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卫星通信系统论文:卫星通信系统发展以及关键技术分析
在通信进入了高速传播、大容量宽带和多媒体个性化的移动时代,卫星通信成为了无线通信中最特殊的通信方式之一。但是建立在无线电微波通信系统基础上的卫星通信系统依然存在着一些技术上的开发问题和应用难点,需要在通信技术上找到关键的突破点。
1卫星通信系统的基本概念
卫星通信系统是一种把卫星作为信号中继站来接受和转发多个地面站之间微波信号的通信系统。一个完整的卫星通信系统是由卫星端、地面端和用户端这三个部分组成的。在地球上空作业的卫星端在微波通信的传递过程中起的是中转站的作用。包含了星载设备和卫星母体的卫星星体在空中接收地面站的电磁波,放大之后再发送到另一个地面站。设立在地表之上的多个地面站是连接卫星系统和地面公众网的固定接口和传送点,由地面卫星控制中心、跟踪站、遥测站和指令站等部门构成。人们连接网络的用户端通过地面站传送出入卫星系统的微波信号,形成庞杂而宽泛的通信链接。卫星通信系统的覆盖范围很广,在卫星信号覆盖区域内的任意地点都能够顺利进行通信,不会因为距离的变化而影响通讯信号的好坏。卫星通信的电磁波主要在大气层以外的区域传播,微波传递的性质较为稳定。所以卫星通信的工作频带宽,通信质量好。即使部分在大气层内部传播的电波会受到天气的影响,也仍然是一种信号稳定性和通讯性很高的通信系统。但是,运行在高空轨道上的卫星在同时进行双向传输时,传递速率会延迟到秒级,电磁波的度也会有所下降,用于语音通话时会出现明显的中断现象。卫星在高空上的位置是按照预定轨迹运行的,因此,卫星始终处于一种运动状态,然而卫星通信系统中的线路连接都是无线链路,管理微波接收和微波传递的控制系统相当复杂,不易操纵和操作。
2卫星通信系统的发展现状
2.1成本和需求之间的矛盾
现代的大众通信集中体现为宽带互联网和移动通信。卫星通信在宽带领域中不及光纤宽带便利迅捷,在移动领域中也没有地面蜂窝移动系统的性价比优势。在移动的长途通信费大幅下降的情况下,卫星长途通信的转发器费用却没有任何变化,大大提高了卫星通信系统的运行成本。这种成本高需求低的矛盾是卫星通信系统面临的较大尴尬。
2.2宽带IP的传输和实现问题
中国当前的宽带IP卫星系统基本上都采用的是ATM的传输技术。这种技术的性能支持卫星通信系统相关的指标要求,实现起来却很困难。在卫星ATM需要分层实现的说法上有两种不同的观点就是否改变现有卫星协议结构的问题展开着激烈的争论。含有ATM交换机的子网移动性管理因为过于复杂,至今也还没有找到解决的方案。
2.3数据传递的速度和效率问题
信息时代最需要的就是传递信息的快捷方式。建立在频分复用和码分复用技术基础上的传统传递方式已经满足不了卫星通信日益增长的用户需求。虽然随后又研发出了分组交换技术,但长距离传输延时的问题还需要更加有效的技术和措施来降低传输延时对实时数据的影响。
3卫星通信系统的关键技术
3.1数据压缩技术
数据压缩不仅可以节约传输时间和存储空间,还能提高通信的便捷性和频带的利用率。数据压缩技术在处理数据的专业领域里已经发展得相当成熟了。不管是静态的数据压缩还是动态的数据压缩都可以为卫星通信系统在时间、频带和能量上带来相对较高的传输效率。例如ISO对静态图像压缩编码的标准和CCOTT的H.26标准,以及MPEG62设计中的同步交互性和多媒体等技术都成为广泛应用于多媒体压缩的公认标准。
3.2多媒体准信息同步技术
卫星通信系统传输中所使用的多媒体准信息同步技术大致可以分为连续同步和时间驱动同步这两类。在卫星的多媒体通信中,可以选用缓冲法、反馈法或者时间戳法来实现多媒体准信息的同步。目前开发出来的同步技术有建立在近似同步时钟基础上的“多业务流同步协议”和以时间因果同步为特色,支持分布式协议的“多信息流会话协议”。
3.3智能卫星天线系统
要成功传输多媒体信息,对通信系统的带宽要求是2500MHz及以上。降雨等天气因素和地面吸收电磁波等客观的影响因素都会导致卫星ATM网络产生较为严重的突发错误。为了完成多波束覆盖的范围较大化,研究智能高性能天线的技术开发和具体应用是十分必要的。例如,卫星通信系统可以在平时采用多波束快速跳变系统,在需要完成跟踪和同频复用的低轨道系统中采用蜂窝式天线,在星上和同步轨道系统中采用相控阵列天线。
3.4卫星激光通信技术
卫星通信对传输速率的要求很高,就目前来说,卫星通信系统的载波都是电磁性的微波。但微波天线能够接受和传递的微波数量是有限的,这就需要激光通信的辅助甚至替换。激光通信技术可以在减轻卫星密度重量和体积大小的同时增大卫星的通信量,提高卫星通信的保密性、性和传输速率。而且卫星通信的激光传输之间是不会相互干扰和影响的,是卫星通信在未来的主要发展趋势。
4结束语
和其它通信系统相比,卫星通信系统多具有的特点和优势是不可比拟的。但同时也存在着一些缺陷和不足。发展至今,卫星通信的成本问题、宽带IP问题和数据速率问题是最主要也是最紧要的问题难点。要想解决这些问题和难点,就要完善和开发卫星通信系统的关键技术,实现卫星通信质量和效率的有效提高。
卫星通信系统论文:卫星通信系统的OFDM同步技术及应用
【摘要】本文介绍了宽带卫星通信，对OFDM系统的原理进行了分析，通过仿真分析等方法，重点阐述了有关宽带卫星通信系统中的OFDM同步技术应用效果方面的问题，证实了技术应用的有效性。
【关键词】宽带卫星通信系统；OFDM同步技术；应用
前言
宽带卫星通信系统，是通信系统的重要组成部分，而OFDM技术，则是确保宽带卫星通信系统功能能够有效实现的基础。将该技术应用到系统中，对于系统通信质量与信息传输速率的提高具有重要价值。
1、宽带卫星通信概述
1.1宽带卫星通信简介
宽带卫星通信又称宽带数据卫星通信，或无线多媒体通信，属于以卫星为中转站，为数据及信息的传输与接收提供平台的一种通信技术[1]。在宽带微信通信的实现过程中，地球站同样发挥着重要作用，其天线尺寸必须能够达到要求，且需要具备覆盖范围广、灵活性强等特点[2]。相对于其他通信方法而言，卫星通信具有可用频谱资源少的特点，为确保宽带能够有效建设，必须提高频率，以满足建设要求[3]。Ka频段具有干扰小的特点，且设备占据面积小，易设置，重量轻，将其应用到卫星通信系统中，能够有效减轻系统设备的重量，缩小其尺寸，与其他频段相比，具有较高的优越性。将Ku频段与数字压缩技术相结合，应用到卫星通信过程中，同样能够达到提高通信效率的目的，但Ku频段的应用存在一定的劣势，即相对拥挤，因此不建议使用。
1.2宽带卫星通信面临的问题
雨衰、Qos、信道条件差，是宽带卫星通信面临的三大主要问题，具体如下：①卫星通信所面临的环境相对复杂，由于信息以及数据需要在空间中传播，因此受云雨等天气的影响，通常会产生较大的损耗，进而影响通信质量。目前，宽带卫星通信系统已经将Ka频段应用到了通信过程中，该频段频率在18~30GHz之间，受频段频率范围的影响，Ka频段具有对雨衰敏感、受雨衰影响大的特点，容易对通信质量的提高产生阻碍，采用相应技术解决上述问题十分必要。②Qos问题：在电信网络中，Qos属于通信标准的一种，一般包括宽带、主观质量等多方面内容。为获取期望的Qos，对其进行监督与控制十分必要，应从协商、定义、资源预留等方向入手，首先实现对Qos的测量，进而对相应数据进行整理和归纳，最终达到动态控制的目的。③通信条件差的问题，在宽带卫星通信过程中显著存在，主要体现在延迟大、差错率高等方面，极大的阻碍了通信质量的提高。OFDM属于正交多载波传输方式的一种，具有较高的频谱利用率，能够有效克服ISI，抑制信道衰落，从理论上讲，将该技术应用到宽带卫星通信系统中，能够使通信效果得到有效改善。
2、OFDM系统原理
2.1OFDM符号调制及解调
OFDM的原理在于将单路串行的数据进行划分，使其成为多路并行的数据形式，在此基础上，对其加以调制，使其能够在频谱相同的不同子载波上完成传输过程。在此过程中，需要保障不同子载波具有两两相交的特点。在OFDM系统下，调制过程相对简单，只需采用一种数字调制方法，便可支持全部数据传输完成。
2.2循环前缀
OFDM具有对抗多径时延扩展的功能，为避免前后两个OFDM符号之间发生ISI问题，可通过在其中加入保护间隔的方法实现对各个符号的保护。保护间隔的长度一般为L，L需保障能够大于较大时延扩展，只有这样，才能够有效避免信号与信号之间互相干扰的问题发生。可以采用空符号代表保护间隔，但该种方法通常会对正交情况产生影响。采用循环前缀的方法，将周期扩展插入到OFDM符号与符号之间，能够有效解决上述问题，使OFDM的对抗多径时延扩展功能更好的实现。
2.3收发机系统
收发机系统的工作流程如下：①接受信号。②对信号进行电磁转换。③将传输过程中的循环前缀删除。④对信号串联与并联的形式进行转换。⑤对信号进行处理。⑥转换信号串并联形式。⑦解调，得到信息接收比特流。
2.4同步误差分析
应从频率偏移、符号定时偏差、采样时钟频率偏移三方面，对同步误差进行分析。以频率偏移为例，其所造成的同步误差如下：频率偏移一半在发射机与接收机之间发生，多由子载波件的整数倍偏移以及小数倍偏移而构成。前者不会导致ICI发生，而后者则会引发ICI。将子载波间隔控制在2%以内，能够避免上述问题发生。
3、宽带卫星通信系统中的OFDM同步技术
3.1同步算法
同步算法主要包括Schmidl&Cox算法、利用PN序列前导符的算法等多种。3.1.1Schmidl&Cox算法Schmidl&Cox算法主要包括小数频偏估计算法、整数频偏估计算法、定时估计算法三种。以小数频偏估计算法为例，该算法在每一帧OFDM符号前，均加入了同步头，同步头的训练符号数量一般为2个，两者均需要加入循环前缀，分别用于对不同的频偏范围进行评估，最终实现对通信情况的计算。3.1.2利用PN序列前导符的算法利用PN序列前导符的算法主要包括定时改进算法与频偏估计算法两种，以定时改进算法为例：在AWGN信道中，设置固定的子载波总数，在固定的循环前缀下完成仿真，将其与不同子载波总数及前缀的情况进行对比，可以发现，两者的性能各不相同，当子载波总数较小的时候，PN序列的长度必定会变短，进而影响算法性能，必须对这一问题加以重视。
3.2仿真
3.2.1帧检测采用延时和相关方法，进行帧头检测，对训练符号syml的结构进行了设置，后开始检测。检测后得出结论，当门限值在0.3~0.4之间时，帧检测的性能能够达到好，当信噪比≥5dB时，检测成功率能够达到。如处于多径衰落信道环境，受多经时延问题的影响，帧检测的成功率会有所下降。3.2.2符号精定时考虑帧头捕获算法得到的帧头，定位会落入相关函数的附近，因此需对符号精定时进行计算。仿真后发现，受循环前缀的影响，提前检测基本不会影响解调过程，但如检测滞后，则会导致ISI或ICI发生，可提前5~8个样值，提高符号精定时效果。3.2.3偏差估计小数偏差可采用时阈相同的4段m序列方法完成估计过程，4段序列均为64样值长。通过仿真可以发现，在不同信噪比下，不同仿真算法对偏差估计的性能也不同，当信噪比在10dB时，Schmidl&Cox算法中的整数频偏估计算法性能。3.2.4相位跟踪频偏估计会存在残留频偏误差，受其影响，系统性能容易下降，为解决上述问题，必须对载波的相位进行跟踪。可采用导频子载波完成相位的跟踪过程，进而实现对载波频偏的补偿。3.2.5整体同步方案将循环前缀长度设置为32，子载波数设置为128，频率偏差控制在0.3×156250=468.75kH的基础上，对整体同步情况进行仿真，结果表明，在同步方案下，误码率性能与理想情况下的性能十分接近，表明同步情况较好。
4、结论
宽带微信通信系统中，应用OFDM同步技术，同步效果较好，表明技术具有较高的应用价值，将其运用到系统当中，能够使系统的同步状态更加接近于理想状态，对于通信效率以及通信质量的提高具有重要意义。
作者：党玲 单位：大连舰艇学院
卫星通信系统论文:民航TES卫星通信系统功率研究
【摘要】由于民航C波段卫星网的极化隔离度指标下降，各站发射功率超标，卫星转发器处于长期功率饱和，严重影响转发器工作状况和寿命，本文研究对民航C波段卫星网的功率调整的方法。及功率调整理论依据。从而改善C波段卫星网工作状况。
【关键词】民航TES系统；卫星通信；功率调整
1电话调整方案
首先，选择一路具有ICM卡的CU板直接连接电话机，如无配置请提前准备，并确认电话号码。准备一根电话线与一部普通电话，将电话通过电话线与CU板“telco”相连。打开所在的TES卫星机箱电源，开启ODU电源。只开起该CU板所在的机箱，待该CU板上线，并显示数字“4”后，拨打网控卫星电话（号码为168（1、2）和166）。然后，由网控进行发射功率比较，指导标定功率。
2发射调制波方案
（1）准备英文版操作系统的电脑笔记本和CU版监控线。（2）具体调整方案。打开cutunet软件，敲击showfolde（显示文件夹）按钮，选定frequency&power。（频率和功率）。发射频点是经过联络网络控制工程师获得分派的，而后将gainsettings（发射功率）应用默认设置。选择条目modula-tion&rate。Datarate选择19.2K。Modulation选择BPSK。FECrate选择1/2。选中scrambler&diff.encoder。选中TXenable。选中Qinvert。敲击OK按钮直至CU板上呈现“—/E.”交替出现为止，调整若不成功，需多次尝试。（CU3慢选APPLY后OK.）。
3功率调整
调整功率需要调整地球站点室内和室外设立的衰减器，正常先调整室外ODU，而后微调各机架的室内衰减器。调整室内衰减器：地球站需要对每一组衰减器所属的机箱进行调整，衰减增大减小功率，衰减减小增大功率。调整室外衰减器：3.1agilisodu上下行衰减值的调动（1）AGILIS监控电缆的制作；（2）AGILISODU监控显示。3.2efdataODU的上行链路和下行链路的衰减值调整（1）制作efdataODU监控电缆；（2）设置通信参数；（3）监控显示。3.3vitacomODU的上行链路和下行链路的衰减值调整（1）制作vitacomodu监控电缆；（2）启动超级终端；（3）VITACOM超级终端的通信参数设置。终端仿真：DECVT-100。速率：9600bps。停止位：1。数据位：8。奇偶校验：无。流量控制：关闭。（4）VITACOMODU监控显示3.4V2ODU监控界面VSATUUtility———RFM———ConfigureRFM———RFM。
4接收功率调整
调整完发射功率后，需要对地球站的接收电平进行标较。以下方法对地球站接收电平的调整。首先，地面站把机箱的接收中频电缆连接到频谱分析仪，在频谱分析仪上电自检完成以后，频谱分析仪参数设置为以下：70.125MHz的中心频率，跨度SPAN为300kHz，RBW为3kHz，VBW为300Hz，而后调整接收到的信号电平衰减器在近68dBm。
5调整结果功率调整的理论研究
5.1卫星通讯体系中的功率控制原理
卫星通信体系中的功率控制，是在用户通讯质量被保障的前提下，将发射功率降低，以削减系统干扰，提升系统容量。它是先对接收端的接收信号强度和信噪比等指标进行评价，然后改动发射功率来抵偿无线信道中的途径消耗和衰败，实现既保障通讯质量，又不会对卫星通信体系中的别的用户发生分外的影响。卫星通讯体系是一个功率受限体系的典范，用体系功率控制来保障卫星通讯体系正常工作，提升卫星通讯体系通讯容量，节约卫星通讯体系资源。功率控制算法主要从两个层次分析和研究。全局层次和局部层次。可以将功率控制分成不同的类型。根据功率控制在卫星系统中的链路方向不同分为：上行功率控制和下行功率控制。根据功率控制信息的获取方式分为：开环、闭环、外环。其中闭环又称为快速内环。开环功率控制是指发射端根据自身测量得到的信息对发射功率进行控制。不需要接收端的反馈。开环功率控制控制在TD-LTE系统中主要用于随机接入过程。由于系统上下行链路在一个载频上传送，通过对导频信号的路径损耗估计。接收端可以对发送信号的路径进行估计。相应调整发送功率。开环功率控制的基本原理可描述为：Pnest（dBm）=Ploss（dB）+Pdes（dBm）其中Pnest（dBm）为开环功率控制调整后的终端发射功率。Ploss（dB）为测量得到的链路路径损耗。Pdes（dBm）为基站期望收到的目标功率。开环功率控制不需要反馈信道。算法相对于闭环功率控制反应更灵敏。它可对移动台发射功率的调整一步到位。即信道衰落多少节补偿多少。但是在深衰落的信道环境中，开环会使功率幅度调节过大产生误调。恶化系统性能。所以开环功率控制在目前的标准中仅在无线链路建立时使用。闭环功率控制是指需要发射端根据接收端送来的反馈信息对发射功率进行控制的过程。它分为功率调节和功率判决两个部分。因此，功率调整的延迟较大。
5.2上行链路功率控制
链路上行FDMA在云，雨，雪和雾影响的气候前提下，卫星接纳端的信号接纳电平具有很大变化，对上行信号的接收有很大影响。功率控制调整，由地球站和网控完成。网络控制检验上行信号的Eb/N0（信噪比），并且用专项使用信元方法及时向各个地球站广播，网络控制判断是否上行信号的接受Eb/N0（信噪比）高出阈值：阈值是一个窗口，确保接受Eb/N0（信噪比）在固定范围内的上行链路信号。如果接收Eb/N0值大于设定的（Eb/N0）max则适当减小其发射功率；如果Eb/N0值不大于设定的（Eb/N0）max则判断其是否小于（Eb/N0）min，如果Eb/N0值小于设定的（Eb/N0）min，则适当增加其发射功率，如果接收值在（Eb/N0）max和（Eb/N0）min之间就不对其发射功率进行调整。
作者：唐秋红 单位：民航东北空管局
卫星通信系统论文:卫星通信系统发展及关键技术分析
在通信进入了高速传播、大容量宽带和多媒体个性化的移动时代，卫星通信成为了无线通信中最特殊的通信方式之一。但是建立在无线电微波通信系统基础上的卫星通信系统依然存在着一些技术上的开发问题和应用难点，需要在通信技术上找到关键的突破点。
1卫星通信系统的基本概念
卫星通信系统是一种把卫星作为信号中继站来接受和转发多个地面站之间微波信号的通信系统。一个完整的卫星通信系统是由卫星端、地面端和用户端这三个部分组成的。在地球上空作业的卫星端在微波通信的传递过程中起的是中转站的作用。包含了星载设备和卫星母体的卫星星体在空中接收地面站的电磁波，放大之后再发送到另一个地面站。设立在地表之上的多个地面站是连接卫星系统和地面公众网的固定接口和传送点，由地面卫星控制中心、跟踪站、遥测站和指令站等部门构成。人们连接网络的用户端通过地面站传送出入卫星系统的微波信号，形成庞杂而宽泛的通信链接。卫星通信系统的覆盖范围很广，在卫星信号覆盖区域内的任意地点都能够顺利进行通信，不会因为距离的变化而影响通讯信号的好坏。卫星通信的电磁波主要在大气层以外的区域传播，微波传递的性质较为稳定。所以卫星通信的工作频带宽，通信质量好。即使部分在大气层内部传播的电波会受到天气的影响，也仍然是一种信号稳定性和通讯性很高的通信系统。但是，运行在高空轨道上的卫星在同时进行双向传输时，传递速率会延迟到秒级，电磁波的度也会有所下降，用于语音通话时会出现明显的中断现象。卫星在高空上的位置是按照预定轨迹运行的，因此，卫星始终处于一种运动状态，然而卫星通信系统中的线路连接都是无线链路，管理微波接收和微波传递的控制系统相当复杂，不易操纵和操作。
2卫星通信系统的发展现状
2.1成本和需求之间的矛盾
现代的大众通信集中体现为宽带互联网和移动通信。卫星通信在宽带领域中不及光纤宽带便利迅捷，在移动领域中也没有地面蜂窝移动系统的性价比优势。在移动的长途通信费大幅下降的情况下，卫星长途通信的转发器费用却没有任何变化，大大提高了卫星通信系统的运行成本。这种成本高需求低的矛盾是卫星通信系统面临的较大尴尬。
2.2宽带IP的传输和实现问题
中国当前的宽带IP卫星系统基本上都采用的是ATM的传输技术。这种技术的性能支持卫星通信系统相关的指标要求，实现起来却很困难。在卫星ATM需要分层实现的说法上有两种不同的观点就是否改变现有卫星协议结构的问题展开着激烈的争论。含有ATM交换机的子网移动性管理因为过于复杂，至今也还没有找到解决的方案。
2.3数据传递的速度和效率问题
信息时代最需要的就是传递信息的快捷方式。建立在频分复用和码分复用技术基础上的传统传递方式已经满足不了卫星通信日益增长的用户需求。虽然随后又研发出了分组交换技术，但长距离传输延时的问题还需要更加有效的技术和措施来降低传输延时对实时数据的影响。
3卫星通信系统的关键技术
3.1数据压缩技术
数据压缩不仅可以节约传输时间和存储空间，还能提高通信的便捷性和频带的利用率。数据压缩技术在处理数据的专业领域里已经发展得相当成熟了。不管是静态的数据压缩还是动态的数据压缩都可以为卫星通信系统在时间、频带和能量上带来相对较高的传输效率。例如ISO对静态图像压缩编码的标准和CCOTT的H.26标准，以及MPEG62设计中的同步交互性和多媒体等技术都成为广泛应用于多媒体压缩的公认标准。
3.2多媒体准信息同步技术
卫星通信系统传输中所使用的多媒体准信息同步技术大致可以分为连续同步和时间驱动同步这两类。在卫星的多媒体通信中，可以选用缓冲法、反馈法或者时间戳法来实现多媒体准信息的同步。目前开发出来的同步技术有建立在近似同步时钟基础上的“多业务流同步协议”和以时间因果同步为特色，支持分布式协议的“多信息流会话协议”。
3.3智能卫星天线系统
要成功传输多媒体信息，对通信系统的带宽要求是2500MHz及以上。降雨等天气因素和地面吸收电磁波等客观的影响因素都会导致卫星ATM网络产生较为严重的突发错误。为了完成多波束覆盖的范围较大化，研究智能高性能天线的技术开发和具体应用是十分必要的。例如，卫星通信系统可以在平时采用多波束快速跳变系统，在需要完成跟踪和同频复用的低轨道系统中采用蜂窝式天线，在星上和同步轨道系统中采用相控阵列天线。
3.4卫星激光通信技术
卫星通信对传输速率的要求很高，就目前来说，卫星通信系统的载波都是电磁性的微波。但微波天线能够接受和传递的微波数量是有限的，这就需要激光通信的辅助甚至替换。激光通信技术可以在减轻卫星密度重量和体积大小的同时增大卫星的通信量，提高卫星通信的保密性、性和传输速率。而且卫星通信的激光传输之间是不会相互干扰和影响的，是卫星通信在未来的主要发展趋势。
4结束语
和其它通信系统相比，卫星通信系统多具有的特点和优势是不可比拟的。但同时也存在着一些缺陷和不足。发展至今，卫星通信的成本问题、宽带IP问题和数据速率问题是最主要也是最紧要的问题难点。要想解决这些问题和难点，就要完善和开发卫星通信系统的关键技术，实现卫星通信质量和效率的有效提高。
作者：蔡宗元 单位：大庆钻探工程公司地质录井一公司信息中心
卫星通信系统论文:移动卫星通信系统模型设计特点分析
一、OFDM在移动卫星通信中的应用
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，同时也能保障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理论较高效率可达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，通过较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近期的用户数据，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理论上可较高提供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较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;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、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，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
地面移动通信的快速发展带来了卫星通信系统通过OFDM技术的使用可以有效提高频谱的使用效率，也有利于今后的网络融合，但需要面对并克服一些技术问题。本文基于透明转发与基于子载波交换两类卫星转发器给出两种网络结构类型，并以此为参考阐述了在实施中所带来的效益和所需面对的问题，并进行了简单分析，可作为后续工程实施的参考。
作者：夏融 董云刚 陈涛
卫星通信系统论文:海事卫星通信系统架构研究
1第五代海事卫星通信系统技术架构
INMARSAT第五代海事卫星通信系统采用Ka频段，为全球范围内的海事、陆地和航空用户提供超高速移动宽带通信服务，系统由四部分组成：空间段、关口站、卫星终端和地面接续站。
1.1空间段
按照设计规划，第五代海事卫星空间段包括3颗主用静止轨道卫星及1颗备用卫星，主用卫星分别是印度洋卫星，太平洋卫星和大西洋卫星，目前印度洋卫星已于2013年12月8日成功入轨，大西洋卫星已于2015年2月1日成功发射，太平洋卫星原计划2015年4月或5月发射，目前因故推迟，择机发射。第四颗备用星将于2016年第二季制造完成并交付，2016年底投入运行。GlobalXpress卫星采用采用波音公司成熟的702HP卫星平台，将在地球同步轨道运行，可实现对全球南、北纬78°以内区域的覆盖。该卫星采用全球转发器技术，高性能弯管设计，包括前向和反向转发器，通过转发器将业务落地到SAS站，由其分发业务。每颗卫星设计有89个KA转发器，额定功率15KW，其中72个为激活的信道，累计带宽5GHz。每颗星下设计有6个可移动的高容量波束（HCO），这一灵活设计使得GlobalXpress可以满足长期热点和突发事件的需求。GlobalXpress卫星的设计依照VSAT模式，上行和下行在同一波束内，可以将高容量波束（HCO）设置为关口站波束服务其他HCO波束，交叉链接容许高容量波束（HCO）到关口站（SAS）的通信。在实际使用中，全球波束下用户终端可达上行带宽29.5-30.0GHz，下行带宽19.7-20.2GHz；在大容量波束下用户终端可达上行带宽29.0-29.5GHz，下行带宽19-19.7GHz。
1.2关口站
关口站是卫星和陆地侧网络通信的关键节点，负责处理用户终端的业务申请交换和分配用户资源容量，为用户提供电路交换和分组交换业务。目前第五代海事卫星全球共设立主备兼顾的6个地面站关口站，分别部署在欧洲、美洲和亚洲。每颗主用卫星对应的洋区下设有主备两个关口站。其中位于希腊的Nemea关口站和意大利的Fucino关口站将承担印度洋卫星的业务，位于美国的LinoLakes和加拿大的Win-nipeg将负责大西洋卫星的业务接续，位于新西兰的War-kworth和Auckland负责太平洋卫星的业务。这六个关口站由3个分别部署在纽约、悉尼和阿姆斯特丹的网络协调中心（MMP）接入海事卫星全球网络。全球MMP之间采用专线互联呈环状网络，且各MMP分别与所在区域关口站之间采用专线互联。Ka频段卫星通信链路面临着非常严重的雨衰问题，GlobalXpress作为Ka频段的卫星通信业务，即使采用了先进的调制编码技术，随着雨水密度的增加，数据下载速率将会显著下降。GlobalXpress选择在每个洋区下距离数百英里的两个地方建立地面关口站，使得主备关口站物理分离，遇到极端天气影响或故障时刻自动切换，较大限度地消除了地面关口站业务中断的可能性。
1.3地面接续站
地面接续站（POP）是海事卫星网络在全球的延伸。IN-MARSAT的商用合作伙伴可以建设自己的POP站，通过专线将POP站与INMARSAT全球网络各大洲的汇接中心（MMP）连接，进而接入各个地面关口站。同时在另一个方向，地面接续站与所在国家的电信运行商互联网连接，提供本地的便捷网络接入，另外，还能通过专线接入相关企业内网，提供更好的链路质量。一个第五代海事卫星GX系统的地面接续站包括强制路由子系统、数据通信子系统和业务应用子系统等，其功能如下：强制路由子系统：通过卫星关口站内部的位置服务器、强制路由模块与北京陆地接续系统之间建立的通用路由封装隧道，实现强制路由转发，实现海事卫星业务与我国陆地公共数据网络的有效接续。数据通信子系统：实现国际移动卫星组织规定的认证功能，包括五代星终端到北京陆地接续系统的注册、资源分配、数据通信建立等。业务应用子系统：主要为用户提供VOIP、预付费节点、视频会议、FTP、传真、邮件等业务应用。运行支撑系统（OSS）：包括网元管理模块、专业网管模块、信息汇聚模块、运维支持模块和运维分析模块，以满足对五代星北京陆地接续站网元设备的运行维护管理。业务支撑系统（BSS）并实现相应的功能，包括客户关系子系统、账务处理子系统、业务管理子系统、网上营业厅自助服务子系统、统计分析子系统及其综合结算子系统等。
1.4卫星终端
INMARSAT五代星系统采用了频道更宽的Ka波段，卫星终端更小、更先进、更标准化，天线口径可小至20cm，从而大大减小终端设备的体积和重量，而且终端的数据传输速率大幅提高。海用终端分为60厘米口径和1米口径固定通信平台，在恶劣天气下，可以实现与海上宽带FBB互为备份。航空终端需在通用飞机机身安装天线，口径约50厘米，商务机机尾安装天线约30厘米。陆用终端口径从60厘米米至2.4米天线不等。INMARSAT五代星系统支持的终端接入带宽与移动通信电信运营商正在建设的4G网络相当，可满足用户对宽带视频等多媒体应用的需求，如视频监控、视频会议等，为行业用户卫星通信的应用广度及深度拓展提供更大的空间。INMARSAT五代星系统主要实现标准IP业务以及基于IP的流媒体业务等。支持的应用主要有：电话、传真、短信、语音邮箱、连接互联网的数据传输、连接专用网的数据传输和视频传输等。下行传输速率较高可达50Mbps，上行传输速率较高可达5Mbps。
2第五代海事卫星通信系统性能研究
2.1五代星系统与四代星系统互为补充
随着3G移动通信技术的不断完善以及4G移动通信技术的飞速发展，Inmarsat卫星通信系统作为陆地网络通信技术的延伸和补充，需要与陆地网络保持一致，以满足国内外以及各行业对视频业务的需求。INMARSAT从四代星系统发展到五代星系统，属于移动卫星通信领域的重大技术革新。INMARSAT四代星系统支持的带宽与目前传统电信运营商的3G网络带宽处于同一水平，满足行业用户对话音及数据传输的基本需求。INMAR-SAT五代星系统支持的带宽将与电信运营商正在建设的4G网络带宽相当，一方面可以应对海上突发事件，为遇险船舶提供实时、有效、高质量的视频图像，保障海上航行安全以及搜救工作的顺利进行提供更完善的通信保障；另一方面，还可以满足由多媒体应用引发的大量视频业务的需求，支持行业用户的视频监控、视频会议等应用，为行业用户卫星通信的应用广度及深度拓展更大的空间。由于INMARSAT四代星系统基于L波段，通信质量不受恶劣气候的影响，因此基于Ka波段的INMARSAT五代星系统业务，在受到雨雪天气影响的情况下，业务将切换至四代星系统承载，待五代星系统信号恢复后，业务将自动再切换至五代星系统承载。负责进行业务切换的设备是网络切换控制器（NetworkSer-viceDevice，NSD）。就像3G和4G移动通信业务互为补充一样，未来INMAR-SAT五代星系统业务也将与INMARSAT四代星系统业务并网运营10年以上的时间，两代卫星系统各自的明确定位及相互补充，将给行业用户带来更多的业务选择。
2.2五代星系统与VSAT系统性能比较
VSAT通信业务是指利用卫星转发器，通过VSAT通信系统中心站的管理和控制，在国内实现VSAT中心站与终端用户之间以及VSAT终端用户之间的语音、数据、视频图像等传送业务，属于按照增值电信业务管理的第二类基础电信业务。我国VSAT卫星通信技术起步于上世纪80年代末，至今已有二十多年。随着电信市场向民营企业逐步放开，目前国内VSAT市场用户以行业用户为主，主要分布的行业包括教育、金融、能源、交通、电信、新闻媒体、水利气象、地质物探、军队公安及大型企业。VSAT卫星通信系统较Inmarsat三代星和四代星系统相比主要具有高带宽的优势，在国内作为国家有线通信网的备用和补充，常被应用于海上或者偏远山区、林区等陆地通信不畅的地区。但由于其点波束的覆盖有限，在通信过程中经常出现盲区。特别是在交通行业，在应对我国深远海应急通信保障中凸显能力不足，已不能适应和满足行业发展的需求。
3结语
GX业务在覆盖范围、带宽水平及吞吐能力等方面的优势特点，对产业上游的地面网络系统及终端设备厂家提出了更高的要求，国内相关企业在配合GX业务推广的同时，可从中借鉴先进的技术产品开发经验，提高自身的研发水平；产业下游的行业用户在得到GX业务更佳服务体验的同时，将提升本行业卫星通信技术应用及信息化建设的水平。海事卫星通信技术的逐代演进，船岸通信技术网络化、船岸通信方式与陆地网络一体化成为必然趋势。
作者：陈锐 邵珍珍 陈侃 柳晓月 李振 单位：中国交通通信信息中心
卫星通信系统论文:卫星通信系统资源动态分配研究
1多波束卫星通信信道的基本概述
多波束卫星通信信道往往具有一定的空间传播特性，其具体表现为电离层吸收损耗、大气吸收损耗、自由空间传播损耗、云雾损耗以及降雨损耗等方面。其中信号传播过程中受影响严重的多来源于降雨，因此对多波束卫星通信信道分析过程中需构建ITU-R雨衰模型，并通过降雨衰减进行仿真分析与计算，以此获取不同片段下降雨雨水量的相关数据，进而实现资源的动态分配。另外，多波束卫星通信信道在进行电磁波传输过程中，也会出现信号受传输路径与媒介影响发生变化的情况，此过程称之为信道衰落。可将其具体分为多径衰落与阴影衰落两方面。其中多径衰落主要指在电磁波形成散射、反射等情况下，天线接收到的信号将由不同路径下的信号共同组成，而阴影衰落具体指在障碍物影响下，电磁波传播中因阴影的产生出现损耗的情况。在分析空间传播特性与信道衰落的基础上构建多波束信道波形与多径莱斯信道[2]。
2多波束卫星通信系统动态分配的方式分析
2.1常见的资源分配方式
多波束卫星通信系统进行资源分配主要集中在功率资源以及子载波资源两方面。而实现分配的方式主要包括固定分配与动态分配两种方式。在固定分配方式中，各波束中的资源会进行预先分配，而且资源的使用仅局限在波束内用户中。这种固定分配方式的优势在于实施较为简单，不需选择信道，但其信道资源浪费情况比较严重。在动态分配方式中，波束用户可使用所有信道资源，而且还将信道增益信息融入其中，使信道的利用率及信道资源的灵活分配得以保障。特别在通信业务的未来逐渐呈多样性特征，且无线信道在具有时变特性影响下，动态分配方式更能满足其发展需求。
2.2自适应资源分配的基本原理分析
自适应资源分配过程中主要对子载波与功率进行分配。在分配子载波过程中，需对用户通信数据源以及子载波信道的实际状况进行分析，确保子载波的数量以及资源的分配能够实现化。由于用户信道信息在多波束卫星通信系统中各有不同，因此实际向用户分配时还需对用户间信道特征作出具体分析。另外，在分配功率过程中，主要将子载波分配为基础，将数据传输的速率在总功率限制下实现较大化，其实质在于从高斯信道中进行较大信道容量的获取。通常要求在通信服务质量得以保障的情况下，为使SINR最小化且避免信号受其他因素干扰，应对用户发射信号，功率逐渐减少。
2.3速率自适应算法存在的问题与改进策略分析
速率自适应的提出主要针对误码率限制以及总功率限制的情况下，以用户信息状态为依据，进行功率的动态分配与调整，从而使信道容量实现较大化。目前所采用的方式主要为优化目标函数、容量较大化算法、最小容量较大化算法以及基于比例数据传输速率限制的容量较大化算法等。但实际计算过程中，容量较大化的方式很可能产生子载波与功率分配不均的情况，最小容量较大化的方式又忽视了数据传输速率方面用户所表现的不同，而基于比例数据传输速率限制的容量较大化算法所涉及的功率分配计算又较为困难。对此现状需构建系统模型，在优化目标函数的基础上，进行功率自适应分配与仿真分析，并综合考虑载波与功率的联合分配，使资源分配方式更加合理[3]。
3结语
卫星通信系统实行资源动态分配是未来解决有限频谱资源难题的重要途径。但实际应用过程中，需对多波束卫星移动通信系统的原理与相关技术进行分析，选择满足动态分配方式的具体算法，这样才可充分发挥其应有的作用。
作者：杨澄雄 徐智超 单位：中国卫星海上测控部
卫星通信系统论文:消防部队卫星通信系统建设问题及措施
摘要：我国的消防部队卫星通信系统以统一管理和规划的方式为主，网络覆盖各大小总队和支队，能够对突发事故和灾害进行有效的指挥，为消防工作提供的技术支持。为了让卫星通信系统的作用得到充分的发挥，本文对消防部队卫星通信系统建设应注意问题进行了研究，主要分析了消防部队卫星通信系统的概况，阐述了消防部队卫星通信系统建设中的注意问题，总结了卫星通信系统建设的价值。
关键词：消防部队；卫星通信系统；问题
一、消防部队卫星通信系统概况
（一）VSAT卫星系统的基本情况
根据我国的消防卫星通信系统总体要求中的规定，当前全国的消防卫星通信系统均为VSAT卫星系统，其具有统一的管理中心，对全国各地加入了通信系统的消防部队进行统一的调度和管理。该卫星通信系统的全国通信网是全国同一频率进行通信的网络，该通信网由多个地球站共同构成。另外，消防卫星通信系统的设计要综合考虑各种应用的需求，从而实现各种不同的组网模式，如网状单跳网络、星状网络。将省作为一个整体来看，消防卫星系统则包括省总队分中心站、移动站、部局中心站三个内容，而移动站中又分为便携站、静中通和动中通，一般来说，省总队分中心站和部局中心站主要用于收集信息。省公安消防部队在进行卫星通信系统的建设时，通常更强调移动站的应用，因此本文所讨论的建设问题主要围绕移动站的建设所展开。
（二）公安消防移动卫星系统分类
公安消防移动卫星系统分为静中通、动中通和便携站。及时，静中通。静中通由卫星通信设备、静中通天线以及业务终端设备等构成，是一种能够进行移动的卫星通信地球站，虽然具有操作便捷、成本不高等优势，但其机动性能并不好，因此常用于消防支队或中队；第二，动中通。由卫星通信设备、动中通天线、业务终端设备等构成，其优势类似于静中通，但是机动性能更好，能够实现任何状况的卫星业务，但成本偏高，因此适用于条件较好的消防支队和总队；第三，便携站。便携站的载体为一种便于携带的箱体，主要由卫星通信设备、便携式卫星天线、供电设备以及终端设备等构成，是一种能够进行移动的卫星通信地球站。便携站的操作方式简单便捷、成本不高、易携带，具有明显的优势，但由于其受到气候影响，机动性能较差，常用于县区的消防部队。
二、消防部队卫星通信系统建设注意问题
（一）动中通卫星通信系统的表现
1.消防通信车
消防通信车的作用在于在最短时间内到达事故现场，然后经由通信车将现场的数据、语音、图像、视频等传输到指挥中心，让指挥中心的负责人迅速的了解到现场的实际情况，便于做出的应急对策。消防通信车的信号收集和传输是最为关键的问题，因此要充分考虑到车辆在道路中的畅通性以及信息的收集能力，通常在较小的事故中应用较多。所以往往采用机动性能较高的车作为底盘，然后安装动中通天线，其等效口径在80cm以上，形成消防信号的采集车系统。
2.消防指挥车
消防指挥车的作用是在应对突发事故时，将指挥人员送到事故现场附近，进行现场事故处理的指挥，为了方便指挥车与指挥中心的视讯效果，消防指挥车中还包括单兵图传、集群电台、公网通信等系统。另外指挥车还能够将事故现场的数据采集并传输到指挥中心，常常用于对大型的事故的现场处理。一般来说，消防指挥车强调车辆的指挥效果，因此往往采用口径较大的静中通天线或者动中通天线构成指挥系统。
3.消防综合保障车
消防综合保障车不仅能够进行信息和数据的收集，而且能够进行现场的指挥工作，兼顾消防指挥车和通信车的功能。通常用于小型或者中型事故的处理，消防综合保障车的设置更加注重指挥效果和通信效果的综合性，因此一般采用90cm左右的动中通天线构成消防通信系统。
（二）确定动中通卫星通信系统的建设对象
1.完整模式
动中通卫星通信系统的完整模式为消防通信车+消防指挥车，也就是常说的大车加小车的模式。完成系统建设后，如果发生重大的自然灾害和突发事件，则需要领导前往进行现场指挥，消防指挥车恰好能够发挥其作用，便于领导利用消防指挥车进行现场的指挥工作。而一般性的事故则常利用消防通信车，在最短时间内抵达事故现场，进行相关的信息收集，从而为指挥中心的指挥工作提供依据。
2.实用模式
消防综合保障车作为一种实用的卫星通信模式，能够将指挥人员送到事故现场进行指挥的同时，也能够进行相关信息的采集并传输至指挥中心，为事故现场的指挥工作提供条件。需要注意的是消防综合保障车的功能有限，仅仅能够确保少部分人的现场指挥工作，其道路的通过性与消防通信车相比而言较差，但由于消防综合保障车具有通信车和指挥车的双重功能，因此应用也较为广泛。
（三）消防部队卫星通信系统的建设单位选择
1.卫星天线供货商
一般供货商都有相应的产品或者产品，其商家需要具备专业的通信技术，能够提供售前的技术支持、售后的服务等，若车载站的建设以卫星天线的供货商为主导，则需要厂家配合完成车改的设计以及改装的具体工作，后续的故障维修也应该有该厂商负责。
2.终端设备集成商
终端设备的集成商的技术人员专业性强，熟悉当前的卫星通信系统的操作，对于卫星通信系统的售前技术提供、系统的故障探测以及售后服务等较为熟悉，因此若车载站的建设以终端设备集成商为主导，则卫星天线的安装调试等需要与厂家相配合，且系统的售后服务也应该由厂家来负责。
三、结语
综上所述，由于消防卫星通信系统具有较大优势，因此广泛应用于各消防部队中，消防部队卫星通信系统必须具有完善的业务通信功能、较好的实用性能，才能够更好的处理突发事件。其应用能够有效的减少人们的经济损失，维护人们的生命安全，有利于构建和谐社会，因此要加强对消防部队卫星通信系统的建设，从而为广大群众提供品质的服务。
作者：刘梦茜 单位：郑州市消防支队
卫星通信系统论文:小卫星通信系统的技术
【摘要】
小卫星通信系统具有研发费用少，重量轻，性能稳定，信号覆盖范围广以及不受地域条件限制等优点，能够对当前大型同步轨道的卫星通信进行补充作用，在全球范围内得到广泛应用的同时也受到了众多研究机构的重视，因此对小卫星通信系统的技术进行研究同时具有实践意义和理论意义。
【关键词】
小卫星；通信系统；作用；研究；意义
卫星通信技术在军事、政治、工业、生活等方面均具发挥着重要作用，而相比之下，小卫星则更具有大型同步卫星所无法实现的众多优势而受到国内外研究学者的重视，同时，卫星向小型化趋势发展也是全球卫星产业的主要发展方向。我国从本世纪初期开始着手小卫星的相关研制和发射工作。
1小卫星的技术优势
1.1荷载较少小卫星在每次的的任务中一般仅需要装载一种特殊设备，进而很好地避免了大型卫星中出现的荷载间复杂配比问题。
1.2研制时间短、费用低小卫星的研制一般只需经过一到两年，同时相关的研究经费也相比大型卫星明显降低，因此更具有经济性，更体现其实践意义。
1.3重量轻小卫星的重量一般较小，就当前国际情况来看，最微型的小卫星的质量仅有几百克，体积也很小，因此功能密度大，模块可多次利用。
1.4信号覆盖范围广由于小卫星具有较强的组网能力，因此能够形成精度较高，功能强大而且信号覆盖范围广的星座系统，进而具有易于补网和星座功能稳定的优势。1.5减缓频率压力小卫星的星座中包括多颗卫星，可以频率复用，因此具有减小空间任务所具有的频率压力。
2小卫星通信系统主要技术简介
卫星在通信中起着中转作用，即将地球站传送来的信号经过变频和放大转送到另一端的地球站，地球站是卫星与地面信息系统的链接点，用户通过地球站途径进入卫星通信系统中，形成链接的电路信号链；为了确保系统的运行正常，卫星通信系统必须和地面的监测管理系统和测控系统想链接,测控系统能够对通信卫星运行的轨道进行检测和控制，以保障地面检测系统能够对卫星所传送的通信信息进行有效的监控，保障系统安全与稳定的运行。小卫星通信的关键技术主要有通信系统的链路预算以及接收机参数估计技术和同步技术等，其中链路预算技术是设计小卫星通信系统的主要计算方法和参考依据，的链路预算能够确保通信系统的稳定运行。近年来，通信系统接收技术和相应的算法逐渐由信号模拟技术向数字化转变；由于卫星通信整体码速率有所提升因此对接收机的信息处理速度以及算法的复杂度、同步速度和稳定性也提出了更高的要求；信息传输量的大幅增加使得遥测领域中逐渐采用比特传输速率更高的调制方式；由于卫星通信系统在数字通信过程中的发射机和接收机的晶振不同，以及移动平台引起的多普勒效应，造成发射机和接收机之问会产生相位和频率的偏移，这种多普勒频移一般较高，即便在频偏较大时，接受同步技术也应能够正常工作，即捕获带宽较大。
3小卫星通信系统关键技术简介
3.1链路预算技术
（链路预算），即对一通信系统中发射设备，传送信道以及接收设备的通信链路的变化情况进行的核算，是对小卫星通信系统性能的评价，具体而言是从发射端的信源起始，通过编码、调制、变频等多项操作，将信号通过天线发射出去，再由信道进行传输，到达接收天线处由接收机进行信息处理，解调所需信息。其重要性在于：
（1）可确定系统工作是否满足系统实际需要；
（2）通过计算链路余量检查系统能否满足设计要求；
（3）验证在部分设备具有硬件限制的情况下链路其他部分能否进行弥补。对于模拟电路来说，该性能指标是基带信道的信噪比；对于数字电路来说，其性能指标是基带信道上测得的误码率；卫星链路分为两种信号路径：由地面站到卫星的上行链路和从卫星到地面站的下行链路，其中上行链路的信号发射过程包括编码调频上变频放大功率等操作，信号从天线传送到小卫星的接收端，而下行链路则包括低噪声放大下变频解调解码等操作，是地面站对接收信号的处理操作。与通信系统链路预算有关的数据因素有天线特性，传输距离较大值，信号发射/接受功率，热噪声，信噪比以及接收系统的质量。
3.2同步算法
无论是接受哪种形式的调制信号，接收机同发射机都必须保持同步，对于数字调频技术而言，有载波同步和码元同步两种基本同步模式，前者是对载波频率以及相位进行估计，后者则是对定时抽样时钟进行估计。由于发射信号在卫星通信的传输过程中必然存在一定延迟，因此产生了载波相位的偏移，同时由于其在传播过程中受到噪声干扰和多普勒效应影响，还会产生频率偏移，因此同步技术是数字通信中的关键技术，研究调制信号的载波同步和码元同步技术能够保障卫星通信系统、有效、快速的运行。由于载波同步算法利用的是判决反馈环路的模型，是在时钟已同步的基础之上才能进行，因此载波同步应位于码元同步滞后才可工作。下面以先码元同步再载波同步的模式为例，如图1所示，模拟信号被天线接收后，由ADC（analog-to-digitalconverter，模数转换器）转换为数字信号，再将频带信号通过下变频转变为基带信号，之后通过码元同步和载波同步对有载波偏差以及时钟偏差的信号进行估计，解调输出，码元同步位于载波同步前，以码元时间为基本数据处理周期，对相关硬件的要求较低，同步性能较好。
3.3型号参数盲
估计卫星通信信号的参数估计是重要的非合作通信接收技术，因为对信号的频率和调制方法等重要数据进行检查和估测是保障解调和达到监视、截获信息的目的的重要方法，以便为侦察系统的工作打好基础。小卫星通信系统的常用解调方式有BPSK解调，QPSK解调，CPM解调，SOQPSK解调等。一般情况下，欲通过卫星通信捕捉信号，接收系统的带宽需远大于信号带宽，解应使用宽带接收机。
4结语
小卫星通信系统具有的多重优势使其在当今世界范围内的卫星通信领域得到广泛的应用，吸引了众多研究学者，本文针对其中的几项关键性技术进行了简单说明。卫星通信的作用范围广，涉及的技术种类众多而且较为复杂，需要我们不断进行深入研究和实践，进而推进卫星通信向小型化方向发展。
作者：亢超 单位：河北诺亚人力资源开发有限公司
卫星通信系统论文:卫星通信系统跨层带宽分配研究
作为通信领域的主要构成部分，卫星通信系统近年来逐渐倾向于高频率、高速率以及大带宽等特征，以宽带多媒体通信网络作为系统设计主要目标。但因其自身仍以Ku频段为主提供系统容量，很难使用用户的业务需要，要求做好跨层带宽分配工作，并将更多多媒体通信技术引入其中，使卫星通信系统适用性更强。因此，对跨层技术与多媒体通信技术在系统中的设计与应用分析具有十分重要的意义。
1跨层技术的相关概述
关于跨层技术，根据以往学者研究，其在宽带卫星标准中主要体现在：及时，返向信道协议，其将系统中的多址接入方式、物理层定义、交互式模型以及管理模块等进行明确。第二，卫星网络标准，该标准中更倾向于将MAC/SLC层定义、物理层定义等融入其中，并考虑在链接控制、卫星链路控制等方面制定标准协议。第三，跨层技术内容，主要包括QoS结构、TCP加强技术等。事实上，跨层技术在通信系统中侧重于Qos结构、MAC层以及物理层等方面，通过设计完善有利于通信系统整体容量提升，而且在抵抗雨衰方面的能力得以提高。
2跨层系统模型的设计
2.1跨层系统模型的设计在卫星通信系统中，其存在较为明显信道条件差、系统时延大等特征，无法符合QoS要求与交互式业务需求，需要通过跨层设计使系统整体性能得以优化。模型构建中首先需从应用层设计着手，一般应用层是用户业务属性的具体表现，若底层网络协议较为单一，其将难以满足用户业务需求。因此，将跨层技术应用其中，主要需结合业务时延、QoS要求、数据速率特征等相关要求，确保相应网络协议得以优化。其次，从传输层设计角度，其主要用于连接端与端，相关的如吞吐量、拥塞窗口以及往返时间等都可作为设计的重要参数。以其中拥塞窗口为例，一旦系统因无线信道条件过差而发生数据丢失情况，此时系统传输效率将受到影响，对此便需明确拥塞窗口的相关参数。再次，网络层的设计，该部分设计的目的主要在于做好IP数据包寻址、路由选择等控制，将跨层技术的引入其中可保障数据包的发送更为便捷，如应用层、网络层间，跨层技术的应用主要表现在利用应用层相关QoS信息、业务优先级等使网络层路由策略被合理优化，这样数据包的转发可自动进行寻址。，数据链路层，该部分功能侧重于合理分配时隙资源，将跨层技术引入其中，主要使链路传输的性得以保障。例如，对于不同应用层业务，在数据帧处理过程中应注意对不同时延要求、性要求进行采取不同的跨层设计方式，如数据帧要求具有较高的性，应注重通过ARQ层跨层设计使该问题得以解决，而对于数据帧具有低时延要求问题，要求进行优先处理。除此之外，模型设计过程中还需考虑到物理层设计内容，其功能在于数据传输过程中，能够使数据控制在相应的误码率范围。将跨层技术引入其中，如编译码技术，其便是对应用层、物理层进行跨层设计的重要方式。
2.2跨层带宽分配设计在带宽分配设计中，首先需进行分配框架的构建，主要以应用层、传输层、网络层、MAC层、物理层为主。其中应用层框架内，QoS相关参数主要表现在响应时间、优先级等方面；传输层中的QoS参数以时延为主；网络层参数包括带宽要求、丢包率以及时延等；物理层侧重于符号速率以及误码率；而MAC层注重对预留宽带、可持续速率等参数进行分析。其次，需做好分配约束条件的设计。以MF-TDMA接入方式为例，其是现代大多通信系统中常用的多址接入方式，其在约束条件上主要表现为：对于不同卫星终端避免应用同一时隙资源、带宽分配中避免存在时间重叠问题、带宽分配上限以一个载波容量为主。
3多媒体通信技术的应用
单纯依托于跨层设计，卫星通信系统在通信功能上将无法得到较大程度的发挥，需将多媒体通信技术引入其中，这样在系统应用下用户之间可实时交换信息。具体技术应用主要表现在H.264/AVC标准的制定、视频误码控制以及去块滤波器等方面。其中在标准制定中，率对数字视频引入相应的编解码标准，即H.264，其又可叫做AVC，利用其对系统进行解码，可使解码效率得以提高，而从压缩图像方面看，该标准在保持较高数据压缩率的同时不会过多占用网络带宽，能够较大程度的节约带宽资源。在误码控制方面，以视频信号为例，系统传输信号过程中往往存在中断、延迟等问题，容易出现丢包或误码现象，所以需引入误码掩码技术，可通过有效的解码形式对接收端信息进行分析，若存在数据丢失情况可直接进行恢复。另外，去块滤波器方面，其作用在于将解码块效应进行解决，通常解码完成后很可能存在虚假边界现象，特别引入H.264/AVC，这种现象更为明显，所以需通过去块滤波器使视频质量得到提升。
4结语
跨层技术与多媒体通信技术的应用是提高卫星通信系统整体性能的重要途径。实际应用过程中应正视跨层技术的基本内涵，做好跨层模型的设计，同时还需考虑将去块滤波器、误码掩码技术以及H.264标准引入其中，使体统应用能力得以提升，更好地为其所在行业领域服务。
作者：孟祥辉 单位：国家新闻出版广电总局无线局五四二台
卫星通信系统论文:数字卫星通信系统性能研究
随着人们需求的不断增加，C频段与Ku频段中的业务也越来越多，更高频段卫星通信系统的使用已经迫在眉睫，因此，Ka频段卫星通信系统应运而生，以满足当前日益提升的应用需求。Ka频段卫星通信有被普遍成为宽带交互卫星与多媒体卫星，具有容量大、宽带大、尺寸小、束波窄、抗扰强、卫星多等多方面优势，是未来发展的必然趋势。
1Ka频段卫星通信系统特点
Ka频段卫星是当前比较先进的卫星系统，能够对DVB/IP进行支持，从而实现卫星电视与高速网络之间的相互结合，为用户提出更加直接的宽带与窄带业务，具有很多应用优势。但与此同时，Ka频段卫星通信系统也有一些不足之处，因为频率相对较高，会造成其降雨衰减较大，与传统的C频段与Ku频段相比，Ka频段会受到更大的噪声、去极化以及雨衰等因素的影响，且对相关器件与工艺的要求也相对较高。在运用Ka频段卫星进行通信的过程中，大气层中含有的水汽、氧气等因素会使得卫星信号产生正常耗损以外的衰减，如果这些问题产生作用，就会对信号的幅度、极化等方面造成变化，进而使信号的错误率提升，影响信号质量。运用Ka频段进行卫星通信的过程中，需要解决以下3方面的问题：（1）解决信号雨衰；（2）研制相应的星上处理器；（3）确保数据不发生过度延迟。而在降雨环境下，雨衰与信道编码会对Ka频段卫星信号系统的性能产生影响。
2降雨环境下雨衰对系统的影响
2.1雨衰影响在降雨环境下，电波如果通过降雨区域，会被雨区中的水滴散射与吸收，从而使电波产生衰减。在这个过程中，雨滴的大小与波长会在很大程度上对雨衰值产生影响，而降雨率则是影响雨滴大小的主要因素。因影响雨滴模型的因素较多，世界各地各不相同，因此，雨衰值在估算过程中也会受到很多因素的制约，工作内容十分复杂。相较于C频段，Ku与Ka频段中的雨衰主要会对卫星电视广播产生很大程度上的影响。根据实际调查，Ka频段在很短的时间内，其衰减数值非常高，这种衰减会造成广播线路暂时性的中断，所以，在对Ka频段进行设计的过程中，需要对雨衰影响进行优先考虑。
2.2雨衰特性从Ka频段中雨衰预测与雨衰等值等相关数据中，可以分析出我国雨衰的相关特性，具体有以下3个主要方面。
2.2.1降雨强度影响降雨的强度是对雨衰值产生影响的最主要因素，我国幅员辽阔，气候多样，每一个气候区中的降雨强度都有所不同，因此，雨衰值根据地域的不同，有着鲜明的地域分布，由此可见，降雨强度对雨衰值的作用不容忽视。
2.2.2地球站天线仰角影响在地球站中，其天线的仰角在很大程度上左右着电波斜路径长度，决定天线仰角的因素主要有卫星位置与地球站位置两方面。对雨衰来说，卫星仰角的影响主要体现在以下2方面：（1）如果地球站海拔高度大体相同，则仰角与斜路径长度呈现反比例关系，即仰角越大，斜路径长度越短，从而导致雨衰减小；仰角越大，斜路径长度越长，雨衰增大。（2）如果地球站经纬度大体相同，则仰角与斜路径长度呈现正比例关系，即仰角越大，斜路径长度越长，雨衰增大；仰角越小，斜路径长度越短，雨衰减小。
2.2.3频率影响该影响主要出现在ITU-R预报模式中，在该模式下，频率与雨衰值呈现正比例关系。其原因在于频率的不断增高使其与雨滴的大小愈加接近，在很大程度上提升了雨滴吸收与散射电磁波的程度，从而使降雨衰减增大。
2.3补偿方法当前，主要的雨衰减补偿方法有以下几种：（1）位置分集。雨衰较大的地区主要存在于天线仰角低或降雨较多的地方，而空间分集是相对有效的补偿方法。这种方法通过在特定位置设置地球站的方式，将雨衰较大的地区切换到雨衰较小的地球站完成通信。（2）频率分集。由上文可知，频率与雨衰值呈现正比例关系，而频率分集便是利用这一特点进行数据传输的，运用高波段实现绝大多数业务的传输，低频段则进行辅助传输，解决受雨衰影响且在一定门限之上的链路。（3）UPC。该方式主要通过上层链路的雨衰情况对地球站发生电平进行有针对性的调整，从而降低降雨所消耗的电波信号，确保卫星转发器所接收到的信号与晴天时大致相同[3]。从当前情况来看，UPC是现阶段最为经济的抗雨衰方式。（4）自适应编码。在该系统中，信号发射装置主要由信道编码器与速率调节器两部分构成，需要注意的是，这2部分都是可调的。通过该技术，能够在很大程度上改善Ka频段卫星通信系统在降雨环境下所产生的链路性能恶化。
3降雨环境下信道编码对系统的影响
在Ka频段进行数字信号传输的过程中，会因为信道传输不好或雨衰等因素的影响，使其受到的信号发生错误。为了提升其通信性，较大程度上降低信道中产生的干扰和噪声，需要以一定的规律为基础，在将要发送的信息中适当的加入一些监督码元，在接收过程中，可以通过这些监督码元之间存在的规律，对信号传输中的差错进行及时有效的发现与纠正，从而达到提升信息传输的性的目的。对于数字通信系统来说，其编码技术主要有信源与信道两种编码技术，其中，前者能够提升信息传输过程中的有效性，而后者能够提升信息传输过程中的性。信道编码有被称为差错控制编码，能够通过一定规律，在一定程度上提升信号冗余度，从而让信号具备一些错误检测与纠正能力。当前主要的信道编码技术有以下3种。
3.1检错重发接收端在接收信号的过程中，一旦检测出信号码元中存在错误码，就会对发送端发出信号，让其重新发送，直到接收为止。而对出错码的检测，主要指的是已经明确在所有的接收码元中，存在若干个错误码元，但其具体位置无法确定。需要注意的是，运用这种方法需要具有双向信道，接收端与发送端都能够得到消息。
3.2向前纠错信号接收端不仅需要及时发现接收信码中的错误码，还需要对错误码进行及时纠正。在二进制系统中，一旦确定了错误码的位置，就可以对其进行纠正。该方法与检错重发法不同，不需要具备反向信道，也避免了重复发送所造成的时间延误，具有很好的实时性。但其缺点在于设备相对复杂。
3.3反馈校验在接收到信号以后，还要将信码重新返回发送端进行校验，比较源信码，如果在这个过程中发现差异，则需要重新发送。该方法无论从原理方面看，还是从设备方面看，都相对简单，但与检错重发法一样，都需要具有双向信道。由于该方法每一个信码都需要进行2次传送，因此与向前纠错法相比，传输效率相对较低。无论哪一种信道上，都会不同程度上存在各种各样的干扰，这些干扰会使信号在传输中出现误码，进而影响数字卫星通信系统的性能，想要对这些误码进行检测与纠正，就需要运用信道编码。在Ka频段信道中，不仅存在加性干扰，还存在乘性干扰，前者是通过白噪声引起的，后者是通过衰落引起的。白噪声会使传输信号产生随机性错误，衰落会使传输信号产生突发性错误。所以在Ka频段系统中，通过信道编码对传输信号进行差错控制是很有必要的。
4结语
随着卫星通信技术的广泛应用，卫星通信信道也越来越拥挤，Ka频段是一种频率较高的频段，是卫星通信系统未来发展过程中的必经之路。雨衰与信道编码都会在一定程度上对Ka频段卫星通信系统性能产生影响，值得进行更加深入的研究。
作者：孟祥辉 单位：国家新闻出版广电总局无线局五四二台
卫星通信系统论文:卫星通信系统轨道研究
1概述
卫星运行的轨迹和趋势称为卫星运行轨道，其轨道近似于椭圆或者圆形，地球就处于椭圆的一个焦点或圆心上。卫星轨道类型是根据其需要完成的任务决定的，同时卫星轨道的特性也决定了其任务特性。
2按轨道形状分类
可分为圆形轨道和椭圆轨道。圆形轨道上的卫星围绕地球匀速运动，通信卫星最常用该轨道；椭圆轨道在近地点运行速度快，在远地点运行速度慢，可利用在远地点速度慢这一特点来满足特定区域，特别是调整轨道参数满足地球高纬度区域的通信需要。
3按轨道高度分类
可分为中轨（MEO）、低轨（LEO）和高轨（HEO）。中轨卫星通信系统轨道高度为8000～20000km，兼有低轨和高轨系统的折中性能，中轨卫星组成的星座能实现全球覆盖，信号传播衰减、延时和系统复杂度等均介于低轨和高轨系统之间。低轨卫星通信系统轨道高度为700～2000km，卫星对地球的覆盖范围很小，可用于特种通信或由多颗卫星组成星座，卫星之间由星际链路连接，实现全球的无缝覆盖通信。例如，铱星系统是轨道高度为780km，由66颗卫星（另13颗备份）组成的星座通信系统。低轨系统具有信号传播衰减小、延时短、可实现全球覆盖的优点，不过实现的技术复杂，运行维护成本高。此外，随着轨道的降低，大气阻力成为影响卫星轨道参数的重要因素。一般来讲，当卫星轨道高度低于700km时，大气阻力对轨道参数的影响比较严重，修正轨道参数会影响卫星的寿命。当轨道高度高于1000km时，大气阻力的影响可以忽略。高轨卫星通信系统轨道高度在35786km的地球同步轨道（GSO），卫星位于最常用的赤道平面。高轨系统单颗卫星覆盖范围大，传播信道稳定，理论上3颗卫星便可覆盖两极之外的所有地区。但高轨系统传播信号衰减大、延时长，只有一个轨道平面，因而容纳的卫星数量有限。目前运营中的IntelSat、InmarSat、Thuraya等系统都是高轨系统。大椭圆轨道可为高纬度地区提供高仰角通信，对地理上处于高纬度的地区是很好的选择。
4按轨道倾角分类
可分为赤道轨道、极轨道和倾斜轨道。赤道轨道的倾角为0º，当轨道高度为35786km时，卫星运行速度与地球的自转速度相同，从地球看上去，卫星处于“静止”状态，这也是通常所讲的静止轨道。当卫星轨道倾角与赤道成90º时，卫星穿越两极，因此也叫极轨道。当卫星轨道倾角不是0º或90º时，称为倾斜轨道。不过，一般而言，通信卫星都是采用顺行轨道。
5按星下点轨迹分类
如果在卫星和地心之间做一条连线，该连线与地面的交点就叫做星下点，在这些星下点连接起来就是星下点轨迹。由于在卫星围绕地球转动的同时，地球本身也在自转，所以卫星绕地球运行的星下点轨迹不一定每一圈都是重复的。将星下点轨迹在M个恒星日绕地球N圈后重复的轨道叫做回归/准回归轨道（这里M、N是整数），其余的轨道叫做非回归轨道。M=1叫回归轨道；M＞1叫准回归轨道。轨道类型之间一般还会有混合交叉，所以分类只是对卫星轨道观察角度的不同。
6对比分析
篇幅所限，现仅就按轨道高度分类的卫星通信系统，给出如下分析：
6.1低轨（LEO）传输延时和功耗都较小，但每颗星的覆盖范围也较小，典型系统如铱星系统。支持多跳卫星通信，链路损耗较小，因而对卫星及其用户终端的要求不高，微型或者小型卫星和用户终端就方便使用。低轨的代价是构成全球系统的卫星数量高达数十颗，如铱星系统有66颗卫星、Teledisc有288颗卫星、Globalstar有48颗卫星。由于低轨卫星运行速度比较快，对于某一特定的终端用户来说，从地平线升起至落到地平线之下卫星暴露在视野中的时间短，载波和卫星之间的切换比较频繁，因此，低轨系统组成和控制技术复杂、运营风险大、建设成本高。
6.2中轨（MEO）传输延时要大于低轨卫星，但覆盖范围也更大。中轨系统是同步卫星系统和低轨系统的折衷，兼有两者优点，又克服两者不足，仍可采用简单的小型卫星。若均采用星际链路传输信号，远距离通信时，中轨系统在星际链路上的延时会比低轨系统的低。而且由于中轨系统轨道比低轨系统轨道高很多，单颗卫星覆盖的范围远高于低轨系统，当轨道高度达到10000km时，单颗卫星可覆盖23.5%地球表面，因而只需要少数几颗卫星就可以达到全球覆盖。十几颗卫星就能提供对全球绝大部分地区的双重覆盖，系统的性可以通过分集接收系统实现，系统成本也要低于低轨系统。因此，中轨系统在建立全球覆盖方面是较为优越的方案。不过如果地面终端需要宽带业务，此系统实现上会有一定困难，低轨系统宽带业务方面较中轨系统优越。
6.3高轨（HEO）即地球同步静止轨道。3颗高轨道卫星就基本可以实现全球覆盖。传统的同步卫星通信系统在技术上最为成熟，但是，同步卫星的缺点是较长的传播延时和较大的链路损耗，在进行移动卫星通信业务方面存在缺陷。首先，同步卫星轨道高，链路上损耗大，对用户终端的接收性能要求高。该系统难于应用移动终端通过卫星进行通信，这时只有采用L波段天线，而这就要求卫星有效载荷提高，因此不方便通过小卫星实现。其次，由于通信链路距离长、传输延时大，通常单跳传播存在数百毫秒的延迟，经过星上语音处理后延迟更大，当进行双跳通信时，延时有时候达到数秒，语音通信用户此时将难以接受。通过星上交换处理能有效解决该问题，不过会增加星群架构复杂程度、系统运营成本和风险。经由以上分析可知，卫星通信用户可根据上述不同的轨道特性和实际使用需求选取合适的卫星通信系统进行通信。
作者：郭丞 单位：中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院
卫星通信系统论文:组播技术对卫星通信系统的影响
近年来，随着通信技术的不断发展，IP网络业务在卫星通信领域应用越来越广泛。在IP网络业务中，很多是高带宽的应用,这就需要采用IPMulticast（组播、多播或多路广播技术）技术来解决带宽的急剧消耗和网络拥挤的问题。在我国已经建成或正在建设的卫星通信网中，IP业务都是采用点对点的单播或全网广播。随着卫星通信网和地面IP网络的融合、接入，组播方式的作用日益突出，已成为卫星通信正在研究的重要内容之一。本文对IP组播作了综合的介绍，结合笔者的研究，详细描述了卫星通信中IP组播的多种实现方式。
1基于卫星通信系统的IP组播模型
卫星通信和传统的地面IP有线网络通信相比较，具有很多优点。卫星通信中可以应用单播、广播、组播传输IP网络信息。使用单播（Unicast）传输时，在发送者和接收者之间需要单独的一对全双工卫星通信信道。如果有大量主机同时希望获得数据包的同一份拷贝时，则需要使用多路全双工的卫星通信信道来完成，这就需要增加硬件和带宽等珍贵的资源。使用广播（Broadcast）传输时，只能在IP子网内广播数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。广播意味着网络向子网主机都投递一份数据包，不论这些主机是否乐于接收该数据包。
广播的使用范围非常小，只在本地子网内有效，因为路由器会封锁广播通信，也就是广播不能跨越不同的网段传输，现实中不跨越网段的传输模式应用很少。在目前流行的单向信息流量较大（业务信息）而反方向信息流量小（主要是路由协议和管理信息）的多种IP组播业务中，单播和广播存在的缺陷根本不能实现这些需求，而组播则可以满足需求。卫星通信信道为全双工的通道，对于信息量大的方向，可以使用高带宽、高速率的资源，而信息量小的方向使用低带宽、低速率的资源。
卫星通信中典型的IP组播传输模型如图1所示。关键设备宽带调制解调器实现信息的调制和解调功能；IP加速器对空间传输链路上的IP报文进行加速，提高了网络吞吐量；保密机实现IP报文的加密和解密；路由器实现不同网络在IP网络层的互联互通。由于宽带信道、IP加速器、IP加密机都工作在TCP/IP协议族的物理层或数据链路层，在IP业务传输过程中只做比特流的透明传输或者简单的差错控制，不具备IP报文的具体寻路工作，因此，可以将图1的模型简化为图2的模型。在卫星组播发送站和接收站中接入不同的IP组播业务终端，通过路由器生成的多播路由表来寻路，实现多种业务的组播传输。各卫星地球站使用支持组播功能的路由器（以Cisco2801系列为例）作为接入点。
2卫星通信中IP组播的规划
根据图1进行通信资源的规划，建立好卫星通信传输链路。根据图2进行IP地址的规划。研究工作以音视频业务组播为例（其他组播业务与之雷同），其传输方案为：音视频信号通过IP编码器接入卫星组播发送站，以IP组播报文的形式途径卫星通信链路传输，卫星组播接收站1和2同步接收组播报文，经过IP解码器还原出音频信号。
2.1通信资源规划配置卫星组播发送站的卫星通道1和2的宽带调制解调器发送带宽2Mb/s，接收带宽8kb/s；配置卫星组播接收站1和2的卫星通道的宽带调制解调器发送带宽8kb/s，接收带宽2Mb/s。建立卫星发送站的卫星通道1和卫星接收站1卫星通道的通信传输链路；建立卫星发送站的卫星通道2和卫星接收站2卫星通道的通信传输链路。
2.2IP地址的规划（1）卫星发送站。路由器A网络互联口F0/0IP地址为192.168.1.1/24，本地互联口FA0/1的IP地址为192.168.11.1/24。音视频编码器IP地址为192.168.11.2/24，默认网关为路由器A的FA0/1口IP地址。（2）卫星接收站1。路由器B网络互联口F0/0IP地址为192.168.1.2/24，本地互联口FA0/1的IP地址为192.168.21.1/24。音视频编码器IP地址为192.168.21.2/24，默认网关为路由器B的FA0/1口IP地址。（3）卫星接收站2。路由器C网络互联口F0/0IP地址为192.168.1.3/24，本地互联口FA0/1的IP地址为192.168.31.1/24。音视频编码器IP地址为192.168.31.2/24，默认网关为路由器C的FA0/1口IP地址。（4）组播套接字。组播需要用组播套接字进行通信传输，组播套接字是组地址和端口号的组合序列，规划卫星地球站之间使用组播地址224.10.10.10，端口号2009进行IP组播传输（可以使用任意的合法组播地址和端口号），在卫星发送站或接收站各音视频编码/解码器中配置组播套接字。
3卫星通信中IP组播的实现
卫星通信中IP组播可以通过多种方式来实现，笔者根据实际的研究结果详细介绍3种模式，包括动态路由协议（RIP，OSPF，BGP）+PIM协议模式、RP（静态、动态）模式和混合模式。
3.1动态路由协议+PIM协议模式动态路由协议是指运行同一种路由协议的路由器之间动态相互交互信息，形成路由表的过程，包括内部路由协议（典型的有RIP，OSPF）和外部路由协议（典型的有BGP）。PIM使用PIM-SDM（SDM是SM和DM两种方式的结合体），任何一种动态路由协议配合PIM协议可以实现组播。
3.1.1RIP+PIM模式路由器配置RIP动态路由协议，组播发送端配置互联网段和业务终端网段，组播接收端配置互联网段，而业务终端网段可选配（可配置也可不配置），本实现方式全部配置，路由器各接口配置PIM模式。
3.1.2OSPF+PIM模式路由器配置OSPF动态路由协议。组播发送端配置互联网段和业务终端网段；组播接收端配置互联网段，而业务终端网段可选配。本实现方式全部配置。将互联网段划分到域序号0中，IP终端网段分别划分到域序号1，2，3中，路由器各接口配置PIM模式。
3.1.3BGP+PIM模式路由器配置BGP动态路由。组播发送端互联网段的邻居需要配置，同时配置业务终端网段；组播接收端配置互联网段的邻居，而业务终端网段可选配。本实现方式全部配置。将路由器A，B，C分别划分到域100，200，300中，路由器各接口配置PIM模式。
3.2RP模式所有的组播业务信息先发送到带RP功能的路由器，然后再根据策略发送到相应的路由器。RP模式包括手工配置的静态选定RP和自动选择的动态发现RP。动态发现RP有包括Auto-RP和PIMV2BSR两种方式。
3.2.1静态选定RP。静态RP需要在所有的路由器上进行配置。所有的路由器配置的RP必须是一致的，是同一台路由器。通常将组播发送方路由器配置为静态RP。
3.2.2动态发现RP相对于静态选定RP模式，动态发现RP模式配置更加简便。只需要在组播发送方路由器上全局配置，组接收路由器不需要作任何的全局配置，双方通过信息传递发现RP。动态发现RP又分为Auto-RP和PIMV2BSR两种方式。（1）Auto-RP方式。Auto-RP是Cisco的私有解决方案。需要配置候选RP（C-RP,candidate-rp）和动态影射MA（MappingAgents）。C-RP会利用管理组地址发送一个自己是RP的通告，MA监听判决，然后向所有的路由器发送RP的地址。（2）PIMV2BSR。PIMV2BSR是PIM自带的一种RP选举机制。在域内BSR选定后，向所有设备发送自己是BSR的通告，RP向BSR发送注册信息，BSR将此信息发送给所有的路由器，所有路由器都使用这些信息，根据自己的算法计算出谁是RP。
3.2.3混合模式对于以上两种应用模式，使用的都是域内PIM组播路由协议。而在域间则是使用组播源发现协议（MSDP）。MSDP通过各PIM域的RP之间建立MSDP对等关系，使它们能在域间转发信源有效信息。共享组播信息源。此时既需要在本域内路由器各个网络接口配置PIM协议，又需要在域之间配置MSDP协议。将路由器A，B，C分别划分到域100，200，300中。首先配置BGP路由协议。通过不同的配置方法，上面所描述的三种模式都可以在卫星通信中实现IP组播传输。在三种模式中，采用动态路由协议和PIM协议实现IP组播的模式应用最为广泛。因为在卫星通信中，需要配置动态路由协议来实现不同物理网络IP单播业务的传输。因此只需要增加相应的PIM配置就可以实现IP组播业务的传输。而且组播业务和单播业务不会互相影响，它们可以同时进行传输。
3.2.4后序在完成上述的研究后，笔者还进行了下列研究：多个音视频组播同时发送和接收。多个网络数据组播同时发送和接收。单个音视频组播和单个网络数据组播同时混合发送和接收。多个音视频组播和多个网络数据组播同时混合发送和接收。这些研究都取得了成功，对今后组播业务在卫星通信领域中的应用具有相当大的参考价值。
4结束语
本文提出了基于卫星通信的IP组播模型，并给出了该模型下实现组播的条件、组播的地址分配、Internet组管理协议、组播转发、组播路由协议，该模型在卫星通信系统下能较好地实现IP业务的互联互通。随着卫星通信网与地面有线IP网络的逐渐融合，本文所提的IP组播模型将在卫星通信领域中的应用得越来越广泛，具有较强的应用性和推广型。
作者：杨飞 陈涛 李晴飞 包少彬 单位：南京熊猫电子股份有限公司
卫星通信系统论文:船载卫星通信系统探究
1传统PID算法在船载卫星通信系统中的应用
数字式PID算法有两种类型，分别为增量型PID算法和位置型PID算法。在本系统中采用的是位置型PID算法。入口参数为角度误差量，即系统运行时理论角度值与码盘反馈的角度差值送给e(k)。传统PID算法虽然原理比较简单，控制较为灵活，但在实际的应用中还是存在一些问题的。如在系统启动时，短时间内有很大的偏差，会引起积分饱和，造成较大的超调；而微分环节的引入会使系统对于干扰变得特别敏感，造成系统的不稳定。下面针对这些问题提出几种改进方法。
2PID算法中积分项的改进
在PID函数实际应用过程中，为了克服积分饱和现象，通常可以采用积分分离、积分限幅和不积分的克服方法。积分分离的实现方法是在偏差值不大时对积分项累加，而在偏差值较大时不对该值累加，这样可以防止偏差大时过大的PID输出控制量，避免了积分饱和现象[6]。积分限幅的基本方法是当积分项累计到某个较大的值时，不再继续对积分值进行累加，保持该积分值不变，下一次的积分值取上一次的积分值，直至出现符号相反的入口值时才继续对积分项进行累加[7]。由此可见，采用不积分方法后，积分环节的输出量在及时个周期会迅速的增大，但此后其增长速度不断减慢，会趋向一个有限值，然而积分是趋向无穷大的。因此积分容易出现积分饱和现象，从而导致其特性变差[8]。
3PID算法中微分项的改进
微分项的引入会导致系统对干扰扰动特别敏感。原因在于当e(k)为阶跃函数时，微分项的输出仅在一开始起作用，对于时间控制比较长的情况，它的超前控制作用会变得很小[9]。在此提出的改进方法就是采用不微分的方法。由此可见，采用不微分方法之后，微分环节的输出量在及时个采样周期内的脉冲高度会降低，然后按(0)dkau的规律逐渐衰减。因此不微分能有效克服传统PID算法对扰动敏感的不足，从而具有较为理想的控制特性[10]。综上所述，具有不微分、不积分的PID控制器如图4所示。
4结论
将不积分、不微分的PID算法应用到实际的船载卫星通信系统中，当电机正转和反转时分别测量出具体数据。以实测出的数据做为输入量，将控制量u(k)和误差e(k)用Origin软件进行绘图，得到下面的图形[11]。从图5和图6可以看出，运用PID算法控制的电机在经过一开始短暂的闭环控制后，控制量保持平稳，误差几乎为0，达到了我们的要求[12]。
5结束语
本文探讨了PID算法在船载卫星通信系统中的应用，并提出了积分限幅、积分分离、不积分和不微分的改进方法，避免了系统启动时因不稳定而引起的积分饱和问题，具有较大的抗干扰性，从而使电机更加稳定的运转。[13]通过编制计算机程序，将实测数据作为程序输入量，并用Origin软件进行绘图，进行相关的分析、讨论。结果表明该算法运行稳定，效果明显[14]。
作者：万冰 单位：南京邮电大学 通信与信息工程学院
卫星通信系统论文:卫星通信系统跨层带宽分配探讨
1卫星通信系统跨层体系的主要模型
1.1系统模型分析（1）应用跨层模型：该模型主要从用户业务出发对各项跨层协议内容进行调整。应用跨层模型将用户业务内容作为设计核心，将卫星通信系统跨层体系中的Qos要求、业务延时要求等进行转化，实现了业务服务协议的完善，提升了系统业务效益。（2）传输跨层模型：该模型主要从连接控制着手对传输层的各项结构进行调整。传输跨层模型中对RTT、RTO、拥塞窗口和吞吐量进行了对应计算，依照结算结果实施上述参数设置，降低了传输层可能出现的数据拥堵现象。与此同时，传输跨层模型还将原系统中的拥塞丢包处理方式转变，利用网络层和链路层对数据通道进行优化，提升了传输层协议吞吐量，这对卫星通信系统宽带传输效益的改善具有至关重要的意义。（3）网络跨层模型：该模型主要从网络IP数据包出发，对数据信息内容进行调整。网络跨层模型完成了路由器和寻址的优化，规定了数据传输的优先级，依照该优先级对路由策略进行调整，改善了路由数据传输质量。（4）链路跨层模型：该模型依照系统功能结构对数据链路进行重新设计，将各项控制链路和传输链路结构转变，实现了不同QoS需求区别处理，尤其是数据的优先级处理。链路跨层模型针对RTT和ARQ中存在的问题构建链路传输控制结构，实现了FEC和ARQ数据保障，有效改善了信道条件较差时的宽带延时。（5）物理跨层模型：该模型参数主要包括信道、功率、编码、误码率等，可以实现数据内容的调整，降低物理层数据误码发生的可能性。
1.2基于ISO/OSI模型的跨层框架分析基于ISO/OSI模型的跨层框架对跨层模型进行了多方位整合，依照上述内容进行节点建设，实现了物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的高效统一，从本质上提升了各层之间的信息传递效果。基于ISO/OSI模型的跨层框架结构接口设计时与系统工作状况一致，应用层延迟和优先级约束数据链路层队列管理，影响接口传递信息效益，形成跨队列管理结构。该接口将系统划分为三个功能板块，即MAC层管理板块、网络层管理板块和PEP模型板块，具体结构见图1.
2基于跨层的卫星通信系统宽带分配框架
本次卫星通信系统宽带分配框架的构建主要从MAC层出发，针对该层资源管理内容进行跨层宽带分配设置。随着卫星通信系统IP业务的不断丰富和提升，宽带系统要求不断提升，数据规范效益已经得到本质上的改善。在该环境下，跨层带宽分配框架构建时要依照规范内容对不同层的QoS参数进行把握，依照系统需求和分配计算结果对参数进行适当调整，保障参数与系统指标协调一致。除此之外，跨层带宽分配框架构建时还要把握好五层系统结构，依照上述五项层次内容实现QoS参数的提取，形成高效的MAC分配模块。该结构中的QoS参数主要包括：优先级、时延、相应时间、丢包率、误码率等。框架结构设置完成后要实施对应MF-TDMA带宽分配约束。该分配方式运用时要首先对卫星通信业务进行分析，依照业务需求对分配约束过程和方法进行合理设计。确定基本分配约束体系后要将MF-TDMA带宽分配方式进行调整，保障方式内容能够顺利接入载波信道中，实现信道资源的高效共享。该过程要对卫星中单进行严格控制，避免事件重叠，要适当调整终端载波，保障MF-TDMA运用时系统载波一致。
3总结
卫星通信系统跨层带宽分配直接影响着宽带传输效益，影响着宽带应用质量，已经成为当前卫星通信系统研究的焦点。在对该跨层宽带分配体系进行分析时人员要加大对跨层设计和跨层模型的挖掘力度，依照该内容对宽带分配协议进行合理构建，实现分配框架结构的完善和提升。要依照该内容对宽带分配设置进行转变，优化宽带分配约束机制，从本质上加速卫星通信系统宽带发展进程。
作者：张昊哲苏向辰阳单位：中国洛阳电子装备试验中心
