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

Abstract

As a national key infrastructure communication, as well as an organic part of the global mobile communications, Star 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 business, 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 widespread 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 and 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 after 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 signal, 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

目录

第一章绪论 (1)

1.1 课题研究背景 (1)

1.2 低轨卫星移动通信发展概述 (2)

1.2.1 低轨卫星移动通信现状 (2)

1.2.2 低轨卫星移动通信发展历程 (3)

1.2.3 低轨卫星移动通信在个人通信中的地位 (4)

1.3 本文研究内容及章节安排 (5)

第二章低轨道卫星移动通信系统 (6)

2.1工作原理 (6)

2.2 低轨卫星移动通信系统 (6)

2.3 低轨卫星通信系统的优缺点及其话务量特点 (7)

2.3.1 优点 (7)

2.3.2 缺点 (8)

2.3.3 业务量分布的特点 (8)

第三章无线信道 (8)

3.1 无线信道特性 (9)

3.2 多径传播 (9)

3.3多径衰落 (9)

3.3.1定义 (9)

3.3.2产生原因 (10)

3.3.3主要分类 (11)

3.4 多普勒频移 (13)

3.41 概述 (13)

3.42 发生原因 (13)

第四章多径传播的模拟实验 (15)

4.1 实验目的 (15)

4.2 实验原理 (15)

4.3 实验内容 (15)

4.5 实验心得 (20)

结语 (21)

致谢 (22)

参考文献 (23)

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，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、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 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、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、IS-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，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 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。