（,Outdoor Unit,）,室外单元的组件紧密地集成在一起，其结构防水、易散热、便于安装，通常设置在天线馈源附近。,室内单元,IDU,（,Indoor Unit,）,室内外单元之间通常以同轴电缆连接。,6.4 VAST卫星通信网络简介,6.4 VAST卫星通信网络组成,6.4 VAST卫星通信网络组成,VAST,系统主站与,VAST,站的比较,主站发射功率大于,VAST,站,主站的天线尺寸比,VAST,站大得多,主站具有网络管理和控制的功能,6.4 VAST卫星通信网络组成,卫星转发器,一般采用工作于,C,或,Ku,波段的同步卫星透明转发器。在第一代,VSAT,网中主要采用,C,波段转发器，从第二代,VSAT,开始，以采用,Ku,波段为主。,卫星转发器造价很高，空间部分设备的经济性是,VSAT,网必须考虑的一个重要问题，因此，可以只租用转发器的一部份，地面终端网可以根据所租用卫星转发器的能力来设计。,6.4 VAST卫星通信网络组成,VSAT,的工作频段,C,频段,电波传播条件好、降雨影响小、可靠性高、,VAST,站设备简单、可利用地面微波成熟技术、开发容易、系统费用低。,由于与地面微波线路干扰问题，功率通量密度不能太大，限制了天线尺寸进一步小型化。而且在干扰密度强的大城市选址困难。,C,波段通常采用扩频技术降低功率谱密度，以减小天线尺寸。但采用扩频技术限制了数据传输速率的提高。,6.4 VAST卫星通信网络组成,VSAT,的工作频段,Ku,频段,与,C,频段相比，不存在与地面微波线路互相干扰问题，架设时不必考虑地面微波线路而可随地安装。,允许的功率通量密度较高，天线尺寸可以更小，传输速率可更高。,天线尺寸一样时，天线增益比,C,频段高,610dB,。,因此，目前大多数,VSAT,系统主要采用,Ku,频段。,抛物面天线增益,6.4 VAST卫星通信网络组成,VSAT,按波段分类,C,波段,VAST,，,6/4GHz,，一般,C,频段,VSAT,站的天线口径为,2.4m,、,1.8m,、,1.2m,Ku,波段,VAST,，,14/12GHz,，一般天线口径,1m,左右，如,1.2m,、,1m,、,0.75m,、,0.6m,Ka,波段,VAST,，,30/20GHz,，天线口径,0.6m,甚至更小,在相同的条件下（例如相同的频段、相同的转发器条件）话音,VSAT,网的,VAST,站为了实现,VAST,站之间的直接通信，其天线明显大于只与主站通信的数据,VSAT,站。,6.4 VAST卫星通信网络组成,按照通信方式，,VSAT,系统可分为单向和双向,VSAT,系统。,单向,VSAT,系统,VSAT,只具有单向传输功能。,一般是单向接收，如数据广播系统。图像和数据等信号从主站传输到许多单收,VSAT,终端。如证券公司的数据信息发布系统。,也有单向发送，数据采集系统，比如新闻数据采集系统，气象数据采集系统。,6.4 VAST卫星通信网络组成,单向,VSAT,数据广播系统,6.4 VAST卫星通信网络组成,单向,VSAT,新闻数据采集系统,6.4 VAST卫星通信网络组成,双向,VSAT,系统,VSAT,与主站，或,VSAT,与,VSAT,之间可进行交互通信，它由主站控制许多,VSAT,终端来提供数据传输、语音和传真等业务。,如电话传输用的,VSAT,系统。,主战（中心站）发送给,VSAT,的信号称为外向,(outbound),传输或出境。,VSAT,发送给主站（中心站）的信号称为内向,(inbound),传输或入境。,6.4 VAST卫星通信网络组成,出境,(,外向,),入境,(,内向,),中央地球站,VSAT,用户小站,通信卫星,双向,VSAT,系统,6.4 VAST卫星通信网络,VAST,卫星通信网络简介,VAST,卫星通信网络的组成,VAST,卫星通信网络的网络结构,VAST,网络协议,VAST,站原理,6.4 VAST卫星通信网络网络结构,VSAT,网的网络结构,广播式点到多点,-,单向星状,双向交互式,-,双向星状,点到点式,-,双向网状,混合型,-,双向网状网络结构,6.4 VAST卫星通信网络网络结构,实际的VSAT卫星通信网络常用混合型的网络拓扑结构,在星状网络中，各VSAT地球站都是直接与主站发生联系，而各VSAT地球站之间是不能经通信卫星直接进行通信的。必要时须经主站转发，才能进行连接和通信。,6.4 VAST卫星通信网络网络结构,根据经过卫星转发器的转发次数，又分为单跳和双跳体系结构。,(a),广播式点到多点,-,单向星状（单跳）,(b),双向交互式,-,双向星状（双跳）,星状网络拓扑结构单跳和双跳体系结构示意图,6.4 VAST卫星通信网络网络结构,双跳体系结构中，各VSAT地球站之间一般都是通过主站间接地进行通信。,这种网络结构，由于一条通信线路要经过两跳的延迟，因而，对于要求实时的话音业务来说，是不适用的，而只适用于记录话音业务和数据业务。,6.4 VAST卫星通信网络网络结构,(a),点到点式,-,双向网状,(b),混合型,-,双向网状网状网络拓扑结构中单跳和单跳与双跳相结合体系结构示意图,6.4 VAST卫星通信网络网络结构,在网状网络中，任何两个VSAT地球站之间都是单跳结构，因而它们可以直接进行通信。但是必须利用一个主站控制与管理网络内各地球站的活动，并按需分配信道。,显然，单跳星状结构是最简单的网络结构，而网状网络结构则是最复杂的网络结构，它具有全连接特性，并能按需分配卫星信道。,6.4 VAST卫星通信网络网络结构,混合网络结构,一种单跳与双跳相结合的混合网络结构,网络的信道分配、网络的监测管理与控制等由主站负责,但是通信不经主站连接。,从网络结构来说，数据和话音信道是网状网，控制信道是星状网,6.4 VAST卫星通信网络,VAST,卫星通信网络简介,VAST,卫星通信网络的组成,VAST,卫星通信网络的网络结构,VAST,网络协议,VAST,站原理,6.4 VAST卫星通信网络网络协议,频分多址,(FDMA),在,VSAT,系统中用的最多的是单载波单路,SPSC,，即每一个小站分配一个信道。特别是在以传输话音业务为主的,VSAT,系统中，大量采用,SCPC,方式，与按需分配相结合，可以大大提高卫星信道利用率。,典型代表为美国休斯公司的话音地球站（,TES, Telephony Earth Station,）系统 。,6.4 VAST卫星通信网络网络协议,时分多址,(TDMA),此体制特别适合于网络容量大、地球站少的情况。它的缺点是随着地面站数目的增加，将导致延迟增长很快。,VSAT,这种站数多的系统单纯使用,TDMA,方式是不合理的。,VSAT,系统中，,TDMA,是与,FDMA,以及频率跳变结合在一起共同发挥优势，即,FDMA-TDMA,方式。避免使用较大的,TDMA,载波，降低了小站发射功率和成本。,典型代表为日本,NEC,公司的,NEXTAR,系统。,6.4 VAST卫星通信网络网络协议,码分多址,(CDMA),适用于传输速率较低的业务，用于较小的系统，尤其是军用通信系统，也可用于广播式系统中。,主要用于,C,波段，常用方案是直接序列扩频,(DSSS),。,典型代表为,GTE spacenet,公司的产品，其数据广播采用,CDMA,方式。,6.4 VAST卫星通信网络网络协议,随机多址,(RA),主要用于突发型信息业务，应用广泛。,P-ALOHA,方式下的系统成本与复杂性最低，实现最为容易，但它的吞吐量低，只适用于短信息的处理；,S-ALOHA,因为需要全网同步，所以其系统成本与复杂性较高，但其吞吐量也很大，适用于定长的信息；,SREJ-ALOHA,的系统成本与复杂性较低，吞吐量性能也很好，非常适合于传输短或中等的变长信息数据。,6.4 VAST卫星通信网络,VAST,卫星通信网络简介,VAST,卫星通信网络的组成,VAST,卫星通信网络的网络结构,VAST,网络协议,VAST,站原理,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,VSAT,站原理,VSAT,站组成基本框图如下图所示。在这里小口径天线、,ODU,、,IDU,三个部分合在一起按设备进行讲解。,天线,ODU IDU,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,天馈设备,功能,将发射机送来的射频信号变为对准卫星的定向电磁波,收集卫星发来的电磁波，将其转变成电信号送到接收设备,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,天馈设备,主要组成,双工器,通常，地球站的天线是收、发共用的，为了使收、发信号隔离，因此，需要接入双工器，也称为收、发转换开关。,馈线,从双工器到收、发信机之间有一定长度的馈线连接，它起传输能量的作用。,天线跟踪设备,为了使天线的波束对准卫星，对于大型标准的地球站，通常还应该有天线跟踪设备。,天线,由于地球站通常工作在微波波段，因此地球站天线通常是面天线。小型地球站常采用“偏馈天线”，也可采用“抛物面天线”和“卡塞格伦天线”。,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,抛物面天线,由馈源和反射器组成。反射器是一个旋转抛物线形成的抛物面，馈源的相位中心位于抛物面的焦点。,抛物面天线结构简单，容易调整，增益和效率适中。其缺点是，当天线仰角较小时，地面噪声很容易从反射器边缘进入馈源,(,此时，馈源喇叭对着地面,),。,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,卡塞格伦天线,由馈源、抛物面主反射器和双曲面副反射器构成。馈源的“等效辐射中心”与副反射器的共轭焦点,F1,相重合。,卡塞格伦天线有许多优点，首先是因为馈源位于主反射器的顶点附近，馈线短，损耗小，且馈源能安装得较稳定，有助于形成指向准确的高增益窄波束天线。其次是地面噪声不易进入馈源（因馈源指向天空）而形成干扰，因此噪声温度很低。,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,偏馈天线,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,偏馈天线,馈源的放置位置偏离天线反射面的几何对称轴,消除了其它形式天线中馈源喇叭或副反射器及其支撑结构所引起的遮挡效应,再加上反射面的优化设计，偏馈天线具有效率高、旁瓣电平低等特点。,与普遍抛物面天线相比较，在相同仰角下，偏馈天线的馈源以较高的仰角指向天空，因而地面反射噪声较小。,偏馈天线发射面一般为圆形，但休斯网络系统公司,(HNS),的,VSAT,系统中，当天线口径在,1m,以下,(,含,lm),时，采用矩形反射面。,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,馈线设备,在收、发共用天线的系统中，馈线设备除包括波导外，主要是一个双工器。它起传输能量和分离收、发信号的作用。,收、发信号的分离是利用频率和极化方式不同来完成的,上行载波频率和下行载波频率是不相等的，因此可利用滤波器实现信号的分离。,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,馈线设备,在采用频率再用,(Reuse),技术的卫星转发器系统中，上行载波和下行载波的极化方向也不一样，它们相互正交，从而可利用极化分离器实现收发信号的隔离。,在,C,波段,(,上、下行频率分别约为,6GHz,和,4GHz),，多采用圆极化波在空间发送,在,Ku,波段,(,上、下行载波频率分别,14GHz,和,l2GHz),，则采用线性极化波,发送泄漏波带阻滤波器为防止发送载波信号馈入接收机而设置,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,发射设备,将已调制好的中频,(,一般为,70MHz),信号经上变频器变换为射频信号,(,上行载波频率,),将功率放大到一定水平，经馈线送到天线向卫星发射。,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,发射设备原理,由于技术上的限制，目前在卫星转发器中，还不可能采用高增益天线和低噪声放大器，因而要求地球站能向卫星发射大功率信号，地球站功率放大器的输出功率最大可达数百瓦至数千瓦,自动功率控制电路的作用是把输出功率的波动限制在额定值的土,0.5dB,以内。,发送波合成装置是将多个已调载波合在一起送到放大器去放大。,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,接收设备,把天线收集的来自卫星转发器的有用信号，经下变频器变换为中频信号后，送给解调器解调。,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,接收设备原理,由于从卫星接收到的信号非常微弱，为了减少接收机内部噪声的干扰影响，提高接收灵敏度，接收设备必须首先使用一个低噪声微波前置放大器对接收信号放大。,为了减少馈线损耗的影响，该放大器一般安装在天线上。,下变频器既可采用一次变频方式，也可采用二次变频方式。前者电路较简单，但频率灵活性差，对那些仅需接收单个卫星转发器信号的小型地球站比较合适。后者对载波中心频率变化的适应性强，应用较广泛。,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,信道终端设备,信道终端设备分为上行和下行两部分。信道终端设备的上行部分位于用户设备和发射设备之间，它将用户送来的基带信号进行处理并调制为中频信号。下行部分位于接收设备和用户设备之间，它把接收设备送来的中频信号进行放大、解调，最后对基带信号处理，并送给用户设备。,6.4 VAST卫星通信网络VSAT站原理,电源设备,地球站电源设备要供应站内全部设备的电能，因此电源设备的性能优劣将影响卫星通信的质量及设备的可靠性。,现代卫星通信系统，一年中要求,99.9,的时间不间断地、稳定可靠地工作。电源设备必须满足这一要求。,特别是大型地球站，一般要有几种供电电源，即市电、发电机和蓄电池。正常情况下是利用市电，一旦市电中断，即由应急发电机供电。在发电机启动到正常供电期间，由蓄电池加交流逆变器短期供电作为过渡。平时，蓄电池是由市电通过整流器对其进行浮充，以备急用。对于小型地球站，可直接配置不间断电源,(UPS),，外加发电机。,第6章 卫星通信系统,6.1,卫星通信系统概述,6.2,海事卫星通信系统,6.3,航空移动卫星通信业务,6.4 VAST,卫星通信网络,6.5,中国民航C波段卫星通信网络,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,中国民航卫星通信的发展,“八五”期间（,1991-1995,）在全国民航机场建成了以北京为主站，广州为备用网控站，全国,97,个卫星地球站的全国民航,TES,话音专用通信网和,PES,数据,专用通信网络,，采用美国休斯网络系统公司的,TES,和,PES,卫星通信设备，构成了中国民航,C,波段卫星通信网络。,“九五”期间（,1996-2000,） ，利用日元贷款余款又在全国尚未建立卫星地球站的机场及,VHF,转播台台址上建设了,65,座卫星地球站，截止到“九五”期末，中国民航,TES,卫星通信网络的地球站数量己达,162,座，,PES,网的地球站数量己达,95,座。,中国民航,C,波段卫星通信网络的建成为空管、航空公司、民航各单位的话音、数据等通信信息的传递提供了可靠的手段,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,中国民航卫星通信的发展（续）,中国民航,C,波段卫星通信网络建立之后，使用亚太一号通信卫星，,1998,年,9,月开始使用鑫诺,1,号,SINO-1,通信卫星，,2011,年,8,月转星至中星,10,号卫星上。,该网络中七个地区级民航管理局远端站分别是华东、华北、中南、西北、西南、东北和乌鲁木齐。,中国民航,C,波段卫星通信网络具有很大的覆盖面积，主要面向亚太地区。该为网络覆盖了中国整个地区，并覆盖了中国周边国家。,中国民航,C,波段卫星通信网络不仅可以进行话音通信和高速数据交换，而且可以完成转报、分组交换和雷达数据传输等功能。,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,中国民航卫星通信的发展（续）,2006,年建成,Ku,波段卫星通信网，使用,VSATPlus II,系统,主站位于北京，备用主站位于上海,VSATPlus II,系统是全网状，无单独坏点,支持目前大部分网络应用，包括高质量话音、数据、视频会议等,使用亚洲四号卫星,目前民航,Ku,波段卫星通信网正陆续投入使用,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,中国民航专用卫星通信网已开通的业务,管制移交电话通信,AFTN,电报电路,雷达数据联网,VHF,地空数据链,行政管理电话,航行气象数据库联网,气象信息广播,全国民航办公自动化局域网互联,航空结算,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,C,波段卫星通信网络的基本组成结构,主用网络控制中心,备用网络控制中心,中星,10,号通信卫星转发器,卫星通信地球站,TES,（,Telephony Earth Station,）网络系统,卫星通信地球站,PES,（,Personal Earth Station,）网络系统,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,中国民航,C,波段卫星通信网络系统的分布结构图,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,网络的基本组成结构（续）,卫星通信地球站,TES,和,PES,站属于,VSAT,站,TES,网络和,PES,网络分别采用了不同的网络拓扑结构,TES,系统采用的是混合型网络拓扑结构,PES,系统则采用的是星状网络拓扑结构,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,TES,网络系统,TES(Telephony Earth Station),是由美国修斯网络制造的基于卫星的全数字话音和数据通信的网状网。,它在多个地球站之间提供网状连接，支持系统内任意地点远端站之间的电话、同步和异步数据通信。,中国民航,C,波段卫星通信网络,TES,系统由一百多个远端站（,Remote Station,）和主备两个网络控制系统,NCS(Network Control System),，共约,1346,多块信道单元,CU,（,Channel Unit,）组成,分布在中国各个民航机场和相关导航台。,主用网络控制系统,NCS,位于中国民航空中交通管理局，提供网络管理和控制；备用网络控制系统,NCS,位于中国民航中南空中交通管理局广州卫星站。,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,TES,网络系统,TES,利用,Ku,波段或,C,波段卫星采用频分多地方式,FDMA,TES,系统使用,QPSK,（,9600bps,）或,BPSK,（,4800bps,）调制,系统提供码率为,1,2,或,3,4,的前向纠错编码,FEC,系统中话音电路采用按需分配,DAMA,（,Demand Assignment Multiple Access,）操作方式,数据电路采用预分配,PAMA(Pre-assignment Multiple Access),方式，通过单跳的单路单载波,SCPC (Single Carrier Per Channel),信道实现两地地球站间的通信,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,PES,网络系统,综合卫星商业网,ISBN,（,Integrated Service Business Network,），又称个人地球站,PES,系统。在中国民航,C,波段卫星通信网系统中主要提供数据通信服务,它由一个主站（,HUB,）和很多个,PES,远端站组成，为星状拓扑结构,可以提供主站与远端站的点到点双向连接或主站到多点的广播方式传输,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,PES,网络系统（续）,ISBN,主站到远端站的数据通道称为“出境信道（,OUTROUTE,）”，出站信道采用时分复用,TDM,（,Time Division Multiple,）技术，它是由一连串不同长度的数据包复用成一个,512kbps,的连续比特流。,系统根据服务级别的不同，定期轮询主站的各个端口。被询问的端口可以发送全部或部分在本端口上排队的数据包，这些包经复用后，通过出向信道广播到卫星接收远端站。,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,PES,网络系统（续）,远端站到主站方向的传输称为“入境信道（,INROUTE,）”,包括多个互相独立的,128kbps,的数据通道，每个入站信道采用时分多址,TDMA,（,Time Division Multiple Access,）技术。远端站的各个端口根据系统分配的信道大小，传输方式，按规定的时间，将本端口的数据打包，通过入向信道，以突发帧的方式传输到主站。,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,PES,网络系统（续）,网控控制系统,NCS,根据每个用户的实际需要，对主站和远端站的相应端口进行协议、发送时间段等参数的配置。,PES,系统支持多种协议的数据传输，提供专线、转发、竞争三种传输方式。,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,PES,网络结构示意图,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,网络控制系统,网络控制系统,NCS,（,Network Control System,）（或网络控制中心或网络管理中心）是,VSAT,网络的核心，它是关系到,VSAT,网运行成功与否的重要关键因素。其作用是保证,VSAT,网络正常、可靠地运行，并对网络的运行进行监视、维护、测试与控制等。因此，要求网络控制系统高度可靠。,VSAT,网性质不同，网络管理系统也有所不同。对于单一用户的专用网可以用一个管理设备进行监控即可，而公用网一般要分为两级管理，高一级管理整个网络，低一级则管理属于用户的部分网络。,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,网络控制系统功能,通常，,VSAT,网的各种网络管理功能分布在网络的各个组成部分。,主站有一个较大的处理机或工作站，用以处理网络的数据库和全部非实时的网络管理工作。,实时的网络管理功能则分布在网内其它处理设备内，其中包括,VSAT,站、主站的处理设备和主站的网络管理计算机。,为了保证网络管理系统的高度可靠，通常均要求硬件与软件有备份。,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,网络控制系统功能（续）,行政管理,网络结构管理、计费管理、设备管理以及安全管理等,网络运行,数据收集、归档和记录报告的产生、操作接口、网络监控和网络资源使用以及故障监视与告警等,规划管理,向规划人员提供足够的信息和数据，协助他们作出最佳设计,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,网络控制系统功能（续）,网络结构管理,操作员通过操作台加入和删除远端站，加入和删除网络接口，增减内向和外向卫星信道，其中包括分配给远端站的信道，改变网络的硬件和软件以增加,VSAT,网的功能。,网络控制功能,操作员可以启动或关闭某一远端站或用户终端接口，并能使用户终端接口进行复核或重新启动。,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,网络控制系统功能（续）,数据库管理,网络结构信息存入有关的数据库。换句话说，网络部件和端口配置等都是以数据库形式将网络运行中过去和当前的信息存入主站的主计算机。这些数据库包括,(1),确定全网定时单元的系统数据库；,(2),确定网络各处理单元硬件配置的硬件数据库；,(3),关于网内通信接续的数据库；,(4),关于,TDMA,时隙的多处数据库。,6.5 中国民航C波段卫星通信网络,网络控制系统功能（续）,外向加载功能,