淺析衛(wèi)星通信中的接入技術

淺析衛(wèi)星通信中的接入技術第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史

1945年10月，英國空軍雷達軍官阿瑟·克拉克在《無線電世界》雜志上發(fā)表了“地球外的中繼站”一文。第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史1957年，蘇聯(lián)成功發(fā)射了第一顆低軌道衛(wèi)星Sputnic。1958年，美國發(fā)射了第一顆衛(wèi)星，實現(xiàn)語音通話。1960年，美國防部發(fā)射“信使”COVRIER有源無線電中繼衛(wèi)星，它可以接收和存儲360000個字符，并可以轉發(fā)給地球。1962年，美AT—T公司發(fā)射了“電星”TELSAT，可進行電話、電視、傳真和數(shù)據(jù)的傳輸。1964年，美發(fā)射第一顆靜止軌道衛(wèi)星“辛康姆3號”SYNCOM3，同年，國際電信衛(wèi)星組織（INTELSAT）成立。第一階段第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史1965年4月，INTELSAT把把原名‘晨鳥’的國際電信衛(wèi)星，代號為S-1的衛(wèi)星射入地球同步軌道，作為商用國際通信業(yè)務。兩周后，蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆非同步通信衛(wèi)星“閃電”MOLNIYA1號。衛(wèi)星轉為實用階段。1969年，美軍方發(fā)射了第1代戰(zhàn)術通信衛(wèi)星，可轉發(fā)10000條語音信道。1970年4月24日我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了第1顆衛(wèi)星東方紅1號。1972年，加拿大發(fā)射第一顆國內(nèi)通信衛(wèi)星。1975年，第一次從美國到印度實現(xiàn)廣播實驗，衛(wèi)星廣播。1979年，國際海事衛(wèi)星組織（InternationalMaritimeSatellite），提供全球范圍內(nèi)移動衛(wèi)星通信的政府間合作機構。1982年，國際海事衛(wèi)星通信進入運行階段。第二階段實用階段第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史1998年，LEO星座引入手機通信業(yè)務，使非靜止軌道衛(wèi)星進入運行階段。2000年后，寬帶個人通信。第三階段個人寬帶通信第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史我國的衛(wèi)星發(fā)展歷史1970年4月24日，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了第1顆衛(wèi)星東方紅1號。1984年4月8日，東方紅2號，中國利用本國的衛(wèi)星進行通信的歷史，使中國成為世界上第5個獨立研制和發(fā)射靜止軌道衛(wèi)星的國家。1986年2月1日，第2顆東方紅二號1988年至1990年，3顆東方紅二號甲，通信、廣播、交通、水利、教育提供服務。1997年5月12日，東方紅3號成功發(fā)射。第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2衛(wèi)星通信的概念衛(wèi)星通信：指的是設置在地球上的無線電通信站之間利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉發(fā)或反射無線電波，在2個或多個地球站之間進行的通信。第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)

GEO同步軌道35786kmMEO軌道高度10000kmLEO軌道高度700-1500kmHEO近地點軌道高度1000-21000km，遠點39500-50600km第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月衛(wèi)星發(fā)展趨勢1960年1970年1980年1990年21世紀衛(wèi)星40kg(INTELSAT)700kg(5.3M)970kg(15.6M)1500kg(21.8M)GEO&LEO地球站30M10M2M

個人通信固定通信移動通信2.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)

第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)

兩個典型的LEO銥系統(tǒng)銥衛(wèi)星系統(tǒng)屬于極軌道系統(tǒng)，66顆星均勻分布在離地面785km上空的6個軌道，軌道傾角86.4度，各軌道沿經(jīng)度線方向環(huán)繞地球，在南北兩極上空相交。每顆星與臨近的4顆星有星間電路，星上具有處理功能。系統(tǒng)連接的最小仰角為8.2度，每個用戶對每顆衛(wèi)星的最大可視時間為9min。每顆衛(wèi)星可提供48個點束波，在地球表面形成48個蜂窩區(qū)，每個蜂窩區(qū)的直徑為667km，總覆蓋直徑約為4450km，全球共有2150個蜂窩。每個波束平均包含80個信道，每顆星可提供3840個全雙工電路信道。第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)

銥系統(tǒng)銥星隕落：由于巨大的研發(fā)費用和系統(tǒng)建設費用，銥星背上了沉重的債務負擔，整個銥星系統(tǒng)耗資達50多億美元，每年光系統(tǒng)的維護費就要幾億美元。最終導致銥星公司背負40多億美元債務于2000年3月18日正式宣布破產(chǎn)。第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)

全球星系統(tǒng)由48顆工作衛(wèi)星和8顆備用衛(wèi)星組成。工作衛(wèi)星分布在8個軌道平面內(nèi)，每個軌道平面有6顆衛(wèi)星。軌道高度為1414km，軌道傾角為52度。衛(wèi)星繞地球一周的飛行時間為114分鐘，衛(wèi)星過頂時間為10-15分鐘。在最小仰角為10度的情況下，星座能夠連續(xù)覆蓋緯度70度以內(nèi)的地區(qū)。

第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)

全球星系統(tǒng)

此系統(tǒng)無星上處理和星間鏈路能力。所以所有終端之間的通信均要通過信關站，信關站完成所有路有分配、用戶管理和與地面網(wǎng)的接口。兩個信關站之間的距離大致在1000-3000公里，覆蓋全球的數(shù)量大致需要150-210個。信關站主要由三部分組成，即射頻子系統(tǒng)、CDMA設備和交換子系統(tǒng)。交換子系統(tǒng)完成信息路由的分配、移動管理、接入有關數(shù)據(jù)庫和與地面網(wǎng)的接口，一般都接有訪問位置登記器和住地位置登記器。第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)

兩系統(tǒng)的比較

銥星系統(tǒng)具有星間電路的系統(tǒng)，而全球星系統(tǒng)則不是，這直接影響了系統(tǒng)設計的不同。第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

3.1.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的空間段空間段包含天上的一顆或幾顆衛(wèi)星，在空中對發(fā)來的信號起中繼放大和轉發(fā)作用。3.1.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的地面段地面段主要由多個業(yè)務地球站組成。按其服務類型又分為三種：1）用戶站2）關口站3）服務站第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關鍵技術衛(wèi)星移動通信網(wǎng)中要實現(xiàn)的主要功能與地面移動通信網(wǎng)的功能一致，包括呼叫處理、資源分配、移動管理、無線電資源管理、保密和安全、網(wǎng)絡管理。與地面蜂窩通信系統(tǒng)唯一不同的是移動性管理，必須考慮的衛(wèi)星在移動、終端也在移動的特點。因此，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，必須考慮信道資源分配、接入控制、功率控制、切換控制這些關鍵的技術，使得更為有效合理地使用資源。

第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關鍵技術3.2.1接入技術

第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關鍵技術3.2.2切換技術衛(wèi)星通信中呼叫切換的頻繁程度對系統(tǒng)的性能有極大的影響。對用戶而言，頻繁的切換請求使得切換對相鄰衛(wèi)星沒有空閑信道而造成中斷的概率大大增加，降低了用戶通信的可靠性，對于已建立的鏈接的呼叫用戶，被強制中斷是不可容忍的。對系統(tǒng)而言，頻繁的切換使得系統(tǒng)網(wǎng)絡重構變化劇烈，切換所帶來的系統(tǒng)開銷，如鏈路的建立和拆除、額外信令、網(wǎng)絡管理的開銷等也大大增加，增加了系統(tǒng)的成本。第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關鍵技術切換策略

1）最短饋電鏈路切換方案2）最長可視時間切換方案第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關鍵技術3.2.3信道分配技術呼叫接入和切換都是針對局部網(wǎng)絡的信道；對于網(wǎng)絡的一部分或整個網(wǎng)絡，為了更為有效的利用系統(tǒng)資源，就需要考慮信道分配的策略問題了。主要有以下三種策略：1）固定信道分配策略2）動態(tài)信道分配策略3）靈活信道分配策略第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入技術

當衛(wèi)星用戶進行呼叫時，選擇覆蓋到它的哪一顆衛(wèi)星為自己服務，才能在保證實時業(yè)務服務質量的基礎上，使系統(tǒng)資源得到更好的利用并提高系統(tǒng)容量？4.1.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入技術4.1.2傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入在傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，呼叫接入控制所采用的策略和地面蜂窩移動通信所采用的策略很相似，當衛(wèi)星具有固定信道數(shù)時，在不考慮切換呼叫時，如果系統(tǒng)有空閑得信道滿足呼叫的請求，就接納呼叫，否則就拒絕。對于地面蜂窩移動通信系統(tǒng)的呼叫接入問題，主要的策略就是小區(qū)內(nèi)預留一定數(shù)量的保護信道專門供切換使用，而各種策略研究的主要目的集中在如何使預留的信道更合理。其中最有效的方法是利用定位預測用戶的移動趨勢來合理地預留保護信道。第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入技術4.1.3LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入在非同步衛(wèi)星系統(tǒng)中，必須考慮呼叫接入的問題，不僅是新用戶在本小區(qū)內(nèi)建立新連接所涉及的呼叫接入，還包括相鄰小區(qū)內(nèi)切換過來的那部分呼叫請求的接入。

由于衛(wèi)星和地面用戶終端之間的高速相對移動，使得部分呼叫在通信過程中需跨越區(qū)邊界，此時系統(tǒng)必須將這類呼叫切換至相鄰的、具有空閑信道的衛(wèi)星繼續(xù)服務；如果呼叫申請切換時，多顆衛(wèi)星均可提供后續(xù)信道，按照何種規(guī)則選定衛(wèi)星進行星間切換也是接入方案需要解決的問題。

第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入技術4.1.4LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入策略目前比較典型的接入方案有距離優(yōu)先方案、覆蓋時間優(yōu)先方案和仰角加權覆蓋時間優(yōu)先方案。1）距離優(yōu)先方案2）覆蓋時間優(yōu)先方案3）仰角加權第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入技術4.1.4LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入策略距離優(yōu)先方案：優(yōu)先考慮接收信號最強的衛(wèi)星作為接入衛(wèi)星：通話時間短時比較好，但呼叫時間長的話就會頻繁地發(fā)生切換，增加系統(tǒng)的負擔和阻塞率。第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入技術4.1.4LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入策略覆蓋時間優(yōu)先方案中用戶優(yōu)先考慮的是覆蓋衛(wèi)星對其還能覆蓋的時間，這樣能有效的減少切換的頻率，但對于呼叫時間較短的用戶，這種方案選擇的衛(wèi)星的信號不是最好的。第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入技術4.1.4LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入策略仰角加權是綜合考慮了以上兩種方案，具備了二者的優(yōu)點。這種方案中，用戶在選擇接入衛(wèi)星時，只要覆蓋用戶的衛(wèi)星的距離是最短的或者覆蓋該用戶的時間是最長的，就把它作為接入衛(wèi)星，接入時還要考慮到衛(wèi)星資源的利用情況。這樣能有效地利用信道資源，降低衛(wèi)星用戶呼叫和切換阻塞的概率。第28頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接入技術4.1.5幾個系統(tǒng)接入策略的比較第29頁，課件共32頁，創(chuàng)