《衛(wèi)星通信與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)》課件-第14章

第14章典型LEO、MEO軌道衛(wèi)星系統(tǒng)14.1低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)14.2中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)14.3本章小結(jié)

同步軌道衛(wèi)星的應(yīng)用具有以下特征:

(1)自由空間中,信號強度與傳輸距離的平方成反比。

(2)信號經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸會帶來較大的時延。

(3)軌道資源緊張。

所以,人們普遍認(rèn)為,GEO衛(wèi)星固然可以用于移動通信,但是用于個人通信還存在較大的技術(shù)困難。正因為如此,提出了利用多顆中軌道(MEO)衛(wèi)星、低軌道(LEO)衛(wèi)星覆蓋全球來實現(xiàn)個人移動通信的方案。

圖14-1通信衛(wèi)星軌道示意圖

對于GEO/MEO/LEO系統(tǒng)的性能,可從下述10個方面進(jìn)行評價:

(1)星座結(jié)構(gòu);

(2)衛(wèi)星數(shù)量與性能;

(3)覆蓋能力與系統(tǒng)容量;

(4)調(diào)制方式和多址連接;

(5)動態(tài)路由尋址及分集考慮;

(6)信號傳輸質(zhì)量;

(7)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)成本;

(8)業(yè)務(wù)范圍、服務(wù)質(zhì)量與市場吸引力;

(9)與地面系統(tǒng)的兼容性、互操作性及業(yè)務(wù)質(zhì)量;

(10)對規(guī)則、政策等政治因素的適應(yīng)能力。

LEO和MEO衛(wèi)星軌道的主要特點如下:

(1)軌道高度較低,信號的傳播路徑比較短,傳播損耗和延遲較小。

(2)多顆衛(wèi)星可以進(jìn)行頻率利用,也能緩解對地靜止軌道上衛(wèi)星過分擁擠的情況。

(3)一次發(fā)射多顆衛(wèi)星降低了發(fā)射成本。

(4)衛(wèi)星制造成本低,衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性和生存能力較高。

(5)容易實現(xiàn)全球個人通信,特別是高緯度地區(qū)。

表14-1給出了LEO和MEO系統(tǒng)的性能對比。

14.1低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)

低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)由衛(wèi)星星座、關(guān)口地球站、系統(tǒng)控制中心、網(wǎng)絡(luò)控制中心和用戶單元等組成。圖14-2示出了中低軌道衛(wèi)星移動系統(tǒng)的基本組成。

圖14-2中低軌道衛(wèi)星移動系統(tǒng)的基本組成

目前提出的低軌道衛(wèi)星方案有很多,大致可以分為以下三類:

(1)大LEO:提供全球?qū)崟r個人通信業(yè)務(wù)的LEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng),如Iridium、Globalstar和Arics等。

(2)寬帶LEO:利用LEO提供寬帶業(yè)務(wù)的系統(tǒng),如Celestri、Teledesic、Mstar、Coscon、Skybridge和Starsys等。

(3)小LEO:利用LEO提供非實時業(yè)務(wù)的系統(tǒng),如Orbcomm、LEOSet和LEOone等。

14.1.1Iridium系統(tǒng)

銥系統(tǒng)是針對傳統(tǒng)地面蜂窩電話網(wǎng)的局限而提出的用77顆低軌道小型衛(wèi)星組成的覆蓋全球的個人數(shù)字化衛(wèi)星移動通信系統(tǒng),它與現(xiàn)有通信網(wǎng)結(jié)合,可實現(xiàn)全球無縫覆蓋,系統(tǒng)總耗資約50億美元。該系統(tǒng)原設(shè)計預(yù)備采用77顆小型衛(wèi)星,分別圍繞7個極地圓軌道運行,因衛(wèi)星數(shù)與銥原子的電子數(shù)相同,故得名銥系統(tǒng)。后來由于設(shè)計修改,星座結(jié)構(gòu)改為66顆衛(wèi)星圍繞6個極地圓軌道運行,但系統(tǒng)名稱仍為銥系統(tǒng)。

銥系統(tǒng)采用了星上處理、星上交換和星際鏈路技術(shù)。星際鏈路是銥系統(tǒng)有別于其他衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的一大特點,其作用相當(dāng)于把蜂窩網(wǎng)放置在空中,因而系統(tǒng)的性能極為先

進(jìn),但同時也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,提高了系統(tǒng)的投資費用。

銥系統(tǒng)主要是為商務(wù)旅行者、航空用戶、海事用戶、邊遠(yuǎn)地區(qū)以及緊急援助等提供語音、傳真、數(shù)據(jù)、定位、尋呼等業(yè)務(wù)服務(wù)。

銥系統(tǒng)主要由空間段、系統(tǒng)控制段、用戶段和關(guān)口站段四部分組成。

(1)空間段由分布在6個極地圓軌道面的66顆在軌衛(wèi)星和6顆備用衛(wèi)星共72顆衛(wèi)星組成,以此來保證全球任何時間、任何地區(qū)都至少有一顆衛(wèi)星覆蓋。

(2)系統(tǒng)控制段是銥系統(tǒng)的控制中心,包含遙測跟蹤控制(TT&C)、操作支持網(wǎng)(OSN)和控制設(shè)備(CF)三個部分,主要功能為:空間操作、網(wǎng)絡(luò)操作、尋呼終端控制。系統(tǒng)控制段有兩個外部接口,其中一個接口到關(guān)口站,另一個接口到衛(wèi)星,可以提供衛(wèi)星星座的運行、支持和控制,把衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)交付給關(guān)口站,利用尋呼終端控制器(MTC)進(jìn)行終端控制。

(3)用戶段指的是使用銥系統(tǒng)業(yè)務(wù)的用戶終端設(shè)備,主要包括手持機(jī)(ISU)、尋呼機(jī)(MTD)、航空終端、太陽能電話單元、邊遠(yuǎn)地區(qū)電話接入單元等。ISU是銥系統(tǒng)移動電話機(jī),包括兩個主要部件:SIM卡及無線電話機(jī)。它可向用戶提供語音、數(shù)據(jù)、傳真業(yè)務(wù)。MTD類似于市場上的尋呼機(jī),可分為兩種:數(shù)字式MTD和字符式MTD。

(4)關(guān)口站段是提供銥系統(tǒng)業(yè)務(wù)和支持銥系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的地面設(shè)施,由以下分系統(tǒng)組成:交換分系統(tǒng)SSS(西門子D900交換機(jī))、地球終端(ET)、地球終端控制器(ETC)、消息發(fā)起控制器(MOC)、關(guān)口站管理分系統(tǒng)(GMS)。關(guān)口站段主要有4個外部接口:關(guān)口站到衛(wèi)星,關(guān)口站到國際交換中心(ISC),關(guān)口站到銥系統(tǒng)商務(wù)支持系統(tǒng)(IBSS),關(guān)口站到系統(tǒng)控制段(SC)。

14.1.2Celestri系統(tǒng)

Celestri的地面系統(tǒng)包含網(wǎng)絡(luò)運營控制中心(NOCC)、分布式虛擬網(wǎng)絡(luò)部分(DVNS)和用戶居所設(shè)備(CPE)三部分。NOCC形成衛(wèi)星系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營者之間的初級聯(lián)系。NOCC

負(fù)責(zé)整個Celestri網(wǎng)絡(luò)的管理,包括:網(wǎng)絡(luò)容量的指配、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、安全、記賬和故障排除等。DVNS與NOCC相連,使業(yè)務(wù)分銷商可以獨立管理,可以對Celestri全球網(wǎng)絡(luò)的各部分進(jìn)行加密,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)、名錄及連接管理、電話監(jiān)聽和給終端用戶開賬單等業(yè)務(wù)。

CPE又可稱為雙向智能終端產(chǎn)品及系統(tǒng),用戶通過CPE可以進(jìn)入Celestri網(wǎng)。摩托羅拉公司為CPE提供了5種類型的設(shè)備,包括承載關(guān)口站、寬帶數(shù)據(jù)傳送終端、多種租戶服務(wù)器、信息服務(wù)器和直接通信終端,容量范圍為64kb/s至155Mb/s。其中,承載關(guān)口站將CelestriDVNS與公共載體、因特網(wǎng)和主要的廣播中心相連;寬帶數(shù)據(jù)傳送終端負(fù)責(zé)將用戶的高容量數(shù)據(jù)節(jié)點與Celestri網(wǎng)相連;多種租戶服務(wù)器可以將Celestri系統(tǒng)接入居民區(qū)、商業(yè)大樓、旅館、學(xué)校和大學(xué);信息服務(wù)器則支持用戶接入LAN、計算機(jī)、本地電信設(shè)備等用戶分布式信息環(huán)境;而直接通信終端則支持諸如個人電腦、電話、電視機(jī)等家庭和小的商業(yè)設(shè)備連接至Celestri網(wǎng)。

14.1.3Globalstar系統(tǒng)

Globalstar系統(tǒng)又稱全球星系統(tǒng),是由美國勞拉公司(LoralCorporation)和高通公司(Qualcomm)倡導(dǎo)發(fā)起的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng),合伙公司有Alcatel、ChinaTelecom、France

Telecom、Vodafone等。

全球星系統(tǒng)對當(dāng)前現(xiàn)存系統(tǒng)的本地、長途、公用和專用電信網(wǎng)絡(luò)是一種延伸、補充和加強,它沒有星際鏈路,無需星上處理,從而大大降低了系統(tǒng)投資費用,而且避免了許多技術(shù)風(fēng)險。當(dāng)然,因星體設(shè)計簡單,故系統(tǒng)必須建很多關(guān)口站。

全球星系統(tǒng)主要由空間段、地面段、用戶段三部分組成。

用戶段是指使用全球星系統(tǒng)業(yè)務(wù)的用戶終端設(shè)備,包括手持式、車載式和固定式設(shè)備,可提供語音、數(shù)據(jù)(7.2kb/s)、三類傳真、定位、短信息等業(yè)務(wù)。手持式終端包括SIM

卡/SM卡和無線電話機(jī)兩個主要部件,有全球星單模、全球星/GSM雙模和全球星/CDMA/AMPS三模模式。車載終端包括一個手持機(jī)和一個卡式適配器。固定終端包括射頻單元(RFU)、連接設(shè)備和電話機(jī),有住宅電話、付費電話和模擬中繼三種。

14.1.4Skybridge系統(tǒng)

kybridge系統(tǒng)又稱天橋系統(tǒng),是由阿爾卡特公司、美國勞拉公司和日本東芝公司發(fā)起的低軌道衛(wèi)星計劃,系統(tǒng)目標(biāo)是針對目前還沒有連接到寬帶地面基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)或采用傳統(tǒng)基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)很不經(jīng)濟(jì)的城區(qū)、郊區(qū)和鄉(xiāng)村,把Skybridge用作寬帶無線本地環(huán)路,預(yù)計全部項目總投資35億美元。

Skybridge系統(tǒng)是一個以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的寬帶接入系統(tǒng),允許在全球的任何地方(除兩極外)實現(xiàn)高速因特網(wǎng)接入、電視會議等業(yè)務(wù)。Skybridge系統(tǒng)的衛(wèi)星用于直接將用戶數(shù)據(jù)傳回地面站并接入用戶網(wǎng)絡(luò),這樣可通過處理用戶連接管理,合理、高效地開發(fā)寬帶業(yè)務(wù)。

Skybridge系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是應(yīng)用了地球靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng),并采用Ku頻段工作,可以滿足電信運營商寬帶接入的需求,將用戶的數(shù)據(jù)直接返回到地面站網(wǎng)關(guān),并進(jìn)入運營商的網(wǎng)絡(luò);而其他系統(tǒng)是在Ka頻段內(nèi)工作,其主要地面站設(shè)備為了滿足這些Ka頻段工作的特殊需要將不得不重新設(shè)計開發(fā)。

14.1.5Teledesic系統(tǒng)

Teledesic系統(tǒng)是由美國微軟公司和麥考(McCaw)蜂窩通信公司提出的耗資可能達(dá)90億美元的一項龐大的計劃,其主要目標(biāo)瞄準(zhǔn)了寬帶業(yè)務(wù)。該計劃準(zhǔn)備發(fā)射924顆衛(wèi)星(其中84顆備用),充分利用信息高速公路多媒體技術(shù),建造一個覆蓋全球的寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)“Internetinthesky”(空中因特網(wǎng)),就像把光纜架設(shè)在空中一樣,讓任何人都能獲得雙向的、交互式多媒體寬帶業(yè)務(wù),因此又稱為空中因特網(wǎng)系統(tǒng)。

Teledesic系統(tǒng)內(nèi)每顆衛(wèi)星配備64條掃描波束,每條波束含9個小區(qū),形成576個小區(qū),每一小區(qū)覆蓋面積為53km2,可提供1440個16kb/s(衛(wèi)星與移動用戶之間的鏈路速率)激活語音信道,共576×1440=829440個話路,從而每一顆衛(wèi)星可以構(gòu)成巨大的容量能力。衛(wèi)星用于固定業(yè)務(wù)或租用業(yè)務(wù)的速率為N×16kb/s,最大為2.048Mb/s(即衛(wèi)星個數(shù)N≤128)

14.1.6Orbcomm系統(tǒng)

Orbcomm系統(tǒng)由美國OrbitalSciences公司和加拿大Teleglobe公司合伙經(jīng)營,是目前全球已經(jīng)商用的低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)。這是一個只能實現(xiàn)短數(shù)據(jù)(非語音)全球通信的小衛(wèi)星星座系統(tǒng),它具有投資少、周期短、兼?zhèn)渫ㄐ藕投ㄎ荒芰?、衛(wèi)星重量輕(43kg)、用戶終端小巧便攜、星座運行時自動化程度高、自主功能強等優(yōu)點,適合市場需要,應(yīng)用廣泛,性價比高,是全球第一個雙向短數(shù)據(jù)低軌小衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

Orbcomm系統(tǒng)是一個廣域、分組交換、全球覆蓋、雙向短數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。它提供四類基本業(yè)務(wù):數(shù)據(jù)報告、報文、全球數(shù)據(jù)報和指令。

Orbcomm系統(tǒng)含有三個工作部分:空間段、地面段和用戶段?？臻g段是由41+6(6顆備用衛(wèi)星)顆LEO衛(wèi)星組成的。

GCC是網(wǎng)關(guān)站的核心,主要有兩個子系統(tǒng):網(wǎng)關(guān)報文交換系統(tǒng)(GMSS)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(NMS)。前者負(fù)責(zé)報文處理、路由選擇、規(guī)程轉(zhuǎn)換,對外部網(wǎng)絡(luò)提供SMTP接口和X.25接口;后者對網(wǎng)關(guān)站各組成設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。因此,所有在Orbcomm系統(tǒng)內(nèi)的通信均經(jīng)過網(wǎng)關(guān)站。

用戶段是Orbcomm系統(tǒng)的用戶終端,用以和Orbcomm星座發(fā)送和接收信息。用戶終端實際就是一個無線電收發(fā)機(jī),包括移動式和固定式,它能以半雙工的形式和

Orbcomm的LEO衛(wèi)星進(jìn)行通信。用戶終端和衛(wèi)星之間的射頻通信保證了Orbcomm系統(tǒng)用戶通過地面網(wǎng)關(guān)與系統(tǒng)相連接。用戶終端內(nèi)的電子器件包含一個VHF發(fā)送機(jī)、一個

VHF接收機(jī)、一個可選的UHF接收機(jī)、一根天線和數(shù)據(jù)處理集成塊。目前,用戶終端有許多制造廠商,如科學(xué)亞特蘭大、松下等,但它們都必須遵守Orbcomm的協(xié)議,提供一個統(tǒng)一的接口。

Orbcomm系統(tǒng)的應(yīng)用涉及多工業(yè)領(lǐng)域,諸如交通運輸、油氣田、水利、環(huán)保、漁船和消防報警等方面,但大致上可分成對固定資產(chǎn)的監(jiān)控和對移動物資的跟蹤兩大類型。Orbcomm系統(tǒng)擴(kuò)展了因特網(wǎng)無線接入,提供以Web為基礎(chǔ)的監(jiān)視和跟蹤解決方案,從而使用戶獲得低成本、高附加值的點對點數(shù)據(jù)通信服務(wù)

14.2中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)

中軌道衛(wèi)星(MEO)相對于高軌道衛(wèi)星來說,由于軌道高度的降低,可減弱高軌道衛(wèi)星通信的缺點,并能夠為用戶提供體積、重量、功率較小的移動終端設(shè)備,且只需用較少數(shù)目的中軌道衛(wèi)星便可構(gòu)成全球覆蓋的移動通信系統(tǒng)。

14.2.1Odyssey系統(tǒng)

Odyssey系統(tǒng)是TRW公司推出的中軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng),它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括空間段、地面段和用戶單元三個部分。

Odyssey系統(tǒng)的地面段包括衛(wèi)星管理中心、服務(wù)運作中心、地球站、關(guān)口站、地面網(wǎng)絡(luò)等。系統(tǒng)可以作為現(xiàn)存陸地蜂窩移動通信系統(tǒng)的補充和擴(kuò)展,支持動態(tài)、可靠、自動、用戶透明的服務(wù)。

系統(tǒng)最主要的用戶終端是手持機(jī)。手持機(jī)的設(shè)計在許多方面決定整個系統(tǒng)的特性,其最大等效全向輻射功率(EIRP)決定了衛(wèi)星的G/T值,進(jìn)而決定了衛(wèi)星的點波束數(shù)量和衛(wèi)

星每條信道的功率,也就間接地決定了衛(wèi)星的大小和成本。

14.2.2ICO系統(tǒng)

ICO(IntermediateCircularOrbit)系統(tǒng)又稱中圓軌道系統(tǒng),由Inmarsat發(fā)起。Inmarsat于1979年成立,是一個政府間的國際合作組織(自1999年4月15日起轉(zhuǎn)變成私營公司)。該組織成立初期旨在為海運界提供全球遇險安全和航行管理衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù),1982年2月Inmarsat系統(tǒng)正式投入運營。

ICO系統(tǒng)最初有低、中、靜止軌道三種方案供論證,最終選擇了MEO方案,即所謂的ICO(中圓軌道)方案。該系統(tǒng)的運行目的是利用衛(wèi)星向全球用戶提供手機(jī)衛(wèi)星移動通信,

實現(xiàn)與地面公網(wǎng)相連通的數(shù)字語音、尋呼、傳真、數(shù)據(jù)以及定位等多種業(yè)務(wù)。ICO系統(tǒng)主要由三部分組成:空間段、地面段、用戶終端。

跟蹤和測控站通過跟蹤衛(wèi)星的運動和調(diào)整衛(wèi)星的軌道,維持星座分布,實現(xiàn)管理ICO衛(wèi)星系統(tǒng)。該站還通過收集衛(wèi)星的電源電壓、電流、溫度、穩(wěn)定性和其他運行特性的數(shù)據(jù),

并把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到衛(wèi)星操作控制中心進(jìn)行處理和作出反應(yīng),從而監(jiān)測衛(wèi)星的全面狀況。該站還可在任何一顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障時操縱衛(wèi)星,重新調(diào)整衛(wèi)星星座。

14.2.3Spaceway系統(tǒng)

Spaceway系統(tǒng)又稱太空之路系統(tǒng),是由休斯通信公司提出的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。Spaceway系統(tǒng)提供包括雙向語音、高速數(shù)據(jù)、圖像、電話電視會議、多媒體等多種交互寬帶通信業(yè)務(wù),以滿足各種應(yīng)用需求。最早的兩顆Spaceway通信衛(wèi)星是休斯公司Spaceway全球?qū)拵ㄐ畔到y(tǒng)的一部分,由美國DIRECTV公司所有并運營。在DIRECTV公司接管休斯公司DTH業(yè)務(wù)之后,這些衛(wèi)星改為在全美范圍內(nèi)進(jìn)行高清本地電視頻道的傳輸。

Spaceway系統(tǒng)的地面終端為可直接與ATM設(shè)備進(jìn)行分組交換的多媒體超小口徑終端(USAT)。Spaceway系統(tǒng)可與USAT用戶終端和地面網(wǎng)接口兩類地面通信設(shè)備連接。兩種類型的終端均可使用直徑為66~1.2m的天線提