計算機網絡原理 衛星通信系統

2024年2月18日發(作者：教室作文)

計算機網絡原理 衛星通信系統

衛星通信是航天技術和電子技術相結合而產生的一種重要通信方式。它是在19世紀60年代迅速發展起來的。通常衛星通信是以空間軌道中運行的人造衛星作為中繼站，地球站作為終端站，來實現兩個或者多個地球站之間的長距離大容量的區域性通信及至全球通信。

1．衛星通信

通常，我們把用作通信的衛星叫通信衛星，這種衛星在地球赤道上空約36000公里的軌道上從西向東轉動，方向和速度恰好與地球自轉同步，在地面上看來是靜止不動的，所以又稱同步靜止衛星。它為軍事、政府、私人和商業用戶等消費者提供通信服務，圖12-8所示就為一個典型的衛星微波系統。

衛星發射應答機22000英里地球地面站地面站

圖12-8 典型的衛星微波系統

其實，通信衛星就是太空中的一個微波中繼器，它可以在兩個或多個地球站之間中繼信號，衛星使用的頻率實質上與微波系統相同。衛星中繼器稱為發射機應答器，一個衛星可以有許多發射機應答器。一個衛星系統包括一個或多個衛星空間飛行器、地面控制站，以及為傳輸、接收和處理通過該衛星系統的陸地通信量而提供的地面站用戶網絡。進出衛星的傳輸被分為總線或有效負載。總線包括支持有效負載操作的控制機制。有效負載是實際的用戶信息。

雖然衛星系統的類型很多，但是最流行的系統是用于通信、監視、天氣和導航的系統。通信系統由政府、軍隊和商業通信公司廣泛應用于在全世界各地的用戶之間傳輸語音、數據和視頻信息。天氣和監視衛星主要由政府和軍事機構使用，而導航衛星則幾乎是每個人都會用到的，這包括政府、軍隊、市民和商業公司。

衛星通信系統按照衛星高度一般分為低軌道（LEO）、MEO（中軌道）或地球同步軌道（GEO）衛星。大多數LEO衛星的工作頻率范圍是1.0GHz至2.5GHz。如Motolora公司的基于衛星的移動電話系統Iridium就是一個LEO系統，它使用67個衛星星座在地球表面上大約480英里的軌道上運行。MEO衛星在1.2GHz至1.67GHz的頻段內工作。如美國國防部的基于衛星的全球定位系統NAVSTAR就是一個MEO系統，其星座包括在地球表面上大約9500英里的軌道上運行的21個工作衛星和6個或更多的備用衛星。GEO是高空地球軌道衛星，其工作頻率范圍是2GHz至18GHz，運行軌道在地球表面以上的22300英里處。

另外，衛星通信系統按照其使用的空間軌道位置，還可以分為對地靜止軌道（GEO）和非對地靜止軌道（Non-GEO）；按照其業務提供的范圍可以分為全球衛星通信系統和區域衛

星通信系統，。

與其他通信系統相比，衛星通信具有傳輸距離遠、覆蓋區域大、傳送的業務類型多、通信機制靈活、可靠、不受地理環境條件限制等獨特優點。如拿其覆蓋面積來講，一顆通信衛星可覆蓋地球面積的三分之一多；若在地球赤道上等距離放上三顆衛星，就可以覆蓋整個地球。但衛星通信在技術上也帶來了一些新的問題，如：需要先進的空間和電子技術；需要解決信號傳播時延帶來的影響；要完全實現多地址連接，需要解決多址技術問題；需要保證衛星高穩定和可靠地工作。

以靜止衛星通信系統為例，一個衛星通信系統是由空間分系統、通信地球站、跟蹤遙測及指令分系統和監控管理分系統等四部分組成。空間分系統也就是通信衛星，由溫控、能源、控制、通信、天線、跟蹤、遙測、遙控等系統組成，其中天線和通信稱為衛星的有效載荷，其余組成部分合起來稱為衛星公共艙，為維持有效載荷在空中正常工作起保障作用。通信地球站是衛星通信系統的重要組成部分，由天線、饋線設備、發射設備、接收設備、信道終端設備、電源設備以及監控設備組成。跟蹤遙測及指令分系統的功能是對衛星進行跟蹤測量，控制其準確進入靜止軌道上的指定位置，待衛星正常運行后，要定期對衛星進行軌道修正和位置保持。監控管理分系統的功能是對定點的衛星在業務開通前、后進行通信性能的監測和控制。

在衛星通信中，工作頻段的選擇是很重要的，它直接影響到整個衛星通信系統的通信容量、質量、可靠性設備的復雜程度和成本的高低，還可能影響到與其他通信系統的協調。衛星通信工作頻段的選擇，主要應考慮以下幾個因素：電波可以穿過電離層；傳播損耗和外部附加噪聲應盡可能的小；具有較寬的可用頻帶；合理使用無線頻率資源，以防止各種空間和地面通信業務間的相互干擾；電子技術與器件的發展狀況；現有通信技術設備的利用和配合。衛星通信使用的許多頻段都與陸地微波無線電系統一樣，表12-4列出了衛星系統常用的頻段。

表12-4 衛星無線電頻段

頻段符號

P

J

L

S

C

X

衛星的多路訪問意味著多個用戶可以訪問衛星帶寬分配范圍內的一個或多個發射機應答器。常用的多路訪問體制主要有頻分多路訪問（FDMA）、時分多路訪問（TDMA）和碼分多路訪問（CDMA）。如圖12-9所示就為三種常用的多路訪問布置。

頻率范圍

255~490MHz

350~532MHz

1530~2700MHz

2500~2700MHz

3400~6425MHz

7250~8400MHz

頻段符號

Ku

Kc

K

Q

V

W

頻率范圍

10.95~14.5GMHz

17.7~21.1GMHz

27.5~31GMHz

36~46GMHz

46~56GMHz

56~100GMHz

123衛星系統帶寬4567N一個衛星信道帶寬(1)FDMA一個TDM幀衛星系統11N站時隙一個衛星站時隙 2 TDMA衛星系統帶寬一個衛星信道帶寬站3站41站2站頻率 3 CDMA

圖12-9 多路訪問布置

FDMA中給定的RF帶寬被分成稱為子區的較小頻段，因此，FDMA傳輸在頻域中分開的，所以必須共享發射機應答器的總可用帶寬及其總功率。控制機制在于確保兩個或多個地面站不會同時在一個子區內發射。TDMA是在使用一個公用衛星發射機應答器的衛星網絡內的參與地面站之間時分多路復用數字調制載波的方法。利用TDMA，每個站將在TDMA幀內的特定時隙期間發射一個短的信息脈沖串，脈沖串必須同步，以便每個站的脈沖在不同的時間到達衛星，從而避免與另一個站的載波發生沖突。TDMA傳輸在時域內被分隔開，并且利用TDMA，整個發射應答器帶寬和功率都將用于每個傳輸，但是只能用于預定的時間間隔。CDMA的時間或帶寬沒有任何限制。利用CDMA，所有的地面站都可以在相同的頻段內發射，并且對于所有的實際應用，對它們怎樣發射可使用哪個載波頻率都沒有限制。

2．甚小口徑天線地球站

甚小口徑天線地球站（VSAT，Very Small Aperture Terminal）通信是衛星通信的一種，通常是指終端天線口徑在1.2米至2.8米左右的衛星通信地球站。它是在80年代初期開發出來的一種衛星通信終端設備，并在近些年來得廣泛的發展。

VSAT通信之所以得到發展，除了它本身固有衛星通信的優勢外，它還有以下兩個主要特點：

? VSAT衛星通信地球站設備結構簡單，全固態化，尺寸小，耗能小，系統集成與安裝方便。

VSAT站設備通常只有室內和室外兩個單元（機箱），安裝極為方便，它可以安裝在用戶所在地。大家所熟知的并正在大量使用的衛星電視接收站，實際上就是一種單向（只有接收而無發射）的VSAT站。VSAT站由于設備輕巧、機動性好，適于建立滾動的衛星通信地面站。衛星通信系統是空間站（通信衛星）和地球站及傳輸信道組成。地球站又包括發信系統和地面中繼系統，而VSAT設備能安裝在用戶終端所在地，不必匯接中轉，可直接與通信終端連接，并由用戶自行控制，不再需要中繼系統，這樣大大方便了用戶，且大大降低了設備成本，因而具有明顯的經濟效果。

? VSAT衛星通信組網方式靈活方便，在VSAT系統中，通信網絡結構形式可分為星形

網絡、網狀網絡和混合網絡三類，它們各具特色。

? 星形網絡。它是由一個主站（一般是處于中心城市的樞紐站）和若干個VSAT小站（遠端用戶終端站）組成。主站具有控制功能，它主要負責網絡管理并為各個VSAT小站間信提供傳輸信道和交換功能。一個星形網絡系統可以容納數百個及至上千個小站，網絡內所有小站都與主站建立直接通信鏈路，可直接通過衛星（小站-衛星-主站）溝通聯絡。但小站與小站之間不能直接進行通信，必須經過主站轉接，按“小站-衛星－主站－衛星－小站”方式構成通信鏈路。即小站之間的鏈路是要兩次通過衛星，經過“雙跳”連通，因此具有較大的約0.45秒的傳輸時延。

? 網狀網絡。它同樣由一個主站和若干小站組成，只是小站之間可以按“小站－衛星－小站”通信鏈路實現“單跳”通信，而無須再經過主站轉接。從而將傳輸時延比星形網絡減少一半，只有0.27秒，用戶在通話時還可適應。此時的主站借助于網絡管理系統，負責各各VSAT小站分配信道和監控它們的工作狀態。

? 混合網絡。它是融星形網絡和網狀網絡于一體的網絡，集中各自有利的方式完成鏈接。網中各VSAT小站之間可以不通過主站轉接，而直接進行雙向通信

VSAT通信系統綜合了諸如分組信息的傳輸、交換、多址協議以及頻譜擴展等多種先進通信技術，可進行數據、語音、視頻圖像、圖文傳真和隨機信息等多種信息的傳輸。一般情況下，星形網以數據通信為主，兼容語音業務。網狀網和混合網以語音通信為主，兼容數據傳輸業務。和通常一般的衛星通信一樣，VSAT通信的一個基本優勢是可利用同一個衛星實現多個地球站即VSAT小站之間的同時通信，這稱為“多址聯結”。實現多址聯結的關鍵是各地球站所發信號經過衛星轉發器混合與轉發后，能為相應的對方站所識別，同時各地球站信號之間的干擾要盡量的小些。實現多址聯接的技術基礎是信號的分割。只要各信號之間在某一參量上有差別，如信號頻率不同、信號出現的時間不同，或信號所處的空間不同等等，就可將它們分割開來。為達到此目的，需要采用一定的多址聯接方式。

在VSAT通信系統中，又常因傳輸的業務類別而采用不同的多址聯接方式。比如，在同一個地球站，傳輸語音時采用頻分多址的單路載波方式，傳輸數據時則采用時分多址技術。與多址聯接方式緊密相關的還有一個信道的分配問題，就是怎樣將頻帶、時隙、地址碼等有序地分配給各站使用，稱為信道分配技術。

多址方式的信道分配技術方法很多，在VSAT通信系統中，常采用的有預分配方式和按需分配方式。預分配方式中又有固定預分配方式和按時預分配方式，前者是按事先約定固定分配給每個VSAT站一定數目的載波頻率，VSAT站只能使用分配給它的專用頻率與有關的VSAT站通信，其他站不能占用這些頻率，由于各個VSAT站都有專用的載波頻率，故建立通信較快。但因各VSAT站不管是否工作始終占據著一個載波頻率，也使得頻率利用較低。所以，這種方式適用于業務量大的線路，后者為了提高信道利用率，根據VSAT站不同時間的業務量而提出的預分配方式。

按需分配信道方式也稱按申請分配信道方式，它克服了預分配信道方式的缺點，而是什么時間需要信道，就什么時間申請信道。通信完畢后，信道返還管理與控制中心再行分配使用，這樣便大大提高了利用率。

VSAT通信技術目前已比較成熟，新技術，新產品也在逐步豐富VSAT通信，使其更加完善，運營更加方便。現在，我國的金融銀行業、石油、地震、人防、民航、氣象、新聞、報業及軍事等部門均已建立各自的VSAT通信網，目前已形成VSAT產業應用的市場。

3．低軌道衛星通信系統

低軌道通信衛星系統（LEOS）是指通信衛星的軌道定位高度為500km至1500km的衛

星通信系統。低軌道衛星系統為消費者提供了兩個優點。首先，衛星軌道高度低，使得數據傳輸延時變短，路徑損耗低。第二個優點是蜂窩通信、多址、點波束、頻率復用等技術的發展也為LEOS提供了技術保障。

低軌道衛星通信系統（LEOS），同樣也適用于個人手持機，可提供話音及數據業務。LEOS工作在L頻段。它主要具有以下幾個特點：

? 具有全球或區域覆蓋能力，可以適應未來個人化業務連接需要。

? 利用低軌道或網狀覆蓋傾斜軌道，即可以彌補同步軌道資源的不足，又可以支撐更優良的裝備實施與業務性能的需要

? 通信業務向多樣化、綜合化方向發展，以便與未來多媒體高速信息傳輸相溝通。

? 由于可能與全球個人業務相連接，用戶終端可使用類似或兼容于陸地蜂窩移動系統的蓄電池供電的小型手持機。

? 系統設計及網絡結構可提供進入或組合于現有公用通信網及陸地移動通信網的能力。

? 網絡設計、系統構成、星間協調、星上處理等充分利用現代通信智能化、數字化及多媒體化的最新技術，以技術優勢換取市場競爭和性價比上的優勢。

? 除軌道資源擴充外，對頻率資源也進行了擴充，包括利用或混合利用Ku，Ka甚至EHF等高頻段，以及光頻段開發，以滿足高吞吐量寬帶業務傳輸及饋線鏈路和星際鏈路的構成。

LEOS通常由衛星星座、關口地面站、系統控制中心、網絡控制中心和用戶單元組成。其中，低軌道衛星星座中的衛星數量較多，約為幾十顆，衛星重量小，小LEOS重量僅幾十公斤，大LEOS約幾百公斤。低軌道衛星多采用極軌星狀星座，也有網狀星座的。星狀星座100％覆蓋全球，網狀星座覆蓋全球的絕大部分。

具有代表性的LEOS主要有銥（Iridium）系統、全球星系統（Globalstar）、低軌衛星系統（Leo-Set）、衛星通信網絡（Teledesic）等。