衛(wèi)星移動通信與衛(wèi)星寬帶通信——發(fā)展及現(xiàn)狀

1、衛(wèi)星通信的發(fā)展及現(xiàn)狀,2011-11,主要內容,衛(wèi)星通信的基本概念 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的相關知識 VSAT系統(tǒng) 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng),定義,衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉發(fā)或反射無線電信號，在兩個或多個地球站之間進行的通信。衛(wèi)星通信工作在微波頻段。,簡史,1945年，英國Extra-Terrestrial Relays一文中提出利用3顆靜止衛(wèi)星覆蓋全球的設想。 1945年到1964年間，曾經先后利用月球、氣球、銅針偶極子帶作為中繼，進行電話電視傳輸試驗 1957年，前蘇聯(lián)發(fā)射了第1顆LEO衛(wèi)星Sputnic（美蘇太空競賽的導火索） 1962年，美國第1次發(fā)射了真正實用通信衛(wèi)星（

2、Telstar/MEO） 1965年，第1顆商業(yè)通信衛(wèi)星（INTELSAT-1）進入靜止軌道 1990-2000年，引入衛(wèi)星直接廣播語言（DAB）業(yè)務 2000-2005年，引入寬帶個人通信；Ka頻段系統(tǒng)得到迅速；多個LEO和MEO衛(wèi)星系統(tǒng)投入運行,要求,衛(wèi)星通信的普及要求： 低成本：通信費用和終端費用 方便：手持電話，漫游，切換 可靠：低掉線率，高連接率 高質量通信：可接受的時延，語音質量,主要內容,衛(wèi)星通信的基本概念 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的相關知識 VSAT系統(tǒng) 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng),分類,靜止軌道衛(wèi)星（Geostationary Earth Orbit：GEO）： 與地球上某一點保

3、持相對靜止 赤道延伸平面：36000km 優(yōu)點： 經濟，三顆衛(wèi)星，覆蓋全球 缺點： 長距離造成大信號衰減和大傳播時延（500ms以上）,分類,中軌道衛(wèi)星（Medium Earth Orbit：MEO） 高度在500012000km左右 為了覆蓋整個地球需要10顆左右衛(wèi)星 GPS：為美國空軍系統(tǒng)運作，用作全球定位。 早期為12個衛(wèi)星星座，在19781985年間發(fā)射; 新的GPS系統(tǒng)，在19891994年間發(fā)射；為24顆小衛(wèi)星星座系統(tǒng),分6個軌道平面覆蓋全球,分類,低軌道衛(wèi)星（Low Earth Orbit：LEO） 高度在500900km 提供全球移動電話和數據服務；也可用于地面攝影和偵察 優(yōu)點

4、： 信號衰減小，時延小 衛(wèi)星重量輕，結構簡單 缺點： 為了覆蓋整個地球需要大量衛(wèi)星，系統(tǒng)復雜！,主要應用領域,互接長途電話業(yè)務： 國內公眾衛(wèi)星通信網的干線已有37個大型C波段地球站，運行著3萬5千條雙向電路（占國內長途電路的56），另有4個試驗地球站和約30臺移動衛(wèi)星通信車載站工作在Ku波段 國際通信方面：中國電信運營15座國際通信衛(wèi)星地球站，開通了約1萬3千條雙向電路（占國際長途電路的26%） 可以提供備份電路或傳送峰值業(yè)務,主要應用領域,無線電和電視廣播： 使用了11顆通信衛(wèi)星（亞太1A、亞洲2號、亞洲3S、鑫諾1號、亞太2R、泛美3R號、泛美8號、泛美9號、泛美3R號、泛美10號、銀河3

5、R和熱鳥3號）的32個轉發(fā)器 中央電視臺的12套節(jié)目，中央人民廣播電臺和國際臺的32路聲音廣播節(jié)目，以及31個省、自治區(qū)、直轄市的廣播電視節(jié)目均通過衛(wèi)星向全國傳送 海上、地面和空中的移動通信： 基于TCP/IP的internet業(yè)務,衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成,衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由空間分系統(tǒng)、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)四大功能部分組成。,衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成,空間分系統(tǒng)是指通信衛(wèi)星，主要由天線分系統(tǒng)、遙測與指令分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)組成。 通信地球站由天線饋線設備、發(fā)射設備、接收設備、信道終端設備等組成 跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)對衛(wèi)星進行跟蹤測量，控制其準確進入

6、靜止軌道上的確定位置，并對在軌衛(wèi)星的通信性能及參數進行業(yè)務開通前的監(jiān)測和校正。 監(jiān)控管理分系統(tǒng)對在軌衛(wèi)星的通信性能及參數進行業(yè)務開通前的監(jiān)測和業(yè)務開通后的例行監(jiān)測和控制，以確保通信衛(wèi)星正常運行和工作。 具體的結構上，固定衛(wèi)星系統(tǒng)和移動衛(wèi)星系統(tǒng)會有所區(qū)別,衛(wèi)星通信使用的頻段,L頻段1-2 GHz（移動衛(wèi)星業(yè)務、地面微波、廣電、蜂窩） S頻段2-4 GHz（移動衛(wèi)星業(yè)務、數字音頻廣播、NASA研究） C頻段4-8 GHz （固定衛(wèi)星業(yè)務、地面微波） X頻段8-12.5 GHz（衛(wèi)星軍事通信、地球觀測衛(wèi)星） Ku頻段12.5-18 GHz（固定衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星、地面微波） K頻段18-26.5 GHz

7、（固定衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星、 LMDS ） Ka頻段26.5-40 GHz（固定衛(wèi)星、星際鏈路、衛(wèi)星成像、LMDS）,主要內容,衛(wèi)星通信的基本概念 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的相關知識 VSAT系統(tǒng) 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng),VSAT衛(wèi)星通信,什么是VSAT衛(wèi)星通信？ VSAT全稱是Very Small Aperture Terminal，可以理解為小站。它的特點就是一個小字。由于小站具有靈活、簡單、方便、成本低等特點，很多企業(yè)、政府部門把它作為系統(tǒng)內的專用通信網?，F(xiàn)在VSAT系統(tǒng)的傳輸速率較初期大為提高，除了數據外，還傳輸各種多媒體信息。包括衛(wèi)星電視接收小站在內，VAST應用得越來越廣泛。,VSAT衛(wèi)

8、星通信,VSAT通信業(yè)務的應用范圍 語音通信 數據通信 高速互聯(lián)網 廣播電視 電子商務 證券交易,VSAT通信的應用技術,利用Ku波段，VSAT終端的數據傳輸速率達到2Mbps以上 Ka波段的開發(fā)，使VSAT帶寬大大增加 數據通信協(xié)議逐漸規(guī)范，采用TCP/IP，與Internet互聯(lián) 采用多波束天線，節(jié)省星上資源，增加下行功率 與 B-ISDN結合，實現(xiàn)衛(wèi)星多媒體通信 采用VSAT實現(xiàn)移動通信業(yè)務,VSAT衛(wèi)星通信,星上處理技術 隨著衛(wèi)星通信帶寬不斷增加，為降低地面設備的復雜度和用戶終端設備成本，把一些處理技術轉移到衛(wèi)星上進行，這是衛(wèi)星通信發(fā)展的方向。 比特再生：改善信道質量3-10db 多波

9、束天線：提高EIRP，增加系統(tǒng)容量，簡化終端 前向糾錯：8db編碼增益 功率放大器矩陣組：動態(tài)功率匹配，減少功率消耗 自主基帶切換：增加系統(tǒng)靈活性，系統(tǒng)吞吐量提高3倍 自適應編譯碼：提高信道可靠性,VSAT衛(wèi)星通信,多址接入方式 語音：TDMA FDMA CDMA SDMA:采用多波束天線，每個波束覆蓋一定區(qū)域?？辗侄嘀凡粏为毑捎?，一般結合TDMA 數據：純ALOHA 時隙ALOHA 預約ALOHA,主要內容,衛(wèi)星通信的基本概念 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的相關知識 VSAT系統(tǒng) 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng),銥星系統(tǒng)是劃時代的開路先鋒,1996年，銥星獲得聯(lián)邦通訊委員會(Federal Commun

10、ications Commission)的經營許可，一個國際范圍的支持者隊伍共融資20億美元給銥星公司 2000年3月18日， 銥星背負40多億美元債務正式破產。昨夜星光燦爛，而今化做一道美麗的流星。 銥星在2001年接受新注資后起死回生，美國軍方是他主要客戶。,銥星的技術概況,66顆星在6個軌道面上排列運行（原計劃77顆星，有如元素“銥”） 銥星系統(tǒng)的復雜、先進之處在于采用了星上處理和星間鏈路技術，相當于把地面蜂窩網倒置在空中，使地面實現(xiàn)無縫隙通訊。 另外一個先進之處是銥星系統(tǒng)解決了衛(wèi)星網與地面蜂窩網之間的跨協(xié)議漫游。銥星系統(tǒng)由空間段和地面段組成：空間段即星座，地面段包括系統(tǒng)控制中心、關口站

11、和用戶終端。 銥星系統(tǒng)開創(chuàng)了全球個人通信的新時代，被認為是現(xiàn)代通信的一個里程碑，使人類在地球上任何能見到 的地方都可以相互聯(lián)絡。其最大特點就是通信終端手持化，個人通信全球化，實現(xiàn)了5個“任何”（5W），即任何人（Whoever）在任何地點（Wherever）、任何時間（Whenever）與任何人（Whomever）采取任何方式 （Whatever）進行通信。,銥星失敗的原因市場角度,摩托羅拉啟動銥星計劃的時候沒有作過認真的市場分析。當絕大部分城市、城市近郊的農村、交通干線、旅游勝地都被地面網絡覆蓋，當移動電話的國際漫游成為可能，衛(wèi)星移動電話的市場無疑在被不斷地壓縮著，用戶群的規(guī)模相應地不斷減少

12、。地面移動電話網絡在成本費用、手機輕便性等方面占了相當的優(yōu)勢。 “貴族科技”。銥星手機價格每部高達3000美元，加上高昂的通話費用。,銥星失敗的原因技術角度,銥星電話在建筑物內無法接收信號 銥星電話過于笨重，使用不方便 摩托羅拉公司的銥星雙模式手機重約454克，京瓷公司的銥星單模式和雙模式手機均重400克，它們比重量不到100克的GSM手機笨重得多，使用也不方便。 銥星系統(tǒng)與蜂窩電話網絡相連，必須適應不同的區(qū)域傳輸標準，由此產生的轉換成本給用戶帶來較大的不便。例如一位歐洲用戶到美國和日本商務旅行，需買3個通話卡才能與這3個地區(qū)的傳輸技術標準相匹配，而每個卡大約價格為660900美元。 語音質量

13、和傳輸速度不理想 銥星所采用的MF-TDMA（多頻時分多址）通信體制的話音質量不如CDMA（碼分多址）。另外，銥星系統(tǒng)的數據傳輸速率僅有2.4kbps，因此除通話外，只能傳送簡短的電子郵件或慢速的傳真，無法滿足互聯(lián)網時代的需求。,銥星的后繼者全球星,全球星是由美國勞拉公司（Loral Corporation）和高通公司（Qualcomm）倡導發(fā)起的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。 全球星系統(tǒng)用48顆繞地球運行的低軌道衛(wèi)星在全球范圍（不包括南北極）向用戶提供無縫隙覆蓋的、低價的衛(wèi)星移動通信業(yè)務，業(yè)務包括話音、傳真、數據、短信息、定位等。用戶可使用雙模式手持機，雙模式手持機既可工作在地面蜂窩通信模式（即目前手持

14、機的工作模式），也可工作在衛(wèi)星通信模式（在地面蜂窩網覆蓋不到的地方）。 全球星系統(tǒng)采用低軌衛(wèi)星通信技術和CDMA技術，能確保良好的話音質量，增加通話的保密性和安全性，且用戶感覺不到時延。 全球星系統(tǒng)沒有星際鏈路，無需星上處理，從而大大降低了系統(tǒng)投資費用，而且避免了許多技術風險。當然，星體設計的簡單使得系統(tǒng)必須建很多關口站，在全球需建100至150座。,全球星系統(tǒng)的組成（一）,空間段 軌道高度約為1414km，傳輸時延和處理時延小于300ms，因此，用戶感覺不到時延。每顆衛(wèi)星能夠與用戶保持17min的連通，然后通過軟切換轉到另一顆衛(wèi)星，用戶感覺不到切換。衛(wèi)星采用碼分多址方式（CDMA），碼元帶寬

15、為1.23MHZ。衛(wèi)星定位精度最高可達300m。 地面段 該段包括全球星控制中心（NCC）和關口站（GW）。全球星系統(tǒng)的一主一備NCC自責管理全球星系統(tǒng)的地面接續(xù)，在中國建三個關口站即可覆蓋全國。關口站的空中信道最少為80條，最大為1000條；用戶容量最小為1萬，最大為10萬，三個關口站最終可容納30萬用戶。,全球星系統(tǒng)的組成（二）,用戶段 該段指的是使用全球星系統(tǒng)業(yè)務的用戶終端設備，包括手持式、車載式和固定式。手持式終端有三種模式：全球星單模，全球星/GSM雙模、全球星/CDMA/AMPS三模。手機尺寸略大于現(xiàn)有地面蜂窩手機，通話時間和待機時間與現(xiàn)有地面蜂窩手機相當。 全球星是通過衛(wèi)星向世界

16、各地提供話音、數據（最高速率達9.6kbit/s）、傳真、短信息、緊急呼叫、語音信箱、定位及全球漫游等通信業(yè)務的無線通信系統(tǒng)。,全球星系統(tǒng)仍在建設,2011年7月13日，俄羅斯航天部門在哈薩克斯坦境內的拜科努爾發(fā)射場發(fā)射6枚美國“全球星”系列通信衛(wèi)星。 俄聯(lián)邦航天署發(fā)布消息說，此次將6顆衛(wèi)星同時送入太空的是一枚“聯(lián)盟2”型運載火箭。,最雄心勃勃的Teledesic系統(tǒng),巨LEO衛(wèi)星Teledesic系統(tǒng) Teledesic系統(tǒng)是迄今為止最雄心勃勃的LEO星座系統(tǒng)，其衛(wèi)星數量之多，建造成本之高，都創(chuàng)下了星座系統(tǒng)之最，因此該計劃一出籠，立即引起世人關注。在系統(tǒng)設計上從最初的840顆星，分布在21個

17、軌道上，每個軌道48顆衛(wèi)星，衛(wèi)星高度700km，每顆衛(wèi)星由64個點波束形成64個直徑為1500km的圓形覆蓋區(qū)。又稱為“千星系統(tǒng)”，減至288顆星，后來又減至120顆星加6顆在軌備份。衛(wèi)星高度為700km，每顆衛(wèi)星用64個點波束形成相應64個直徑為1500km的圓形覆蓋區(qū)。它最初的目標是寬帶互聯(lián)網業(yè)務。,幾種主要系統(tǒng)比較,主要內容,衛(wèi)星通信的基本概念 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的相關知識 VSAT系統(tǒng) 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng),現(xiàn)實的威脅IPSTAR,擁有者： 泰國泰信公司 制造商：美國勞拉公司 轉發(fā)器數量： 114 星上功率：14 KW 預期壽命：12 年 發(fā)射重量：6,500公斤 發(fā)射日期：2

18、005年8月11日 定點： 東經119.5度,綜合業(yè)務平臺-IPSTAR,IPSTAR系統(tǒng)，是一座建立在大容量多波束的IPSTAR-1衛(wèi)星基礎上的天基寬帶衛(wèi)星通信網絡 IPSTAR-1衛(wèi)星總容量達45Gbps，是一顆傳統(tǒng)通信衛(wèi)星容量的20-30倍 IPSATR-1衛(wèi)星的單位帶寬容量的成本遠低于傳統(tǒng)衛(wèi)星 IPSTAR系統(tǒng)具有充分的比較優(yōu)勢 將推翻人們腦海中衛(wèi)星通信“昂貴”的觀念 充分發(fā)揮了衛(wèi)星通信的”無處不在、業(yè)務開通靈活便捷”等優(yōu)勢,IPSTAR介紹-波束覆蓋(中國區(qū)),IPSTAR 衛(wèi)星分別提供： 寬帶單播流量， 使用點波束和成型波束 廣播多播內容，使用廣播波束,中國衛(wèi)通與IPSTAR,IP

19、STAR系統(tǒng)由中國衛(wèi)通與泰國信衛(wèi)星大眾有限公司合作推出 IPSTAR-1衛(wèi)星可提供中國地區(qū)使用的總容量約12Gbps 23個點波束覆蓋中東部地區(qū) 1個成形波束覆蓋西部地區(qū) 一個廣播波束重疊覆蓋中東部地區(qū),IPSTAR系統(tǒng)網絡結構,IPSTAR系統(tǒng)概覽,IPSTAR系統(tǒng)是一個完全基于IP技術的寬帶衛(wèi)星通信廣播系統(tǒng) 由IPSTAR-1衛(wèi)星、業(yè)務關口站和小口徑天線地面終端組成 拓撲結構：星型 關口站工作于Ka頻段，端站工作于Ku頻段 即關口站到終端的前向鏈路為Ka上行，Ku下行 終端到關口站的返向鏈路為Ku上行，Ka下行 由IPSTAR-1衛(wèi)星完成Ka-Ku頻段的交鏈 端站與地面寬帶網絡以及相互之間

20、的業(yè)務連接和交換由關口站完成,IPSTAR關口站的構成,IPSTAR 用戶終端,天線,射頻子系統(tǒng),IPSTAR TOLL發(fā)射機 &STAR 接收機,IPSTAR 網絡管理系統(tǒng),本地內容服務器,IPSTAR TOLL & STAR接口,IPSTAR TCP加速器“NettGain”,VoIP 網關,Internet 骨干網,IPSTAR關口站,IPSTAR關口站,IPSTAR關口站的主要功能： 接入控制、授權、故障管理、配置管理、性能管理和計費數據采集； 衛(wèi)星及地面網絡資源管理； 收集、存儲、統(tǒng)計和處理計費信息； 為用戶終端提供基于IP的包交換； 提供IPSTAR系統(tǒng)與地面網絡之間的接口 服務于

21、中國地區(qū)的關口站有三座，分別位于北京、上海和廣州，相互之間通過地面光纜相連接,IPSTAR用戶終端（UT）,IPSTAR 用戶終端設備包括：,專業(yè)系列,室外單元 (ODU): 室外單元系統(tǒng)為IPSTAR室內單元的使用作了特別的優(yōu)化,室內單元 (IDU): 高性能的 IPSTAR衛(wèi)星Modem,IPSTAR終端：專業(yè)系列,高性能的衛(wèi)星終端： 下載速度最高達 4 Mbps 上傳速度最高達 2 Mbps IP轉發(fā)，支持多PC環(huán)境 支持TCP加速，GRE 隧道協(xié)議 靈活的接口： Ethernet 10/100 BaseT (RJ45) USB 2.0 100-240V 交流供電 -12V 直流供電(可

22、選) 應用： VoIP 視頻會議 熱點和WLAN IP專網 IP2TV,與微蜂窩結合，后果會如何？,IPSTAR中國業(yè)務網絡組成,IPSTAR系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢（一）,系統(tǒng)得到最優(yōu)化設計 IPSTAR系統(tǒng)是由IPSTAR-1衛(wèi)星、關口站和用戶終端有機結合的一個天地一體的全IP寬帶接入網絡。自IPSTAR項目之始，衛(wèi)星載荷、關口站和用戶終端既是作為整個系統(tǒng)的子系統(tǒng)進行優(yōu)化設計的，因此相互之間可以做到有機的結合和協(xié)調 鏈路可靠性高 IPSTAR系統(tǒng)采用了星上動態(tài)功率管理和動態(tài)帶寬管理等新技術，解決Ka和Ku波段衛(wèi)星通信降雨衰耗大的問題，使IPSTAR系統(tǒng)的鏈路可靠性和傳輸性能得到了最大的保證 系統(tǒng)安全性高 IPSTAR系統(tǒng)采用Ka+Ku頻段空間交鏈技術和跳頻技術，可有效防止不法信號對衛(wèi)星的干擾，較完全開放的傳統(tǒng)衛(wèi)星有更高的安全性,IPSTAR系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢（二）,系統(tǒng)容量大 IPSTAR系統(tǒng)可提供中國地區(qū)使用的容量達12Gbps，是目前可提