卫星移动通信系统的发展现状

卫星移动通信系统的发展现状与应用

课题组成员:郜凌云刘萍吴龙飞张智力郑良缘周韦

一、概述

现有的地面通信基础设施不能为所有地区提供良好的通信服务,而在陆地、海上、空中、运输、救

灾、军事等许多环境下又需要移动通信服务。卫星通信网络在这种场景下是唯一的选择,这就是移动卫

星系统(MSS引起人们的关注,同时带来商机的原因。人们使用多点波束天线技术、低噪声接收技术及星上处理技术,使工作在L、S频段和新开发的Ku、Ka频段小型终端甚至是手机直接接入卫星系统。

而在卫星装备再生转发器并建立星间链路,就可以实现卫星不同波束间和卫星间的流量交换。

卫星在相应的轨道绕地球运转,按其轨道高度,可分为运行在地球赤道上的静止轨道卫星(GEO和非同步轨道卫星(non-GEO两种。

●静止轨道卫星运行在高度约35800km的赤道面上,长距离传输造成了巨大的传输路径损耗和通

信时延,典型的静止轨道卫星工作在S、L、Ku及Ka等频段上,频率越高损耗越大,所以需要尽量大尺寸的天线。因此,它比较适合固定卫星服务。但是仍然有一些GEO系统为移动通信提供服务。

●非静止轨道卫星有两种可用的轨道类型:500~2000km的低轨道(LEO和

8000~12000km的中轨道

(MEO。相对于静止轨道卫星,中低轨道卫星距地面近,具有较低的传输时延和线路预算。但是非静止轨道卫星系统复杂,需要多颗卫星来保证有效的覆盖率。这需要进行频繁的卫星天线波束间、不同卫星

间、甚至地面关口站间的越区切换。

MSS系统还会受到障碍物的遮挡、反射等问题影响,以及低功率便携式终端小天线回路预算的限制。为了解决这个问题,可以采用两种类似但又各具特色的设计方案:混合网络与综合网络。

混合网络是在不能看见卫星的情况下,用地面中继器来转发本地卫星信号,还可利用地面蜂窝系统

提供返回链路来简化移动终端的功率管理。由于使用了本地无线系统,卫星覆盖范围扩大到了室内和城市地区,基站可将卫星信号转换到本地无线系统,反之亦然。

综合网络是把地面蜂窝系统作为替代系统,连接移动用户的上行或下行通路。

二、卫星移动系统相关介绍

1.频段

卫星移动系统所使用的频段范围由世界无线电大会进行分配。固定卫星业务使用C/K频段,移动业

务使用较低的L/S频段。由于较低的信号损耗及大气影响,L/S系统可以采用小尺寸的车载天线。但随着宽带业务的需求,及可用的L/S频率资源的短缺(上行1980~2010MHZ,下行2170~2200MHZ,促使MSS系统向更高的频率发展,开始采用Ku和Ka频段。

目前,工作在Ku频段上的MSS系统可分为多种载体提供宽带业务,比如火车、飞机、汽车、舰船。Ku频段卫星的点波束主要覆盖陆地,因此这种MSS系统主要用于固定用户,不具备为海上用户提供良好覆盖的能力。

2.移动终端的天线及天线仰角

移动终端的天线系统要求高效可靠、高灵敏度、高增益及低干扰,因此移动终端一般采用全向天线。

为了改进链路设计,可以采用具有快速跟踪算法的相控阵定向天线来代替全向天线。移动终端能向各个

方向发射并接收信号,所以可能会对其他卫星网络造成干扰,例如低轨卫星系统与GEO系统间干扰。为此,需要对发射功率及最低仰角进行控制。

在MSS系统中,另一个重要的问题是移动终端天线所对卫星的最小仰角。在MSS系统环境下,需

避免最低的仰角出现,否则陆地移动用户会频繁地出现信号被树、建筑物、山等阻断的现象。而在空中和海上,这种情况不十分严重。增加仰角可以发送传输质量,但需要更多卫星,相应的系统造价也会增加。因此,MSS系统最佳的仰角大约为20度。但是在第一代MSS系统中,最小仰角只有大约10度。最小仰角的限制要求在星座设计时选择合适的卫星数量,这也是为什么GEO系统不能为两极地区提供服务的原因。

3.卫星天线及频率复用

使用高度指向的多点波束卫星天线是实现卫星移动通信的一个关键问题,此类天线由大型可展开反射面和馈源系统组成,现在GEO系统中卫星天线的直径最大可达到25m,在LEO卫星系统中天线可达到2m左右。由于点波束的集中覆盖可获得高天线增益,目前,系统设计的卫星天线可达上百个波束,即在GEO中可达百个,在LEO/MEO系统中可达到数十个。所分配的频率被分成不同的载波分给不同的波束,

以避免相邻波束间的干扰,而在相隔足够远的波束上的同一载波可以被重复使用。簇由一组波束组成,每个簇中所有载波都会被利用。簇的大小是指所包含的波束数量,比如在铱星系统中每个簇有12个波束、BGAN中每个簇有27个波束;在Thuraya系统中每个簇有21个波束。GEO系统,例如BGAN 和Thuraya系统中的簇规格较大。这是因为要覆盖同样的区域,GEO系统需要比LEO系统更窄的波束,卫星天线上的波束间距离更近,这意味着会有更大的相互干扰,因而需要更大的簇规格来减少干扰的影响。

三、MSS系统标准

目前可认为至少有以下5种标准与卫星移动系统有关:

●经由卫星的全球移动通信系统GSM

●卫星通用移动通信系统S-UMTS

●数字视频广播-版本2(DVB-S2及相关反馈链路标准;

●卫星数字多媒体广播(S-DMB

●数字视频广播卫星手持终端系统(DVB-SH

1.GSM

GSM是目前世界上最流行的蜂窝通信标准,它的通用分组无线服务技术(GPRS 支持包数据交换服务。GSM是地面系统,但它的“格式”也可以被推广应用到卫星系统中。欧洲电信标准协会(ETSI开发了GMR-1和GMR-2两个GMR规范,它们都源自于GSM,包含了GSM系统过渡到GEO系统的内容。GMR允许通过卫星接入到GSM核心网,除了地面蜂窝覆盖和频率复用的概念,GSM和GMR 还有其他相似之处,尤其是人们所关心的物理层之上的协议层的内容。移动终端可以是双模式,从而允许使用的地面GSM接口,或当地面信号消失时可使用GEO卫星的空中接口。

2.S-UMTS