第9章无线通信系统

第9章无线通信新技术本章知识架构：无线通信新技术基本概念卫星通信系统全球定位系统第三代移动通信系统本章教学目标与要求：掌握通信的基本概念了解GPS的原理了解3G通信系统本章主要章节：9.1概论9.2卫星通信系统9.3全球定位系统9.4第三代移动通信系统（IMT-2000）无线通信技术发展到现如今，如何最大程度地增加系统的通信容量和提高通信传输的速度，并尽量广泛地覆盖地域范围，是科学研究工作者发展无线通信时首先要追求的目标。另外，在频谱资源日益枯竭，信道环境日益恶化的情况下，如何保障宽带数据通信也是所要认真考虑的一个重要研究内容。在层出不穷的无线通信新技术新手段中，卫星通信系统、全球定位系统和第三代移动通信系统由于其突出的优点和独树一帜的功能体系，而成为新一代无线通信技术领域的典型代表。本章将对这三种无线通信的新技术进行简要介绍，以使读者能够在一定程度上把握住当前无线通信领域的技术进步和发展脉搏。9.1概论9.2卫星通信系统9.2.1概论早在1945年10月，英国空军雷达军官克拉克在《无线电世界》杂志上发表了《地球外的中继站》一文，最先对利用静止卫星进行通信提出了科学设想。1962年，美国通信卫星公司(COMSAT)建立。1963年，美国宇航局发射成功第一颗试验性静止同步通信卫星“辛康姆”，并成功地用它进行了1964年东京奥运会的实况转播。1965年，国际通信卫星组织(INTELSAT)把第一颗商用通信卫星“晨鸟”送入地球静止同步轨道，成为第一代“国际通信卫星”，简称IS-I。卫星通信就此迅速发展起来，在国际、国内、军事、民用通信以及移动通信和广播电视上得到越来越广泛的应用。卫星通信是在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。该技术实际上是将通信卫星作为空中中继站转发微波无线电信号，从而实现在多个地面站之间通信。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，是微波接力通信向太空的延伸。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。图9.1所示为中国发射的“嫦娥一号”探月卫星。图9.1“嫦娥一号”卫星图9.2美俄相撞卫星示意图9.2.2卫星通信的技术特点和分类卫星通信作为现代通信的重要手段之一，与其他通信方式相比有独到的优点。①通信距离远、覆盖范围广、不受地理条件限制：对地面的情况如高山海洋等不敏感，适用于在业务量比较稀少的地区提供大范围的覆盖，在覆盖区内的任意点均可以进行通信，而且成本与距离无关。以静止同步卫星为例，卫星距地面35800km，其微波波束可覆盖的区域可达地球表面积的42%，最大通信距离可达18000km，中间无需再加中继站。只要视区内的地面站与卫星间的信号传输满足技术要求，通信质量便有了保证。②具有多址连接特性，通信灵活性强：其他类型的通信，如微波接力、光缆通信等多是干线或点对点的通信，服务区域为一条线，也称线覆盖，不在“线”上的点就无法通信；而卫星在所覆盖的区域内，可以为四面八方、大大小小的多个地面站提供通信服务。这种能同时实现多个方向，多个地球站之间的通信的特性称作多址连接特性。这使得卫星通信系统和其他通信方式相比具有很大机动灵活性。③传播稳定可靠，通信质量高：卫星通信中电磁波主要在大气层以外传播，电波传播非常稳定。虽然在大气层内的传播会受到天气的影响，但仍然是一种可靠性很高的通信系统；④工作频带宽，通信容量大，传输业务类型多：卫星通信的工作频率使用微波频段（300MHz~300GHz）由于采用微波频段，可供使用的频带很宽，因此能够提供大容量的通信。然而卫星通信和其它通信方式一样也并非完美无缺，它的主要局限性和缺点是：①通信卫星使用寿命较短：卫星是由成千上万个小零件组成，任何一个小部件发生故障都可能造成卫星瘫痪，而进行维修几乎是不可能的。而卫星能够携带的推进剂十分有限，一旦消耗完只能让卫星报废。②卫星通信系统技术复杂，且控制复杂：卫星的设计、制造、发射和测控都需要先进的空间技术和电子技术，而且卫星通信系统中所有链路均是无线链路，卫星的位置还可能处于不断变化中，因此控制系统也较为复杂。③信号传输时延大：高轨道卫星的双向传输时延达到秒级，用于话音业务时会有非常明显的中断。根据通信卫星距离地面的高度可将卫星通信系统分为以下三类：高地球轨道卫星系统（HEO）：卫星距地面超过20000km以上。中地球轨道卫星系统（MEO）：卫星距地面5000~20000km。低地球轨道卫星（LEO）：卫星距地面500~5000km。如果按卫星的运行周期以及卫星与地球上任一点的相对位置关系不同，可分为同步卫星系统和非同步卫星系统：①同步卫星系统。通信卫星在轨道上的运转周期与地球自转周期相同，其运行轨道称为同步轨道。卫星在赤道上空35800km高的圆形轨道上与地球自转同向运行，卫星在轨道运行过程中与地球保持相对静止状态，这种卫星称为静止同步卫星（GEO）。②非同步卫星系统。通信卫星运转周期不等于（通常是小于）地球自转周期。其轨道倾角、高度、形状（圆形或椭圆形）因其用途和需要不同而不同。从地球的角度来看，这种卫星是以一定的速度在移动的，因此又可称为移动卫星。9.3全球定位系统9.3.1概述定位和导航对人类的生产和生活有着非常重大的意义，自从1957年第一颗人造地球卫星发射升空以来，科技工作者便开始致力于利用卫星进行定位和导航的研究设计工作。为此，世界各国在卫星定位领域开展了大量的研究工作，其中最具开创和代表意义的是美国的全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS），又称全球卫星定位系统。图9.4所示为美国GPS的卫星分布示意图。图9.5所示为为汽车导航的GPS终端。图9.6所示为运行中的GPS卫星。图9.7为中国正在建设的北斗卫星导航系统的卫星分布示意图。图9.4GPS的卫星分布图9.5车载GPS导航仪图9.6轨道上的GPS卫星图9.7北斗卫星导航系统卫星分布示意图9.3.2GPS的特点和应用使用者只需拥有GPS接收机即可使用该服务，无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务（SPS，StandardPositioningService）和军规的精确定位服务（PPS，PrecisePositioningService）两类。GPS的快速发展主要得益于它的如下特点：①定位精度高。②应用范围非常广泛。③使用简单方便，观测速度快。④隐蔽性强。GPS的应用领域十分广泛，主要包括：①精确定时：广泛应用在天文气象台、通信系统基站和电台电视台播报中。②工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程勘测和测量。③勘探测绘：野外地质勘探及城区规划中都需要进行定位引导。④导航：武器导航：精确制导炸弹、巡航导弹车辆导航：车辆调度、监视控制星际导航：卫星轨道定位飞机导航：航线导航、进场着陆控制指挥船舶导航：远洋导航、港口和内河停靠引导个人导航：个人旅游及野外探险活动⑤定位：车辆防盗跟踪系统手机，PDA，PPC等通信移动设备所安装使用的防盗系统、电子地图和定位系统等森林防火：森林火场指挥定位精准农业：农机具导航和自动操作、土地高精度平整儿童及特殊人群的防走失定位系统9.3.3GPS的组成GPS可分为三大部分，即空间部分、地面控制部分和用户设备部分。1.空间部分GPS的空间部分由21颗工作卫星和3颗有源备份卫星，共24颗卫星组成，它们向地面发射精确的、经过编码的时间导航信号。2.地面控制部分GPS的地面控制部分具有跟踪、计算、更新及监视功能，可以根据接收到的观测信息，计算卫星星历、相对距离、大气校正等数据，控制调整所有卫星，负责监控全球定位系统的运行。地面控制部分包括主控站、监测站和数据注入站。3.用户设备部分用户设备部分即GPS信号接收机，包括天线、GPS信号处理单元、控制和显示单元、记录与存储单元及电源等。它的主要功能是要捕获到在视野内的按一定卫星截止角所选择的4颗以上待测卫星的导航信号，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可以测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，从而解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可以按照定位解算方法进行定位计算，得到用户目前的三维位置、速度和系统时间等信息。接收机的硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成了完整的GPS用户设备。用户设备可以是相对简单、轻便的手持式或者背负式接收机，也可以是与其它导航传感器或系统集成在一起的，构成在高度动态环境下仍具有足够精确性能的、较为复杂的接收机。接收机有单频和双频两种，但由于价格因素，一般使用者所使用的多为单频接收机。9.3.4GPS定位原理GPS导航定位的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可以知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以通过星载时钟所记录的时间在卫星星历中查找到。而用户到卫星的距离刚通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。由于存在卫星钟的误差及大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距。按定位方式来分类，GPS接收机定位分为伪距单点定位、载波相位定位和差分定位。1.伪距单点定位伪距单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距进行测量。首先GPS接收机与卫星时钟要保持同步，由于各种因素的影响，接收机的时间与实际的GPS时间系统的标准时钟存在误差，表示为∆t。位于某一位置的接收机接收到某一卫星的信号后，卫星到该位置的距离设为d，可用下式进行计算：其中，c为光速；Ts为卫星发射信号的时刻，记录在卫星发射的GPS导航电文中；Tr为接收机所接收到信号的时刻。2.载波相位定位载波相位定位法实际上就是通过测量某一时刻接收机的本地参考载波相位与接收机接收到的某一GPS卫星载波信号相位之差实现的。实际上，GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。从该相位差中可以推算出卫星到接收机之间的距离信息，方法就是将相位差除以2，再乘以载波波长就可以得到距离。()srdcTT3.差分定位差分定位就是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间相对位置的方法，它既可采用伪距定位测量也可采用相位定位测量，在大地测量和工程测量中均应采用相位观测值进行相对定位。具体方法就是先确定一个基准观测点，该点的坐标数据是已知的，通过该参考点进行GPS观测，利用已知的基准站精密坐标来计算基准站到卫星的伪距修正参数，并实现将该参数发向邻近的普通接收站。普通站在通过GPS接收观测数据的同时，也接收来自参考站的伪距修正参数，并利用修正参数对自身的观测数据进行修正，即可以得到相对精度较高的坐标位置信息。目前正在运行的全球卫星定位系统除了美国的GPS外，还有俄罗斯的GLONASS，欧盟的“伽利略”系统和中国的“北斗”系统。中国“北斗”：2003年我国北斗一号建成并开通运行，不同于GPS，“北斗”的指挥机和终端之间可以双向交流。去年5月12日四川大地震发生后，北京武警指挥中心和四川武警部队运用“北斗”进行了上百次交流。北斗二号系列卫星目前已进入组网高峰期，预计在2015年形成由三十几颗卫星组成的覆盖全球的系统。9.4第三代移动通信系统（IMT-2000）9.4.1概论第三代移动通信（3G）是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。具有宽带数据通信和多媒体通信能力是3G的主要特征，它与2G的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。主要特征有以下几个方面：全球化。智能化。综合化。个人化。第三代移动通信系统的技术基础是CDMA，即CodeDivisionMultipleAccess（码分多址）的缩写。第一代移动通信系统采用频分多址（FDMA）的