卫星通信原理论文参考文献

卫星通讯是指地球上（包括地面、水面和低层大气中）的无线电通信站之间和用人造卫星作中继站而进行的通信。

卫星通讯系统是由通信卫星（空间部分）和通信地面站（地面部分）两大部分构成的。在这一系统中，通信卫星就是一个悬挂在空中的通信中继站。它居高临下，视野开阔，只要在它的覆盖照射区以内，不论距离远近都可以通信，通过它转发和反射电报、电视、广播和数据等无线信号。

卫星通讯的特点

1、通信距离远，且费用与通信距离无关。

2、广播方式工作，可以进行多址通信。

3、通信容量大，适用多种业务传输。

4、可以自发自收进行监测。

5、无缝覆盖能力。

6、广域复杂网络拓扑构成能力。

7、安全可靠性。

一、卫星通信的基本工作原理

卫星通信简单地说就是利用卫星在空间做信号反射的作用将一个地面站的信号传输到另一个地面站，就如同镜面反射的道理类似。

镜面反射原理如图3-3所示。

面状覆盖：由于反射面远在太空，所以其覆盖面是地球表面广阔的区域（图3-4）。

卫星通信和地面有线通信不同的就是卫星传输的每一路无线信号都是单独占用一段空间无线频率的，例如做双向2M 通信的A、B 两点卫星站将占用4M的空间带宽，其中2MHz频率用于从A 点往B 点发射信号、另2MHz频率用于从B点往A点发送信息，一般情况下这两个频率是不可重复的。

图3-3 镜面反射原理

图3-4 面状覆盖

二、同步卫星通信特点

通信卫星是围绕地球运行，其运行轨迹是圆形或椭圆形的，而卫星运行轨道的平面是一定通过地球球心的。卫星运行轨道面与地球赤道平面的夹角“i”就叫做卫星轨道倾角。

i=0°时为赤道轨道、i=90°时为极地轨道，其他倾斜角时为倾斜轨道。

卫星通信中最长用到的是静止轨道卫星也就是同步轨道卫星，它采用的就是赤道轨道，其特点如下（图3-5）：

1）同步轨道卫星在地球赤道的上方36000km;

2）地球赤道的周长约为40000km;

3）星与星间最安全的距离为°。

用同步卫星做通信时，信号往返一次地面到卫星需要传输7万多千米，而电磁波的传输速度为30×104km/s，因此卫星通信信号的传输是一定会有时延的（图3-6）。卫星通信传输的信号做一次地面到卫星的往返就叫做信号一跳，信号一跳的传输时延：跳。

图3-5 同步轨道卫星

图3-6 卫星通讯的信号时延

可以根据卫星信号的传输方式来确定卫星通信的方式：

1）双跳方式：信息从源地址经卫星中继后先到达一个中转卫星站（一般为网管主站）；再次经卫星中继后才到达目的地址卫星通信系统。

2）单跳方式：信息从源地址经卫星中继后直接到达目的地址的卫星通信系统，用户站通过主站进行呼叫建立。

用户间的通信是独立完成的。

卫星通信的频段特点如下（图3-7）：

图3-7 卫星通信的频段及频率范围

1）L波段：L波段资源十分匮乏，只有少数的应用系统能用到，如海事卫星、GPS、北斗卫星等，用户上传的数据速率有限，可用于数据量极小的短信、遥测和文本传送等。

2）C波段：C波段频率较低，受雨雾天气的影响较小，信号覆盖均匀，对于国内内陆以外区域应用较为理想；它的不足之处是天线系统体积庞大，受地面微波通信等设备的干扰可能性大，国家对C波段卫星站点建设仍有较严格的技术要求。

3）Ku波段：Ku波段频率稍高，它的天线设备体积比C波段的要小很多，它的信号覆盖有很强的针对性，在我国沿海海域，近海应用还可以，但到了远洋海域要实现通信就比较困难了，相对C波段来说，Ku波段抵抗雨雾衰耗能力要弱，一般来说，在遇到大雨以上的天气时有通信中断的可能。

4）Ka波段：目前只有由泰国某集团控制的IPStar卫星通信系统使用这个频段，而且只用于从卫星控制中心到卫星的部分，用户部分还是使用Ku频段。

目前在国内使用最多的是Ku波段卫星，对Ku波段卫星通信影响最大的就是气候原因，如下雨天（图3-8）。

图3-8 气候对卫星通信的影响

三、卫星通信的多址技术概念介绍

卫星通信时从多个不同的地面站发往卫星的射频信号需要在卫星转发器上进行射频信道复用。为了共用一颗卫星同时进行多边通信，要求各地面站发射的信号在转发器上互不干扰。为此，就需要事先规定和划分好传输信息所必需的频率、时间、波形和空间等，并合理地分配给进行通信的各个地面站。这种以不同的划分方式应用在通过卫星建立多个站点间通信的技术就叫做多址技术。

目前可应用的多址技术有：频分多址（FDMA/SCPC）；时分多址（TDMA）；码分多址（CDMA）；空分多址（SDMA）。

1）频分多址（FDMA/SCPC）：是按频率划分空间资源的方式，就是各个地面站分配不同的工作频率，使其工作时互不干涉。常见的成熟系统代表如 Comtech的Vipersat系统。

2）时分多址（TDMA）：是一种给每个地面站规定工作时隙的空间资源分配方式，各个地面站工作在同一频率上，只是不同的站在规定好的不同时间分别使用频率而互不干涉。常见的成熟系统代表如Linkstar、iDirect系统。

3）码分多址（CDMA）：是一种给各个地面站分配一个专属的地址码的扩频通信多址方式。工作时所有地面站可以不受发射时间和频率的限制（可以相互重叠），只是接收端会根据匹配的地址码收取信息。

4）空分多址（SDMA）：是一种按地域划分空间波束覆盖的技术，就是由卫星发出的是多个窄波束，分别指向不同的空间区域，这样就可以不同区域里使用同样的频率进行工作，也不受时间限制，但在同一波束里工作的地面站还是必须采用FDMA/TDMA/CDMA中的一种方式来划分使用的资源，以使工作互不干涉。常见的成熟系统代表如iPstar系统。

四、如何查看和利用卫星覆盖图——典型的卫星覆盖图案例介绍

卫星EIRP覆盖和G/T覆盖示意图是我们进行设备配置及链路计算时经常要用到的，从卫星信号覆盖图上可以查到卫星公司提供的相应卫星在各地接收及发射信号的相对能力强弱情况。通过EIRP信号覆盖示意图（图3-9），可以考察卫星转发下来的信号在各地覆盖强弱关系，图中等值线标值越高代表信号强度越大，相应地在该地可配置的天线口径就可以相对减小；通过G/T信号覆盖示意图（图），可以考察卫星针对各地上行信号的接收灵敏度，同样图中等值线标值越高的地方表示在需要同等发射能力的情况下可以配置相对较小的功放。

具体精确的天线及功放配置需要通过卫星公司做专业的链路计算得到，但相对关系可以通过覆盖图得到。例如，在EIRP值为52、D/T 值为5的地区（参考地区：北京）配置了一面天线、16W 功放；如果需要按同样的发射接收能力在EIRP值为49、D/T值为2的地区（参考地区：呼和浩特）配置天线和功放，需要相应改为 天线和32W功放。

图3-9 卫星EIRP覆盖示意图（dBW）

图3-10 卫星G/T覆盖示意图（dB/K）

无线通信息技术的发展及在数字化社区中的应用1、无线通信技术的发展过程回顾通信发展的历史，我们发现了一个非常有趣有过程：1832年莫尔斯发明了电报，它传送的信息是由众所周知的点划码组成的，即人类最早的通信是采用数字方式进行的。以后贝尔又发明了电话，并由此造就一个电信产业。一个多世纪以来，以电话服务为主的电信业走了一条成功之路，取得了极大的发展。然而随着人类社会的发展，电信业务也从早期的电报、电话发展到今天多种业务并存的局面，通信的规模也发生了翻天覆地的变化。随着科学技术的发展，现代通信又进入了数字时代。20世纪90年代信息革命的浪潮，建设信息高速公路的号角声，信息和知识爆炸式的增长，特别是因特网商用化后的迅猛发展，使传统的电信业受到巨大的震动和冲击。带给我们的启示是，问题的核心在于“信息”。在信息和知识已成为社会和经济发展的战略资源和基本要素的时代中，人们更加需要随时随地获取信息，原来点对点的固定电话通信方式已远不能满足需求了。人类需要宽带的无线通信技术，来满足多媒体化、普及化、多样化、全球化和个性化的信息交流。无线通信是指采用电磁波进行信息传递的通信方式。早在1897年，马可尼使用800KHZ中波信号进行了从英国至北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的线无电报通信试验，开创了人类无线通信的新纪元。在无线通信初期，受技术条件的限制，人们大量使用长波及中波进行通信。20世纪20年代初人们发现的短波通信，直到20世纪60年代卫星通信兴起前，它一直是远程国际通信的重要手段，并且目前对应急通信和军用通信依然有一定实用价值。20世纪40年代到50年代产生了传输频带较宽、性能较稳定的微波通信，成为长距离大容量地面干线无线传输的重要手段。模拟调频传输容量高达2700路，亦可同时传输高质量彩色电视信号；尔号逐步进入中容量至大容量数字微波传输。80年代中期以来，随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现及一系列自适应衰落对抗技术与高状态调制与检测技术的发展，使数字微波传输产生了一个革命性变化。特别应该指出的是20世纪80年代到90年代发展起来的一整套高速多状态自适应编码调制解调技术与信息号处理及信号检测技术，对现今卫星通信、移动通信、全数字HDTV传输、通用高速有线/无线接入，乃至高质量磁性记录等诸多领域的信号设计与信号处理及应用，发挥了重要作用。随着国民经济和社会发展的信息化，人们要通信息化开创新的工作方式、管理方式、商贸方式、金融方式、思想交流方式、文化教育方式、医疗保健方式以及消费与生活方式。无线通信也从固定方式发展为移动方式，移动通信发展至今大约经历了五个阶段；第一阶段为20年代初至50年代初，主要用于舰船及军有，采用短波频及电子管技术，至该阶段末期才出现150MHZ VHF单工汽车公用移动电话系统MTS.第二阶段为50年代到60年代，此时频段扩展至UHF450MHZ，器件技术已向半导体过渡，大都为移动环境中的专用系统，并解决了移动电话与公用电话网的接续问题。第三阶段为70年代初至80年代初频段扩展至800MHZ，美国Bell研究所提出了蜂窝系统概念并于70年代末进行了AMPS试验。第四阶段为80年代初至90年代中，为第二代数字移动通信兴起与大发展阶段，并逐步向个人通信业务方向迈进；此时出现了D-AMPS、TACS、ETACS、GSM/DCS、cdmaOne、PDC、PHS、DECT、PACS、PCS等各类系统与业务运行，频段扩展至900MHZ~，而且除公众蜂窝电话通信系统外，无线寻呼系统、无绳电话系统、集群系统、无中心多信道选址移动通信系统等各类移动通信手段适应用户市场需求同时兴起并各显神通。第五阶段为90年代中至今，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第三代移动通信开始兴起，其全球标准化及相应融合工作与样机研制和现场试验工作在快速推进，包括从第二代至第三代移动通信的平滑过渡问题在内。对于第三代移动TMT-2000纷纷参与标准的制定，经多次融合努力在1999年10月25日至11月5日芬兰赫尔辛基召开的ITU-R TG8/1第18次会议上5类RTT技术标准共6种方案成为最终结果。中国的TD-SCDMA方案也已成为其中之一。应该指出，UTRAWCDMA DS及TIA cdma2000MC的相应起步样机已经诞生，包括以GSM、csmaOne后向兼容为基础的第二代半过渡设备（G）EDGE、cdma IS-95B HDR（峰值速率，64QAM调制）及cdma2000-1X等亦已推出。此外，为接续Internet移动游览应用的无线应用协议（WAP）与无线连接技术蓝牙（Blue tooth）已经产生。从网络的角度来看，接入网可分成有线接入网和无线接入网、光缆同轴混合接入网、铜线电缆、对绞线、电话（一般为铜线）接入网等等；无线接入技术是近些年迅速发展起来的新技术领域，它从概念上产生了一个重大的飞跃，即不需要缆线类物理传输媒质而采用无线传播手段来代替部分接入网甚至入网的全部，从而达到降低成本、提高灵活性和扩展传输距离的目的。无线接入网品种繁多，如移动卫生系统，蜂窝移动通信系统，集群通信系统，一点到多点微波通信系统，微波蜂窝的无线本地接入系统（PHS、PAS、PACS、DECT）等。短距离之内的接入技术主要有蓝牙（Blue tooth）、红外线、DECT、和共享无线接入协议（SWAP）/HomeRF等系统。继广域网（WAN、Wind、Area Network或城域网，MAN，Metropolitan Area Network）、局域网（LAN，Local Area Network）之后，最近人们又提出了“无线个域网”（WPAN、Wireless Personal Area Network）。这一新概念将小范围应用提升至网络理论的高度。在短短的时间，WPAN成为一个受人瞩目的新热点，WPAN的研究组成立不到1上，就演变为IEEE的专门工作组（即WPAN Working Group，于1999年3月成立），可见其受重视的程度。比较而言，Blue tooth系统更具有代表性，它正根据WPAN的概念向前发展。事实上，Blue tooth和WPAN的概念相辅相成，Blue tooth已经是WPAN的一个雏形。从它最初由Ericsson，IBM，Inter，Nokia和Toshiba公司作为原始发起组织而推出，1年多时间已吸引了近2000个国际上有影响的公司参与。1999年底，美国的4家公司3COM，Lucent，Microsoft和Motorola，与上述5公司一样作为Blue tooth的发起组织，使它在与SWAP、等类似应用标准的竞争中脱颖而出，发展前景更加明朗。为了推动Blue tooth的发展，Blue tooth的标准是非专利的，Blue tooth已成为目前通信领域的一个新热点，预计不远的将来就可成为小范围无线多媒体通信的国际标准。总之，无线通信技术前景一片光明。2、我国无线通信技术的发展当前，中国是世界各国通信技术运营商和设备制造商关注的焦点，大家都希望在中国的市场上占有自己的发展空间和市场份额。移动通信在中国发展十分迅速，中国移动通信的走向一直为世人所瞩目。1987年11月，我国广东正式开通了第一个TACS制式模拟蜂窝移动通信系统，实现了移动电话用户“零”的突破。1994年底，广东又首先开通了GSM数字蜂窝移动通信系统，至1995年，全国已15个省、市也相继开通了GSM移动通信网。迄今为止，全国各省、自治区、直辖市面上都建设了GSM网，实现了国内和国际的全自动温游。目前我国正在积极准备在21世纪初期开展第三代移动通信的商用试验。从1987年至今，我国移动电话用户数的增长很快，尤其是GSM网更是以人们始料不及的速度在迅猛发展。这主要是因为GSM系统在技术和经济方面均比TACS系统有较大的优势，更重要的是我国在GSM运营领域引入了竞争机制，促进了GSM网的发展。我国的移动通信用户已超过了8000万，位居世界第二。近10年来，我国在移动通信领域的科研、设备生产等方面也取得了可喜的进步。国产移动通信设备—交换系统、基站和手机等都已经投入生产，并陆续投放市场，第三代移动通信系统的开发和研究也正与世界同步。可见，中国无线通信在运营业与制造业上已取得了第一阶段的成功。3、今后无线通信技术的趋势21世纪的电信技术正进主一个关键的转折时期、未来十年将是技术发展最为活跃的时期。信息化社会的到来以及IP技术的兴起，正深刻的改变着电信网络的面貌以及未来技术发展的走向。未来无线通信技术发展的主要趋势是宽带化、分组化、综合经、个人化、主要特点体现为以上几个方面：（1）宽带化是通信信息技术发展的重要方向之一。随着光纤传输技术以及高通透量网络节点的进一步发展，有线网络的宽带化正在世界范围内全面展开，而无线通信技术也正在朝着无线接入宽带化的方向演进，无线传输速率将从第二代系统的向第三代移动通信系统的最高速率2Mbit/s发展。（2）核心网络综合化，接入网络多样化。未来信息网络的结构模式将向核心网/接入网转变，网络的分组化和宽带化，使在同一核心网络上综合传送多种业务信息成为可能，网络的综合化以及管制的逐步开放和市场竞争的需要，将进一步推动传统的电信网络与新兴的计算机网络的融合。接入网是通信信息网络中最具开发潜力的部分，未来网络可通过固定接入、移动蜂窝接入、无线本地环路入等不同的接入设备，接入核心网实现用户所需的各种业务。在技术上实现固定和移动通信等不同业务的相互融合，尤其是无线应用协议（WAP）的问世，将极大地推动无线数据业务的开展，进一步促进移动业务与IP业务的融合。（3）信息个人化是下世纪初信息业进一步发展的主要方向之一。而移动IP正是实现未来信息个人化的重要技术手段，在手机上实现各种IP应用以及移动IP技术正逐步成为人们关注的焦点之一。移动智能网技术与IP技术的组合将进一步推动全球个人通信的趋势。（4）移动通信网络结构正在经历一场深刻的变革，随着网络中数据业务量主导地位的形成，现有电路交换网络向IP网络过渡的趋势已不可阻挡，IP技术将成为未来网络的核心关键技术，IP协议将成为电信网的主导通信协议。随着移动通信通用分组无线业务（GPRS）的引入，用户将在端到端分组传输模式下发送和接收数据，打破传统的数据接入接式。以IP为基础组网，开始了移动骨干网IP应用的实践。4、无线通信技术在数字社区中的应用无线通信技术的发展为实现数字化社区提供了有力的保证，数字化社区提供了有力的保证。数字化社区的特点是信息的交流非常的广泛和方便，无论是实验室、办公室还是家庭，计算机及其外设的应用越来越普及，社区中的设备也都有电脑控制。如果它们之间的通信仍然采用有线方式的话，这将给使用带来很大的不便。Blue tooth技术为我们建立一个全无线的工作环境和生活环境，Blue tooth标准已制定了和计算机以及与Internet、PSTN、ISDN（Integrated Services Digital Network）、LAN、WAN、xDSL（xDigital subscriber loop）等网络的接口协议，其目标是用单一的Blue tooth标准来建立起和众多国际标准的连接。目前它用1Mb/s的速率已完全可以胜认这些工作，将来根据的发展计划，可以将速率提高到20Mb/s以上。我们可以使用无线电缆来连接办公室和家庭中的电子设备，甚至包括键盘、鼠标等也采用无线传输。我们拥有一个无线公务包，以便携计算机和掌上计算机为代表，采用无线方式和其他设备或网络相连接，使我们拥有一个可流动的办公室。Internet和移动通信的迅速发展，使人们对电脑以外的各种数据源和网络服务的需求日益增长。数字照相机、数字摄像机等设备装上Blue tooth系统，既可免去使用电缆的不便，又不可不受内存溢出的困扰，随时随地可将所摄图片或影像通过同样装上Blue tooth系统的手机或其他设备传回指定的计算机中。PDA（Personal Digital Assistant）装上Blue tooth系统后，采用无线方式收、发E-mail甚至浏览网页将更为方便。Blue tooth的硬件电路可以做到微型化，在Headset上应用非常合适。装上Blue tooth系统的Headset可以使它和手机进行无线连接，也可以使人在小范围内自由走动地打电话、收听音乐，在较大的范围内召开电话会议。微型化、低功耗和低成本的特性给Blue tooth在人们日常生活中的应用开拓了近乎无限的空间。例如，Blue tooth构成的无线电电子锁比其它非接触式电子锁或IC锁具有更高的安全性和适用性，各种无线电遥控器（特别是汽车防盗和遥控）比红外线遥控器的功能更强大，在餐馆酒楼用膳时菜单的双向无线传输或招呼服务员提供指定的服务（如添茶、加饮料等）将更为方便等。利用蓝牙做出来的传感器可以随时监视家庭中的冰箱存量的变化，从而随时反映出用户所需要的物品，如果再连接到Internet上的话，可以实现网上购物。未来的信息家电将以Internet和家庭网络为基础、以无线连接实现双向传输，是具有一定智能的3C（Computer、Communication和Consumer）相融合的信息产品。以蓝牙技术设计的数字手机、家庭及办公室电话、小型PBX等电话系统，实现了真正意义上的个人通信。蓝牙提供了低成本、低功耗的无线接入式，顺应了现代通信技术和应用的发展潮流，在信息家电和移动通信等方面具有巨大的发展潜力。蓝牙技术自提出以来，在短短的2年内已风靡全球。根据市场调查和预测，1999年蓝牙技术的产品全球销量几乎为零，2000年猛增到3670万美元，2001年将在到亿美元，2006年可达到到亿美元；2002年，全球使用蓝牙技术的计算机外围设备将达到亿台，使用蓝牙技术笔记本电脑将达到2500万部；2003年全球90%以上的笔记本电脑将使用蓝牙技术，2006年全球将推出亿台使用蓝牙技术的信息家电。回顾无线通信的发展历程，个人通信的移动性与无缝隙覆盖多媒体综合业务需求将愈来愈突出。频谱延伸至毫米波、亚毫米波的电磁“无线光纤”乃至激光与粒子通信范畴的无线通信将有愈来愈广阔的活动舞台及光明的发展前景。市场是发展的驱动力。尽管我国的移动通信和互联网发展十分迅速，但我国目前的移动电话和网络用户普及率还很低，面对我国12亿人口，我国在网络规模和容量方面有很大的发展空间。同时，竞争局面的形成，促使运营企业积极拓展新业务、新应用，向用户提供丰富的选择，以满足用户多方面、多层次的需求。因此，在移动通信和互联网上的应用开发也有很大的发展潜力。我们要积极促进无线领域的科技进步、技术创新，为实现科教兴国战略，增强中华民族的综合国力，为全球信息化及经济全球化环境下的国际社会与全人类的发展而积极贡献力量。

利用通信卫星和广播卫星传输电话和广播电视节目是卫星应用技术的重大发展。那么，通信卫星是怎样工作的呢？卫星通信系统是由通信卫星（空间部分）和通信地面站（地面部分）两大部分构成的。在这一系统中，通信卫星就是一个悬挂在空中的通信中继站。它居高临下，视野开阔，只要在它的覆盖照射区以内，不论距离远近都可以通信，通过它转发和反射电报、电视、广播和数据等无线信号。通信卫星工作的基本原理是：从一个地面站发出无线电信号，这个微弱的信号被卫星通信天线接收后，首先在通信转发器中进行放大，变频和功率放大，最后再由卫星的通信天线把放大后的无线电波重新发向另一个地面站，从而实现两个地面站或多个地面站的远距离通信。例如一位在亚洲的用户要通过卫星与大洋彼岸的美洲另一位用户打电话，就要先通过长途电话局把用户电话线路与卫星通信系统中的地面站连通，地面站把电话信号发射到卫星，卫星接到这个信号后通过功率放大器，将信号放大再转发到大西洋彼岸的地面站，地面站把电话信号取出来，送到受话人所在的城市长途电话局转接用户。电视节目的转播与电话传输相似。但是由于各国的电视制式标准不一样，在接收设备中还要有相应的制式转换设备，将电视信号转换为本国标准。电报、传真、广播、数据传输等业务也与电话传输过程相似，不同的是需要在地面站中采用相应的终端设备。随着航天技术日新月异的发展，通信卫星的种类也越来越多。按服务区域划分，有全球、区域和国内通信卫星。按用途分，有一般通信卫星、广播卫星、海事卫星、跟踪和数据中继卫星以及各种军用通讯卫星。摘自：lanyue