微波與衛(wèi)星通信（第二版）衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成7.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.3衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)7.4衛(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)7.5VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)本章小結(jié)

7.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由通信衛(wèi)星、通信地球站分系統(tǒng)、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)等四大功能部分組成,如圖7-1所示。圖7-1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

7.1.1通信衛(wèi)星

通信衛(wèi)星的基本功能是為各個相關(guān)的地球站轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號,以實(shí)現(xiàn)多址的中繼通信。同時,通信衛(wèi)星還應(yīng)具有一些必要的輔助功能,以保證通信任務(wù)可靠地進(jìn)行。

一般來說,通信衛(wèi)星主要由天線分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、遙測與指令分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、溫控分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)等六大部分組成,如圖7-2所示。圖7-2通信衛(wèi)星的組成框圖

1)天線分系統(tǒng)

衛(wèi)星天線有兩種類型:一類是用于遙測、遙控和信標(biāo)信號的全向天線,接收地面的指令和向地面發(fā)送遙測數(shù)據(jù)。這種天線常用鞭狀、螺旋形、繞桿式或套筒偶極子天線,屬于

高頻或甚高頻天線。另一類是通信用微波定向天線,按其波束寬度不同,可分為全球波束、點(diǎn)波束和區(qū)域波束等。對于通信天線來說,最主要的是使其波束始終對準(zhǔn)地球上的通信區(qū)域。

2)通信分系統(tǒng)

衛(wèi)星上的通信系統(tǒng)又叫轉(zhuǎn)發(fā)器或中繼器,它實(shí)質(zhì)上是一套高靈敏度及寬頻帶的收、發(fā)信設(shè)備。它的主要作用是對需要轉(zhuǎn)發(fā)的輸入信號進(jìn)行接收、放大、變頻并再次發(fā)射。衛(wèi)星

上可能有若干個轉(zhuǎn)發(fā)器,每個轉(zhuǎn)發(fā)器覆蓋一段頻段。對轉(zhuǎn)發(fā)器的基本要求是工作可靠,附加噪聲和失真要小。

轉(zhuǎn)發(fā)器是通信衛(wèi)星的核心,它通常分為透明轉(zhuǎn)發(fā)器和處理轉(zhuǎn)發(fā)器兩種基本類型。

透明轉(zhuǎn)發(fā)器:所謂透明轉(zhuǎn)發(fā)器是指它接收地面發(fā)來的信號后,只進(jìn)行放大、變頻、再放大后發(fā)回地面,對信號不進(jìn)行任何加工和處理,只是單純地完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。按其變頻次數(shù)區(qū)分,有一次變頻和二次變頻兩種方案。

處理轉(zhuǎn)發(fā)器:在數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,常采用處理轉(zhuǎn)發(fā)器。即首先將接收到的信號經(jīng)微波放大和下變頻,變成中頻信號后再進(jìn)行解調(diào)和數(shù)據(jù)處理從而得到基帶數(shù)字信號,然后再經(jīng)調(diào)制、上變頻、放大后發(fā)回地面。

3)遙測與指令分系統(tǒng)

該系統(tǒng)通常簡稱為TT&C系統(tǒng)。其目的是為了保證衛(wèi)星的正常工作以及對衛(wèi)星進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

為了保證通信衛(wèi)星正常運(yùn)行,需要了解其內(nèi)部各種設(shè)備的工作情況,必要時通過遙控指令調(diào)整某些設(shè)備的工作狀態(tài)。為使地球站天線能跟蹤衛(wèi)星,衛(wèi)星要發(fā)射一個信標(biāo)信號。此信號可由衛(wèi)星內(nèi)產(chǎn)生,也可由一個地球站產(chǎn)生,經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)。常用的方法是將遙測信號調(diào)制到信標(biāo)信號上,使遙測信號和信標(biāo)信號結(jié)合在一起。該系統(tǒng)可分為遙測和遙控指令兩個部分。

(1)遙測部分。

遙測部分用來了解衛(wèi)星上各種設(shè)備的情況,遙測信號包括:表示工作狀態(tài)(如電流、壓、溫度、控制用氣體壓力等)的信號、來自傳感器的信號以及指令證實(shí)信號等。

(2)遙控指令部分。

對衛(wèi)星進(jìn)行位置和姿態(tài)控制的各噴射推進(jìn)器的點(diǎn)火與否,行波管高壓電源的開、關(guān)以及部件的切換,都是根據(jù)遙控指令信號進(jìn)行的。

4)控制分系統(tǒng)

它包括兩種控制設(shè)備,一是姿態(tài)控制,二是位置控制。姿態(tài)控制是使衛(wèi)星對地球或其他基準(zhǔn)物保持正確的姿態(tài)。對同步衛(wèi)星來說,姿態(tài)控制主要用來保證天線波束始終對準(zhǔn)地

球以及使太陽能電池帆板對準(zhǔn)太陽。

5)溫控分系統(tǒng)

對于通信衛(wèi)星內(nèi)部,會因?yàn)樾胁ü芄β史糯笃骱碗娫聪到y(tǒng)等部分產(chǎn)生熱量而升溫,另外,當(dāng)衛(wèi)星受到太陽照射時和運(yùn)行到地球陰影區(qū)時,兩者的溫度差別非常大而且變化極為頻繁。而通信衛(wèi)星上的通信設(shè)備,尤其是本振設(shè)備要求溫度恒定,否則會影響衛(wèi)星發(fā)射的載波頻率的穩(wěn)定度,進(jìn)而影響通信質(zhì)量。溫控分系統(tǒng)的設(shè)置就是為了控制衛(wèi)星各部分溫度,保證衛(wèi)星上各種儀器設(shè)備正常工作。

6)電源分系統(tǒng)

對通信衛(wèi)星的電源除要求體積小、重量輕和壽命長之外,還要求電源能夠在長時間內(nèi)保持足夠的輸出。常用的電源有太陽能電池、化學(xué)能電池和原子能電池。目前,仍以太陽能電池和化學(xué)能電池為主。正常情況下使用太陽能電池,當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入地球的陰影區(qū)時,則使用化學(xué)能電池。

7.1.2衛(wèi)星通信地球站

通信地球站有固定站(大、中、小型)、可搬移站、移動站(如艦載、車載、機(jī)載)等不同類型。它一般由天線系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信道終端系統(tǒng)、通信控制分系統(tǒng)和電源系統(tǒng)六大部分組成。標(biāo)準(zhǔn)地球站的總體框圖如圖7-3所示。圖7-3標(biāo)準(zhǔn)地球站總體框圖

1)天線系統(tǒng)

天線系統(tǒng)包括天線、饋源及伺服跟蹤設(shè)備。

地球站天線的基本特點(diǎn):收發(fā)共用一副天線,具有高增益、低旁瓣和低的天線接收噪聲溫度。

2)發(fā)射系統(tǒng)

在標(biāo)準(zhǔn)地球站中,要提供幾百瓦至幾千瓦的大功率射頻信號,發(fā)往衛(wèi)星。而且為了進(jìn)行多址通信,一個地球站可能要同時發(fā)射多個載波。因此發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)滿足大功率、寬頻帶、

多載波、高頻率穩(wěn)定度、可靠工作的要求。

圖7-4是發(fā)射系統(tǒng)主要設(shè)備組成框圖。它由上變頻器、大功率放大器、激勵器、發(fā)射波合成器及自動功率控制電路等組成。圖7-4地球站發(fā)射系統(tǒng)的主要設(shè)備組成框圖

3)接收系統(tǒng)

由于到達(dá)地球站的信號極微弱,因此,地球站的接收機(jī)系統(tǒng)必須是低噪聲的,它由低噪聲放大器、接收信號分路器(用于多載波的情況)、下變頻器、中頻放大器、濾波器及解調(diào)器等組成,如圖7-5所示。圖7-5地球站接收系統(tǒng)的組成框圖

4)終端系統(tǒng)

終端系統(tǒng)是地球站與地面?zhèn)鬏斝诺赖慕涌?。終端系統(tǒng)的任務(wù)就是要對地面線路到達(dá)地球站的各種信息基帶信號進(jìn)行變換,編排成適合于衛(wèi)星信道傳輸?shù)幕鶐盘?送給發(fā)射系統(tǒng);同時又要把接收系統(tǒng)解調(diào)輸出的基帶信號變換成適合于地面線路傳輸?shù)幕鶐盘枴＝K端設(shè)備的使用決定于所采用的多路復(fù)用方式和多址方式。

5)通信控制系統(tǒng)

通信控制系統(tǒng)由監(jiān)視設(shè)備、控制設(shè)備和測試設(shè)備組成。

監(jiān)視設(shè)備安裝在中心控制臺上,用來監(jiān)視地球站總體工作狀態(tài)、通信業(yè)務(wù)、各種設(shè)備的工作情況以及現(xiàn)用與備用設(shè)備的情況等。

6)電源系統(tǒng)

地球站電源分系統(tǒng)要供應(yīng)站內(nèi)所有設(shè)備所需的電能,因此電源分系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到衛(wèi)星通信的質(zhì)量以及設(shè)備的可靠性。公用的交流市電在傳輸過程中不可避免地會受

到許多雜波干擾,而且有時會出現(xiàn)波動,因此地球站電源分系統(tǒng)提供的電流必須是穩(wěn)頻、穩(wěn)壓、高可靠性的不間斷電流。地球站電源系統(tǒng)通常采用三級電源設(shè)備。

(1)交流市電設(shè)備。

該設(shè)備是正常情況下為衛(wèi)星通信地球站提供所需電流的主要設(shè)備。

(2)蓄電池供電設(shè)備。

蓄電池供電設(shè)備是在市電發(fā)生重大故障或由于地球站增添設(shè)備導(dǎo)致現(xiàn)用的市電提供的電力不足時使用。

(3)應(yīng)急發(fā)電設(shè)備。

應(yīng)急發(fā)電設(shè)備通常由兩臺全自動控制并聯(lián)的柴油發(fā)電機(jī)、高壓配電盤、自動并聯(lián)控制盤、啟動用蓄電池及其他補(bǔ)充設(shè)備構(gòu)成。

7.1.3衛(wèi)星通信線路

兩個地球站通過衛(wèi)星進(jìn)行通信的衛(wèi)星通信線路的組成框圖如圖7-6所示。圖7-6衛(wèi)星通信線路組成框圖

7.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7.2.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原則首先,對衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),必須了解整個系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)類型,例如:電話業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)還是電視業(yè)務(wù),或者是幾種業(yè)務(wù)的綜合。其次,決定地球站天線直徑。天線直徑大,地球站G/T值高,轉(zhuǎn)發(fā)器利用率高,頻帶寬,地球站的建設(shè)費(fèi)用多。

第三,確定系統(tǒng)的配置,包括各類附屬設(shè)備、專用設(shè)備以及地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)設(shè)備等。

第四,按照相應(yīng)規(guī)范要求,確定總體系統(tǒng)指標(biāo),并對各分系統(tǒng)提出各自的指標(biāo)要求。

第五,對各分系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì),主要是通信地球站的設(shè)計(jì)。

7.2.2衛(wèi)星通信線路設(shè)計(jì)

1.接收機(jī)輸入端的載波噪聲比

1)接收機(jī)輸入端的信號功率

假定某通信系統(tǒng)中收發(fā)天線之間的距離為d,發(fā)射功率為Pt,發(fā)射天線的增益為Gt,接收天線的開口面積為Ar,接收天線的效率為ηr,則接收點(diǎn)的輸入信號功率可表示為

2)接收機(jī)輸入端的噪聲功率

接收系統(tǒng)接收到的噪聲包括兩個方面:內(nèi)部噪聲和外部噪聲。

內(nèi)部噪聲主要來自饋線、放大器和下變頻器等,但由于使用高增益天線和低噪聲放大器,接收系統(tǒng)內(nèi)部噪聲的影響相對減弱,同時外部噪聲的影響已不可忽略。地球站接收系統(tǒng)的外部噪聲來源主要有以下幾個方面:

(1)天線噪聲。

(2)干擾噪聲。

(3)上行線路噪聲和轉(zhuǎn)發(fā)器非線性產(chǎn)生的交調(diào)噪聲。

接收系統(tǒng)的噪聲功率可折算為該點(diǎn)的熱噪聲功率,表達(dá)式為

式中:k=1.38×10-23J/K,為波茲曼常數(shù);Tr為接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度;B為等效帶寬。

3)接收機(jī)輸入端的載噪比

根據(jù)求出的接收機(jī)的輸入功率和噪聲功率,則接收機(jī)的載噪比為

當(dāng)以分貝數(shù)表示時,式(7-5)可寫為

對于衛(wèi)星通信系統(tǒng),通信線路分為上行鏈路和下行鏈路。根據(jù)式(7-6)可以得出上行鏈路與下行鏈路的載噪比公式

2.衛(wèi)星通信線路的指標(biāo)

1)質(zhì)量指標(biāo)

在設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信線路時,必須給出自地球站經(jīng)由衛(wèi)星至另一地球站的所謂衛(wèi)星區(qū)間所要求的線路標(biāo)準(zhǔn)。衛(wèi)星通信線路是國際通信網(wǎng)的組成部分,所以其線路性能標(biāo)準(zhǔn)必須具有國際規(guī)定的普遍性,所采用的方法是制定一個具有典型結(jié)構(gòu)的假想線路,即標(biāo)準(zhǔn)模擬線路,然后對該標(biāo)準(zhǔn)線路規(guī)定性能標(biāo)準(zhǔn)。

國際無線電咨詢委員會(CCIR)規(guī)定了利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)作洲際通信的標(biāo)準(zhǔn)線路模型,提出了對該線路的各種傳輸標(biāo)準(zhǔn)方面的建議。

CCIR對衛(wèi)星通信的標(biāo)準(zhǔn)線路模型作了如下建議:

(1)標(biāo)準(zhǔn)線路模型由地球站—衛(wèi)星—地球站組成,如圖7-6所示。

(2)因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)線路是洲際電路的一部分,所以必須按可能有二次或三次“跳躍”串聯(lián)連接的情況來制定線路標(biāo)準(zhǔn)。

(3)標(biāo)準(zhǔn)線路中包含有基帶—射頻變換和射頻—基帶變換用的信道調(diào)制器和解調(diào)器,但不包含多路載波電話終端和電視標(biāo)準(zhǔn)制式變換設(shè)備等。

2)可用度指標(biāo)

如果在衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)鏈路中,任一接收端連續(xù)10s以上出現(xiàn)下述情況之一,則由CCIR352－4和521－1建議所規(guī)定的假設(shè)參考電路或假設(shè)數(shù)字參考通路所構(gòu)成的衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)鏈路將被認(rèn)為不可用:

(1)在模擬信號傳輸中,信號從一端輸入,在電路的另一端收到的有用信號電平低于要求值10dB以上;

(2)數(shù)字信號傳輸中,出現(xiàn)信號中斷(即幀失步或定時丟失);

(3)在模擬電話傳輸中,零相對電平點(diǎn)上、5ms積分時間內(nèi)不加權(quán)噪聲功率超過106pW;

(4)數(shù)字信號傳輸中,其比特誤碼率超過10-3。

7.2.3衛(wèi)星通信地球站的設(shè)計(jì)

1.衛(wèi)星通信地球站設(shè)計(jì)的總體要求

衛(wèi)星通信地球站設(shè)計(jì)的總體要求如下:

(1)信號的發(fā)送應(yīng)穩(wěn)定、可靠,能接收由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)來的微弱信號。

(2)各部分的性能指標(biāo)應(yīng)滿足系統(tǒng)中所傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)信號的質(zhì)量要求。

(3)整個系統(tǒng)的維護(hù)使用方便。

(4)建設(shè)成本和維護(hù)費(fèi)用不應(yīng)太高。

2.衛(wèi)星通信地球站必備性能

衛(wèi)星通信地球站的必備性能包括以下五點(diǎn):

(1)地球站的G/T。

(2)有效輻射功率及其穩(wěn)定度。

(3)發(fā)射頻率的精確度。

(4)射頻能量擴(kuò)散指標(biāo)。

(5)干擾波輻射指標(biāo)。

3.衛(wèi)星通信地面站設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

1)站址的選擇

建立一個衛(wèi)星通信地球站,站址的選擇非常重要。站址選擇的恰當(dāng)與否直接關(guān)系著整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作性能的優(yōu)劣以及設(shè)備的選擇。因此,站址的選擇應(yīng)進(jìn)行綜合的考慮,主要有以下幾方面:

(1)與其他微波通信系統(tǒng)之間的干擾。

(2)地平線的仰角。地平線的仰角又稱為山棱線仰角,即山棱線、天線之間的夾角,如圖7-7所示。

(3)氣象條件。圖7-7-地平線仰角α與天線仰角關(guān)系

2)天線方位角、俯仰角和站星距的計(jì)算

在地球站的調(diào)測、開通和使用過程中,必須知道地球站天線工作時的方位角φ和仰角θ。此外,為了計(jì)算自由空間的傳輸損耗,還必須知道地球站與衛(wèi)星之間的距離—站星距。

圖7-8給出了靜止衛(wèi)星S與地球站D之間的幾何關(guān)系。圖中S表示靜止衛(wèi)星,D表示衛(wèi)星地球站,O為地球中心。S與O的連線在地球表面上的交點(diǎn)M稱為星下點(diǎn)。D與S的連線稱為直視線,其長度用d表示。圖7-8靜止衛(wèi)星觀察參數(shù)示意圖

設(shè)地球的半徑為Re,衛(wèi)星的高度為h,地面站經(jīng)度與星下點(diǎn)之間經(jīng)度差為λ,緯度差為ρ,則利用球面三角形推導(dǎo)得到以下公式:

方位角是地球站所在經(jīng)線的正北方向,在式(7-11)中,如果λ取正值,則是以正南方向?yàn)榛鶞?zhǔn)得出的,因此,實(shí)際的方位角如下。

7.3衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)

7.3.1衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及分類衛(wèi)星移動通信是指利用通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)接移動用戶與固定用戶之間或移動用戶間的相互通信,是衛(wèi)星通信的一種。第三代衛(wèi)星移動通信系統(tǒng),使人們借助體積很小的手持終端就可直接與衛(wèi)星建立通信鏈路,實(shí)現(xiàn)個人通信。

1)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖7-9所示,衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)包括空間段和地面段兩部分。

空間段是指衛(wèi)星星座,而地面段是指包括衛(wèi)星測控中心、網(wǎng)絡(luò)操作中心、關(guān)口站和衛(wèi)星移動終端在內(nèi)的地面設(shè)備,各部分工作過程如下。圖7-9衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的基本組成

(1)按一定規(guī)則分布的衛(wèi)星構(gòu)成一個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的衛(wèi)星星座。

(2)衛(wèi)星測控中心負(fù)責(zé)對衛(wèi)星星座的管理,如修正衛(wèi)星軌道、診斷衛(wèi)星工作故障等,保障衛(wèi)星在預(yù)定的軌道上無故障運(yùn)行,為可靠通信提供前提。

(3)網(wǎng)絡(luò)操作中心具有管理衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)的功能。

(4)衛(wèi)星移動終端是一終端設(shè)備,通過該終端設(shè)備,移動用戶可在移動環(huán)境中,如空中、海上及陸地上實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)通信。

(5)關(guān)口站一方面負(fù)責(zé)為衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)與地面固定網(wǎng)、地面移動通信網(wǎng)提供接口以實(shí)現(xiàn)彼此間的互通,另一方面,還負(fù)責(zé)衛(wèi)星移動終端的接入控制工作,從而保證通信的正常運(yùn)行。衛(wèi)星的關(guān)口站又有歸屬關(guān)口站和本地服務(wù)關(guān)口站。

2)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的分類

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的性質(zhì)、用途不同,所采用的技術(shù)手段也不同,因此存在多種分類方法。具體分類如下。

(1)按衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道進(jìn)行劃分,可分為如下三類。

①靜止軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng):其系統(tǒng)衛(wèi)星位于地球赤道上空約35786km附近的地球同步軌道上,衛(wèi)星繞地球公轉(zhuǎn)與地球自轉(zhuǎn)的周期和方向相同。

②中軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng):其系統(tǒng)衛(wèi)星距地面5000~15000km。

③低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng):其系統(tǒng)衛(wèi)星距地面500~1500km左右。

(2)按衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)進(jìn)行劃分,有陸地衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)(LMSS)、海事衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)(MMSS)和航空衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)(AMSS)。

(3)按衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的通信覆蓋區(qū)域進(jìn)行劃分,有國際衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)、區(qū)域衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)和國內(nèi)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。

7.3.2衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1)調(diào)制技術(shù)

在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中,由于衛(wèi)星通信信道的非線性,要求調(diào)制是恒包絡(luò)的調(diào)制,此外要求調(diào)制解調(diào)技術(shù)有較高的功率利用率和頻帶利用率。因此,衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主要采用的是功率利用率高的相移鍵控(PSK)調(diào)制及其衍生形式,采用最為廣泛的是四相相移鍵控(QPSK)調(diào)制方式。

2)多址技術(shù)

多個地球站不論相互距離多么遠(yuǎn),只要位于同一顆衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi),都可以同時利用這顆衛(wèi)星的信道進(jìn)行雙邊或多邊的通信。多址技術(shù)是指系統(tǒng)內(nèi)多個地球站以特定方式各

自占用信道接入衛(wèi)星和從衛(wèi)星接收信號。

3)差錯控制技術(shù)

在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中,廣泛采用差錯控制技術(shù),來提高系統(tǒng)的抗干擾性和衛(wèi)星功率受限情況下的通信容量。常用的方式是在低層協(xié)議采用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)和前向糾錯(FEC)技術(shù);在高層采用分組接收和拒絕系統(tǒng)(導(dǎo)致重發(fā))對數(shù)據(jù)傳輸提供附加的保護(hù),以防止差錯。

4)均衡技術(shù)和分集技術(shù)

和其他移動通信系統(tǒng)一樣,衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)也采用了時域均衡技術(shù)和分集接收技術(shù)。均衡技術(shù)用來減小碼間干擾,采用自適應(yīng)均衡器來實(shí)時跟蹤移動通信信道的時變特性。分集接收技術(shù)則用來改進(jìn)鏈路性能,是克服移動通信特有的多徑干擾的一種有效接收技術(shù),被各種衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)所采用。

7.4衛(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

任何一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)都要組成一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以便多個地球站按一定的連接方式通過衛(wèi)星進(jìn)行通信。根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用的目的和要求的不同,可以組成各種不同的衛(wèi)星通信網(wǎng)。由多個地球站構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò),可以歸納為兩種主要形式,即星形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),如圖7-10所示。圖7-10衛(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在星形網(wǎng)絡(luò)中,各遠(yuǎn)端地球站都是直接與中心站發(fā)生聯(lián)系,而各遠(yuǎn)端地球站之間是不能經(jīng)衛(wèi)星直接進(jìn)行通信的。必要時須經(jīng)中心站轉(zhuǎn)發(fā),才能進(jìn)行連接和通信。無論遠(yuǎn)端地球站與中心站進(jìn)行通信,還是各地球站經(jīng)中心站進(jìn)行通信,都必須經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。因此,根據(jù)經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的次數(shù),又可將衛(wèi)星通信網(wǎng)分為單跳和雙跳兩種體系結(jié)構(gòu),如圖7-11所示。圖7-11衛(wèi)星通信網(wǎng)的單跳與雙跳結(jié)構(gòu)

另外,也還提出了一種單跳與雙跳相結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(見圖7-11)。在這種網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)的信道分配、網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測管理與控制等由中心站負(fù)責(zé),但是通信不經(jīng)中心站連接。所以它可以為中心站與遠(yuǎn)端地球站之間提供數(shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù),為各遠(yuǎn)端地球站之間提供數(shù)據(jù)和記錄話音業(yè)務(wù)。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來說,話音信道是網(wǎng)狀網(wǎng),控制信道是星形網(wǎng),因而是一種很有效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

7.5VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)

7.5.1VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的基本概念所謂VSAT(VerySmallApertureTerminal)衛(wèi)星通信網(wǎng),是指利用大量小口徑天線的小型地球站與一個大站協(xié)調(diào)工作構(gòu)成的衛(wèi)星通信網(wǎng)。

VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)是:

(1)地球站設(shè)備簡單,體積小,重量輕,造價低,安裝與操作簡便。

(2)組網(wǎng)靈活方便。

(3)通信質(zhì)量好,可靠性高,適于多種業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)率。

(4)由于它直接面向用戶,特別適合于用戶分散、稀路由和業(yè)務(wù)量較小的專用通信網(wǎng)。

7.5.2VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的組成及其工作原理

1.VSAT網(wǎng)的組成

典型的VSAT網(wǎng)由主站(亦稱中心站)、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和許多遠(yuǎn)端VSAT小站組成。

1)主站

它是VSAT網(wǎng)的核心,與普通地球站一樣,它使用大型天線,Ku波段為3.5~8m,C波段為7~13m。

2)小站

小站由小口徑天線、室外單元和室內(nèi)單元三部分組成。

3)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器

它亦稱空間段,目前主要使用C波段或Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器,它的組成及工作原理與一般衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器一樣,只是具體參數(shù)有所不同而已。

2.VSAT網(wǎng)的工作原理

現(xiàn)以星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例,介紹VSAT網(wǎng)的工作原理。由于主站發(fā)射的EIRP高,且接收系統(tǒng)的G/T值大,所以網(wǎng)內(nèi)所有的小站都可直接與主站通信。對于小站,則由于它們的天線口徑和G/T值小,EIRP低,若需要在小站間進(jìn)行通信時,必須經(jīng)主站轉(zhuǎn)發(fā),以“雙跳”方式進(jìn)行。

在VSAT網(wǎng)內(nèi),由主站通過衛(wèi)星向遠(yuǎn)端小站發(fā)送數(shù)據(jù)通常稱為外向傳輸,由各小站向主站發(fā)送數(shù)據(jù)稱為內(nèi)向傳輸。

1)外向傳輸

由主站向各遠(yuǎn)端小站的外向傳輸,通常采用時分復(fù)用或統(tǒng)計(jì)時分復(fù)方式。首先,由計(jì)算機(jī)將發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組并構(gòu)成TDM幀,以廣播方式向網(wǎng)內(nèi)所有小站發(fā)送,而網(wǎng)內(nèi)某小站收到TDM幀以后,根據(jù)地址碼從中選出發(fā)給本小站的數(shù)據(jù)。根據(jù)一定的尋址方案,一個報(bào)文可以只發(fā)給一個指定的小站,也可以發(fā)給一群指定的小站或所有的小站。為了使各小站可靠地同步,數(shù)據(jù)分組中的同步碼特性應(yīng)能保證VSAT小站在未加糾錯和誤比特率達(dá)到10-3時仍能可靠地同步。而且主站還應(yīng)向