计算机网络原理 卫星通信系统

2024年2月18日发(作者：教室作文)

计算机网络原理 卫星通信系统

卫星通信是航天技术和电子技术相结合而产生的一种重要通信方式。它是在19世纪60年代迅速发展起来的。通常卫星通信是以空间轨道中运行的人造卫星作为中继站，地球站作为终端站，来实现两个或者多个地球站之间的长距离大容量的区域性通信及至全球通信。

1．卫星通信

通常，我们把用作通信的卫星叫通信卫星，这种卫星在地球赤道上空约36000公里的轨道上从西向东转动，方向和速度恰好与地球自转同步，在地面上看来是静止不动的，所以又称同步静止卫星。它为军事、政府、私人和商业用户等消费者提供通信服务，图12-8所示就为一个典型的卫星微波系统。

卫星发射应答机22000英里地球地面站地面站

图12-8 典型的卫星微波系统

其实，通信卫星就是太空中的一个微波中继器，它可以在两个或多个地球站之间中继信号，卫星使用的频率实质上与微波系统相同。卫星中继器称为发射机应答器，一个卫星可以有许多发射机应答器。一个卫星系统包括一个或多个卫星空间飞行器、地面控制站，以及为传输、接收和处理通过该卫星系统的陆地通信量而提供的地面站用户网络。进出卫星的传输被分为总线或有效负载。总线包括支持有效负载操作的控制机制。有效负载是实际的用户信息。

虽然卫星系统的类型很多，但是最流行的系统是用于通信、监视、天气和导航的系统。通信系统由政府、军队和商业通信公司广泛应用于在全世界各地的用户之间传输语音、数据和视频信息。天气和监视卫星主要由政府和军事机构使用，而导航卫星则几乎是每个人都会用到的，这包括政府、军队、市民和商业公司。

卫星通信系统按照卫星高度一般分为低轨道（LEO）、MEO（中轨道）或地球同步轨道（GEO）卫星。大多数LEO卫星的工作频率范围是1.0GHz至2.5GHz。如Motolora公司的基于卫星的移动电话系统Iridium就是一个LEO系统，它使用67个卫星星座在地球表面上大约480英里的轨道上运行。MEO卫星在1.2GHz至1.67GHz的频段内工作。如美国国防部的基于卫星的全球定位系统NAVSTAR就是一个MEO系统，其星座包括在地球表面上大约9500英里的轨道上运行的21个工作卫星和6个或更多的备用卫星。GEO是高空地球轨道卫星，其工作频率范围是2GHz至18GHz，运行轨道在地球表面以上的22300英里处。

另外，卫星通信系统按照其使用的空间轨道位置，还可以分为对地静止轨道（GEO）和非对地静止轨道（Non-GEO）；按照其业务提供的范围可以分为全球卫星通信系统和区域卫

星通信系统，。

与其他通信系统相比，卫星通信具有传输距离远、覆盖区域大、传送的业务类型多、通信机制灵活、可靠、不受地理环境条件限制等独特优点。如拿其覆盖面积来讲，一颗通信卫星可覆盖地球面积的三分之一多；若在地球赤道上等距离放上三颗卫星，就可以覆盖整个地球。但卫星通信在技术上也带来了一些新的问题，如：需要先进的空间和电子技术；需要解决信号传播时延带来的影响；要完全实现多地址连接，需要解决多址技术问题；需要保证卫星高稳定和可靠地工作。

以静止卫星通信系统为例，一个卫星通信系统是由空间分系统、通信地球站、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等四部分组成。空间分系统也就是通信卫星，由温控、能源、控制、通信、天线、跟踪、遥测、遥控等系统组成，其中天线和通信称为卫星的有效载荷，其余组成部分合起来称为卫星公共舱，为维持有效载荷在空中正常工作起保障作用。通信地球站是卫星通信系统的重要组成部分，由天线、馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备、电源设备以及监控设备组成。跟踪遥测及指令分系统的功能是对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入静止轨道上的指定位置，待卫星正常运行后，要定期对卫星进行轨道修正和位置保持。监控管理分系统的功能是对定点的卫星在业务开通前、后进行通信性能的监测和控制。

在卫星通信中，工作频段的选择是很重要的，它直接影响到整个卫星通信系统的通信容量、质量、可靠性设备的复杂程度和成本的高低，还可能影响到与其他通信系统的协调。卫星通信工作频段的选择，主要应考虑以下几个因素：电波可以穿过电离层；传播损耗和外部附加噪声应尽可能的小；具有较宽的可用频带；合理使用无线频率资源，以防止各种空间和地面通信业务间的相互干扰；电子技术与器件的发展状况；现有通信技术设备的利用和配合。卫星通信使用的许多频段都与陆地微波无线电系统一样，表12-4列出了卫星系统常用的频段。

表12-4 卫星无线电频段

频段符号

P

J

L

S

C

X

卫星的多路访问意味着多个用户可以访问卫星带宽分配范围内的一个或多个发射机应答器。常用的多路访问体制主要有频分多路访问（FDMA）、时分多路访问（TDMA）和码分多路访问（CDMA）。如图12-9所示就为三种常用的多路访问布置。

频率范围

255~490MHz

350~532MHz

1530~2700MHz

2500~2700MHz

3400~6425MHz

7250~8400MHz

频段符号

Ku

Kc

K

Q

V

W

频率范围

10.95~14.5GMHz

17.7~21.1GMHz

27.5~31GMHz

36~46GMHz

46~56GMHz

56~100GMHz

123卫星系统带宽4567N一个卫星信道带宽(1)FDMA一个TDM帧卫星系统11N站时隙一个卫星站时隙 2 TDMA卫星系统带宽一个卫星信道带宽站3站41站2站频率 3 CDMA

图12-9 多路访问布置

FDMA中给定的RF带宽被分成称为子区的较小频段，因此，FDMA传输在频域中分开的，所以必须共享发射机应答器的总可用带宽及其总功率。控制机制在于确保两个或多个地面站不会同时在一个子区内发射。TDMA是在使用一个公用卫星发射机应答器的卫星网络内的参与地面站之间时分多路复用数字调制载波的方法。利用TDMA，每个站将在TDMA帧内的特定时隙期间发射一个短的信息脉冲串，脉冲串必须同步，以便每个站的脉冲在不同的时间到达卫星，从而避免与另一个站的载波发生冲突。TDMA传输在时域内被分隔开，并且利用TDMA，整个发射应答器带宽和功率都将用于每个传输，但是只能用于预定的时间间隔。CDMA的时间或带宽没有任何限制。利用CDMA，所有的地面站都可以在相同的频段内发射，并且对于所有的实际应用，对它们怎样发射可使用哪个载波频率都没有限制。

2．甚小口径天线地球站

甚小口径天线地球站（VSAT，Very Small Aperture Terminal）通信是卫星通信的一种，通常是指终端天线口径在1.2米至2.8米左右的卫星通信地球站。它是在80年代初期开发出来的一种卫星通信终端设备，并在近些年来得广泛的发展。

VSAT通信之所以得到发展，除了它本身固有卫星通信的优势外，它还有以下两个主要特点：

 VSAT卫星通信地球站设备结构简单，全固态化，尺寸小，耗能小，系统集成与安装方便。

VSAT站设备通常只有室内和室外两个单元（机箱），安装极为方便，它可以安装在用户所在地。大家所熟知的并正在大量使用的卫星电视接收站，实际上就是一种单向（只有接收而无发射）的VSAT站。VSAT站由于设备轻巧、机动性好，适于建立滚动的卫星通信地面站。卫星通信系统是空间站（通信卫星）和地球站及传输信道组成。地球站又包括发信系统和地面中继系统，而VSAT设备能安装在用户终端所在地，不必汇接中转，可直接与通信终端连接，并由用户自行控制，不再需要中继系统，这样大大方便了用户，且大大降低了设备成本，因而具有明显的经济效果。

 VSAT卫星通信组网方式灵活方便，在VSAT系统中，通信网络结构形式可分为星形

网络、网状网络和混合网络三类，它们各具特色。

 星形网络。它是由一个主站（一般是处于中心城市的枢纽站）和若干个VSAT小站（远端用户终端站）组成。主站具有控制功能，它主要负责网络管理并为各个VSAT小站间信提供传输信道和交换功能。一个星形网络系统可以容纳数百个及至上千个小站，网络内所有小站都与主站建立直接通信链路，可直接通过卫星（小站-卫星-主站）沟通联络。但小站与小站之间不能直接进行通信，必须经过主站转接，按“小站-卫星－主站－卫星－小站”方式构成通信链路。即小站之间的链路是要两次通过卫星，经过“双跳”连通，因此具有较大的约0.45秒的传输时延。

 网状网络。它同样由一个主站和若干小站组成，只是小站之间可以按“小站－卫星－小站”通信链路实现“单跳”通信，而无须再经过主站转接。从而将传输时延比星形网络减少一半，只有0.27秒，用户在通话时还可适应。此时的主站借助于网络管理系统，负责各各VSAT小站分配信道和监控它们的工作状态。

 混合网络。它是融星形网络和网状网络于一体的网络，集中各自有利的方式完成链接。网中各VSAT小站之间可以不通过主站转接，而直接进行双向通信

VSAT通信系统综合了诸如分组信息的传输、交换、多址协议以及频谱扩展等多种先进通信技术，可进行数据、语音、视频图像、图文传真和随机信息等多种信息的传输。一般情况下，星形网以数据通信为主，兼容语音业务。网状网和混合网以语音通信为主，兼容数据传输业务。和通常一般的卫星通信一样，VSAT通信的一个基本优势是可利用同一个卫星实现多个地球站即VSAT小站之间的同时通信，这称为“多址联结”。实现多址联结的关键是各地球站所发信号经过卫星转发器混合与转发后，能为相应的对方站所识别，同时各地球站信号之间的干扰要尽量的小些。实现多址联接的技术基础是信号的分割。只要各信号之间在某一参量上有差别，如信号频率不同、信号出现的时间不同，或信号所处的空间不同等等，就可将它们分割开来。为达到此目的，需要采用一定的多址联接方式。

在VSAT通信系统中，又常因传输的业务类别而采用不同的多址联接方式。比如，在同一个地球站，传输语音时采用频分多址的单路载波方式，传输数据时则采用时分多址技术。与多址联接方式紧密相关的还有一个信道的分配问题，就是怎样将频带、时隙、地址码等有序地分配给各站使用，称为信道分配技术。

多址方式的信道分配技术方法很多，在VSAT通信系统中，常采用的有预分配方式和按需分配方式。预分配方式中又有固定预分配方式和按时预分配方式，前者是按事先约定固定分配给每个VSAT站一定数目的载波频率，VSAT站只能使用分配给它的专用频率与有关的VSAT站通信，其他站不能占用这些频率，由于各个VSAT站都有专用的载波频率，故建立通信较快。但因各VSAT站不管是否工作始终占据着一个载波频率，也使得频率利用较低。所以，这种方式适用于业务量大的线路，后者为了提高信道利用率，根据VSAT站不同时间的业务量而提出的预分配方式。

按需分配信道方式也称按申请分配信道方式，它克服了预分配信道方式的缺点，而是什么时间需要信道，就什么时间申请信道。通信完毕后，信道返还管理与控制中心再行分配使用，这样便大大提高了利用率。

VSAT通信技术目前已比较成熟，新技术，新产品也在逐步丰富VSAT通信，使其更加完善，运营更加方便。现在，我国的金融银行业、石油、地震、人防、民航、气象、新闻、报业及军事等部门均已建立各自的VSAT通信网，目前已形成VSAT产业应用的市场。

3．低轨道卫星通信系统

低轨道通信卫星系统（LEOS）是指通信卫星的轨道定位高度为500km至1500km的卫

星通信系统。低轨道卫星系统为消费者提供了两个优点。首先，卫星轨道高度低，使得数据传输延时变短，路径损耗低。第二个优点是蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术的发展也为LEOS提供了技术保障。

低轨道卫星通信系统（LEOS），同样也适用于个人手持机，可提供话音及数据业务。LEOS工作在L频段。它主要具有以下几个特点：

 具有全球或区域覆盖能力，可以适应未来个人化业务连接需要。

 利用低轨道或网状覆盖倾斜轨道，即可以弥补同步轨道资源的不足，又可以支撑更优良的装备实施与业务性能的需要

 通信业务向多样化、综合化方向发展，以便与未来多媒体高速信息传输相沟通。

 由于可能与全球个人业务相连接，用户终端可使用类似或兼容于陆地蜂窝移动系统的蓄电池供电的小型手持机。

 系统设计及网络结构可提供进入或组合于现有公用通信网及陆地移动通信网的能力。

 网络设计、系统构成、星间协调、星上处理等充分利用现代通信智能化、数字化及多媒体化的最新技术，以技术优势换取市场竞争和性价比上的优势。

 除轨道资源扩充外，对频率资源也进行了扩充，包括利用或混合利用Ku，Ka甚至EHF等高频段，以及光频段开发，以满足高吞吐量宽带业务传输及馈线链路和星际链路的构成。

LEOS通常由卫星星座、关口地面站、系统控制中心、网络控制中心和用户单元组成。其中，低轨道卫星星座中的卫星数量较多，约为几十颗，卫星重量小，小LEOS重量仅几十公斤，大LEOS约几百公斤。低轨道卫星多采用极轨星状星座，也有网状星座的。星状星座100％覆盖全球，网状星座覆盖全球的绝大部分。

具有代表性的LEOS主要有铱（Iridium）系统、全球星系统（Globalstar）、低轨卫星系统（Leo-Set）、卫星通信网络（Teledesic）等。