卫星通信系统范文第1篇

1.1舰队终端舰队终端主要包含3部分功能:接收来自RS232接口的信息，通过信息传输模块传输数据和图像信息，包含GIS终端访问GIS系统。经过多年的研究和开发，海上图像采集系统［3］已经逐渐成熟，并被如UTM这样的机构广泛使用。类似于海上图像采集系统、雷达等这样的装置，能够提供船舶和舰队的位置、航向、航迹等多种信息，并通过相应的协议，如RS232，传输给部署于船舶之上的系统终端。通常情况下，这类信息分为2种:一种是较为简单的数据信息，如航速、经纬度等;另一种是较为复杂的图像信息，如船用摄像机拍摄的图像等。对于数据信息来说，使用UDP协议传输较为合适，该协议使用较为简单，可以降低舰队终端的实现复杂性，同时由于其无连接的特性，能够更好的适应舰队的移动特性。而对于图像来说，其发送和接收分别采用wget［6］和rsync［7］应用接口，这2种接口被广泛应用于传输船舶摄像机采集图像的传输，相比与其他传输模式和接口，其更加适合于图像更新等任务。GIS终端具有较大的灵活性，当前的GIS应用有多种形式，因而GIS终端可以使用专用的系统应用，采用加密信道访问专门的GIS系统;也可以使用通用的个人计算机，通过访问Web端的地理信息系统查看舰队信息;甚至可以使用智能手机配合相应的APP，实现对于GIS系统的访问。则可以看出，本文提出的系统与传统的专用系统相比，采用外部、成熟的GIS系统，大大降低了实现的难度以及使用的成本。

1.2卫星通信网实现舰队终端与卫星通信网的互联，主要采用甚小口径天线地球站(VSAT)实现，通过VSAT能够将舰队终端接入SEAMOBIL和HISDESAT卫星通信网络，这2种卫星通信网在海事、通信等领域，均已得到广泛的应用，具有大量的地面卫星站，并覆盖了除两极之外绝大多数的地球表面，如图2所示。VSAT通信采用C波段或X波段，相比与国际海事卫星(INMARSAT)终端，VSAT能够提供更好的数据传输容量。同时INMARSAT采用舰队船舶共享连接的方式，为每艘船舶提供的带宽有限，而VSAT则采用的是专用信道，能够提供给船舶和舰队更加稳定的传输信道和更高的传输质量。另外，与INMARSAT相比，VSAT具有更低的获取成本和使用成本，因而使用VSAT具有更好的经济性。通过以上介绍的卫星通信网，使得舰队终端和岸基服务器之间能够建立持久稳定的网络连接，从而可以提供实时的、高信息刷新速率的数据服务。

1.3岸基服务器岸基服务器是整个系统的核心，由图1显示的岸基服务器与舰队终端之间的交互过程，可以看出整个系统是一个中心化的结构。岸基服务器共有3个主要功能:接收卫星通信网传输的数据和图像信息;根据接收到的信息融合并计算生成KML文件;通过HTTP协议栈［8］将KML传输给相应的GIS服务器。根据第1.1节的叙述，岸基服务器具有2种不同的数据接收接口，其中UDP协议栈负责接收舰队终端传输的数据信息，而“rsync”应用接口负责接收传输的图像信息。这2种接口与舰队终端接口类似，均可使用软件实现，并已得到广泛应用。岸基服务器中的KML文件产生模块是岸基服务器的关键功能，其能够根据实现定义的KML文件格式，和各种信息的内容，将信息嵌入KML文件模板中，产生正确可用的KML文件，进而通过HTTP协议，将其传输给绑定的GIS服务器。

2KML文件的格式与生成

KML文件时当前GIS系统广泛使用的地标文件，由于KML由XML发展而来，因而KML文件的格式和定义方法集成了XML的特点。

2.1KML文件的格式与一般基于XML的语言类似，其广泛采用标记定义各种数据块。其主要含有以下几个部分:位置数据、模型数据、航迹数据、图像数据和字节数据。各个部分的格式如下所示。通过以上的KML文件格式，可将不同类型的信息嵌入其中形成KML文件。

2.2KML文件的生成KML文件生成的过程，就是根据KML文件格式，不断分析与填充相应数据的过程［9］。KML文件生成的流程图如图3所示。KML文件的生成过程应遵循以下步骤:首先，KML文件产生模块需要根据信息来源判断和识别船舶的信息;然后根据导航信息生成基本的数据，之后再根据信息中包含的媒体信息和其他信息［10］，对KML文件进行完善;最后形成完整的KML文件，并使用HTTP协议进行传输。

3系统实现与仿真

最后，本文在OPNET中构建模拟的卫星通信网，并仿真实现了舰队终端和岸基服务器，模拟了舰队终端与岸基服务器之间的交互过程，并利用GoogleEarth证明了生成KML文件的正确性。在OPNET中的实验拓扑图如图4所示。

3.1系统功能实现通过舰队终端产生的信息，仿真宽带卫星通信网络，UDP流量约为25～36kb/s，持续时间约为20s，丢包率小于1%。而传输图像数据的速率约为80～120kb/s，持续时间约为15s。根据以上仿真可知，本系统中采用的通信接口和链路，其带宽能够满足系统信息的传递以及更新需求。按照第2.2节中方法，生成KML文件，并在GoogleEarth中导入，生成的实时监视状态图，如图5所示。通过图5可看到，KML文件可以在通用的GIS系统中得到显示和应用，不仅包含了船舶的位置、航向等，还能够根据需求显示详细的航迹信息及其他信息。

3.2负载测试在系统的实际使用过程中，由于本系统结构采用中心化的结构，因而岸基服务器将承担较大的负载。本文将利用图4所示拓扑，继续对岸基服务器的工作负载进行测试，主要测试内容是KML文件产生时，对服务器资源的占用。在仿真中，采用通用X86计算机模拟服务器，采用Corei3双核处理器，4G内存，运行Win7(64bit)操作系统，采用软件实现KML产生模块，设计各个舰队终端的信息到达服从泊松分布，在第3.1节中研究的信息通信负载下进行测试，最终得到CPU的占用率如图6所示。通过以上测试结果可知，在实际使用过程中，当带宽满足系统传输要求时，CPU的占用率约为16%～22%，证明岸基服务器能够满足本系统用户的实际需求。

4结语

卫星通信系统范文第2篇

【关键词】 卫星通信 MF-TDMA 信道 时隙

一、引言

卫星通信系统的多址方式有频分多址（FDMA） 、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）等，随着技术的发展，各种不同的多址方式相互结合，形成混合多址调制方式，其中最具有代表性的是跳频时分多址MF-TDMA （Multi-Frequency Time-Division Multiple Address） [1]，此系统很好的将FDMA和TDMA合二为一，从频域和时域二维空间对卫星资源进行分配，首先采用FDMA方式将信道分割成频率不同的若干路载波，然后再在每一路载波上使用TDMA的方式分割成若干时隙，以便用户可以在指定的时隙内使用指定的载波频率进行数据的传送，这就为组网通信带来了极大的便利，很容易组建星状网和网状网，实现一点对多点或多点对多点的组网通信，可广泛应用于军事、气象、电信、教育、人防、交通、广电等行业。

二、系统组成

MF-TDMA卫星通信系统由主站（含备份主站）和分布在各地的若干远端站构成，他们之间通过不同的载波和时隙实现业务、控制等信息的交互。

2.1主站

主要设备包括卫星天线、ODU、TDMA 主控终端、网管。主站负责发送TDMA 时钟参考信号和帧计划，是全网的时钟参考基准和卫星资源分配中心。网管负责整个卫星通信系统运行的集中控制管理，主要完成网络管理、资源分配、流量统计等功能。实际组网应用中可根据实际情况配置两台TDMA主控终端，互为备份，以提高整个卫星通信系统的可靠性。

2.2备份主站

设备配置与主站相同，主要作用是在主站出现故障时承担主站的工作，主备站之间实行自动切换，且在切换过程中系统仍能正常工作。

2.3远端站

远端站主要设备包括卫星天线、ODU、TDMA 业务终端。远端站以主站为参考，按照主站下发的帧计划在所分配的时隙内传送突发信息。当然远端站也可配置帧计划产生单元，以便于当主站和备份主站双双发生故障时，能将该远端站配置为主站，以增强系统的抗毁性。

三、组网工作原理

MF-TDMA卫星通信系统扩大了卫星信道的应用规模，支持同一时刻处理多路载波，支持多路载波间的频率跳变，支持载波速率变化。

在多个载波信道中，有一个称为主载波信道，这个主载波信道由参考突发时隙、测距时隙、申请时隙和数据时隙构成。一个远端站开机进入运行状态后，首先接收主载波信道，解析参考突发，获取帧计划；然后通过测距时隙，进行测距，完成主站与远端站之间的时钟同步；同步后，当时间到达该站突发时隙时传送突发信息。

各站接入的话音、数据、视频综合业务等首先要进行分段、打包处理，处理后获得的分组加入目的站址、数据保护等信息，然后通过申请时隙向主站发送业务时隙请求，主站收到请求后，从时隙池中选择空闲时隙分配给该站，并按照时隙分配表在指定载波和时隙位置上发送。在远端站接收端，进行解调和过滤，若目的站址不是本站则丢弃，若是则进行解封装处理。

MF-TDMA卫星通信系统组网时每个载波可根据站型能力配置载波速率，对业务量大的站点配用高速载波、对业务量小的站点配用低速载波。通过载波跳变频、变速率，不仅提高了系统网络的容量，而且信道分配更加灵活，可实现不同大小站型、多种业务类型的远端站灵活组网。但随着业务量的增多，现有卫星资源就显得捉襟见肘，那么如何来提高现有卫星的资源利用率呢？这时信道资源分配就显得更加重要。

四、MF-TDMA信道分配研究

MF-TDMA 系统的卫星信道资源是根据业务量的大小动态申请、分配的，具有突发性。传统的“FIFO”传输策略将不同类型的业务混杂在一起分享带宽资源，对实时性要求不高的文件传输业务影响不大，但对实时性要求极高的话音和视频等流类型业务来说影响会相当明显，如出现因带宽受限导致的话音或视频传输抖动、断续等现象。因此，业务在MF-TDMA卫星网络中传输使用时，必须设计合理的QoS保证机制，实行合理的信道分配算法。

4.1时隙申请与分配

当远端站与主站时钟同步后，则开始进行业务数据的突发传输。在信道分配集中控制方式下，信道的时隙分配由中心站完成。主站根据远端站的能力及申请的时隙数、服务质量保证等在载波组内为其分配载波和时隙信道。远端站再通过解析分配结果获得时隙的使用权限，在分配的时隙内进行发送突发数据。时隙分配表中包含着每个时隙的使用规划，由若干个分配单元组成，每个分配单元描述了一个时隙的类型和使用者[2]。

具体时隙申请和分配具体过程为：

1）每个远端站根据其业务的特性向主站发送申请信息；

2）主站的时隙分配表生成单元根据收到的每个远端站申请信息进行时隙分配表生成计算，得到时隙分配表后通过参考突发下发至全网各远端站；

3） 每个远端站接收到参考突发后，对时隙分配表进行解析，获得本地球站的数据时隙分配情况；

4）在分配的数据时隙内，各远端站发送业务数据。

由实际工程经验可知，帧中的数据时隙有四种使用方式：预分配使用方式、保证使用方式、按需分配使用方式和自由使用方式[3]：

1）预分配使用方式：指把载波上的某些时隙指定分配给某站发送业务，类型可以是实时的也可以是非实时的，为“不占用也满足”的分配方案，主要用于随时需要带宽保证的业务。

2）保证使用方式：指某站配置了保证时隙，系统必须给以分配保证，为“需要必满足”的分配方案。不同于预分配方式自始至终占用部分时隙，对于具有保证使用时隙的远端站，当业务所占带宽没有达到相应的保证量时，剩余的时隙可以分配给其它站使用，而一旦本站需要，系统将会对此站的业务予以优先满足。保证使用方式适用于那些带宽变化比较大，实时性要求不高，而且需要一定带宽保证的业务（如IP数据业务）。

3）按需分配使用方式：指按照带宽的申请量进行时隙的动态分配。

4）自由使用方式：主要为突发性的非实时业务所提供的时隙使用方式。

时隙分配要考虑时隙利用率、业务服务质量、时隙分配的公平性等，采用“实时业务时隙位置相对固定，非实时业务时隙重分配”的原则进行计算。

4.2跳频工作方式

跳频工作方式只要包括：发跳收不跳MF-TDMA、收跳发不跳MF-TDMA和收发都跳MF-TDMA三种组网系统，叙述如下：

1）发跳收不跳MF-TDMA组网系统

目前的MF-TDMA卫星通信系统大都采用发跳收不跳方式，发送载波的时隙可以在不同频点上跳变，接收载波固定在不同的频点上。设计时将所有远端站进行分组，一组由多个站构成，并为每个组分配一个固定的接收载波，称为值守载波。各站间进行通信时，接收站在值守信道上接收其它站发送给自己的信息，发送站将突发信号发送到接收站值守载波上，并根据所处的值守载波不同而在不同的载波上逐时隙跳变发送信号。

2）收跳发不跳MF-TDMA组网系统

组网设计时同样将所有地球站进行分组，并为每组站分配一个固定的发送载波。与其他站通信时，发送方在自己固定载波的指定时隙位置发送，接收方根据发送方的载波不同而逐时隙跳变接收。

多类站型混合组网通信时，大口径站配置的固定发送载波最高速率取决于所发送的小口径站的接收能力，而小口径站配置的载波最高速率则取决于小口径站本身的自发自收能力。与发跳收不跳组网方式相比，收跳发不跳系统大口径站的最高发送载波速率高于发跳收不跳系统大口径站的最高接收载波速率，而小口径站的发送和接收载波最高速率相同。因此从多类站型混合组网的系统容量方面比较，收跳发不跳MF-TDMA系统优于发跳收不跳MF-TDMA系统。

3）收发都跳MF-TDMA组网系统

此系统各站发送和接收突发信号都可根据所处载波的不同而跳变。不同于发跳收不跳和收跳发不跳系统，各站间不再进行分组。站间分配载波和时隙基于双方收发能力进行，即根据其不对称传输能力而分配不同载波上的时隙。因此，多类站型混合组网时，载波速率的配置取决于大口径站本身收发能力和小口径站本身收发能力。收发都跳MF-TDMA系统的多类站型组网能力优于收跳发不跳MF-TDMA系统和发跳收不跳MF-TDMA系统。

3种组网系统实现方式在支持多类站型混合组网的能力方面，收发都跳系统MF-TDMA最强，发跳收不跳MFTDMA系统最弱。在实际的应用过程中，发跳收不跳MFTDMA系统能够构建基于分组交换的网络，而收发都跳MFTDMA系统和收跳发不跳MF-TDMA系统只能构建基于时隙的电路交换网络。另外，在技术实现复杂度方面，发跳收不跳MF-TDMA系统最为简单。基于各自的综合优势和实际的应用需求，发跳收不跳MF-TDMA 系统得到了广泛应用并成了发展主流，但是如何弥补其支持多类站型混合组网能力的不足还值得研究，目前相关研究人员提出了一种双值守载波MF-TDMA解决方案来解决此问题，我们将在以后的应用中去检验。

五、结束语

随着各行各业信息化建设进程的加快，对中高速灵活组网卫星通信的需求越来越迫切。目前，MF-TDMA网是唯一支持中高速综合业务组网，也支持小系统独立组网应用的网络体系。

要想使 MF-TDMA系统能够发挥最大作用，实际使用时必须对其进行深入研究和规划，在保障任务需求和服务质量的前提下，给出帧效率较高、转发器资源利用率较高和站型配置合理的系统方案。相比其它体制卫星通信系统，MFTDMA 卫星通信系统的应用前景将非常广阔。

参 考 文 献

[1]郝学坤，孙晨华，李文铎.MF―TDMA卫星通信系统技术体制研究[J].无线电通信技术.2006，32（5）.P1-3.

卫星通信系统范文第3篇

论文摘要：低轨道（leo）卫星移动通信系统是卫星距离地面500～1500km，运行周期2～4小时的卫星通信系统。铱系统、全球星系统及系统是地轨道卫星移动通信系统 发展 最快的范例。leo卫星移动通信系统具有广阔的发展前景

1 leo卫星移动通信系统的特点

低轨（leo）卫星移动通信系统与中轨（meo）和静止轨道（geo）卫星移动通信系统比较，具有以下特点：

1.1 由于具有更小的信号衰减和更低的传播时延，低轨卫星通信系统更有利于实现个人全球通信。leo系统的路径传输损耗通常比geo低几十分贝，所需发射功率是geo的1/200-1/2000，传播时延仅为geo的1/7~1/50，这对于实现终端手持化和达到话音通信所需要的延时要求是十分有利的。

1.2 蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术的发展为leo卫星移动通信提供了技术保障。

1.3 由于地面移动终端对卫星的仰角较大，天线波束不易受到地面反射的影响，可避免多径衰落。

1.4 它在若干个轨道平面上布置多个卫星，由星间通信链路将多个轨道平面上的卫星联接起来。整个星座如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区用户至少被一个卫星覆盖，用户可随时接入系统。

1.5 由于卫星的高速运动和卫星数目多，也带来了多普勒频移严重和星间切换控制复杂等问题。但不管怎样，低轨卫星移动通信系统的上述特点对于支持实现个人通信是有巨大吸引力的。

2 leo卫星通信系统用户切换的一般过程

低轨卫星移动通信系统中，由于卫星的高速运动，使得它的波束覆盖区也跟着移动，而波束覆盖区的移动速度远大于用户的运动速度，因此，在leo卫星移动通信系统中，切换主要是由于卫星波束移动引起的。

对于卫星移动通信系统中的呼叫切换，通常经历这样一个过程：

2.1 用户周期测量当前使用波束和邻近波束的导频信号或广播信道的信号强度的变化，以便确定它是否正在穿越相邻波束之间的边界或者处于相邻波束的重叠区内。

2.2 若用户进入相邻波束的重叠区，达到切换触发的条件，将开始启动切换过程。用户中止利用当前波束进行通信，等待分配信道利用新波束进行通信。

2.3 切换过程开始后，需要在新到达波束中为该用户按照一定的信道分配算法进行信道分配，并在原先波束中释放使用的信道；如果采用了波束内切换或信道重安排，则原先波束还须按照呼叫结束后的信道重安排算法进行波束内的信道优化分配，进行必要的波束内分配。分配完成后，将数据流从旧链路转移到新链路上来，完成切换。

3 leo卫星通信系统用户切换的种类

低轨卫星通信系统用户切换可分为以下类型：

3.1 同一信关站和卫星的不同波束之间的切换

目标波束和现用波束在同一信关站和同一卫星内，该切换涉及两个波束的信道分配和修改同一信关站(不采用星上交换)或卫星(采用星上交换)的交换路由表。

3.2 同一信关站不同卫星之间的切换

目标波束与现用波束不在同一颗卫星内、但在同一个信关站范围内，它涉及两颗卫星的信道分配；对于采用星上交换的体制，需要改变两颗卫星星上交换路由表；对于卫星透明转发的体制，需要修改信关站交换路由表。

3.3 不同信关站同一卫星的波束间的切换

目标波束和现用波束属于同一颗卫星，但属于不同的信关站，它涉及两个信关站之间的切换，包括信道分配、改变地面线路连接、位置更新、记费等，对于采用星上交换的卫星还需要改变其交换路由表。

3.4 不同信关站不同卫星之间的切换

目标波束和先用波束属于不同的卫星且属于不同的信关站，它涉及两个信关站和两颗卫星之间的切换，信关站涉及信道分配、改变地面线路连接、位置更新、记费等问题，对于采用星上交换的卫星需要改变其交换路由表。

4 leo卫星通信系统中用户切换目标卫星的选择准则

在低轨卫星移动通信系统的切换控制中，切换的目标卫星的选择策略对切换的最终性能也有着直接的影响。因此，根据系统的需要，设计出适合于本系统的切换目标卫星选择方案至关重要。目前，低轨卫星移动通信系统中的切换目标卫星选择策略主要有以下几种：最近卫星准则、最强信号准则、最长可视时间准则、最多可用信道数准则、覆盖时间与仰角加权准则及最小跳数切换准则。

其中，最近卫星准则认为距离用户终端最近（仰角最大）的卫星能够提供很好的服务质量（qos），可从纯几何上对其性能进行分析，也称为最大仰角准则。采用该准则时，用户终端在任何时候都选择能够为其提供最大仰角的卫星。该准则实现简单，但一般不会在实际系统中采用，因为它既没有考虑无线信号在空中的传播条件，也没有考虑 网络 的运行状况。

最强信号准则是终端在任何时候选择能够接收到最强信号的卫星。拥有足够高的信号强度是无线通信的一个基本条件，可以认为最强信号卫星准则能够提供较好的服务质量。

最长可视时间准则又称为最大覆盖时间准则。按照这个策略，用户将利用星座系统运行的先验知识，始终选择具有最大服务时间的卫星作为其切换的目标卫星。该准则基于对最小化系统的切换请求到达率考虑，延长了切换后呼叫一直被某个卫星服务的时间，从而可获得较低的被迫中断概率。

最多可用信道数准则为：用户选择具有最多可用信道数的卫星为它提供服务。该准则出于对整个系统信道资源利用率考虑，以使卫星系统中每个卫星所承载的业务量趋于均匀分布，避免因某个卫星节点超负荷而失效，从而影响到整个系统性能。应用这个准则时，不管卫星的具置，新呼叫和切换呼叫会经历相同的阻塞率或被迫中断概率，从而可以避免出现某个卫星超载的情况。

最小跳数切换准则则应用于具有星上路由的情况，策略要求用户在任何时候都选择能够为其提供最少跳数路径的卫星。在具体实现过程中，通信双方周期性检测其可见卫星中是否有比当前通信路径的跳数更少的路径，如果存在则进行切换，否则继续使用当前卫星进行通信。当然，如果通信双方的当前卫星出现低于最小仰角（或信噪比）时，也需要进行切换。假定卫星系统使用准静态路由算法，路由表项中带有卫星到卫星的路由跳数，而且其路由信息随着 网络 拓扑变化由系统自动刷新。

5 低轨卫星通信系统用户切换与路由

在切换时，由于服务卫星的改变，对于采用星上交换和星上路由的卫星通信系统，原有路由也需要被重新建立。重建路由有以下几种方案：全路由重建，部分路由重建，重路由结合扩展路由，动态概率优化路由，最小跳数路由。

其中全路由重建卫星切换方案：原有路由完全被新路由代替，该方案得到的新路由仍然是最优化路径，但其处理时延比较大。

部分路由重建卫星切换方案：当切换发生时，原有路由被部分保存，只有变化部分被更新，该方案处理时延比较小，但新生成的路由可能不是最优化路径。

重路由与扩展路由结合：切换后首先进行路由扩展，再进行路由优化。以降低延时，但信令开销增大。

动态概率优化路由：全路由重建节约带宽，但是扩大了信令资源，需要选择合适的优化概率p，在带宽和信令资源之间折中。即并不对所有扩展后的路由进行优化，而是以概率p，对一部分路由进行优化，一部分仍保持原扩展路由。

最小跳数路由策略：用户在任何时候都选择能够为其提供最少跳数路径的卫星。通信双方周期性检测其可见卫星中是否有比当前通信路径的跳数更少的路径，如果存在则进行切换，否则继续使用当前卫星进行通信。该策略能够获得较低的传播延时和较小的切换频率，具有很好的系统性能。

参考 文献

[1] 陈振国，杨鸿文，郭文彬.卫星通信系统与技术.北京：北京邮电大学出版社，2003

卫星通信系统范文第4篇

OFDM技术最早起源于二十世纪50年代中期，在60年代OFDM技术就已经被应用到多种军事系统中，但受限于当时的器件水平，使得OFDM技术应用受到很大限制。直到70年代，多载波传输技术可以通过快速离散傅立叶变换(FFT)来实现，这样使得系统结构大大简化，OFDM技术也逐渐开始走向实用化。在二十世纪80年代，FFT技术可以通过大规模集成电路来实现，OFDM技术获得了突破性进展，开始逐步大规模应用到实际系统中。OFDM作为4G通信的核心技术之一，在移动通信领域得到了广泛应用，在卫星通信领域近年也逐步开展相关研究。卫星移动通信系统相比地面移动系统，主要有以下几点特点，一是卫星移动通信系统多采用L或S频段，L或S频段的信号具有绕射性，用户终端也可以做到小型化、低功耗;二是系统支持速率多为几kbps到几十kbps的窄带业务，其中LEO(LowEarthOrbit低地球轨道)卫星移动通信系统都采用自己的通信体制，而部分GEO(GeostationaryEarthOrbit相对地球静止轨道)卫星移动通信系统则考虑与地面移动通信中的通信体制相兼容，并逐步提供几百kbps的宽带接入业务;三是多采用具有星上处理的有效载荷，对用户上行链路信号进行恢复处理，这样能够满足系统性能要求和用户需求。考虑到卫星移动通信系统与地面无线/移动通信网络的融合趋势，如果新一代卫星移动通信系统的发展过程中也采用OFDM技术，即采用与地面下一代移动通信系统相兼容的传输体制和空中接口，这将非常有利于卫星移动通信系统与地面无线/移动通信网络的融合。同时如果在卫星星上采用具有灵活性和适应性的数字信道化技术或者基于OFDM子载波交换的星上交换(OBS，On-boardSwitch)技术，星上处理不依赖于业务传输时的通信体制，这样会进一步加强卫星移动通信系统与地面无线/移动通信网络之间的融合，同时也能保证地面终端设备的灵活性和业务的可扩展性。因此，基于OFDM的GEO卫星移动通信系统具有很好的研究价值和发展前景。如上所述，OFDM系统通过技术手段的改进，实现不可再生频谱资源利用率的提高、用户体验的提升等，同时符合移动通信的发展方向。

二、基于OFDM的卫星通信系统组成

基于上文所述卫星移动通信系统和地面无线/移动通信系统的发展趋势、OFDM技术在地面下一代无线/移动通信系统中的核心地位以及OFDM在卫星通信领域的逐步应用，研究基于OFDM的GEO卫星移动通信系统中的系统组成。目前卫星载荷以透明转发器居多且可靠性较高，下文介绍的是基于透明转发的组网工作方式，但该种方式难以完全利用OFDM所带来的效益，一个简单的基于透明转发的系统如图1所示。系统中卫星到用户端间业务链路采用L或S频段，以获得良好的移动通信性能，卫星到网关站间的馈电链路可采用Ku或Ka频段，频率资源丰富。业务呼叫时，由网关站分配两方通信频点的和双方所需的OFDM正交码，双方收到后按频点和正交码进行通信。此种方式业务流程简单，可以认为是MCPC方式的变形，但将高速载波以OFDM的方式进行了分割，获得了相对较高的频谱利用率，按照OFDM理论最高效率可达FDM方式的2倍，但实际中由于边带信息的传输、循环前缀的添加等实际效率将小于理论值。该方式对星上几乎没有过高要求，透明转发器均可使用，系统所有的管理、控制、资源调配均在网关站完成，但在存在通信延时大、星上峰均比过高导致下行链路转发器功率回退等问题，同时为了能够进行信道估计还需传输较多的边带信息。该种方法可基于现有卫星系统快速实现，作为OFDM在卫星通信中应用的参考，验证相关技术的可行性，但依旧属于传统电路域的交互，无法动态调整带宽，实现自适应传输，并不是理想的OFDM在卫星的使用方式。基于星上子载波交换方式的转发器拥有更好的使用特性，具有频谱利用灵活、交换粒度较小、可扩展性好等特点，但需要较为强大的星上处理功能。系统基于具有多波束、高增益天线的GEO卫星，基于OFDM的移动通信系统可以将每个点波束内的整个传输频带划分为多个正交的子载波，每个OFDM子载波都可以单独使用，若在点波束范围内星地上下行链路中的各传输业务与相互正交的各个子载波之间建立起对应关系，则可以实现OFDM子载波的交换。星上系统包括OFDM信号接收和子载波分离子系统、子载波交换子系统和子载波合成子系统三个大的部分。针对具有K个点波束的卫星系统，每个点波束都有其对应的OFDM信号接收和子载波分离子系统以及子载波合成子系统。每个OFDM信号接收和子载波分离子系统把分离得到的各子载波信号以及相应的交换控制参数输入到子载波交换子系统当中，子载波交换子系统则根据交换控制参数把各个点波束星地上行链路的OFDM子载波信号中属于同一个点波束星地下行链路传输业务的子载波信号抽取出来，交换到相应的点波束子载波合成子系统中。每个点波束的子载波合成子系统把属于同一个点波束下行链路的各个OFDM子载波信号合成一个为完整的OFDM信号再传输到相应的地面终端设备。点波束星地上行链路信号在卫星接收中首先经过符号同步得到OFDM符号的起始位置，通过频偏估计和校正去除由于传输过程中多普勒频移和本地接收频率不同造成的频差，去掉循环前缀，经FFT将各个子载波信号抽取出来，同时根据导频符号进行信道估计和信道预测，估计得到的信道状态信息用于各个子载波信号的均衡，最后通过最大似然检测得到各个分离的子载波信号。这里通过信道估计和信道预测得到的未来信道状态信息可以为子载波自适应分配、系统自适应传输所使用。点波束星地下行链路OFDM信号合成发送时将来自子载波交换模块的属于该点波束的业务比特流根据其所分配的调制信息和子载波分配信息进行符号映射和子载波位置映射，然后经N点IFFT进行OFDM调制，加循环前缀后进入点波束星地下行链路信道进行发送。这里需要注意的星地下行链路的OFDM符号具有高PAPR问题，需要对其进行抑制。星上处理中可根据信道预测的状况，根据业务需求与业务等级自适应调整载波的分配，实现业务能力的动态调整。基于OFDM的GEO卫星移动通信系统总体方案的功能框图。系统包括地面部分和星上部分。地面部分包括地面移动终端设备和地面网关站。地面移动终端设备向卫星发送业务呼叫请求，在业务呼叫请求被接纳后按照分配的子载波资源信息、调制编码方式组织传输业务，通过星地上行链路发送给卫星;接收来自星地下行链路的传输业务。地面网关站通过收发系统和天线及射频设备向卫星发送与用户有关的移动性管理信息，接收和发送卫星移动通信系统与地面其它网络互联互通时的数据和控制信息;地面网关站中的用户数据中心维持最新的用户数据，包括用户地理位置和环境信息、地面其它网络相关信息以及计费相关的信息等;与地面其它网络相关的业务收发由业务控制系统、交换分系统和网络互联单元来完成;网关站管理中心负责整个网关站的运行管理。这里需要注意，地面网关站负责移动性管理方面备份功能，移动性管理通过星上来完成，这样可以减小由于信息传输带来的时延，更方便星上对业务呼叫请求的接纳控制以及为地面终端设备和传输业务进行自适应分配OFDM子载波资源。基于上述卫星网管设计，相比现有卫星通信中常见的FDMA\TDMA\CDMA，将OFDM技术应用到卫星移动通信系统中具有以下几点优势:1.OFDM技术具有良好的频谱效率和抗多径能力OFDM理论上可最高提供2倍于传统多址接入方式的频谱利用率，对频谱资源十分有限的中低频段移动卫星通信系统有巨大的吸引力。对提升通信速率有很大帮助。在卫星通信系统设计中，通常在较高仰角使用条件下，可认为多径分量较少。但在沙漠、大洋使用环境或较低仰角条件下，多径效应依然是不可忽略的因素之一。OFDM提供了良好的抵抗多径的能力，采用OFDM传输技术时，高速串行数据被并行分配到各个子载波上进行传输，子载波的数据速率降低，可以有效提高抗无线信道多径效应的能力。2.OFDM技术对业务带宽具有很好的可扩展性支持，可支持非对称的高速业务OFDM系统中信号的带宽由其所使用的子载波数量来决定，系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率，实现良好的宽带业务，同时对转发器中某些收到干扰的通信频点可以有效规避。3.卫星使用环境下多普勒频移远小于地面无线/移动通信系统OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性，对频偏比较敏感。而无线信道的传输过程中很容易受到各种干扰而使得这种正交性遭到破坏。实际证明，仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。卫星环境下相比地面移动系统，地球站仰角较高时，GEO卫星移动通信系统中的最大多普勒频移的影响要小远于地面无线/移动通信系统，有利于在卫星系统中该技术的实现。4.有利于卫星通信系统与下一代地面无线/移动通信系统的融合OFDM同样作为4G技术的核心，通过在卫星通信中的应用，在今后的发展中十分有利于与下一代地面无线/移动通信系统的融合，包括偏远地区、海面、山区、森林以及南北极在内的各类地面用户终端可直接接入卫星系统中，真正实现全球无缝覆盖，符合现代通信发展的趋势。

三、OFDM卫星通信系统性能分析

OFDM系统由于采用了正交多载波技术，不可避免的存在技术难点，下文针对较为突出的两点进行简单分析:1.功率峰值与均值比(PAPR)大与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰均值比。对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。当然这是一种非常极端的情况，通常OFDM系统内的峰均值不会达到这样高的程度。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低，这对于功率资源严格受限的卫星通信系统十分关键，因此对OFDM卫星移动通信系统，必须要抑制OFDM信号的峰均比。抑制方法通常包括有损的信号畸变类和无损的编码类、信号变换类:无损抑制对信息序列在频域对数据的进行处理，这类方法不会对OFDM信号本身造成物理损伤，不影响信息传输的质量。采用基于部分传输序列的方式工作时，发送端需以额外边带信息的方式将线性变换的方法告知接收端，带来了系统资源的浪费，并随着序列分块数目和旋转相位因子取值空间的增加，计算量呈指数的形式增加。采用编码类方式工作时，可通过分组编码、格雷互补序列和Reed-Muller码等，在信息比特进行编码过程中，选择生成低峰均比OFDM信号的编码图案进行传输，但是编码和译码过程相对比较复杂，当OFDM子载波数目较多时，编码和选择编码序列的计算量和时延较大。有损抑制主要包括信号畸变类方法，是对合成后的时域OFDM信号进行处理，该方法处理时延较小，简便易行，依据不同的信号峰值门限或压缩扩展特性可以达到较好的峰均比抑制性能，但是处理过程中由于对信号本身的非线性变换使得OFDM信号受到了物理损伤，影响了端到端信息传输的质量。实际使用中可以多种方式相结合使用，可先采用无损方式的进行预处理，然后针对处理后信号中超限的部分进行信号畸变类措施以达到合理的峰均比值，将硬件复杂度与系统传输质量做到平衡。2.信道估计与预测问题OFDM卫星移动通信系统将点波束范围内的整个频带划分为多个正交的子载波，由于卫星移动信道的多径效应造成频率选择性衰落，多普勒频移效应会造成时间选择性衰落，从发射天线到接收天线间无线信道的频率响应经过传输信道的衰落已经发生了变化，需要对信道进行估计与跟踪;同时传输过程中各子载波处于不同的信道状态，依据未来的信道状态信息进行自适应传输可以大大提高系统的资源利用效率和系统的吞吐量，就需要对信道进行预测。OFDM系统中的信道估计方法可以划分为两类:一是盲信道估计方法，该方法计算复杂度高，收敛速度慢，很难满足通信中的突发需求，且在时变信道下获得的信道状态信息并不准确;二是基于导频信号的信道估计方法，实际应用中基于导频信号的方法估计准确、速度快，适合于星上处理。基于导频信号的信道估计方法首先要在发送端OFDM信号中合适的子载波位置插入导频信号，在接收端利用导频信号估计计算出导频位置处的信道状态信息，然后采用插值滤波等方法估计得到各个子载波位置处的信道状态信息。但也由于导频信号的插入降低了系统频谱利用率。一般来说，信道的多径时延扩展和多普勒频移越大，精确信道状态信息的估计所需要的导频数目越多，相应的系统频谱利用率也会降低。因此基于导频信道的信道估计方法要求在信道估计精度和系统频谱利用率之间进行折衷。如系统需采用自适应传输或上下行链路分配子载波资源策略更合理，还需采用信道预测的手段。现有地面系统中一般所采用的长期信道预测方法采用线性回归预测器，能够准确预测地面无线信道10ms之内的信道状态信息，但卫星信道相比地面系统具有的长延时特性，一般单跳延时在270ms，端到端延时在540ms量级，地面系统中的手段显然不适用，不能沿用地面系统中的方法。

四、结束语

卫星通信系统范文第5篇

关键词：卫星通信 Labview 级联编码

中图分类号：V474.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）01（a）-0-02

随着信息技术的不断发展，卫星通信已经作为一种应急通信手段被广泛使用在各个通信领域中，传统的C波段及正在广泛使用的KU波段卫星通信随着卫星频率资源的短缺而面临着很多矛盾，特别是近年来随着对卫星通信需求的增加和卫星通信的新技术的不断发展，人们开始向更高频段的Ka（20～30 GHz）方向进行研究。如何在高频段中选择不同的编码类型以适应于卫星信道的可靠传输是大家一直关心的问题。Labview软件是NI公司研发的一套图形编程语言，广泛应用在信号处理和建模中。该文通过对各系统性能的分析和比较，通过Labview中提供的不同卫星信道模型建模，分析了不同频段中编码的性能并进行了比较，同时也对在Ka频段中不同编码方式的性能进行了仿真。

1 系统及信道模型

卫星通信信道是一个远距离的衰减变化的无线信道，因此为了能保障数字信号能在整个信道的可靠传输，必须利用适合于卫星信道传输的数字编码技术。对于C波段和KU波段的卫星通信系统有效抵抗信道衰落的措施之一就是采用前向纠错编码技术（FEC），国际组织对于该频段的FEC标准也是采用了编码增益高、译码器实现又不太复杂的级联编码方式，而且外码均为RS码，内码则分别采用卷积码或者TCM方式，另外为了消除Viterbi译码器的突发错误，两者都采用了外交织器。适合于卫星通信的不同方式的级联码编码方式的的性能不同文章对其进行了分析和仿真[2]，与C和KU频段相比更高频段的Ka卫星通信中，大气层将会引起信号的额外衰落，这些衰落不仅是频率的函数，而且还是位置、仰角、季节的可行性函数。[1]，为了比较卫星系统不同编码的性能，各种适合于卫星信道的编码方式都进行了研究和仿真[3]。我们通过Labview软件中提供的不同信道模型来对这些级联编码进行不同的仿真分析，其中内交织器和解交织器用来仿真Ka频段的性能，其余用来仿真C波段和KU波段的性能。据此，我们可以建立采用级联码的不同频段（ka频段采用内外交织器图1中虚线部分）卫星通信系统模型框图如图1。

2 编码系统的性能分析及仿真

研究和仿真不同级联编码方式的性能，就是要有合适的仿真模型和逼真的信道模型，而Labview软件中提供了比较多的通信系统模块，特别是对于卫星通信信道的仿真可以更加趋于实际化。[4]LabVIEW图形化信号处理平台由千余个信号处理、分析与数学运算函数组成的信号处理与数学函数库组成，包含小波变换、时频分析、图像处理、滤波器设计、声音与振动、系统辨识、RF分析等专业方法的工具包，可与NI硬件的无缝结合，使算法得到快速验证与部署[5]。因此该文结合Labview提供的不同信道模型对以下方式进行了模拟仿真。

2.1 采用RS（255，233）外码，内码为（2，1，7）在不同频段下的性能仿真

在Labview中选择RS为卫星信道的外码，内码采用卷积编码的方式通过采用Ka频段方式[6]的仿真和采用C波段及KU波段的信道模型通过对比其误码性能图，如图2所示。

从图中可以清楚地看到，在相同Eb/N0的情况下，Ka波段的误码性能要明显低于KU波段和C波段，同时在无雨天的情况下在保持同样的误码率的情况下，Ka波段比KU波段的要低于3.5db的信号，这样也就说明了在Ka波段情况下卫星的天线尺寸可以做的更加小。

2.2 采用RS（255，233）外码，内码为 Turbo码和P-TCM的级联性能仿真

RS码作为适合卫星信道传输的可以纠正突发错误的信道编码，可以和不同的内码进行级联，我们选取TCM级联、卷积级联、Turbo码级联三种方式进行仿真如下：

从图3中可见Turbo码是一种具有很好纠错性能的内码，作为内码可以比卷积级联和TCM级联作为的内码的性能要好的多，同时与卷积级联码系统相比，虽然TCM级联码系统的编码增益较小，但其宽带效率却很高。因此要根据情况选择不同的编码

类型。

3 结语

该文通过对卫星通信系统中级联编码在不同频段下的性能进行了Labview仿真，通过图形化的编程语言和系统仿真，分析及仿真结果表明：在相同信噪比和同等级联编码情况下的情况下使用高频段可以进一步降低误码率提高系统的频带利用率，同时对与在Ka波段情况下采用内分组交织器可以进一步提高系统性能。同时通过单位不同频段编码效果的使用上来看，高频段的设备使用效能更加明显。

参考文献

[1] 王爱华，罗伟雄.Ka频段固定卫星通信系统编码方式[M].北京理工大学学报，2002（11）.

[2] 王坤，张青春.Ka频段固定卫星信道编码技术研究[J].微型计算机信息，2007（6）.

[3] 张威，徐熙宗等.RS级联编码在超短波通信与卫星通信信道的仿真分析[J].通信技术，2009（2）.

[4] 张振权，罗新民等.RS-Turbo级联码的性能仿真及其在图像传输中的应用[J].现代电子技术，2005（24）.