《卫星通信》课件第7章 典型卫星通信系统.pptx

1、第七章 典型卫星通信系统v 卫星蜂窝移动系统p卫星移动通信概述p卫星蜂窝与频率复用p同道干扰p网络控制第7章 典型卫星通信系统v定位系统p定位简介p定位基本知识pGPS原理vVSAT系统p概述p系统组成p网络结构v电视广播通信1 卫星蜂窝移动系统概述p 移动卫星通信的分类不同轨道高度的移动卫星通信系统星座参数1 卫星蜂窝移动系统概述p 移动卫星通信的分类大LEO和大MEO的主要特征1 卫星蜂窝移动系统概述p 移动卫星通信的特点覆盖区域大小与卫星高度及数量有关。移动终端的EIRP有限，卫星转发器及星上天线需专门设计，并采用多点波束和大功率技术；天线波束应能适应地面覆盖区域的变化并保持指向。移动终

2、端体积、重量、功耗均受限，天线尺寸外形受限于安装载体，手持终端要求更加苛刻；天线波束应能随用户移动而保持对准卫星，或者是全方向性的天线波束。用户链路工作频段受限（一般200 MHz10 GHz）；当移动终端与卫星转发器间的链路受到遮挡时会产生阴影效应，造成通信阻断；系统设计应使移动终端能够多星共视。1 卫星蜂窝移动系统概述p 移动卫星通信的特点多颗卫星需要建立星际链路、有星上处理和星上交换能力，或需要建立具有交换和处理能力的信关站（即网关）。GEO轨道。好处：三颗卫星可构成除南、北极区外的覆盖，用一颗卫星即可实现廉价的区域性移动卫星通信。缺点：两跳传播延迟较大；传播损耗大，手持终端不易实现。缺

3、点可通过采用星上交换和多点波束天线技术得到克服。中、低轨道。好处：利用卫星星座则可构成全球覆盖的移动卫星系统；传播延迟较小，服务质量较高；传播损耗小，手持终端易于实现；移动终端对卫星的仰角较大（一般在2056），天线波束不易遭受地面反射及多径衰落影响。缺点：须使用多星星座，技术较复杂，投资较大，用户资费高。与地面蜂窝系统比：覆盖范围大，路由选择比较简单；通信费用与通信距离无关，因此可利用卫星通信的多址传播方式提供大跨度、远距离和大覆盖的移动通信业务。1 卫星蜂窝移动系统概述p 移动卫星通信的发展趋势在继续发展静止同步轨道移动卫星通信的同时，重点发展低轨道移动卫星通信系统；与地面有线及无线通信网

4、协作，发展能实现海事、航空、陆地的综合移动卫星通信系统。趋向采用低轨道小型卫星，发展高增益多波束天线和多波束扫描技术、星上处理技术，开发更大功率的固态放大器和更高效的太阳能电池，开展星间通信技术等；开展终端小型化技术。开展移动卫星通信新频段和频谱有效利用技术。不仅服务话音、数据、图像通信，还可服务导航、定位和遇险告警、协助救援等。开展与地面移动通信终端兼容和与地面网络接口技术的研究；制订全球通信系统国际标准和协议，并解决与各国用户、地面接口兼容的问题。2 卫星蜂窝与频率复用p 卫星蜂窝的概念 采用多波束进行频率复用就形成了卫星蜂窝覆盖，每个波束所覆盖的范围称为一个小区或者一个蜂窝小区。每个小区

5、的覆盖范围由卫星上的点波束天线决定。除位于星下点的小区外，卫星波束一般是斜向的锥形，而地球表面又是球面，因此卫星波束形成的小区不一定是圆形。2 卫星蜂窝与频率复用p 星内频率复用 小区频率复用小区频率复用：在某个小区内使用的频率资源可被其他小区同时使用 同时使用相同频率的两个小区会互相收到对方信号，构成同信道干扰（Co-Channel-Inteference，CCI）。通常CDMA系统抗干扰能力很强，相同频率资源可在所有小区内使用；而FDMA/TDMA系统对干扰比较敏感，所以使用相同频率的小区分隔距离需要足够远。2 卫星蜂窝与频率复用p 星内频率复用 频率规划分为静态和动态规划两种簇中包含的区

6、数K称为复用因子 信道数增加了G倍 为提高系统容量应尽量提高波束密度，尽量采用较小的复用因子。在相同小区大小下，K越小则使用相同频率的两个小区距离越近，因此干扰也越大。总带宽每个载波占用的带宽每个载波可提供的业务信道数目2 卫星蜂窝与频率复用p 星内频率复用 如果相邻簇中的干扰小区到被干扰小区距离相同，则称为规则的小区频率复用 确定其他同频小区位置方法：从本小区出发，朝着任意一边的方向前进m步（每步走一个小区），然后将前进方向左转60，再前进n步，则所达小区是同频小区。当K不满足上式时叫不规则的频率复用2 卫星蜂窝与频率复用p 星间频率复用 单轨道面内星间频率复用 一个轨道上的卫星个数是偶数个

7、 轨道上卫星的个数是奇数 多个不同倾角的倾斜轨道频率复用每一个轨道必须独用一组频率轨道面个数2 卫星蜂窝与频率复用p 星间频率复用 极轨道中星间频率复用 当轨道数是偶数时，可以让相邻轨道交替使用两组频率。如果轨道数是奇数，也可只用两组频率，方法是让每颗卫星前进方向左则的波束使用一组频率，右侧的波束使用另一组频率，但在卫星飞过极点时，左右两侧频率要交换一下。p CDMA的频率复用两个使用相同PN码的小区必须相隔足够远，以避免发生混乱。3 同信道干扰p FDMA/TDMA系统中的同信道干扰 卫星转发器接收到的有用信号功率是 信号干扰功率比 干扰功率 C/I分贝值大致服从正态分布上行天线增益路径损耗

8、发射功率3 同信道干扰p FDMA/TDMA系统中的同信道干扰下行 干扰源主要来自同一卫星上的其他同频波束，也有可能来自其他卫星的同频波束。如果只考虑同一卫星内的信干比，并假设卫星在所有波束上发送功率相同，则有：下行情况要比上行好很多。一般认为，对于对称业务（例如话音业务）来说，系统的瓶颈在上行方向。3 同信道干扰p CDMA系统中的同信道干扰对类似于全球星这样的CDMA系统来说，系统容量的瓶颈在上行方向，因此下面只分析上行的干扰情况。本小区的干扰话音激活因子用户的有用信号功率同时通话的用户 其他小区造成的干扰在理想功控下，无论用户位置，到达卫星的功率位于x的这个用户发射功率是对小区1的干扰功

9、率是3 同信道干扰p CDMA系统中的同信道干扰 其他小区造成的干扰总的邻区干扰是 总信干比邻小区干扰因子某个用户的信干比近似为3 同信道干扰p CDMA系统中的同信道干扰 减小邻区干扰的方法控制小区边缘处的衰减量可以控制波束的隔离程度，从而能控制邻小区干扰的程度控制边缘衰减量的方法有：直接将波束变窄；波束宽窄不变，把波束间的轴线夹角加大。单从几何角度看，这两种方法是一样的。4 系统结构p卫星相当于地面蜂窝系统中的基站，波束相当于地面蜂窝系统中的小区 空间段 全球星采用透明转发器或者弯管转发器；铱星采用星上处理转发器，把收到上行的信号解调出后，根据目的地利用星际链路送到邻近卫星上等。依系统中，

10、2、3、4、5轨道中，每颗星和它前后左右4颗卫星保持有宽带的微波连接。1、6轨道因为相互为反转，高速的相对运动使得它们难以实现定向连接，所以这两个轨道上的卫星只有3个星际链路。有些卫星移动系统则没有星际链路，例如全球星系统。4 系统结构地面段卫星蜂窝系统的关口站分为归属关口站（home gateway）和拜访关口站（visited gateway）两种。网络管理中心负责卫星通信网的控制与监测：对各个网络节点、链路等的监测、控制及日常维护，对网络结构的变更、网络状态的分析报告等卫星控制中心负责星座管理：主要任务是卫星及轨道状态的管理管理卫星本身，它同这颗卫星是否为通信卫星并无太多的关系。5 网络

11、控制概述p网络控制的功能 移动性管理（移动性管理（MM）：用户位置的移动性产生了移动性管理的问题。无线资源管理（无线资源管理（RR）：当一个用户进行通话时，系统要为他准备一个信道，信道的含义在FDMA/SCPC中指一个载波，在TDMA中是一个时隙，在 FDMA/TDMA中是某个载波上的一个时隙，在CDMA中是一个特定的码。如何将资源分配给用户就是无线资源管理的问题。连接管理（连接管理（CM）：用户的通信必然要涉及到端到端的电路的建立、维持、释放等功能。这些功能都是连接管的一部分。5 网络控制概述p协议体系其下三层协议功能如下：第三层：网络层。发送消息、连接管理、移动性管理、无线资源管理；第二层

12、：数据链路层。负责对第三层消息的打包、成帧、复用、差错控制编码、流控制传输协议等；第一层：物理层。比特流的传送。5 网络控制概述p信令信道 网络控制的功能是通过移动终端和关口站间的信息交互完成的，这些控制信息一般称作信令。传输这些信令的信息通路叫信令信道，而传送用户数据的通路叫业务信道。业务信道一般占用一个时隙。物理信道就是处在某个具体载波上的具体时隙，逻辑信道则是指信息流。不同的逻辑信道是物理信道的不同映射 大部分情况下信令信息相比于业务信息来说数据量要小得多，比较有效率的传输方法是让一个时隙同时给多个信令信道服务，就是将几路信令信息通过时分复用后再通过物理层的时隙传送。5 网络控制概述p信

13、令信道控制信道 广播控制信道（BCCH）：BCCH以广播方式从卫星或从关口站经由卫星向用户发布一些公共信息，包括波束识别、网络参数、邻近波束指示、无线信道配置等。所有待机用户都在不断监听BCCH信息。公用控制信道（CCH）：CCH包括用于系统呼叫用户的PCH、用于用户发起呼叫的RACH、用于分配信道的AGCH等。其中PCH和AGCH是前向广播信道；RACH是反向的随机接人信道。在卫星移动系统中，从地面到卫星的信道称作上行信道；从卫星到地面的信道称作下行信道；从关口站到用户的信道叫前向信道；从用户到关口站的信道叫反向信道。一个前向信道或者一个反向信道都包含了一段上行信道和一段下行信道 专用控制信

14、道（DCCH）：DCCH是具体的某个用户同网络交互信令时使用的控制信道，包括SACCH、FACCH、SDCCH等。它们涉及用户位置登记、信道测量、信道切换等多个方面。5 网络控制移动性管理p移动性管理中最核心的问题：如何让系统知道用户当前所处的位置。p卫星移动系统中，特定的位置被归属到某个关口站的服务区中某个位置区中。用户通过位置登记向系统报告自己的位置区。p关口站的服务区 卫星移动系统中，所有用户的通信都必须经过关口站进行。卫星系统总的覆盖区域分属于不同的关口站。对某个关口站而言，由它提供服务的用户位置的集合是这个关口站的服务区。5 网络控制移动性管理 没有星际链路的系统：用户只有和关口站处

15、在同一卫星的覆盖范围时，才能得到通信务区的服务。有些用户位置上，总存在一颗卫星同时覆盖用户和关口站，这些位置的集合是该关口站的保证服务区。有些用户位置上，虽总能看到卫星，但用户看到的卫星覆盖范围内没有关口站，这些用户将不能得到通信服务，因为它们处在关口站的服务区之外。也可能有这样一些位置，在这些位置上有时能通过卫星连到关口站，有时不能。有星际链路的系统：任何处在卫星覆盖范围内的用户总可以经由星际链路连接到某个关口站，因此所有卫星覆盖的区域都在服务区内。原则上各个关口站的具体服务区可以任意规划，不必像没有星际链路的系统那样，每个关口的服务区只能是它附近的区域。5 网络控制移动性管理p位置登记 位

16、置登记就是要求用户定期或不定期地向系统报告它的位置信息。系统需要这个信息来处理打给用户的呼叫、处理用户鉴权、处理用户的通信路由等问题。用户通过位置登记向系统发送的是其所在地的位置区识别码（Location Area Code，LAC）。位置区是系统定义的，用来确定用户位置的最小地理区域。在卫星系统中，确定位置区的方法分为两种：用户没有定位功能，则以关口站的保证服务区作为位置区。系统通过BCCH广播关口站的识别信息，用户监听它所发现的BCCH的内容就知道自己属于哪个关口站。用户有定位功能，则位置区可以分得很小，用户把它的定位结果报告给系统即可。每当用户开机时，或每当用户发现其位置区发生变化时，移

17、动终端将自动向系统报告其LAC。系统也可要求用户定期发送LAC。进行位置登记时，用户先通过RACH请求发送LAC需要的信令信道。这个要求得到获准后，系统将通过ACCH分配一个 SDCCH给用户，用户再通过这个信令信道发送自己的LAC。5 网络控制移动性管理p寻呼 当有电话呼叫打到卫星移动用户时，系统首先要对这个用户发起呼叫，这个过程叫寻呼。通过是否收到寻呼应答，系统可以确认用户目前是否处于可接听电话的状态（已经开机，并且在服务区中）；通过是在何处得到的应答，系统可得知用户当前所在的具体波束。并行寻呼方法：根据位置区的大小不同，系统可能需要在多个波束甚至多个卫星上，同时通过PCH对用户进行呼叫。

18、位置区越大波束个数也越多，PCH信令负荷也越大。但位置区大也有好处：位置区越大，用户在位置区内停留的时间也越长，因而位置登记的周期就越长，花费在位置登记上的信令也越少。为减轻PCH信令负荷，可采用串行寻呼方法。系统并不在多个波束或多个卫星上对用户同时发起并行呼叫，而是：首先在可能性最大的一个或多个波束上进行试呼（最可能所在小区可根据用户最近一次位置登记、通话等信息来确定）；如果呼不到，再试可能性次大的波束或者再考虑使用并行寻呼的方法。串行寻呼方法可显著节约信令负荷，但呼到用户的平均时延会大一些。5 网络控制呼叫控制p呼叫控制是连接管理（CM）的一个子集，它负责呼叫的建立、维持、释放等功能。p卫

19、星用户主叫的情形5 网络控制呼叫控制p卫星用户被叫时的情形5 网络控制无线资源管理p 无线资源管理（RR）问题：发生在呼叫建立的时候；功能是为需要通信的用户决定一个合适的卫星、波束，在这个波束内分配一个信道，并规定用户及卫星以多大功率发送信号。p 信道资源分配的问题主要出现在FDMA、TDMA或者 FDMA/TDMA系统中。对于CDMA系统，由于所有频率都可在所有小区内复用，因此原则上并不存在资源分配问题。对CDMA来说，信道分配实际变成码字分配。如果我们给每个用户一个唯一的扩频码，那么无论用户处在哪里，只要他发生呼叫，系统就用这个码同用户进行通信。全球星系统便是这样做的。p 固定信道分配（F

20、CA）在FCA中，每个波束有固定的资源，因而一个波束能提供的信道数是固定的 当所有信道都被占用后的呼叫发生，它们将得不到服务，称这些新发生的呼叫被阻塞了或者被损失了。好的设计应当是在系统总资源给定情况下，尽量让每个波束有更多的信道数，也就是要尽量选用小的频率复用因子5 网络控制无线资源管理p 信道借用（CB）首先按FCA的方式工作，每个波束都有预先分配好的固定数目信道。如果某个波束的信道已经被占满，而这个小区内又发生新的呼叫，则它将向其他有空闲信道的波束借用信道以临时应付这个新发生的呼叫。通话结束后，再把借用的信道归还给原来的波束。或者当本波束内有其他用户通话结束而腾出一个固有信道时，把使用借

21、用信道的用户切换到固有信道上，再把借用的信道归还。系统通过一定的CB算法来保证借用行为不会使系统中任何用户的信干比低于规定的 min(/)C I5 网络控制无线资源管理p 动态信道分配（DCA）DCA方法是把所有资源集中在一起由系统统一分配。在完全的DCA中，不再有簇的概念，每个波束也没有事先分配的固有信道。每当发生一个呼叫系统就为这个呼叫分配一个信道，呼叫结束后这个信道资源交还系统，以备一个发生的呼叫使用。只要同信道干扰能满足要求，同一个信道可以在不同的波束中重复分配。MaxMin算法所有属于Uk的用户都在复用同一个信道k 5 网络控制无线资源管理 代价函数算法()iC k在小区i中使用信道

22、k的代价。若信道k已经在小区i中使用，则规定为无穷大若信道k未在小区i中使用，数值与目前正在使用信道k的小区离小区i的距离有关，距离越远，代价越小。选择代价最小的信道给这个新呼叫，因此分配结果使同频用户尽量远。若在通话过程中，其他用户结束通话而释放出信道，而系统发现此时信道 的代价更小，则用户会被切换到代价更小的信道上继续通话。5 网络控制切换p 宗旨是保证用户在通话过程中系统能持续地提供信道连接 信道切换信道切换：电波传播环境或干扰情况的变化会造成用户的通信信道变得不可用，此时系统需要将用户切换到同一波束的另外一个可用信道上。波束间切换波束间切换：绝大部分切换产生的原因是卫星移动，而不是用户

23、移动。p 切换场景过于频繁的切换对系统来说不是一件好事情。实现切换需要一系列信令方面的操作过程，频繁切换将使系统的信令负荷加重。另外切换越频繁，切换失败的概率也越大，切换失败将导致用户的通话过程被中途打断，这种情况称为掉话。相对于阻塞来说，用户对掉话更难以接受，所以系统设计中更重视掉话率。5 网络控制切换许多系统采取了一些降低切换率的波束设。一种方法是固定波束在地面的位置 一种方法是固定波束在地面的位置：如ICO、Teledesic等在全球星系统的波束设计中，每个波束都是长条形状，长条的方向和卫星的移动方向一致，除非卫星移出用户的视野，否则不会发生切换。另一种方法是不把波束设计成常规的圆形，而

24、是设计成窄条形状：5 网络控制切换 星间切换即便没有波束切换的问题，卫星蜂窝系统也有卫星切换的问题。如果正在为用户服务的卫星在用户通话结束前离开了用户视野，就需要切换到后面的卫星上。卫星切换的问题主要存在于LEO系统中，MEO系统基本可以不考虑。例如ICO系统中卫星的视野时间约为2小时，而铱星的平均视野时间是9分钟。因此在ICO中卫星切换几乎不会发生，而在铱系统中极有可能发生。关口切换还存在一种切换的可能性，就是在通话过程中切换了关口站。关口切换涉及到更多的信令交互，还需要变更用户话路在地面网络的路由，一般来说应该通过事先设计尽量加以避免。网络切换为降低用户费用，许多卫星蜂窝移动系统都设计成双

25、模运行方式：同时支持地面移动网络和卫星移动网络，如果地面蜂窝网可用，则优先使用地面网络。5 网络控制切换p 切换操作切换操作中，首先需要决定的问题是该不该切换以及应该在什么时候切换；其次是应该切换到哪个波束（或卫星等）上；再就是切换的过程如何进行。为决定是否该切换，用户终端或者系统不断监测正在通信的信道质量，并同时监测其他波束或卫星上的信道状况。只有当新波束的信号质量比现波束信号质量高出dB时才启动切换过程，避免乒乓现象。设计合适的如果太小，可能会造成过多不该发生的切换；如果太大，可能使该发生的切换没有发生。5 网络控制切换p 切换操作 切换的具体操作有后向切换和前向切换之分，其主要差别在于是

26、在哪个波束上发出切换请求。在后向切换方式中 前向切换可能更合适一些对于LEO系统，采用前向切换时典型的通话中断时间大约是60ms大致而言，LEO系统中后向切换造成的通话临时中断时间大约在200ms左右，在MEO系统中的中断时间约在500ms左右。5 网络控制切换p 切换引起的资源分配问题当用户切换到新小区后，需要在新小区中建立起相应的业务信道以及控制信道，该过程要涉及到无线资源管理方面的问题。视同新呼叫 预留资源 切换排队 在没有信道可用时处于排队等信道的状态，在排队期间继续使用原来的信道。如果排队期间新小区中有人结束了通话，则释放的信道立即给这个排队的切换用户。如果排队期间用户原来波束越走越

27、远，以至于等不到新信道时原来的信道已经不可用，则发生掉话。5 网络控制切换 动态信道分配在这种情况下，覆盖用户的波束发生变化不一定会引起信道的变更，只是提供这个信道的波束发生了变化。但覆盖波束发生变化时往往会导致同频用户间的干扰关系发生变化，如果同信道干扰不能满足要求，系统会对各个用户的信道重新进行安排，某些通话用户需要被切换到其他信道上去，信道需要变更的用户不一定是切换来的用户。5 网络控制切换p CDMA系统中的软切换 CDMA系统是一种完全的DCA系统，用户在不同小区间移动时信道并没有变化，变化的只是处理这个信道的波束或卫星。相邻波束使用相同的频率，于是当用户处在波束交叠区时，完全可以同

28、时在两个波束内建立链路，这种做法叫宏分集。用户在交叠区时，它同时和两个波束（或卫星）通信，当它离开交叠区深入到另一个波束的覆盖中心时，只需放弃一个信道即可。CDMA的这种切换情形叫软切换 前述的 FDMA/TDMA的切换叫硬切换。在软切换的情形下，不存在硬切换中的通话临时中断问题，也不存在因为切换时无资源可用而掉话的问题。v 卫星蜂窝移动系统p卫星移动通信概述p卫星蜂窝与频率复用p同道干扰p网络控制第7章 典型卫星通信系统v定位系统p定位简介p定位基本知识pGPS原理vVSAT系统p概述p系统组成p网络结构v电视广播通信1 概述pVSAT系统中地球站被称为微型站（小型数据站、甚小孔径终端或VS

29、AT终端），其天线口径通常为0.32.4m。pVSAT系统的主要特点有：可工作在C或Ku波段，支持包括数据、语音和图像等多种业务类型；集成程度高（VSAT分为天线、室内单元IDU和室外单元ODU）、天线小、低功耗、成本低、安装方便、对环境要求低；组网灵活、独立性强，各方面性能可根据用户需求灵活调整，可与地面网络连接；面向用户而不是网络，站点多，各站业务量小，一般作为专用网络。1 概述p2系统分类：按照不同多址方式、调制方式、传输速率和业务类型，VSAT系统可分为如下5类：1 概述p业务类型2 系统组成pVSAT系统由卫星、主站（Hub）和若干远端站（VSAT）设备组成。VSAT系统中通常使用工

30、作在C或Ku波段的同步卫星，且采用透明转发器。C波段主要用于第一代VSAT网络，而Ku波段是从第二代VSAT开始为主使用。采用波段取决于是否有可用的星上转发器资源和VSAT设备本身2 系统组成p主站（Hub）主站设备由RF终端、基带处理部分和网管设备组成。主站有三种类型：大型主站（Dedicated Large Hub）：设备配置比小站复杂、发射功率高（一般为几十至几百瓦）、天线也大（C频段天线直径为713m；Ku频段为3.58m），支持上千小站接入。中型主站或分配式主站（Shared Hub）：当VSAT网中有若干相对独立子网时，每个子网（一般不超过500个小站）分配一个分配式主站较适宜，以

31、节省投资成本和便于管理。小型主站（Mimi Hub）：在卫星发射功率增大、低噪声接收设备性能提高的前提下出现的。为降低成本，采用天线尺寸为25m的小型主站，支持小站数目不多（300400个）的VSAT网。2 系统组成2 系统组成p小站（VSAT）设备 VSAT可具有双向的语音、数据和视频单收业务，可与本地LAN相连。VSAT小站主要由室内和室外设备组成。室内设备的尺寸与一台PC接近；室外设备为由接收的LNB（含下变频器）和发送SSPA（发射功率为110W）与上变频器组成的RF模块，通常与天线装配在一起；天线通常为直径12.5m（C频段不超过3.5m，而单收站可小于1m）的偏馈抛物面天线。在小站

32、接口设备中，将完成输入信号和协议的转换。比如在语音接口中将标准的电话信号转换为VSAT网络协议，而在数据接口中将数据协议（如TCP/IP）转换为VSAT协议。2 系统组成3 网络结构p星形网络VSAT系统最初主要用于主站（Hub）与各远端站（VSAT）间低速数据传输。VSAT的星形结构中，各小站与主站间可直接进行通信，而小站间的通信需经主站进行转接。3 网络结构p网状网络 支持语音等对称业务的VSAT系统常采用网状结构，使小站间可不经过主站而直接进行通话。在VSAT电话网中，业务网络和控制网络采用不同的网络结构。业务网络：为避免星形网络的双跳过长传输时延，VSAT语音业务网需采用网状结构。控制

33、网络：传送控制、管理信息的控制子网仍然是星形的，由主站（网控中心）负责卫星信道的分配，处理话路的交换，并执行对网络的监测、管理和诊断。3 网络结构p混合网络VSAT混合网络是由星形网络和网状网络混合构成。网状结构适合于实时性要求较高的业务，如点到点的语音业务或点到多点的综合业务传输。该结构能够比较高效地实现对卫星资源的利用，适合网络规模比较大、范围比较广的业务传输，既有数据业务也有语音业务。v 卫星蜂窝移动系统p卫星移动通信概述p卫星蜂窝与频率复用p同道干扰p网络控制第7章 典型卫星通信系统v定位系统p定位简介p定位基本知识pGPS原理vVSAT系统p概述p系统组成p网络结构v电视广播通信1

34、卫星电视广播系统p 卫星通信问世不就，就被用来转播电视节目。对于卫星广播系统，由于接收机众多，如何降低接收机成本是系统设计的重要原则。p 系统经历了由模拟电视信号到数字电视信号；由集体接收（转发给用户）到对个人广播或直播（DTH）；卫星的EIRP有所提高，接收机的天线尺寸逐渐变小。p 卫星电视广播系统由上行地球站、卫星转发器和地面接收站组成。上行地球站与广播中心和演播室相连，用户反馈的电播也发送至广播中心。地面站可以是地方电台或有线电视网前端站（大尺寸天线，用于节目二次分配），以及家庭接收机（小尺寸天线）。1 卫星电视广播系统p 上行是数字电视广播的重要部分，下行则为上行操作的反变换1 卫星电

35、视广播系统p卫星数字电视传输标准目前国际电联（ITU）已批准3中数字电视传输标注：包括欧洲的DVB（digital video broadcasting，数字电视广播）美国的ATSC（advanced television systems committee，高级电视制式）日本的ISDB（Integrated services digital broadcasting，综合业务数字广播）卫星数字电视广播信道编码和调制标准是我国1999年制定的卫星数字电视传输的国际标准，采用了ITU-R B0.1211建议用于11/12GHz卫星业务中的电视、声音和数据业务的数字多节目发射系统，并根据我国的情况

36、作了补充；采用的信源编码、信道编码方式和参数与DVB-S相同。1 卫星电视广播系统p条件接收、视频点播与数据广播 电视广播系统中有两种特殊业务：条件接收（conditional access，CA）和视频点播（video on demand，VOD）。视频点播是系统按照用户的指令，将视频节目有选择地传输给用户；可通过机顶盒加电视或PC实现。条件接收是系统确保被授权用户能接收到加扰节目，而阻止非授权用户收看；一般通过插入机顶盒的智能卡实现。数据广播是将数字化的视频、图像、软件包和计算机文件等数据，通过数字广播信道以推送方式传输到机顶盒、PC或相关移动设备的业务。v 卫星蜂窝移动系统p卫星移动通信

37、概述p卫星蜂窝与频率复用p同道干扰p网络控制第7章 典型卫星通信系统v定位系统p定位简介p定位基本知识pGPS原理vVSAT系统p概述p系统组成p网络结构v电视广播通信1 卫星定位简介p根据卫星导航卫星高度可以将其分为如下三类：（1）子午仪卫星定位系统低轨卫星信号有明显的多普勒频移，由卫星相对地面的高速运动产生。世界上第一个卫星定位系统子午仪系统就是采用低轨卫星的多普勒频移实现的，它对卫星导航技术产生了深远的影响。（2）双静止卫星导航系统我国的“北斗一号”系统是世界上第一个实用的专用静止卫星导航系统。这些系统具有相似的结构和工作原理，主要利用两颗卫星完成信号的中继转发，定位计算由地面控制中心完

38、成，终端需要发射信号，以有源方式工作，因此可以统一归类为双静止卫星导航系统。静止卫星的轨道高度高，对地面的覆盖特性比中、低轨卫星好，只需要少量的卫星就可以在固定区域内建立定位所需要的稳定多重覆盖，因此可以以相对少得多的投资建立区域性卫星导航系统。1 卫星定位简介（3）中轨道高度导航系统2 定位基本知识p常用的时间体系有：世界时（UT,Universal Time）：是以地球自转周期为基准的时间体系。原子时（ATM，Atomic Time）：以位于海平面的铯原子133原子基态的两个超精细结构能级跃迁所辐射的电磁波振荡周期为基准，从1958年1月1日世界时的零时开始启用。原子内部能级跃迁所发射或吸

39、收的电磁波频率极其稳定，比以地球转动为基础的计时系统更为均匀。虽然原子时比任何一个时间尺度都精确，但它含有一些不稳定因素，需要进行修正。协调时（UTC，Universal Time Coordinated）：并不是一种独立的时间，而是在时间播发中把原子时的秒长和世界时的时刻结合起来的一种时间。GPS时（GPST，GPS Time）：是由GPS星载原子钟和地面监控站原子钟组成的一种原子时系统，它与国际原子时保持有19s的常数差，并在GPS标准历元1980年1月6日零时与UTC保持一致。绝大多数应用系统的时间都是UTC时间，所以必须将GPS时间与UTC联系起来。GPS系统采用的方法是在卫星导航电文

40、中播发两个系数，用来确定GPST与UTC之差，用户接收设备可以利用给定的公式将GPS时转换为UTC时间。2 定位基本知识p地心固定坐标系一类常用的坐标系是与地球固连的坐标系，它的坐标轴随着地球自转而移动，称为地球固定坐标系/地心固定直角坐标系/宇宙直角坐标系2 定位基本知识p定位原理 卫星定位的一般步骤可以概述为：（1）计算卫星在指定坐标系中的坐标；（2）测量用户相对卫星的位置；（3）利用导航定位方程计算用户在指定坐标系中的位置。SSS,X Y Z卫星在地心固定坐标系中的坐标,X Y Z待测量用户在固定地心坐标系中的坐标观测量 导航定位方程 由于定位方程中存在3个位置变量，因此必须得到三个独立

41、的方程才可求得用户的位置。如果用户在地球面上，则只需要测得两个定位导航参量。实际中由于存在测量误差以及观测误差还依赖于其它未知量，如时间和频率等，因此一般需要3个以上的定位观测量，建立三个以上的定位方程，才能求解出用户坐标。3 GPS原理p系统组成GPS主要由空间部分、地面跟踪控制部分和用户接收处理部分组成。空间部分组成：GPS的空间部分即卫星星座，主要由24颗卫星（21颗工作卫星，3颗备用卫星）组成，分布在6个近圆形轨道上，平均每个轨道上分布4颗卫星，高度在地面上约20200 km，轨道面相对于地球赤道面倾斜55o，卫星运转周期约11h58min（半个恒星日），卫星通过天顶附近时可观测时间为

42、5h，这样在地球表面任何地方、任何时刻可观测卫星至少4颗，平均6颗，最多达11颗，以满足定位要求。作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接收地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。3 GPS原理p系统组成 地面跟踪控制部分地面控制部分由5个卫星监控站、1个主控站、3个信息注入站组成。监测站（5个）：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。主控站（1个）管理、协调地面监控系统各部分的工作，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向

43、卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。注入站（3个）将导航电文注入GPS卫星。导航电文：以50 bps（每秒比特）播发的1500bit（比特），包含有系统时间、时钟改正参数、电离层延迟模型参数、卫星星历及卫星健康状况、由C/A码捕获P码的信息等。3 GPS原理 用户接收处理部分用户设备主要是GPS接收机，它由天线前置放大器、信号处理、控制与显示、记录和供电单元组成。GPS接收机具有解码、分离出导航电文、进行相位和伪距测量的功能。GPS接收机主要分为测地型和导航型两大类。对于大地测量，一般都采用较精密的双频接收机，可做双频载波相位测量，用于长距离的精密定位，价格较贵；单频接收机适用于10

44、km以内短距离的精密定位。导航型GPS接收机，通常只可观测测距码，单点定位精度为10m（SA off），价格低廉3 GPS原理p工作原理GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息，用户用GPS接收机在某一时刻同时接收3颗以上的GPS卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）至3颗以上GPS卫星的距离并计算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交汇法算出测站点 的位置。3 GPS原理pGPS卫星信号GPS卫星信号的三个主要部分是：导航数据、测距码和载波。导航数据又叫卫星电文，主要包括卫星星历、时钟信息、电离层时延更改和卫星工作状态等信息，导航信息经过编码调制之后，由卫星向地

45、面接收机广播。用户一般需要利用此导航信息来解出某一时刻GPS卫星的位置坐标。导航电文的码率比较低，一般为50 bit/s。测距码的本质是一段伪随机噪声（PN）序列，分为民用C/A码与军用P码两种。C/A码又被称为粗捕获码，是码长为1023位的PN序列，码率为1.023MHz，周期为1ms；P码又被称为精码，周期为七天，码率为10.23MHz，一般用户无法利用P码来进行导航定位。如图所示，导航数据经过与C/A码模二加之后，利用L1（1575.42 MHz）载波进行调制后广播，用来服务一般用户；导航数据与P码模二加之后，分别用L1与L2（1227.60 MHz）两个载波进行调制后广播，用来为军方提

46、供服务。3 GPS原理测距定位原理p 基于伪距的定位卫星信号到达测站的钟面传播时间为 若不考虑大气影响 伪距观测方程第j颗卫星接收机钟GPS标准时间钟差3 GPS原理测距定位原理 考虑大气层折射影响三维地心坐标的近似值 线性化近似求解用泰勒级数展开并取一次项后可得于是站星几何距离的线性化表达式为电离层折射延迟的等效距离误差对流层折射延迟的等效距离误差3 GPS原理测距定位原理 线性化近似求解可得线性化的伪距观测方程为（卫星间同步）最小二乘法可解3 GPS原理测距定位原理p 基于相位的定位 载波相位测量目前大地型接收机普遍利用载波相位测量，相位测量定位精度可达12 m相位以周期为单位整周期部分

47、非整周期部分载波波长实际中该方法不能实现，因为j无法测定。3 GPS原理测距定位原理 载波相位测量采用相对方法由于载波信号是一种周期性的正弦信号，而相位测量只能测定其不足1周的小数部分，因而存在着整周数不确定的问题，也就是整周模糊度精确求解问题在GPS信号中，由于已用相位调制的方法在载波上调制了测距码和导航电文，因而接收到的载波相位已不再连续，所以在进行载波相位测量前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，这工作称为载波重建。载波重建一般可用2种方法：码相关法：用户可同时提取测距信号和卫星电文，但用户必须知道测距码的结构；平方法：用户无需掌握测距码的结构，

48、但只能获得载波信号而无法获得测距码和卫星电文。3 GPS原理测距定位原理 测相伪距观测方程相位观测整周未知数 钟面时与GPS标准时之间存在差异 载波相位观测方程 顾及电离层和对流层对信号传播的影响0()()()()()jjjjjiiiiijifttItTtfttNtc 3 GPS原理测距定位原理当基线较短（10km）时，完全可采用这种简化式；但当基线较长时，则应采用较为严密的观测模型。线性化的载波相位观测方程000(,)iiixyz测站坐标的近似值 线性化 测相伪距观测方程的线性化形式为与测码伪距观测方程相比，载波相位观测方程仅多了一个整周未知数，其余各项均完全相同。方程：t时刻在i测站同步观测J颗卫星，可以列J个方程，但有J+4个未知数只要接收机保持对卫星 的连续跟踪，整周未知数是一个不变的值3 GPS原理定位方法p 绝对定位（a）动态绝对定位（b）静态绝对定位p 相对定位（a）静态差分定位测站和基准点上的接收站均是固定不动的，一般均采用载波相位观测量（或测相伪距）为基本观测量。（b）动态差分定位是用一台接收机在坐标已知的基准点上固定不动，另一台接收机安装在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，以确定运动点相对基准点的实时位置。3 GPS原理定位误差C l i c k t o e d i t c o m p a n y s l o g a n .