无线网络：卫星网络
卫星网络
在大范围的地面无线通信中，为增加通信距离，往往采用中继接力方式来克服地球曲率对电磁波传播的阻碍。而随着空间技术的发展，卫星视野开阔，也可实现地面接力难以达到的长距离中继效果。卫星通信指利用人造地球卫星作为中继站，转发两个或多个地球站之间进行通信的无线电信号。
如果某个微波通信系统中，一些中继站由卫星携带，并且这些卫星之间及卫星与地面站之间能进行通信，则卫星在地域上空按一定轨道运行而构成覆盖很广的通信网络就称为卫星网络。卫星网络是以人造地球通信卫星为中继站的微波通信系统，是地面微波中继通信的发展和向太空的延伸。
卫星网络的特点
卫星网络的优势
| 优势 | 说明 |
|---|---|
| 通信距离远，覆盖面积大 | 静止卫星的最大通信距离可达 18000km，一颗静止卫星的可视区可达全球表面积的 40% |
| 便于实现多址连接通信 | 范围内任何地球站基本不受地理条件或通信对象限制，一颗卫星相当于一条可通往任意一点的无形链路 |
| 通信频带宽，传输容量大 | 卫星传输频带很宽，一般在 500~1000MHz 之间，适合大容量语音、数据和多媒体等多种业务 |
| 机动灵活 | 可在车载、船载、机载等移动地球站间进行通信，还可为个人移动终端提供通信服务 |
| 线路稳定可靠，传输质量高 | 宇宙空间接近真空状态，可视为均匀介质，电磁波传播特性比较稳定，不易受自然条件和人为干扰的影响 |
| 成本与通信距离无关 | 卫星通信建站和运行费用不受站之间距离及地面自然条件影响 |
卫星网络的局限
| 局限 | 说明 |
|---|---|
| 高可靠和长寿命的要求 | 卫星与地面相距甚远，一旦出现故障难以维修。为控制通信卫星的轨道位置和姿态，需要消耗推进剂，而通信卫星的体积和重量有限，只能携带有限的推进剂。 |
| 发射与控制技术复杂 | 卫星发射时需精确定点、调整姿态并长期保持，需要先进的空间技术，难度很大。电磁波的传播损耗很大，为保证通信质量，需采用多种先进技术。 |
| 较大的信号传输时延和回声干扰 | 地球站→卫星→地球站的单向传输时间较长，再加上混合线圈不平衡等因素，还会产生回波效应的干扰。 |
| 存在日凌中断和星蚀现象 | 每年春分和秋分前后，当地时间午后的一段时间里，静止卫星处于太阳和地球之间，地球站天线对准卫星的同时也对准了太阳，强烈的太阳噪声会严重影响通信。 |
| 静止卫星通信系统的局限 | 静止卫星在地球高纬度地区的通信效果不好，两极地区存在通信盲区。 |
卫星网络的分类
| 分类方式 | 类别 |
|---|---|
| 按卫星制式 | 静止卫星网络、随机轨道卫星网络、低轨道卫星网络 |
| 按覆盖范围 | 国际卫星网络、国内卫星网络、区域卫星网络 |
| 按用户性质 | 公用卫星网络、专用卫星网络、军用卫星网络 |
| 按业务范围 | 固定业务卫星网络、移动业务卫星网络、广播业务卫星网络、科学实验卫星网络 |
| 按信号制式 | 模拟制式卫星网络、数字制式卫星网络 |
卫星网络结构
拓扑结构类型
由于卫星节点不断运动，卫星网络的拓扑结构随时间不断变化，这使得卫星网络与其他通信网络有较大区别。拓扑特点如下：
- 节点位置及节点间的相对距离都是以时间为变量的函数；
- 节点的邻居状况遵循一定规则；
- 一般情况下，整个网络节点总数不发生变化；
- 节点间距较大，且距离变化也较大，不能忽略；
- 节点间的拓扑关系呈周期性变化；
| 类型 | 说明 |
|---|---|
| 星型拓扑 | 通常由一颗卫星为中心节点，其它卫星通过中心进行通信 |
| 环型拓扑 | 同一轨道面内的每颗卫星都和相邻卫星相连，构成一个封闭环型链路 |
| 网状型拓扑 | 每颗卫星至少和两颗以上其它卫星连接，铱星、Teledesic等都采用网状拓扑 |
组网方式
确定拓扑结构后，进而可确定卫星网络的组网方式,有两种方法可供选择。
| 组网方式 | 说明 |
|---|---|
| 基于地面的组网 | 网络功能主要由地面网络提供，每颗卫星都是一个位于外太空的中继器，接收地面用户发来的数据流，然后转发给地面站 |
| 基于空间的组网 | 网络功能主要由卫星网络提供，每颗卫星都有各自独立的处理能力，而且卫星都作为网络路由器，可通过使用星际链路和相邻卫星进行通信 |
卫星轨道
卫星轨道的形状和高度是确定覆盖全球所需卫星数量和系统特性的重要因素，卫星网络系统采用的轨道从空间形状上看分两种：
| 空间形状 | 说明 |
|---|---|
| 椭圆轨道 | 仅在卫星相对地面运动速度较慢的远地点附近提供通信服务，适于为高纬度区域提供服务 |
| 圆轨道卫星 | 可提供较均匀的覆盖特性，通常用于提供均匀覆盖的卫星系统 |
从轨道高度分类，可将卫星轨道分为低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）、静止轨道（GEO）和高椭圆轨道（HEO）。
| 参数 | 轨道高度/KM | 波束数 | 天线直径 | 卫星信道数 | 射频功率/W | 成本 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 低轨道 | 700~1200 | 6~48 | 约 1m | 500~1500 | 50~200 | 高 |
| 中轨道 | 8000~13000 | 19~150 | 约 2m | 1000~4000 | 200~600 | 低 |
| 高轨道 | 35800 | 58~200 | 8m 以上 | 3000~8000 | 600~900 | 中 |
静止轨道卫星通信技术目前存在以下不足：
- 轨道高，链路损耗大，终端功率和接收机要求高；
- 链路距离长，传播时延大；
- 静止轨道固定在赤道上空，覆盖范围有限；
- 静止轨道资源有限；
而高度相对较低的低轨和中轨卫星系统，传播距离短，链路损耗小，降低了对用户终端的性能要求，便于支持手持设备通信。较小的传播时延允许端对端多跳通信，实现真正的全球覆盖。低轨卫星信号传播时延短，支持多跳通信，链路损耗小，降低了星上天线和用户终端的要求。但低轨卫星系统结构复杂，技术难度大。中轨是静止轨道和低轨的折中，一定程度上克服了二者的不足。
卫星链路
卫星到地面距离很远，电磁波传播路径很长，衰减很大，无论是卫星还是地面站收到的信号都较弱，所以噪声影响突出。
卫星链路包括以下 3 种全双工链路：
| 卫星链路 | 说明 |
|---|---|
| 星间链路 | 卫星通信通过星间链路实现，包括轨内星间链路和轨间星间链路 |
| 轨间链路 | MEO 和 LEO 卫星通过轨间星间链路进行通信 |
| 用户数据链路 | 地面网关与覆盖它的 LEO 卫星间通过用户数据链路连接 |
卫星网络通信
卫星通信体质
卫星通信体制指卫星通信系统的工作方式，即信号传输、处理和交换方式等，具体包括多路复用、调制、编码、多址连接、信道分配与交换方式等。
信道分配技术
信道分配技术有预分配和按需分配方式两种，较常见的是预先固定分配，即两个地球站间信道为预先半永久性分配。
| 类型 | 特点 |
|---|---|
| 固定预分配 | 通信线路的建立和控制非常简便，但信道利用率低 |
| 按时预分配 | 信道利用率高 |
| 全可变分配 | 信道可随时申请和分配，可获得转发器全部可用信道 |
| 分群全可变分配 | 卫星信道被分成若干个群，在群内进行全可变分配 |
| 随机分配 | 随机选取信道，信道利用率高，易造成数据冲突 |
多址连接方式
多个地球站通过同一卫星通信建立连接，称为多址连接或多址通信。多个地球站利用同一卫星实现中继，同时建立信道，实现各站间的通信，并要求各信号互不干扰。卫星通信中应用的多址方式有 FDMA、TDMA、CDMA 和 SDMA。
| 多址技术 | 特点 |
|---|---|
| 频分多址(FDMA) | 用射频频带分割成若干互不重叠的部分 |
| 时分多址(TDMA) | 工作时间分割成周期性的互不重叠的时隙 |
| 码分多址(CDMA) | 具较强抗干扰能力，有一定保密性，改变地址较灵活 |
| 空分多址(SDMA) | 卫星天线增益高，卫星功率利用高 |
卫星网络的关键技术
| 关键技术 | 说明 |
|---|---|
| 星座设计 | 非静止轨道卫星传输损耗和通信时延较小，可实现区域覆盖、间断覆盖及真正的全球连续覆盖 |
| 星际链路 | 使卫星移动通信网不依赖地面网络而提供移动通信业务，卫星网络可成为地面网络的备份，提高整体可靠性 |
| 星上处理 | 因特网服务是宽带卫星业务的重要驱动力，相关的星上处理技术有星上信号处理、星上交换和星上路由等，分硬件和软件两方面 |
| 切换技术 | 卫星网络的一次通信过程可能经历多次切换，包括波束间切换、卫星间切换和信关站切换等 |
| 卫星 TCP/IP | TCP 协议在高时延带宽积的卫星网络中性能会下降很多，其原因包括链路的长时延、大带宽时延积、链路的高差错率和不对称性等 |
卫星网络的组成
卫星通信系统分为空间部分和地面部分，空间部分以通信卫星为主体，包括用于卫星控制和监测的设施，即卫星控制中心、跟踪、遥测和指令站、能源装置等。地面部分包
括所有地球站，通常通过地面网络或直接连接到终端用户设备。
卫星通信网络系统通常包括通信地球站、跟踪遥测指令、监控管理和空间分系统 4 部分。
| 组成部分 | 说明 |
|---|---|
| 通信地球站分系统 | 一般由中央站、若干地面站、海上和空中地面站构成 |
| 跟踪遥测指令分系统（测控站） | 跟踪测量卫星，控制其准确进入轨道并到达指定位置 |
| 监控管理分系统（监控中心） | 对已定点轨道的卫星在业务开通前后监测和控制其通信性能 |
| 空间分系统（通信卫星） | 卫星通信系统的核心 |
卫星网络的工作流程
卫星通信系统中，各地球站经过卫星转发可组成多条通信线路。通信线路中从发信地球站到卫星这一段称上行链路，而从卫星到收信地通信卫星球站这一段称下行链路，两者构成一条简单的单工链路。两个地球站都有收发设备和相应信道终端时，加上收发共用天线，便组成双工卫星通信链路。
卫星通信线路分单跳和多跳两种：
| 通信线路 | 说明 |
|---|---|
| 单跳 | 发送信号只经一次卫星转发后就被对方站接收 |
| 多跳 | 信号需经两次或以上卫星转发后才被对方接收 |
卫星网络标准与实现
移动卫星系统通信标准
| 通信标准 | 说明 |
|---|---|
| 全球移动通信系统(GSM) | 典型 2G 移动通信技术，依靠 GPRS 支持数据交换 |
| 卫星—通用移动通信系统(S-UMTS) | UMTS 是一种 3G 陆地蜂窝技术，ETSI 扩展到卫星环境 |
| 数字视频广播 DVB-S2 移动扩展 | 卫星广播传输第 2 代标准，广播和互动点对点应用如接入因特网 |
| 卫星数字多媒体广播标准(S-DMB) | 3G 网络卫星广播补充，允许通过 GSM 或 3G 网络分发多媒体广播和组播服务 |
| 数字视频广播—手持设备(DVB-SH) | 于 OFDM 空中接口的 ETSI 移动广播标准，为船舶/汽车/火车/行走用户小型手持终端和设备提供音视频广播 |
卫星网络介质
| 介质要求 | 说明 |
|---|---|
| 频带和规定 | ITU 规定固定通信使用 C 和 K 高频段，移动通信适合 L 和 S 低频段 |
| 移动终端天线 | 固定终端使用定向天线，移动终端可使用全向或快速跟踪相控阵定向天线 |
| 卫星天线与频率复用 | 高定向多波束卫星天线由一个大反射面和反馈系统组成 |
| 仰角 | 固定卫星系统要求不严格，天线位置和方向可优化 |
| 信道模型 | 陆地移动用户 Ku 和 Ka 频段信道可定位为三态马尔可夫链模型 |
卫星网络协议层次
| 协议层次 | 说明 |
|---|---|
| 物理层 | 使用自适应空中接口应对用户移动，选择调制和编码技术以适应信道变化 |
| MAC 层 | 资源分配需为切换管理提供优先，切换流量通常需额外切换时延，网关变化时重新路由的时延 |
| 网络层 | 针对星上IP路由，移动IP协议可支持切换过程，但时延较高。 |
典型的卫星系统
| 卫星系统 | 简介 |
|---|---|
| 铱星移动通信系统 | 由 Motorola 提出，共成功发射 88 颗低轨卫星，由 66 颗卫星组成星座，轨道高 733~785km，采用三轴稳定方式，转发方式星上处理，工作寿命 5 年 |
| 全球星(GlobalStar)移动通信系统 | 共发射 52 颗卫星(含 4 颗备用)，均匀分布在 8 个轨道平面内，轨道高 1389~1414km，采用三轴稳定方式，转发方式为弯管式，工作寿命 7.5 年 |
| Teledesic卫星移动通信系统 | 840 颗卫星组成，均匀分布于 21 个低轨道平面。每个轨道平面另有备用卫星，整个系统卫星数达 924 颗 |
| Thuraya卫星系统 | 1997 年由阿联酋电信公司发起建设，覆盖欧洲、北美、中北非、中东、中亚和印度次大陆、亚太等 |
| ICO系统 | 采用 MEO 星座，为美国本土提供 S 波段移动服务，包括 4.8kbps 语音、2.4kps 数据/传真/短信和定位等 |
| Hispasat 系统 | 提供基于 IP 的宽带服务：移动服务、因特网、内容分发、远程医疗/教育、IP 电话、流媒体视频等 |
| 亚洲蜂窝系统(ACeS) | 包括 1 颗 GEO 卫星和 3 个网关，与 GSM 地面网络互操作，为亚洲地区手持终端用户提供语音和可选数据服务 |
| SkyTerra 系统 | 为综合卫星陆地全 IP 网络，美国范围内提供语音和移动宽带服务 |
| TerreStar 系统 | 建立基于 IP 的综合移动卫星和地面通信网络，为美国本土服务，2GHz 频段使用两个 10MHz 连续频段 |
| Solaris 系统 | 在 2009 年 4 月发射有效载荷为 S 波段 W2A 卫星，为欧洲提供移动通信服务 |
参考资料
《无线网络技术教程(第3版)——原理、应用与实验》，金光、江先亮编著，清华大学出版社
