卫星移动通信系统设计

卫星移动通信系统

设计方案

指导老师：刘祖军

小组成员： 01114016 屈晓芳 01114024 郝静

01114025 刘小彤 01114027 赵琨 01114040 李琦

一、卫星通信的起源和发展

1945年，英国科幻大师 Arthur. C. Clarke 在英国《无线电世界》杂志第10期上发表了一篇具有历史意义的无线通信科学设想论文，题为《地球外的中继》，这篇论文详细地论证了卫星通信的可行性。按照他的这一设想，研究人员开始利用人造地球卫星实现通信的探索。1957年，前苏联发射了一颗名为Sputnik Ⅰ的小型卫星，这标志着卫星通信的开始。

近几年来，卫星移动通信系统的研制和开发取得了很大的进展。美、加、日和欧洲国家都已或计划建立卫星移动通信系统。卫星移动通信系统可以构成陆、海、空的立体化移动通信网，沟通国际上乃至全球范围的世界漫游系统。卫星移动通信系统充分展现了卫星通信的优势和特点，它不仅可以向人口密集的城市和交通沿线，也能向人口稀少的地区提供移动通信服务，尤其是对正在运动中的汽车、火车、轮船、飞机、个人提供通信服务更具有特殊的意义。

二、卫星移动通信系统的组成

卫星移动通信以VSAT和地面蜂窝移动通信为基础，结合空间卫星多波束技术、星载处理技术、计算机和微电子技术的综合运用，是更高级的智能化新型通信网，能将通信终端延伸到世界的每个角落，实现世界漫游，从而使电信网发生质的变化。

按卫星运行轨道来分，卫星移动通信系统基本上可以分为同步轨

道（GEO）、中轨道（MEO）和低轨道（LEO）系统。GEO系统技术成熟，成本低。对于GEO轨道，利用三颗卫星可构成覆盖除地球南、北极区的卫星移动通信系统。

本文中所设计的卫星移动通信系统主要覆盖东南亚地区，地面终端为手持机，为GEO 同步轨道卫星，卫星天线有140个点波束，EIRP：73dBW，G/T：15.3dB/K，支持数据速率9.6kbps, 至少能提供10,000路双向信道，频段为L波段，上行1626－1660MHz，下行1525－1559MHz。

该系统设计思路为：用户终端→信息编码→调制器→上变频器→功率放大器→卫星接收、下变频→解调、路由→上变频、发射→接收机与解调器→用户终端。

图1.系统组成图

三、系统的传输技术体制

1信号调制方式（BPSK）

二相相移键控(BPSK)是相移键控中最简单的一种形式，相移大小为180°，又可称为2-PSK。简单来说，就是二进制信号的0和1，分别用载波相位0和或和来表示。表达式为

式中为二进制数字，为+1的概率为P，为-1的概率为（1-P）采用BPSK调制方式时，发送端以某个相位作为基准，因而在接收端也必须有一个固定的基准相位作参考。如果参考相位发生变化，则接收端恢复的信息就会出错，即存在“倒”现象。因此在实际应用中一般采用差分相移键控（DBPSK）。DBPSK是利用前后相邻码元的相对载波相位来表示数字信息的一种表示方法。DBPSK只是比BPSK 多了一个差分编码器。

手机的接收和发送均采用二项项移键（BPSK）调制，数字信号允许的最大比特误码率为,从而导致语音信道的S/N为34dB,当误码率为时语音信道的C/N的理论值等于8.4dB。实现裕量设定为0.6dB，则最小的C/N设定为9dB。

2多址接入方式

1.上行链路: 卫星交换的FDMA每载波单路信号的FDMA （SDMA-SCPC-FDMA）

在终端每路信号进行调制变频放大后以一条独立载波发送出去，卫星接收信号进行处理交换，直接发送信息给被呼叫用户。

图2 卫星交换FDMA系统模型

在SS-FDMA系统中，通常存在多个上行链路波束和多个下行链路波束，没个波束内均采用FDMA方式，各波束使用相同的频带（空分多址）。在卫星通信过程中，其上行链路载波必须处于某个特定的频率上，以便转发器能根据其载波频率选路到相应的下行链路波束上，

即在SS-FDMA方式中，载波频率与需要去往的上下行链路波束之间有特定的对应关系，转发器可以根据对应关系实现不同波束内FDMA载波之间的转换。

图3 SS-FDMA卫星转发器框图

上图给出了SS-FDMA卫星转发器框图，图中上行链路下行链路均只有三个波束为例。对于SS-FDMA来说，每个上行链路载波在星上都有一个滤波器与之对应。去往某个下行链路的上行链路载波都必须在星上被选路到覆盖该接收地球站的下行链路波束。在任一波束中的每条上行链路在任何时候都可以连接到任一波束中任何下行链路。

除了可以实现空分频率复用外，SS-FDMA通过在星上增加增益调整，还可以对同一波束内所有的下行链路进行功率控制，从而避免大波束抑制小波束现象。

2.下行链路: 卫星交换的TDMA每载波单路信号的FDMA （SDMA-FDMA-MCPC-TDMA）

如果上行链路和下行链路同时使用FDMA的话，由于卫星非线性

的增益放大，系统之间会产生非常严重的交调干扰，极端情况下会使得系统崩溃。所以在下行链路，我们采用多载波的TDMA。这样就可以极大地减少载波之间的交调干扰。

图4.TDMA方式工作原理示意图

配给各地球站的是特定的时隙，而不是特定的频带，因而每个地球站必须在分配给自己的时隙中用相同的载波频率向卫星发射信号，而不同时隙进入卫星转发器的信号，按时间顺序排列起来，时隙的排

列既紧凑又不重叠。覆盖在卫星波束中的每个地球站都能接收到由转发器转发来的全部射频脉冲（或突发）信号，并从中提取出各站所需的业务脉冲列。TDMA决不会出现互调和大载波抑制小载波的现象，

从而可使卫星的功放工作在饱和区，能够获得到最大的卫星输出功率。不过TDMA要考虑到帧的同步问题。

3信道编码

在信道中增加一些特殊的并且有序的比特流，可以大大的提高系统的传输增益。在这里我们使用了分组编码和半速率卷积码。使得系统的传输增益提高7dB。

四、信道的申请及信道分配

1.信道的申请：用户接入时采用随机多址访问的方式。

在以随机多址访问方式工作的系统中，每个用户都可以访问一条共享信道，而无需事先与系统中的其他用户进行协商。

图5 卫星分组通信原理

在ALOHA方式中对用户发送数据分组的时间未加以任何限制，因此对任一分组而言，只要有其他站发射分组，便会在信道上发生碰撞现象。 ALOHA的特点：系统结构简单，用户入网方便，无需协调。当业务量较小时具有良好的通信性能。存在碰撞现象，其吞吐量（即某段时间内成功接收信息的比特平均数与所发送的总比特数之比）较低，最高吞吐量也只能达到18.4%。存在信道不稳定性。即当信道业务量增大到一定的程度时，分组在信道上发生碰撞的概率也随之增加，此时信道上的吞吐量不再随业务量的增加而增加，反之减小，此时要求重发的分组数也随之增多，信道的利用率（信道上有信息传输的时间占总的可用时间之比）加大。极限情况下，信道内充斥的都是重发分组，此时的吞吐量降为零。可见信道吞吐量低和不稳定性是ALOHA的主要缺点。

在双方通信开始之前，用户需要向卫星发送一段信令，要求卫星呼叫被请求的用户。信令接入的方式采用随机多址接入的方式。当双方接通后，卫星随机分配一段空闲的频率来支持双方的正常通信。2.信道分配：按需分配（DA）方式

按需分配方式是一种分配可变的制度，这个可变是按申请进行信道分配变化的，通话完毕之后，系统信道又收归公有。这种分配方式比较灵活，各站之间可以通过协商进行通道调剂，因而可以用较少的通道为较多的地球站服务，同时还可避免出现忙闲不均的现象，提高通道利用率。但为了实现按需分配方式，则必须在卫星转发器上单独划出一频段，专门作为公用信道，各地球站可通过此公用信道进行申

请和完成通道分配工作。根据信道分配可变的程度不同，与电话蜂窝系统一样，多个用户共享相同的可用频率，每个呼叫都要遵守一定的建立顺序，向卫星发射呼叫信息，卫星把消息接收经过解调恢复信息进行判断并且找到呼叫对象，把信令发送给呼叫用户，开始建立连接。建立连接后，卫星为呼叫分配频率进行通信。通信结束后频率被释放，成为新的可用频率。

五、关键技术解决途径

1.互调干扰：多波束卫星之间产生互调干扰

解决方法：

图6 七波束频率复用

二相相移键（BPSK）调制的带宽与码元传输速率相等，为9.6kHz。而卫星天线有140个波束，提供10000路双向信道，利用空分复用,

相当于每七个小区共享34M带宽，假设每个小区有80个用户,系统总的带宽为680M,频分复用的话每个用户最多可以分到60Kb的带宽。2.非线性失真

通信系统中，信道非线形失真会对信号造成损害，非线性失真主要由功率放大器（特别是载功率放大器）产生，有幅度非线性失真和相位非线性失真。幅度非线性失真即信号输入输出幅度变化特性(AM-AM)是非线性的。相位非线性失真将输入信号的幅度变换转换为输出信号相位的变化。

解决方法：

为减少信道的非线性失真，主要是减少放大器带来的非线性失真，一般可采用非线性补偿技术或放大器功率回退技术。非线性补偿的方法之一是根据已知的功率放大器非线性特性用互补的特性进行语补偿。预补偿可以在中频以模拟电路实现，也可以在基带以数字方式进行补偿，本系统采用后者。采用自适应非线性补偿，这样可以在未知功放非线性特性的情况下进行预失真补偿，适应性强，补偿效果好。输入输出补偿能有效地减少多载波信号的互调失真，但是降低了功率放大器的功率效率，对于多载波传输的卫星通信系统，由于功放的非线性将引起互调失真，产生互调干扰噪声，使系统的C/N值下降。当星载TWTA的输入功率增加时，会产生两个结果：一方面，由于输出功率随之增加，卫星EIRP增大，下行链路的C/N值将增加，但增加不是完全线性的，随着TWTA进入饱和，下行C/N的增加更加缓慢。另一方面，随着TWTA输入功率的增加，放大器趋于饱和，互调噪声

增大，使C/IM（载波互调比，IM为互调干扰功率）下降。在考虑上下行链路C/N和互调C/IM的情况下，星载TWT功放输入功率显然存在一个最佳值，此时全链路具有最大的C/N值。

六、链路工程预算

1.卫星通信链路设计的步骤

（1）确定系统的工作频段。

（2）确定卫星通信的参数。

（3）确定发射地面站和接受地面站的参数。

（4）从发射地面站开始，建立上行链路预算和转发器噪声功率预算，从而确定转发器内的（）。

（5）根据转发器增益或输出补偿，确定转发器的输出功率。

（6）建立接收地面站的下行链路功率和噪声预算。计算位于覆盖区边缘的地面站的（）和（。

（7）计算基带信道的S/N。确定链路裕量。

（8）估计计算结果，并于规定性能进行比较。根据需要调整系统参数直到获得合理的（。该过程可能要反复进行多次。

（9）确定链路工作所要求的传输条件。分别计算上行链路和下行链路的中断时间。

（10）若链路裕量不够，可以通过调整某些参数，对系统重新设计。最后检验所有的参数是否符合要求，以及设计是否可以按照预算正常工作。

2.卫星通信系统的参数

所以总的损耗为3.5dB。

首先,类比地面移动通信系统的的区群,我们可以把卫星的40个点波束所覆盖的140个小区划分成以7个小区为一个区群的20个区群。这样就利用空分多址的原理把34MHz的带宽复用了20次。若把每个区群的带宽平均分配到每个小区，则每个小区可以分配到

34/7=4.857MHz带宽。

信号的调制方式是BPSK,所以数据的传输带宽为9.6KHz,因为系统的滤波器并不是理想的矩形滤波器,考虑到信号成形,所以每个信

道之间我们分配4KHz的带宽作为保护带宽.所以每个用户正常所需

要的带宽为9.6 KHz +4 KHz =13.6KHz。

考虑到在信息的传输过程中为了提高信号传输的增益，我们需要对信道进行编码，经过我们查询资料可知，对信号增加冗余可以很大程度的提高信号的增益。在这里我们每个用户分配54.4KHz的带宽。信道经过分组编码和半卷积码，使得系统的增益提高7dB。即现在用户发送带宽为54.4KHz,实际信号传输的速率为9.6*4=38.6KHz。则信号的噪声功率为10log（38600）=45.84dB。

我们给每个小区分配80个用户，即每个小区传输信号所需要的总的带宽为80*54.5=4.352MHz。

信道的申请与分配的过程中需要占据一定的信道。我们信道的分配我们采用按需分配的方式进行。剩余于带宽为0.505MHz，全部用来进行信道的申请与分配。在这里我们为每个用户的号码设置3.4KHz 的带宽，带宽的间隔为2.5KHz，则80个用户所需要的带宽为0.48MHz。基本上能够满足信道分配所需要的带宽。

由以上分析可知，我们为每个小区分配80个用户，一共有140个小区，所以可以满足的总的用户数为，80*140=11200。可以满足题目的要求。

注：BPSK调制信号的传输速率为9.6KHz，经过信道编码，为信号增加冗余后的传输速率为9.6*4=38.4KHz。所以噪声功率为10log（38400）=45.84dB。

在BPSK调制时当误码率为时，查询通原课本知，信号需要满足的=6.8dB。转化为载噪比为（）=6.8dB。这里M=2（BPSK 调制）。所以，由链路预算知：上行链路满足用户的需求。并且有3.86dB 的裕量。可以满足通信。

（2）下行链路的计算

如上图，在一个特定的频带中，一个“信道”对应于一个或多个时隙。在图中有M个频带每个具有不同的载波频率，每帧包含N个时隙，分配到一个指定的载波上。图中表示了分配到一个频带上的特定时隙所对应的用户信道的例子，因此，这个系统中共有NM个信道。

在这里跟上行链路相似,我们首先采用空分多址SDMA,将140个小区分成以七个小区为一个区群,总共有20个区群的分区结构.这样

我们每个小区可以分配到的带宽为3420。

与上行链路相同，信道的申请与分配的过程中需要占据一定的信道。我们信道的分配我们采用按需分配的方式进行。我们为每个用户的号码设置3.4KHz的带宽，带宽的间隔为2.5KHz，则80个用户所需要的带宽为0.48MHz。我们为用户分配0.5MHz的呼叫带宽。

我们用0.357MHz的带宽用来做保护间隔，以及一些其他的损耗所需要的带宽。

每个4MHz的频带依次分割成400KHz带宽的子频带，其中一个子频带用作保护频带，因此一个方向中实际上有10个可用频率。每个400KHz频带传送8分片的TDMA帧结构，帧以4.615ms的间隔重复。如上所述，每个用户分配到每帧一个分片，所以整个系统有9

个可用信道。这个数量与上图中的数量NM相对应。

如上图，每个时隙长度是576.92s，包含296比特。时隙被长度为30.46s的保护时间分隔开，相当于16.5比特。每个时隙的296比特中，有228比特是数据比特，分成两个各有104比特的分组。6

个比特定义了时隙的开始和结束。一个52比特的训练序列提供了必

需的时间同步信息，还有两个2比特的标志位，这就是整个时隙的结构。系统的传输数据率是308.5比特/576.92s=541.666kbps。这个合成的比特传输对应于利用在400KHz宽度频道上的1.35比特/Hz的信道。400KHz的信道带宽是频带中点与之以下大约13dB点之间的带宽。

每个用户传输每帧228比特，然而数据信道占有每26帧的24个时隙。剩下的两个时隙用来传输控制信息。有效的用户比特率是228/4.615ms24/26=45.6Kbps.这些比特是以541.666 Kbps的速率传输的。所以信号的传输噪声功率为：10log（541666）=57.3dB。

因为每个时隙传输的速率为45.6 Kbps，所以考虑到在信息的传输过程中为了提高信号传输的增益，我们需要对信道进行编码，经过我们查询资料可知，对信号增加冗余可以很大程度的提高信号的增益。信道经过分组编码和半卷积码，使得系统的增益提高7dB。,实际信号传输的速率为9.6*4=38.6 Kbps。

在这里，我们每个小区有9个信道，每个信道有8个时隙（即8个

用户）所以每个小区共有72用户，则卫星可以容纳用户数为72*140=10080个。

在卫星转发的过程中，我们假设卫星把所有的的功率平均分配到（140*9=1260个信道中）则每个信道分配的功率为73-10log（140*9）

=42dB。

在卫星满功率发射的情况下会造成信号严重失真，并且信号的功

总结

这次作业对我们组大部分人来说有很大的难度，从作业布置到初步完成，大约用了一周半的时间。和其他大部分组一样，我们的初步设计中链路预算存在一些问题，上下行链路多址方式均采用FDMA，而忽略了互调干扰，在听过老师讲解分析后，最终设计定为上行链路仍旧采用FDMA，下行链路改为TDMA。通过做这次大作业，我们对卫星通信的一些章节有了更深一层的了解，复习了通信原理等相关的一些课程，也对卫星移动通信系统设计有了一个初步而系统的认识。在对该系统的设计过程中，我们不仅对知识有了更深一层的掌握，也在发现系统问题，解决问题的过程中，学会了更全面地思考问题。