2022年移动卫星通信系统及其关键技术 .pdf

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1、移动卫星通信系统及其关键技术江苏润迅通信发展公司曹锦1 移动卫星通信概述移动卫星通信1.1 移动卫星通信系统分类移动卫星通信系统的分类可按其应用来分,也可按它们所采用的技术手段来分。按应用分 ,则分为海事移动卫星通信系统(MMSS) 、航空移动卫星通信系统(AMSS) 、陆地移动卫星通信系统(LMSS) 。MMSS旨在改善海上救援工作,提高船舶使用效率和管理水平,增强海上通信系统特征是能向用户提供移动业务MSS， 并且利用卫星作中继站。所利用的卫星既可以是对地静止的卫星(GEO)，又可以是对地非静止的卫星:如中轨道(MEO) 、低轨道(LEO) 和高椭圆轨道(HEO) 卫星等。可以称为卫星通信

2、与移动通信结合的产物，既是一种提供移动业务的卫星通信系统，又是一种采用卫星作中继站的移动通信系统。业务和无线电定位能力。AMSS 的主要用途是在飞机与地面之间为机组人员和乘客提供话音和数据通信业务。LMSS 主要是利用卫星为行驶在陆地上的车辆提供通信。通常人们根据卫星系统采用的技术手段和运行轨道，可分为对地静止轨道(GEO)卫星移动通信系统和对地非静止轨道(如低轨道LEO、 中轨道 MEO 和高椭圆轨道HEO)移动卫星通信系统)。 GEO 系统采用静止卫星进行通信(如Inmarsat 的 ICO) ，而 LEO、MEO 和 HEO 系统则采用多颗卫星组成的星座进行通信 (如 Iridium 、

3、Globalstar、Teledesic)。1.2 卫星轨道分类与特点具体分类情况如下，hmax 表示离地面的最大高度：低轨道 (LEO) 卫星： hmax5000km 运行周期 24 小时；中轨道 (MEO) 卫星： 5000kmhmax20000km 运行周期12 小时以上；同 步(GEO) 卫星： hmax35860km 运行周期 24 小时在地球外层大气中，存在着一种辐射能带，叫范艾伦辐射带，它是地球外层大气中的放射性粒子受地球重力场和磁场的影响被浓化而集中起来的辐射能带，它围绕地球呈双层环带状，内带范围在离地面约20008000km 处，外带范围在离地面约15000200000km

4、处，它的幅射线对卫星的各种器件有较大影响。此外，在离地面高度500km 以下的空间，由于大气密度增加，导致摩擦加剧，将缩短卫星的寿命。2 移动卫星通信信道特点移动卫星通信信道是时变信道，特性复杂、恶劣，存在多径效应、多普勒频移和阴影效应严重影响数字信号传输的可靠性。多径效应是移动信道最典型的特征， 它对接收信号的影响是多方面的，首先多径效应会引起接收信号幅度的深度衰落， 造成在某些时间间隔中电平低于接收机的检测门限时，使误码率增大甚至通信中断；其次多径效应造成的时延将在接收信号中引起码间串扰，导致误码增加； 最后由于收、 发两端相对运动带来较大的多普勒频移对检测性能有很大影响， 加上多径效应，

5、 这种频移成为多普勒频展，在接收信号相位中形成随机调频噪声，使得无论如何提高发射功率，误码率只能降到某一下界。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 下面具体介绍卫星移动通信中存在的多径衰落、Doppler 效应和电离层闪烁。2.1 多径衰落多径衰落大致有三种情况：一般的漫反射、镜面反射和有遮蔽时的情况。一般漫反射是指一般的陆地或非平滑海面所形成的反射，并且是没有遮蔽的情况。移动站接收到的信号是幅度恒定的直射波信号与漫反

6、射的多径干扰信号（其概率密度函数服从瑞利分布）的合成，合成信号的概率密度函数服从莱斯（Ricean）分布。对于漫反射环境，可以用直射信号的载波功率与平均的多径干扰功率之比C/M （或称之为莱斯因子）来度量。对于平滑海面、大湖泊环境，则用镜面反射理论来分析。对于漫反射环境，如果直射信号受到建筑物、树林等遮蔽， 那么移动站接收到的信号是受遮蔽的直射信号（概率密度函数服从对数正态分布）与多径干扰（概率密度函数服从瑞利分布）的合成。 由于直射信号相对于多径衰落是一个慢变过程，也可认为合成信号包络在一个小时间范围内服从莱斯分布。遮蔽对陆地移动卫星通信系统电波传播的影响很大。试验表明， 在轻微遮蔽情况，

7、譬如路旁只有电线杆及偶见的树或不密的小树林地区，衰落大致与 C/M=6dB的莱斯分布接近，而车载站行使在树林较密的地区或小村庄、窄街道时，信号电平大大跌落，甚至跌落可达2030dB。抗多径衰落一般有以下几种措施：采用交织编码与卷积编码相结合的技术，从一些实际系统资料可以看出，这种技术应用十分普遍，且采用较完善的交织措施后， 衰落可减小2.5dB 的损耗， 大大减小了多径衰落的备余量。采用极化成形技术，在卫星移动通信系统中一般采用圆极化技术，采用极化成形技术 （例如调节天线极化的椭圆形状使极化尽可能与多径干扰正交）可减小多径衰落的影响。此外还可以采用多单元天线与空间分集、移动站在小范围内选择场地

8、、重复发送与多数判决等措施来减小多径衰落的影响。2.2 多普勒效应移动站的运动和卫星的移动及漂移均可引起多普勒效应。多普勒频移fd 可按下式计算fd=f0 v/c（ Hz） ；式中 f0 是工作频率， v 是物体之间径向相对速度， c 是光速 3108m/s。此外，移动物体运动速度变化（例如加速或减速）所引起的多普勒频移的变化，用多普勒率来表示（Hz/s） 。多普勒效应不仅使载波发生偏移， 从而偏离滤波器中心频率使输出信号幅度下降，而且在一个码元的信号持续时间内有较大的相位误差。为了减小和对抗多普勒频移，在系统设计时，工作频率可适当选低一些，普遍采用差分调制，并且不用相干检测，解调器也具有校正

9、多普勒效应的功能。2.3 电离层闪烁当电波通过电离层时，受电离层结构的不均匀性和随机时变性影响，造成信号振幅、 相位、到达角、 极化状态等短周期的不规则变化，会形成电离层闪烁现象。由于卫星移动通信系统工作频率较低（如VHF 、L 波段等），所以电离层闪烁效应必须考虑。对付电离层闪烁衰落影响的有效方法是时间分集或编码分集、重复发送与多数判决等措施。3 移动卫星通信调制技术卫星移动通信信道编码和调制技术的研究是当前国际上卫星通信的热门课题。传统的信道技术设计是折衷带宽利用率和功率效率的二维设计考虑，随着新近的超大规模集成(VSLI) 数字电路技术的发展，使得在处理复杂度上的限制越来越小， 所以当前

10、的设计是在处理复杂度、频带利用率和功率效率之间采取三维方式折衷， 这就使得在设计时可以充分利用可行的复杂度来换取带宽和功率的好处。先进的信道调制解调、编译码技术已用于通信的许多领域(如地面名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 数字移动网和卫星接收机等)，随之带来通信系统中获得越来越好的性能。关于卫星移动信道的调制、编码的几个发展方向将在下面作简要介绍。3.1 采用先进复杂的调制体制目前对卫星移动通信的调制方式研究主要有

11、两种，即扩频调制技术和窄带调制技术。 扩频调制特点有：信号质量好， 扩频码分多址为频率再利用和多址访问提供了有效的综合解决能力，网络带宽效率是窄带的2-4 倍。但也有明显的缺点： 在给定频率带宽条件下，限制了用户峰值传输速率；存在动态功率控制(避免远近效应)、码同步等问题的解决，目前关于扩频调制的研究正着眼于这些方面。窄带调制目前基本上仍采用传统的QPSK、MSK 及其改进型以适应高速率的要求。 为了进一步降低成本和功耗，最近又提出许多功率和带宽相对高效的新的调制体制，但是如上面所述，它们的实现复杂度都很高。3.2 采用复杂的检测算法在卫星移动信道下，由于快速时变的随机相位变化使得本地载波难以

12、准确地恢复，而DPSK 的差分检测由于其不需要载波恢复电路、具有快速同步捕获性能、无相位模糊且在多径衰落下有较好的性能而得以在移动信道中广泛采用，但差分检测较之相干检测需更高的信噪比(SNR)。针对 DPSK 的相位变化具有记忆性的特点，提出了一系列改进检测方式来提高其性能，其一是基于最大似然序列检测(MLSD) 的方式，但MLSD 实现起来非常复杂，所以通过牺牲稍许性能换取复杂度的次最佳方法也就先后提出。典型方法是ADACHI和SAWAHASHI提出的应用于MDPSK差分相位检测的判决反馈方法，其在AWGN 条件下可获得的可观的检测增益，当判决反馈长度L?(时，其检测性能趋近于相干检测， 在

13、莱斯衰落信道下获得增益稍有一些下降。但它的缺点是在SNR 较低且 L 较大时很容易产生突发性误码，给后续的FEC 正确纠正带来困难。另外有Samejima 提出的非冗余误差纠错(NEC) 也可获得 1-2dB 的好处。3.3 采用最佳译码方案改善整体性能自香农定理提出以来，人们一直在寻求性能好、延时小、实现简单的纠错码，但实际上这种探索是令人沮丧的，要获得好的编码性能，其译码就越困难，设备就越复杂。 一种编码方案能否得到实用，不仅取决于其译码性能，更取决于它的译码复杂度。数字移动信道中，在允许一定的冗余度范围内，通常都采用纠错编码技术来提高传输可靠性及降低SNR 的要求。对移动信道的突发性错误

14、，目前通用的方案是用交织和纠随机错误码相结合的方式。现在较常用的有卷积码、 RS 码、 BCH 码、级联码等。最近 C.Berrou 等提出的Turbo-码是纠错控制编码研究领域内的重大进展，它是基于广义级联码概念上的一种新型编码，又称为并行级联码。它不仅有优异的编码性能， 并且其独特的编码结构使得可以采用并行译码算法，这样就大大降低了实时译码（采用软判决迭代译码算法）的复杂度，进而可用VLSI 实现。另外， 由于它在编码时就溶入了交织编码，使得它特别适合于纠正移动信道的突发错误。 目前， 还有许多理论问题尚未解决，而且它的编译码时延比较大，限制了它在话音实时通信中的应用，但可望在数字广播电视

15、、分组数据传输中得以良好应用。3.4 不等误差保护码(UEP) 在数字话音或数字电视传输中，只有很少一部分数据是非常重要的(如信道信令部分 )，需要重点保证这部分数据无误传输，而其它部分要求则可相对降低，但常规纠错码只能给予各部分数据等误差保护，这就不得不以提高整体性能来保证重要数据无误传输，显然代价要很大而实际效果甚微，造成资源浪费。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 不等误差保护码可以对不同信息位加以不同的纠错能

16、力，最佳地利用传输资源。早期的UEP 工作主要是研究这类码字的构造，现在这方面的工作是研究设计一种适用于UEP 的调制方案，如研究编码DS-CDMA移动传输的UEP，采用多电平编码调制的UEP。3.5 编码调制技术通常的信道编译码和信道调制解调过程是相互独立考虑的，纠错编码抗干扰技术是以牺牲一定的有效性来换取可靠性改善的，所以一直以来认为两者的矛 盾 是 不 可 调 和 的 ， 而 继 将 调 制 和 编 码 相 结 合 的TCM(Trellis coding Modulation) 理论提出后，宣告了这一时代的结束。TCM 的最大优点是在不展宽系统带宽的情况下，可获得良好的性能改善，所以这一

17、理论一经提出就得到飞快发展。 目前已有相关的调制器和解调器的专用集成芯片问世，并且 CCITT在 V.33 的建议中，建议在进行高速话带数据传输时，使用二维8 状态 4/5 码率的 TCM ，它比 QPSK 有 4dB 的性能改善。 目前该方向非恒包络的振幅/相位调制理论仍在发展，另外研究在移动衰落信道下的抗衰落性能也颇受关注。3.6 联合信源信道编码与常规信源、信道独立编译码方式相比，采用联合信源信道编码可获得更多的好处。 实际上， 由于信源本身的非平稳性引起信源编码输出的数据流仍具有剩余冗余度， 数据之间具有高度相关性。在这种情况下，可以将“信源重要信息”从信源编码器送入信道编码器来进行“

18、信源控制信道编码”，然后在接收端，“信源控制的信道译码”采用先验和后验信息（分别从信源编码器和信源译码器获得） 对信源比特进行处理。这些技术基于 “让接收端获得尽可能多的信源信息”的基本原理。由于卫星移动信道的复杂性，决定了用于卫星信道的数字Modem 存在着Doppler 频移补偿、信号检测和位定时等技术的应用，这些技术的研究对于数字 Modem 的整体性能都有着重要影响。调制解调的理论发展很迅速，研究的广度和深度都在不断扩大，其中MPSK 调制由于其实现的简单性和其差分解调在衰落条件下的健壮性应用较为广泛。结束语卫星通信提供商业服务至今已有30 多年 ,其发展过程可概括为以下阶段：国际卫星

19、通信、国内卫星通信、VSAT 及移动卫星通信和空间信息高速公路。移动卫星通信系统具有无缝隙覆盖、远距离业务能力、容量可分配功能，并兼有定位 /导航等优点，所以它与地面通信网相结合，可构成高质量、大容量的全球个人通信网。对于第三代移动系统无论是ITU 的 IMT-2000还是 ETSI 的UMTS 均包含了移动卫星通信网，在下一代移动通信系统中，移动卫星网作为一个分系统同样是不可缺少的。请发表你的意见名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -