《通信网理论与技术》课件第5章.ppt

1、第 5 章 卫 星 通 信 网 第 5 章 卫 星 通 信 网5.1 概述概述5.2 卫星通信网分类与网络结构卫星通信网分类与网络结构5.3 VSAT网网5.4 卫星移动通信网卫星移动通信网MSSN5.5 CDMA卫星移动通信网卫星移动通信网第 5 章 卫 星 通 信 网 5.1 概概 述述 5.1.1 5.1.1 卫星通信的基本概念卫星通信的基本概念卫星通信利用星上微波天线来接收地球发送站发出的无线电信号,然后,又将该信号转发回地球接收端,如图5.1所示。地球站A发送一个特定频率(上行链路)的信号给卫星,下行链路信号则可以被辐射范围内的任何地球站接收。卫星通信传输的信号可以是声音、数据或图像

2、。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.1 卫星通信过程 第 5 章 卫 星 通 信 网 卫星的接收/发送能力由星上转发器提供。转发器实际是一个工作在吉赫兹(GHz)范围内的中继装置,目前大多数卫星的工作频率在46 GHz范围内,有一些卫星可工作在12/14 GHz频段上。为了防止信号间的相互干扰,上、下行信号频率是不同的。另外,一颗卫星上往往设有多个转发器以增大其传输能力。第 5 章 卫 星 通 信 网 卫星通信的优点主要是其传输容量巨大,覆盖面宽,代价又低,使用也方便。因为卫星工作于宽频带,故一颗卫星就可以提供几千路电话的传输能力。例如,装有10个转发器的卫星,其总通信能力可达5108

3、b/s。其覆盖范围之宽,可使大的国家用一颗或两颗卫星就能成功地进行通信。信号传输费用与两地球站之间的距离无关。因为只要它们同用一个转发器服务,该转发器发送的信号可被不同距离的所有地球站接收,其传输费用总是固定不变的。另外,广播式通信比采用大量实体的通信线路和交换机也经济得多。卫星通信的不足之处是传输时延大,空间传播损耗严重,亦可能会和地面其他无线电系统信号发生干扰,保密性差。第 5 章 卫 星 通 信 网 现在,卫星是在离地面36 000 km高度的地球同步轨道上以11 000 km/h的速度绕地球转动的。由于卫星相对于地球静止,因而地球站的天线就可以保持一个相对固定的位置(称轨道隙)。地球同

4、步卫星经常是以三个为一组发射,它们之间相隔120,可以覆盖几乎整个地球。目前的国际卫星通信网,几乎全部由国际通信卫星组织(INTELSAT或IS)负责。它为170多个国家提供各种数据、语音、图像服务,占整个通信业务量的60%以上。图5.2为IS卫星的轨道配置。由图可见其系统庞大,用户广泛。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.2 卫星轨道配置 第 5 章 卫 星 通 信 网 IS卫星系统的通信质量很高,系统容量可观。例如ISVI,每颗星至少能同时传输120 000 路电话或多于200路的电视，相当于传输31010b/s的信息。系统空间段的可靠性可达99.99%。近期可供选择的固定业务卫星通信

5、频段如图5.3所示。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.3 固定业务卫星通信频段 第 5 章 卫 星 通 信 网 5.1.2 5.1.2 卫星通信网的拓扑结构卫星通信网的拓扑结构卫星通信是多址接入的一种方式，即处于不同地理位置的任何用户,都可通过其所属地面站,直接利用卫星转发器这一公用信道进行各自通信。卫星通信网有以下两种拓扑结构:(1)星型。各站只能经由卫星直接与中心站发生联系，而各地球站间不能直接通过卫星相互通信，这是一种集中控制方式。第 5 章 卫 星 通 信 网(2)网型。各地球站皆可经由卫星彼此相互进行通信，这是一种分散控制方式。和其他通信系统一样,卫星通信的多址技术可有FDMA

6、、TDMA、SDMA、CDMA和随机接入(ALOHA)等多种方式。其中,最简单最常用的卫星多址技术是把公用信道用频分制(FDMA)或时分制(TDMA)划分成多个子信道,每对通信用户用其中两个子信道(上、下行)来实现相互双向通信。在网型拓扑结构中,实际就是利用卫星转发器作为公共信道形成一个全连通网或总线结构。图5.4给出了一个五站卫星通信全连通网示意图。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.4 五站卫星通信全连通网示意图 第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.5 国际卫星通信过程 第 5 章 卫 星 通 信 网 5.2 卫星通信网的分类与网络结构卫星通信网的分类与网络结构 5.2.1 FDM

7、A5.2.1 FDMA卫星通信网卫星通信网FDMA卫星通信网是一种传统的,但现在仍在广泛使用的卫星通信网。其中,比较成熟的是INTELSAT卫星通信网,它包含15颗星、576个地面站、739副天线,覆盖160多个国家和地区。提供以下国际服务:(1)15 000120 000个电话信道。(2)全部电视。(3)25个国家与地区的国内通信。(4)商务业务(可视电话、传真、数据、电子邮件、用户电报等)。第 5 章 卫 星 通 信 网 5.2.2 TDMA5.2.2 TDMA卫星通信网卫星通信网TDMA方式根据用户需要,由一个称为基准站(REF)的主站来分配时隙。基准站接收来自其他各站的请求信息,并根据

8、通信的性质和可提供的信道能力,为其分配下一次发送的信道。显然,这是一个主从非轮询系统。通信卫星业务系统(SBS)就是一个TDMA卫星通信网,如图5.6(a)所示。系统中,每一个基准站对应一个转发器,每个卫星上的转发器可多达10个。图5.6(b)为地球站的基本组成。主要包括:第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.6 TDMA卫星通信网(SBS)(a)SBS；(b)地球站的基本组成 第 5 章 卫 星 通 信 网(1)端口适配器:用户线路与地球站的接口,它以32 Mb/s的速率接收声音,以2.41.544 kb/s的速率接收数据。(2)卫星通信控制器(SCC):一个面向软件的单元,具有定时、通信

9、站分配、交换及处理声音和数据呼叫等功能。它根据声音接续的数量、可用数据端口的数量和排队等待的数据接续请求的数量来计算信道通过量,然后把这些请求分配到TDMA帧。全部数字信号都送入卫星通信控制器(SCC)。(3)突发型调制解调器:其功能是在SCC的指导下，以帧(帧长15 ms)形式发送48 Mb/s速率的信号。这样,每个转发器都有48 Mb/s的工作能力。其帧格式如图5.7所示。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.7 TDMA帧格式 第 5 章 卫 星 通 信 网(4)收/发设备及天线系统:负责上、下行链路的收/发。该系统的上行链路工作频率为14 GHz,下行链路工作频率为12 GHz。这样

10、可远离其他卫星系统,而且可使其地球站不易受到地面46 GHz微波通信的影响。在一个15 ms长的帧中,基准站(RFF)向所有使用本转发器的卫星通信控制器(SCC)发一个分配集。这种分配集每隔20个帧,基准站为从站分配一次信道。这个分配集是对在前面一些帧中收到请求的应答。由图5.7可知,所发48 Mb/s的信号帧包含控制字段和数据流两部分。控制字段包含上述分配信息与来自各个竞争站的请求，数据流包含来自那些被基准站分配了一个位置的SCC的突发数据。每个突发数据块封装成512 bit的信道集。其中,每个信道包含32 bit的目的地址,480 bit的数据。第 5 章 卫 星 通 信 网 5.2.3

11、SDMA5.2.3 SDMA卫星通信网卫星通信网空分多址(SDMA)方式对各站所发信号的空间参数进行分割,使各信号在卫星天线阵的空间内占据不同的小空间窄波束si。收端则利用空间的正交性，即 jijissXsXsjii,1,0d)()(通过空间选择,用窄波束天线从其混合信号中选出所需信号。第 5 章 卫 星 通 信 网 这种方式的特点如下:(1)卫星天线增益高,卫星功率可得到合理有效的利用。(2)由于不同区域的地球站所发信号在空间互不重叠,即使同一频率,同一时刻也互不干扰,因而成倍地扩充了系统容量。(3)转换开关使卫星成了一个名符其实的空中交换机,可以像地面用户靠电话局一样,使各地球站能靠转换开

12、关来进行自动的多址通信。第 5 章 卫 星 通 信 网(4)卫星天线定向,减小了卫星对其他地面系统通信的干扰,也降低了对地球站技术的要求。(5)对卫星的稳定性和姿态控制要求很高,卫星上的天馈线装置较复杂庞大，转换开关使得星上设备复杂化,且空中维护不便。尽管如此,靠TDMA识别地址的空分卫星通信网,由于其具有星上交换功能,加之在功率和带宽两方面优于普通的TDMA,因而20世纪80年代以来,备受人们重视。下面简要介绍一下这一系统卫星交换时分多址(Satellite Switched-TDMA,SS-TDMA)网。其工作过程如图5.8所示。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.8 SS-TDMA系

13、统工作过程 第 5 章 卫 星 通 信 网 该系统中,各地球站必须知道星上交换矩阵的转换定时,从而控制本站发送突发块的时间,保证其在准确时间里通过矩阵建立帧同步。这是与一般TDMA不同的。该系统有两种帧同步法,其一,是由地球上的基准站发定时信号,控制星上矩阵,从而控制其他地球站;其二,是用星上矩阵定时基准,来同步网中所有地球站,称为同步窗口法。SS-TDMA系统的星上交换矩阵有两类:一类是对基带信号进行交换,转发器为具有交换功能的处理转发器;另一类是对微波信号进行交换,转发器为具有交换功能的受控微波开关矩阵转发器。第 5 章 卫 星 通 信 网 5.2.4 5.2.4 分组通信卫星通信网分组通

14、信卫星通信网1.1.纯纯ALOHAALOHA网网图5.9是一个利用卫星进行分组通信的典型ALOHA系统。若干个地球站共用一个卫星转发器频段。网中用户以速率进行呼叫,形成泊松流。当网中任一个用户要发送信息时,则以定长信息包(或分组)形式随机地去占用公用信道(卫星转发器)。一旦两个或两个以上信息包企图同时占用信道时,在信道上有碰撞发生,又要随机重发。图5.9中的A站和B站在一个共享信道上随意发送分组。下行链路信道表明,A站发送的1号分组A1安全无误地上下传输,B站发送的2号分组B2在传输中也无差错。但是A2、B1发送时间相差无几,造成碰撞。于是要等待一段随机时间(几毫秒)后,再重发。第 5 章 卫

15、 星 通 信 网 图 5.9 卫星链路上的随机ALOHA 第 5 章 卫 星 通 信 网 其具体工作过程是先将所传数据分段,形成包(或分组)，包长704 bit。其中,分组头包含收/发地址和控制比特,共32 bit,检验码为32 bit。通过地球站的发射控制单元将此基带包进行调制后,高速发射到卫星上,但在存储器里尚保留其“副本”。因为发射时间是随机的,所以无需全网同步。在卫星广播过程中,符合地址码的接收站才能检出信号。如无误,发一应答信号;如有差错,不发应答信号。发送站则等待“应答”，如有应答,发下一分组;如无应答(在规定时间内),重发该分组直到成功,并清除“副本”。一般情况下,最多23次即能

16、发送成功。第 5 章 卫 星 通 信 网 接收站出现非正确接收的原因有两个,一是随机噪声导致误码;二是由于各发射分组的时间是随机的,两个或两个以上分组通过转发器时,时间可能重叠,产生碰撞。此重叠波形使接收站无法正确接收。纯ALOHA网的通过量较低,效率不高。当信息负荷加重时,其通过量会大大下降。由于无需控制设备,且无需检测,只在长久无应答后才重发。呼叫量小时,仍可顺利通信。因此,该法对某些发送突发性信息的场合,还是相当有效的。第 5 章 卫 星 通 信 网 2.2.时隙时隙ALOHA(S-ALOHA)ALOHA(S-ALOHA)网网S-ALOHA系统进一步降低了碰撞机会。在该系统中,要求在卫星

17、和所有地球站之间建立公共的时钟,网内全部用户都与主时钟同步,并以特定的时间周期发信。例如,时钟可以要求发送的分组以20 ms为一个增量单位(20 ms增量单位即分组持续时间),它为分组在信道中发送的时间。若干个信道时隙组合成一个ALOHA帧,如图5.10所示。而ALOHA帧必须大于或等于上、下行传播时延。这样,一个持续20 ms的1 kb分组就至少需要12个时隙来构成一个ALOHA帧(12个时隙20 ms=240 ms)。240 ms周期为最小上行传播时延(120 ms)和最小下行传播时延(120 ms)之和。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.10 时隙ALOHA 第 5 章 卫 星 通

18、 信 网 当网内任一用户要求通信时,该用户必须按照主时钟规定的等长时隙(20 ms),使其在时隙的起始时刻到达信道进行通信。因此,要求网内任一用户皆用接收到的主时钟同步信息来控制自己所要发送给卫星转发器公用信道的信息时刻。只要在一个信息包长度时间内,没有两个或两个以上信息包发出,就可成功发送一个信息包,而紧跟其后发出的信息包,必须等到下一个时隙发出。该系统必须具备全网的严格同步,控制系统较复杂。根据所发信息的重要性等级,可采用优先制,这样也可以减少碰撞概率。ALOHA的进一步改进是采用R-ALOHA方式。第 5 章 卫 星 通 信 网 3.3.预约预约ALOHA(R-ALOHA)ALOHA(R

19、-ALOHA)网网预约ALOHA(R-ALOHA)网是在各地球站发长报文时,经发送站预约,分配给一段时隙,让其一次发一批数据;而各地球站发短报文时,不预约,按S-ALOHA方式传输信息。第 5 章 卫 星 通 信 网 5.3 VSAT网网 5.3.1 VSAT5.3.1 VSAT概述概述甚小口径天线地球站(Very Small Aperture Data Terminal,VSAT)是一种具有小口径天线的智能卫星通信地球站。由许多该类微型站与一个大型中枢地球站或主站协同工作,构成VSAT网。它具备以下三个主要特点:(1)小(微)型化。该网的地球站天线口径为1.21.8 m,在Ku波段进行传输,

20、架设便捷。(2)智能化。整个网络和地球站都具有不同程度的智能。将通信和计算机结合在一起,使信号处理、业务的自适应、网络结构和容量变更、控制与监测等,皆由计算机操作控制。第 5 章 卫 星 通 信 网(3)提供双向综合电信业务。VSAT能提供包括音频、数据、图像、电视等综合服务。1980年开始的C波段单向接收VSAT,采用扩谱调制技术,主要用于9600 b/s速率以下的单向数据传输。同时,也证实了ALOHA双向数据传输的可能性。1983年休斯公司首先推出双向交互式高速Ku波段数据传输系统。它采用星型拓扑、RA/TDMA(ALOHA)和SCPC等多址方式,是一个以硬件定义的多路复用网络(即用硬件定

21、义的多端口、多规约、多用途系统)。这是沿用至今的第一代VSAT。它在高速数据广播、图像和综合业务传输以及移动数据通信中起着重要作用。第 5 章 卫 星 通 信 网 为实现ISDN的连接,以及实现局域网和局域网,局域网和都市网的交叉桥接,现在正在开发第二代VSAT。第二代VSAT的主要特征是:(1)采用分布式控制。除能进行分布处理外,尚能改变和调整网络配置。并能在网中规定虚拟子网,形成一个不受主网制约的专用网。(2)网络结构方面,能支持以标准数据通信协议(如X.25)为基础的交换网络。可提供多主站连接,点对点(或远端远端)通信和地面/卫星网络的组合通信。系统采用开放式结构,保证将来与其他组网方案

22、兼容。第 5 章 卫 星 通 信 网(3)实行带宽管理方法。带宽管理方法即指多址方式采用混合技术,如自适应预约S-ALOHA 等。使随机的TDMA(RA/TDMA)和TDMA方式之间能进行动态转变,可获得最佳网络响应时间和数据通过量。(4)VSAT站采用大容量控制处理单元(CPU)系统,将端口扩展所需硬件数量降低到最大限度,以提高可靠性。每个VSAT皆有独立的PAD机和卫星接续单元,以允许一个端口能提供分批传输或交互数据业务,而且通常有多个端口。第 5 章 卫 星 通 信 网(5)提供高层次软件定义的软件配置网络。这样软硬件配置灵活方便,并且易修改,经济可靠。将来还会有全部由软件定义的第三代V

23、SAT网,这将伴随出现一些新技术,如更大功率的卫星、更高的波段(Ka波段)、超小口径地球站VSAT、高功率点波束及扫描波束和星际链路等。手段上,将使用平台处理技术。未来的卫星通信将在固定卫星通信VSAT系统和超小型终端移动卫星通信系统MSAT两个领域得到长足发展。第 5 章 卫 星 通 信 网 5.3.2 5.3.2 第一代第一代VSATVSAT网网1.1.网络拓扑网络拓扑现存的VSAT系统从用户角度看,可有三种类型:(1)大集团专用网。(2)中等用户准专用网。(3)小用户共享网。它们的结构皆为星状,但具体结构又有差异,如图5.11所示。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.11 几种VSA

24、T星状网络的组成 第 5 章 卫 星 通 信 网 2.2.多址方式多址方式VSAT数据网最主要的结构特点是大量分散的VSAT共享卫星通信信道并与中枢站通信,网络拓扑呈星状。而其数据业务又存在巨大差异:数据从40106 bit以上;响应时间从几秒到几小时;数据速率从100 b/s1.544 Mb/s。因此,必须根据其多址方式及由其决定的通过量、时延、稳定性等来讨论多址接入协议。第 5 章 卫 星 通 信 网 VSAT网的一部分业务随机使用信道,它们对卫星信道的利用,本质上是统计性质的,此时信道可称为统计信道;一部分业务则要求在一段时间内固定连续使用信道,此时信道可称为确定信道。统计信道用竞争型多

25、址方案合适,确定信道则用固定分配的多址方案较好。概括起来,选择多址方式应要求有以下特点:较高的信道利用率(或通过量),较短的平均时延,良好的信道稳定性,良好的信道传输差错和设备故障承受能力,短的电路建立和恢复时间,以及较易实现且价廉。按此要求,选用固定分配、随机和可控分配三种多址方式。第 5 章 卫 星 通 信 网 TDM和TDMA的帧格式分别如下:(1)TDM帧结构。图5.12为中枢站局各VSAT广播用的TDM帧结构。每帧包含一个同步头和若干个分组,共占用1 s时间。每个分组又由标志、地址、控制、用户数据、CRC校验、标志位组成。用户数据长1128字节或81024 bit。同步头用以保证网中

26、各VSAT站同步,要求其在10-3 级误比特率时,保证VSAT能可靠同步,还要求为VSAT站提供TDMA帧的起始时刻。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.12 TDM帧格式 第 5 章 卫 星 通 信 网(2)TDMA帧结构。设为S-ALOHA信道,信道被划分为一系列相邻的帧和时隙,这一系列相邻的帧和时隙对应的各VSAT站向中枢站的入主站发送信号。其帧结构如图5.13所示。一帧有N个时隙,VSAT站用突发方式将数据分组发射到时隙中,数据分组长度只能在时隙内变化。一帧中时隙长度和数目取决于业务类型。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.13 TDMA帧结构 第 5 章 卫 星 通 信 网

27、在TDMA信道中,每个时隙不是随机连接(RA/TDMA)就是按需分配(DA/TDMA)。RA/TDMA为竞争信道,所有VSAT站皆可利用该信道发送自己的数据分组,分配给一个RA/TDMA信道的VSAT站,为了使发射的数据分组准确地进入分配到的时隙,必须要与一帧的开始时刻同步。该公共定时信息由发射的TDM帧中的同步头提供。DA/TDMA时隙为某个VSAT站专用,无竞争问题。中枢站于TDM帧中广播时隙规划图,规定RA/TDMA或DA/TDMA在TDMA帧中的位置。所有VSAT站接收到规划图,将数据分组发射到被允许的时隙中。TDMA帧中突发段的前面是报头,报头包含位定时、载波恢复和FEC译码器的同步

28、信号等比特。突发段的后面是报尾,报尾含有Viterb译码插入比特位置等信息。第 5 章 卫 星 通 信 网 3.3.第一代网络组成第一代网络组成典型的VSAT系统如图5.14所示。这是一个集中控制系统,所有VSAT站都置于主站的控制之下。VSAT网的组成如图5.15所示。由VSAT经卫星传输到中枢站(HUB)的入主载波采用随机分配/时分多址(RA/TDMA);由中枢站经由卫星传输到VSAT的出主载波采用时分复用(TDM)。网中共有n个VSAT站的数据分组以随机方式发送,进入卫星通道,延迟一些时间后,中枢站接收。中枢站将收到的数据分组进行处理。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.14 典型的

29、VSAT系统第 5 章 卫 星 通 信 网 若无错,便通过广播式的TDM信道认可;若因碰撞或数据分组有错,无响应,则VSAT重发。重发的频数是要限制的,否则将要影响系统的稳定性。一般是在保证一定的比特误码率(BER)的情况下,适当牺牲系统通过量来创造无碰撞环境。例如,在BER=10-7信道条件下,140个字节的数据分组的错误率为10-4,估计10个数据分组存在一次碰撞。这种重发频数,只在系统不超荷运行时,就可使系统稳定工作,且不影响系统通过量。VAST网的容量(RA/TDMA方式下)取决于信道速率、VSAT终端用户发送信息的频数、业务量的大小、时延和竞争信道方式的选择。入主站信道速率受限于固态

30、功放功率(一般为12 W)和天线尺寸(一般为1.21.8 m)。第 5 章 卫 星 通 信 网 入主站信道速率可为32 kb/s、56 kb/s、64 kb/s和128 kb/s,其中64 kb/s可与ISDN兼容。统计表明,在峰值时间,VSAT平均每3分钟发送一次消息。对56 kb/s的RA/TDMA信道,每个VSAT带有一个终端用户,平均发送消息长度为1120 bit/分组时,一般网中可容纳1440个VAST站;若每台VSAT带有四个终端用户,业务情况同上,则网中只能容纳360个VSAT站。若平均发送消息长度为320 bit/分组时,则在每个VSAT站带有一个终端用户时,网中可容5040个

31、VSAT站,每台VSAT带四个终端用户时,网中只能容纳1260个VSAT站。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.15 VSAT网组成 第 5 章 卫 星 通 信 网 5.3.3 5.3.3 第二代第二代VSATVSAT网网1.1.网络拓扑网络拓扑整个网络仍由通信卫星(空间段)、中枢站和许多VSAT站组成,其物理结构如图5.16 所示。它是一个星状网,而其逻辑结构可看成为由一个VSAT经由中枢站与其他VSAT站双跳连接的全网状拓扑。实际上,只要向上对VSAT网的网络层提供这种功能,是可以使VSAT站经过中枢站进行连接的。这样便可在VSAT网中,同时容纳专用网和共享中枢站网(即一些独立的用户群

32、共享一个中枢站,但群间不能互连)。从逻辑拓扑概念上看,专用网中用户群有个逻辑的网状网,VSAT站间皆可相互通信,而网中只有一个专用的中枢站;共享中枢站网中,各独立用户群从逻辑上也认为自己有一个中枢站,尽管中枢站实际上是几个独立用户群共同使用的。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.16 第二代VSAT网 第 5 章 卫 星 通 信 网 网络工作在Ku波段,能提供宽带高速数据通信和综合业务。用户终端(如DTE)可直接连接到VSAT站,亦可通过地面网络连接到VSAT上(当然VSAT要提供网络接口)。各VSAT站采用突发模式进行入主站通信，传输速率为112 kb/s。由于使用了1/2码率的FEC编

33、码,故每一入主站信道能提供56 kb/s的信息速率。出主站信道采用统计复用/时分多路的连续调制。传输速率为256 kb/s(出主站载波的信息速率为256 kb/s)。它与入主站载波的不同之处在于:数据速率高(便于众多的VSAT站在同一公共出主站信道中接收),使用连续调制(降低VSAT数据调制解调成本),VSAT之间通信使用双跳技术(VSATHUBVSAT)。第 5 章 卫 星 通 信 网 VSAT站由天线(1.21.8 m)、室外单元(包括SSPA功放的小型射频设备)、室内单元(包括放大、变频、调制解调、编译码及通信控制等的中频以下通信设备)三部分组成。中枢站包括天线(59 m)、射频设备和基

34、带处理设备。一般采用模块化结构,便于网络扩充和修改。在STARCOM系统中有一备份高速局域网,它将所有备份模块互连起来,在任一模块失效时,进行高速切换,以保证全网通信不中断。空间段为C或Ku波段的同步卫星转发器。为了降低成本,往往都是充分使用转发器功率和频率资源,以使全网能用最少资源获得效益。第 5 章 卫 星 通 信 网 2.2.多址入网协议多址入网协议STARCOM系统采用通报式随机多址(RAN)方式。其主要特点是:中枢站控制全网,对碰撞和出错的分组进行安排,并使系统参数和协议相匹配,这样限制了因碰撞或丢失的数据分组不在随机时隙中重发,而由中枢站分配给预约时隙发送,从而消除了RA/TDMA

35、中出现的信道不稳定区;其次是RAN能灵活地在很宽的业务速率范围内运用。第 5 章 卫 星 通 信 网 在RAN中,数据信道有两种时隙:随机多址时隙(RA)和预约时隙(RES)。碰撞和出错分组的重发不使用RA数据时隙。所有分组的初次传输使用RA时隙。每个VSAT通过一个独立信令信道向中枢站通报在每帧中所发的分组号数。然后,中枢站分配以必要的时隙,供VSAT在未来的某帧中作无竞争的重发。中枢站还监视由VSAT终端发出的业务总速率。根据给定的时延响应要求,中枢站确定RAN协议的系统参数RA时隙和RES时隙数的总和。当业务量等级超过某一容限(每秒分组数)时,中枢站对所有VSAT发出一个指令,由RAN协

36、议转换成全预约协议。当业务量负荷降低到可接收等级后,中枢站发出回复到RAN的转换命令。RAN卫星信道包括信令信道和数据信道两部分。每个信道皆由帧构成,帧由时隙构成,如图5.17所示。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.17 RAN中的两种信道帧结构 第 5 章 卫 星 通 信 网 信令信道,为固定TDMA方式,每个可发信令的VSAT都分配一个固定时隙。时隙长为12字节。数据信道传输所有数据分组。该信道的一帧中会有两种类型的时隙:时隙数为D的随机接入时隙RA和时隙数为R的预约时隙RES。一个数据帧的总时隙数F为 FDR 其中,F、D、R参数由中枢站根据业务特点和性能的需要来确定。第 5 章

37、卫 星 通 信 网 5.3.4 VSAT5.3.4 VSAT网的发展网的发展从应用的角度来看,第三代VSAT向两个方向发展:(1)改进现有VSAT,使其天线更小、成本更低、构成超小型地球站(USAT)。(2)突破大量VSAT与一个或多个主计算机接通的大型中枢站构成的传统网络结构,向点对点话音和数据应用的新一代VSAT方向发展。而且,VSAT网还将与地面通信网连接起来,形成新型VSAT网络。第 5 章 卫 星 通 信 网 1.VSAT1.VSAT的分类及其技术的分类及其技术随着用途的多样化,增加了对多址连接、宽广的动态业务范围处理、复合组网、数据综合和保密性的需要,刺激了VSAT的发展,因此,出

38、现了各种VSAT技术及其网络。按照调制方式、传输速率、用途和成本要求等,VSAT可分成以下五类:(1)非扩谱型VSAT:它工作在Ku波段,不存在与地面系统的干扰和协调问题,故用非扩谱方式的相移键控和自适应带宽连接协议。天线口径为1.21.8 m,可用作高速率双向交互通信。STARCOM系统就属此类。第 5 章 卫 星 通 信 网(2)扩谱型VSAT:它工作于C波段。为使卫星辐射功率通量密度不超过FCC规定,一般采用直序扩谱技术。可供单/双向数据业务通信。(3)扩谱型USAT：其天线口径为2530 cm的超小型地球站。最初用于移动车辆,后用作固定业务通信。通过复杂的的混合扩谱调制和连接技术,可提

39、供双向数据业务。这是目前最小的双向数据通信地球站。第 5 章 卫 星 通 信 网(4)T1和准T1小口径地球站TSAT：其天线口径为1.23.5 m。用于T1和准T1速率的点对点(或其他拓扑)双向综合业务。网中不要求有大型中枢站。(5)电视单收TVSAT:其天线口径为1.82.4 m。用于电视单收及音频、高速数据的传输。第 5 章 卫 星 通 信 网 表表5.1 五类五类VSAT技术概要技术概要 第 5 章 卫 星 通 信 网 由表5.1可知,VSAT的技术特点有:(1)VSAT天线口径范围在3.525 cm之间。使用C波段和Ku波段发展,还将要开发Ka波段。(2)1.21.8 m口径天线、K

40、u波段的VSAT和1.23.5 m口径天线、Ku/C波段的TSAT的出现,使得网中可不设置中枢站,为点对点通信提供了条件。其中TSAT的收/发速率相同,且可以是高速率。第 5 章 卫 星 通 信 网(3)由于要求提供综合业务服务,多址方式的选择应能充分利用卫星资源来传输话音、数据和图像。在以数据传输为主要目标的大型星状VSAT网中(VSAT多于200个),从中枢站到VSAT采用广播时分多路(TDM)接入技术,从VSAT到中枢站,则一般采用S-ALOHA或DA-TDMA技术。对实时话音通信,一般要求传输时延小于400 ms。显然,目前使用的随机多址接入技术很难满足此要求。此外,如果要与地面公用网

41、连接,VSAT的接口和信令必须与公用电话网兼容。第 5 章 卫 星 通 信 网 为此,话音通信的多址方式可有以下几种选择:(1)预分配单路单载波(PA-SCPC)。(2)预分配多路单载波(PA-MCPC)。(3)时分多路(TDM)。(4)时分复用/时分多址(TDM/TDMA)。(5)按需分配单路单载波(DA-SCPC)。第 5 章 卫 星 通 信 网 PA-MCPC适用于小型专用网,各VSAT使用MCPC可进行网络互连,一个载波在两点间构成一条点对点链路上提供综合业务服务,但仍有以上缺点。TDMA(指PA-TDMA)适用于网状网,此系统可进行网状网互连,且选址灵活。缺点是用户容量不大时,也要求

42、满足TDMA几兆比特/秒的速率要求。另外,应用综合业务困难。第 5 章 卫 星 通 信 网 TDM/TDMA用于多于200个VSAT站的星状网来传输综合业务。两个VSAT站间的点对点通信可通过中枢站双跳来实现。出主站为高速TDM载波,入主站为具有自适应不同业务类型接入协议的TDMA(AA-TDMA)。即在一个TDMA帧中分成三段,支持三种不同的接入协议,如S-ALOHA、R-ALOHA、DA-TDMA或采用P-ALOHA、CDMA 等协议。这样既可满足速率相差三个数量级的不同数据业务的需要,同时也可满足传输话音和视频信号的需要。也就是说,可将统计多路复用(分组)和数据传输动态带宽分配,与用于话

43、音信道电路交换带宽分配同时使用。由于使用按需分配的TDMA(DA-TDMA),因此能最大限度地利用中枢站的话音编译码器硬件,提供全网的路由选择。第 5 章 卫 星 通 信 网 图5.18给出一个使用DAMA技术的TDM/TDMA系统的电话交换网，它具有分配拨号功能。中枢站的编译码器可看作是一台具有若干中继端口和许多分机电话用户的小交换机(PBX)。每个VSAT话音端口可编成独特的分机号,而中枢站的中继站则由入局或出局呼叫捕获。这样就为VSAT话音网与公用电话交换网的互连提供了直接拨号能力。此外,所有VSAT话音终端也可经内部交换双跳接续。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.18 使用DAM

44、A技术的TDM/TDMA系统电话交换网 第 5 章 卫 星 通 信 网 2.2.利用利用VSATVSAT实现各种卫星通信网实现各种卫星通信网1)卫星广域网(SWAN)广域网(WAN)由都市网(MAN)和局域网(LAN)互连组成,为局域网中的个人计算机和数据终端用户提供大量通信、计算等信息处理能力。因此,广域网有很大的发展前途。分析研究表明,在局域网中,信息长度、终端效率和用户终端的数据速率相差几个数量级,因而局域网间的业务量变化动态范围很大。这使现有地面公用及专用局域网互连设施难以适应。而卫星广域网(SWAN)覆盖面大,网络灵活性强,且具有业务量自适应带宽连接特性和综合经济性,故对各种局域网互

45、连能提供条件。第 5 章 卫 星 通 信 网 卫星广域网可视为一高速率广域主干网络,能提供可变带宽,有利于远地局域网和都市网的互连。其次,可为用户灵活地选择网络拓扑。SWAN可根据不同要求,提供点对点星状或网状拓扑。图5.19给出了一种可能的SWAN结构。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.19 一种可能的卫星广域网(SWAN)结构 第 5 章 卫 星 通 信 网 2)VSAT网与移动通信相结合系统VSAT网可与传统的移动通信系统相结合,提供单或双向的数据和话音通信业务。这样扩大了移动通信的范围。图5.20是一种可能方案。蜂窝网运营者利用卫星链路将移动局与小区基站连接起来,扩大了服务范围。

46、第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.20 VSAT网与移动通信系统连接方案之一 第 5 章 卫 星 通 信 网 3)利用VSAT卫星通信系统的ISDN根据ISDN的组成,卫星通信系统可作为:(1)ISDN运输网。利用TSAT或更大地球站构成的卫星通信网作为ISDN的运输网(多个交换节点与传输网组成),如图5.21所示。(2)本地网。安装在用户处或其附近的VSAT可提供本地网的功能,并可支持基本接续和初始接续业务。(3)端-端(用户-用户)ISDN业务的运载者。利用高级卫星(ADSAT)和新一代VSAT构成独立的ISDN,取代某一些地面ISDN。图5.22为利用INTELSAT的专用ISDN

47、。第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.21 利用TSAT作为ISDN的运输网 第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.22 利用INTELSAT的专用ISND 第 5 章 卫 星 通 信 网 图 5.23 基于VSAT的多束高级卫星ISND 第 5 章 卫 星 通 信 网 5.4 卫星移动通信网卫星移动通信网MSSN 5.4.1 5.4.1 引言引言MSS是为移动用户提供通信手段的一种卫星通信系统。它包括移动台之间、移动台与固定台之间、移动台或固定台与公用通信网用户之间的通信。根据移动台所处的空间位置,可分成海上移动业务系统(MMSS)、航空移动业务系统(AMSS)和陆地移动业务系统(LM

48、SS)。第 5 章 卫 星 通 信 网 利用卫星的移动通信系统,是从国际海事卫星组织发射的海事静止卫星开始的。国防海事卫星通信系统(INMARSAT)是世界上第一个全球性的卫星移动通信系统,该系统包括覆盖三大洋的三颗卫星、30多个岸站(固定台)和13 000多个船站(移动台)。服务范围由海上发展到空中和陆地。为适应移动通信业务进一步发展的需要,一些发达国家相继开发了自己的新的卫星移动通信系统。第 5 章 卫 星 通 信 网 表表5.2 各种各种BigLEO系统系统 第 5 章 卫 星 通 信 网 与固定业务系统相比,移动业务系统有以下几个技术上的特点值得注意:(1)卫星功率有限与移动台低天线增

49、益之间的矛盾十分突出。(2)电波传播情况复杂,系统处于非高斯信道工作。由于移动台采用低增益弱方向性天线进行移动通信,多径效应和多普勒效应不可避免。(3)众多用户共享有限卫星资源(效率和功率),且每站多为低业务量低速率传输。为了充分有效利用卫星资源,需要选用合适的多址连接方式、信道分配方式,编译码和调制解调方式。(4)移动台的高度机动性要求其小型化。第 5 章 卫 星 通 信 网 卫星移动通信的核心是确保移动用户的正常通信。为此,必须针对上述问题采取如下措施:(1)卫星向覆盖区提供高的有效全向辐射功率(EIRP),以满足大量低值接收系统性能因数(G/T)移动台的需要。(2)采用有效的抗衰落技术,

50、以解决多径效应问题。空间分集、频率分集(毫米波时)、前向纠错和合适的调制解调方法等都是抗衰落的有效措施。(3)选用优良的射频技术,以适应各类移动台结构的要求。这包括采用高效小型天线、高稳定度的频率源和高效功放等。第 5 章 卫 星 通 信 网(4)采用优良的网络管理与控制系统。为了有效利用用户共享的卫星功率频率资源,需要一个高效灵活的网络结构、信道申请与分配方式和地面接口等网管方案。(5)解决空间段与地面段相匹配的优化设计。第 5 章 卫 星 通 信 网 5.4.2 5.4.2 陆地卫星移动通信系统陆地卫星移动通信系统典型的陆地卫星移动通信系统如图5.24所示。它由移动和固定用户通信台、电话交