卫星通信系统设计.docx
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卫星通信系统设计
卫星通信系统
设计方案
[
{
班级：
011241
学号：
01
；
姓名：
一、背景及研究目标
卫星通信
卫星通信简单地说就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信"卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。
卫星通信的特点是:
通信范围大,只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内,从任何两点之间都可进行通信,不易受陆地灾害的影响（可靠性高）;只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）,同时可在多处接收,能经济地实现广播!
多址通信（多址特点）;电路设置非常灵活,可随时分散过于集中的话务量,同一信道可用于不同方向或不同区间（多址联接）。
卫星在空中起中继站的作用,即把地球站发上来的电磁波放大后再反送回另一地球站"地球站则是卫星系统形成的链路"由于静止卫星在赤道上空万千米,它绕地球一周时间恰好与地球自转一周（23小时56分4秒）一致,从地面看上去如同静止不动一样"三颗相距120度的卫星就能覆盖整个赤道圆周"故卫星通信易于实现越洋和洲际通信"。
通信卫星的最大特点就是可以为移动用户之间提供通信服务,具有覆盖区域更广，不受地理障碍约束和用户运动限制等优势,从移动通信卫星的轨道看,目前移动通信卫星的轨道主要有三种:
）
GEO卫星位于地球赤道上空高度为35786km的轨道上,其角速度与地球表面旋转的角速度相同,因此相对地面静止,单颗GEO卫星覆盖范围较广约占地球总面积的1/3）,最大可覆盖纬度±70°以内的区域[1]。
在三种卫星中,GEO卫星距离地球最远,导致其与地面终端之间的通信延时最大,约为250ms,链路损耗也较大。
对于GEO轨道，利用三颗卫星可构成覆盖除地球南、北极区的卫星移动通信系统。
MEO卫星通常位于距离地面高度为10000km～20000km之间的圆形轨道上,其与地面终端之间的通信延时约为120ms,链路损耗也相对较小。
LEO星座系统中的LEO卫星通常位于距离地面高度为500km～2000km之间的圆形轨道上,其与地面终端之间的通信延时最短,约为25ms,链路损耗也最小。
目标
本文中所设计的卫星移动通信系统覆盖目标区域为中国大陆和沿海地区,为便于讨论,将目标区域抽象成圆心在东经105°、北纬30°、地心角为26°的一个圆内,其范围基本包括了中国大陆、领海以及部分周边地区。
通信卫星为GEO同步轨道卫星，采用QPSK调制方式,上行链路为卫星交换的FDMA每载波单路信号的FDMA（SDMA-SCPC-FDMA）,下行链路为卫星交换的TDMA每载波单路信号的FDMA（SDMA-FDMA-MCPC-TDMA）。
.LTE随机接入策略为ALOHA协议。
信道分配为按需分配（DA）方式。
传输协议为IP协议。
该系统设计思路为：
用户终端→信息编码→调制器→上变频器→功率放大器→卫星接收、下变频→解调、路由→上变频、发射→接收机与解调器→用户终端。
2、星座设计
&
星座的覆盖形式
卫星星座的覆盖要求是由星座所要完成的任务来决定的。
根据不同的任务确定不同的覆盖方式，一般说来，星座的覆盖形式可以分为以下四种。
第一种是持续性全球覆盖（ContinuousGlobalCoverage），指对全球不间断连续覆盖；第二种是持续性地带覆盖（ContinuousZonalCoverage），指对特定纬度范围之间的地带进行不间断的连续覆盖；第三种是持续性区域覆盖（ContinuousRegionalCoverage），指对某些区域（如一个国家的版图）进行连续的覆盖；第四种是部分覆盖（PartialorRevisitCoverage），既指覆盖区域为局部区域，同时覆盖的时间也是间断的，这四种覆盖方式见图2-2。
卫星的轨道参数分析
在区域性非静止轨道卫星系统中,区域性系如果采用低轨卫星,则需要的卫星数太多,成本过高。
如果采用高轨卫星,虽然链路损耗略大,但系统设计的仰角高,在复杂环境下带来的不利影响较小;并且系统的切换、控制不像低轨系统那样频繁和复杂,技术风险小;同时,如果采用可控天线,减小波束宽度以提高信号强度,可充分发挥系统的负载能力。
综合考虑多种因素,应采用高轨卫星星座方案。
中高轨卫星就轨道类型而言有圆轨道和椭圆轨道两大类。
对于中国地区较适合采用圆轨道,其倾角可在20°～50°之间。
为实现区域性覆盖,卫星轨道的星下点要能够反复经过该地区,对中国地区区域性覆盖的卫星系统须采用回归轨道。
如果用
表示一个恒星日,一个卫星的运行周期
满足如下条件:
。
式
（1）中,n为整数,表示卫星在一个恒星日内围绕地球运转的圈数,卫星运行的轨道才是回归轨道。
对于高轨卫星,回归轨道可供选择的轨道高度有13000km、10000km以及8000km,对应的周期大约分别为8h、6h和,n分别为3、4、5。
当n为偶数时,星下点的轨迹交点不在赤道上,而在赤道的两边交替出现,交点的个数为2n。
如图1所示,n=4,轨道高度为10000km、周期约为6h、轨道倾角50°的卫星在一个恒星日的星下点的轨迹,该轨道星下点的交点在中国地区中部,覆盖全中国较为适合。
n=2是高度最高的回归轨道,轨道周期为12h,高度为20200km,在地球外辐射带的范围内;n=6或更大的偶数,高度在6500km以下,靠近地球的内辐射带。
较好的轨道是高度为10000km的回归轨道。
当n为奇数时,星下点的轨迹交点在赤道上交点数为n,对于中国的区域覆盖效果较上述n为偶数的差。
n=1的轨道周期为24h,高度约为36000km,卫星同地面相对静止,成为地球同步轨道卫星,其星下点蜕变为一个点,用一颗卫星即可实现以其星下点为中心的区域性覆
盖,信号覆盖能力强,也正因为同步卫星相对地面静止,更容易受到射频武器的攻击和干扰。
为计算连续覆盖中国所需的卫星数,首先要分析相邻两颗卫星之间的协作,用以覆盖特定区域的情况,如图2。
其中:
￥
S1、S2——相邻两颗卫星的星下点。
——一定仰角条件下覆盖区对应的地心角。
——相邻两颗卫星星下点与地心连线夹角的一半。
——覆盖带的半宽度,也就是覆盖通道的地心角宽度的一半。
J——服务区边缘的点,在实际中取距离星下点轨迹最远的点,以使服务区全部在两个圆的并集内。
使用一定高度的卫星组成对中国连续覆盖的星座,其所需要的最少卫星数可以通过式
（2）～式（4）进行估算。
其中:
——所需卫星数。
[
n——卫星在一个恒星日内围绕地球运转的圈数。
——有效覆盖的最小可视仰角。
——卫星离地面的高度。
——地球半径（约等于6378km）。
通过计算可得,对中国区域提供连续覆盖的区域性系统,
取26°,在最小仰角大于5°条件下,高度为10000km时,所需最少卫星数分别为8。
为了覆盖整个中国区域,要适当调整卫星参数,使得整个星座的所有卫星的星下点轨迹重合,当所有卫星的星下点轨迹重合且服务区中心在轨迹上时,服务区能够被很好地覆盖,这时相邻卫星间的配合就可以达到最佳,每颗卫星所在的轨道面的交升点的赤经均匀分布,星座为8轨道面,此星座存在轨道面多机动性不强的问题。
通过仿真研究发现覆盖性能较好的倾斜圆轨道星座,轨道面为2个,轨道倾角为55°,两个轨道平面右旋升节点相对于参考子午线的经度分别为210°及300°,每个轨道平面内4颗卫星均匀分布,初始相角为90°;两轨道平面间卫星初始相差为0°,此星座轨道面少机动性较好。
三、通信体制
-
所谓卫星通信体制,是指一个卫星通信网,为了获得最佳效率及最小的信息传输失真所采用的一定信号传输方式及一定的信号交换方式。
卫星通信体制的确定,关系到全网的具体组成和全网的使用效率与性能。
在卫星通信体制中,传输摸拟信号的称为模拟卫星通信系统;传输数字信号的称为数字
卫星通信系统;既传输模拟信号,又传输数字信号的称为数模兼容卫星通信系统。
不管是哪
一种体制,为了提高卫星通信网效率、减少信号传输所产生的失真或差错于都要对信号作一
番处理安排。
这一般包括下述几方面内容:
1.多路复用基带处理
卫星基带信道的多路复用是在低频上进行的。
它把许多正交分隔的信号合并成~个单一的基带信号。
正交分隔复用通常采用频分复用（FDM）、时分复用（TDM）和码分复用（CDM）等方式。
一般在基带状态,还要对基带信号进行某些加工,如预（去）加重、加（解）密、差错控制编（解）码及加数字话音内插措施等,以提高传输性能和抗干扰能力。
2.调制与解调
$
调机是把待传送的基带信号的频带设法搬移到射频信道上,以便进行有效的传输;解调是从射频、信道中提取基带信号,作与调制相反的变换。
调制解调一般是在中频上进行的。
卫星通信最早使用调频制（FM）;1972年前后开始在SPADE申.系统中采用调相制（PM）,·从此卫星通信进人了数字化时代。
3.多址联接与信道分配
多址联接是卫星通信的一大特色,也是卫星通信体制一中的重点问题之一。
它是在卫星射频信道上解决信号的合与分的一种多路复用技术。
它使卫星网中的许多地球站,可以通过共用的通信卫星信道,同时建立各自所需的双工通信信道,同时实现多址之间的直接的双工井
联而无需中间转接。
它的信号来自不同的站址,在每个站只发一个射频载波的情况下,它的区分信号和区分地址是一致的。
若一个站发送几个射频载波,则区分信号与区分地址并不完全一致。
这时把发射一个载波资源看成一个单元，又称多址联接为多元链接或多元续借。
多址联接一般有频分多址、码分多址、时分多址、空分多址方式。
多址联接技术显著提高了卫星通信的效用和灵活的自适应能力。
卫星通信中调制解调方式（QPSK）
调频制的卫星电路一定要保证其解调器工作在门限点以上3~4dB,以保证正常接收。
为了降低解调器的门限点,提高卫星功率利用率,采用了门限扩展解调器。
事实证明,门限扩展解调器在窄带时的门限扩展比宽带时有效、明显。
例如,24路电话门限扩展解调器的门限比普通的解调器的低4~6dB。
宽带的电视门限扩展解调器最多能扩展2~3dB。
若扩展3dB,卫星功率利用率就可提高一倍。
因此,调频解调器性能对卫星系统的影响很大。
在卫星数字通信中,最常用的是PSK。
其中又以QPSK占主导地位。
因为在同样信道情况下,QPSK的比特传输速率比2ΦPsK的高一倍。
由于QPSK是两个彼此正交的2ΦPSK信号组成的,此两个2ΦPSK中噪声是独立的,因此QPSK与2ΦPSK性能近似相同,在相同的误码率下,所需的
近似相同,而QPSK所需的带宽仅为2ΦPSK的一半;且实现也不难。
当PSK的相位数大于8以后,在同一误码率下,带宽虽可进一步节约,但所需卫星功率急剧增加,且实现的难度也增加。
已不适于卫星电路传输。
|
卫星通信的多址联接方式
多址联接方式的种类繁多,各有各的特性和用途。
下面对本系统所需的3种多址联接方式作一一简介。
频分多址联接
频分多址是把卫星转发器的频带按射频信号所需的带宽,分割成许多具有一定宽度而又互不重叠的频隙,各地球站上行线可预先分配一个频隙,也可按需要临时申请频隙来发送信号;接收地球站挤收卫星所有须隙,并用射须或中频滤波器选出所需要的频隙。
频分多址联接示意图如图1所示。
卫星频带收、发各占500MHz:
各分成N个大小不同的频隙给N个地球站使用,如A地球站分到
频隙,它发给其他地球站的信号,所组成的基带就载在
上,发向卫星;卫星将
转换成下行线频隙
其他地球站都接收到
信号,各从
信号中取出发给本站的信号。
以此类推就实现了多址联接通信。
卫星频带的分割一般是先按一定的带宽（如80、40MHz等）划分成转发器带宽;然后根据需要把每个转发器带宽再分割成不同的载波带宽。
对4/6GH:
z频段的500MHz卫星带宽,一般是分割成12个转发器带宽。
采用极化频率再用技术的卫星,4/6GHz频段的两个正交极化波各占500MHz带宽,共可分为24个转发器带宽。
按上述分割,每个转发器约有如40MHz,扣除保护带宽后,可用带宽约为36MHz。
每个转发器有两种分割方法,一是按群路信号所需要的带宽来分割;一是按单个话路所需要的载波带宽来分割。
（
时分多址
时分多址方式,是用不同的时隙来区分各地球站的地址、其联接示意图如图4（a）所示。
把卫星的通信时间分隔成互不重叠的周期相同的时隙,称为帧;将每个帧分为互不重叠的一
个个小时隙,称为分帧。
帧结构示意图如图4（b）所示。
由（a）图可见,每个地球站上行线
指配以一个小时隙,各地球站载波信号采用相同的频率,在定时同步系统的控制下,按照所
指配的小时隙,依次地进人卫星;接收地球站接收所有的时隙信号,用选通器选出所需要的
》
脉冲群信号。
时分多址方式,在任何一个瞬间,只有一个地球站的载波通过卫星,卫星行波管可工作于接近饱和状态不致产生交调·这不但能充分利用卫星功率,还可利用行波管的硬限幅特性,使各下行载波强度相等,因此对各地球站发射信号电平稳定度要求并不如FDMA严格。
时分多址方式的关键问题,是如何充分利用时间。
现分两点来说明:
（1）各个地球站所占有的时隙,既不能重叠,又不能间隔太大。
时隙排得一个紧挨一个,可以减少时间损朱;但可能会引起前后时隙的重叠。
因为从地球站到卫星之间距离很远,而且各站与卫星的距离各不相等,所以各分帧到达卫星的时间也不一样,可有的差别。
如不采取措施,有可能前后两个分帧相互重叠、进而产生干扰。
因此,时分多址方式分帧之间必须有一定的保护时隙,另外,每个分帧均有一个不直接用于通信的报头时隙,系统中地球站越多,一帧中保护时隙和报头时隙所占的时间也越多,这些时隙的存在,不但使帧效率降低,而且会使卫星功率得不到利用,造成卫星功率损失。
（2）为了防止分帧进入卫星时重叠,时分多址方式必须采取严格的网定时和比特同步的技术措施。
这样系统的结构就比较复杂,技术难度也较大。
同时,由于定时同步脉冲占有一定的时隙和卫星的功率,也降低了TDMA方式的系统效率。
时分多址方式适用于数字卫星通信系统。
、空分多址
空分多址联接是以空间正交性来分割地球站信号的。
每一个地球站上行线分配一个空
隙,以相同的频率在任何时间向同一颗卫星发射信号;卫星用不同的天线和转发器接收放大和转发这些信号;各接收地球站则接收各自的空隙信号。
空分多址只在有特大业务量的地球站之间使用。
但它与频分多址或时分多址及星上交换（ss）,一可组成非常灵活有效的卫星通信多址联接方式。
基于上述描述，我们采用如下多址方式。
、
1）上行链路:
卫星交换的FDMA每载波单路信号的FDMA（SDMA-SCPC-FDMA）
在终端每路信号进行调制变频放大后以一条独立载波发送出去，卫星接收信号进行处理交换，直接发送信息给被呼叫用户。
在SS-FDMA系统中，通常存在多个上行链路波束和多个下行链路波束，没个波束内均采用FDMA方式，各波束使用相同的频带（空分多址）。
在卫星通信过程中，其上行链路载波必须处于某个特定的频率上，以便转发器能根据其载波频率选路到相应的下行链路波束上，即在SS-FDMA方式中，载波频率与需要去往的上下行链路波束之间有特定的对应关系，转发器可以根据对应关系实现不同波束内FDMA载波之间的转换。
上图给出了SS-FDMA卫星转发器框图，图中上行链路下行链路均只有三个波束为例。
对于SS-FDMA来说，每个上行链路载波在星上都有一个滤波器与之对应。
去往某个下行链路的上行链路载波都必须在星上被选路到覆盖该接收地球站的下行链路波束。
在任一波束中的每条上行链路在任何时候都可以连接到任一波束中任何下行链路。
除了可以实现空分频率复用外，SS-FDMA通过在星上增加增益调整，还可以对同一波束内所有的下行链路进行功率控制，从而避免大波束抑制小波束现象。
2）下行链路:
卫星交换的TDMA每载波单路信号的FDMA
（SDMA-FDMA-MCPC-TDMA）
如果上行链路和下行链路同时使用FDMA的话，由于卫星非线性的增益放大，系统之间会产生非常严重的交调干扰，极端情况下会使得系统崩溃。
所以在下行链路，我们采用多载波的TDMA。
这样就可以极大地减少载波之间的交调干扰。
配给各地球站的是特定的时隙，而不是特定的频带，因而每个地球站必须在分配给自己的时隙中用相同的载波频率向卫星发射信号，而不同时隙进入卫星转发器的信号，按时间顺序排列起来，时隙的排列既紧凑又不重叠。
覆盖在卫星波束中的每个地球站都能接收到由转发器转发来的全部射频脉冲（或突发）信号，并从中提取出各站所需的业务脉冲列。
TDMA决不会出现互调和大载波抑制小载波的现象，从而可使卫星的功放工作在饱和区，能够获得到最大的卫星输出功率。
—
四、信道的申请及信道分配
目前，基于卫星的空间段通信部分和日益完善的地面段通信部分组成了一个完整的复
杂混和体系结构，如图4所示。
从图可以看出，卫星移动通信网络结构较为复杂，直接将LTE技术用于整个系统架构
并不切合实际，考虑到终端与卫星之间通信的特殊性，本节的研究为图4中红色框图部分。
由于卫星通信环境和地面通信环境的差异，将LTE技术引入到卫星移动通信系统中必须要考虑到新系统的上行接入技术的适应性问题，例如卫星信道的大延迟和各种衰落。
首先，在卫星轨道选择方面，我们主要考虑GEO卫星信道，GEO卫星通信系统具备
￥
系统构成简单而且易于建设等优点。
其次，考虑到卫星链路传播时延、自由空间损耗、附
加衰减等问题，采用Ka波段的卫星通信系统，最后结合LTE系统讨论将LTE技术引入到卫星通信系统中的适应性：
如GEO信道的大时延特性、自由空间损耗、附加衰减等，需要对随机接入帧的导频、保护间隔、上行同步技术以及功率控制技术作相应的解决方案。
以上卫星通信的特征是约束卫星通信中引入LTE技术主要因素，在此基础上参考卫星
通信系统中引入3G技术所采用的系统模型和LTE网络架构，给出本文的基于LTE
的GEO卫星通信系统的网络系统架构模型，如图5所示。
其中，GeNB为信关节点B（GeNB,Gateway-stationeNodeB）。
由图可以看出，该网络
架构主要由核心网和接入网组成。
核心网中有较多节点连接，而接入网只有终端一个接入
节点。
本文研究是基于接入网中的终端和卫星之间的接口，继而对其上行接入技术展开研
'
究。
下面讨论卫星信道特性及LTE系统下的随机接入技术、上行同步技术和功率控制技术
的理论基础。
上下行接入相关技术分析
上下行随机接入
接入技术实质上是一种信道共享技术，它规定了用户按照一定的协议来发送数据，使网络内的所有用户均可自由接入网络，但同时不可避免的引入了网络内不同用户的信息碰撞，继而导致信息的丢失和重发，因此碰撞是导致性能下降的主要因素。
随机接入过程需要基站和终端的协作下共同完成，基站的主要工作就是接收来自不同终端的前导信息和接入信息，终端的主要工作就是发送前导信息和随机接入信息。
终端需要不断的发送前导直到收到基站的确认信息为止，在发送前导的过程中，终端需要定时增加发送功率来提高接入成功的可能性。
基站对来自终端的在目标信号干扰比（SIR,SignaltoInterferenceRatio）门限以上的接收信号发送确认信息给终端。
目标SIR主要通过系统消息获得。
通常考察随机接入性能的主要指标是吞吐量、时延和接入成功概率。
常用的随机接入协议包括：
ALOHA、树形多址和预约时隙协议等，LTE系统的随机接入协议是采用基于资源预留的时隙ALOHA协议，下面对LTE系统的随机接入和卫星通信系统的多址接入进行探讨，并分析了LTE系统的随机接入引入到卫星通信系统中存在的问题及难点。
随机接入策略分析（基于资源预留的时隙ALOHA方式协议）
LTE是传统3G系统的演进系统，LTE的随机接入继承了传统3G系统的部分功能，同时也存在一些区别。
LTE的上行采用的是基于单载波频分多址（SDMA-SCPC-FDMA）的传输技术，下行采用的是TDMA每载波单路信号的FDMATDMA每载波单路信号的FDMA（SDMA-FDMA-MCPC-TDMA）的传输技术：
而传统的3G系统都
~
是基于码分多址（CDMA,CodeDivisionMultipleAccess）的传输技术。
在LTE系统中，随机
接入是一个基本功能，终端用户只有通过随机接入过程，与系统的上行同步以后，才能够
被系统调度来进行上行的传输。
具体的功能是实现用户设备（UE,UserEquipment）和网络的
同步，解决冲突，分配资源和上行通信资源的分配。
LTE系统的随机接入协议采用基于资
源预留的时隙ALOHA方式协议，即用户是先申请后调度接入。
ALOHA（AdditiveLink
On-lineHawaiisystem）是最早提出的随机接入协议，其工作原理如图6所示。
每个站均可以自由地发送数据帧，如果不同站之间的数据帧有部分的重复，则冲突发生，所有冲突的数据需要重新发送。
重发的策略是让各站等待一段随机的时间后，再重新发送数据。
ALOHA的吞吐率和负载的关系为：
【
如图6所示：
当负载G=时，可达到理论最大吞吐率S=。
当G=时，吞吐率随着网络负载增加而减小，这段区域称为不稳定区域。
当用户1发送帧1时，其他用户都未发送数据，所以用户1的发送必定成功。
这里不考虑由信道不良而产生的误码。
但随后用户2和用户3发送的帧2和帧3在时间上重叠了一些，也就是产生了“碰撞”。
碰撞的结果是使碰撞的双方（有时也有可能是多方）所发送的数据都出现差错，因而都必须进行重传。
但是发生碰撞的各方不能马上进行重传，因为这样做就必然会继续产生碰撞。
ALOHA系统采用的差错策略是让各用户等待一段随机的时间，然后再进行重传。
如果再发生碰撞，则需要再等待一段随机的时间，直到重传成功为止。
从图中可以看出，一个帧如欲发送成功，必须在该帧发送时刻之前和之后各一段时间（长度为帧的时长）内，没有其他帧的发送，否则就必产生碰撞而导致发送失败。
ALOHA的吞吐率和负载的关系为
，当负载G=时，S==。
这是吞吐量S可能达到的极大值。
纯ALOHA协议的效率比较低，由于可能发生碰撞的时期为两个帧长，碰撞很容易发生。
为提高ALOHA系统的吞吐量，可以将所有用户在时间上都同步起来，并将时间划分为一段段等长的时隙（slot）T0，同时规定，只能在每个时隙开始时才能发送一个帧。
这样
的ALOHA系统叫做时隙ALOHA或S-ALOHA。
其工作原理如图7所示。
:
从图7可以看出，每一个帧在到达后，一般都要在缓存中等待一段时间（这时间小于
Tslot），然后才能发送出去。
当在一个时隙内有两个或两个以上的帧到达时，则在下一个时
隙将产生碰撞。
碰撞后重传的策略与纯ALOHA的情况相似。
时隙ALOHA的吞吐率和负
载的关系为
，当负载为N=1时，时隙ALOHA可以达到理论最大吞吐率S=。
LTE随机接入可分为基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入。
LTE中初始的随
机接入过程，是一种基于竞争的接入过程。
基于竞争的随接入流程可分为4个步骤：
（1）：
前导序列传输
、
（2）：
随机接入响应
（3）：
MSG3发送
（4）：
冲突解决消息
所谓MSG3，其实就是第三条消息，因为在随机接入过程中，这些消息的内容不固定，有时候可能携带的是RRC的连接请求，有时候可能会带一些控制信息
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