衛(wèi)星通信系統(tǒng)

1、衛(wèi)星通信系統(tǒng)現(xiàn)代社會(huì)處處離不開通信， 通信系統(tǒng)與我們的生活緊密相關(guān)，隨處可見 . 例如：我們每天離不開的手機(jī)， 當(dāng)我們用它和親人朋友打電話時(shí)， 在使用移動(dòng)通信系統(tǒng)；我們在使用百度地圖時(shí)對用gps定位時(shí)，使用衛(wèi)星通信系統(tǒng); 當(dāng)我們鏈接wifi在瀏覽器搜索時(shí)，我們使用著網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 這時(shí)如果發(fā)揮一下你的想象力，想象著從你所在的某個(gè)方位在你看不見的地下和空氣中有著光纖和微波編織著相互交錯(cuò)的大網(wǎng)，而就是這張大網(wǎng)將你和世界聯(lián)系在一起了，是一件多么神奇而又美妙的事情。一、 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的歷史、現(xiàn)狀、未來趨勢1。1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的歷史衛(wèi)星通信自二十世紀(jì)五、六十年代以來的發(fā)展過程大致經(jīng)歷了以下五個(gè)階段：1. 第

2、一階段 1945 年-1964 年，1945 年英國人 arthur c 。 clarke最早對利用衛(wèi)星建立全球通信提出了科學(xué)設(shè)想以來，美國和前蘇聯(lián)先后研制出低軌道無源、有源及準(zhǔn)同步實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。2. 第二階段 1965 年-1972 年，國際衛(wèi)星通信組織開始通過靜止衛(wèi)星向全球提供商業(yè)服務(wù)。3. 第三階段 1973 年-1982 年, 衛(wèi)星系統(tǒng)為陸地、空中、海上用戶提供固定和移動(dòng)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)。4. 第四階段 1983 年-1990 年，衛(wèi)星通信被逐步應(yīng)用于專用數(shù)據(jù)網(wǎng)、數(shù)話兼容網(wǎng)和衛(wèi)星直播業(yè)務(wù)。 在這個(gè)時(shí)期， 用戶端的 vsat 網(wǎng)絡(luò)得到迅猛的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于公眾服務(wù)、醫(yī)療、商業(yè)、軍事和教育等領(lǐng)域

3、。5. 第五階段1990 年-現(xiàn)在，衛(wèi)星通信領(lǐng)域進(jìn)入發(fā)展的重要時(shí)期，led 、meo和混合式軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)開始廣泛應(yīng)用于全球電信網(wǎng)，以滿足寬帶和移動(dòng)用戶的各種需求。1。2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀近年來，世界上的許多國家相繼建立了國內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng), 最早建立國內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的是加拿大。目前美國擁有的國內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)數(shù)量最多, 日本正在發(fā)展 30/zoghz的國內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，澳大利亞、巴西、墨西哥也都準(zhǔn)備建立國內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。 而我國衛(wèi)星通信的一個(gè)嚴(yán)重問題是依賴國外衛(wèi)星，巨大的市場被國外衛(wèi)星占領(lǐng)。1。3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的未來趨勢未來衛(wèi)星通信將沿著數(shù)字化、 網(wǎng)絡(luò)化、 以及信息化方向前進(jìn)， 針對衛(wèi)星通信

4、的未來發(fā)展趨勢而言，由于c、k波段的使用趨于飽和我們應(yīng)該在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上提高頻段頻譜的利用率，同時(shí)將ip 與 atm 技術(shù)相結(jié)合去建立衛(wèi)星寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信網(wǎng)國家信息高速公路；要進(jìn)一步去實(shí)現(xiàn)建立小型化、智能化、經(jīng)濟(jì)化未來的衛(wèi)星通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶間可以利用衛(wèi)星進(jìn)行通信，而不再需要基站；如果將衛(wèi)星與 internet 網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 這樣就可以利用寬帶衛(wèi)星進(jìn)行雙向傳輸 , 并且下載和地面網(wǎng)絡(luò)反饋的速度也得到了大幅提升，同時(shí)也大大減輕了頻譜擁擠現(xiàn)象以及抗干擾能力. 二、 衛(wèi)星通信系統(tǒng)模型衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間設(shè)備通信衛(wèi)星、地面設(shè)備地球站、 跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)等四大功能

5、部分組成。圖 1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本組成1. 空間設(shè)備也就是通信衛(wèi)星是由若干個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器、數(shù)副天線與位置和姿態(tài)控制、遙測和指令、電源分系統(tǒng)組成，其主要作用是轉(zhuǎn)發(fā)各地球站信號. 2。地球站由天線、發(fā)射、接收、終端分系統(tǒng)及電源、監(jiān)控和地面設(shè)備組成，主要作用是發(fā)射和接收用戶信號。3。地面的跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)、監(jiān)控管理分系統(tǒng)并不直接用于通信, 而是用來保障通信的正常進(jìn)行。4。監(jiān)控管理分系統(tǒng)對在軌衛(wèi)星的通信性能及參數(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)開道前的監(jiān)測和業(yè)務(wù)開通后的例行監(jiān)測與控制。三、衛(wèi)星通信系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用給其帶來的變化3。1 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得很成熟, 尤其是在數(shù)據(jù)處理相關(guān)領(lǐng)域

6、. 數(shù)據(jù)壓縮可以給通信帶來很大的方便，例如節(jié)約了時(shí)間、提高了頻帶利用率、節(jié)約了存儲(chǔ)空間等。其中mpeg62 設(shè)計(jì)中采用了面向?qū)ο蟮姆椒ǎ貏e注重交互性和多媒體同步、實(shí)時(shí)表現(xiàn)、實(shí)時(shí)交換、最終形式等方面。目前已被多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)所采用。3.2 智能天線系統(tǒng)由于傳送多媒體信息的需要, 通常要求通信系統(tǒng)的帶寬在2 500mhz 以上，多媒體通信系統(tǒng)因此選擇了ku甚至 q和 v波段, 但 k以上波段雨衰相當(dāng)嚴(yán)重， 而且衛(wèi)星本身也存在各種限制和隨機(jī)錯(cuò)誤, 這就需要通過智能天線的多波束來覆蓋到更廣的區(qū)域，例如 , 可以采用多波束快速跳變系統(tǒng)；同時(shí)在低軌道系統(tǒng)中采用蜂窩空間分系統(tǒng)跟蹤遙測指令分系統(tǒng)監(jiān)測管理分

7、系統(tǒng)通信業(yè)務(wù)控制中心地球站通信測控式天線來實(shí)現(xiàn)跟蹤和同頻復(fù)用功能； 星上和同步軌道系統(tǒng)要想構(gòu)成蜂窩式覆蓋圖就必須要采用相控陣列天線. 3。3 多址接入技術(shù)針對接入方式 ,atm/tdma 多址接入方式比 fdma 和 cdma 更適合星上處理衛(wèi)星對多址接入的要求， 因?yàn)榇朔N方式有較好的信息傳輸角度、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用靈活性好等特點(diǎn)。但是，tdma 方式對速率和發(fā)射功率要求很高, 這在無形中就增加了解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)難度， 同時(shí)也增加了載波功率與噪聲功率密度的比值的要求。為了克服上述問題， 該領(lǐng)域?qū)＜姨岢隽艘环N新的方式，采用多頻質(zhì)的 tdma ，即 mftdma （multiplefrequencytdma)

8、多址接入技術(shù)，它是將 fdma 于 tdma 相結(jié)合 , 這樣可以降低每個(gè) tdma 鏈路的接入速率和調(diào)制解調(diào)器的工作速率，同時(shí)對上行鏈路的值 c/n0(c/n0=e/n0rb ）的要求也減弱了。3。4 衛(wèi)星激光通信技術(shù)目前, 衛(wèi)星通信的載波是微波 , 雖然在 ku 波段, 數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到100mbit/s以上，但體積較大的微波天線無法安裝在通信衛(wèi)星上。而未來的衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)率卻要求工作在數(shù)百或數(shù)千mbit/s ，因此，只能由激光通信來實(shí)現(xiàn)。衛(wèi)星通信采用激光可以提升衛(wèi)星的通信量和保密性， 減輕了衛(wèi)星的重量和大??； 在大氣層外，沒有大氣的干擾 , 通信更加準(zhǔn)確，同時(shí)也降低了誤碼率；運(yùn)用激光可以提

9、升數(shù)據(jù)的傳輸速率以及系統(tǒng)的可靠性； 同時(shí)衛(wèi)星通信也互不干擾。 它們的發(fā)光技術(shù)簡便，不受接收器信號相位影響， 且工作壽命長、 可靠性高， 其綜合性能優(yōu)于其他激光器. 據(jù)專家預(yù)測，激光技術(shù)運(yùn)用到衛(wèi)星通信中將對通信行業(yè)的發(fā)展起到不可替代的作用。四、mimo 傳輸技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用4.1mimo傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀mimo 技術(shù)最早是由 marconi 于 1908年提出的主要思想是在帶寬和發(fā)射功率一定的前提下 , 依靠開發(fā)空間資源，使用若干天線多發(fā)多收的目的，達(dá)到成倍提高信道容量的目的。也可以提高信道傳輸可靠性, 大幅降低誤碼率等 . 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室在隨后對 mimo 技術(shù)進(jìn)行了長期的研究 ,

10、 主要成果是證明了在白高斯信道下, 多天線可以有效提高信道容量， 并由此發(fā)展處分層空時(shí)編碼技術(shù)，將信號源數(shù)據(jù)劃分為一系列的子數(shù)據(jù)，子數(shù)據(jù)獨(dú)立編碼和調(diào)制, 可以達(dá)到 40bps/hz 的頻譜效率，但是該技術(shù)不適合移動(dòng)通信環(huán)境在透明轉(zhuǎn)發(fā)器的應(yīng)用場景下，星上只是將接收信號放大并通過多天線發(fā)送出去, mimo 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)和復(fù)雜的信號接收可以全部轉(zhuǎn)移到地面上處理 , 大大降低了mimo技術(shù)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)的難度和風(fēng)險(xiǎn)。4.2 衛(wèi)星 mimo 傳輸技術(shù)分類根據(jù)衛(wèi)星采用的載荷方式的不同，衛(wèi)星mimo 技術(shù)可具體分為：針對星上處理再生載荷 mimo 技術(shù)的研究和針對星上透明載荷mimo 技術(shù)的研究 .

11、 1。星上處理再生載荷的mimo 技術(shù)如果衛(wèi)星是處理再生載荷 , 那么衛(wèi)星的上下行都可以視為獨(dú)立的端到端鏈路，針對上下行分別運(yùn)用mimo 技術(shù)可以獲得兩個(gè)不同的信道容量，相對較小的容量則限制了整個(gè)系統(tǒng)的容量。 因此必須將上下行鏈路結(jié)合起來進(jìn)行系統(tǒng)容量的優(yōu)化。2. 星上透明載荷的 mimo 技術(shù)這種情況下，衛(wèi)星是一個(gè)信號中繼器, 對信號只起了一個(gè)相位偏移和功率放大的作用 , 衛(wèi)星的上下行視為一個(gè)鏈路。 這時(shí)的 mimo 技術(shù)研究主要針對地面n副發(fā)射天線、星上 m副接收天線和 m副發(fā)射天線、 地面 z副接收天線這樣的情況下進(jìn)行研究 . 4.3 對 mimo 傳輸技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用的概括目前衛(wèi)星mimo傳輸可分為 : 多極化方式、多個(gè)地