前言:

本系列的前面文章,主要拆解的是通信网络设备部署在地面上的通信,包括有线通信与无线通信。从本章开始,通信网络的部署从地面扩展到太空。包括卫星通信,GPS定位(单向广播卫星通信),第六代移动通信6G,埃隆马斯克的星链计划,量子通信等。

太空通信,需要借助卫星或宇宙飞船,而人造地球卫星或宇宙飞船只是无线接入设备的物理载体或“机房”,因此关于人造卫星本身或宇宙飞船的原理以及如何把它们发射到空中,并不是系列要探讨的话题。

目录

第1章 卫星通信概述

1.1 卫星的动机

1.2 卫星通信概述

1.3 卫星通信的类型

1.4 关于“同步”卫星

1.5 卫星通信的特点

1.6 卫星通信的主要应用

第2章 现有的卫星通信系统

2.1 移动卫星通信系统

2.2 全球卫星定位系统

第3章 卫星通信的网络架构

3.1 卫星与地面通信

3.2 卫星无线接入

3.3 卫星通信系统的组成

3.4 空间分系统

3.5 卫星同与2G/3G/4G/5G通信的主要差异

第4章 微信通信的收发过程

第5章 卫星通信的关键技术

5.1 卫星通信的频谱

5.2 电磁波的传播延时

5.3 卫星通信的带宽

5.4 卫星信号发送与接收

5.5 功率控制技术

5.6 调制技术

5.6.1 基带低频调制(数字调制)

5.6.2 频带高频调制(模拟调制)

5.7 多址技术

5.8 星载处理、交换技术

5.9 移动性管理

5.10 网络互联互通

6 终端小型化VSAT

6.1 概述

6.2 关键技术

7 后记


第1章 卫星通信概述

1.1 卫星的动机

移动通信最关键的一个网络设备就是无线接入网,即基站,因此要实现无线通信,必须先要在地球章部署无线基站。地球上很多地方或无法部署基站或部署基站后使用率过低,导致这些地方变成了没有无线信号覆盖的区域,当终端移动到这些区域时是无法实现无线通信的。比如茫茫无边的海洋,荒芜人烟的沙漠,丛山峻岭。

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_关键技术

然而,只要人有的地方,就有通信的需求,如何为这些区域的提供通信服务呢?如何把通信网覆盖到地球上的每个角落呢?这就需要架设在太空中的“基站设备”卫星通信了。

 

1.2 卫星通信概述

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_关键技术_02

卫星通信系统实际上也是一种微波通信,它以卫星作为中继站转发微波信号,在多个地面站之间通信,卫星通信的主要目的是实现对地面的“无缝隙”覆盖,由于卫星工作于几百、几千、甚至上万公里的轨道上,因此覆盖范围远大于一般的移动通信系统。但卫星通信要求地面设备具有较大的发射功率,因此不易普及使用。

卫星通信利用人造地球卫星作为中继站转发微波无线电波,从而实现两个或多个地球站之间的通信

 

利用地球同步轨道上的人造地球卫星作为中继站进行地球上通信的设想是1945年英国物理学家A.C.克拉克(ArtherC.Clarke)在《无线电世界》杂志上发表“地球外的中继”一文中提出的,并在60年代成为现实。

同步卫星问世以前,曾用各种低轨道卫星进行了科学试验及通信。

(1)苏联于1957年10月4曰成功发射成功世界上第一颗人造卫星“卫星1号”。并绕地球运行,地球上首次收到从人造卫星发来的电波。

(2)美国于1960年8月把覆有铝膜的直径30m的气球卫星,“回声1号”,发射到约1600km高度的圆轨道上进行通信试验。这是世界上最早的不使用放大器的所谓无源中继试验。

(3)美国于1962年I2月13日发射了低轨道卫星,“中继1号"。1963年11月23日该星首次实现了横跨太平洋的日美间的电视转播。此时恰逢美国总统J.F.肯尼迪被刺,此消息经卫星传至日本在电视新闻上播出,卫星的远距离实时传输给人们留下深刻印象,使人造卫星在通信中的地位大为提高。

(4)美国1963年7月发射的世界上第一颗同步通信卫星,“同步2号”卫星,它与赤道平面有30°的倾角,相对于地面作8字形移动,因而尚不能叫静止卫星,在大西洋上首次用于通信业务。

(5)美国1964年8月发射的“同步3号”卫星,定点于太平洋赤道上空国际日期变更线附近,为世界上第一颗静止卫星。1964年10月经该星转播了(东京)奥林匹克运动会的实况。至此,卫星通信尚处于试验阶段。

(6)美国1965年4月6日发射了最初的半试验、半实用的静止卫星“晨鸟”,用于欧美间的商用卫星通信,从此卫星通信进入了实用阶段

本文主要探讨的就是商用卫星通信系统的基本原理!

 

1.3 卫星通信的类型

(1)卫星固定通信:

卫星固定通信是利用一个或多个卫星,在位于各特定的固定点上的地球站之间的无线电通信。

(2)卫星移动通信:

卫星固定通信与具有如下技术特点:

有限的卫星功率与移动用户低天线增益之间的矛盾突出;

用户天线多为具有弱方向性的低增益天线,传播信道存在多径效应和多普勒频移;

覆盖范围广,众多用户共享有限的卫星频率与功率资源;

移动用户具有较高的机动性,有小型化及漫游管理要求。

考虑到卫星移动通信系统的特点及发展现状,卫星移动通信的关键技术可分为系统卫星地面技术三个方面。

 

1.4 关于“同步”卫星

卫星是卫星通信的“机房”,“机房”中存放的是卫星通信的“基站”,因此有必要简单了解一下这个部署在太空中的移动“机房”。

(1)恒星

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恒星是由发光等离子体——主要是和微量的较重元素——构成的巨型球体。

天气晴好的晚上,夜幕中总镶嵌着无数的光点,这其中除了少数行星,其它的绝大多数都是恒星。

太阳是离地球最近的恒星,而夜晚能看到的恒星,几乎都处于银河系内。 

 而银河系统共约3000亿颗恒星中,人类只能观测到一小部分。

 

(2)行星

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行星,通常指自身发光,环绕着恒星的天体。其公转方向常与所绕恒星的自转方向相同

太阳系中有八大行星:水星(Mercury)、金星(Venus)、地球(Earth)、火星(Mars)、木星(Jupiter)、土星(Saturn)、天王星(Uranus)、海王星(Neptune)

 

(2)卫星

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卫星是指在围绕一颗行星轨道并按闭合轨道做周期性运行的天然天体。

八大行星共有卫星205个,除水星和金星外,其它行星都有卫星环绕。按卫星多少的排名顺序是土星82个,木星79个,天王星27个,海王星14个,火星2个和地球1个。

月球就是最明显的地球天然卫星

 

(3)人造地球卫星(简称卫星)

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人造地球卫星指用运载火箭发射到高空并使其沿着一定轨道环绕地球运行的宇宙飞行器。

在这些发射成功的卫星中,包括科技实验考察、通信、气象、导航、地球资源、军事侦察、海洋监视、早期预警,数据中继、军用测地等用途的卫星。它们在各自领域大显神通,使人类传统文明和军事技术发生了革命性的变化

世界上大多数的人造卫星为人造地球卫星,另外有人造火星卫星等人造卫星。

人造卫星的运动轨道:取决于卫星的任务要求:

区分为低轨道、中高轨道、地球同步轨道地球静止轨道太阳同步轨道,大椭圆轨道和极轨道。人造卫星绕地球飞行的速度快。

低轨道和中高轨道卫星一天可绕地球飞行几圈到十几圈,不受领土、领空和地理条件限制,视野广阔。

能迅速与地面进行信息交换、包括地面信息的转发,也可获取地球的大量遥感信息,一张地球资源卫星图片所遥感的面积可达几万平方千米。

 

(4)同步人造卫星

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卫星轨道高度达到35800千米km,并沿地球赤道上空与地球自转同一方向飞行时,卫星绕地球旋转周期与地球自转周期完全相同,相对位置保持不变。

此卫星在地球上看来是静止地挂在高空,称为地球静止轨道卫星,简称静止卫星

这种卫星可实现卫星与地面站之间的不间断的信息交换,并大大简化地面站的设备。

绝大多数通过卫星的电视转播和转发通信是由静止通信卫星实现的。

 

1.5 卫星通信的特点

(1)优点

  • 通信距离远:同步卫星轨道高度达到35800千米km,地球上任意地方都可以与卫星进行通信。在卫星波束覆盖区域内,通信距离最远为13000公里;
  • 通信距离越远,相对成本越低;
  • 高延时:由于传输距离较远,传输延时较大
  • 不受通信两点间任何自然灾害和人为事件的影响;
  • 不受通信两点间任何复杂地理条件的限制;
  • 通信质量高,系统可靠性高,常用于海缆修复期的支撑系统;
  • 机动性大,可实现卫星移动通信和应急通信;
  • 通信容量大
  • 抗干扰能力强
  • 可靠性性
  • 可在大面积范围内实现电视节目、广播节目和新闻的传输和数据交互;
  • 易于实现多种业务功能。
  • 信号配置灵活,可在两点间提供几百、几千甚至上万条话路和中高速的数据通道

(2)缺点

  • 传输时延大:500毫秒~800毫秒的时延;
  • 高纬度地区难以实现卫星通信;
  • 为了避免各卫星通信系统之间的相互干扰,同步轨道的星位是有一点限度的,不能无限制地增加卫星数量;
  • 太空中的日凌现象和星食现象会中断和影响卫星通信;
  • 卫星发射的成功率为80%,卫星的寿命为几年到十几年;发展卫星通信需要长远规划和承担发射失败的风险。

 

(3) 新特点

相比早期的卫星移动通信系统,当前卫星移动通信的发展呈现两个特点。

  • 移动终端小型化:支持包括手持机在内的多种移动通信终端;
  • 通信业务宽带化:除传统的窄带话音服务外,还提供高速数据业务和Internet多媒体通信服务。

 

1.6 卫星通信的主要应用

  • ·渔政:

目前我国海洋渔业大马力渔船超过30万艘,中小马力渔船超过100万艘,现有各种通信手段(手机、超短波、短波、北斗短信)都存在各种弊端,无法满足渔船和渔政指挥的需要,尤其是对通话需求极高。卫星移动通信系统可以弥补这个业务空缺。 

·水利防汛:据统计,我国拥有40000个没有通信手段的水库。按2300个县计算,县一级防汛指挥部门配备1~2部卫星移动通信系统手持终端,七大流域管理系统每流域配备20部手持终端,共需要约7万部卫星移动通信话音终端以及几十万水文自动监测数据终端。 

  • ·村村通:

在我国西部的很多地区,地理条件和自然环境很恶劣,地面通信已经无能为力。通过卫星方式解决特别偏远地区村通工作具有投资较少、安装简单灵活的特点。适合固定通信、移动通信难以覆盖的偏远区域,具有较好的社会效益。

  • ·救灾:

在玉树抗震救灾中,由中国电信运营的卫星通信发挥了重要作用,形成了卫星网络与移动通信网、固网、互联网相互补充和支撑的立体保障格局。国内部分专家呼吁,我国幅员辽阔,地质复杂,各种灾害及突发事件频发,建设卫星应急通信系统显得尤其重要和迫切。 

  • ·勘探科考:

以石油勘探为例,石油队伍所在的探区多为沙漠和戈壁滩,地理位置偏僻,公共电信网络无法顾及。以往各油田野外作业队主要采用短波电台,已经远远满足不了石油勘探开发的发展需要。卫星通信具有不受地理环境条件的影响,覆盖面广的特点,能够满足石油勘探的通信需求。

  • ·光缆备份:

2006年年末台湾地震破坏海底通信电缆,造成了大规模的通信故障,影响重大。这一事件反映了“卫星通信作为备份手段”的重要性与迫切性。

  • 太空探索

 

第2章 现有的卫星通信系统

2.1 移动卫星通信系统

凡是通过移动的卫星和固定的终端、固定的卫星和移动的终端或二者均移动的通信,均称为卫星移动通信系统。

从20世纪80年代开始,西方很多公司开始意识到未来覆盖全球、面向个人的无缝隙通信,即所谓的个人通信全球化,即5W{Whoever(任何人)\Wherever(任何地点)\Whenever(任何时间)\ Whomever(任何人) \Whatever,(采用任何方式)}的巨大需求,相继发展以中、低轨道的卫星星座系统为空中转接平台的卫星移动通信系统,开展卫星移动电话、卫星直播/卫星数字音频广播、互联网接入以及高速、宽带多媒体接入等业务。至上世纪90年代,已建成并投入应用的主要有:铱星(Iridium)系统、Globalstar系统、ORBCONN系统、信使系统(俄罗斯)等。

  • 铱星系统

铱星系统属于低轨道卫星移动通信系统,由Motorola提出并主导建设,由分布在6个轨道平面上的66颗卫星组成,这些卫星均匀的分布在6个轨道面上,轨道高度为780 km

主要为个人用户提供全球范围内的移动通信,采用地面集中控制方式,具有星际链路、星上处理和星上交换功能。

铱星系统除了提供电话业务外,还提供传真、全球定位(GPS)、无线电定位以及全球寻呼业务。

从技术上来说,这一系统是极为先进的,但从商业上来说,它是极为失败的,存在着目标用户不明确、成本高昂等缺点。

目前该系统基本上已复活,由新的铱星公司代替旧铱星公司,重新定位,再次引领卫星通信的新时代。

  • Gb系统

Globalstar系统设计简单,既没有星际电路,也没有星上处理和星上交换功能,仅仅定位为地面蜂窝系统的延伸,从而扩大了地面移动通信系统的覆盖,因此降低了系统投资,也减少了技术风险。

GIobalstar系统由48颗卫星组成,均匀分布在8个轨道面上,轨道高度为1389 km。

它有4个主要特点:

一是系统设计简单,可降低卫星成本和通信费用;

二是移动用户可利用多径和多颗卫星的双重分集接收,提高接收质量;

三是频谱利用率高;四是地面关口站数量较多。

  • 全球通信

IC0系统采用大卫星,运行于10390 km的中轨道,共有10颗卫星和2颗备份星,布置于2个轨道面,每个轨道面5颗工作星,1颗备份星。

提供的数据传输速率为140 kbR/s,但有上升到384kbrt/s的能力。

主要针对为非城市地区提供高速数据传输,如互联网接入服务和移动电话服务。

  • E0系统

Ellips0系统是一种混合轨道星座系统。它使用17颗卫星便可实现全球覆盖,比铱系统和Globalstar系统的卫星数量要少得多。在该系统中,有10颗星部署在两条椭圆轨道上,其轨道近地点为632 km,远地点为7604 km,另有7颗星部署在一条8050 km高的赤道轨道上。该系统初步开始为赤道地区提供移动电话业务,2002年开始提供全球移动电话业务。

  • Om系统

轨道通信系统0rbcomm是只能实现数据业务全球通信的小卫星移动通信系统,该系统具有投资小、周期短、兼备通信和定位能力、卫星质量轻、用户终端为手机、系统运行自动化水平高和自主功能强等优点。Orbcomm系统由36颗小卫星及地面部分(含地面信关站、网络控制中心和地面终端设施)组成,其中28颗卫星在补轨道平面上:第l轨道平面为2颗卫星,轨道高度为736/749 km;第2至第4轨道平面的每个轨道平面布置8颗卫星,轨道高度为775 km;第5轨道平面有2颗卫星,轨道高度为700km,主要为增强高纬度地区的通信覆盖;另外8颗卫星为备份。

  • Tc系统

Teledesic系统是一个着眼于宽带业务发展的低轨道卫星移动通信系统。由840颗卫星组成,均匀分布在21个轨道平面上。由于每个轨道平面上另有颁备用卫星,备用卫星总数为84颗,所以整个系统的卫星数量达到924颗。经优化后,投入实际使用的Teledesic系统已将卫星数量降至288颗。Teledesic系统的每颗卫星可提供l0万个l6kb/5的话音信道,整个系统峰值负荷时,可提供超出100万个同步全双工El速率的连接。因此,该系统不仅可提供高质量的话音通信,同时还能支持电视会议、交互式多媒体通信、以及实时双向高速数据通信等宽带通信业务。

 

2.2 全球卫星定位系统

全球定位系统(英文名:Global Positioning System,简称GPS),又称全球卫星定位系统,中文简称为“球位系”,是一个结合卫星及通讯发展的技术,利用导航卫星进行测时测距的中距离圆型轨道卫星导航系统。

随着全球一体化的发展,卫星导航系统在航空、汽车导航、通信、测绘、娱乐等各个领域均有应用。

目前,全球有四大卫星定位系统,除了中国的北斗卫星导航系统(BDS),还有美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GNSS)、伽利略卫星导航系统(GSNS)。

  • 美国全球定位系统 GPS

全球定位系统(GPS)是目前全世界应用最为广泛也最为成熟的卫星导航定位系统。研发GPS系统始于1973年,其初衷为军事用途,1991年在海湾战争期间曾大展身手。GPS的用户只需购买GPS接收机就可以免费享受该服务。但GPS针对普通用户和美军方提供的是不同的服务。目前民用GPS信号的精度可达到10米左右,军用精度可达1米。

中国2000年开始建设北斗卫星导航试验系统。

目前北斗卫星导航系统已经发射了10颗卫星,建成了基本系统。

到2012年形成覆盖亚太大部分地区的服务能力,到2012年底,北斗卫星导航系统将提供正式运行服务。

2020年左右,由大约30多颗卫星组成的北斗全球卫星导航系统形成全球覆盖能力。

目前北斗卫星的导航精度在平面地区为25米,已开始正式提供试运行服务。

  • 欧盟伽利略系统 Galileo

伽利略卫星导航系统是欧盟和欧洲空间局正在建设中的项目,初衷是使欧盟在卫星导航问题上摆脱对美国和俄罗斯的依赖。伽利略系统的技术水平将高于GPS和俄罗斯格洛纳斯。比如,其精度可以达到一米级别。2003年5月,欧盟和欧洲空间局正式批准伽利略项目第一阶段,预计2012年开始运行,但目前这一日期已被推迟至2019年全部建成。

  • 俄罗斯格洛纳斯 Glonass

俄罗斯从1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。原计划该系统于2007年年底之前运营,因资金问题,直到2011年,格洛纳斯导航系统才投入全面运行,但其在全球的民用和商业用户仍然少得可怜,主要原因是其用户端的设备发展一直严重滞后。

 

第3章 卫星通信的网络架构

3.1 卫星与地面通信

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_关键技术_09

 

3.2 卫星无线接入

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_卫星通信_10

相对于公共移动通信系统,卫星通信的无线终端的物理场景主要针对一些特定的场合。

空中移动站:如飞机等控制移动终端。

地方站:这不是普通的手机终端,而是卫星接收与发射台。

陆上移动站:公共汽车等路地址大型移动设备

海上移动站:海上航行的船只

中央站:卫星中继站

 

3.3 卫星通信系统的组成

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_卫星通信_11

卫星通信系统包括通信和保障通信的全部设备。

一般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,如图:

(1)跟踪、遥测、指令分系统(控制系统:C面)

跟踪遥测及指令分系统:负责对卫星进行跟踪、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位置修正和姿态保持

实际上就是一个卫星设备监控和控制系统。

 

(2)监控、管理分系统(网管系统NMS:M面)

监控管理分系统:负责对定点的卫星在业务开通前、后进行通信性能的检测和控制,例如卫星转发器功率、卫星天线增益以及各地球站发射的功率、射频频率和带宽等基本通信参数进行监控,以保证正常通信。

 

(3)空间分系统(业务系统:基站U面)

通信卫星主要包括通信系统、遥测指令装置、控制系统和电源装置(包括太阳能电池和蓄电池)等几个部分。

通信系统是通信卫星上的主体,它主要包括一个或多个转发器,每个转发器能同时接收和转发多个地球站的信号,从而起到中继站的作用。

 

(4)通信地球站(地面卫星中继:终端U面)

通信地球站:是卫星的微波无线电信号的收、发信站,用户通过它接入卫星线路,进行通信。

 

3.4 空间分系统

(1)同步卫星

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(2)非同步卫星

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3.5 卫星同与2G/3G/4G/5G通信的主要差异

(1)无线通信接口的种类

2G/3G/4G/5G只有终端与基站之间是无线通信,其他网元之间,如基站与基站,基站与核心网,基站与网管都是有线通信。

而卫星通信中,如基站与基站,基站与核心网,基站与网管都是无线微波通信。

(2)无线通信的距离

无线通信的覆盖范围远远大于2G/3G/4G/5G的几十公里的范围,达到几万公里的距离。而中国南北相距不过约5500公里,东西相距约5000公里。

这就导致空口发射功率、空口传输延时等比较大。

(3)电磁波的载波频率

微信通信采用微波进行通信,频率高、电磁波衰减大、频谱带宽大。

 

文本后续部分,将重点拆解通信地球站(终端)与空间分系统(基站)之间的无线通信的基本原理。

 

第4章 微信通信的收发过程

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_关键技术_14

(1)发送端

  • 基带发送处理BDU:包括物理层编码、多址复用技术。
  • 基带调制M:把基带数字信号调制成基带模拟信号
  • 中频滤波F:中频滤波
  • 上变频器UC(射频调制):把中频信号调制到高频载波上发送。
  • 功率放大器HPA:对调制后的信号进行功率放大。
  • 电磁波的天线发送
  • 电磁波的传播

(2)接收端

  • 电磁波的传播
  • 电磁波的天线接收
  • 低噪声线性放大器LNA:对接收到的信号进行功率放大。
  • 下变频器DC(射频解调):把中频信号从高频载波上卸载下来。
  • 中频滤波F:中频滤波
  • 基带解调器DEM:从模拟基带信号从获取数字信号
  • 基带接收处理BDU:多址解复用技术、物理层解码

从上述过程来看,与2G/3G/4G/5G的通信过程相似。

其中功率放大器、上变频器UC、下变频器DC、中频滤波F的工作原理与2G/3G/4G/5G工作原理相似,这部分内容可以参考本系列的前面的文章。

这里重点解析卫星通信中的基带调制、解调技术和基带信号多址复用与解复用技术、物理层编码技术。

 

第5章 卫星通信的关键技术

5.1 卫星通信的频谱

(1)电磁波波段

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_卫星通信_15

卫星通信使用的是微波波段,频率高、电磁波衰减大、超大的频谱带宽。

 

(2)移动通信的频谱

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_关键技术_16

 

(3)常见卫星微波通信的频段

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_卫星通信_17

C频段:传输比较稳定,设备技术也成熟,但容易和同频段的地面微波系统相互干扰。卫星通信的上行链路干扰6GHz微波系统,下行链路受4GHz微波系统的干扰,这需预先协调并采取相应的屏蔽措施加以解决(见卫星通信系统干扰协调),

Ku频段:传输受雨雾衰减较大,不如C频段稳定,尤其雨量大的地区更是如此。如在上、下行链路的计算中留有足够余量,配备上行功率调节功能,亦可获得满意效果。

Ku频段:频谱资源较丰富,与地面微波系统的相互干扰小,其应用很有前途。

20世纪末或21世纪初,C和Ku频段将出现拥挤,FSS将在20GHz~30GHz的Ka频段开发业务,其频率为:

上行(GHz) 29.5~30 带宽500MHz

下行(GHz) 19.7~20.2 带宽500MHz

 

(4)日凌与星蚀现象

每年春分、秋分时,地球、du卫星、太阳在同一直zhi线上。

日凌: 当卫星在地球与太阳之间时,地球上的小站在接收卫星信号的同时,受到太阳辐射的影响,使通讯中断,此现象称为日凌。

星蚀:当地球处于卫星与太阳之间时,地球把阳光遮挡,此时卫星的太阳能电池不能正常工作,星载电池只能维持卫星自转而不能支持转发器正常工作,这种现象造成的通讯中断称为星蚀。

一般中断时间为5-15分钟不等。

解决方法:

增加多颗卫星,确保在某一颗卫星受到影响的情况下,全球卫星信号的覆盖不受影响。

 

5.2 电磁波的传播延时

由于卫星通信的距离比较远,相对与2G/3G/4G/5G移动通信,电磁波的传播延时影响的较为明显。

V:电磁波在自由空间的传播速度 = 3*图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_卫星通信_18米/s

L1:同步卫星到地球的最小距离  = 35787千米

L2:同步卫星到地球的最大距离  = 41678千米

S:平均距离约40000千米 = 图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_关键技术_19

单程传播延时(地面站1->卫星->地面站2)T = 2 * S/V = 2* 0.4/3 = 0. 27s 

双程传播延时(地面站1->卫星->地面站2->卫星->地面站1)2T = 0. 27s * 2 = 0.54s。

也就是地面站1给地面站2发送消息,地面站1收到地面站2回应的最小延时为0.54s = 540ms;如果再算上信号处理的延时,这一个延时更大。

 

5.3 卫星通信的带宽

(1)窄带卫星通信:以提供语音和短消息为主的微信通信,对应公众移动通信的1G, 2G.

(2)宽带卫星通信: 以Ka频段、大容量、提供宽带互联网接入。对应公众移动通信的3G, 4G, 

(3)高通量卫星通信: 高通量卫星通信的单颗容量可达几十Gbps到上百Gbps,通信容量比传统通信卫星高数倍甚至数十倍。对应公众移动通信的5G,6G. 

 

5.4 卫星信号发送与接收

(1)卫星发送信号功率

(2)地面站接收天线

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_关键技术_20

由于卫星通信的传输距离太多,电磁波从发送到接收端,信号衰减已经非常大,信号的能量非常弱,因此需要特殊的天线来收集微信信号的电磁波的能量。

卫星天线就是常说的大锅,是一个金属抛物面,负责将卫星信号反射到位于焦点处的馈源和高频头内。

卫星天线的作用是收集由卫星传来的微弱信号,并尽可能去除杂讯。

大多数天线通常是抛物面状的,也有一些多焦点天线是由球面和抛物面组合而成。

卫星信号通过抛物面天线的反射后集中到它的焦点处。

(3)地面站接收信号功率

(4)为什么卫星不增加发送功率

  • 主要原因是卫星是太阳能供电:能量不像地面站,源源不断,因此卫星的发送功率受到严格的控制。

5.5 功率控制技术

 

5.6 调制技术

调制信号是指来自信源的消息信号(基带信号),这些信号可以是模拟的,也可以是数字的。

根据调制信号是模拟信号还是数字信号,分为模拟调制和数字调制。

卫星通信的调制技术分为基带低频调制与频带高频调制。

5.6.1 基带低频调制(数字调制)

所谓数字调制,就是电磁波的波形表示二进制。代表电磁波波形的参数有:电磁波的频率、电磁波的幅度、电磁波的相位。

卫星通信采用采用PSK, QPSK,8PSK等低阶相位调制技术。

 

(1)二进制调制

如果一个电磁波的波形代表1个比特,1或者0, 则成为二进制调制。

在二进制调制中,可以使用幅度、或使用频率、或使用相位区分波形,分别称为2-ASK、2-FSK、2-PSK调制。

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_关键技术_21

(2)多进制调制:同频正交双载波调制IQ(相位正交)

如果一个电磁波的波形代表N个比特(N>=2),如000,001,010....等等, 则称为多进制调制。

在多进制调制时,通常通过不同的相位来区分不同的波形。

在实际系统中,直接控制单个载波信号的相位是比较困难的,为此通过控制一个正交的同频率的双载波各自的幅度,就可以得到控制混合后信号的相位的目的。

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_卫星通信_22

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_卫星通信_23

调制后的信号cos(ωt+θ),其中θ为初始相位。

cos(θ)* cos(ωt)   +  sin(θ) * -sin(ωt) = cos(ωt+θ)

* cos(ωt)   +  b * -sin(ωt) = cos(ωt+θ)

通过上述数学变化得到一个神奇的结果:

要想控制调制后信号的相位,可以通过控制两个同频率、正交载波:cos(ωt)与 -sin(ωt)的幅度完成。

这样把复杂难、以控制的相位调制转换成了简单的幅度调制!!!

当然,这里必须满足如下的几个条件:

  • 由单载波cos(ωt)转换成了双载波:cos(ωt)与 -sin(ωt)
  • 两个载波信号cos(ωt)与 -sin(ωt)的相位差为90°,称为正交。
  • 两个载波信号cos(ωt)与 -sin(ωt)的频率是相同,为ω
  • 两个载波信号cos(ωt)与 -sin(ωt)的幅度是相同,为1
  • 两个载波的幅度调制必须满足一定的关系:a=cos(θ)与  b=sin(θ

只有满足上述条件,才能够通过两个载波的幅度调制完成最终的相位调制!!!

 

(3)多进制调制相位调制nPSK

上述条件,如果期望混合后信号的幅度始终为1,调制信号变化的仅仅是相位,这就是n-PSK调制,如4PSK, 8PSK, 16-PSK.

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_关键技术_24

  • PSK调制信号的幅度为1
  • PSK调制信号的相位为θ    
  • I路   a =cos(θ)
  • Q路 b =sin (θ

关于数字调制参考:《图解通信原理与案例分析-20:4G LTE调制与多路复用技术:QAM正交幅度调制、多载波调制、O-FDM正交频分复用、SC-FDMA频分复用、IQ调制、混频》 

 

5.6.2 频带高频调制(模拟调制)

射频调制通常采用模拟幅度调制技术,也称为“混频”技术。

在模拟调制中,最常用的是模拟幅度调制。幅度调制用调制信号的幅度去控制高频载波的振幅,使其按调制信号的规律变化的过程。

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_关键技术_25

关于幅度调制参考:《图解通信原理与案例分析-12:无线调幅广播AM案例--模拟幅度调制与点对多点广播通信详解》 

 

(3)扩频通信

扩频(Spread Spectrum,SS)是将传输信号的频谱(spectrum)打散到较其原始带宽更宽的一种通信技术。如下图所示:

图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技术_关键技术_26

根据香农定理,无论采用哪种数字调制方式,在信噪比S/N一定的情况下,调制后信号所需要的频谱带宽,与波特率成正比,速率越高,带宽越大;速率越小,带宽越小。

先假设扩频码长度为N。

上图中的左图是:扩频前,数字调制后的信号的频谱,信号的带宽较窄,说明扩频前,波特率较低,二进制数据的比特率较低。

上图中的右图是:扩频后,数字调制后的信号的频谱,信号的带宽很宽,扩充到原先的N倍,说明扩频后,波特率(码片率)较高,二进制数据的比特率较高。

关于扩频通信参考:

《图解通信原理与案例分析-19:3G CDMA码分多址通信技术原理---码分多址、OVSF正交扩频码、伪随机码序列》 

《图解通信原理与案例分析-18:低功耗、远距离物联网无线通信技术LoRa概述与扩频通信的基本原理》 

 

5.7 多址技术

(1)概述

卫星通信中,需要区分多址连接多路复用,虽然他们都是解决多路信号共用同一信道的问题。

多路复用:是指一个地面站将用户终端送来的多路信号在基带信道上复用,

多址连接:是指由多个地面站发射的信号在卫星转发器中进行射频信道的复用。即在卫星通信系统中,多个地面站可以通过一颗卫星同时与多个地面站建立各自的信道,从而实现与多个地面站之间的通信,这称为多址连接。多址通信方式要解决的基本问题就是:如何识别和区分地址不同的各个地面站所发出的信号。为使多个地面站共用一颗卫星,且同时进行多边通信,则必须保证各个地面站发出的信号互不干扰。

(2)多址联接方式

多址联接的意思是同一个卫星转发器可以联接多个地球站。

多址技术是根据信号的特征来分割信号和识别信号,信号通常具有频率时间空间等特征。

卫星通信常用的多址联接方式有频分多址联接(FDMA)、时分多址联接(TDMA)、码分多址联接(CDMA)和空分多址联接(SDMA)。

  • 频分多址技术

微波频带,整个通信卫星的工作频带约有500MHz宽度,为了便于放大和发射及减少变调干扰,一般在卫星上设置若干个转发器。每个转发器的工作频带宽度为36MHz或72MHz的卫星通信多采用频分多址技术,不同的地球站占用不同的频率,即采用不同的载波。它对于点对点大容量的通信比较适合。

  • 时分多址技术:

即每一地球站占用同一频带,但占用不同的时隙,它比频分多址有一系列优点,如不会产生互调干扰,不需用上下变频把各地球站信号分开,适合数字通信,可根据业务量的变化按需分配,可采用数字话音插空等新技术,使容量增加5倍。

即不同的地球站占用同一频率和同一时间,但有不同的随机码来区分不同的地址。它采用了扩展频谱通信技术,具有抗干扰能力强,有较好的保密通信能力,可灵活调度话路等优点。其缺点使频谱利用率较低。它比较适合于容量小,分布广,有一定保密要求的系统使用。

  • 空分多址技术:

在不增加频谱带宽的情况下,利用较大间距的天线阵列的阵元之间或波束之间的不相关性,为多个用户提供多个不同的数据流或基站并行从多个终端接收数据流,从而提升用户容量。

 

参考:

关于频分多址(FDMA),详情可以参考:《图解通信原理与案例分析-14:“大哥大”与1G模拟蜂窝移动通信案例--频率调制与频分多址FDMA》

 

关于时分多址(TDMA),详情可以参考:《图解通信原理与案例分析-15:2G GSM手机语音通话的工作原理--TDMA时分多址与GMSK调制》

 

关于码分多址(CDMA),详情可以参考:《图解通信原理与案例分析-19:3G CDMA码分多址通信技术原理---码分多址、OVSF正交扩频码、伪随机码序列》

 

关于空分多址:(SDMA),详情可以参考:《图解通信原理与案例分析-21:4G LTE多天线技术--天线端口、码流、分集Diveristy、波束赋形BF、空分复用MIMO、空分多址》

 

 

5.8 星载处理、交换技术

星载处理交换技术包括:

全透明转发、透明处理转发和全处理三种模式。

  • 全透明转发

具有技术体制适应性强、技术成熟、风险小的特点,但由于需要地面处理交换,双跳通信的服务实时性差;

在这种情况下,仅仅把卫星看作无线信号的中继站

  • 全处理方式:

卫星上一般通过数字方式实现,具有服务实施性好、资源利用率高,抗干扰能力强等优点,缺点是技术体制适应性较弱,技术难度大,受空间辐射的影响,可靠性差。

在这种情况下,把卫星看作无线通信的基站。

  • 透明处理转发:

则是二者的折中。

 

目前三种方式在星上均有应用。

 

5.9 移动性管理

移动性管理是:移动通信系统必须要解决的问题,它包括位置管理和切换管理两方面。

目前新型的移动通信卫星多采用多波束实现对服务区的无缝覆盖,伴随波束越来越窄的趋势,移动性管理的要求日益突出。

虽然地面已有成熟的2G/3G/4G/5G移动性管理技术,但在卫星应用上还要做适当修改,尤其是对于低轨卫星而言,多星覆盖及网络拓扑时时变化的特点,对移动性管理提出更高的挑战。

 

5.10 网络互联互通

卫星移动通信系统:需要具备与其它网络互联互通的能力。

一般在与其它网络的互联互通方式上,采用网络层面完成的松耦合方案。

卫星移动通信网络其它地面网络的互联互通仅在网络中形成,而各自的无线接入网络则保持独立。

采用辅助地面组件ATC(AncillaryTerrestrialComponent)技术的卫星移动通信系统,可以构成天地一体化的无缝覆盖移动通信系统,终端可以在地面网络和卫星之间自由无缝切换。

这一动向代表了移动卫星通信技术的发展趋势。6G技术,直接把5G先进的技术引入到卫星通信中。

 

6 终端小型化VSAT

6.1 概述

VSAT 是Very Small Aperture Terminal的缩写,直译为“甚小孔径终端”,意译应是“甚小天线地球站”。

由于源于传统卫星通信系统,所以也称为卫星小数据站或个人地球站,这里的 小指的是VSAT系统中小站设备的天线口径小,通常为0.3m-2.4m。

VSAT是80年代中期利用现代技术开发的一种新的卫星通信系统。利用这种系统 进行通信具有灵活性强,可靠性高,成本低,使用方便以及小站可直接装在用户端等特点。

由众多甚小天线地球站组成的卫星通信网,叫做“VSAT网”。

说了这么多,看似专业的术语,用大白话说:就是把卫星通信的地球站变成手持式卫星终端(手机)!

(2)特点

VSAT的特点是:

  • 天线小,
  • 设备结构紧凑,
  • 全固体化,
  • 功耗小,
  • 成本低,
  • 环境要求低,
  • 安装方便,
  • 覆盖范围大,
  • 组网灵活且有独立性。

这些特点特别适合于许多大型企业或部门、甚至个人卫星通信的需求。 

6.2 关键技术

(1) 地球站/终端技术

要使VSAT能得到更广泛的应用必须使VSAT进一步小型化,降低VSAT的成本,为此须解决以下关键技术: 

  • 信号处理技术:通过合适的信号设计和信号处理降低VSAT系统对C/N的要求。 
  • 集成电路技术:微波电路集成化技术,采用SLIC技术。 
  • 天线技术:通过采用新的设计,使天线的尺寸进一步减小。 
  • 接口技术:采用软件可编程的接口技术以使VSAT能适应不同用户的接口要求。 
  • 抗干扰技术:包括抗外部干扰和邻站干扰技术。 
  • 数字化技术:以DSP、DDS为基础来提高VSAT的灵活性和可靠性。 
  • 一体化设计技术:通过统一设计Modem、FEC和ARQ来达到对信道资源的最佳利用。 
  • 标准化技术:VSAT必须要标准化才能解决相互间的互通问题和实现大规模生产。 
  • 加密技术:由于任何网外用户都能收到网内用户发送的信息,任何网内用户都能收到应由其它网内用户接收的信息,因此,VSAT网中必须解决信道加密问题。 

(2) 空间技术

要加强卫星的竞争力,必须降低卫星的成本、在不增加卫星重量的基础上增加卫星的容量、增加卫星的利用率、寻找地面无法实现或很难实现而卫星很容易做到的新应用。 

就卫星转发器而言,需逐步解决以下关键技术:

  • 星上处理与交换技术:使卫星成为一个交换结点,使VSAT能直接进行通信,改善VSAT网的连接能力和吞吐量—时延性能,并把网络的复杂度从VSAT转移到卫星,降低VSAT成本;采用星际链路后能实现不同卫星覆盖区内VSAT之间单跳通信。 
  • 多波束/跳波束天线技术:在星上采用多波束/跳波束技术以提高卫星的EIRP和G/T,从而降低对VSAT EIRP和G/T的要求。 
  • 星上信令能力:使卫星具有信令处理能力,把现在VSAT网中网控中心的一部分功能转移到卫星上,从而缩短VSAT通信的呼叫建立时间。 
  • 中低轨道卫星技术:由于同步卫星的轨道高度很高,传播时延和传播损耗都很大,因此VSAT不能非常小,同时也不能满足一些实时性业务的要求,为此提出采用中低轨道卫星进行通信。 

(3) 网络技术

如何更好地把地球站和卫星结合起来,使VSAT达到最佳的性能/价格比,这就是网络技术需解决的问题。就目前来看,VSAT网络技术需解决以下一些关键技术: 

  • 多址访问技术和信道分配技术:开发一些新的多址访问和信道分配技术以更有效地利用卫星信道的资源,满足业务量变化及不同业务对服务质量的要求。 
  • 网络控制技术:进一步加强网络控制的功能,提高VSAT网的智能化程度和灵活程度。 
  • 网络协议技术:进一步研究VSAT网络的通信协议及与地面设备之间的接口协议以提高网络的适应能力和协议的工作效率。 
  • 网络安全技术:采用一些措施(如加密、通行字、自组织能力等)来提高网络的安全等级。 

 

7 后记

从上述拆解可以看出:

(1)技术发展滞后:如果排除卫星“这个空间机房”本身的建设难度外,纯粹从通信技术的角度来看,卫星通信的技术发展远不如公共移动蜂窝通信网2G/3G/4G/5G技术的发展。从总体上,卫星通信的技术,基本上与2G/3G通信技术水平相当。

(2)手机终端:终端小型化VSAT的特点说了一大堆,用简单的一句话就可以阐述:不就是手持卫星终端吗?类似普通的手机而已。只是一个是用卫星作为基站,一个是用地面设备作为基站。

(3)6G通信: 公共移动通信网6G技术,正是把5G先进的空口技术技术、网络技术,扩展到微波卫星通信,利用卫星通信的广覆盖、高带宽的特点,提供高速全覆盖移动业务。关于6G,后续有专门的文章来拆解。