課件ppt第七章

1、1毫米波通信技術(shù)劉發(fā)林電子工程與信息科學(xué)系2010年11月第七章、毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究生選修課 ESD5302中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2第七章、毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng) 7.1 概述 7.2系統(tǒng)構(gòu)成及特點 7.2.1 系統(tǒng)的基本組成 7.2.2毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本特點 7.2.3 技術(shù)問題 7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù) 7.3.1 星上處理 7.3.2 星間鏈路(ISL)技術(shù) 7.4 系統(tǒng)設(shè)計的考慮 7.4.1 軌道和頻段的選擇 7.4.2 通信體制 7.4.3 星上有效載荷的考慮 7.4.4 鏈路計算和衛(wèi)星資源的最佳利用 7.4.5 關(guān)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò))總體設(shè)計的進一步討論 7.5 網(wǎng)絡(luò)控制與

2、管理 7.5.1 網(wǎng)絡(luò)控制與管理功能 7.5.2 網(wǎng)絡(luò)管理的基本架構(gòu) 7.5.3 網(wǎng)管系統(tǒng)的實現(xiàn) 7.6 毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用 7.6.1 毫米波寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò) 7.6.2 利用數(shù)字視頻廣播（DVB）提供衛(wèi)星因特網(wǎng)服務(wù) 7.6.3 利用毫米波的個人衛(wèi)星通信系統(tǒng)3毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述 載波擴展：載波擴展：信息化需求加速微波毫米波/光波 衛(wèi)星技術(shù)：衛(wèi)星技術(shù)：廣播、透明轉(zhuǎn)發(fā)存儲轉(zhuǎn)發(fā)星上處理與交換技術(shù)為多種業(yè)務(wù)需求提供了技術(shù)支持 考慮：網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、波束覆蓋、多址方式、傳輸與交換、調(diào)制與解調(diào)、編解碼等介紹：系統(tǒng)構(gòu)成、特點、信道模型、星間鏈路、系統(tǒng)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)管理等 7.1 概述4毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)

3、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類方法很多，按距離地面的高度可分為靜止軌道衛(wèi)星、中地球軌道衛(wèi)星和低地球軌道衛(wèi)星。 靜止軌道GEO(Geostationary Earth Orbit)衛(wèi)星，距地面35 780 km，衛(wèi)星運行周期24h，相對于地面位置是靜止的。 中地球軌道MEO(Medium Earth Orbit)衛(wèi)星，距地面50020 000 km，衛(wèi)星運行周期412 h，相對于地面位置是移動的。 低地球軌道LEO(Low Earth Orbit)衛(wèi)星，距地面5005000 km，衛(wèi)星運行周期14 h，相對于地面位置是快速移動的。 7.2 mmw衛(wèi)通系統(tǒng)概述5衛(wèi)星通信系

4、統(tǒng)的構(gòu)成7.2 mmw衛(wèi)通系統(tǒng)概述圖7.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成6衛(wèi)星作為通信節(jié)點，由傳統(tǒng)的透明轉(zhuǎn)發(fā)（對于用戶來說，載頻是確定的）向多功能發(fā)展星上強大的數(shù)據(jù)處理功能，從單星向多星組網(wǎng)發(fā)展衛(wèi)星通信系統(tǒng)的構(gòu)成基本組成：n空間衛(wèi)星、地面站、遙測遙控、通信業(yè)務(wù)控制7.2 mmw衛(wèi)通系統(tǒng)概述7毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點n 更強的“視距”（LOS）傳輸特性n 較低的頻段對衛(wèi)星移動通信和個人通信是十分有利的繞射n 毫米波波段，繞射作用大為削弱，大多數(shù)情況下已至可忽略程度，更接近于光線的直線傳播特性，其衛(wèi)星系統(tǒng)成為典型的LOS系統(tǒng)n 除直射到達接收天線的信號功率外，僅存在地形地物的反射和（或）漫射分量，以及某些

5、情況下的繞射分量，如這些分量很弱。n 帶寬資源豐富，利于提供寬帶大容量通信服務(wù)。n 根據(jù)ITU世界無線電大會的決定，從20至70GHz這一范圍內(nèi)，屬于衛(wèi)星通信用的帶寬即達21.4GHz。n 就Ka（30/20GHz）頻段而言，其上、下行鏈路固定業(yè)務(wù)可供使用的帶寬各為3500MHz，如能在衛(wèi)星處理設(shè)備中采用快速分組交換，加上多點波束蜂窩式覆蓋，可大提高系統(tǒng)的傳輸速率和信息吞吐量。7.2 mmw衛(wèi)通系統(tǒng)概述8毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點續(xù)1n 更強的天線方向性n 便于星上實現(xiàn)波束掃描或多點波束蜂窩式覆蓋，提高EIRP，也有利于系統(tǒng)的電磁兼容性。 n 空間環(huán)境(條件)對系統(tǒng)的可用度影響很大。 n 影響因

6、素包括大氣吸收、折射、云層衰減、降雨衰減、雨/冰去極化效應(yīng)以及電離層閃爍等。n 頻段越高，影響的因素越多；程度越大。n 雨衰尤甚。通信質(zhì)量惡化乃至線路中斷。n 如何保證高的鏈路可用度，是高頻段衛(wèi)星系統(tǒng)面臨的重大挑戰(zhàn)。n 要求的系統(tǒng)可用度越高，則所要付出的代價越高。n 在系統(tǒng)設(shè)計中，如何在成本和可用度之間作出合理的權(quán)衡，將關(guān)系到系統(tǒng)的成敗。7.2 mmw衛(wèi)通系統(tǒng)概述9 傳播因素 C頻段 Ku頻段 Ka頻段 V頻段 大氣吸收 有 有 云層衰減 有 有 降雨衰減 有 有 有 雨/冰去極化效應(yīng) 有 有 有 有 電離層閃爍 有 有 有 有 表7.1 影響衛(wèi)星鏈路的傳播因素7.2 mmw衛(wèi)通系統(tǒng)概述10衛(wèi)

7、星通信技術(shù)問題n 對于提供多媒體服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)，要保證足夠的通信資源，并為用戶提供高度的靈活性。需要解決的技術(shù)問題主要有：n（1）網(wǎng)絡(luò)拓撲：衛(wèi)星系統(tǒng)作為一種有效的寬帶接入手段，是“解決最后一英里（直接到家或用戶DTU）”的最佳方案之一。此情況下為達到最大的頻譜利用率和最小的時延，應(yīng)建立網(wǎng)格網(wǎng)；當衛(wèi)星系統(tǒng)與公網(wǎng)（PSTN、ISDN等）連接時，則擬用星形網(wǎng)，通過網(wǎng)關(guān)站來實現(xiàn)此連接。另外，通常公網(wǎng)是開放式的，而某些特殊用戶群則需要封閉的網(wǎng)絡(luò)進行通信。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能滿足這些網(wǎng)絡(luò)拓撲的要求。n （2）交換：為增加業(yè)務(wù)吞吐量，同一系統(tǒng)中應(yīng)同時分組交換和電路交換的能力，來處理連續(xù)和突發(fā)性業(yè)務(wù)。 7.2 mmw

8、衛(wèi)通系統(tǒng)概述11衛(wèi)星通信技術(shù)問題續(xù)1n（3）按需分配帶寬：用戶傳輸?shù)谋忍厮俾适墙⒃诎错樞蚝艚械幕A(chǔ)上的，可根據(jù)業(yè)務(wù)量大小調(diào)節(jié)，所占用的帶寬也要作相應(yīng)變化，而且，在兩個傳輸方向上可以是不同（不對稱）的。n（4）標準/協(xié)議：由于用戶常常需要提供各種業(yè)務(wù)，可能同時存在各種不同的傳輸協(xié)議。大多數(shù)Ka衛(wèi)星系統(tǒng)采用ATM或類似的協(xié)議，但考慮到其特殊性，與地面網(wǎng)絡(luò)用的并不盡相同。n（5）全球多播覆蓋：為實現(xiàn)除極區(qū)外的全球多播覆蓋，GEO衛(wèi)星系統(tǒng)要建立多星組成的星座，每衛(wèi)每一衛(wèi)星的位置，要能面向最廣大的用戶，同時又能便于星間鏈接和連網(wǎng)。 7.2 mmw衛(wèi)通系統(tǒng)概述12衛(wèi)星通信技術(shù)問題續(xù)2n（6）多波束覆蓋：

9、為了充分利用高頻段的優(yōu)點，即較小口徑天線可產(chǎn)生高增益（強方向性）的窄波束，將衛(wèi)星功率集中投射到有用的地方，同時有利于用戶終端的小型化，每顆衛(wèi)星服務(wù)的區(qū)域通常是用多波束或窄波束掃描覆蓋的，每一波束的寬度約為10 20或更窄。多波束或相控陣天線的開發(fā)利用是十分重要的。n （7）星間鏈路（ISL）：為使星座（空間網(wǎng)絡(luò)）間實現(xiàn)完全的互連而減少對地面基礎(chǔ)設(shè)施的依靠，星間鏈路是不可缺少的。在Ka及更高頻段，星間鏈路應(yīng)能提供足夠高的容量（如達到1Gbps）。n （8）抗雨衰技術(shù)：降雨對高頻造成嚴重的衰減，尤以大雨、暴雨為甚，從而難以獲得高的鏈路可用度。為克服雨衰，已研究了種種措施，較為有效而可行的有高增益的

10、編碼（如內(nèi)外碼組成的級聯(lián)碼），對上行鏈路（可能時也可對下行鏈路）實施功率控制等。7.2 mmw衛(wèi)通系統(tǒng)概述13衛(wèi)星通信技術(shù)問題續(xù)3n （9）星上處理：為充分利用衛(wèi)星資源，提高通信質(zhì)量，滿足多媒體業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枰巧蠈⒁敫鞣N處理技術(shù)；特別是，對于采用多波束覆蓋和全球聯(lián)網(wǎng)的衛(wèi)星系統(tǒng)，常常需要將信號從一波束選擇路由到其他波束、從某一衛(wèi)星到另一衛(wèi)星的星上路由選擇處理。n （10）小型化的用戶終端：對DTU鏈路而言，終端天線口徑一般在 0.6m 2m的范圍內(nèi)，以使其便于攜帶和安裝，且價格低廉，從而增強其市場競爭力。n 以上問題有的已在前面有關(guān)章節(jié)中作了論述，下面主要討論星上處理及星間鏈路技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)

11、的管理、控制；還有一些問題則在系統(tǒng)設(shè)計一節(jié)中考慮。7.2 mmw衛(wèi)通系統(tǒng)概述14 一、星上處理n 按基本功能，通信衛(wèi)星可分為彎管式衛(wèi)星和具有星上處理的衛(wèi)星（簡稱處理衛(wèi)星） 。n 在有星上處理的衛(wèi)星中，除完成信號的放大和頻率變換外，還包含了信號檢測、解碼、再編碼、再調(diào)制，以及通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換等。 星間鏈路：n 星間鏈路可看作是多波束衛(wèi)星的一些特別的波束，這些波束不是指向地球，而是指向其他衛(wèi)星。n 當兩顆衛(wèi)星間需要雙向通信時，每顆衛(wèi)星至少要有兩個波束：一發(fā)一收。n 通過星間鏈路可擴大對地球的覆蓋，實現(xiàn)全球覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，或?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互連，其作用是十分重大的。 7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)15n星上處理

12、大致可分為三類：n I類：具有基帶星上處理、星上交換和星上路由功能，此種衛(wèi)星通常稱為全處理衛(wèi)星；n II類：具有星上射頻（包括中頻）處理、信號再生和星上交換功能，它是部分處理衛(wèi)星；n III類：具有支持通信功能的處理 。n 在采用高頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為發(fā)揮高頻段的優(yōu)越性，衛(wèi)星天線通常是高增益、窄波束的，對于較大的通信區(qū)域，需用多波束覆蓋或點波束掃描；n 為連接不同波束覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶，必須引入星上交換與處理，因此高頻段的衛(wèi)星系統(tǒng)是難以離開星上處理的。n 未來的通信衛(wèi)星系統(tǒng)將提供一系列新的、先進的信息服務(wù)，星上處理將為這些服務(wù)提供強有力的支持。因此，星上處理是衛(wèi)星技術(shù)的一個重要的發(fā)展趨勢。7.

13、3 星上處理及星間鏈路技術(shù)16n 按衛(wèi)星軌道星間鏈路可分為：n （1）對地靜止軌道（GEO）衛(wèi)星之間的鏈路；n （2）對地靜止軌道（GEO）衛(wèi)星與非靜止軌道（MEO、LEO）衛(wèi)星之間的鏈路；n （3）非對地靜止軌道（MEO、LEO）衛(wèi)星之間（MEO-MEO、MEO-LEO、LEO-LEO）的鏈路。n 嚴格地說，上述第二種情況以及第三種情況中不同軌道之間的鏈路應(yīng)稱為軌（道）間鏈路。下面主要討論第一種（GEO-GEO）星間鏈路技術(shù)。 GEOLEOGEOLEOMEOMEO7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)17（1）采用多波束采用多波束天線天線n 圖7.2給出了衛(wèi)星多波束覆蓋的示意圖。要說明的是，當這些波

14、束相對固定時稱為固定多波束；若多波束或一點波束通過掃描或跳動覆蓋通信區(qū)域時，稱為掃描波束或跳波束。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù) 波束交換開關(guān)多波束天線多波束衛(wèi)星aD圖7.2 衛(wèi)星多波束覆蓋示意圖f2f3f4f1f1f1f1f2f3f4衛(wèi)星多波束天線和波束間互連18n 衛(wèi)星系統(tǒng)采用星上多波束天線的主要優(yōu)點是：n（a）能在地面上獲得高的功率通量密度，從而可降低終端天線尺寸，便于實現(xiàn)移動中通信；n（b）可利用不同波束實現(xiàn)射頻復(fù)用，如圖7.7中所示。這樣可擴大有限的頻帶資源的利用率，大大地提高通信容量。n 多波束系統(tǒng)也存在一些不容忽視的問題n 增加了星上有效載荷的重量和復(fù)雜度。需建立不同波束覆蓋區(qū)中

15、終端之間的鏈路；n 將產(chǎn)生不同程度的波束間干擾。由于波束間旁瓣的影響，上行鏈路對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、下行鏈路對接收地球站都可出現(xiàn)同頻干擾，綜合結(jié)果，是導(dǎo)致系統(tǒng)總的載噪比惡化，典型的數(shù)值可使噪聲增加40%。n 在許多應(yīng)用中，采用多波束仍是利大于弊，特別是Ka頻段以上，在已有的和將要建成的系統(tǒng)，幾乎都采用多波束覆蓋。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)衛(wèi)星多波束天線和波束間互連續(xù)119 （2）利用轉(zhuǎn)發(fā)器跳接的互連）利用轉(zhuǎn)發(fā)器跳接的互連n 當波束數(shù)量較少時，可采用轉(zhuǎn)發(fā)器的跳接實現(xiàn)互連。以二波束為例，其互連方式如圖7.3所示。 n 它是將系統(tǒng)所擁有的帶寬分為與波束數(shù)相等個數(shù)的子帶，并在星上用濾波器進行分隔。n 每一

16、濾波器的輸出連接轉(zhuǎn)發(fā)器到達指定波束的天線。n 注意，這里濾波器和轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量至少等于波束數(shù)的平方，可見，這種方式僅適合于波束數(shù)較少的場合。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)衛(wèi)星多波束天線和波束間互連續(xù)2207.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)衛(wèi)星多波束天線和波束間互連續(xù)3圖7.3 二波束系統(tǒng)中利用轉(zhuǎn)發(fā)器跳接實現(xiàn)互連21（3）利用星上開關(guān)矩陣實現(xiàn)波束間互連）利用星上開關(guān)矩陣實現(xiàn)波束間互連n 這種方式 的典型應(yīng)用是與時分多址結(jié)合的星上交換時分多址（SSTDMA）。圖7.4給出了以三波束為例的系統(tǒng)示意圖。n 其中，假定波束3中的站將突發(fā)(Burst)發(fā)送給波束2中的站。圖中，從同步區(qū)的前端到增長空間（grow

17、th space）的尾端為一幀周期，中段為交換時間，它具有時窗結(jié)構(gòu)，每一時窗包含有若干分突發(fā)，而這些分突發(fā)中則包含有要傳送的信息；每一站在分配的時窗內(nèi)發(fā)射其突發(fā)。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)衛(wèi)星多波束天線和波束間互連續(xù)4227.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)衛(wèi)星多波束天線和波束間互連續(xù)5圖7.4 三波束SS-TDMA系統(tǒng)開關(guān)連接及幀結(jié)構(gòu)23 幀中分組的分配（突發(fā)時間規(guī)劃）幀中分組的分配（突發(fā)時間規(guī)劃）n 幀中突發(fā)的分配應(yīng)最大限度地利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，這意味著時窗全部為通信業(yè)務(wù)突發(fā)所占滿；n 注意：僅當波束間的業(yè)務(wù)分布平衡時才有可能，而實際上這是幾乎不能做到的。n 希望通過某種突發(fā)時間規(guī)劃，盡可能地朝

18、此目標努力n 首先建立一種稱之為業(yè)務(wù)矩陣用以描述業(yè)務(wù)的波束走向，仍以三波束間的交換為例，其業(yè)務(wù)矩陣如下頁圖所示。 7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)用開關(guān)矩陣波束互連方式的幾個技術(shù)問題247.3 星上處理及星間鏈路技術(shù) 到波束 來自波束 1 t11 t12 t13 S1 2 t21 t22 t23 S2 3 t31 t32 t33 S3 R1 R2 R3 n 其中，每一行 的和表示由同一波束中的所有地球站發(fā)送的業(yè)務(wù)；而每一列 的和表示某一波束所有站接收的業(yè)務(wù)。當波束間業(yè)務(wù)分布平衡時， 的和與 的和是相等的；否則，這些和中會有一個比其他的要大。這時相應(yīng)的矩陣的行或列稱為臨界線。有各種算法來使時幀獲得

19、最佳的填充。iS)3 , 2 , 1( i)3 , 2 , 1( jRjiSjR25n 在一個SSTDMA網(wǎng)絡(luò)中，其分配方式可以是固定的，或是按申請分配的。當按申請分配時，分配給各地球站的容量是通過分給TDMA不同的突發(fā)長度來獲得。n 某一地球站突發(fā)長度的改變會使其他站的突發(fā)位置改變，就會導(dǎo)致突發(fā)時間規(guī)劃發(fā)生變化。這里有三種變化情況：n（a）突發(fā)時間規(guī)劃變化而無交換模式配置變化；n（b）突發(fā)時間規(guī)劃變化并伴有交換模式配置變化，但開關(guān)狀態(tài)秩序不變；n（c）突發(fā)時間規(guī)劃變化并伴隨開關(guān)狀態(tài)秩序變化。n 上述第一種情況僅牽涉到地球站，而后兩種情況中，除與地球站有關(guān)外，還要使星上交換矩陣的開關(guān)狀態(tài)作相應(yīng)

20、的變化。n 開關(guān)狀態(tài)如果是由地面控制時，必須將新的開關(guān)狀態(tài)信息通過特殊用途鏈路如遙控指令鏈路傳送到分布控制單元寄存器。分配變化要保證所有地球站和衛(wèi)星能與此變化同步。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)26 同步問題同步問題 n 在SSTDMA網(wǎng)絡(luò)中，要解決地球站間的同步，以及地面段與衛(wèi)星的同步。n 單波束TDMA中，閉環(huán)同步是較為精確而有效的同步方式，但照搬到多波束系統(tǒng)中是難以行通的。原因在于，某一波束的地球并不接收它們發(fā)射到其他波束去的突發(fā)，這樣就不能確定其位置誤差而進行修正。n 解決此問題的一個方法是采用共運作反饋閉環(huán)同步。 其基本思路是：在一波束指定地球站進行時間測量，該站依次指出觀察到的有關(guān)

21、地球發(fā)送的突發(fā)的時間誤差值。 此法將降低幀效率，只適用于波束數(shù)低的場合；如波束數(shù)較多，則以開環(huán)法為宜。 7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)用開關(guān)矩陣波束互連方式的幾個技術(shù)問題續(xù)127 同步問題同步問題續(xù)續(xù)1n 關(guān)于地面段與衛(wèi)星之間的同步，意味著要選擇網(wǎng)絡(luò)時鐘的位置。有兩種方案可供選擇：n 一種是選在用作TDMA參考站的地面處；n 另一種是選在星上特許節(jié)點的虛擬位置。n 保留參考站時鐘就必須在衛(wèi)星上有一解調(diào)器和獨特碼檢測電路。在星上安裝時鐘則需要有一調(diào)制器向所有波束廣播它的時鐘。n 在這兩種情況下，都要求在星上增加額外的設(shè)備；另外星上鐘的穩(wěn)定度也是一個問題，因為要符合ITU的G811建議網(wǎng)絡(luò)間準同步

22、的要求，時鐘穩(wěn)定度為10-11，難度很大。一種較好的解決方案是將分布控制單元（DCU）作為網(wǎng)鐘。其基本原理可用圖7.5來說明。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)28 同步問題同步問題續(xù)續(xù)27.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)圖7.5 一種SS-TDMA網(wǎng)絡(luò)的同步29 同步問題同步問題續(xù)續(xù)3n 參考站識別該時鐘速率并使參考突發(fā)同步。參考站在發(fā)射參考突發(fā)之前增發(fā)一突發(fā)，稱為測量突發(fā)（metering burst）。在穩(wěn)態(tài)同步時，該突發(fā)到達衛(wèi)星進入幀同步區(qū)跨在前二個開關(guān)組態(tài)(switch mode)，n 第一個組態(tài)建立一返回連接到參考站波束（圖中為波束），第二個組態(tài)不提供輸入與輸出間的任何連接。測量突發(fā)返回、

23、被截切而到達參考站，通過此途徑控制其傳輸保持一恒定的截切，從而控制單元時鐘保持同步。n 參考突發(fā)跟隨測量突發(fā)傳送，有一定的時延。n 在同步區(qū)還有第三個開關(guān)組態(tài)，它將波束與所有波束連接起來，衛(wèi)星利用該組態(tài)在全部波束上分布參考突發(fā)。將控制單元鐘速率與安裝在參考站中的更為精密的時鐘的速率進行比較，來獲得同步的相位偏差，通過遙控可完成相位校正，從而保證所要求的穩(wěn)定度。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)30 幀效率幀效率 TDMA的幀效率可按下式計算： 式中， 是對信息傳輸沒有貢獻的時間和； 是幀周期。 由四部分組成：n（a）同步區(qū)；n（b）分組報頭和保護時間，后者包括留作星上矩陣開關(guān)的時間。注意，與單波束

24、衛(wèi)星不同的是，若地球站的分組要送到若干波束時，則需在一幀內(nèi)發(fā)射若干次，因每一分組有一報頭，故將進一步降低幀效率；7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)FiTt1itFTit用開關(guān)矩陣波束互連方式的幾個技術(shù)問題續(xù)231n（c）在波束業(yè)務(wù)分布不平衡時，臨界段決定最小的開關(guān)組態(tài)持續(xù)時間，某些幀時窗不能填滿，其例子如圖7.6所示。矩陣的臨界段為S3，這樣在波束發(fā)送的業(yè)務(wù)便決定了建立開關(guān)組態(tài)的最小時間； 圖7.6 SS-TDMA在非均勻業(yè)務(wù)分布情況下的幀分組舉例 7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)32n（d）在按申請分配工作方式下，在給定的時間中突發(fā)分配不可能達到最佳，當分配變化而開關(guān)組態(tài)或開關(guān)秩序不變時會有“死時

25、”引入時窗中。n 總之，因幀效率取決于業(yè)務(wù)分布，而這種分布是不確定的，故難以給出準確的數(shù)字，一些仿真結(jié)果提供的范圍是；無論何種假設(shè)，其效率均低于單波束衛(wèi)星。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)33（4）利用波束掃描的互連）利用波束掃描的互連n 波束掃描概念：在通信區(qū)域內(nèi)劃分為許多毗鄰的小區(qū)，衛(wèi)星天線每一瞬間照射到其中一個小區(qū)，通過周期性地移動波束指向，完成對整個通信區(qū)域的覆蓋；n 衛(wèi)星的指向是由星上天線分系統(tǒng)中的波束形成網(wǎng)絡(luò)控制的。圖7.7是其示意圖。n 小區(qū)中的地球站在波束照射期間發(fā)射或接收其突發(fā)；如果星上沒有存儲設(shè)備，則在某一瞬間至少應(yīng)有兩個波束，分別用以建立上、下行鏈路。n 在波束照射駐留的時

26、間，與收、發(fā)二小區(qū)的業(yè)務(wù)量成正比。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)衛(wèi)星多波束天線和波束間互連續(xù)634 圖7.7 利用波束掃描互連的示意圖35n 當星上具有信息存儲功能的設(shè)備時，則瞬時僅需一個波束，如圖7.8所示。n 在波束照射的小區(qū)中的地球站，可實時接收本小區(qū)內(nèi)其他站發(fā)來的信號，或接收由存儲器輸出的基帶信號對載波調(diào)制后經(jīng)波束形成網(wǎng)絡(luò)（BFN）發(fā)來的已調(diào)載波；與此同時將信號發(fā)向衛(wèi)星，在小區(qū)內(nèi)的站間是實時轉(zhuǎn)發(fā)的，如要傳送給其他小區(qū)的地球站，則先將射頻信號解調(diào)為基帶信號存儲起來，待波束掃描到其他小區(qū)再轉(zhuǎn)發(fā)。n 只要波束掃描速度足夠快，便可實現(xiàn)近實時通信。這種方式的突出優(yōu)點是由于瞬間無多個波束存在，從而

27、可避免同頻道干擾。n 以上為波束連續(xù)掃描的情況。若小區(qū)是分隔的，則通過波束跳變指向進行覆蓋。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)36 圖7.8 具有星上信息存儲設(shè)備的波束掃描37 星上再生處理n 最簡單的星上再生轉(zhuǎn)發(fā)器是在接收機與發(fā)射機間插入解調(diào)器和調(diào)制器，如果在解調(diào)器與調(diào)制器之間再插入基帶處理器（如圖7.9所示），則將獲得更強的處理功能。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)圖7.9 再生轉(zhuǎn)發(fā)器的基本組成38（1）星上采用調(diào)解器的鏈路性能n 考慮衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中僅插入解調(diào)器和調(diào)制器后的通信鏈路性能。一種星上多載波解調(diào)器(MCD)的框圖如圖7.10所示。n 圖中，濾波功能是由多相結(jié)構(gòu)的數(shù)字內(nèi)插濾波器來實現(xiàn)的，一

28、方面可以減少濾波運算的累積誤差，提高運算精度；另一方面，濾波是在降速后進行的，濾波器的階數(shù)可以做得很低，大地降低了對濾波器的要求。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)圖7.10 一種星上多載波解調(diào)器（MCD）框圖39n 設(shè)系統(tǒng)（包括衛(wèi)星和地球站）是線性的，上行鏈路信號到達衛(wèi)星后經(jīng)解調(diào)而還原為基帶信號，在數(shù)字制系統(tǒng)中設(shè)其差錯率為 ；此基帶信號經(jīng)星上再調(diào)制，作為下行鏈路信號發(fā)送給接收地球站，如不考慮上鏈路所出現(xiàn)的差錯，即衛(wèi)星向下行鏈路傳送的信號是無差錯的，到達接收站被解調(diào)后的差錯率為 。將上、下行鏈路的差錯率同時考慮在內(nèi)，根據(jù)概率論可知總的差錯概率BER為 7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)UBERDBER

29、)1 ()1 (UDDUBERBERBERBERBERn 只要上、下行鏈路的載噪比（ C/N0 ）或碼元能量對噪聲密度比（ Eb/N0 ）足夠高，則可使 和 很低（遠小于1），這樣上式可化為：UBERDBERDUBERBERBER407.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)n 通常，對于較大型的終端，可以產(chǎn)生較高的射頻功率，從而使衛(wèi)星獲得高的 ，當 時，便有：UbNE)(0DbUbNENE)()(00DBERBER n 以上分析是假設(shè)系統(tǒng)工作于線性時的情況，實際上，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地球站發(fā)射機功放都存在著非線性，再考慮到有干擾時，將透明（彎管）轉(zhuǎn)發(fā)器與這種再生轉(zhuǎn)發(fā)器的性能進行比較發(fā)現(xiàn)，只要 與 之比足夠高時

30、，再生轉(zhuǎn)發(fā)器的干擾容限較高，這一性能對多波束衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來說是至關(guān)重要的。n 結(jié)論：在多波束衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中采用星上再生處理，可抵消或部分抵消由于波束間引起的同頻干擾。 UbNE)(0DbNE)(0417.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)（2）星上采用調(diào)解器和基帶糾錯編碼處理的性能n 數(shù)字通信中，利用前向糾錯編碼可改善誤碼性能，或降低解調(diào)門限；對于相同的差錯率，編碼前后所需 之差稱為編碼增益。上行鏈路編碼是在地球站中進行的，而下行鏈路編碼則在衛(wèi)星上進行。n 考慮在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中加入編碼器時對下行鏈路傳輸性能的改善。設(shè)星上編碼前的信息速率為 ，它等于載波調(diào)制速率 ，為達到要求的差錯率的碼元能量對噪聲密度比為 ，對

31、于二進制調(diào)制有 n為了進行編碼，將信息速率降低為 = ( )，所需之解調(diào)門限為 ，相應(yīng)地有)(0NEb1bRCR10)(NEb10110)()(NERNCbbD2bRCrR1r20)(NEb20120220)()()(NErRNERNCbbbbD427.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)n 為達到相同的傳輸性能，編碼及降低信息速率后，將使所需之 下降，用分貝數(shù)表示時，其總的得益為 = 編（解）碼增益+降低信息速率得益n 舉例：當采用PSK、前向糾錯卷積編碼、維特比譯碼和軟判決， ，編碼增益為5.3dB，再考慮到降低信息速率的得益，總的得益為8.3dB。此值可用作抗雨衰的儲備。若進一步降低信息碼率，則還

32、可得到更大的儲備量。)(0NC)()()(20100DDNCNCNCrNENEbblg102010)(dB610, 21BERr437.3 星上處理及星間鏈路技術(shù) （3）變速率處理n 在現(xiàn)代衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，由于站型和用途不同，常需傳輸速率的變換，如低速率站的信息變?yōu)楦咚俾蕚魉徒o高速率站；高速率站將高速信息變低速傳輸給低速率站，通過星上射頻與基帶處理可達此目的。其原理如圖7.11所示。n 這在彎管式的衛(wèi)星中單跳是無法實現(xiàn)的。n 由圖可見：n 來自高速率站的高速數(shù)據(jù)流經(jīng)射頻開關(guān)矩陣可選擇路由到需要接收這些信息的高速率站中去；n 而高、低速率之間的變換以及低速率之間傳輸，則通過基帶交換矩陣來完成。4

33、47.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)圖7.11 利用星上再生處理實現(xiàn)傳輸速率變換457.3 星上處理及星間鏈路技術(shù) （4）多址方式的變換 星上再生技術(shù)奠定了可多址變換的基礎(chǔ)。星上再生技術(shù)奠定了可多址變換的基礎(chǔ)。 n 以FDMA轉(zhuǎn)換為TDM為例。n 如圖7.12所示，上行鏈路中各地球站發(fā)射FDMA信號，與采用TDMA相比，可減少地球站的發(fā)射功率；n 衛(wèi)星接收到的是來自不同地球站發(fā)來的FDMA信號，經(jīng)星上解調(diào)和基帶處理后，通過時分復(fù)用（TDM），對單載波進行調(diào)制，作為下行鏈路信號轉(zhuǎn)發(fā)給地球站。n 這種處理的好處是可將單載波TDM信號推到轉(zhuǎn)發(fā)器功放（TWTA）飽和點附近工作，充分利用衛(wèi)星的功率資源，從而

34、可適當降低地球站的G/T值。 467.3 星上處理及星間鏈路技術(shù) 圖7.12 利用星上處理進行多址方式變換舉例477.3 星上處理及星間鏈路技術(shù) 利用ATM的全星上處理n 全星上處理的星上交換ATM衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，包括星上處理、星上交換和星上路由，衛(wèi)星是ATM網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。圖7.13是日本研發(fā)中的利用有源相控陣天線（APAA）的千兆位通信衛(wèi)星的框圖。n 這種衛(wèi)星中引入了利用有源相控陣的自適應(yīng)波束形成裝置，星上處理含有解調(diào)、重構(gòu)TDMA幀、調(diào)制等，為使衛(wèi)星資源盡可能與用戶群的需求相匹配，并使ATM衛(wèi)星通信能應(yīng)用于多播，設(shè)計中使ATM虛電路（VC）和天線波束間相關(guān)聯(lián)。所有這些技術(shù)的結(jié)合，使衛(wèi)星帶

35、寬、功率和EIRP形成一個資源池（resources pool）。n 理想的目標是，通過某種控制，使衛(wèi)星能從這個資源池中把資源精確地按申請分配到任何用戶或用戶群中，而且滿足業(yè)務(wù)要求、QoS要求和適應(yīng)終端的能力。這種控制可以是的衛(wèi)星上進行，也可以在地面上進行。487.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)圖7.13 具有自適應(yīng)波束形成、星上處理和ATM的通信衛(wèi)星框圖49 二、星間鏈路（ISL）技術(shù)n 星間鏈路可看作是多波束衛(wèi)星的一些特別的波束，這些波束不是指向地球，而是指向其他衛(wèi)星。當兩顆衛(wèi)星間需要雙向通信時，每顆衛(wèi)星至少要有兩個波束：一發(fā)一收。通過星間鏈路可擴大對地球的覆蓋，實現(xiàn)全球覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，或?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

36、的互連，其作用是十分重大的。n 按所處軌道上的衛(wèi)星之間的連接，星間鏈路可分為：n （1）對地靜止軌道（GEO）衛(wèi)星之間的鏈路；n （2）對地靜止軌道（GEO）衛(wèi)星與非靜止軌道（MEO、LEO）衛(wèi)星之間的鏈路；n（3）非對地靜止軌道（MEO、LEO）衛(wèi)星之間（MEO-MEO、MEO-LEO、LEO-LEO）的鏈路。n 上述第二種情況以及第三種情況中不同軌道之間的鏈路應(yīng)稱為軌（道）間鏈路。下面主要討論第一種星間鏈路。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)50 表7.2 星間鏈路使用的頻帶 射頻 (頻率GHz) 22.55 23.55 （1986年無線電規(guī)則） 32 33 54.25 58.2 59 64

37、116 134 170 182 185 190 激光 (波長nm) 800 900（AlGaAs 激光二極管） 1060 (Nd:YAG激光二極管) 352（Nd:YAG激光二極管） 10600(CO2激光器) 1550（光纖激光）7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)射頻和鏈路傳輸損耗51n 由于衛(wèi)星處于大氣層外，采用微波和毫米波頻率作為射頻時，星間鏈路的信號傳輸損耗主要是自由空間傳播損耗，此外還有天線指向誤差損耗和極化以及饋電（包括濾波器）損耗。n 良好的天線跟蹤設(shè)備通?？杀３制渲赶蚓冗_到波束寬度的1/10，這意味著指向誤差損耗約為0.5dB。由于二衛(wèi)星間電磁波極化面不可能嚴格對準，加上收、發(fā)濾

38、波器的插入損耗，也是不容忽視的，其典型值是收、發(fā)各為1 2dB左右。作為例子，表7.3列出了星間鏈路的有關(guān)參數(shù)及結(jié)果。由此求得所需天線增益，設(shè)采用拋物面反射型天線，天線效率為0.75，則可算出所需天線口徑為0.79m。n 星間鏈路利用激光連接時，其傳輸損耗來源也是類似的，但數(shù)值有所差異。 7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)射頻和鏈路傳輸損耗續(xù)152 表7.3 星間鏈路計算舉例 調(diào)制方式 BPSK 要求的Eb/No 10dB (BER=10-6) 數(shù)據(jù)速率 1Gbps 需要的C/No 100 dB-Hz 發(fā)射機輸出射頻功率 75W (48.75dBm) 發(fā)射機輸出濾波器及極化損耗 -1.5dB 發(fā)射

39、天線指向誤差 - 0.5dB 自由空間傳播損耗（40,000km，60GHz）-220dB 接收天線指向誤差 -0.5dB 接收機濾波器及極化損耗 -1dB 噪聲功率 No（噪聲系數(shù)4dB） -170dBm 采用全向天線時的C/No -4.75dB-Hz 需要的收、發(fā)天線總增益 104.75dB 7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)537.3 星上處理及星間鏈路技術(shù) 利用毫米波的鏈路技術(shù)n 空間和頻率捕獲是星間鏈路建立的關(guān)鍵，一旦完成此運作，便可進行正常的星間通信。 （1）空間和頻率捕獲n 所謂空間捕獲，是指雙方天線電軸（主波束最強方向）對準?？臻g捕獲是可利用衛(wèi)星接收對方發(fā)射的信標進行。n 以LES

40、-8/9星間單波束方式為例，如圖7.19所示，其基本過程是：首先是要進行粗略的對接，即通過計算使雙方天線主波束落入視距（LOS）區(qū)內(nèi)；n 在天線移動過程中，由于多普勒效應(yīng)，信標頻率是變化的，而且所接收到的信標太弱時，接收機本振會對其產(chǎn)生頻率牽引作用而影響到對信標的檢測，故需要進行頻率的捕獲和跟蹤。54 圖7.14 單波束空間捕獲示意圖 55n 通過計算控制天線的指向是有誤差的。n 原因是：軌道擬合誤差，姿態(tài)控制誤差，由于熱和“零重力”應(yīng)力引起的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變形等。n 本例中，在37GHz，天線口徑為0.45m 時，造成總的誤差約是1o，而其波束寬度亦為1o 。為達雙方天線波束相互對準的目的，通過指

41、令控制進行步進搜索，其范圍是2.1x 3.5o ，步進量為0.7o；二衛(wèi)星天線的掃描速度不是同步的，速度差16倍，使得慢掃衛(wèi)星天線步進到一個新的位置前，快掃描的衛(wèi)星已完成15個位置的掃描?？鞉咝l(wèi)星到達一個新位置的時間為0.5秒，并在此位置上停留2.3秒。n 另外，此捕獲過程中，天線波束對準前，由于信噪比很低，可通過指令以額定速率之半進行掃描。為方便起見，設(shè)置了四種掃描速率，其范圍是每步2.8 89.6秒。接收機根據(jù)收到信標功率達到最大時即判決為完成空間捕獲，鎖定天線指向并轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)56（2）跟蹤接收機n 在星間鏈路設(shè)備中，跟蹤接收機的一個重要作用是獲取衛(wèi)星對衛(wèi)

42、星的自動跟蹤指向信息，通過控制，保持天線的正確指向。為了消除其他因素的影響，使接收機輸出的幅度僅與偏軸程度成正比，在接收機中加入了自動增益控制(AGC)電路，其設(shè)計對接收機性能的好壞是至關(guān)重要的。（3）電磁兼容性問題n 在表7.3給出的例子中，星間鏈路利用60GHz的射頻、0.8m左右口徑的天線，其波束寬度約0.44o；即使將天線口徑增加到2m，其波束寬度亦僅約0.2o，再考慮到天線旁瓣的影響，可能對其他同頻段系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或受其干擾；特別是當與同頻段其他系統(tǒng)的衛(wèi)星間隔較小時，尤為嚴重。另外，當要與多顆衛(wèi)星鏈接時，所需多波束也容易產(chǎn)生同頻干擾問題。總之，系統(tǒng)間的電磁兼容性問題需高度重視。n 采用

43、激光連接星間鏈路是解決此問題的有效途徑。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)577.3 星上處理及星間鏈路技術(shù) 利用激光的星間鏈路技術(shù)（1）激光星間鏈路與毫米波星間鏈路的比較n 由于光波的波長比毫米波的要更短得多，可用很小的孔徑產(chǎn)生極窄的波束，避免系統(tǒng)間的相互干擾；光學(xué)系統(tǒng)可提供極寬帶寬的信道，可支持幾千兆比或更高的吞吐量。n 圖7.15為采用毫米波與光波的星間鏈路系統(tǒng)的比較。由圖可見，利用光波連接星間鏈路的優(yōu)越性是十分明顯的。n 研究表明，當要求星間鏈路傳輸速率高于1Gbps時，需采用超外差激光系統(tǒng)。表7.4列出了超外差激光星間鏈路系統(tǒng)傳輸不同數(shù)據(jù)速率時的基本特性。587.3 星上處理及星間鏈路技

44、術(shù) 圖7.15 采用毫米波與光波的星間鏈路系統(tǒng)的比較597.3 星上處理及星間鏈路技術(shù) 表7.4 超外差激光星間鏈路系統(tǒng)的基本特性 速率 10Mbps 100Mbps 1Gbps 5Gbps 光源功率 30mW 30mW 3x60mW 多路/ 800mW 150mW 傳輸距離 40,000km 40,000km 40,000km 40,000km 孔徑直徑 10cm 20cm 20cm 20cm 調(diào)制方式 FSK FSK 3xFSK/DPSK DPSK 重量 86kg 93kg 127kg/104kg 113kg 功耗 210W 225W 335W/275W 325W 607.3 星上處理及星

45、間鏈路技術(shù)（2）用于星間鏈路的超外差激光通信設(shè)備n 用于星間鏈路的超外差激光通信設(shè)備的組成如圖7.16所示圖7.16 用于星間鏈路的超外差激光通信系統(tǒng)設(shè)備的基本組成61n 設(shè)備的基本組成包括四個分系統(tǒng)：光學(xué)模塊、電子學(xué)模塊、發(fā)射機和接收機。n 光學(xué)模塊光學(xué)模塊 含有望遠鏡、粗指向鏡及其他與波束指向和傳送信號有關(guān)的光學(xué)元件，其作用類似于毫米波系統(tǒng)中的天線及指向跟蹤裝置；n 電子模塊電子模塊 提供經(jīng)調(diào)節(jié)的電功率和控制處理器；n 發(fā)射機模塊發(fā)射機模塊 包括FSK調(diào)制器，激光發(fā)射器，精密溫度和電流控制器，以及用于監(jiān)視激光功率、波長和調(diào)制特性的自動診斷裝置，其簡化工作原理框圖可參見圖7.17；n 接收機

46、模塊接收機模塊 包括一電荷耦合器件（CCD）捕獲裝置、空間跟蹤檢測器和電子設(shè)備、數(shù)據(jù)接收機前端，及本振激光器和電子解調(diào)器等，基簡化工作原理框圖參見圖7.18。 7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)627.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)圖7.16 二極管激光器FSK發(fā)射機原理框圖637.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)圖7.17 二極管激光器FSK接收機原理框圖64（3）空間捕獲與跟蹤n 空間捕獲也即波束指向捕獲，由于星間鏈路有效載荷的光波束極窄，指向和跟蹤（PAT）設(shè)備是不可缺少的。這里有兩種實現(xiàn)途徑：直接方式和間接方式。n 間接方式間接方式：設(shè)備中裝有一個粗指鏡，移動它可覆蓋較大的指向范圍；再用一獨立的精指

47、鏡提供精確的指向。這種方式要求精指鏡裝置要去除來自主衛(wèi)星的干擾分量，干擾的頻譜范圍約1kHz，其技術(shù)難度很大。n 直接方式直接方式：在此方式中，由PAT裝置粗指目標，該裝裝置中有一窄帶環(huán)路，可濾除大部分跟蹤檢測器的感應(yīng)噪聲，如此可獲得較為精確的指向。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)65n 初始捕獲最為關(guān)鍵。因為光波束極窄，而衛(wèi)星姿態(tài)控制誤差、光學(xué)指向機械精度的限制和瞬時誤差等，造成望遠鏡軸線對準具有很大的不確定性。n 以20cm孔徑的天線為例，波束寬度約0.0003o，而望遠鏡軸線指向不確定性（半錐角）均方根值（rms）約相應(yīng)于光波束寬度的數(shù)百倍。這樣，就需要某些不同于正常傳輸條件的捕獲協(xié)議來保

48、證二衛(wèi)星的相互捕獲。n 通過散焦，使衛(wèi)星上收、發(fā)波束展寬，而在接收衛(wèi)星上執(zhí)行搜索和捕獲程序是可行的。n 然而，其結(jié)果是兩端天線總增益可能下降上百分貝，即使具有極靈敏的捕獲接收機，這一鏈路損耗也會使鏈路捕獲花費過長的時間。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)66衛(wèi)星波束捕獲示意圖7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)高軌星或同步衛(wèi)星中繼星與軌道地球微波寬波束微波窄波束n利用具有數(shù)千個象素的電荷耦合器件或電荷注入器件，可有效地增加接收機的增益，從而有助于此問題的解決。這種方法目前限于1 以下的波長。其次，由于占空比和相干性要求較低，故可設(shè)計出高功率的信標源。把這兩種方法結(jié)合起來，可使捕獲在幾秒內(nèi)完成。m67 解

49、決捕獲問題可以考慮如下幾種方式：n 凝視凝視方式；掃描掃描方式；凝視掃描方式。n（1）凝視凝視：這是一種最有利于捕獲的方案。這種方式適用于較大的波束發(fā)散角，讓波束覆蓋接收衛(wèi)星的整個不確定范圍。與此同時，接收端的波束角度也做得較大，讓視場覆蓋發(fā)射衛(wèi)星的整個不確定范圍。n 從理論上講，這種捕獲方式具有百分之百的捕獲成功率，并且?guī)缀跏窃谒查g完成捕獲（即捕獲時間極短）。但這種方案在衛(wèi)星通信中卻不可取。n 因為一方面雖然能捕獲到對方，但對準角度太大，意味著天線增益較低，當通信時要求有較大的毫米波發(fā)射功率，另一方面，接收端由于波束過寬而降低了接收靈敏度，使得信噪比嚴重降低，可能影響正常通信。7.3 星上處

50、理及星間鏈路技術(shù)68n（2）掃描掃描：這種方式是采用較窄的信標波束和信標接收波束，并使兩者均按一定的規(guī)律相互對對方的位置不確定范圍進行掃描，以便在某個掃描步驟中實現(xiàn)雙方的捕獲。n 這種方式不存在增大發(fā)射功耗和降低接收信噪比的問題，但它是一種費時和成功率相對較低的捕獲方式。n 此外，若掃描策略選擇不當，可能出現(xiàn)無法捕獲的情況。n（3）凝視掃描：這種捕獲方式是一端（甲端）以大波束角構(gòu)成對信標另一端（乙端）的凝視，而乙端以較窄的波束對甲端進行掃描。n 該捕獲方式的不足之處仍然是由于信標通道某一端的波束寬度較大，意味著天線增益較低，當通信時要求有較大的毫米波發(fā)射功率。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)69

51、n 與激光波束的毫弧度相比，在微波毫米波看來已經(jīng)足夠窄的數(shù)十毫弧度（折合12度）的波束仍然可以算是寬波束。因此正好可以用于激光通信中的輔助預(yù)捕獲。n 比較以上幾種捕獲方式的特點，可以看出：n“凝視掃描”是一種折中的方式，也是一種能達到實用的捕獲技術(shù)指標的一種方式。n 另外，這種捕獲方式對信標通道的技術(shù)要求則比采用“凝視凝視”方式要低。n 再者，采用“凝視掃描”捕獲方式和采用“掃描掃描”捕獲方式相比，捕獲時間一般要縮短幾十甚至100倍以上。7.3 星上處理及星間鏈路技術(shù)70 系統(tǒng)設(shè)計的考慮n 系統(tǒng)設(shè)計在市場需求與技術(shù)可行性之間、各項技術(shù)指標之間，以及系統(tǒng)規(guī)模與投資之間進行綜合平衡的復(fù)雜過程，其重

52、要性是不言而喻的。主要涉及以下五個方面。n 軌道和頻段的選擇n 通信體制 n 星上有效載荷的考慮n 鏈路計算和衛(wèi)星資源的最佳利用n 關(guān)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò))總體設(shè)計的進一步討論7.4 系統(tǒng)設(shè)計的考慮71 一、軌道與頻段選擇n 毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)）的衛(wèi)星軌道，可以采用GEO、MEO、LEO或它們的結(jié)合。n 軌道選擇的基本原則是：n （1）通信服務(wù)覆蓋范圍的要求n 如全球覆蓋或區(qū)域覆蓋等。單星GEO衛(wèi)星的覆蓋率是最高的，但對于靠近地球兩極的高緯度地區(qū)，則因仰角太低而無法保證通信質(zhì)量；利用MEO或LEO可實現(xiàn)對這些區(qū)域的覆蓋，但將以增加衛(wèi)星數(shù)目為代價；對于較低緯度區(qū)域，一般地說，采用MEO或L

53、EO時在覆蓋區(qū)外將造成衛(wèi)星資源的浪費，但為能滿足對高緯度覆蓋的要求則另作別論。n 為實現(xiàn)對全球的無縫隙覆蓋，LEO或GEO與MEO結(jié)合是最佳的或準最佳的兩種選擇，但最后的二中擇一還要考慮到其他因素。 7.4 系統(tǒng)設(shè)計的考慮72軌道選擇續(xù)1n（2）系統(tǒng)的復(fù)雜度n 當要求滿足區(qū)域覆蓋時，單星系統(tǒng)是最簡單而可取的；n 對于要求全球或地球上大部分地區(qū)覆蓋的場合，需要多衛(wèi)星組成的星座來滿足，方案不會是唯一的，這時應(yīng)對候選方案的復(fù)雜度進行具體的比較。n 很顯然，系統(tǒng)越復(fù)雜，成本越高，風(fēng)險越大；但為獲得更強的功能，也不是以最簡單為最高準則。n（3）通信容量n 毫米波頻段具有豐富的頻帶資源，而超大型衛(wèi)星平臺和

54、大推力的運載工具，為大容量通信衛(wèi)星的升空創(chuàng)造了條件。但即使如此，一顆衛(wèi)星的能力總是有限，在許多場合下可能無法滿足要求，需要多衛(wèi)星、乃至多軌道組合來提供服務(wù)。7.4 系統(tǒng)設(shè)計的考慮73n （4）空間環(huán)境n 對地球而言，GEO是獨一無二的；MEO和LEO可有無數(shù)，但并非都完全適用，通常軌道參數(shù)如傾角、偏心率、高度等，要根據(jù)空間環(huán)境來確定。n 空間環(huán)境包括客觀存在的熱環(huán)境、星球（如太陽）輻射線和粒子輻射帶、地球磁場和宇宙塵埃等；此外是已有的衛(wèi)星星座產(chǎn)生的電磁輻射。n 例如，空間自然環(huán)境中，范阿倫(Van Allen)帶中高濃度的粒子對太陽電池板、半導(dǎo)體元器件會產(chǎn)生很大的損害，在選擇軌道高度時，應(yīng)避開

55、該輻射帶；還要注意到的是，隨著衛(wèi)星系統(tǒng)的增加，各種在軌衛(wèi)星越來越多，選擇工作軌道時應(yīng)保證系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間的電磁兼容性。n （5）其他特殊要求n 如軍用與民（商）用的不同。軍用系統(tǒng)將更多地注重其生存能力和靈活性，這些特點當然會體現(xiàn)在軌道的選取上。7.4 系統(tǒng)設(shè)計的考慮74 表7.5 17 70 GHz中分配給衛(wèi)星通信的頻帶 頻帶 30/20 50/40 21.2 43.0 66.0 (GHz） 27.5 31.0 / 50.0 51.0/ 23.6 48.0 71.0 17.7 21.2 40.0 41.0 可用帶寬 3500/3500 1000/1000 2400 5000 5000（MHz）業(yè)

56、務(wù)種類 固定 固定 固定 固定 移動 移動 移動 （上行）（下行） （上行）（下行） （一般） （航空、航海） 頻段選擇757.4 系統(tǒng)設(shè)計的考慮 上、下行頻段選擇n 同軌道選擇一樣，這也是系統(tǒng)設(shè)計的重大關(guān)鍵之一。n 制約因素很多，需主要考慮的有：n （1）不同頻段傳播因素對系統(tǒng)可用度的影響n 實際應(yīng)用中，大氣和降雨對傳播的影響是必須考慮的重要因素。其中大雨、暴雨所引起的信號功率衰減尤甚，嚴重時可導(dǎo)致通信的中斷。若上、 下行鏈路因降雨引起的中斷率分別為 、 ，則總的系統(tǒng)可用度 為 n 式中， 、 分別為上、下行鏈路的可用度。為使可用度滿足要求，系統(tǒng)設(shè)計上、 下行射頻功率應(yīng)留有足夠的余量來補償雨

57、衰。幾種不同可用度下，雨衰備余量與頻率的關(guān)系，如圖7.19所示。UDADUDUAAA11UUA 1DDA 1767.4 系統(tǒng)設(shè)計的考慮圖7.24 圖7.19 不同可用度下雨衰備余量與頻率的關(guān)系（降雨率30mm/h） （a）地球站天線仰角El = 300時；（b）地球站天線仰角El = 60o時777.4 系統(tǒng)設(shè)計的考慮n 由圖可見，對于相同的地球站天線仰角，頻率越高，為達到相同可用度，所要要求的雨衰備余量越大；n 射頻相同時，要求的可用度越高，所需的雨衰備余量越大；n 另外，雨衰備余量也與電波極化方式有關(guān)。當然，在克服雨衰保證系統(tǒng)可用度方面，功率備余不是唯一的，如結(jié)合采用其他措施，可降低所需之

58、功率余量，而代價是不可避免的。n 總之，從電磁波傳播角度看，在要求高的系統(tǒng)可用度的場合，較低的射頻是合理的選擇。近期的應(yīng)用情況表明，Ka(30/20GHz)波段是許多衛(wèi)星系統(tǒng)所采用的，也是充分考慮了此因素的結(jié)果。787.4 系統(tǒng)設(shè)計的考慮n（2）用戶終端?。ㄎⅲ┬偷目紤]n 無論是從“動中通”還是個人通信要求看，用戶通信設(shè)備的?。ㄎⅲ┬突墙^對必要的。減小天線口面尺寸是終端小（微）型化的關(guān)鍵。反射面天線是毫米波通信設(shè)備中常用的天線。n 天線增益一定時，提高工作頻率可減少天線尺寸；天線口面一定時，工作頻率越高，天線增益也越高。當衛(wèi)星及地面終端均采用具有高增益的定向（面）天線時，對補償自由空間傳播損

59、耗是有利的。但須指出，若考慮到降雨衰減及接收系統(tǒng)噪聲的影響，頻率升高對信號的傳輸質(zhì)量反而不利。以下行鏈路為例，在地球站天線饋線出口處所提到的載波與噪聲溫度比C/T（dB）值為 EDsTDTGLEIRPTC797.4 系統(tǒng)設(shè)計的考慮衛(wèi)星的全向有效輻射功率(dBW)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸出功率(dBW)衛(wèi)星發(fā)射天線增益(dB)；衛(wèi)星的饋線損耗(dB)；為下行鏈路傳輸損耗(dB)，自由空間傳播損耗降雨及大氣損耗地球站的接收品質(zhì)因數(shù) FsTsTsTLGPEIRP sTP sTGFL RfDLLL fLRLETG erFFAERETLTLTGTG11可按下式計算ETG807.4 系統(tǒng)設(shè)計的考慮地球站接收天線增益，

60、接收天線噪聲溫度，包括晴空噪聲、大氣噪聲、降雨噪聲等；地球站接收饋線損耗；饋線環(huán)境溫度，接收機內(nèi)部等效噪聲溫度。 ERGATFL1TerT2cDfG24cdfLf天線增益及自由空間傳播損耗（真值）可分別按下式計算：817.4 系統(tǒng)設(shè)計的考慮n 當天線口徑 一定且效率相同時，若射頻分別取為 、 ，則按上述各式可求得二者 之差為： n 式中， n以 為參考，利用上式及第四章中給出的大氣、降雨損耗和噪聲數(shù)據(jù)及第二章中給出的低噪聲放大器的噪聲性能，并參考圖7.16，求得一組數(shù)據(jù)如表7.6所示。1f2fTC 21DfDfTCTC 121221lg10lg10lg20fTfTfLfLffDtDtRRerF