卫星通信关键技术研究.docx

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卫星通信关键技术研究

卫星通信关键技术研究

小组成员：

冉文，李鹏翔，杨亚飞

小组分工：

冉文（学号：

150********015）：

程序审查，论文校订

李鹏翔（学号：

150********008）：

收集资料，编辑文献，结果分析

杨亚飞（学号：

150********023）：

仿真程序设计

专业：

电子与通信工程

引言

卫星通信系统具有覆盖范围广、受地理环境因素影响小等特点,从而使得卫星通信成为当前通信领域中迅速发展的研宄方向和现代信息交换强有力的手段之一。

目前,下一代卫星通信网络正朝着更高速率、更大带宽的方向发展,其与地面通信网络联合组成全球无缝覆盖的信息交换网络。

随着空间通信技术的飞速发展和业务需求的急速增长,有限的无线资源与多媒体业务不断提高的QoS要求之间的矛盾曰益尖锐,使得设计可以支持高速、高质量多媒体传输的资源管理策略成为当前空间通信领域关注的重点。

同时,卫星组网技术直接关系到卫星网络能否实现全球覆盖以及卫星网络的可扩展性问题,是卫星通信系统研宂中的关键问题。

相应的,路由协议、链路切换等都要针对卫星网络的特点重新设计,以星上路由交换为核心的新型卫星通信系统是空间通信领域的另一个研究重点。

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。

它是微波通信和航天技术基础上发展起来的一门新兴的无线通信技术，所使用的无线电波频率为微波频段（300MHz～300GHz，即波段lm～1min）。

这种利用人造地球卫星在地球站之间进行通信的通信系统，则称为卫星通信系统，而把用于现实通信目的的人造卫星称为通信卫星，其作用相当于离地面很高的中继站，因此，可以认为卫星通信是地面微波中继通信的继承和发展，是微波接力通向太空的延伸。

卫星通信是空间通信的一种形式，它主要包括卫星固定通信、卫星移动通信和卫星直接广播三大领域。

由于卫星通信具有覆盖面大、频带宽、容量大、适用于多种业务、性能稳定可靠、机动灵活、不受地理条件限制、成本与通信距离无关等优点。

多年来，它在国际通信、国内通信、军事通信、移动通信和广播电视等领域得到了广泛应用。

下面我们就从卫星通信的发展简史、现状、趋势等方面对卫星通信进行概括和综述。

摘要

本文从分析卫星通信的特点入手，综述了卫星通信的主要相关技术的发展状况，概述了典型的卫星通信系统的性能特点并给出了卫星衰落信道的模型，进行了MATLAB仿真，介绍了卫星通信的应用及产业化发展情况，并展望了发展前景。

移动性管理是LEO（低轨卫星（lowearthorbit））卫星网络通信系统中的一个重要问题.提出了LEO网络中一种改进的基于移动的位置更新和寻呼方案.在这种方法中我们引入了“元小区”概念,它由两个相邻波束组成.首先阐述了基于“元小区”模型的位置管理策略,然后推导了基于移动的动态位置管理的数学模型,并利用该模型分别计算了LEO网络中单位呼叫的位置更新和寻呼代价.通过元小区方案和普通小区的在各种网络参数环境下的性能比较证明了“元小区”方法的有效性和健壮性.最后为了进一步减小“元小区”方法中的寻呼代价,提出了强制更新策略,它强制移动终端在穿越两颗卫星覆盖区的边界时进行位置更新操作.

关键词:

卫星通信；位置管理；终端寻呼；元小区；位置更新；移动卫星通信；星上处理；星上交换；多波束天线；蜂窝网卫星系统

Abstract

Afteranalyzingthecharacteristicsofsatellitecommunications,thedevelopingstatusofcommunicationsatelliteplatform,availablefrequencyresource,aswellastherelatedkeytechniquesaresummarized.Throughintroducingsometypicalsatellitecommunicationssystems,werepresentedtheapplicationsandindustrializationofsatellitecommunications,andfurthermoreshowsthebrightprospects.

MobilitymanagementisanimportantaspectinLEO（lowearthorbit）systems.Interrestrialwirelessnetworks,themovementoftheusertriggerslocationupdatinganddeterminesthepagingscheme,whileinLEOsatellitesystems,thelocationupdatingandpagingismainlybasedonthemovementofsatellite.TerrestriallocationmanagementtechniquesmustbealteredtofittheLEOsystems.Thispaperintroducesamodifiedmovement-basedlocationupdatingandpagingschemeinLEOnetworks.Inthisschemethemeta-cellconceptisproposedwhichincludestwospot-beamsofonesatellite.Firstthelocationmanagementschemebasedonthearchitecturewithmeta-celllocationareaispresented.Thenananalyticalmodelisappliedtoformulatethecostoflocationupdatingandpagingforthemovementmeta-cellbaseddynamiclocationupdatingscheme.Thecomparisonofperformancebetweenthemeta-cellarchitecturemethodandtheconventionalsignal-spot-cellarchitecturemethodisprovidedtodemonstratethecost-effectivenessandrobustnessoftheproposedschemeundervariousparameters.Toreducetheimpactofmeta-cellarchitectureonthelocationpagingcost,aforcedlocationupdatingstrategyispresentedwhichisusedinthecasesthatthemeta-cellincludesthetwospot-beamsfromdifferentsatellites。

Keywords:

satellitecommunications;mobilesatellitecommunications;onboardprocessing;onboardswitching;multi-beamantenna;cellularsatellitesystem

第一章卫星通信综述

1965年美国发射第一颗商用通信卫星以来，卫星通信技术及其应用取得了令人瞩目的巨大成就。

它实现了覆盖全球丰富多彩的通信服务，不仅在军事中发挥了关键性作用，也对人类的生产、生活方式产生了巨大影响。

与微波中继通信及其他通信方式相比，卫星通信主要具有以下特点。

（1）通信覆盖区域大，通信距离远：

地球同步轨道（GEO）卫星距地面高度35860km，只需一个卫星中继转发，就能实现1万多公里的远距离通信；每一颗卫星可覆盖全球表面的42.4％，用3颗GEO卫星就可以覆盖除两极纬度76°以上地区以外的全球表面及临地空间；如图1所示。

（2）可将其广播性与各种多址连接技术相结合构成庞大的通信网：

在一颗卫星所覆盖的区域内，不必依赖显式的交换，只需利用卫星中继传输和多址/复用技术就能构成拥有许多地面用户的大型通信网。

（3）机动灵活：

卫星通信的建立不受地理条件的限制，无论是大城市还是边远山区、岛屿，随地可建；通信终端也可由飞机、汽车、舰船搭载，甚至个人随身携带；建站迅速，组网灵活。

（4）通信频带宽、通信容量大：

卫星通信信道处于微波频率范围，频率资源相当丰富，并可不断发展。

（5）信道质量好、传输性能稳定：

卫星通信链路一般都是自由空间传播的视距通信，传输损耗很稳定而可准确预算，多径效应一般都可忽略不计，除非是采用很低增益天线的移动通信或个人通信终端。

（6）通信设备的成本不随通信距离增加而增加，因而特别适于远距离以及人类活动稀少地区的通信。

卫星通信也存在一些缺点和一些应该而且可以逐步改进的方面，这主要有以下几点。

1）卫星发射和星上通信载荷的成本高：

星上元器件必须采用抗强辐射的宇航级器件，而且LEO、GEO卫星的寿命一般分别只有8年、15年左右。

2）卫星链路传输衰减很大：

这就要求地面和星上的通信设备具有大功率发射机、高灵敏度接收机和高增益天线。

3）卫星链路传输时延大：

GEO卫星与地面之间往返传输时间为239~278ms；在基于中心站的星形网系统中，小站之间进行话音通信必须经双跳链路，那么传输时延达到0.5s，对话过程就会感到不顺畅，而且如果没有良好的回音抑制措施，就会因二-四线制转换引起的回波干扰而使话音质量显著下降。

基于卫星通信的特点及其重要作用，本文将从卫星通信的可用频率资源、卫星平台、主要关键技术、典型的卫星通信系统、卫星通信应用和产业化发展等方面进行介绍，综述发展现状，展望发展前景。

第二章卫星通信若干关键技术及其发展现状

2.1调制解调技术

卫星通信中最常用的调制方式是QPSK、OQPSK和π/4DQPSK等，近年来，高速数据传输的需求与转发器资源紧缺推动了8PSK、16APSK、16QAM等高阶调制方式的研究与应用。

其中APSK调制因其星座中所含幅度和相位信息是变量可分离的，可以采用简单的预失真法进行幅度非线性矫正而不影响相位特性，使之在透明转发这种高阶调制信号时的功率效率不明显降低。

因此，APSK调制在卫星电视广播中得到应用，在卫星宽带移动通信中也有很好的应用前景。

格形编码调制（TCM,trelliscodingmodulation）在原理上是一种很好的体制；它将信道编码与调制融合在一起，因而几乎不付出频带效率和功率效率降低的代价，就能获得5dB左右的编码增益。

TCM调制用于卫星通信的国际标准早已经形成，但因其译码复杂度较高，而且不大便于再级联外码以进一步降低误码率，因此应用并不广泛。

遥感数据传输和大容量宽带卫星通信中对于高速调制解调技术有迫切需求，目前我国基于FPGA并行实现的高速调制解调已达到1.5Gbit/s，已接近国际先进水平。

这个速率基本上能满足通信卫星馈送链路高速数据传输的要求。

正交频分复用（OFDM）技术作为一种多载波调制方式，由于其抗多径衰落能力强而在地面蜂窝网第四代（4G）、第五代（5G）移动通信中成为不可或缺的技术，因此人们一直想将其广泛应用于卫星移动通信中。

值得注意的是，OFDM本来是不大适于卫星下行链路这种功率严重受限的场合，因为其峰平功率比（PAPR）高，在功放非线性条件下容易产生多载波互调干扰而使链路特性变差。

虽已研究出多种方法来克服这个缺点，但没有一种办法是不需付出巨大代价就能完全解决这个问题的，不是频带效率显著降低，就是计算复杂度很高。

但是，确有一些卫星通信或广播系统的下行链路采用了OFDM体制。

IPSTAR-I在60MHz带宽下行链路中采用层叠在OFDM上的TDM技术，其目的是为了扩大复接信号的路数，而非抗多径衰落；因为其Ku频段小站天线口径为0.75~1.8m，波束主瓣只有1o~2.3o，周围环境的反射波很难进入天线主瓣，因而多径效应可忽略不计。

我们应当看到如此应用OFDM技术，会使其链路信噪比产生明显损失。

对于基于多波束天线的GEO或LEO卫星宽带移动通信或广播系统而言，因其多径衰落非常严重，目前下行链路不得不采用OFDM体制。

其移动式终端的天线增益很低，例如，L或S频段天线的增益一般只有2~3dB，这种半球波束天线可接收到的多径信号分量多，多径衰落非常严重，采用OFDM技术有其合理性。

事实上在卫星与地面基站相结合的移动数字电视广播系统中已成功应用OFDM，并已形成了国际标准和我国国家标准。

然而卫星下行链路功率受限问题远比地面移动通信基站严重，驱动多波束卫星天线的功放非线性问题更加严重。

加之OFDM系统抗多径衰落效益的发挥有赖于信道信息反馈，而卫星链路时延大，不能及时利用信道信息反馈对各子信道的信息速率和发射功率进行自适应调整。

总之，卫星下行链路采用OFDM体制只是当前的无奈之举，而非理想的选择，我们很有必要探索出一种新的传输方式来取代它，因为其中约有30%左右的频带效率和10dB左右的链路信噪比增益的潜力是有可能挖掘出来的。

2.2纠错编码技术

各种通信业务信息传输的误比特率（BER,biterrorrate）都有最高限度要求，例如：

声码话BER为10−3，视频通信BER为10−4，一般数据通信BER为10−6或10−7，无特殊措施的ATM（asyschronioustransfermode）或IP（Internetprotocol）数据传输BER为10−10，深空通信中某些数据传输BER为10−14。

当然一般系统不会设计为在传输和解调后所得数据的BER就能达到上述要求，因为这需要很高的链路信噪比，严重浪费发射功率。

而采用纠错编码（即信道编码）技术与调制相结合，只需付出很小的频带效率代价就能使BER降低若干个数量级。

相应地达到指定BER要求的链路信噪比就可降低几dB，甚至十几dB，也就是可获得相应的编码增益。

在卫星通信的前期发展中，使用最为广泛的信道编码是由卷积码作为内码、RS码作为外码的串行级联码。

这是因为卷积码实现简单、译码门限较低，而RS码的译码复杂度低，在输入信息误码率较高时能获得较高的编码增益，例如，3/4卷积码与RS编码级联情况下在达到BER=10−7时可获得5.2dB编码增益。

并行级联形式的Turbo码[17]和低密度奇偶效验码（LDPC）[18]是目前2种最先进的信道编码算法，自90年代发展起来并推广应用之后，很快在地面移动通信等场合得到了很好应用。

两者均有2个突出特点：

一是都结合了比特交织技术，能有效地纠正突发错误，而多径衰落信道等场合正是容易出现突发性错误；其二是它们的译码门限比卷积码更低，而且能在较高的码率下获得较大的编码增益。

这就是说它们能使整个系统的传输特性以较高的频带效率和功率效率逼近香农容量限。

例如，对于QPSK调制采用码率为0.793的Turbo码在BER达到10−7时，比采用RS、卷积码串行级联码的编码增益高1.6dB。

IPSTAR-1系统的前向链路采用Turbo码、Inmarsat系统也将Turbo码作为高速数据传输系统的核心技术。

与Turbo码相比，LDPC码具有编解码简单、码长可以较短、编译码效果更易逼近香农限，因而已成为当前卫星通信中信道编码的首选，特别是宽带移动通信。

例如，对于BPSK调制采用1/2码率、107块长的LDPC码在BER达到10−6时所需Eb/N0值为0.04dB，已非常逼近频带效率为1bit/s/Hz时的香农限0dB[20]。

目前，已用FPGA实现的LDPC编译码器，最高信息速率可达到10Gbit/s[21,22]，可满足高速调制解调的需求。

对于大尺度衰落信道，例如存在降雨衰落情况下的Ka频段信道，采用自适应编码调制（ACM,adaptivecodingmodulation）可使信道传输效率最大化[23,24]。

发送端在保持发送的符号速率和功率不变的情况下，根据接收方反馈回来的Eb/N0估值，自动选择最佳的调制方式和编码码率进行发送，可以高效地将链路余量，例如，Ka频段的雨衰余量，转化为数据传输吞吐量，同时也可避免了偶然出现的干扰对链路造成的绝对中断。

目前市场上已有支持ACM功能的产品。

2.3扩频通信技术

卫星通信信道开放性的特点带来的隐蔽性差、抗干扰能力弱等缺点，可采用扩频技术克服，因此扩频通信主要用于隐蔽通信和抗干扰军事通信。

扩频主要有直接序列扩频（DSSS，directsequencespectrumspreading）、跳变频率（FH,frequencyhopping）、跳变时间和线性调频等4种基本工作方式。

这里主要介绍DSSS和FH。

DSSS系统中每个符号用一个长度为N的伪随机序列表示，可使其信号的频带扩展N倍，接收端采用同样的序列进行相关接收解扩，因而可使解扩之后的信噪比提高到解扩之前的N倍，即可获得N倍的解扩处理增益。

N可以很大，例如，GPS中P码信号的扩频倍数N=204600，即具有53dB的处理增益。

因此它可以在接收信号信干噪比很低的条件下进行通信，可使通信信号具有很强的隐蔽性，并使系统具有很高的干扰容限，例如，允许信干比达50dB。

如果在接收端解扩之前配合某种自适应信号处理算法，例如，自适应陷波、幅度非线性处理或自适应空间陷波等，还可使系统的干扰容限再提升30~40dB。

基于DSSS利用GEO卫星透明转发器可构成隐蔽性很强的重叠通信系统，将功率谱密度极低的DSSS信号重叠在其他正在进行通信的强信号之上进行较低比特率的通信，则信号具有高度的隐蔽性。

跳频（FH）通信中，发送端将调制信号的载波频率在很宽的频率范围中按照某种秘密约定的跳频图案进行跳变，接收端采用同样跳变的本地振荡进行正交下变频，变回为零中频信号再进行基带解调、符号判决和译码。

因此FH比DSSS更容易将信号频谱扩展到更宽的频率范围，可获得更高的处理增益。

只要跳频范围足够宽、跳速足够快，再配合卫星多波束天线技术从空间躲避可能的干扰，通信的安全性就有充分的保障。

我国已实现的FH系统跳频范围可达2GHz，跳速达上万跳/秒，接近国际先进水平。

总之，目前卫星通信抗干扰技术已比较成熟，在军事通信中发挥了重要作用。

当然，通信对抗双方没有绝对的赢家，只是在一定的条件下有一方取胜。

2.4阵列天线技术与卫星蜂窝网技术

1）阵列天线技术由于卫星链路传播衰减很大，例如，GEO卫星C、Ku、Ka频段链路的衰减都在200dB左右，需要采用高增益天线，因而天线的尺寸和成本往往成为推广应用的重要障碍。

早期是采用VSAT（verysmallapertureterminal）技术来缓解这个问题，即由一个大型中心站与大量的小口径天线终端站一起构成一个星形网。

利用中心站天线增益很高、EIRP（equivalentisotropicradiatedpower）值很大的优势，来弥补小站因天线口径小、增益低而使链路预算不足的弱点。

后来通过开发更高频段的转发器、增大转发器的发射功率以及采用多波束卫星天线技术提高星上转发器的接收灵敏度和EIRP，更加有效地实现了终端的小型化，天线的尺寸和成本似乎不再是明显的障碍，VSAT的概念也逐渐淡化了。

但目前基于GEO卫星Ku频段透明转发器的宽带移动通信，其“动中通”天线的成本仍然很高，相当于通信终端其余部分总成本的6~10倍。

这种天线通常都是采用线阵形式多个阵元实现水平方向跟踪，而采用机械装置实现垂直方向的跟踪。

星上采用阵列天线技术形成点波束天线或蜂窝状的多波束天线（MBA,multiplebeamantenna），可大大提高天线的增益，还实现了频率多次重复利用。

卫星MBA主要有3种实现方式，即反射面式、透射式和相控阵形式。

反射面MBA由一个或2个反射面和几个独立馈源组成，通过馈源照射到反射面形成多波束。

反射面MBA具有结构简单、质量轻和可靠性高等优点而最先得到广泛应用，如Odyssey卫星[28]和日本的ETS-VI卫星[29]。

ETS-VI卫星的MBA有2种镜面，20GHz的Ka频段和S频段共用3.5m直径反射镜，30GHz的Ka频段和C频段共用2.5m直径反射镜，实现了13个Ka频段波束覆盖日本大地、C频段单波束覆盖日本中部和5个S频段的波束覆盖200海里海域。

相控阵MBA由天线阵、馈电网络及波束形成控制器等组成，通过相移网络调节阵元的激励幅度、相位实现辐射波束指向的改变。

相控阵MBA具有损耗低、动态扫描角度大的优点，便于形成蜂窝状MBA。

透射式MBA通过网络对辐射阵移相，在覆盖区形成相对固定的波束，波束对辐射阵不扫描但可校正及微调，更适于星体体积和质量较小场合的应用。

例如全球星（Globalstar）系统和铱（Iridium）系统[1]中MBA就是采用直接辐射阵列形式、基于模拟射频移相法形成多波束，不同的是前者使用功分器[30]，后者使用Butler矩阵。

对于上百个以上波束的MBA，不宜采用反射面式的，而后2种MBA中各个阵元的功率驱动信号的PAPR都很高，这是因为每个阵元的驱动信号都含有其他许多波束的信号，所有阵元的信号通过空间功率合成而形成MBA。

若各个波束的发送信号又是多载波调制的或多路频分复用的信号，各阵元信号的PAPR就会更高，功率放大器的功率回退引起射频功率效率降低和功放非线性引起的互调干扰，将成为严重的问题[32]。

这正是如前所述OFDM不大适于卫星宽带移动通信下行链路观点的又一个论据。

2）卫星蜂窝网技术频率资源有限是大力发展卫星通信应用的一个瓶颈。

GEO卫星采用MBA技术，不仅能够大幅度提高卫星天线的增益和下行发射的EIRP值，还可形成许多蜂窝小区覆盖地面，实现频率资源的多次重复利用。

例如，星上采用7小区簇结构的140个蜂窝状波束的MBA，频率资源可重复利用20次，其天线增益可比单波束区域天线的增益提高20dB左右。

由此可见卫星MBA技术是开发大容量卫星移动通信系统、增强其市场竞争力的关键。

目前国外GEO卫星MBA的波束个数可达500个，而我国的这一技术存在较大差距，有可能成为影响市场竞争力的关键因素之一。

采用多个LEO