低轨(LEO)移动卫星通信系统

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       所谓低轨是指卫星轨道定位在1500km以下。利用低轨移动卫星实现手持机个人通信的优点在于:一方面卫星的轨道高度低,传输时延短、路径损耗小,多个卫星组成的星座可实现真正的全球覆盖,频率复用更有效;另一方面蜂窝通信、多址、点波束、频率复用技术的发展也为低轨卫星移动通信提供了技术保障。因此.LEO系统被认为是最新最有前途的卫星移动通信系统。
低轨卫星
       低轨移动卫星系统也带来设计上的复杂性,由于卫星相对地面移动终端的高速运动,造成大的多普勒频移,影响接收信号的质量;另外由于卫星高速运动,地面覆盖区域随着卫星的运动而变化,提供服务的卫星经过一段时间后必须将服务对象的业务切换到下一颗卫星。
(1)低轨移动卫星的系统组成
        低轨卫星移动通信系统由卫星星座、关口地球站、系统控制中心、网络控制中心和用户单元组成,如图65所示。
空间段
       空间段一般由卫星星座组成,其主要作用是提供地面段各设备收发信号之间的转换或交换。卫星之间可以有星际连接,也可以设计成无星际连接。
关口地球站
       关口地球站的主要作用是提供卫星移动通信系统与地面网络的互联和控制卫星移动终端的接入,并保障用户在通信过程中信号不中断。关口地球站的作用有点类似于陆地移动通信系统中的网关
 
系统控制中心
       系统控制中心完成卫星星座的管理.如卫星轨道的修正、卫星工作故障诊断等,保障卫星在预定轨道上正常工作。
网络控制中心
       网络控制中心类似于陆地移动通信系统中的移动交换机,其作用是管理卫星移动用户的账号、计费、监视各链路的工作状态等。
用户段
       用户段主要是指卫星移动用户终端。通过卫星移动终端,移动用户可以在移动环境中获得话音和数据等通信服务。
卫星移动通信系统
图65   卫星移动通信系统
(2)全球星系统
       全球星(GlobalStar)系统是基于CDMA多址技术的卫星移动通信系统,它被设计成是一种,,弯管,,结构,卫星只转发信号,不做其他处理,因此全球星系统是陆地蜂窝移动通信系统的延伸,不单独组网,没有星间链路,全球星手机都是双模或三模的手机。
①系统组成
       GlobalStar系统利用LEO卫星组成一个覆盖地球纬度低于70度的地区,提供话音、数据、传真和无线电定位业务,服务对象定位于边远地区的移动用户、漫游用户、外国旅行者等。系统组成如图10.65.
        GlobalStar系统包括空间段、用户段、地面段。
        空间段包括:运行在8个轨道平面的48颗卫星,卫星高度1389km,倾角为52度,卫星只作为转发器工作,没有星上处理。每颗卫星发射6个点波束,每个点波束可以覆盖一个国 
全球星星座图
       地面段包括:关口站、卫星控制中心和网络控制中心。
       其中关口站与网络控制中心相连,同时与其他地面网相连,负责与地面天线系统的接口,使系统用户能与PSTN/PLMN中的任意用户通信。在用户至卫星的链路和卫星至关口的链路采用CDMA多址方式。在一个服务区,关口站的设置不受限制,它可服务于几个重叠的覆盖区。每个关口站可以与3颗卫星同时通信,呼叫的建立和处理都在此完成。
       卫星控制中心控制卫星的姿态、运行轨道纠正、卫星波束切换等功能。
       网络中心通过分组网与各关口站相连,网络中心与所有数据库以及一个或几个卫星控制设备通信,共同完成数据库管理、计费和呼叫路由选择、接入系统管理等。各国都有自己的网控中心及星座控制设备以控制本国用户。
       用户段包括:用户手持设备、车载设备。GlobalStar的用户设备一般设计为双模或多模式工作,用户工作时尽可能利用地面网进行传输。
系统基本工作原理
       GlobalStar系统的基本通信过程如下。
       移动用户发出通信申请编码信息,通过卫星转发器送到GlobalStar系统的关口站,首先由网控中心(NCC)和星座控制设备进行处理,在完成同步检验、位置数据访问后,NCC向选择的关口站发送有关使用资源的信息(编码、信道数、同步信息等),然后NCC通过信令信道将分配的信息发给移动用户,移动用户在同步后即可发送要传送的信息,此信息经过卫星转发给关口站,关口站通过地面网送到目标用户。如果目标用户经地面网不能到达,则必须选择离目标用户最近的关口站,通过关口站经卫星发送给目标移动用户。
全球星系统的特点
      由于全球星采用CDMA技术作为空中接口,因此它具有CDMA系统的特点,如频率复用系数为l、Rake接收、提供软切换、容量增加的好处,同时釆用CDMA技术可以带来手机发射功率减小、体积减小的好处;另外全球星不自成网络,因此其大部分业务是通过地面网络来传输的,这无疑也降低了通信成本。 
(3)“铱”系统
       虽然“铉”系统的运行没有获得成功,但“钛”系统实现个人通信的技术是很有特点的,犧系统相当于将地面的陆地移动通信系统搬到了天上,而不是像全球星一样作为地面网的补充,卫星之间具有星际链路,构成完整的空间网络,手机可以通过卫星空间网络进行通信,在需要时可以脱离地面网进行呼叫,因此铉系统的运行提供了将一种地面网与空间网互相连接的立体通信模式,具有很大的启发性。
       “铱”系统的设计目标是能提供地球上任意两点之间的无线联接,可以提供数据传输,包括拨号接入和直接接入互联网服务,同时向用户提供更加全面的语音传输服务。“铱”系统能够覆盖到全球各个角落.其潜在的客户将主要来自海事、民航、油气钻探、采矿、建筑、林业等部门以及其他一些组织和个人。
①系统组成
       “铱”系统组成如图67所示。
铱系统示意图
 
图67    钛系统示意图
       “铱”系统包括空间段、地面段、用户段和公共网段。
       空间段包括:6个极地轨道,极地轨道倾角为86.4度,高780km,每个轨道上均匀分布11颗卫星,共66颗卫星,所有卫星均沿同一方向飞行。每颗卫星釆用点波束覆盖地球,每颗卫星有48个点波束。卫星与卫星间采用Ka波段的微波进行星间联接。卫星星座如图68所示。
       用户段包括:地面用户终端,“钛”系统能提供话音、低速数据、全球寻呼等业务。
       地面段包括:地面关口站、地面控制中心、网络控制中心。关口站负责与地面公网或专网的接口,网络控制中心负责整个卫星网的网络管理等,控制中心包括遥控、遥测站,负责卫星的姿态控制、轨道控制等。
       公共网段包括:与各种地面网的关口站,完成儀系统用户与地面网用户的互通。
②系统基本工作原理
       钛系统采用FDMA/TDMA混合多址结构,系统将10.5MHz的L频段按FDMA方式分成240条信道,每个信道再利用TDMA方式支持4个用户连接,提供无线电定位、语音和低速数据业务,如图69所示。 
铱系统的多址方式
图69   铱系统的多址方式
      钛系统利用每颗星的多点波束将地球的覆盖区分成若干的蜂窝小区,每颗依星利用相控阵天线,产生48个点波束,因此每颗卫星的覆盖区为48个蜂窝小区。蜂窝的频率分配采用12小区复用方式,因此每个小区的可用频率数为20个。犠系统具有星间路由寻址功能,如果是钛系统内用户之间通信,可以完全通过钛系统而不与地面公网有任何联系,如果是犠系统用户与地面网用户之间的通信,则要通过系统内的关口站进行通信。钛系统允许用户在全球漫游,因此每个用户都有其归属的关口站(HLR),该关口站处理呼叫建立、呼叫定位和计费,该关口站必须维护用户资料,如用户当前位置等。
       当用户漫游时,用户开机后先发送“ReadytoReceive"信号如果用户与关口站不在同一个小区中,信号通过卫星发给最近的关口站;如果该关口站与用户的归属关口站不同,则该关口站通过卫星星间链路与用户的HLR联系要求用户信息.当证明用户是合法用户时,该关口站将用户的位置等信息写入其VLR(拜访寄存器)中.同时HLR更新该用户的位置信息,并且该关口站开始为用户建立呼叫。当非依星用户呼叫怯星用户时,呼叫先被路由到依星用户的归属关口站,归属关口站(HLR)检査铉星用户的资料,并通过星间链路呼叫钛星用户,当钛星用户摘机,呼叫建立。
 

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