衛星通信系統及關鍵技術分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u31656衛星通信系統及關鍵技術分析綜述 1208861.1衛星通信系統概述 1191991、衛星端 176392、地面端 156383、用戶端 144821.2地球同步衛星通信 241961.1.1地球同步衛星的特點 2100921.1.2亞洲5號衛星介紹 2123471.3衛星通信關鍵技術 3208091.3.1調制技術 331071.3.2編碼技術 3205371.3.3多址接入技術 4312261.3.4差錯控制技術 51.1衛星通信系統概述衛星通信是指地面站與衛星之間、地面站之間利用通信衛星轉發器實現的無線通信[5]，本設計采用地面衛星便捷站經由地球同步通信衛星轉發實現視頻通話。衛星通信系統由衛星端、地面端、用戶端三部分組成。衛星端衛星通信系統的衛星端由衛星母體與星載設備兩大子系統組成。衛星母體為星載設備提供能源并使整個衛星安全運行在其軌道上；星載設備則相當于中繼器，將地面站發出的電磁波處理放大后發送給另一地面站。地面端地面端是衛星系統與地面公眾網絡的接口，用戶可以通過地面站便捷地鏈接相應的衛星，形成通信鏈路完成通信；地面站還包括地面衛星控制中心、跟蹤、遙測及指令站。地面工程師可通過監控管理系統檢查、調試衛星狀態，確保衛星安全健康地運行；并通過指令系統調整衛星參數、天線增益等以滿足不同用戶地需求。用戶端用戶端即用戶用以鏈接衛星實現通信目的的各種終端。1.2地球同步衛星通信人們將軌道高度在100~120km的衛星稱為低軌衛星，軌道高度600~900km稱為中軌衛星，軌道高度2800~3700km稱為高軌衛星，而將距地面大約36000km的衛星稱為地球同步軌道衛星。1.1.1地球同步衛星的特點 由于地球同步衛星位于地球同步軌道，所以其運行周期與地球自轉周期相同，相對于地面靜止不動。因此將其應用與通信領域將有以下優點：覆蓋范圍廣，由于靜止軌道較高，故單顆衛星便可覆蓋約1/3的地球表面，只需3顆同步衛星便可完成全球組網。對星便捷，由于同步衛星相對于地面靜止，使用者只需將天線對準衛星便可進行通信，后續無需追蹤衛星軌跡。通信容量大，由于地球同步衛星頻帶較寬，故其可使用的波段范圍很大，因此便可覆蓋各種各樣的通信業務。通信質量高，經過衛星衛星“一跳”便可將信息傳送給對方，而不像微波接力通信那樣不斷中繼從而引入大量噪聲。不受環境影響，由于通信中轉站位于太空，因此不用擔心地形地貌、自然災害（洪澇災害、地震、大風）對通信路徑造成的影響。1.1.2亞洲5號衛星介紹 “亞洲5號”通訊衛星是由美國勞拉空間系統公司建造，為香港亞洲衛星有限公司所有的新一代通信衛星[6][7]。亞洲5號衛星的C頻段信號覆蓋北至俄羅斯，南至新西蘭；東起日本，西至中東及部分非洲國家，遍及亞太地區內50多個國家和地區。亞洲5號還裝有18個Ku波段轉發器（含備用轉發器4個）。其部分技術參數如表1.1所示：表1.1亞洲5號技術參數轉發帶寬54MHz上/下行極化方式線性雙極化（水平、垂直）行波管放大器功率150W轉發器特性帶自動電平控制或線性化器最大有效全向輻射功率(EIRP)53dBW最大品質因數(G/T)8dB/K最大飽和通量密度(SFD)-94dBW/m@G/T=odB/K，odB衰減1.3衛星通信關鍵技術1.3.1調制技術傳統數字調制方式有振幅鍵控（ASK）：用調制信號去控制載波的通斷；移頻鍵控（FSK）：用調制信號的正負去控制載波的頻率；移相鍵控（PSK）：用調制信號的正負去控制載波的相位。在衛星通信領域常常采用移相鍵控的調制方式，這是因為在衛星通信系統中含有高功率放大器等非線性器件，使得衛星通信的傳輸信道具有帶限及非線性特性，因此需要有包絡恒定和最小功率譜占有率特性的調制方式。目前常采用QPSK、OPSK、π/4DQPSK等，近幾年，隨著高速數據傳輸業務的發展以及轉發器和天線技術的突破，使得8PSK、16APSK、16QAM等高階調制方式逐步應用起來。比如在APSK調制中，相位與幅度信息是可以分離的，因此該調制方式能夠使用簡單的預失真法來實現相關的幅度非線性矯正，并且不會干擾相位特征，使得其在透明轉發的過程中功率效率不會明顯下滑[8]。目前在廣播電視衛星通信領域廣泛應用著APSK調制技術，并且業務范圍還拓展到了移動通信領域。1.3.2編碼技術占自從香農的論文發表后，就出現了諸如BCH碼、RS碼、Turbo碼、LDPC碼、前向糾錯碼等各種各樣的糾錯編碼方法。在衛星通信領域，并行級聯形式的Turbo碼和低密度奇偶校驗碼（LDPC）作為兩種先進的信道編碼算法被廣泛使用。并行級聯形式的Turbo碼并行級聯形式的Turbo碼是由法國人C.Berrou于1993年提出的。傳統編碼技術與香農極限存在2-3dB的差距，而對于Turbo碼，該差距僅為0.7dB，這無疑使其成為了一種優秀的編碼技術。Turbo碼之所以能如此接近香農極限，其奧秘是因為Turbo碼采用了獨特的編碼結構和全新的譯碼思想：在子編碼器中采用了反饋型的系統卷積碼，并且還在子編碼器之間引入了交織器，使子編碼器之間信息的相關性大大減少；同時在譯碼方面引入了迭代譯碼的思想，在譯碼中采用了軟輸入、軟輸出的譯碼算法和信息反饋的譯碼器形式。種種新技術、新思想的應用使得Turbo碼有著優秀的性能，并且在高碼率中能實現較高的編碼增益。Turbo碼在通信領域有著廣泛的應用場景，但其缺點也很明顯，在碼長過長時，由于交織器的存在，具有較大的時延，且譯碼復雜度較大。低密度奇偶校驗碼（LDPC）LDPC碼是在Turbo碼的啟發下發展起來的，相較于Turbo碼而言，LDPC碼編碼更加簡單，且碼長較短。LDPC碼由于校驗矩陣稀疏，所以其可在線性時間內完成譯碼，而且LDPC碼的譯碼算法是一種并行算法，通過硬件的方式有效地降低了譯碼時延。另外值得注意的是，相較于Turbo碼而言，LDPC碼沒有交織器，這使得其時延很小，可在線性時間復雜度內完成編碼過程。雖然LDPC碼相較于Turbo碼犧牲了一些性能，但卻換了譯碼復雜度的明顯降低，從整體來看這是值得的。目前LDPC編碼逐漸成為衛星通信領域的首選編碼方式。1.3.3多址接入技術多址接入在衛星通信領域是指多個地面站通過公用的衛星信道，建立各自的信道，從而實現各地面站之間通信的一種技術。常用的多址方法有：頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）。頻分多址（FDMA）頻分多址技術的原理是：將工作頻帶劃分成若干段互不重疊的子頻帶，然后地面站根據其業務選擇不同的子頻帶進行使用。該多址接入技術由于設備簡單、工作穩定等優點因此很早便應用于衛星通信領域，特別適合地面站較少而容量需要較大的場景。其缺點也很明顯，由于劃分了若干子頻帶，需要轉發器同時放大多個載波，因此容易形成互調干擾，使系統中的數據吞吐率顯著降低[9]。時分多址（TDMA）時分多址技術的原理是：在一條通信載波上，將載波劃分為了一個個時隙，然后若干時隙組成一幀，地面站由總控協調使用一幀內的不同時隙傳輸數據，互相不重疊。TDMA的優點是充分利用了衛星轉發器的功率資源、無需上行鏈路功率控制、使用靈活、擴容方便。但是由于多地面站共用同一載波資源，因此載波的最高速率會被通信能力最小的地面站限制，導致衛星頻率資源浪費。碼分多址（CDMA）碼分多址技術的原理是根據地址碼的正交性實現信號分割，每個地面站都被分配了一個獨特的“碼序列”，各個用戶之間不會互相干擾。這種多址接入技術抗干擾能力強、寬帶傳輸、允許多星同頻。其缺點則是碼同步較長，且增加用戶會影響性能，因此適用于移動衛星通信。MF-TDMAMF-TDMA是將頻分多址（FDMA）和時分多址（CMDA）結合形成的二維多址方式，兼有FDMA和TDMA的優點，用戶數量和業務容量擴展方便，組網靈活，資源動態分配，利用率高，更多的載波數量意味著更大的通信容量，而且可以對每個載波都進行不同的設置以滿足不同的用戶需求，處理相應的組網問題。MF-TDMA技術憑借其獨特的優勢已經在中等規模軍事通信和政府部門內部通信中廣泛應用[10]。1.3.4差錯控制技術在同步衛星通信系統中，由于白噪聲和多普勒頻移的影響，會產生隨機誤碼，影響傳輸質量，因此差錯控制是很有必要的。1、自動要求重發技術（ARQ）最早的ARQ系統稱作停止等待ARQ系統，在該系統中，數據按分組發送，每發送一組數據后發送端等待接收端的確認（ACK）復答，然后再發送下一組數據。拉后ARQ系統作為一種改進型ARQ系統，其在發送端連續發送數據組，接收端對于每個接收到的數據組都發回確認（ACK）或否認（NAK）答復。選擇重發ARQ系統則更加智能，它指揮重發出錯的數據組，因此可以進一步提高傳輸效率。2、前向糾錯技術（FEC）前向糾錯技術的接收端利用發送端在發送碼元序列中加入的差錯控制碼元，不但能夠發現錯碼，還能將錯碼恢復其正確取值。