1、低轨道卫星移动通信系统方案 摘要作为一种国家关键的基础通信设施，以及全球移动通信的有机组成部分，卫星移动通信系统在国家安全、紧急救援、互联网、远程教学、卫星电视广播以及个人移动通信等方面得到了广泛的应用。新一代宽带卫星通信系统可以提供个人电信业务、多信道广播、互联网的远程传送，是全球无缝个人通信、互联网空中高速通道的必要手段。近年来卫星通信新技术不断发展，特别是低轨道卫星移动通信系统受到了人们的广泛关注，其研究与应用已成为各国的战略发展重点。无线资源管理是低轨卫星移动通信系统研究中的一项重要内容，这主要是由于卫星系统的资源是非常昂贵的，因此如何合理而有效地管理并利用卫星系统的资源已成为关键。通
2、过对低轨道卫星无线通信信道的基本特点的研究，文章具体从无线信道的缺点进行分析，并进行了matlab仿真模拟，得出信号经过多径信道的幅频特性，多径信道对不同频率信号的衰减情况不同，即具有频率选择性，以及信号经过多径信道的衰减情况，以及码元间隔对传输信号的影响，信号的码元间隔必须远大于信号的时延差，才能尽量的减小码间干扰。关键词：低轨卫星通信，信道，信道特性AbstractAs a national key infrastructure communication, as well as an organic part of the global mobile communications, St
3、ar mobile communication system in national security,emergency rescue, Internet, satellite TV broadcasting, remote teaching and personal mobile communication has been widely used in such aspects. A new generation of broadband satellite communication system can provide personal telecommunication busin
4、ess, multicasting, remote transmission, the Internet is a global seamless personal communications, high-speed Internet air passage means necessary. Satellite communication technology development in recent years, especially in low orbit satellite mobile communication system has received the widesprea
5、d attention, its research and application has become a national strategic priorities. Wireless resource management is the study of Leo satellite mobile communication system is an important content, this is mainly due to the satellite system resources is very expensive, therefore how to reasonable an
6、d effective management and use of the resources of satellite system has become a key.Through the low orbit satellite studies the basic characteristics of wireless channel, the article specifically from wireless channel faults is analyzed, and the matlab simulation, it is concluded that the signal af
7、ter a multipath channel amplitude frequency characteristics, multipath channel attenuation is different on different frequency signal, which has the frequency selectivity, as well as the attenuation of the signal through the multipath channel, and the influence of element spacing to transmission sig
8、nal, the signal of the symbol interval must be greater than the signal delay is poor, can try to reduce intersymbol interference.KEY WORDS: LEO satellite， Channel，Channel characteristics第1章绪论1.1 课题研究背景卫星移动通信系统扩大了陆地移动通信系统地理覆盖和业务覆盖的范围，可以为空中、海面和复杂地理结构的地面区域的各类移动终端提供服务，特别适用于航海、航空、低业务量地区、地面网覆盖有限的应用环境。在军民两
9、用、平战结合、应急通信等方面具有不可替代的作用和重要意义。例如，为了保证覆盖用户可能的各种操作环境，全球化个人通信网采用层次型的多重蜂窝结构，其中卫星段提供包括海洋和极地在内的全球覆盖，是地面网在某些地区的延伸，同时可用于缓解地面网的通信拥塞，使得无需增加地面网的无线频谱即能支持更多的用户和更大的通信量。市场的巨大需求、卫星通信的实时性、终端的小型化等要求促成了中、低轨道（MEO：Median Earth Orbit；LEO：Low Earth Orbit）卫星移动通信的发展。MEO/LEO卫星移动通信的特点是中、低轨道卫星快速围绕地球旋转，即使终端没有移动，它与卫星间的通信链路也在不停地改变
10、，用户和卫星的双重移动性与卫星用户呼叫业务的多样性，以及移动终端运动模式的变化，使得卫星移动通信系统中的信道分配与切换控制变得更为复杂，并且有其独特之处，如卫星在规定轨道上运行，终端与卫星间通信链路的改变具有可预测性、规律性和周期性等特征。由于卫星移动通信系统所具有的独特优势，人们对它能够提供的业务也提出了多种要求，包括通过卫星终端进行话音、多媒体业务、可视电话等通信，Internet 业务，如 E-mail、WWW 浏览、电子商务等在移动网上的应用也更为普遍。信息、教育类业务具有很好的应用前景。这些业务对无线基础设施的要求有：可靠的无线网络保证用户可以在任意时刻、任意地点使用所需的业务；支持
11、多播；具有位置管理能力；在多个异构网中具有漫游能力；安全性要求：鉴权和通信保密；自动协商能力；业务质量要求，如时延、丢信率等；支持多媒体应用。由于不同的业务具有不同的传输速率，同时用户对 QoS 要求的不断提高，因此，如何有效地利用有限的无线资源，以满足各种不同速率业务的 QoS 需求，已经成为通信系统能否取得成功的关键。无线资源管理是对卫星移动通信系统空间段与地面段之间的空中接口资源进行规划和调度，研究的目的是利用有限的无线资源，在保证波束覆盖和服务质量要求的情况下，尽可能地接入更多的用户。如果没有良好的无线资源管理技术，即使再好的传输技术也无法发挥出其应有的优势。由于卫星移动通信系统研发、
12、维护运行的成本昂贵，所以提高无线资源利用率一直是追求的主要目标。通常无线资源管理包括频谱、时间、功率、空间以及特征码等要素，涉及到一系列与无线资源分配有关的过程，这些过程都要求能够实时地完成。在卫星移动网络中，不但用户是动态的，随时都有可能发起呼叫或终止呼叫，并在网络内部移动；空中接口的空间段卫星也是动态的，LEO 卫星在空间轨道上围绕地球快速旋转，卫星脚印覆盖时间是分钟级的，点波束的覆盖时间是秒级的，这造成网络内频繁的切换。陆地移动通信中业务量主要随着白天和夜晚的变化而变化，每天的变化规律大致相同；而在卫星系统中，对业务量变化有重要影响的因素有多种，除了当地时间是白天还是夜晚外，卫星在一个轨
13、道运行周期中越过大陆、海洋和极地等地区，导致业务量在短时间的剧烈变化；其他因素还有地球自转、地区经济发展不平衡等，使得业务量的变化在每个卫星轨道运行周期也不相同。综合考虑这些因素，卫星移动通信系统中无线资源管理的复杂程度要远远高于陆地移动通信系统，陆地移动通信系统中的无线资源管理及信道分配策略也无法适应卫星移动通信系统。无线资源管理的核心是对呼叫请求合理地分配无线资源，在保障服务质量的同时，充分提高信道利用率。1.2 低轨卫星移动通信发展概述1.2.1 低轨卫星移动通信现状 作为一种延时小、全球无缝覆盖的系统，低轨卫星移动通信系统在近四十年来得到迅猛发展。据截至 2006 年 12 月 27
14、日的统计结果，在轨运行的各类卫星多达 844颗，低轨卫星有 390 颗，在低轨卫星中提供区域和全球通信服务的有 197 颗。西方国家在低轨卫星通信技术方面的研究已成体系，已建立并投入使用的中低轨道及小卫星星座移动通信系统就已达 20 多个，其中最具代表性是铱星 Iridum 系统、全球星GlobalStar 系统、ORBCOMM 系统、Cosmos 系统以及 ICO 系统等。宽带卫星通信系统是目前的发展方向，目前正在研发中的提供宽带业务的系统有 Teledesic、 Skybridge、Orblink、M-star、Celestri 等。这些卫星移动系统提供实时移动通信业务，主要用于话音、数据
15、通信、多媒体通信、位置信息服务等方面。1.2.2 低轨卫星移动通信发展历程卫星移动通信始于 20 世纪 70 年代，早期的卫星非常简单，只能支持用于车辆和飞行器的通信，不能支持大量的小型终端用户，这是因为当时人们对卫星移动通信信道的理解还不够深入，移动终端小型化的技术也不成熟。在随后的 20 年中，很多研究机构和大学对卫星移动通信信道开展了大量的实验和研究。为了实现在任何时间、任何地点与任何人通信的美好愿望，以及对市场的乐观估计，相继有多个非静止轨道卫星移动通信系统被开发出来并投入运行。铱星系统在 1998 年投入使用，是世界上第一个投入商业运行的全球覆盖低轨卫星移动通信系统，它可以提供话音、
16、传真、数据和寻呼等业务。但是卫星个人移动通信的发展道路却十分坎坷。铱星系统采用了直到现在仍然较为先进的星上处理和星间链路技术，它解决了卫星网与地面蜂窝网之间、蜂窝网之间的跨协议漫游，实现了卫星终端手机化，实现了全球个人移动通信的设想。但同时也暴露出一些问题，在技术问题上是切换掉话率高达 15，其他问题主要是非技术因素，包括业务收费高、有地区差异、手机价格高并且供货不足等。铱星系统原计划在 1995年投入运营，它的市场策略和价格策略都是基于当时地面移动通信网很不发达的情况制定的，但是由于技术复杂、研制周期长、成本高等原因，它在 1998 年底才投入运行。但这时地面蜂窝网络已经焕然一新，GSM、I
17、S-95 等系统终端比卫星终端重量轻、价格低，64kb/s 的数据速率远高于铱星 2.4kb/s 速率，通信也较铱星系统可靠，运营成本远低于铱星系统。凭借这些优势，地面蜂窝网络迅速占领了拥有最大用户群体的城市地区，铱星系统完全失去了原先所设想的目标用户和市场领域，并导致卫星个人移动通信系统在与陆地无线蜂窝网络的竞争中惨遭失败，“铱星”、“轨道通信卫星”等低轨道星座的公司在 2000 年前后相继破产，“全球星”系统的市场经营也一直萎靡不振。自此卫星个人移动通信系统的发展跌至低谷。时至今日，局面已经很清楚，全球卫星个人移动通信系统在与陆地无线蜂窝网络的竞争中是没有优势的，卫星移动通信不应与其竞争，
18、而应成为陆地通信网络的延伸和补充。通过这一场你死我活的较量，新的铱卫星公司（Iridium Satellite LLC）从老铱星公司的失败和挫折中获得了深刻的教训和宝贵的经验。价值 50 亿美元的铱系统被新的铱公司以 2500 万美元收购，并于 2001 年 3 月 28 日由新的铱卫星公司重新提供服务。在破产保护法注销了老铱星公司 30 亿美元的沉重债务的前提下，他们在市场定位、经营策略、增加业务种类、增多用户层面、降低手机价格、增加终端种类以及推行与主要电信供应商合作的发展战略等诸多方面进行了重大的调整，并付之实施，取得了卓有成效的业绩。并且发射了补充卫星，目前在轨卫星数达到 78 颗。全
19、球星系统也采取了类似的措施，到 2006 年 8 月为止，它已在 120 多个国家拥有业务合作伙伴，。它为关键的工业领域用户，包括商业运输、林业、航空、能源、矿业、边远地区建筑业和海事活动等，以及紧急救援、政府机要通信、军事领域等提供不可替代的通信服务。不论从发射补充卫星还是从经营业绩来看，以上事实充分说明卫星移动通信系统正在恢复活力。1.2.3 低轨卫星移动通信在个人通信中的地位目前，第二代（2G）蜂窝移动通信系统在市场上仍占主导地位，第三代系统（3G），如 UMTS 也已崭露头角，而第四代系统（4G）正处于酝酿阶段。国际移动通信标准IMT-2000（International Mobile
20、 Telecommunications-2000）提供了一个兼容现存的和将来的通信系统的同一框架，为了支持任何人、任何时间、任何地点的通信，它将低轨卫星移动通信系统纳入其框架内，如 S-UMTS（Satellite-UMTS）系列协议，制定了卫星空中接口标准以及与地面网络的互连互通协议等。卫星段的主要作用是提供全球覆盖、提供地面网络的替代方式和无缝覆盖等。卫星通信为那些不能建立地面链路的地方提供连接，例如，在一些发展中国家，由于维护宽广地域的地面基础通信设施费用昂贵，如果不利用卫星通信技术，就会限制现代通信技术的应用。从长远观点看，陆地通信网络向农村和边远地区发展越来越不经济，也越来越困难，卫
21、星个人移动通信占领这一阵地只是时间迟早的问题。在通信基础设施贫乏的地区，如两个岛屿之间，卫星通信可以提供无缝覆盖能力。当前地面频谱资源的日益紧张，逐步向更高频段发展，同时也造成信道传输的新问题，如建筑物遮挡和屏蔽问题更加突出。但是，由于卫星天线居高临下，可以克服部分遮挡问题。目前，卫星移动通信系统已经在使用 Ku 和 Ka 频段，具有更多的可用频率。因此，可以预见卫星移动通信系统的发展将有光明的前景。1.3 本文研究内容及章节安排第一章为绪论，简单介绍了课题研究背景，接着低轨道卫星移动通信的现状，发展历程与它在个人移动通信中的地位做了说明。第二章首先对低轨道卫星移动通信系统的工作原理做了简单的
22、介绍，着重分析了低轨道卫星地动通信系统的优缺点。第三章从信道的特征出发对信道传输的过程中产生问题进行具体分析。第四章为多径传播的信道模拟。第2章低轨道卫星移动通信系统2.1工作原理 低轨道卫星移动通信系统的工作原理与前面介绍的“蜂窝”式移动通信的原理相似。如图2-1尽管每颗卫星所能覆盖的地域低轨道卫星比同步卫星小得多，图2-1 卫星分布但比移动通信中基地台所覆盖的面积却大多了。实际上，一颗低轨道卫星就相当於陆地移动通信系统中的一个“基地台”，而形成覆盖区域的天线和无线电中继设备都安在卫星上。不同的是，這个“基地台”不是建立在地面上，而是被倒挂在天空中。地面站与空间卫星的联系，以及卫星与卫星间的
23、联系是在“K”频带上建立的；而卫星与地面移动台如车、船和手持移动电话机的人之间的信息联系则建立在“L”频带之上的。“铱”系统卫星通信计划的实施，实现了人們在地球上的任何地方，无论陆地、空中和海洋，只要拨通一个电话号码便可与远隔千山万水的亲人通话的目的。2.2 低轨卫星移动通信系统卫星移动通信系统包括三个部分，即空间段、控制段和地面段。如图 2-2所示。其中，空间段由空中所有的卫星组成。这些卫星分布在多个轨道面上，形成一种特定的卫星星座结构。一颗卫星的覆盖区域有限，卫星移动通信要求在全球的任何位置，在任何时刻至少被一颗卫星所覆盖，所以必须采用多颗卫星组成卫星网络的方式协同工作，该卫星网络被称为卫
24、星星座。通常一个卫星星座由多个位于不同轨道平面的卫星环组成，每个卫星环又由多颗在同一轨道内不同相位上运行的卫星组成。星座设计也是卫星应用中的重要问题。图 2-2低轨卫星移动通信系统控制段由卫星通信系统的所有地面控制和管理设施组成，对运行的卫星实施跟踪、遥测和控制等管理功能，对卫星通信网各网络节点、链路进行监测、控制及日常维护。地面段包括用户终端、业务地面站等。用户终端中有手机、便携设备、舰载或航空器上的通信终端、移动站和甚小孔径终端（VSAT）等，它们将用户直接连接到空间段。业务地面站又称为关口站、地面站（GS：Ground Station），相当于陆地蜂窝网中的移动交换中心 MSC/VLR，
25、负责交换和通信控制等功能，并且通过它实现卫星通信网络与地面通信网络互连。与陆地蜂窝网相似，低轨卫星通信网中存储用户所有签约信息的数据库也称为 HLR，当用户漫游到某个关口站服务范围时，通过位置更新过程，将用户在 HLR 中的信息复制到该关口站的 VLR 中。2.3 低轨卫星通信系统的优缺点及其话务量特点2.3.1 优点 经过五十多年的发展，GEO 卫星在通信、电视转播等方面的应用已经趋于成熟，它的缺点也越来越显著，如体积大、重量大，需要大型助推火箭，发射准备时间长；只有一个轨道面，可容纳卫星数量有限；不能覆盖极地地区；距离地球遥远，通信延时长，波束覆盖区大，频谱利用率低，容量有限；终端发射功率
26、大，不易小型化等。相对 GEO 卫星通信系统，MEO/LEO 卫星通信系统有诸多优势，对用户而言通信时延缩短，数据传输速率更高，终端重量、体积与普通陆地移动通信终端相差无几，还可以与陆地移动通信系统兼容，真正做到全球无缝接入。对运营商而言，卫星体积小、重量轻，利用现代发射技术可以一箭两星同时发射入轨，系统频谱利用率高，容量增大。因此，随着卫星制造技术的进步和市场需求的逐渐旺盛，MEO/LEO 卫星通信系统的发展方兴未艾。2.3.2 缺点 低轨卫星通信系统也存在着固有的缺点，如需要卫星数量较多，这样它的地面控制、维护系统就比较复杂。对通信来讲，影响较大的问题是波束切换和星间切换。低轨卫星相对地球
27、高速运动，使得终端在通信过程中需要频繁的切换到其他波束或卫星上才能继续通话，以铱星系统为例，其最小切换时间间隔 10.3s，平均切换时间间隔277.7s。实现切换需要一系列信令操作过程，频繁的切换加重了系统的信令负荷。切换越频繁，切换失败的概率也越大，铱星在系统运行初期切换成功率只有 85，后来经过改进达到 9298，与陆地移动通信系统的切换掉话率不高于 510-4的指标相比相差甚远。切换产生掉话的主要原因是切换发生时，系统带宽资源不能满足切换呼叫最低的带宽需求。2.3.3 业务量分布的特点昂贵的卫星信道成本是影响卫星通信市场发展的主要瓶颈之一，如何在保证服务质量的前提下提高信道利用率是有效降
28、低通话成本的关键。低轨卫星系统中，卫星轨道高度为 500km1500km，相对地面运动速度 7km/s，卫星点波束的覆盖半径为200500km，绕地轨道运行周期约为 24 小时。一般来说，由于地球自转，卫星运行第二个周期开始时，其星下点的位置相对第一个周期偏移 2000km4000km。低轨卫星的这种运行特点，导致了通信系统中的业务量不但受到当地时间、人口分布和经济发展的影响，还受到非均匀的地理分布的严重影响。在短暂的运行周期中，卫星不断地越过大陆、海洋或极地，越过海洋或极地上空时，业务量几乎为零，而越过大陆上空时，业务量陡然上升，形成冲激脉冲形态的业务量变化。第三章无线信道3.1 无线信道特
29、性信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻，对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我们想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。3.2 多径传播从发射机天线发射的无线电波（信号），沿两个或多个路径到达接收机天线的传播现象。无线电波是一种电磁波，其传播的主要方式是空间波，即直射波、反射波、折射波、绕射波以及它们的合成波。当无线电波遇到物体时，产生反射、折射和散射，而在电波传播的过程中会遇到不同的物体，因而会产生不同的发射、折射和散射，所以在任何一个接受点上
30、均可能收到来自不同路径的同源电磁波，这就是多径传播。接收端接收到的信号是直达波和多个反射波的合成。由于大气折射是随时间变化的，传播路径差也会随时间和地形地物而变化。那么多径信号如果同相，则相加；如果反相，则抵消。由此造成接收端信号的幅度变化，称为衰落。由于这种衰落是由多径引起的，因此称之为多径衰落。在FM（调频）无线电广播中，在发射台和接收机之间，信号出现了二个或更多个的传播途径的情况。多径传播效应是由于大型建筑物或山脉反射信号所引起的。接收天线将会收到直达信号和经反射而有延迟的信号。多径效应会产生失真，在收看电视节目时，多径传播效应便会让图像出现“重影”。3.3多径衰落3.3.1定义在通信系
31、统中，由于通信地面站天线波束较宽，受地物、地貌和海况等诸多因素的影响，使接收机收到经折射、反射和直射等几条路径到达的电磁波，这种现象就是多径效应。这些不同路径到达的电磁波射线相位不一致且具有时变性，导致接收信号呈衰落状态；这些电磁波射线到达的时延不同，又导致码间干扰。若多射线强度较大，且时延差不能忽略，则会产生误码，这种误码靠增加发射功率是不能消除的，而由此多径效应产生的衰落叫多径衰落，它也是产生码间干扰的根源。对于数字通信、雷达最佳检测等都会产生十分严重的影响。 1、多径衰落是指在微波信号的传播过程中，由于受地面或水面反射和大气折射的影响，会产生多个经过不同路径到达接收机的信号，通过矢量叠加
32、后合成时变信号。多径衰落可分为平衰落和频率选择性衰落。2、信道时变多径特性造成接收信号电平的起伏现象被称为多径衰落，通常在移动信道中信号电平的起伏呈瑞利分布时这种信道称为瑞利衰落信道。3、由于这种衰落由多径引起的所以称为多径衰落，在移动通信中多径衰落多径环境。以瑞利(Rayleigh)衰落为主，他是移动台在移动中受到不同路径来的同一信号源的折射或反射等信号所产生，他的变化是随机的,因此只能用统计或概率的观点来定量描述。4、前者是由多径引起的，因此又称为多径衰落,它服从瑞利(Rayleigh)分布。它可能包含一段Text文本或一幅图片。g为真实重力值5、因此合成信号起伏很大，称为多径衰落.在分析卫星移动信道传播特性的概率分布模型时，多径效应主要是用瑞利分布描述衰落，简单的说是指接收点信号电平因受各种因素影响而随时间变化叫衰落。多径传播是由于无线传播环境的影响，在电波的传播路径上电波产生了反射、绕射和散射，这样当电波传输到接收天线时，信号不是单一路径来的，而是许多路径来的多个信号的叠加。因为电波通过各个路径的距离不同，所以各个路径电波到达接收机的时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时是同相叠加而加强，有时是反相叠加而减弱。这样接收信号
