卫星通信系统

卫星通信系统现代社会处处离不开通信，通信系统与我们的生活紧密相关，随处可见。例如：我们每天离不开的手机，当我们用它和亲人朋友打电话时，在使用移动通信系统；我们在使用百度地图时对用GPS定位时，使用卫星通信系统；当我们链接WiFi在浏览器搜索时，我们使用着网络系统，这时如果发挥一下你的想象力，想象着从你所在的某个方位在你看不见的地下和空气中有着光纤和微波编织着相互交错的大网，而就是这张大网将你和世界联系在一起了，是一件多么神奇而又美妙的事情。一、卫星通信系统的历史、现状、未来趋势1.1卫星通信系统的历史卫星通信自二十世纪五、六十年代以来的发展过程大致经历了以下五个阶段：1.第一阶段1945年-1964年，1945年英国人ArthurC.Clarke最早对利用卫星建立全球通信提出了科学设想以来，美国和前苏联先后研制出低轨道无源、有源及准同步实验卫星。2.第二阶段1965年-1972年，国际卫星通信组织开始通过静止卫星向全球提供商业服务。3.第三阶段1973年-1982年，卫星系统为陆地、空中、海上用户提供固定和移动卫星通信业务。4.第四阶段1983年-1990年，卫星通信被逐步应用于专用数据网、数话兼容网和卫星直播业务。在这个时期，用户端的VSAT网络得到迅猛的发展，被广泛应用于公众服务、医疗、商业、军事和教育等领域。5.第五阶段1990年-现在，卫星通信领域进入发展的重要时期，LED、MEO和混合式轨道卫星通信系统开始广泛应用于全球电信网，以满足宽带和移动用户的各种需求。1.2卫星通信系统的现状近年来,世界上的许多国家相继建立了国内卫星通信系统,最早建立国内卫星通信系统的是加拿大。目前美国拥有的国内卫星通信系统数量最多,日本正在发展30/ZOGHz的国内卫星通信系统,澳大利亚、巴西、墨西哥也都准备建立国内卫星通信系统。而我国卫星通信的一个严重问题是依赖国外卫星，巨大的市场被国外卫星占领。1.3卫星通信系统的未来趋势未来卫星通信将沿着数字化、网络化、以及信息化方向前进，针对卫星通信的未来发展趋势而言，由于C、K波段的使用趋于饱和我们应该在现有的基础上提高频段频谱的利用率，同时将IP与ATM技术相结合去建立卫星宽带综合业务数字通信网——国家信息高速公路；要进一步去实现建立小型化、智能化、经济化未来的卫星通信网，实现移动用户间可以利用卫星进行通信，而不再需要基站；如果将卫星与Internet网络相连，实现卫星互联网技术，这样就可以利用宽带卫星进行双向传输，并且下载和地面网络反馈的速度也得到了大幅提升，同时也大大减轻了频谱拥挤现象以及抗干扰能力。二、卫星通信系统模型卫星通信系统由空间设备通信卫星、地面设备地球站、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等四大功能部分组成。图1卫星通信系统基本组成1.空间设备也就是通信卫星是由若干个转发器、数副天线与位置和姿态控制、遥测和指令、电源分系统组成，其主要作用是转发各地球站信号。2.地球站由天线、发射、接收、终端分系统及电源、监控和地面设备组成，主要作用是发射和接收用户信号。3.地面的跟踪遥测及指令分系统、监控管理分系统并不直接用于通信，而是用来保障通信的正常进行。4.监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开道前的监测和业务开通后的例行监测与控制。三、卫星通信系统中关键技术的应用给其带来的变化3.1数据压缩技术随着科学技术的发展，数据压缩技术已经发展得很成熟，尤其是在数据处理相关领域。数据压缩可以给通信带来很大的方便，例如节约了时间、提高了频带利用率、节约了存储空间等。其中MPEG62设计中采用了面向对象的方法,特别注重交互性和多媒体同步、实时表现、实时交换、最终形式等方面。目前已被多媒体卫星通信系统所采用。3.2智能天线系统由于传送多媒体信息的需要,通常要求通信系统的带宽在2500MHz以上,多媒体通信系统因此选择了Ku甚至Q和V波段，但K以上波段雨衰相当严重，而且卫星本身也存在各种限制和随机错误，这就需要通过智能天线的多波束来覆盖到更广的区域，例如，可以采用多波束快速跳变系统；同时在低轨道系统中采用蜂窝式天线来实现跟踪和同频复用功能；星上和同步轨道系统要想构成蜂窝式覆盖空间分系统跟踪遥测指令分系统监测管理分系统通信业务控制中心地球站通信测控图就必须要采用相控阵列天线。3.3多址接入技术针对接入方式，ATM/TDMA多址接入方式比FDMA和CDMA更适合星上处理卫星对多址接入的要求，因为此种方式有较好的信息传输角度、网络应用灵活性好等特点。但是，TDMA方式对速率和发射功率要求很高，这在无形中就增加了解调器的实现难度，同时也增加了载波功率与噪声功率密度的比值的要求。为了克服上述问题，该领域专家提出了一种新的方式，采用多频质的TDMA，即MF-TDMA(MultipleFrequency-TDMA)多址接入技术，它是将FDMA于TDMA相结合，这样可以降低每个TDMA链路的接入速率和调制解调器的工作速率，同时对上行链路的值C/N0(C/N0=E/N0*Rb)的要求也减弱了。3.4卫星激光通信技术目前,卫星通信的载波是微波,虽然在Ku波段,数据传输率可达到100Mbit/s以上,但体积较大的微波天线无法安装在通信卫星上。而未来的卫星通信数据率却要求工作在数百或数千Mbit/s,因此,只能由激光通信来实现。卫星通信采用激光可以提升卫星的通信量和保密性，减轻了卫星的重量和大小；在大气层外，没有大气的干扰，通信更加准确，同时也降低了误码率；运用激光可以提升数据的传输速率以及系统的可靠性；同时卫星通信也互不干扰。它们的发光技术简便,不受接收器信号相位影响,且工作寿命长、可靠性高,其综合性能优于其他激光器。据专家预测，激光技术运用到卫星通信中将对通信行业的发展起到不可替代的作用。四、MIMO传输技术在卫星通信系统中的应用4.1MIMO传输技术的研究现状MIMO技术最早是由Marconi于1908年提出的主要思想是在带宽和发射功率一定的前提下，依靠开发空间资源，使用若干天线多发多收的目的，达到成倍提高信道容量的目的。也可以提高信道传输可靠性，大幅降低误码率等。美国贝尔实验室在随后对MIMO技术进行了长期的研究，主要成果是证明了在白高斯信道下，多天线可以有效提高信道容量，并由此发展处分层空时编码技术，将信号源数据划分为一系列的子数据，子数据独立编码和调制，可以达到40bps/Hz的频谱效率，但是该技术不适合移动通信环境在透明转发器的应用场景下,星上只是将接收信号放大并通过多天线发送出去,MIMO技术的实现难点和复杂的信号接收可以全部转移到地面上处理,大大降低了MIMO技术在卫星通信领域中实现的难度和风险。4.2卫星MIMO传输技术分类根据卫星采用的载荷方式的不同,卫星MIMO技术可具体分为:针对星上处理再生载荷MIMO技术的研究和针对星上透明载荷MIMO技术的研究。1.星上处理再生载荷的MIMO技术如果卫星是处理再生载荷,那么卫星的上下行都可以视为独立的端到端链路,针对上下行分别运用MI-MO技术可以获得两个不同的信道容量,相对较小的容量则限制了整个系统的容量。因此必须将上下行链路结合起来进行系统容量的优化。2.星上透明载荷的MIMO技术这种情况下,卫星是一个信号中继器,对信号只起了一个相位偏移和功率放大的作用,卫星的上下行视为一个链路。这时的MIMO技术研究主要针对地面N副发射天线、星上M副接收天线和M副发射天线、地面Z副接收天线这样的情况下进行研究。4.3对MIMO传输技术在卫星通信系统中的应用的概括目前卫星MIMO传输可分为:多极化方式、多个地面站和多颗卫星三种构建方式。其中由多极化方式构建的MIMO传输最为简单,但是获得的传输有效性和可靠性也最为有限;由单颗卫星多个地面站构建的MIMO传输相对于第一种构建方式要复杂一些,但是可以获得较高的传输有效性和可靠性,拥有比较广阔的应用前景;由多颗卫星构建的MIMO传输可以获得的传输有效性和可靠性最高,但是其实现代价也最高。