《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2