衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案班級(jí)：011241學(xué)號(hào)：01姓名：一、背景及研究目標(biāo)衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信簡(jiǎn)單地說就是地球上(包括地面和低層大氣中)的無線電通信站間利用衛(wèi)星作圍大,只要在衛(wèi)星發(fā)射的電波所覆蓋的范圍內(nèi),從任何兩點(diǎn)之間都可進(jìn)行通信,不易受陸地災(zāi)害的影響(可靠性高);只要設(shè)置地球站電路即可開通(開通電路迅速),同時(shí)可在多處接收,能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)廣播!多址通信(多址特點(diǎn));電路設(shè)置非常靈活,可隨時(shí)分散過于集中的話務(wù)量,同一。衛(wèi)星在空中起中繼站的作用,即把地球站發(fā)上來的電磁波放大后再反送回另一地球站"由于靜止衛(wèi)星在赤道上空3.6它繞地球一周時(shí)間恰(2356分4秒)一致120度的衛(wèi)星就能覆蓋整個(gè)赤道圓周"故衛(wèi)星通信易于實(shí)現(xiàn)越洋和洲際通信"。通信衛(wèi)星的最大特點(diǎn)就是可以為移動(dòng)用戶之間提供通信服務(wù),具有覆蓋區(qū)域更廣，不受,,:GEO35786km其角速度與地球表面旋轉(zhuǎn)的角,單顆GEO衛(wèi)星覆蓋范圍較廣約占地球總面積的1/3),最大可覆蓋緯度±70[1],GEO,導(dǎo)致其與地面終端之間,250ms,鏈路損耗也較大。對(duì)于GEO除地球南、北極區(qū)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。MEO衛(wèi)星通常位于距離地面高度為10000km～20000km之間的圓形軌道上,其與地面終端之間的通信延時(shí)約為120ms,鏈路損耗也相對(duì)較小。LEO星座系統(tǒng)中的LEO衛(wèi)星通常位于距離地面高度為500000km道上25鏈路損耗也最小。目標(biāo)本文中所設(shè)計(jì)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋目標(biāo)區(qū)域?yàn)橹袊?guó)大陸和沿海地區(qū),為便于討論,將目標(biāo)區(qū)域抽象成圓心在東經(jīng)105°、北緯30°、地心角為26°的一個(gè)圓內(nèi),其范圍基本包括了中國(guó)大陸、領(lǐng)海以及部分周邊地區(qū)。GEOQPSK調(diào)制方式FDMA每載波單路信號(hào)的FDMA（SDMA-SCPC-FDMA）,下行鏈路為衛(wèi)星交換的TDMA每載波單路信號(hào)的FDMSDMA-FDMA-MCPC-TDM。.LTE隨機(jī)接入策略為ALOHA信道分配為按需分配方式。傳輸協(xié)議為IP協(xié)議。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路為：用戶終端→信息編碼→調(diào)制器→上變頻器→功率放大器→衛(wèi)星接收、下變頻→解調(diào)、路由→上變頻、發(fā)射→接收機(jī)與解調(diào)器→用戶終端。二、星座設(shè)計(jì)星座的覆蓋形式衛(wèi)星星座的覆蓋要求是由星座所要完成的任務(wù)來決定的。根據(jù)不同的任務(wù)確定不同的覆蓋方式，一般說來，星座的覆蓋形式可以分為以下四種。第一種是持續(xù)性全球覆蓋（ContinuousGlobalCoverage，指對(duì)全球不間斷連續(xù)覆蓋；第二種是持續(xù)性地帶覆蓋ContinuousZonalCoverag，指對(duì)特定緯度范圍之間的地帶進(jìn)行不間斷的連續(xù)覆蓋；第三種是持續(xù)性區(qū)域覆蓋ContinuousRegionalCoverag，指對(duì)某些區(qū)域（如一個(gè)國(guó)家的版圖進(jìn)行連續(xù)的覆蓋；第四種是部分覆蓋PartialorRevisitCoverage，既指覆蓋區(qū)域?yàn)榫植繀^(qū)2-2。衛(wèi)星的軌道參數(shù)分析在區(qū)域性非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)中,區(qū)域性系如果采用低軌衛(wèi)星,則需要的衛(wèi)星數(shù)太多,成,,,利影響較小;并且系統(tǒng)的切換、控制不像低軌系統(tǒng)那樣頻繁和復(fù)雜,技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小;同時(shí),如果采,,,應(yīng)采用高軌衛(wèi)星星座方案。中高軌衛(wèi)星就軌道類型而言有圓軌道和橢圓軌道兩大類道,其傾角可在20°～50區(qū),對(duì)中國(guó)地區(qū)區(qū)域性覆蓋的衛(wèi)星系統(tǒng)須采用回歸軌道。如果用TC

表示一個(gè)恒星日,一個(gè)衛(wèi)星的運(yùn)行周期TS

滿足如下條件:TTTCS n式(1)中,n,,1310000km8000km,、6h4.8h,n3、5。當(dāng)n為偶數(shù)時(shí),星下點(diǎn)的軌跡交點(diǎn)不在赤道上,而在赤道的兩邊交替出現(xiàn),交點(diǎn)的個(gè)數(shù)為2n。如圖1,n=4,10000km、周期約為6h、軌道傾角50°的衛(wèi)星在一個(gè)恒星n=2是高度最,軌道周期為12h,高度為20200km,;n=6或更大的偶數(shù),6500km以下,靠近地球的內(nèi)輻射帶。較好的軌道是高度為10000km當(dāng)n,星下點(diǎn)的軌跡交點(diǎn)在赤道上交點(diǎn)數(shù)為n,對(duì)于中國(guó)的區(qū)域覆蓋效果較上述nn=124h,36000km,,用一顆衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)以其星下點(diǎn)為中心的區(qū)域性覆蓋,更容易受到射頻武器的攻擊和干擾。區(qū)域的情況,如圖2。其中:S1、S2——相鄰兩顆衛(wèi)星的星下點(diǎn)?！欢ㄑ鼋菞l件下覆蓋區(qū)對(duì)應(yīng)的地心角?！噜弮深w衛(wèi)星星下點(diǎn)與地心連線夾角的一半。,也就是覆蓋通道的地心角寬度的一半。J——服務(wù)區(qū)邊緣的點(diǎn),在實(shí)際中取距離星下點(diǎn)軌跡最遠(yuǎn)的點(diǎn),以使服務(wù)區(qū)全部在兩個(gè)圓的并集內(nèi)。使用一定高度的衛(wèi)星組成對(duì)中國(guó)連續(xù)覆蓋的星座,其所需要的最少衛(wèi)星數(shù)可以通過式(2)～式(4)進(jìn)行估算。其中:ns——所需衛(wèi)星數(shù)。n——衛(wèi)星在一個(gè)恒星日內(nèi)圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的圈數(shù)。——有效覆蓋的最小可視仰角。hE——衛(wèi)星離地面的高度。RE——地球半徑(約等于6378km)。,取26°,在最小仰角大于5°條件下10000km時(shí)8要適當(dāng)調(diào)整衛(wèi)星參數(shù),,心在軌跡上時(shí),服務(wù)區(qū)能夠被很好地覆蓋,這時(shí)相鄰衛(wèi)星間的配合就可以達(dá)到最佳,每顆衛(wèi)星星座為8,軌道面為2個(gè)軌道傾角為55°,兩個(gè)軌道平面右旋升節(jié)點(diǎn)相對(duì)于參考子午線的經(jīng)度分別為210°及300°,每個(gè)軌道平面內(nèi)4顆衛(wèi)星均勻分布,初始相角為90°;兩軌道平面間衛(wèi)星初始相差為0°,此星座軌道面少機(jī)動(dòng)性較好。三、通信體制所謂衛(wèi)星通信體制,是指一個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng),為了獲得最佳效率及最小的信息傳輸失真所采用的一定信號(hào)傳輸方式及一定的信號(hào)交換方式。衛(wèi)星通信體制的確定,關(guān)系到全網(wǎng)的具體組成和全網(wǎng)的使用效率與性能。傳輸數(shù)字信號(hào)的稱為數(shù)字;又傳輸數(shù)字信號(hào)的稱為數(shù)模兼容衛(wèi)星通信系統(tǒng)。不管是哪:多路復(fù)用基帶處理個(gè)單一(TDM)(CDM)等,(去)(解(解)以提高傳輸性能和抗干擾能力。調(diào)制與解調(diào);從射頻、信道中提取基帶信號(hào),作與調(diào)制相反的變換。調(diào)制解調(diào)一般是在中頻上進(jìn)行的。衛(wèi)(FM);1972年前后開始在SPADE申.星通信進(jìn)人了數(shù)字化時(shí)代。多址聯(lián)接與信道分配多址聯(lián)接是衛(wèi)星通信的一大特色,也是衛(wèi)星通信體制一中的重點(diǎn)問題之一。它是在衛(wèi)星射頻信道上解決信號(hào)的合與分的一種多路復(fù)用技術(shù)。它使衛(wèi)星網(wǎng)中的許多地球站,可以通過,分信號(hào)和區(qū)分地址是一致的。若一個(gè)站發(fā)送幾個(gè)射頻載波,則區(qū)分信號(hào)與區(qū)分地址并不完全通信的效用和靈活的自適應(yīng)能力。衛(wèi)星通信中調(diào)制解調(diào)方式(QPSK)調(diào)頻制的衛(wèi)星電路一定要保證其解調(diào)器工作在門限點(diǎn)以上3~4dB,以保證正常接收。為,門限擴(kuò)展解,24通的解調(diào)器的低4~6dB。寬帶的電視門限擴(kuò)展解調(diào)器最多能擴(kuò)展2~3dB。若擴(kuò)展3dB,衛(wèi)星,調(diào)頻解調(diào)器性能對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的影響很大。最常用的是PSK。其中又以QPSK況下,QPSK2ΦPsKQPSK2ΦPSK信此兩個(gè)2ΦPSK因此QPSK2ΦPSK,在相同的誤碼率下所需的E/N,而QPSK所需的帶寬僅為2ΦPSK的一半;PSKb 0的相位數(shù)大于8,,,現(xiàn)的難度也增加。已不適于衛(wèi)星電路傳輸。衛(wèi)星通信的多址聯(lián)接方式多址聯(lián)接方式的種類繁多,各有各的特性和用途。下面對(duì)本系統(tǒng)所需的3種多址聯(lián)接方式作一一簡(jiǎn)介。頻分多址聯(lián)接頻分多址是把衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的頻帶按射頻信號(hào)所需的帶寬,分割成許多具有一定寬度而又,,接收地球站擠收衛(wèi)星所有須隙,并用射須或中頻濾波器選出所需要的頻隙。頻分多址聯(lián)接示1所示。500MHz:,N個(gè)大小不同的頻隙給NA地球站分到f頻隙,它發(fā)給其他地球站的信號(hào),所組成的基帶就載在f上,發(fā)向衛(wèi)星;衛(wèi)星將f,A A A轉(zhuǎn)換成下行線頻隙f'A

,其他地球站都接收到f'A

信號(hào),各從f'A

信號(hào)中取出發(fā)給本站的信號(hào)。以此類推就實(shí)現(xiàn)了多址聯(lián)接通信。(如80、40MHz等然后根據(jù)4/6GH:z頻段的500MHz,一般是分割成12,4/6GHz500MHz,2440MHz,扣可用帶寬約為36MHz一是按單個(gè)話路所需要的載波帶寬來分割。時(shí)分多址是用不同的時(shí)隙來區(qū)分各地球站的地址、其聯(lián)接示意圖如圖4(a),;將每個(gè)幀分為互不重疊的一,稱為分幀。幀結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(b)(a)每個(gè)地球站上行線指配以一個(gè)小時(shí)隙,各地球站載波信號(hào)采用相同的頻率,在定時(shí)同步系統(tǒng)的控制下,按照所指配的小時(shí)隙,依次地進(jìn)人衛(wèi)星;接收地球站接收所有的時(shí)隙信號(hào),用選通器選出所需要的脈沖群信號(hào)。時(shí)分多址方式,在任何一個(gè)瞬間,只有一個(gè)地球站的載波通過衛(wèi)星,衛(wèi)星行波管可工作于接近飽和狀態(tài)不致產(chǎn)生交調(diào)·,使,因此對(duì)各地球站發(fā)射信號(hào)電平穩(wěn)定度要求并不如FDMA:,,可以;,而且各站可有17.2us措施,時(shí)分多址方式分幀之間必須有一定的保護(hù)時(shí)隙,另外,每個(gè)分幀均有一個(gè)不直接用于通信的報(bào)頭時(shí)隙,系統(tǒng)中地球站越多,一幀中保護(hù)時(shí)隙和報(bào)頭時(shí)隙所占的時(shí)間也越多,這些時(shí)隙的存在,不但使幀效率降低,而且會(huì)使衛(wèi)星功率得不到利用,造成衛(wèi)星功率損失。為了防止分幀進(jìn)入衛(wèi)星時(shí)重疊,時(shí)分多址方式必須采取嚴(yán)格的網(wǎng)定時(shí)和比特同步的,,也降低了TDMA系統(tǒng)。、空分多址空分多址聯(lián)接是以空間正交性來分割地球站信號(hào)的。每一個(gè)地球站上行線分配一個(gè)空隙,;轉(zhuǎn)發(fā)這些信號(hào);各接收地球站則接收各自的空隙信號(hào)?？辗侄嘀分辉谟刑卮髽I(yè)務(wù)量的地球站(ss),址聯(lián)接方式。基于上述描述，我們采用如下多址方式。上行鏈路: 衛(wèi)星交換的FDMA每載波單路信號(hào)的FDMA（SDMA-SCPC-FDMA）在終端每路信號(hào)進(jìn)行調(diào)制變頻放大后以一條獨(dú)立載波發(fā)送出去SS-FDMA系統(tǒng)中，通常存在多個(gè)上行鏈路波束和多個(gè)下行鏈路波束，沒個(gè)波束內(nèi)均采用FDMA方式，各波束使用相同的頻帶（空分多址載波頻率選路到相應(yīng)的下行鏈路波束上，即在SS-FDMA方式中，載波頻率與需要去往的上下行鏈路波束之間有特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，轉(zhuǎn)發(fā)器可以根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)不同波束內(nèi)FDMA載波之間的轉(zhuǎn)換。上圖給出了SS-FDMA對(duì)于SS-FDMA來說，每個(gè)上行鏈路載波在星上都有一個(gè)濾波器與之對(duì)應(yīng)。去往某個(gè)下行鏈路的上行鏈路載波都必須在星上被選路到覆蓋該接收地球站的下行鏈路波束。在任一波束中的每條上行鏈路在任何時(shí)候都可以連接到任一波束中任何下行鏈路。除了可以實(shí)現(xiàn)空分頻率復(fù)用外，SS-FDMA波束內(nèi)所有的下行鏈路進(jìn)行功率控制，從而避免大波束抑制小波束現(xiàn)象。下行鏈路: 衛(wèi)星交換的TDMA每載波單路信號(hào)的FDMA（SDMA-FDMA-MCPC-TDMA）如果上行鏈路和下行鏈路同時(shí)使用FDMA的話，由于衛(wèi)星非線性的增益放大，系統(tǒng)之載波的TDMA。這樣就可以極大地減少載波之間的交調(diào)干擾。配給各地球站的是特定的時(shí)（或突發(fā)）TDMA決不會(huì)出現(xiàn)互調(diào)和大載波抑制小載波的現(xiàn)象，從而可使衛(wèi)星的功放工作在飽和區(qū)，能夠獲得到最大的衛(wèi)星輸出功率。四、信道的申請(qǐng)及信道分配4所示。從圖可以看出，衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，直接將LTE技術(shù)用于整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)并4LTE技術(shù)引入到衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中必須要考慮到新系統(tǒng)的上行接入技術(shù)的適應(yīng)性問題，例如衛(wèi)星信道的大延遲和各種衰落。GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)具備系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單而且易于建設(shè)等優(yōu)點(diǎn)。其次，考慮到衛(wèi)星鏈路傳播時(shí)延、自由空間損耗、附KaLTELTE技術(shù)引入GEO信道的大時(shí)延特性、自由空間損耗、附加衰減等，以上衛(wèi)星通信的特征是約束衛(wèi)星通信中引入LTE3GLTELTEGEO5所示。其中，GeNB為信關(guān)節(jié)點(diǎn)B(GeNB,Gateway-stationeNode。由圖可以看出，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由核心網(wǎng)和接入網(wǎng)組成。核心網(wǎng)中有較多節(jié)點(diǎn)連接，而接入網(wǎng)只有終端一個(gè)接入節(jié)點(diǎn)。本文研究是基于接入網(wǎng)中的終端和衛(wèi)星之間的接口，繼而對(duì)其上行接入技術(shù)展開研究。下面討論衛(wèi)星信道特性及LTE的理論基礎(chǔ)。上下行接入相關(guān)技術(shù)分析上下行隨機(jī)接入終端的主要工作就是發(fā)送前導(dǎo)信息和隨機(jī)接入信息(SIR,SignaltoInterference門限以上的接收信號(hào)SIR主要通過系統(tǒng)消息獲得。預(yù)留的時(shí)隙ALOHA協(xié)議，下面對(duì)LTE系統(tǒng)的隨機(jī)接入和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的多址接入進(jìn)行探討，并分析了LTE系統(tǒng)的隨機(jī)接入引入到衛(wèi)星通信系統(tǒng)中存在的問題及難點(diǎn)。4.1.2LTE隨機(jī)接入策略分析（基于資源預(yù)留的時(shí)隙ALOHA方式協(xié)議）LTE是傳統(tǒng)3G的隨機(jī)接入繼承了傳統(tǒng)3GLTE（SDMA-SCPC-FDMA）的傳輸技術(shù)，下行采用的是TDMA每載波單路信號(hào)的每載波單路信號(hào)的FDMA（SDMA-FDMA-MCPC-TDMA）的傳輸技術(shù)：而傳統(tǒng)的3G系統(tǒng)都是(CDMA,CodeDivisionMultiple的傳輸技術(shù)。在LTE系統(tǒng)中，隨機(jī)接入是一個(gè)基本功能，終端用戶只有通過隨機(jī)接入過程，與系統(tǒng)的上行同步以后，才能夠被(UE,UserEquipment)和網(wǎng)絡(luò)的同LTE系統(tǒng)的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議采用基于資源預(yù)留的時(shí)隙ALOHAALOHA(AdditiveOn-lineHawaii6所示。每個(gè)站均可以自由地發(fā)送數(shù)據(jù)幀ALOHA的吞吐率和負(fù)載的關(guān)系為：如圖6所示：當(dāng)負(fù)載G=0.5S=0.184。當(dāng)G=0.51發(fā)送幀1未發(fā)送數(shù)據(jù)，所以用戶1的發(fā)送必定成功。這里不考慮由信道不良而產(chǎn)生的誤碼。但隨后用戶2和用戶3發(fā)送的幀2和幀3在時(shí)間上重疊了一些，也就是產(chǎn)生了“碰撞（有時(shí)也有可能是多方重傳。但是發(fā)生碰撞的各方不能馬上進(jìn)行重傳，因?yàn)檫@樣做就必然會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生碰撞。ALOHA再發(fā)生碰撞，則需要再等待一段隨機(jī)的時(shí)間，直到重傳成功為止。（長(zhǎng)度為幀的時(shí)長(zhǎng)）ALOHA的吞吐率和負(fù)載的關(guān)系，當(dāng)負(fù)載G=0.5時(shí)。這是吞吐量S可能達(dá)到的極大值。純ALOHA很容易發(fā)生。為提高ALOHA系統(tǒng)的吞吐量，可以將所有用戶在時(shí)間上都同步起來，并將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)隙的ALOHA系統(tǒng)叫做時(shí)隙ALOHA或S-ALOHA。其工作原理如圖7所示。從圖7可以看出，每一個(gè)幀在到達(dá)后，一般都要在緩存中等待一段時(shí)間（TsloALOHAALOHA的吞吐率和負(fù)載的關(guān)系為SGe-G，當(dāng)負(fù)載為N=1時(shí)，時(shí)隙ALOHA可以達(dá)到理論最大吞吐率S=0.36。LTE隨機(jī)接入可分為基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入和基于非競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入。LTE中初始的隨機(jī)接入過程，是一種基于競(jìng)爭(zhēng)的接入過程。4個(gè)步驟：：前導(dǎo)序列傳輸：隨機(jī)接入響應(yīng)：MSG3發(fā)送：沖突解決消息所謂MSG3，其實(shí)就是第三條消息，因?yàn)樵陔S機(jī)接入過程中，這些消息的內(nèi)容不固定，有時(shí)候可能攜帶的是RRC的連接請(qǐng)求，有時(shí)候可能會(huì)帶一些控制信息甚至是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，因此簡(jiǎn)稱為MSG3。eNodeBeNodeB接收到此類隨機(jī)接入前導(dǎo)碼時(shí)UEUE產(chǎn)生沖突。因而非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入過eNodeBUE信道分配：按需分配（DA）方式根據(jù)信道分配可變的程度不同，與電話蜂窩系統(tǒng)一樣，