《卫星通信导论》讲稿李兴电子科技大学信息所
2002年3月
1 卫星轨道和星座设计图片1：星座方案是卫星移动通信系统设计的重要课题，它直接关系到系统网络组成，链路传播特性，投资和服务方式与范围等几个重要方面。
图片2：（介绍学科内容）
图片3：
图片4,卫星测控系统首先要了解和测量卫星轨道．卫星绕地球运行一般是无动力飞行，其轨道近似为椭圆．由于地球不是理想的均匀圆球，此外卫星在运动中还要受到其它天体的引力(如月球和太阳)、太阳辐射压力的影响，近地卫星的运行则还要受到地球大气阻力，因此实际卫星的运动是很复杂的，轨道也不是一个椭圆．通常称轨道对椭圆的偏离现象为“摄动”，上述的这些力称为“摄动力”．人们应用卫星或飞船进行各项航天活动，必须先行设计特定的轨道，在其受到摄动力作用而改变时，则需对其进行控制并予以保持．另一方面，如在任务中需要故变飞行轨道(变轨)，亦须充分了解变轨前的轨道参数和新的目标轨道参数，才能对其进行正确的控制．我们将讨论各种轨道的基本参数、摄动因素、简单的轨道计算方法以及卫星寿命的估算方法等。
图片5：
图片9：在天体动力学中使用了许多的坐标系，但在研究卫星轨道时只用到其中的一部分，并且这些坐标系之间是可以相互转换的。
日心（Heliocentric）圆坐标系用来描述绕着太阳运动的行星的轨道，如图所示。坐标系的原点是太阳的中心，其XY基准平面与地球绕着太阳旋转的椭圆轨道面重合。X轴定义为连接原点和椭圆面与地球赤道面的横断面的连线，其正方向指向春分点方向，所谓春分点方向是指在春季第一天连接地球和太阳中心的直线的方向。Y轴的正方向指向X轴正方向的东方S轴的正方向指向原点的北方。
图片10：
图片11：
太阳日日常生活中使用的时间都是以太阳作为基准来测量的，一个太阳日是指太阳连续经过当地子午线的时间间隔，即通常所说的一天。如果地球只是自转，而不绕着太阳转的话，一个太阳日就应该与地球自转一圈的时间相同。实际上，地球除了自转外，还要绕着太阳旋转（一年转一圈），因此，在一个太阳日中地球自转就超过了360O，平均说来在一个太阳日中地球要多自转0．986o，如图所示。此计算方法对日常生活是足够精确了，但在卫星轨道计算中却会出问题，为此引人了恒星日的概念。
图片12：
一个恒星日定义为地球绕其轴自转360”需的时间，因此，一个恒星日要比一个太阳日短，一个太阳日为24小时，而一个恒星日约为 23小时 56分 4．09秒。对于 GSO卫星来说，为了与地面上的一点保持相对静止，其轨道周期就必须是一个恒星日。
图片13：
民用时间和世界时
民用时间（Civil Time）是指人们日常生活中使用的时间，它是在当地平均太阳时的基础上增加 12小时得到的，因此是一种当地时间。为了在全世界范围内确定一个时间基准，选择英国格林尼治的民用时间作为世界时（Universal Time，简记为 UT），因此，世界时有时也叫格林尼治标准时间（Greenwich Mean Time，简记为 GMT）。
与世界时对应的是当地时间，比如北京时间，它是在世界时的基础上再加上8小时，即北京时间8点对应的世界时是0点。
世界时与平均恒星时之间的关系比较复杂，根据所选择的时间基准不同，世界时与平均恒星时之间换算的关系式有不同的形式。如果以世界时1899年12月31日12时作为时间基准，则平均恒星时（ST）与世界时（UT）之间的换算关系如下：
ST＝UT＋6h38min 45.836s＋8640184.542s× JC＋0.0929s×JC2
式中JC是所需计算的世界时与1899年12月31日12时之间的儒略世纪数。如对于世界时1990年1月1日0时，它与1899年12月31日12时之间的儒略世纪数JC为0．9（计算过程见下页），则对应的格林尼治恒星时ST0为：
ST0＝0＋6h38min45.836s＋8640184.542s×0.9＋0.0929s×0.92
＝7800092.007S＝2166.692224h
对此作模24小时运算，得到ST0＝6.692224（小时）。
需指出的是，实际使用中，格林尼治恒星时ST常被折算为度，24h对应360o，如前面计算得到的6.6922h就对应于100.383o。
图片14：
儒略日期（Julian Date，简记为 JD）或者叫儒略历（Julian calendar）是天文计算中经常使用的一个时间标准，它是以公元前4713年1月1日12点作为开始计算的基准，世界时与儒略日期（JD）之间的换算关系如下：
图片16：黄道 指太阳在星座中穿行的视轨迹的大圆;也可以说是地球围绕太阳 运行的轨道在天球上的投影。黄道星座沿黄道排列,黄道与天赤道有23.5°的交角;黄道与天赤道的两个交点是春分点和秋分点。
图片20：该公式中，r是地心到轨道上某一点的距离；P为椭圆轨道半焦弦（P=a(1-e2)，a为轨道半长轴）。F为在极坐标系中从近地点开始计算的角度。
图片21：μ在上页已经讲过是地球引力常数。
图片23：近地点perigee,远地点apogee
图片25：下面将分别介绍同步轨道卫星通信系统（GEO）、中轨卫星通信系统（MEO）、低轨卫星通信系统（LEO）各自的优劣点。
传统的同步轨道卫星通信系统的技术最为成熟，已经有各种关于同步卫星通信系统的分析文献。自从同步卫星被用于通信业务以来，用同步卫星来建立全球卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。但是，同步卫星有一个不可克服的障碍，就是较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响到它在某些通信领域的应用，特别是在卫星移动通信方面的应用。首先，同步卫星轨道高，链路损耗大，对用户终端的有效全向辐射功率（EIRP）和接收机品质因数（G/T值）的要求高。这种系统星座难于支持手持机直接通过卫星进行通信，或者需要采用12m以上的星载天线（L波段）；为了使手持式移动用户终端能够方便地通过卫星进行通信，对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求，不利于以小卫星技术在移动通信中的使用。其次，由于链路距离长，传播延时大，单跳的传播时延就达到250~270毫秒，加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将达到350毫秒左右，当移动用户通过卫星进行双跳通信时，时延将达到700毫秒，这是用户所难以忍受的。为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换功能，但这必将增加卫星的复杂度，不但增加系统成本，也有一定的技术风险。
轨道高度较低的中、低轨系统，由于链路损耗小，降低了对用户终端EIRP和G/T值的要求，可支持手持机直接通过卫星进行通信。同时，短的传播延时允许移动台到移动台的两跳通信而不必采用星上交换处理。中轨和低轨系统在时延和链路损耗等方面具有静止轨道系统无法比拟的优势，有利于低成本、小功率的便携式用户终端和小卫星的利用。此外，中、低轨卫星系统的星座不能象静止星座那样与用户保持相对固定的空间关系，系统采用星群互补工作的方式才能为用户提供连续的服务。这样可使系统能够带病工作，即在中低轨星座中有一颗或几颗卫星出现故障也不会给系统带来十分显著的影响，加之中、低轨小型卫星发射容易，卫星只需地面备份，在出现故障时进行补充，提高了系统的抗毁性。
低轨系统由于星座轨道低（2000公里以下），信号传播时延短，所以可支持多跳通信；链路损耗小可降低对卫星和用户终端的要求，可采用微型/小型卫星和手持机。但是低轨系统也为这些优势付出了较大的代价：由于轨道低，每颗卫星所能覆盖的范围比较小，要构成全球系统需要数十颗卫星，如IRIDIUM有66颗卫星。GLOBALSTAR有48颗卫星、Teledisc有288颗卫星。Inmarsat和0dyssey的研究表明，轨道越低系统投资越大。同时，由于低轨卫星的运动速度快，卫星从地平线升起到再次落到地平线以下的时间较短，所以卫星间或波束间切换频繁。因此，低轨系统构成方案和控制复杂，技术风险大。
中轨系统可以说是同步系统和低轨系统的折衷，中轨系统兼有这两种方案的优点，同时又在一定程度上克服了这两种方案的不足之处。中轨星座的高度选为10000Km左右，距离地面约为同步轨道的四分之一,链路损耗和传播时延都比较小，中轨卫星仍可采用简单的小型卫星。如果中轨和低轨系统均采用星际链路，研究表明当用户进行远距离通信时，中轨系统信息通过卫星星际链路子网的时延将比低轨系统低。由于其轨道比低轨高许多，每颗卫星所能覆盖的范围比低轨系统大得多，每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5%(10000Km)，因而只要几颗卫星就可以覆盖全球，若有十几颗卫星就可以提供对全球大部分地区的双重覆盖，可以利用分集接收来提高系统的可靠性，同时系统投资比低轨系统少。因此，从一定意义上说，中轨系统可能是建立全球或区域性卫星移动通信系统较为优越的方案。当然，如果需要为地面终端提供宽带业务，中轨系统有一定困难的，而利用低轨星座为高速的多媒体卫星通信系统服务要优于中轨系统。
2 第一章图片13：在人类已经发射的卫星中，通信卫星只占其中的一部分。目前围绕地球飞行的卫星中，大多数是有带有各种传感器的观察卫星，如气象卫星、电子侦察卫星、成像侦察卫星、海洋监视卫星、预警卫星、核爆炸探测卫星、资源卫星、天文观测卫星；其他的是通信卫星或是广播通信卫星，如亚太卫星、中星5号等。如果从1965年美国发射第一颗商用同步卫星INTELSAT-1（晨鸟）算起，卫星通信已经走过了整整35年的历程。目前在轨道上运行的通信卫星有数百颗。在80年代和90年代初承担了国际通信业务量的70%。利用卫星进行通信的科学设想最早是在1945年10月由英国空军雷达专家阿瑟C.克拉克提出的。他在《无线电世界》杂志上发表的一篇提为《地球外的中继站》的文章中，提出了在静态轨道（即倾角为0的同步轨道）上放置三颗卫星来实现全球通信的设想，形成了著名的“卫星覆盖通信说”。（早期人们的设想也许很容易变成现实，比如最早的自动电话交换机是在1892由美国堪萨斯城的一个殡仪馆老板史端乔发明的。）但是这一设想直至1957年10月4日苏联发射世界上第一颗人造地球卫星SPUTNIK，才使人们看到实现通信卫星的希望。1962年7月美国成功地发射了第一颗通信卫星Telestar，实验了横跨大西洋的电视和电话传输。但是，Telestar并非在静止轨道上。第一颗静止轨道卫星则是1963年2月美国发射的SYNCOM实验卫星，它成功地转播了1964年东京奥运会的实况，使全世界看到了卫星通信的优越性和实用价值。80年代和90年代上半期是卫星通信的“全盛期”，通信卫星为我们接通越洋电话、传送电视节目和提供数据通信。1990年的海湾战争，美军利用2颗国防通信卫星和租用商业卫星线路迅速组建通信网，这些通信卫星承担了几乎所有的通信负荷。90年代初提出的各种通信卫星系统多至几十个，其中最著名的就是“铱”移动卫星通信系统和“全球星”系统。这两个系统可以提供覆盖全球的移动电话业务。在波黑执行任务的美军飞行员每人都配备了一部“铱”受机。这些卫星通信系统除了广播业务以外，基本上都只能提供话音业务。所以从97年以后，廉价的地面通信系统的发展如光纤通信系统、蜂窝移动通信系统的蓬勃发展，一下子大大压缩了卫星通信的市场，国内国际的骨干网通信负荷的80%以上改由光纤网络承担。获得技术上巨大成功的“铱”移动卫星通信系统也惨遭倒闭，数十颗卫星将燃烧在大气中。但是新的曙光出现了：军事通信的巨大需求和民用宽带卫星市场的急剧扩大。
第三章图片1：
卫星通信是在空间技术和地面微波中继通信技术的基础上发展起来的，靠大气层外卫星的中继实现远程通信。其载荷信息的无线电波要穿越大气层，经过很长的距离在地面站和卫星之间传播，因此它受到多种因素的影响。传播问题会影响到信号质量和系统性能，这也是造成系统运转中断的一个原因，因此电波传播特性是卫星通信及其它无线通信系统进行系统设计和线路设计时必须考虑的基本特性。
图片2：
卫星通信的电波要经过对流层(含云层和雨层)、平流层、电离层和外层空间，跨越距离大，因此影响电波传播的因素很多。下表列出了有关的传播问题。
链路预算在不同的卫星业务方面有不同的计算方法。卫星移动通信系统中，由于移动用户的特点，使接收电波不可避免地受到山、植被、建筑物的遮挡反射、折射引起的多径衰落，这是不同于固定业务卫星通信的地方。海面上的船舶、海面上空的飞机还会受到海面反射等引起的多径衰落影响。固定站通信时，虽然存在多径传播，但信号不会快衰落，只有由温度、湿度等引起的信号包络相对时间的缓慢变化，当然条件是不能有其它移动物体造成电波的反射等情况发生。
图片3：
图片4：
图片5,
图片6,电波在往返大气层时，要受到大气气体、云、雾、雪、降雨等的衰减损耗。这些损耗附加在自由空间传播损耗上，随天气的变化比较明显。
图片7 雨衰
降雨衰减是电波在雨中传播时由于雨滴吸收和散射而产生的衰减，在1~50GHz的频带内，降雨衰减量与降雨强度成正比。当电波的波长远大于雨滴的直径时，衰减主要由雨滴吸收引起，当电波的波长变小或雨滴的直径增大时，散射衰减的作用就增大，如图可以查到相应雨衰系数。
仰角为θ的传播路径上的降雨衰减量为：
LR=γR·lR(θ)
γR是降雨衰减系数，定义为由雨滴引起的单位长度上的衰减，单位dB／km，见左下图；lR(θ)是降雨地区的等效路径长度，定义为当仰角为θ时传播路径上产生的总降雨衰减(dB)与对应于地球站所在地降雨强度的降雨衰减系数比(dB／km)，单位为km，右下图给出了以降雨强度为参变量的不同仰角时的降雨地区的等效路径长度。
中国电波传播研究所于1987年底在全国选取了65个点进行降雨率的统计研究，编制了“中国降雨率统计”。l 993年《电波科学学报》有文献研究了我国各地及邻近地区的雨衰测量数据。提出了由地面雨衰减测量数据换算斜路径雨衰减的方法、同时给出了0．01％时间的雨强的中国等值线图，提出了由10min积分雨强(常规气象数据)换算1m5n积分雨强(无线电气象数据)、由雨强的年度统计换算最坏月统计的转换方法。
图片8 大气折射的影响
大气折射率随着高度增加，并随大气密度减小而减小，电波射线因传播路径上的折射率随高度变化而产生弯曲，波束上翘一个角度增量。而且这一偏移角还因传播途中大气折射率的变化而随时变化。
大气折射率的变动对穿越大气的电波起到一个凹透镜的作用，使电波产生微小的散焦衰减，衰减量与频率无关。在仰角大于5度时，散焦衰减小于0．2dB。此外，因大气湍流引起的大气指数的变化，使电波向各个方向上散射，导致波前到达大口面天线时振幅和相位不均匀分布，引起散射衰落，这类损耗较小。
实际上大气折射还产生了大气闪烁现象。
大气折射率的不规则变化，引起信号电波强度的变化，叫大气闪烁。这种闪烁的衰落周期为数十秒。2—10GHz的大气闪烁是由于大气折射率的不规则性使电波聚焦与散焦，与频率无关。30米天线，5度仰角，信号强度的起伏幅度o．6dB。系统低仰角工作时应考虑大气折射和大气闪烁引起的信号强度的起伏。
图片9 电离层闪烁和多径
电离层中不均匀体的发生和发展，造成了穿越其中的电波的散射，使得电磁能量在时空中重新分市，造成电波信号的幅度、相位、到达角、极化状态等发生短期不规则变化。
观测数据表明，电离层闪烁发生的频率和强度与时间、地区太阳活动有关，衰落强度还与工作频率有关。当频率高于1GHz时影响一般大大减轻，卫星移动通信系统的工作频率一般较低，电离层闪烁效应必须考虑，但即使是工作在C波段的系统，在地磁低纬度地区也会发现电离层闪烁的影响。赤道区或低纬度区指地磁赤道及其南北20o以内区域，20o~50o为中纬度区，地磁50o以上为高纬度区。在特定的条件下，更高的频段也能记录到电离层闪烁。例如，日本冲绳记录到12GHz卫星信号P-P值最大3dB的电离层闪烁事件，日本山川记录到20GHz卫星信号P－P值为2．5dB的闪烁事件。我国处于世界上两个电离层赤道异常驼峰区域之—，峰顶对着韶关一带。长江一线以南地区属于低纬度区，南海在地磁赤道附近；长江一线以北地区属于中纬度区，但其中很大一部分地区属于闪烁增强带，衰落明显大于一般中纬度区。
图片10：
有3类分析模型被用来描述卫星移动信诅的特性．即经验模型、概率分布模型、几何分析模型。经验模型不能揭示传播过程伪物理本质，但可以描述出对重要参数的敏感度；概率分市模型建立了对传播过程的理解，对实际情况作7简化假设；几何分析模型用几何分析的方法。
能预测单个或多个散射源的作用，解释衰落机制，但需将结果扩展到实际的复杂情况。
本节基于概率模型，描述卫星移动通信系统信道电波传播特性。
卫星移动信道传播特性的概率分布模型用到了几种无线电波传播描述中常用的概率密度函数：Rayleigh，Rician和1ognormal，并且基于某些物理原因在分析过程中将其进行适当组合。Rayleigh，Rician用于描述多径效应，1ognormal用于描述阴影返蔽作用。
图12：
Rayleigh密度是Rician分布的特殊情况，即当没有直视分量(Z＝0)时，接收信号全部由多径信号组成，其信号包络r的概率密度函数为：
图13：lognormal模型卫星与地面站之间的直视信号被路边的树木或其它障碍物吸收或散射掉时，阴影效应出现。此时的电压变量是由于阴影而成为lognormal的。随机变量Z的概率密度函数为；
μ／J和众。分别是1nZ的均值和方差。
当Z是用瓦特表示的功率时，则功率Z的对数正态密度函数是：
f7(Z)—』』L12—．ex。r—量坐之二尘1
图17：
对于任何通信系统来说，噪声是限制其容量和性能的一个基本因素。由于卫星通信系统的接收信号功率非常小，因此，对噪声的影响就更加敏感。对于一条卫星通信链路来说，有几个源可能引入噪声。自然和人为噪声是由天线接收到的；热噪声是由接收机的第一级引人的；系统内部噪声是由系统内部器件的非线性产生的；互调噪声是由于转发器的非线性造成的。本节将介绍主要的噪声类型。
通信系统中使用的所有有源器件都会产生热噪声。为理解热噪声对系统性能的影响，这里以电路中的一个电阻为例来说明。从电阻外部看，其内部电子自由运动产生的能量就像是其两端施加了一个随机起伏的电压，此电压的均方值为：
其中：k为波尔兹曼常数（＝1.38054×10－23”焦耳／K），计算中常取为-228．6dBW／K·Hz；T为以 K为单位的电阻的绝对温度；R为电阻值；Bn为测量带宽。
因此，电阻就像是一个噪声产生器。当负载与其匹配时，它能产生的最大功率从为：
这样，任何有源电子器件（如放大器）的噪声特征都可用上式所示的一个等效电阻来定量表示其噪声功率。通常，一个有源器件产生的噪声都用噪声系数和等效噪声温度来表示。
图18
卫星通信中，遇到的大部分电路是线性或近似线性的，因此，可以用一个线性网络来描述。由于所有器件都会或多或少地产生噪声，这些内部噪声可能是热的也可能不是，而为了分析、设计线路的方便，希望能把它们统统等效成热噪声来处理，因而引人等效噪声温度的概念。
一个实际有源器件的等效噪声温度Te定义为：若在该有源器件（本身产生噪声）输人端连接一个无噪声电阻时的输出噪声功率为ΔN（相当于环境温度下该器件新增的噪声功率），则如果把该有源器件看成是理想（无噪声）有源器件，为在其输出端产生相同噪声功率而需要其输人端连接一个噪声温度为Te的电阻。
图19
宇宙噪声源自外层空间，是由恒星和星际物质的热气体辐射的。平均宇宙噪声功率随着频率的增加而下降，当频率高于1GHz时，宇宙噪声功率可以忽略。在天空中的某些部分，其噪声功率非常低（有时称为“冷空”）；而在其他地方则相对较高（称为“热空”）。天空中也存在一些离散的高强度的点噪声源（即通常所说的“射电星”）。
图20：
卫星通信的一个显著特点是电波传扔的路径非常长，电磁波在转播过程中将受到极大的衰减。譬如静止卫星与地球站之间约有40,000公里的路径，当工作频率为6GHz时，仅自由空间传播损耗就达200分贝之多。因而卫星或地球纳接收到的信号非常微弱。地球站接收到来自卫星的信号强度一般只有几个微微瓦．所以卫星通信中噪声的影响是一个非常突出的问题。决定一条卫星通信线路传输质量的最主要指标是，接收系统治入端的载波功率与噪声功率之比值，简称信噪比。因为，对于模拟制卫星通信系统来说，载噪比决定了系统输出端的信号功率与噪声功率之比(信噪比)；对于数字制卫星通信系统来说，载噪比决定了系统输出端信号的误比特率。大家知道，信噪比与误比特率分别是这两类通信系统的关锭性能指标。进行卫星通信线路的设计或分析，就必定要计算载噪比。这涉及到发射端的发射功率与天线增益、传输过程中的各种损耗、传输过程中所引入的各种噪声与干扰以及接收系统的天线增益、噪声性能等因素；这些因素中很多又与工作频率有关。
这一节我们讨论卫星通信线路计算的基本公式。首先ληθ
图片21
卫星通信中，常常用有效全向辐射功率EIRP(或e.i.r.p)来代表地球站或通信卫星发射系统的发射能力。它指的是天线所发射的功率PT与该天线增益GT的乘积，即
EJRP＝PTGT (W)
它表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率．它比全向辐射时在这个方向上所辐射的功率大GT倍，名称上。“有效”也就是这个含义。
图片22
为保证接收信号的质量，接收系统必须具有足够的裁噪比．当工作频率、信号形式、卫星和地球站位置确定后，信号的传输损耗L以及接收系统的噪声等效带宽Bn也就基本确定，这样，载噪比就决定于发瑞的[EIRP]及收端的[G／T]。我们把接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度之比G／T的分贝值，称为接收系统性能因数或品质因数．
第四章
P2:
星上转发器可以只和一个地面站通信，满负荷工作。这种情况称之为单接入方式（single access mode of operation）。一般情况下，转发器都有若干载频，和多个地面站通信，这种情况称之为多址方式。有三种多址方式用于卫星通信。其中FDMA和TDMA是最常见的两种方式。他们两者和FDM、TDM不同。多址和复接是不同的。其区别点见CCIR REPORT 708，1982，调制（及复用）基本上是传输的范畴(transmission feature)，而多址基本上是业务范畴（traffic feature）。
P11
幅度非线性有三点是值得重视的：第一，多载波波输入时，输出要受到“压缩”．这种压缩是指，在输入总功率相等的情况下，多载波工作时总输出功率比单载波工作时的输出功率要小。越靠近饱和点，这两者的差别越大；载波数越多，总的输出功率也越小。理论上及对典型管子的测试表明j在饱和点处，两载波输入时，输出的总功率比单波输出时减小约1.2dB；多载波(载波数n->无穷)输入时，减少约1.5dB。还应指出，各载波功率不等时，小载波要受到大载波的抑制。第二，多载波输入时，会产生新的频率分量，如果这些分量落在信号的载频上或落在信号频带内，便造成干扰。第三，输入信号频谱的低旁瓣分量通过TWTA时，由于非线性的作用，其输出可能增大(相对于频谱主瓣而言)，从而可能增加邻道干扰。
根据以上所述，行波管的非线性作用，一方面是使多载波输入信号放大时受到“压缩”；另一方面，是产生新的频率分量，造成对有用信号的干扰。此外，还会使信号频谱展宽。其中第二种作用是尤其要认真对待的。这种干扰通常称为“交调噪声”，它与热噪声的机理是不同的。可以想到，为要充分发挥行波管的效能，应尽量靠近饱和点工作，但这样会产生严重的交调，这是一个突出的矛盾，它对FDMA系统的通信质量和容量，有着举足轻重的影响。
P15
Spade系统有一个公共信令信道（CSC）。如图所示，CSC有160kHz，中心频率在18.045MHz。为了避免和CSC的冲突，话音信道1和2不使用。为了保持双工匹配，对应的1’和2’信道也不使用。为了不合导频信号冲突，信道400和其对应的800信道也不使用。这样，总共有794个单向信道或397双向话音信道。每一对频率分隔为18.045MHz。
P16
所有地面站永久性的通过CSC连接。如图有六个地面站，A、B、C、D、E、F。每一个地面站都可以通过频率合成的方式产生这794个载波中的任意一个。而且每一个地面站都有一个表，记录这些频点的使用情况。这张表不断由卫星的公共信令信道周期性的更新广播下来。假设此时C发起了一个到F的呼叫。C从频点使用表中随机地选取一对可用的频率，并通过CSC，将该信令信息发给F。F必须通过CSC确认，来完成整个链路的建立。一旦该链路建立，其他地面站就会从CSC得到该对频率点被占用的消息。
C发起一次呼叫信令，并得到F确认的RTT时间大约为600ms。在该时间内，可能C选择的一对频点会被分配给其他链路。在这种情况下，C将得到CSC的频率占用更新消息，重新选择一对频点，即使还没有得到F的确认。
当呼叫结束的时候，C会释放该对频点。其他地面站也会收到CSC的频点占用更新消息。
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TDMA通信方式的主要特点是，该系统中的各地球站只在规定的时隙内以突发的形式发射它的已调信号，这些信号通过转发器时在时间上是严格依次排列、互不重叠的。一个重复周期称为一帧，每帧又分成若干时间段——称为分帧。
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一个TDMA卫星通信网中有许多地球站，如何保证每个地球站的突发信号进入转发器上指定的时隙而不会误入其他时隙造成干扰？在正常情况下，各地球站每隔一帧发射一个分帧，怎样保证各分帧之间维持严格的时间关系而不互相干扰?前者是所谓初始捕获问题，后者是分帧同步问题，两者统称为TDMA的网同步问题。即初始捕获与分帧同步是网同步过程中的两个不同阶段。前者要解决的问题是在系统开始运行时如何建立网同步．后者要解决的问题则是在正常工作时如何保证这种网同步。
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CDMA接续技术的基础是使用一组正交(或准正文)的伪随机噪声(PN)序列通过相关处理实现多用户共享频率资源和同时人网的接续功能。
CDMA采用扩频技术，扩频技术的概念是将原始信息的带宽变换成带宽宽得多的类噪声信号。扩频的含义是：假定一基带数据流的速率为Rbbit/s，发信系统将此数据变换为Bc频宽的传输信号。若Bc比Rb大得多(通常达2~3倍以上)，且扩展信号编码序列与原始信号不相关，则认为信号获得了频谱扩散。
P45
在射频端所接收的载波信号功率为每比特能量与比特率之乘积：
Pr(w)＝Eb(J/bit)·Rb(bit/s)
来自其他扩额用户的干扰功率为其混合干扰谱密度N0与接收机输入带宽Bc(无线信道带宽)之乘积：
Pi(w)＝N0(W/Hz)·Bc(Hz)
因此．接收机输入端的载干比为：
C/N= Eb / N0·Rb/ Bc=( Eb /I0)/(W/ Rb)
在数字FDMA或CDMA中，Rb≈Bc,Eb /I0总是大于1，因此C/N是正的dB数。在CDMA中，Bc远大于Rb，符号Bc常以扩频信道带宽W代替，干扰电平总是高于信号电平，即C/N为负的dB数。
P46
补充概念关于分貝
分貝是無線電通訊中一個的重要及有用的參數。它容許我們將損耗和增益加起來,用來計算有多少功率由天線發射出來及有效發射功率。
分貝本身是一個百分比，它沒有單位。如果沒有將它和數值或單位產生關係,它將是完全沒有意義。
發射機輸出功率可以用 Dbw來表示，這數值是由公式10 log10 P計出來，而P是發射機輸出功率(瓦特)
同軸電線損耗通常以每10米或100米損耗dB多少來表示。假如一條同軸電線有每100米損耗3dB的特性，而你需要20米電線，這條電線的損耗是3 x (20/100) = 0.6dB。請注意，不同的頻率有不同的損耗,而頻率越高損耗越大。
天線增益通常用dBd 來表示與雙極天線比較的增益，或dBi來表示與無方向性天線比較的增益所以，有效發射功率可以將發射機輸出功率(dBW),減去因天線,駐波比及瀘波器等的損耗，再加上天線增益計算出來。
用10(d/10) 可以計出以瓦特作`為單位的功率
Q:?How is antenna gain (dBi) measured and used? (#2745)
A:?The unit of antenna gain is dBi,dbI means "Isotropic",a perfect POINT SOURCE,which radiates in a spherical manner,A perfect dipole radiates with a donut pattern,broadside to the long dimension of the dipole,It is a relative measurement to an ideal dipole that radiates in a perfect sphere,To achieve higher gains,antennas are constructed such that they radiate more in one direction than another,An omni directional antenna radiates uniformly in the horizontal plane and radiates very little up or down,Panel,sector,yagi,and parabolic grid antennas radiate in cones of various widths,The higher the gain,the smaller the horizontal and vertical angles,Jerm gave the sprinkler head analogy,for a given amount of water,the distance the water shoots can be increased by focusing the spray; for a given amount of of microwave energy,distance can be increased by focusing the beam,
Antennas angles are specified by their half power point (3 dbi less than the specified max output),
For example,one '14 dBi' directional antenna has 14dBi gain straight ahead but only 11 dBi gain 32 degrees horizontally and 31 degrees vertically; one '24 dBi' parabolic grid also has 24 dBi gain straight ahead but only 21 dBi gain 6.5 degrees horizontally and 10 degrees vertically,
时延扩展是由反射及散射传播路径引起的现象，而相干带宽Bc是从rms时延扩展得出的一个确定关系值。相干带宽是一定范围内的频率的统计测量值，是建立在信道是平坦（即在该信道上，所有谱分量均以几乎相同的增益及线性相位通过）的基础上。换句话说，相干带宽就是指一特定频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。频率间隔大于Bc的两个正弦信号受信道影响大不相同。如果相干带宽定义为频率相关函数大于0.9的某特定带宽，则相干带宽近似为：
如果将定义放宽至相关函数值大于0.5，则相干带宽近似为：
注意，相干带宽与rms时延扩展之间不存在确切关系，上两式仅是一个估计值。一般而言，谱分析技术与仿真可用于确定时变多径系统对某一特定发送信号的影响。因此，在无线应用中，设计特定的调制解调方式必须采用精确的信道模型。
rms时延扩展：宽带多径信道的时间色散特性通常用平均附加时延（τ）和rms时延扩展（στ）来定量描述。平均附加时延是功率延迟分布的一阶矩，定义为：
rms时延扩展是功率延迟分布的二阶矩的平方根，定义为：
计算下图所给出的多径分布的平均附加时延、rms时延扩展及最大附加时延 （10dB）。设信道相干带宽取50％,
解
首先计算给定多径分布的rms时延扩展。各分布的时延测量相对于第一个可测信号，所给信号的平均附加时延为：
给定功率延迟分布的第二阶平均附加时延可算得：
所以rms时延扩展为：
可得相干带宽为：
第六章卫星通信就是地球上（地面、水面等）的无线电通信站之间利用人造卫星作为中继站的通信方式，VSAT（Very Small Aperture Terminal）是指具有甚小口径天线（一般小于3米）的智能化小型式微型地球站。通常，大量的VSAT与一个主站共同工作，构成卫星通信网，为分布在广阔地域上的各个工作站提供数据、图象、话音及其它电信服务。
VSAT的主要特点有：通信组网灵活、业务范围广、管理控制能力强、具有相当的独立性；设备安装方便、速度快、建设时间短；通信链路中间环节少、不受地理地理条件限制；通信成本与距离无关。
典型的VSAT网由一个中心地面站、卫星和广泛分布在各地的VSAT小站组成。中心站是VSAT网的管理控制中心，它由卫星天线、射频设备、中频设备及交换单元等系统组成。主站设有网络管理系统，负责对全网监测、管理、控制和维护，如实时监测、诊断各小站和主站本身的工作情况、测试信道质量、负责信道分配、统计、记费等。分布在各地的VSAT小站由天线（零点几米到3米）、室外射频单元和室内数字处理单元组成。室内数字处理单元承担发送和接收数据的处理、操纵功能。其用户接口可以同时支持多种通信协议，它可以根据用户要求配置为不同的速苁，方便用户将各种终端设备接入VSAT网。VSAT通信使用的卫星资源是C波段和Ku波段的同步卫星转发器，目前使用较多的是天线尺寸小、不易受地面电磁干扰的Ku波段卫星转发器。
VSAT通信网的基本网络结构有星形、网形及混合形。目前星形网是VSAT网中应用最广泛的网络形式，各VSAT小站只与主站发生通信联系，VSAT之间不能通过卫星直接互通，而只能经主站的转接方能建立联系。它适用于具有大量数据传输和集中管理的单位，如：银行、新闻、交通、连锁店、气象地震等。
从技术体制上来看，VSAT通信主要有TDM/TDMA（时分复用/时分多址）和SCPC（单路单载波）两种接续方式。在TDM/TDMA方式中，主站到小站采用广播式的翟多点传输，向全网发布信息，各小站根据自身的地址从中选出所要接收的信息的时分复用（TDM）方式；反之，小站到主站时，很多小站共享一个卫星信道，每个小站在特定的时间段内（时隙），将信息发送给主站。在SCPC方式中，一个小站独占一个卫星信道与主站或其它SCPC小站进行通信。由于独占信道，SCPC方式的通信速率可达512Kbps甚至更高，而TDM/TDMA的通信速率通常为128 Kbps /64 Kbps。同时，SCPC的信道占用费比TDM/TDMA高几倍。
表1 现有VSAT网主要业务及典型应用
业 务
应 用
1.广播和分配业务
.
数据
数据库、气象、新闻、仓库管理、遥控、金融、商业、远地印刷品传递、报表、零售等
图像
传真（Fax）
声频
单向新闻广播、标题音乐、广告和空中交通管制
电视
.
a）TVRO（电视单收）
接收文娱节目
b）BTV（商业电视）
教育、培训和下行信息业务
2.收集和监控业务
.
数据
新闻、气象、监测、管线状态
图像
图表资料和凝固图像
视频
高压缩监视图像
3.双向交互型业务（星形拓扑）
.
数据
信用卡核对、金融事务处理、销售点数据库业务、集中库存控制、CAD/CAM、预订系统、资料检索等
双向交互型业务（点对点）
.
数据
CPU-CPU、DTE-CPU、LAN互连、电子邮件、用户电报等
话音
稀路由话音和应急话音通信
电视
压缩图像电视会议
要使VSAT能得到更广泛的应用必须使VSAT进一步小型化，降低VSAT的成本，为此须解决以下关键技术,
信号处理技术：通过合适的信号设计和信号处理降低VSAT系统对C/N的要求。
集成电路技术：微波电路集成化技术，采用SLIC技术。(用户线路接口电路(SLIC))
天线技术：通过采用新的设计，使天线的尺寸进一步减小。
接口技术：采用软件可编程的接口技术以使VSAT能适应不同用户的接口要求。
抗干扰技术：包括抗外部干扰和邻站干扰技术。
数字化技术：以DSP、DDS为基础来提高VSAT的灵活性和可靠性。
一体化设计技术：通过统一设计Modem、FEC和ARQ来达到对信道资源的最佳利用。
标准化技术：VSAT必须要标准化才能解决相互间的互通问题和实现大规模生产。
加密技术：由于任何网外用户都能收到网内用户发送的信息，任何网内用户都能收到应由其它网内用户接收的信息，因此，VSAT网中必须解决信道加密问题。要进行加密就涉及到加密算法和加密密钥的分配问题，而对一个网络来说尤其重要的是密钥的分配问题。当采用密钥集中分配方式时，如果主站为每个VSAT保留一个工作密钥，则要求主站有非常大的容量；如果为所有VSAT分配同一个工作密钥，将失去加密的意义。若采用密钥分散分配方式，则涉及到一个密钥的安全问题及VSAT设备的复杂性问题。
2 空间技术
要加强卫星的竞争力，必须降低卫星的成本、在不增加卫星重量的基础上增加卫星的容量、增加卫星的利用率（如采用低速编码、延长卫星寿命，采用TASI、DSI和DCME等）、寻找地面无法实现或很难实现而卫星很容易做到的新应用（如航空、航海移动通信，偏远地区数据收集，导航/定位等）。
就卫星转发器而言，需逐步解决以下关键技术,
星上处理与交换技术：使卫星成为一个交换结点，使VSAT能直接进行通信，改善VSAT网的连接能力和吞吐量—时延性能，并把网络的复杂度从VSAT转移到卫星，降低VSAT成本；采用星际链路后能实现不同卫星覆盖区内VSAT之间单跳通信。
多波束/跳波束天线技术：在星上采用多波束/跳波束技术以提高卫星的EIRP和G/T，从而降低对VSAT EIRP和G/T的要求。
星上信令能力：使卫星具有信令处理能力，把现在VSAT网中网控中心的一部分功能转移到卫星上，从而缩短VSAT通信的呼叫建立时间。
中低轨道卫星技术：由于同步卫星的轨道高度很高，传播时延和传播损耗都很大，因此VSAT不能非常小，同时也不能满足一些实时性业务的要求，为此提出采用中低轨道卫星进行通信。由于信号的传播损耗和时延较小，因此就不仅能更好地传输实时性业务，而且能大大减小地球站天线的尺寸和发射机的功率。另外，采用多个低轨道卫星组成的通信系统比同步卫星通信系统能更好地进行频率复用；同时也缓解了同步轨道上卫星过分拥挤的情况。采用中低轨道卫星还有其它一些优点，这里就不多讲了。
除了以上一些需解决的关键技术外，另外还包括增大卫星功率技术、宽带传输技术、干扰抑制技术、多信道Modem技术等。
3 网络技术
如何更好地把地球站和卫星结合起来，使VSAT达到最佳的性能/价格比，这就是网络技术需解决的问题。就目前来看，VSAT网络技术需解决以下一些关键技术,
多址访问技术和信道分配技术：开发一些新的多址访问和信道分配技术以更有效地利用卫星信道的资源，满足业务量变化及不同业务对服务质量的要求。
网络控制技术：进一步加强网络控制的功能，提高VSAT网的智能化程度和灵活程度。
网络协议技术：进一步研究VSAT网络的通信协议及与地面设备之间的接口协议以提高网络的适应能力和协议的工作效率。
网络安全技术：采用一些措施（如加密、通行字、自组织能力等）来提高网络的安全等级。
未来VSAT的几种主要应用
1 VSAT在ISDN环境下的应用
ISDN的提出已有相当一段时间，然而，时至今日，电信网络提供的ISDN业务仍非常有限，一个重要的原因是由于现有通信网（如PSTN，PSPDN和各种专用网等）的投资巨大，对它废弃不用而新建一个ISDN网从经济上考虑是不可能的。因此，用VSAT网来实现一个ISDN或用来互连各地的ISDN用户或让远方ISDN用户经VSAT网进入地面ISDN从经济上考虑是比较合适的；即使在地面ISDN网建成后也不能覆盖所有的地区，对边远地区的ISDN用户来说，采用VSAT网仍几乎是一种唯一的选择。对地面ISDN能覆盖的用户来说，也存在着网络的故障和拥塞问题，此时，可把VSAT网络用作地面ISDN的迂回或应急网络。
因此，VSAT网提供ISDN业务不仅是VSAT本身发展的需要，也是ISDN发展的需要。
要使VSAT网能提供ISDN业务，首先应必须解决VSAT网的标准问题。只有使VSAT网符合ISDN的标准才能提供ISDN业务；其次，必须提高VSAT网的容量和通信性能（包括网络时延和信道误比特率）；再次，必须能对不同的业务提供不同的服务质量，以满足不同业务对通信网服务质量的要求。
2 VSAT在互连LAN中的应用
采用LAN来互连计算机可以得到许多好处，而随着LAN网卡价格的下降，其使用已越来越广泛，而LAN之间的互连是一个迫切要求解决的问题。从80年代中期开始，VSAT已从支持串行接口到能与LAN/MAN的一个主网络结点进行接口。
采用VSAT网来互连LAN比之采用地面网中的帧中继进行互连LAN在经济上要节省，尤其当需提供广播业务时，采用VSAT网比地面帧中继有许多优点。
用VSAT网来互连LAN可采用直接方式或通过帧中继的方式来互连。
当用VSAT直接互连LAN时，可采用桥接器、选路器或网关等三种不同的方式。其中，采用桥接器时只涉及到链路层协议，而采用选路器时涉及到网络层协议，而采用网关时则涉及到运输层或更高层协议。采用不同的互连方式对VSAT的协议、频带利用、灵活性等方面都有不同的影响。可用的LAN协议有TCP/IP、SNA、DECnet、IPX等。
今天已超过6000个VSAT用来从远端站到中央主机之间传输LAN业务。
由于LAN不同于主机与终端之间的通信，也不同于两个DTE之间的直接通信，因此，提供LAN互连的VSAT在拓扑管理、资源分配、业务量管理、拥塞控制等方面都需作出相当大的改进。
3 VSAT在个人通信业务（PCS）中应用
限制目前VSAT发展的一个重要因素是其潜在用户主要面向比较大的单位而不是个人，因此，其用户数有限的。如果VSAT能面向个人，那么，其市场潜力就非常大，再加上个人化是通信的一个发展方向，所以，VSAT要持久高速发展，提供面向个人的系统是一个非常有前途的发展方向。
要使VSAT网能真正面向个人（如进入家庭、车载、放在办公桌上等），就必须降低VSAT的成本和规模，以随时随地为用哀悼提供各种服务功能。为此，需解决几个关键问题,
1.大大减小VSAT天线的尺寸和发射机的功率；
2.时延问题；
3.与地面网的互通问题；
4.VSAT在卫星/波束间切换问题；
5.全球通信问题。
可采用的几种解决办法有：
1.采用中低轨道卫星，以解决VSAT的尺寸和时延问题；
2.采用Ka或更高频段的卫星以增大VSAT天线的增益；
3.设置足够多的地面网关站，以使卫星用户能就近进入地面网；
4.采用星际链路。
幻灯片21
VSAT通信网由VSAT小站、主站和卫星转发器组成。数据VSAT卫星通信网通常采用星状结构，采用星状结构的典型VSAT卫星通信网示意图如图所示。（也可见书上图6-1）
（书上p96）关于主站和小站设备的说明。
主站也叫中心站或中央站，是VSAT网的心脏。它与普通地球站一样，使用大型天线，天线直径一般约为3.5m～8m（Ku波段）或7m～13m（C波段）。
在以数据业务为主的VSAT卫星通信网（下面简称数据VSAT网）中，主站既是业务中心也是控制中心。主站通常与主计算机放在一起或通过其它（地面或卫星）线路与主计算机连接，作为业务中心（网络的中心结点）；同时在主站内还有一个网络控制中心（NCC）负责对全网进行监测、管理、控制和维护。
在以话音业务为主的VSAT卫星通信网（下面简称话音VSAT网）中，控制中心可以与业务中心在同一个站，也可以不在同一个站，通常把控制中心所在的站称为主站或中心站。
由于主站涉及整个VSAT网的运行，其故障会影响全网正常工作，故其设备皆有备份。为了便于重新组合，主站一般采用模块化结构，设备之间采用高速局域网的方式互连。
VSAT小站由小口径天线、室外单元（ODU）和室内单元（IDU）组成。
在相同的条件下（例如相同的频段、相同的转发器条件）话音VSAT网的小站为了实现小站之间的直接通信，其天线明显大于只与主站通信的数据VSAT小站。
卫星转发器
一般采用工作于C或Ku波段的同步卫星透明转发器。
在第一代VSAT网中主要采用C波段转发器，从第二代VSAT开始，以采用Ku波段为主。具体采用何种波段不仅取决于VSAT设备本身，还取决于是否有可用的星上资源，即是否有Ku波段转发器可用，如果没有，那么只能采用C波段。
幻灯片24
数据VSAT网的组网
在数据VSAT卫星通信网中，小站和主站通过卫星转发器构成星状网，主站是VSAT网的中心结点。星状网充分体现了VSAT系统的特点，即小站要尽可能小。其主站的有效全向辐射功率（EIRP）高，接收品质因数（G/T）大，故所有小站均可同主站互通。由于小站天线口径小、发射EIRP低、接收G/T小，而此小站之间不能直接通信，必须经主站转发。
数据VSAT网通常是分组交换网，数据业务采用分组传输方式，其工作过程是这样的：任何进入VSAT网的数据在发送之前先进行格式化，即把较长的数据报文分解成若干固定长度的信息段，加上地址和控制信息后构成一个分组，传输和交换时以一个分组作为整体来进行，到达接收点后，再把各分组按原来的顺序装配起来，恢复成原来的报文。
以星状网的主站为参考点，数据VSAT网使用的卫星信道可以分为外向（Outbound）信道和内向（Inbound）信道。在数据VSAT网中，业务信道和控制信道是一致的，即业务子网和控制子网具有相同的星状结构。
主站通过卫星转发器向小站发数据的过程叫外向传输。用于外向传输的信道（外向信道）一般采用时分复用方式（TDM）。从主站向各小站发送的数据，由主计算机进行分组化，组成TDM帧，通过卫星以广播方式发向网中所有小站。每个TDM帧中都有进行同步所需的同步码，帧中每个分组都包含有一个接收小站的地址。小站根据每个分组中携带的地址进行接收。
小站通过卫星转发器向主站发数据的过程叫内向传输。用于内向传输的信道（内向信道）一般采用随机争用方式（ALOHA一类），也有采用SCPC和TDMA的。由小站向主站发送的数据，由小站进行格式化，组成信道帧（其中包括起始标记、地址字段、控制字段、数据字段、CRC和终止标记），通过卫星按照采用的信道共享协议发向主站。
业务信道和控制信道通常使用同一外向信道或内向信道。
幻灯片25
话音VSAT网的组网
对于使用同步卫星转发器的话音VSAT网来说，用户的要求通常是希望网内任意两个VSAT小站能够直接通话而不是经过主站转发（双跳使响应时间超过1s，用户不易习惯）。这个要求决定了话音VSAT网应该是网状网。即话音VSAT网的业务子网是网状网而控制子网是星状网，网控中心所在的站称为中心站。
1 业务信道
话音VSAT网通常采用线路交换方式，这是由电话业务的实时性决定的。
话音VSAT网的业务子网中，业务信道（话音信道）较多采用简单易行的SCPC方式（也可以采用TDMA等多址方式）。对以话音业务为主、采用线路交换的话音VSAT网来说，显然采用按申请分配信道资源方式是比较合适的，同时在少数大业务量站间可分配一定数量的预分配信道。
2 控制信道
话音VSAT网的控制子网相当于一个数据网。在控制子网中，小站与主站之间一般采用TDM/ALOHA体制，即外向传输采用TDM，内向传输采用ALOHA、S-ALOHA或其它改进型。此种方式技术简单，造价低廉，因此在实用系统中应用较多（例如TES系统）。
幻灯片26
传输体制包括基带复用方式、调制方式、编码方式、多址方式和信道分配方式等。
由于VSAT系统通常是功率受限而不是频率受限系统，故要采用功率利用率最高的调制方式，因此，一般采用相干BPSK或与之相近的QPSK。
VSAT网中编码目前一般采用1/2率卷积编码的软判决维特比译码（编码增益可达4dB～5dB）。
VSAT网的信道分配一般采用按申请分配或争用方式。
幻灯片27
数据VSAT网的传输体制
由于数据VSAT网是个不对称网，外向和内向传输应选择不同的体制，主要考虑的原则是,
（1）外向传输：主站发射信息量大，因此转发器的频带和功率利用率必须很高；小站接收信息量小，要求的设备尽可能简单。
（2）内向传输：小站发射信息量小，要充分利用小站的发射功率，尽量降低其发射功率，以使小站实用、经济；主站接收来自多个小站的突发性业务，要求其信道解调设备能在足够短的时间内获得载波同步及位定时同步。
（3）VSAT系统中有相当数量的小站建在大中城市市区，因此，要求尽量降低它与相邻卫星系统及地面微波中继通信系统之间的干扰，要尽可能采用不同频段或采用扩频。
对于数据VSAT网来说，不同的产品、不同的系统主要表现在采用不同的内/外向信道多址方式。
在数据VSAT网中外向信道的基带复用一般采用统计复用的TDM方式，而内向信道一般采用分组复用方式。
目前，几乎所有系统的外向信道都采用TDM方式，因为其功率和频带利用率最高。差别主要表现在有些系统采用统计复用，而有些不采用；有些系统采用扩频而有些不采用而已。外向信道的多址访问是通过帧格式中的地址域来完成的。
对于内向信道可采用固定分配、按申请分配和随机争用（指ALOHA一类）等几种多址访问方式。
对以数据为主的VSAT网来说，由于数据业务每次突发的持续时间一般很短（如1min以下），一般采用随机争用方式，包括纯ALOHA方式以及在此基础上提出的各种改进方式。对个别大业务量的站可以采用预分配方式。
综观当今的各种VSAT产品，主要有三种典型的内/外向信道多址方式：
（1）TDM/CDMA体制：外向信道采用TDM方式，内向信道采用CDMA方式，内外向均用扩频，但外向不具备码分功能，对所有小站用同一个PN码扩频。由于这种系统扩频增益很大，大大降低了功率谱密度，减小了与地面微波及邻星之间的干扰，降低了传输要求。此方式在C波段工作时，也可使用尺寸小的天线，即用1.2m天线可实现双向通信，单收站令需0.6m天线。因此，小站简单、造价低，得到了广泛的应用。
此方式的优点是，外向传输发射一个TDM载波时对卫星功率利用率最高，且抗干扰性强和隐蔽性好。内向采用CDMA避免了碰撞问题，且对过载不敏感。
缺点是频带利用率低，网的容量较小。
典型代表为ContelASC公司（现GTE Spacenet公司）的产品。
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（2）TDM/SCPC体制：外向信道采用TDM方式，可以进行一定的扩频（扰码），每个小站接收一个TDM载波，同时搜索小站地址或用选择自己时隙的方法，从中提取发往本站的数据。内向信道采用SCPC方式，每个小站一个载波，技术简单、造价低廉。但每个VSAT不论有无业务均占用一个固定载波和固定空间段。换频需换晶体，灵活性差、抗干扰能力较差，小站天线直径为1.2m～1.8m（Ku波段）或1.8m～2.4m（C波段），我国采用2.5m～3m。当C波段工作在大城市时由于地面微波干扰严重，选址不方便。
典型代表为美国VSI公司（原TG公司）的产品，国内714厂已有生产能力。
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（3）TDM/TDMA体制：外向信道采用TDM方式，内向信道采用TDMA方式。这是一种先进的系统。主站设备少，主要发挥软件功能。这种系统信道利用率最高，容量大，灵活性好，扩容方便。可工作在C或Ku波段。换频由主站通过控制主站和VSAT的频率合成器来实现，因此比较方便，受干扰影响小。当内向采用多个载波时，便产生了多载波TDMA（MC-TDMA），即一个转发器的频带容纳多个不同的载波，各载波以窄带TDMA方式工作。网中各站发射或接收所用的频率和时隙均可调整。由于采用了TDMA、FDMA和TDM的组合，系统灵活性增加，显著提高了系统容量。此体制特别适合于网络容量大、由许多稀路由地球站组成、每站含有几路话且业务类型多变、需要动态和灵活连接的情况。采用这种方式的网络效率最高，但技术较复杂。
典型代表为美国休斯公司的PES系统和日本NEC公司的NEXTAR系统。目前国内也在开展这方面的研制。
从内外向传输的不同工作原理可看到，VSAT卫星通信数据网与一般卫星通信网不同，它是一个典型的不对称网络，即收发链路两端的设备不相同，执行功能不相同，内向和外向业务量不对称，信号强度不对称（主站发射功率大得多以适应VSAT小天线的要求；VSAT发射功率小，用主站高的接收增益来接收VSAT的低电平信号）。
幻灯片30
话音VSAT网的传输体制
对于话音VSAT网来说，不论采用哪一种多址方式和交换方式，最终应实现等效的线路交换方式。
话音VSAT网控制子网的传输体制与数据网是一致的，而业务子网则是典型的网状网结构。要实现网状网，SCPC是一种简单可行的信道多址方式，SCPC信道分配则采用DAMA（按申请分配或称为按需分配）方式。目前，投入实用的系统大部分是采用DAMA-SCPC方式的话音VSAT网。为了兼顾少数大业务量站间业务，可以配置部分点对点预分配（固定分配）的信道。
这种网状网的业务信道除了用于话音业务之外，也可以用于数据业务，分配方式和交换方式与话音业务类似。
话音VSAT网的信道分配方式通常是按需分配与预分配结合。
幻灯片31
按需分配的呼叫过程有三个基本阶段,
（1）呼叫建立 主叫方通过控制信道向网控中心发出呼叫申请信息，网控中心在确认卫星信道和被叫方设备有空闲的条件下，向主叫方和被叫方分配卫星信道，主叫方和被叫方进行导通测试，建立线路。在这个阶段，网控系统的主要任务是在规定的时间内建立线路，并使插入的附加呼损尽可能小。
（2）通话 线路建立后，两方即可进行通话或数据传输。
（3）拆线通话结束后，由通话的主叫方或通话双方（取决于系统设计）向网控中心发出通话结束信息，网控中心发回确认并回收资源（包括卫星信道和用户信道设备）。在这个阶段，网控中心的主要任务是及时、准确地回收空间资源和地面资源。
除了SCPC多址方式以外，TDMA方式也是一种适合话音业务乃至综合业务的多址方式。TDMA的特点是子信道按时隙划分，两种交换方式具有良好的兼容性，很适于构成综合业务VSAT网。TDMA用于话音业务时，由于每载波容纳的用户站数目不够多，网内站数较多时，可能不得不采用多载波方式。随着卫星通信技术的发展和设备成本的降低，采用TDMA方式的VSAT网将会有较大发展。
幻灯片33
从信道共享的特点来看，VSAT数据网比较接近本地网（LAN），从VSAT网的覆盖范围来看又是一个广域网（WAN），而从VSAT网单结点、无层次的网络结构来看，其网内路由选择功能比较简单，也即其第三层协议功能比较简单，从星状网络结构来看，是一种不平衡链路结构，所有通信都是一个主站与其它小站之间进行的。据此，可得到VSAT网的协议结构如图2所示。图2中有关各层协议的具体内容请参阅相应的标准。
幻灯片34
国际VSAT通信网络点对点通信
（1）通信速率：64K-2Mbps任选
（2）用户设备任意配置
（3）采用SCPC的通信方式
（国际VSAT通信网络结构图）
【服 务】
为客户提供方案设计、设备安装、电磁场测试、电路开通、运行维护一条龙服务。
速率64Kbps-2Mbps，可根据客户实际需求选择。
可传送话音、传真、图像、电视复合的干线基带载波。
采用SCPC通信方式。
24小时热线电话，24小时网络管理。
服务范围遍及东南亚及欧美。
【用 途】
公司总部与其子公司间、子公司横向间建立高速信息通道。
【目 标】
境内外各公司、企事业单位。
【优 点】
链路环节少、故障率低、通信畅通率高。
卫星稳定、信道误码率低、通信质量好。
通信距离远，高效率低成本。
工程周期短，一般四周即可完成。
施工便捷，不受地理环境限制。
网络拓展、速率升级方便。
设备租用，免去客户初期巨额投资。
幻灯片36
网络互连的一般模型
VSAT网络的特点尤其适合于数据通信，其实质就是通过卫星信道实施计算机通信。因此，VSAT数据网也无例外地采用OSI（开放系统互连）分层通信模型。不过，它的任务仅限于将发送的数据正确、及时地传送到目的地，所以只需制定包括网络层、数据链路层和物理层在内的下三层协议，而对数据的辨识则交给终端用户的应用进程（包括应用层、表示层、会话层和传输层在内的高层协议）来解决。
图1是两个VSAT网络进行互连的分层通信结构示意图。互连设备通常称之为"网关"，其复杂程度主要取决于网络协议之间的差别。如果反映在网络层的路由选择和流量控制机制相同，则网关只需解决数据链路层和物理层的互连，也可称之为"网桥"。应该说明的是，即使是同一种多址协议，也并不意味着对应的数据链路层相同。例如AA／TDMA（Adaptive Assignment／TDMA）协议中，帧长度、时隙长度、最大可预约时隙数，都是根据各网的运行情况而设定的，甚至流量控制方法也是有区别的。所以在设计网关时，必须全面考察通信协议及其系统参数。
幻灯片37
因此，互连设备必须屏蔽不同的VSAT网在下三层的各种差异。这些差异包括,不同的寻址方案；不同的帧结构及分组长度；不同的网络访问机制；不同的超时控制；不同的编码、调制方式；不同的差错恢复方法；不同的状态报告方法；不同的路由选择技术；不同的用户访问控制；不同的服务——面向连接服务和无连接服务；不同的管理与控制方式。由于卫星通信的特点，不仅反映在其协议与一般计算机局域网不同，而且在物理层上的联接比地面网之间的有线联接要复杂多样：从拓扑结构上划分，VSAT网络有星形网和网形网两种；从使用卫星情况来看，有同星的，也有不同星的；从频段上划分，有同频段的，也有不同频段的。因此，不同的VSAT网络互连，涉及到的问题也各不相同，情况千差万别。本文将根据拓扑结构来分类研究VSAT网络的互连方法。
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（1）两个星形网的互连 首先考虑最简单的情况：两个星形VSAT网络，使用同一波段，对准同一颗卫星，采用相同的多址协议（入向AA／TDMA，外向TDM），且协议参数及分组格式都相同。唯一的区别是各网使用的频率不同由于两个网络几乎完全一致，因此只要一个网能收到另一个网的信号，就很容易进行处理，实现互连。我们暂且认为每个网只工作在一个频率点（分别为fA和fB，对应的发信频率为f'A和f'B），这时Hub A需要增加接收fB的设备，如图所示。
由图可见，Hub A增添了一套对fB的收信设备、一个解调器和网际地址译码器（实际上网际地址译码器包含在基带处理设备中）。收信设备包括低噪声放大器（LNA）下变频器和本振源几大部分。由于LNA是宽带器件，当fA和fB属同一波段时，可以共用一个LNA，从而节省这一昂贵器件。 与此对应，Hub B需要增加接收fA的设备。所有新添设备的监控信号都应纳入各自所在的网管系统。 工作原理：考虑网络A的VSATi，发送分组到网络B的VSATj。显然在分组格式的地址中必须有网际地址，以表明从哪个网来，到哪个网去。虽然Hub A和Hub B这时都能收到VSAT卫星发出的分组，但是Hub A通过网际地址译码，知道不是发给网络A的，于是丢弃此分组；而Hub B则接纳此分组，并将其排在外向信道队列中，用连续TDM方式发送出去，从而地址相符的VSAT，收到该分组。 此方案的优点是：（1）不增加卫星传播时延，网际通信与网内通信的时延相当；（2）虽然各主站增添了少量设备，但并未改变网络结构，各子网仍独立发挥作用。 应该说明的是，星形VSAT网络正是以大量远端小站共享一个中心站而发挥其价格优势的，所以很少有工作在单一频率点的情形。例如NEC的NEXTAR系统中，一个外向TDM载波可控制8个入向AA／TDMA载波，而且全网可以不止一个外向载波。因此在本图的方案中，主站的收信设备应该能够接收所有的入向载波，而且网际地址译码器必须根据分组的目的地址将其排在正确的外向信道队列中去。 在此方案的基础上，我们逐步取消最初的限制条件,——当两个VSAT网使用不同的卫星时，各主站都需要增添一付对准另一颗卫星的天线，才能收到网际信号，实现互连； ——当fA与fB不在同一波段时，不仅仅是不能共用LNA的问题，有可能天线尺寸差别较大，此时应重新进行链咱计算，并弥补小天线增益的不足； ——当网络协议不同时（通常称为异构型网络的互连），各主站要借助于互连设备来"辨认"来自其它网络的数据分组。例如图中，Hub A的基带处理设备无法"辨认"来自网络B的分组，可设计一个"半网关"将网际分组先还原成透明数据，再用Hub A的基带处理设备封装成连续TDM格式发送出去。
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（2）多个星形网的互连 从理论上讲，上述方案可以推广到两个以上星形VSAT网络的互连。但是当网络数目比较大时，增添设备的代价太高。另一种解决办法是在各主站之间开辟一条公用信道，用于网间数据的传送。图4是各主站的简易方框图。图中增加了对公用信道的收、发设备。
工作原理：主站以频率／接收本网VSAT站发送的分组，同时以f接收其它主站发来的网际分组，通过地址译码，去往本网VSAT站的数据用户以连续TDM方式发送，去往其它网络的分组则按照某种多址方式，以fcom先传到该网的主站，然后再广播发送到目的地VSAT站。 这里存在一个网际多址方式问题，以实现各主站之间的全网状联接。或者，也可以是星状联接，即各主站之间的分组传送都通过一个总的中心站转发，因此需要经过双跳卫星传播时延。选取什么样的拓扑结构和多址方式，要根据网间通信业务类型，对网间通信量的预测，对响应时延的要求，以及对诸多经济指标的综合评价来决定。 同样，当fcom与f在同一波段时，可以共用高功放和低噪声放大器。而当公用信道所用的卫星与本网不同时，主站需增添一付对准公用信道卫星的天线，联通网间通信的链路。 此方案的缺点是：（1）网际分组的传送时延明显增加。各主站之间若采用网状联接，则增加一跳卫星传播时延（约270 ms）；若采用星状联接，则增加两跳卫星传播时延（约540ms）；（2）fcom占用一定的卫星转发器带宽。优点是：（1）各主站互连设备一致，不涉及到针对不同的网络协议设计不同的网关，从而简化了工作，降低了费用；（2）当子网数目比较大时，相对于前一种方案所节省的设备费用可能远大于fcom占用卫星转发器的租金，而很多情况下数据传输增加270 ms（或者540 ms）时延并无妨碍。
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（1）两个网形网的互连 对于两个网形网之间的互连，可以设立一个中继站，如图5所示，负责对网间分组的转发。它既充当网络A的第（n＋1）个VSAT站，又相当于网络日的第（m＋1）个VSAT站。
工作原理：当某一VSAT站发送网际分组时，由于包含网际地址，本网的所有VSAT站都不接收此分组，而只有中继站接收，通过解调、基带处理，封装成另一网络协议的分组格式发送出去，如图6所示（同星的情况只需一付天线），从而地址相符的目的VSAT站收到该分组。可见，网间通信必须经过双跳卫星传播时延，但是并不另外占用卫星转发器带宽。 这个中继站也可以由某一VSAT站兼任，那么需要增添的设备只是图6的一半。但是这个站的选址要适合于同时接收这两个网络的信号频率。
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（2）多个网形网的互连 对于多个网形网的互连，仍需借助公用信道来完成网间通信，如图7所示。
考虑网络X的VSATi，发送数据分组到网络Y的VSATj。首先，VSAT，用频率fx，以网络X的多址方式发送分组，由于包含网际地址，只有中继站RX接收并得到数据，然后用频率fcom以网间多址方式发送分组。由于中继站RY的网际地址符合，因此得到分组并解调出数据。然后RY又用频率FY以网络Y的多址方式发送此数据分组，从而VSATj最后得到该分组。 与多个星形网的互连相似，各中继站之间可以采用全网状联接，也可以采用星状联接。但是星状联接将再增加一跳卫星传播时延，使网间传输达到总共四跳。 同样，各中继站可以由该网的某一VSAT站兼任。网间联接所使用的卫星，一方面应很好地覆盖所有这些中继站，具备良好的电波传播条件以实现可靠的通信；另一方面应尽量与各子网使用最多的卫星一致，并选用同波段转发器，以充分利用子网现有设备，降低成本。
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星形网与网形网的互连
（1）一个星形网与一个网形网的互连 基本思想：假设网络A是星形网，网络B是网形网，那么Hub A在充当网络A的主站的同时，也充当网络B的中继站，与网络B的VSAT站实行全网状联接。 工作过程：（1）当网络A的VSATi，发送分组到网络B的VSATj，时，首先只有Hub A能收到此分组，通过地址译码发现是去往网络B的，于是经过基带处理，数据封装成协议B的分组格式发送出去，从而地址相符的VSATj收到该分组；（2）当网络B的VSATj发送分组到网络A的VSATi时，由于网际地址不符，故网络B的原有VSATi站都不接收此分组，唯有中继站接收，经过基带处理将数据排在主站A的外向信道队列中，用TDM方式广播发送，从而网络A的VSAT，收到该分组。
（2）多个混合网的互连
如果是多个星形网和多个网形网的互连，方法与图7所示的基本原理一致，不过星形网中的主站当然就充当了中继站的角色。
至此，我们分析了各种拓扑结构的VSAT网络之间的互连。可以看出，网际分组传送时延最坏将达到四跳卫星传播时延。考虑到VSAT数据网通常对卫星信道共享的特点，实际的时延还会大于这个数值。这是个必须引起重视的问题，在选择互连方案时要进行分析和计算，看是否能满足用户的要求。
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X.25是数据终端设备(DTE)和数据电路终接设备(DCE)之间的接口规程。VSAT网可以视为X.25分组交换网，VSAT小站作为分组交换网络的DCE使用。用VSAT网组成的X.25网络不同于地面分组网，所以在VSAT的分组网中需要加一个集中器(Concentrator)。在若干VSAT小站X.25端口上，分组数据被卫星链路送到主站，通过主站集中器集中流向某个端口，这个端口连接到X.25的主机(Host)或分组交换机(Packet Switching Note)上。
采用集中器后，DTE工作时如同与分组网相连，同时，分组网工作时如同只与一个DTE相连，因此，不会影响通信。而且，多个VSAT小站公用一个主站端口可以节约通信费用。
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VSAT X.25 网的三种配置
1.有分组交换机的分组交换网
这是最常用的网络配置方式。利用交换机，分组网可以提供灵活、多样的功能以满足不同用户的通信要求。在VSAT卫星分组网中，由于所有分组数据都通过主站，因此分组交换机一般放置在那里。
当两个VSAT小站要建立通信时，需要分组交换机的支持。其中一个VSAT小站的用户终端(DTE)要建立虚呼叫时，它发送“呼叫请求”(Call Request)分组。分组通过空间链路到达主站，再被送到交换机。经交换处理后，“入呼叫”(Incoming Call)分组被送回主站，再次通过卫星链路到达被叫VSAT终端。如果被叫终端接受请求，就发送“呼叫接受”(Call Accepted)分组，呼叫接受分组的传输过程和上述过程相同。总之，VSAT小站→卫星→主站→分组交换机→VSAT主站→VSAT小站，这是两个VSAT用户终端通信时分组数据的流程。
2.无分组交换机的分组交换网
在很多应用场合中，远端的VSAT小站用户终端只与某个主机通信。例如，数据采集、中心数据库和集中编码等。不需要两个VSAT用户终端之间的通信，也就不用分组交换机。虽然分组交换机是分组交换网的重要组成部分，但对于覆盖面积非常广的卫星广域网来说，相距遥远的VSAT主站与小站之间可以通过卫星建立直接连接。卫星呈现为一种对所有地面站都透明的信道，无需路由选择和交换。
为了模拟分组交换机的接口模式，主站端口被定义为X.25 DCE并与X.25主机(Host)相接。
3.LAPB点对点的配置
LAPB(Link Access Procedure Balanced，平衡型链路访问规程)被广泛应用在X.25数据链路层中，它通过置异步平衡模式(SABM)命令要求建立链路。用LAPB建立链路只要求由两个站中的任意一个站发送SABM命令，另一个站发送UA响应即可建立双向的链路。
在VSAT的分组网中，主站和小站之间完成点对点的LAPB协议，即在卫星链路中只传送LAPB。
没有分组层，使得数据不具备交换和路由选择功能，但减少了处理时间，增加了吞吐量。
LAPB的点对点配置的分组网有以下特点：
不允许小站对小站的呼叫，只有小站对主站的通信。
只能完成点对点的通信。
比较适合交互式的业务。不适合文件传输，因为空间传输时延的影响，文件传输会中断。
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VSAT数字数据网
数字数据网，又称DDN网，提供端到端的透明数字连接。它方便快捷地将异地的终端设备连接起来，中间不做任何处理。
在VSAT网中，如果能实现BITT(BIT Transparent，透明位传送)协议，就可以完成透明传输用户数据的功能，即DDN网功能。
利用VSAT卫星网可以实现以下DDN网功能：
1)利用VSAT网建立VSAT远端用户到主站的双向透明连接如果有两个终端需要通信，一个在主站附近，另一个在远端，而且他们的通信要求透明，VSAT会利用TDM或TDMA双向卫星共享信道，建立VSAT小站与卫星、卫星与主站之间的双向联系。VSAT小站把进入端口的数据不做处理地直接打成适合卫星传输的包输入卫星信道，传到主站，主站按照相反的过程解包，恢复原始数据流。
由于卫星传输覆盖面广的特点，在完成上述过程时没有中间结点和用户线，最大限度地减少了故障点，增加了可靠性。
2)利用VSAT网建立VSAT远端用户之间双向透明连接 当两个远端用户终端要求通信时，分别在两个VSAT小站上建立小站与主站的双向透明信道，然后利用短接装置把两个端口短接。
3)点对多点的单向透明传输
主站用户终端向若干单向VSAT用户终端传播数据。
4)点对多点的双向透明传输
主站用户终端同时与若干双向VSAT用户终端通信。
VSAT在广域网的应用还有很多，这里只简单地介绍了两种(X.25与DDN)最简单、最广泛的应用。随着计算机和数据通信技术的发展，具备许多卫星通信优势的VSAT将会得到越来越广泛的应用。
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目前在VSAT网络中经常用到的多址接入方式按信息工作方式分主要有频分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)、时分多址TDMA(Time Division Multiple Access)、码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)、随机多址方式和预约可控多址方式等。多址接入方式的特性主要可从以下几个方面考虑,
(1)信道共用效率或吞吐量(throughput)，也即多址信道承载的有效业务量所占用的时间百分率；
(2)接入时延，即信息到达端站和开始在信道上传输之间的时间；
(3)稳定性，指是否能避免和解决由于业务量的增加所造成的阻塞；
(4)当信道出现误码或者设备故障时所表现的健韧性(robustness)；
(5)在建站开通以及增加新站或新业务时的运行特性；
(6)VSAT端站所需硬件和软件的实现成本和复杂性。
在进行系统设计时，应充分考虑所建网络的目的以及需要传输的业务性质，然后决定采用何种接入方式。根据目前VSAT技术的发展，用于VSAT传输的业务性质无非可概括为两大类：一类是以传输语音、大片数据和图像、会议电视等综合业务的高速率VSAT网络，这时固定分配FA和按需分配DA方式是很有效的接入方式，其典型的接入方式有FDMA(DAMA)和TDMA(DAMA)；另一类是以传输交互式、突发数据业务为主的VSAT网络，这是把信息分组交换应用于卫星通信上的业务需求，其信息传输的特点是数据随机、间断地接入卫星信道，传输速率的峰值和平均值差别很大，在这种突发数据业务里的VSAT系统中广泛采用随机ALOHA接入，典型接入方式有P－ALOHA、S－ALOHA和SREJ－ALOHA等应用。下面将具体探讨这些典型接入方式的工作特性。
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1 连续业务的多址接入
(1)固定分配和按需分配
固定分配FA(Fixed Assignment)是将转发器资源以固定形式分配给端站使用。这种方式所要求的系统技术和设备相对简单，但当某端站的瞬间业务量大于系统所分配的容量时，端站只能存储或拒绝业务请求，从而会造成时延增加或产生呼叫阻塞，而另外的端站即使有多余容量也不能使用，网络资源未能得到充分利用。
按需分配DA(Demand Assignment)是根据各个端站的传输量的需求来分配系统资源的。这些需求信息或者通过一个专用的信息信道上传输，或者在业务信道上分段送回到主站的网管中心，网管中心响应需求并临时分配一个信道给这个业务使用，当业务完成后，又收回此信道的使用以便分配给下一个需求者，可以看出按需分配方式可以较好地利用卫星资源，所以连续业务的多址接入大都采用了按需分配。
按需分配也存在其固有的缺陷，比如传送请求信号的信令信道会占据系统容量，当信令信道采用固定载波传输时，为了把信令信道的使用限制在系统总容量的合理范围内，便会限制网络中VSAT端站的数量。如果为了方便地在网络中增加新的端站而避开这种限制，可以采用随机接入信令信道的方案，但这又可能会使信令造成碰撞，从而增加了业务通信建立所需要的时延。
在按需分配系统中，在信息被传送前，必须先进行请求信令的传输和信道配置，所以该业务信息必须首先在站内等待，传播时间加上处理时间，总的时延可能高达1－2秒。如果送一条消息就必须建立一次连接，那么这种方案就很不适应突发业务短信息的传输。比如传送一条信息其长度为200字节，传输速率为64kb/s，则所需时间为25ms，而连接建立的时延约1.5s，则在传输该消息之前的报头时延是信息传输时间的60倍，效率非常低下。对于这种突发性短信息业务，就必须用到后面将讨论的随机多址方式。
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(2)FDMA/DAMA和TDMA/DAMA
FDMA是一种传统的多址方式，在VSAT系统中一般采用SCPC/FDMA，尤其在以话音业务为主的系统中更是大量采用单路单载波SCPC(Single Channel Per Carrier)方式，将其与DAMA技术相结合，可以很大程度地提高信道利用率。SCPC的另一个优点是各个端站发射功率大小仅与本站发射信道有关，而与整个系统的信道数无关，从而业务量较小的端站可以使用较小的功率，降低了小站成本，但多载波的存在又会引发交调和回退问题。
TDMA方式下，各端站并没有自己单独的频率和带宽，而是所有端站共享一个大的载波，将此载波按时间分配给各端站使用，也即每个端站在同一带宽以同一频率按时间的先后顺序发送自己的载波脉冲串。卫星链路的容量等于单位时间内发送的比特数，在TDMA方式中，如果某端站想获得与采用FDMA相同的射频链路容量，则该站必须发送较高的比特率。
所以RTDMA>RFDMA，而载波所需功率与其比特率成正比，再考虑到端站突发之间的保护时隙，对端站的功放而言，TDMA方式要比FDMA方式所需的功率大很多。
纯TDMA方式所要求的大功率阻碍了此技术的应用，为了降低TDMA方式所需的功率，可以加入DAMA以及跳频FH(Frequency Hopping)技术，DAMA技术使端站的分配时隙按业务量的大小改变，FH技术将一个大载波分成几个小载波，使所传业务在必要时变到另一个载波上工作，这种多载波TDMA/DAMA/FH方式避免了使用很大的TDMA载波，降低了小站发射功率和成本，但此时同样引入了卫星转发器和端站功放的多载波功率回退问题，所以必须在设计时找到一个最佳的折衷点。
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交互式数据业务和多址接入
交互式数据业务大多采用随机方式争用信道，称随机多址。网络内各端站根据需要可随时向信道发送信息，在信道中各用户的一部分信息脉冲可能会互相碰撞，根据碰撞解决算法CRA(Collision Resolution Algorithm)，有的信息脉冲可顺利地到达接收方，有的信息脉冲会被碰撞丢失，丢失的信息必须再次发送，直到收到对端的确认信息为止。
具体的随机多址协议有P－ALOHA、S－ALOHA和SREJ－ALOHA等多种方式。
ALOHA网的历史回顾
在60年代末期，随着数据业务的迅速增长，现有的电话网络已不能满足计算机联网的需要。其基本原因在于，传统的电话网是多年前为连续话音通信设计的。交互式时分共享的计算机系统中所传输的数据和电话网中所传输话音信号的主要区别是：(1)用户终端与计算机之间的数据传输具有突发性，两次突发之间有相当长的时间没有数据传送；(2)计算机网络中的数据通信具有非对称性，从中央计算机传送到用户终端的平均数据量远大于从终端发往中央计算机的平均数据量；(3)计算机数据通信所要求的可靠性远高于话音通信。为了研究用于无线通信来取代传统的电话网络，以实现计算机通信的可行性，并决定在何种场合采用无线通信而不是传统的有线通信更为适宜，夏威夷大学于1968年9月开始研制ALOHA系统——一种实验性的计算机网络。该系统于1971年6月建成，随后又通过租用的卫星话音信道与ARPANET相连接。在此基础上，又于1973年建成了世界上第一个通过卫星(ATS－1)实现数据包广播的网络。
ALOHA网的重要意义并不在于这是第一个用无线信道实现计算机通信的网络，而在于它首次在无线信道中引入了数据包(又称分组)广播这一结构，这种结构与传统的点对点信道及分组交换网有很大不同，故称之为ALOHA信道。通过这一公共的广播信道，网中的每个用户随时都可以给另一用户发送信息，完全不需要同步。ALOHA信道的主要优点是：(1)允许大量间歇性工作的发射机共享同一信道，不需要路由选择与交换，建网简单。(2)利用ALOHA信道进行数据通信时，中心台或服务器只需要一个高速接口，而不必为网中的每个用户提供一个单独的接口。
(1)纯ALOHA(P－ALOHA)
纯ALOHA又叫异步ALOHA，其信道不设置时隙，也没有网络同步信号，各个端站可以随时向信道发送信息，当发生碰撞时，解决的办法是随机的延迟后重发受碰撞的分组数据。
ALOHA协议的传输效率用归一化的吞吐量S来度量，以每分组长度成功发送的分组数来表示。假定分组长度为L比特，分组的持续时间为τ，发送的比特率RC=L/τ，则平均传输比特率
上式中〈〉表示取其平均值。S取决于提供的平均业务量G(用每分组长度的分组数表示)和网络中VAST的端站数，其中G由新产生的分组和需重新发送的分组组成。
不妨设N趋于无穷大，则
S=Ge－2G(3)
当G=0.5时，S达到最大值0.184，可见P－ALOHA方式的信道利用率是很低的。
(2)时隙ALOHA(S－ALOHA)
S－ALOHA在P－ALOHA方式上进行了改进，即将载波在时域上分成许多固定的时隙，各端站的数据分组以固定的长度在时隙内传送，具有严格的起始和结束时间，两个分组只有在完全相同的时隙内发送才会发生碰撞，所以分组受碰撞的概率被很大程度地降低，系统吞吐量得到提高。对应于式(3)，其吞吐量S的表达式为
S=Ge－G(4)
当G=1时，S达到最大值S=e1=0.368。
可见S－ALOHA的最大吞吐量比P－ALOHA大一倍，但是由于S－ALOHA需要划分时隙并配置同步系统，因而增加了设备和网络运行的复杂性，结果部分抵消了最大吞吐量改善所带来的好处。
(3)预约ALOHA(Reservation ALOHA)
为了更有效地利用卫星信道，可采用预约ALOHA。该协议把信道时间分成帧，每帧再分成M＋1个时隙，前M个时隙用来发送信息包，第M＋1时隙再进一步细分成V个子时隙，供网中的发射机按分隙ALOHA方式发送预约信号，一旦预约成功，该发射机便可利用前M＋1个时隙中的某个空闲时隙发送信息。由于在前M＋1个时隙内不会发生“碰撞”，预约ALOHA的信道效率可高达0.88，但其代价是进一步增加了延时及系统的复杂性
(4)选择拒绝ALOHA(SREJ－ALOHA)
在P－ALOHA方式的信息碰撞中可以发现，多数碰撞都是局部的，所以可以将该信息分组中未被碰撞的部分接收下来恢复，而只将实际碰撞的分组部分重发，从而研发出了SREJ－ALOHA方式。
在SREJ－ALOHA方式中，消息由可以独立检测固定长度的分组组成，每个分组有自己的报头(Header)和捕获前置码(Acquisition Preamble)。SREJ－ALOHA的最大吞吐量可达0.368(不计额外开销)。实际上，由于报头和捕获前置码的存在，最大吞吐量可在0.2－0.3范围内，约为P－ALOHA的两倍。
SREL－ALOHA既具有一般ALOHA方式共有的不需要定时同步和适用于分组长度可变的重要特点，保持了P－ALOHA的健韧性和低的实现复杂度，又克服了由于碰撞导致信道利用率低的缺点，相应改善了延时分布和工作稳定性。
第七章幻灯片2
第一代移动卫星服务（MSS）采用同步轨道全球波束，移动终端为大型终端，如INMARSAT系统。第二代MSS主要用于覆盖低业务密度地区，或在地面系统拥塞时提供支持。
LEO轨道高度500~1500Km，MEO轨道高度10000 Km左右。
LEO系统又分为大LEO和小LEO系统，大LEO系统一般提供实时话音、数据、寻呼、传真、RDSS；小LEO系统一般提供低速率数据、1GHz以下RDSS。
幻灯片3
在各种网络技术都在向提供高质量IP业务的方向发展的时候，在覆盖范围和传输距离方面具有无可比拟优势的全球宽带卫星通信系统的出现也就顺理成章了，目前出现的全球宽带卫星系统多达85个，但很明显未来的市场不可能容纳那么多的卫星系统，按照目前的发展情况看，步子迈得较快的有Teledesic、Skybridge、Spaceway、CyberStar等系统。这些系统均从未来宽带业务需求出发，将GEO（静止轨道卫星）系统的多点广播功能和LEO（低轨道卫星）系统的灵活性和实时性结合起来，工作于Ka波段或Ku波段，可为固定用户提供高速的交互式业务和广播业务，除Internet高速接入外，还可提供会议电视、可视电话、远程应用等多种交互式业务。也就是说，利用全球宽带卫星系统可建设宽带的“空中Internet”，这是一种具有类似于光纤通信业务能力的网络，同时，作为一种宽带接入系统，在没有宽带地面基础设施，或者是采用地面基础设施很不经济的地区可用于宽带无线本地环路。
幻灯片4
Skybridge是由Alcatel Espace发起的，参与者有Aerospatiale、CNES、Loral、东芝等。其接入网络基于ATM（异步转移模式），终端用户与系统之间是非对称链路，到用户的最大数据速率达2Mbps，通过关口站返回链路的最大速率为2Mbps。Teledesic的主要投资者为开创蜂窝通信的Craig McCaw、微软公司总裁比尔盖茨、摩托罗拉公司、波音飞机公司和沙特阿拉伯王子Alwaleed，该系统可支持数百万用户同时接入，在半径100km的范围内，能支持至少500Mbps用户终端的收发数据。Spaceway是由休斯公司推出的，工作于Ka频段，其终端为超小型的VSAT，天线直径可小到66cm，上行链路速度可达6Mbps，用户可根据自己的需求选择数据速率，收费以用户实际占用的资源为计算依据。Cyberstar由Loral公司拥有，其卫星接入部分主要包括一个小的卫星接收天线，Cyberstar软件和一个能装在服务器或PC上的卫星接收适配卡。
幻灯片6
ORBCOMM系统中的射频通信工作在137～150（MHz）的甚高频（VHF）。ORBCOMM卫星拥有一个可以提供4800bps的连续分组数据流的用户数据发送器，以及多个2400bps的突发短分组流的用户数据接收机。如果整个星座部署完毕，该系统可以提供近乎实时的全球无线数据通信服务。
幻灯片7
在ORBCOMM系统中，所有通信都必须经过ORBCOMM网关。一个ORBCOMM网关包括一个网关控制中心（GCC）和一个网关地面站（GES）。GCC用于管理和处理报文流量和计算机软硬件。GES提供卫星星座和GCC间的链路。
如下图所示为一个ORBCOMM系统的组成示意图，通过该图我们来说明一个典型的应用例子。
首先，一个ORBCOMM系统用户A产生一个报文，希望传递到另一个用户B的计算机中。用户A使用其计算机中的电子邮件程序将该报文下载到用户通信器中。
第二步，用户通信器SC将该报文发送给卫星，卫星将接收到的报文重新编制格式并发往网关地面站GES。
第三步，GES通过专用信道将报文发送给GCC,GCC通过公共交换网将报文传送给接收用户B的ISP。
第四步，用户B通过拨号与其ISP相连，下载该报文。
最后一步，一个应答报文将沿如下的可反向路径传送：PC通过公共交换网连接英特网，通过英特网到GCC，GCC到GES，GES到卫星，最后从卫星到用户通信器，用户通信器到用户终端显示。即使是“直接”的用户间连接也要通过ORBCOMM网关。
幻灯片8
用户通信器和卫星星座间的通信信道有两种：随机访问信道和预留/消息信道。网络控制中心（NCC）负责分配卫星的用户数据接收器使用这两种信道。随机访问信道允许在网关报文交换系统（GSS）和SC之间传送短报文和控制分组，或者ORBCOMM系统为更长报文分组分配消息信道。在SC允许传送前，需要一个下行信道用于在卫星和SC之间的会晤建立过程。这个下行信道的分配依赖于当前卫星与哪个ORBCOMM网关相连，当前卫星正在使用的上行随机访问信道的频率和其它相关的系统信息。系统信息每隔几秒便更新一次。最基本的多址访问协议是标准Aloha协议的变体。下面具体描述一下协议流程会晤建立一旦SC上电，其射频接收器便会自动根据其存储的卫星下行信道列表来搜索卫星信号。如果没有找到任何卫星信号或是搜索到的卫星信号功率不足以锁定，那么SC便会在137～138Mhz的卫星到用户的频段上寻找所有可能的信道。如果仍然没有找到，那么SC将进入休眠状态（Sleep），经过预定好的休眠期后，再激活进行搜索。
如果SC找到一个卫星信号，那么便可以根据该信号包含的控制信息进行会晤建立。控制信息包括定时信息，相连接的ORBCOMM网关和当前的随机访问上行信道。（可用信道列表根据DCAAS过程经常发生变化）卫星大约每8秒重传一次信息。
SC发出的报文传输如果用户产生了一个报文信息在SC的信息队列中，SC便启动一个数据建立和传送过程，称为获取/通信过程（Acquire/Communicate）
A/C过程分为两步：
第一步，SC向卫星发送“发送请求”，在没有干扰或是在同一接收信道中没有时间重复突发信号时，卫星正确接收信号，并返回控制信息给SC。SC在定时结束前正确接收该控制信息，否则，重新发送请求信号。
第二步，在SC接收到控制信息后，SC以突发形式向卫星发送数据报告（Data Report）（最多6个字节），发送大数据量的请求或是控制信息。
信息报文传输如果在来自SC的突发短报文中有发送大数据量报文（信息报文）的请求，那么负责的ORBCOMM网关的GMSS将回应一个分配分组，含有传送该信息报文所需的分组数量及长度。卫星将选择一个预留时隙和一个上行链路频率信道将该应答分组传送给SC以完成此次分配。SC根据应答信息以突发方式向卫星用户数据接收器发出大量数据报文。在每一次突发发送后，SC等待接收从GMSS发来的确认。如果SC接受到的确认中含有分配发送分组的信息，它就按照指定的时间和上行信道发送一次突发分组。这个过程重复至报文传输完成。
此协议的好处在于其容错性能好。在分组未被正确接收或者卫星移走时该系统能自动恢复。
事实上，同一信息报文的不同分组可以经过不同的路径（一些分组通过一个ORBCOMM卫星，而一些分组则通过另一个ORBCOMM卫星），利于变化的拓扑。GMSS将报文集中并完整的发送。下图是这样一个数据传输会晤的流程图。
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SC中止的报文传输如果ORBCOMM网关有报文发给SC，那么它先发送分配分组给指定的卫星，该卫星再将此分配分组发给SC。SC发送一个“准备好接收”的分组作为此分配分组的应答。ORBCOMM网关收到该分组后便向SC发送报文，直至SC对最后一个分组确认后结束。下图是该过程的流程图。
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ORBCOMM服务特色
ORBCOMM系统提供四种基本服务类型（报文格式），包括：数据报告，信息报文，指令和全球数据报。
数据报告（Data Report）：用户发短消息是所使用的报文格式，消息长度少于6个字节采用随机接入协议。数据报告可按需产生或者定时产生。它还能够发送正确传输的确认信息给ORBCOMM网关，或是要求用户重传，以此来节约空间段的资源。
信息报文（Message）：SC接受或发送的较长的数据报文，典型长度小于100个字节。采用短的分组以及卫星保留信道传送所有分组的确认或重发以确保信息报文的可靠传送。信息报文通过公共或私人数据网进行接收或者发送。当SC应用户或是网络的请求发出信息报文时，报文都是以预留方式进行分组的。
指令（Commands）：发往SC的短数据，一般长度小于5个字节。指令可用来作为与SC相连的设备的启动信号。确认信息不是必需的。
全球数据报（GlobalGrams）：当卫星没有与ORBCOMM网关相连，此时该卫星与SC之间的通信便采用全球数据报格式。对于SC中止全球数据报，卫星将存储的数据分组发送给提出请求的目的SC，而如果SC将全球数据报发送到卫星上，卫星首先对该报文进行存储，当卫星运行打SC所要求连接的GCC服务区域，并与GCC建立连接后，将该报文转发给适当的GCC。这种卫星存储转发方式适用于海洋及偏远地区。
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系统由VITA（技术支援志愿者组织）维护。
通信系统包括两颗卫星、用户终端、地面站网关和一个数据中心。系统提供E-mail服务和数据服务。数据服务从全球采集数据，例如环境监测。最先出现的用于减灾和发展的LEO卫星受到VITA的支持，1992年获得美国联邦通信协会FCC颁发的永久性非实验“技术先驱”证书。由于和Surrey大学、Surrey卫星技术有限公司（英国Guildford）一起协作，VITA展示了使用LEO卫星（1984年发射的UoSat-2和1990发射的UoSat-3）对发展中国家来说是可行的选择。地面站使用改进的业余无线电硬件，采用了专门开发的通信软件（基于X.25协议）,并用了额外的软件来处理跟踪天线系统。两颗卫星都发射在离地大约800Km的准极轨道上,它们一天4次经过赤道、14次经过极地地区。过顶时间随仰角不同在5到15min之间变化，这可由跟踪软件预测，软件每月通过NASA更新升级。基于UoSat-3和改进的数据流协议，良好的连接允许传输几十万字节的信息，虽然地面站标称速率只有9600bps。
VITA建立或帮助建立了25个这样的地面站，大多数在非洲，使用UoSat-3，对PACSAT实验通信卫星的有效载荷提供设计和资助。VITA同时通过在印度尼西亚群岛上几个乡村的工程项目证明LEO也可以在无人状态下可靠地传输遥测数据。SatelLife公司（波士顿）在LEO的健康和医疗信息的传输的实践上也作出了显著的贡献。
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Teledesic系统将通过288个LEO卫星组成的星座系统提供全球性的光纤质量通信连接。Teledesic系统是迄今为止最雄心勃勃的低地轨道通信星座系统，其卫星数量之多(最初计划为840颗卫星)，建造成本之高(最初估计为90亿美元)，创低地轨道(LEO)星座系统之最。该系统还将作为网络运营商，支持从高品质的话音、宽频视频会议、交互式多媒体和实时双向数据。Teledesic是由微软主席Bill Gates和McCaw 蜂房通信公司创始人Craig McCaw支持。该系统将使用Ka频带从用户收发信号。每颗卫星作为大规模分组交换网络的节点。估计该系统将于2002年开始服务，其总耗资大约90亿美金。
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Ellipso是一项由移动通信股份有限公司发起的耗资910百万美元的工程。它计划将17个卫星安置在取得专利权的MEO轨道上，使用宽带CDMA来提供声音、数据、传真、寻呼、信息和GPS等服务项目。Ellipso将使用GSM网络系统模型做为它的网络系统基础，支持SS7。预计在2000年将投入使用。Ellipso仍在发展之中而且它的价格也可能改变，预定的价格和今天的蜂房电话类似，远远低于那些预期的竞争者的价格。
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空间段：
星座配置了两个互相补充的轨道：BOREALIS和CONCORDIA。卫星分阶段实施：首次4个卫星，接着在Concordia轨道增加3颗卫星。赤道轨道，覆盖了南纬50度到北纬50度之间大约世界人口的3/4。接着为北纬50度以上地区增设两个椭圆轨道平面BOREALIS，每平面五个卫星，以此来增加容量，完善覆盖。
BOREALIS轨道提供在北纬适当范围的覆盖，在两个椭圆轨道的平面上安置10颗卫星。轨道倾角116.6°，远地点7605Km，近地点633Km，轨道周期3小时。远地点靠轨道的最北极。
CONCORDIA轨道覆盖从南纬50度到北纬50度范围，重点是BROEALIS卫星未考虑的热带地区和南半球。首次发射7颗卫星在赤道圆轨道上，该轨道高度8050Km，接着补充4颗卫星，最后发射剩下的3颗。
ELLIPSO使用低成本卫星，把网络智能系统安置在地面，便于升级。卫星把ELLIPSO用户（终端单元）和ELLIPSO地面控制站（网关）连接起来，连接到电信网或其他的网络系统。大量处理功能在地面站内完成，这就减少了卫星的尺寸、重量和成本（星上处理比相当的地面处理要昂贵），而且允许更大灵活性。ELLIPSO卫星在波音GPS卫星基础采用三轴稳定设计。
ELLIPSO卫星准备一次性发射5颗，这依赖于所使用的火箭。完整的七颗CONCORDIA卫星可以在赤道区域和南部提供连续的覆盖。在两个倾斜平面内10颗BOREALIS卫星能加强容纳能力，启动全球服务。在需要时每个轨道可补充卫星。由于ELLIPSO的独一无二的轨道设计，BOREALIS和CONCORDIA能够在服务领域内独立地提供24小时服务。
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ELLIPSO地面段可以支持大多数的因特网、语音和数据服务。使用相对少的地面站来提供全球连接，为了提高网络系统的效率，地面站安置靠近区域光纤中心。
地面控制站（GCS）作为卫星用户和地面网络系统之间的连接点，它处理与卫星实际联系的追踪、切换、调制和复用。每个GCS通常追踪和使用两颗卫星，同时监测第三颗卫星。GCS管理终端的位置、应用和收费。起初12个网关将逐渐建设，以获得全球覆盖，在需要的基础可进一步网关。
ELLIPSO将构建一个IP骨干网络连接网关和合作网络、网络控制中心。帮助ELLIPSO无缝连接合作网络，无论无线或有线方式，无论何种协议。
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ELLIPSO的用户终端在形式和功能上和移动电话、PDA类似。他们在外观感觉和费用上和人们今天使用的手机、汽车电话相似。ELLIPSO移动终端采用双模式，用户在多数时刻进入本地网络系统，当他们不在网络覆盖区或网络阻塞时，进入ELLIPSO模式。ELLIPS用户一般都有可以使用上述服务功能的手机，部分设备提供信息、因特网、其他功能。他们甚至能被用作便携机等通讯设备的调制解调器。
ELLIPSO将为基本交通工具提供汽车电话，包括轮船、卡车、飞机和商务、个人交通工具。汽车电话有增强的功能，例如无线连接的天线装置。
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系统交换模式包括：
电路交换：GSM标准
分组交换、互联网协议模式频率：用户→卫星 2GHz频段；卫星→地面站 5/7GHz
ICO系统包括空间段和地面段（ICONET）。
空间段：
2个圆轨道，正交，倾角45°，高度10,390km中轨，全球连续覆盖。轨道周期大约6小时。
10颗卫星，2颗备用。备用卫星地面保存，必要时补充发射。每颗卫星两个S波段收发天线，127个辐射单元，最多163波束。
弯管式转发。
地面段：
ICONET为IP宽带网络，连接卫星与地面网络。卫星接入点（SAN）分布在世界各地，光纤连接。
6个SAN作为测量、跟踪、控制站，从英国总部卫星控制中心对卫星实施连续监控。
其余地面站提供卫星业务路由接口，连接到公共网络；管理网络路由。地面站包括5个部分：
5个通信天线；
电路交换、分组交换设备；
登记中心，支持移动、呼叫、接入管理；
增值业务平台，支持话音、传真、数据消息；
GPRS设备。
空中接口：
通信协议与地面蜂房网类似。同时希望发展支持下一代无线应用，数据速率提高到144Kbps。
互操作功能：
电路交换模式：计划采用GSM标准作为数字通信协议平台，同时希望使用其它标准支持用户漫游出移动网。
分组交换和互联网协议模式：希望支持GPRS。
第八章
2002年3月
1 卫星轨道和星座设计图片1：星座方案是卫星移动通信系统设计的重要课题，它直接关系到系统网络组成，链路传播特性，投资和服务方式与范围等几个重要方面。
图片2：（介绍学科内容）
图片3：
图片4,卫星测控系统首先要了解和测量卫星轨道．卫星绕地球运行一般是无动力飞行，其轨道近似为椭圆．由于地球不是理想的均匀圆球，此外卫星在运动中还要受到其它天体的引力(如月球和太阳)、太阳辐射压力的影响，近地卫星的运行则还要受到地球大气阻力，因此实际卫星的运动是很复杂的，轨道也不是一个椭圆．通常称轨道对椭圆的偏离现象为“摄动”，上述的这些力称为“摄动力”．人们应用卫星或飞船进行各项航天活动，必须先行设计特定的轨道，在其受到摄动力作用而改变时，则需对其进行控制并予以保持．另一方面，如在任务中需要故变飞行轨道(变轨)，亦须充分了解变轨前的轨道参数和新的目标轨道参数，才能对其进行正确的控制．我们将讨论各种轨道的基本参数、摄动因素、简单的轨道计算方法以及卫星寿命的估算方法等。
图片5：
图片9：在天体动力学中使用了许多的坐标系，但在研究卫星轨道时只用到其中的一部分，并且这些坐标系之间是可以相互转换的。
日心（Heliocentric）圆坐标系用来描述绕着太阳运动的行星的轨道，如图所示。坐标系的原点是太阳的中心，其XY基准平面与地球绕着太阳旋转的椭圆轨道面重合。X轴定义为连接原点和椭圆面与地球赤道面的横断面的连线，其正方向指向春分点方向，所谓春分点方向是指在春季第一天连接地球和太阳中心的直线的方向。Y轴的正方向指向X轴正方向的东方S轴的正方向指向原点的北方。
图片10：
图片11：
太阳日日常生活中使用的时间都是以太阳作为基准来测量的，一个太阳日是指太阳连续经过当地子午线的时间间隔，即通常所说的一天。如果地球只是自转，而不绕着太阳转的话，一个太阳日就应该与地球自转一圈的时间相同。实际上，地球除了自转外，还要绕着太阳旋转（一年转一圈），因此，在一个太阳日中地球自转就超过了360O，平均说来在一个太阳日中地球要多自转0．986o，如图所示。此计算方法对日常生活是足够精确了，但在卫星轨道计算中却会出问题，为此引人了恒星日的概念。
图片12：
一个恒星日定义为地球绕其轴自转360”需的时间，因此，一个恒星日要比一个太阳日短，一个太阳日为24小时，而一个恒星日约为 23小时 56分 4．09秒。对于 GSO卫星来说，为了与地面上的一点保持相对静止，其轨道周期就必须是一个恒星日。
图片13：
民用时间和世界时
民用时间（Civil Time）是指人们日常生活中使用的时间，它是在当地平均太阳时的基础上增加 12小时得到的，因此是一种当地时间。为了在全世界范围内确定一个时间基准，选择英国格林尼治的民用时间作为世界时（Universal Time，简记为 UT），因此，世界时有时也叫格林尼治标准时间（Greenwich Mean Time，简记为 GMT）。
与世界时对应的是当地时间，比如北京时间，它是在世界时的基础上再加上8小时，即北京时间8点对应的世界时是0点。
世界时与平均恒星时之间的关系比较复杂，根据所选择的时间基准不同，世界时与平均恒星时之间换算的关系式有不同的形式。如果以世界时1899年12月31日12时作为时间基准，则平均恒星时（ST）与世界时（UT）之间的换算关系如下：
ST＝UT＋6h38min 45.836s＋8640184.542s× JC＋0.0929s×JC2
式中JC是所需计算的世界时与1899年12月31日12时之间的儒略世纪数。如对于世界时1990年1月1日0时，它与1899年12月31日12时之间的儒略世纪数JC为0．9（计算过程见下页），则对应的格林尼治恒星时ST0为：
ST0＝0＋6h38min45.836s＋8640184.542s×0.9＋0.0929s×0.92
＝7800092.007S＝2166.692224h
对此作模24小时运算，得到ST0＝6.692224（小时）。
需指出的是，实际使用中，格林尼治恒星时ST常被折算为度，24h对应360o，如前面计算得到的6.6922h就对应于100.383o。
图片14：
儒略日期（Julian Date，简记为 JD）或者叫儒略历（Julian calendar）是天文计算中经常使用的一个时间标准，它是以公元前4713年1月1日12点作为开始计算的基准，世界时与儒略日期（JD）之间的换算关系如下：
图片16：黄道 指太阳在星座中穿行的视轨迹的大圆;也可以说是地球围绕太阳 运行的轨道在天球上的投影。黄道星座沿黄道排列,黄道与天赤道有23.5°的交角;黄道与天赤道的两个交点是春分点和秋分点。
图片20：该公式中，r是地心到轨道上某一点的距离；P为椭圆轨道半焦弦（P=a(1-e2)，a为轨道半长轴）。F为在极坐标系中从近地点开始计算的角度。
图片21：μ在上页已经讲过是地球引力常数。
图片23：近地点perigee,远地点apogee
图片25：下面将分别介绍同步轨道卫星通信系统（GEO）、中轨卫星通信系统（MEO）、低轨卫星通信系统（LEO）各自的优劣点。
传统的同步轨道卫星通信系统的技术最为成熟，已经有各种关于同步卫星通信系统的分析文献。自从同步卫星被用于通信业务以来，用同步卫星来建立全球卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。但是，同步卫星有一个不可克服的障碍，就是较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响到它在某些通信领域的应用，特别是在卫星移动通信方面的应用。首先，同步卫星轨道高，链路损耗大，对用户终端的有效全向辐射功率（EIRP）和接收机品质因数（G/T值）的要求高。这种系统星座难于支持手持机直接通过卫星进行通信，或者需要采用12m以上的星载天线（L波段）；为了使手持式移动用户终端能够方便地通过卫星进行通信，对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求，不利于以小卫星技术在移动通信中的使用。其次，由于链路距离长，传播延时大，单跳的传播时延就达到250~270毫秒，加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将达到350毫秒左右，当移动用户通过卫星进行双跳通信时，时延将达到700毫秒，这是用户所难以忍受的。为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换功能，但这必将增加卫星的复杂度，不但增加系统成本，也有一定的技术风险。
轨道高度较低的中、低轨系统，由于链路损耗小，降低了对用户终端EIRP和G/T值的要求，可支持手持机直接通过卫星进行通信。同时，短的传播延时允许移动台到移动台的两跳通信而不必采用星上交换处理。中轨和低轨系统在时延和链路损耗等方面具有静止轨道系统无法比拟的优势，有利于低成本、小功率的便携式用户终端和小卫星的利用。此外，中、低轨卫星系统的星座不能象静止星座那样与用户保持相对固定的空间关系，系统采用星群互补工作的方式才能为用户提供连续的服务。这样可使系统能够带病工作，即在中低轨星座中有一颗或几颗卫星出现故障也不会给系统带来十分显著的影响，加之中、低轨小型卫星发射容易，卫星只需地面备份，在出现故障时进行补充，提高了系统的抗毁性。
低轨系统由于星座轨道低（2000公里以下），信号传播时延短，所以可支持多跳通信；链路损耗小可降低对卫星和用户终端的要求，可采用微型/小型卫星和手持机。但是低轨系统也为这些优势付出了较大的代价：由于轨道低，每颗卫星所能覆盖的范围比较小，要构成全球系统需要数十颗卫星，如IRIDIUM有66颗卫星。GLOBALSTAR有48颗卫星、Teledisc有288颗卫星。Inmarsat和0dyssey的研究表明，轨道越低系统投资越大。同时，由于低轨卫星的运动速度快，卫星从地平线升起到再次落到地平线以下的时间较短，所以卫星间或波束间切换频繁。因此，低轨系统构成方案和控制复杂，技术风险大。
中轨系统可以说是同步系统和低轨系统的折衷，中轨系统兼有这两种方案的优点，同时又在一定程度上克服了这两种方案的不足之处。中轨星座的高度选为10000Km左右，距离地面约为同步轨道的四分之一,链路损耗和传播时延都比较小，中轨卫星仍可采用简单的小型卫星。如果中轨和低轨系统均采用星际链路，研究表明当用户进行远距离通信时，中轨系统信息通过卫星星际链路子网的时延将比低轨系统低。由于其轨道比低轨高许多，每颗卫星所能覆盖的范围比低轨系统大得多，每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5%(10000Km)，因而只要几颗卫星就可以覆盖全球，若有十几颗卫星就可以提供对全球大部分地区的双重覆盖，可以利用分集接收来提高系统的可靠性，同时系统投资比低轨系统少。因此，从一定意义上说，中轨系统可能是建立全球或区域性卫星移动通信系统较为优越的方案。当然，如果需要为地面终端提供宽带业务，中轨系统有一定困难的，而利用低轨星座为高速的多媒体卫星通信系统服务要优于中轨系统。
2 第一章图片13：在人类已经发射的卫星中，通信卫星只占其中的一部分。目前围绕地球飞行的卫星中，大多数是有带有各种传感器的观察卫星，如气象卫星、电子侦察卫星、成像侦察卫星、海洋监视卫星、预警卫星、核爆炸探测卫星、资源卫星、天文观测卫星；其他的是通信卫星或是广播通信卫星，如亚太卫星、中星5号等。如果从1965年美国发射第一颗商用同步卫星INTELSAT-1（晨鸟）算起，卫星通信已经走过了整整35年的历程。目前在轨道上运行的通信卫星有数百颗。在80年代和90年代初承担了国际通信业务量的70%。利用卫星进行通信的科学设想最早是在1945年10月由英国空军雷达专家阿瑟C.克拉克提出的。他在《无线电世界》杂志上发表的一篇提为《地球外的中继站》的文章中，提出了在静态轨道（即倾角为0的同步轨道）上放置三颗卫星来实现全球通信的设想，形成了著名的“卫星覆盖通信说”。（早期人们的设想也许很容易变成现实，比如最早的自动电话交换机是在1892由美国堪萨斯城的一个殡仪馆老板史端乔发明的。）但是这一设想直至1957年10月4日苏联发射世界上第一颗人造地球卫星SPUTNIK，才使人们看到实现通信卫星的希望。1962年7月美国成功地发射了第一颗通信卫星Telestar，实验了横跨大西洋的电视和电话传输。但是，Telestar并非在静止轨道上。第一颗静止轨道卫星则是1963年2月美国发射的SYNCOM实验卫星，它成功地转播了1964年东京奥运会的实况，使全世界看到了卫星通信的优越性和实用价值。80年代和90年代上半期是卫星通信的“全盛期”，通信卫星为我们接通越洋电话、传送电视节目和提供数据通信。1990年的海湾战争，美军利用2颗国防通信卫星和租用商业卫星线路迅速组建通信网，这些通信卫星承担了几乎所有的通信负荷。90年代初提出的各种通信卫星系统多至几十个，其中最著名的就是“铱”移动卫星通信系统和“全球星”系统。这两个系统可以提供覆盖全球的移动电话业务。在波黑执行任务的美军飞行员每人都配备了一部“铱”受机。这些卫星通信系统除了广播业务以外，基本上都只能提供话音业务。所以从97年以后，廉价的地面通信系统的发展如光纤通信系统、蜂窝移动通信系统的蓬勃发展，一下子大大压缩了卫星通信的市场，国内国际的骨干网通信负荷的80%以上改由光纤网络承担。获得技术上巨大成功的“铱”移动卫星通信系统也惨遭倒闭，数十颗卫星将燃烧在大气中。但是新的曙光出现了：军事通信的巨大需求和民用宽带卫星市场的急剧扩大。
第三章图片1：
卫星通信是在空间技术和地面微波中继通信技术的基础上发展起来的，靠大气层外卫星的中继实现远程通信。其载荷信息的无线电波要穿越大气层，经过很长的距离在地面站和卫星之间传播，因此它受到多种因素的影响。传播问题会影响到信号质量和系统性能，这也是造成系统运转中断的一个原因，因此电波传播特性是卫星通信及其它无线通信系统进行系统设计和线路设计时必须考虑的基本特性。
图片2：
卫星通信的电波要经过对流层(含云层和雨层)、平流层、电离层和外层空间，跨越距离大，因此影响电波传播的因素很多。下表列出了有关的传播问题。
链路预算在不同的卫星业务方面有不同的计算方法。卫星移动通信系统中，由于移动用户的特点，使接收电波不可避免地受到山、植被、建筑物的遮挡反射、折射引起的多径衰落，这是不同于固定业务卫星通信的地方。海面上的船舶、海面上空的飞机还会受到海面反射等引起的多径衰落影响。固定站通信时，虽然存在多径传播，但信号不会快衰落，只有由温度、湿度等引起的信号包络相对时间的缓慢变化，当然条件是不能有其它移动物体造成电波的反射等情况发生。
图片3：
图片4：
图片5,
图片6,电波在往返大气层时，要受到大气气体、云、雾、雪、降雨等的衰减损耗。这些损耗附加在自由空间传播损耗上，随天气的变化比较明显。
图片7 雨衰
降雨衰减是电波在雨中传播时由于雨滴吸收和散射而产生的衰减，在1~50GHz的频带内，降雨衰减量与降雨强度成正比。当电波的波长远大于雨滴的直径时，衰减主要由雨滴吸收引起，当电波的波长变小或雨滴的直径增大时，散射衰减的作用就增大，如图可以查到相应雨衰系数。
仰角为θ的传播路径上的降雨衰减量为：
LR=γR·lR(θ)
γR是降雨衰减系数，定义为由雨滴引起的单位长度上的衰减，单位dB／km，见左下图；lR(θ)是降雨地区的等效路径长度，定义为当仰角为θ时传播路径上产生的总降雨衰减(dB)与对应于地球站所在地降雨强度的降雨衰减系数比(dB／km)，单位为km，右下图给出了以降雨强度为参变量的不同仰角时的降雨地区的等效路径长度。
中国电波传播研究所于1987年底在全国选取了65个点进行降雨率的统计研究，编制了“中国降雨率统计”。l 993年《电波科学学报》有文献研究了我国各地及邻近地区的雨衰测量数据。提出了由地面雨衰减测量数据换算斜路径雨衰减的方法、同时给出了0．01％时间的雨强的中国等值线图，提出了由10min积分雨强(常规气象数据)换算1m5n积分雨强(无线电气象数据)、由雨强的年度统计换算最坏月统计的转换方法。
图片8 大气折射的影响
大气折射率随着高度增加，并随大气密度减小而减小，电波射线因传播路径上的折射率随高度变化而产生弯曲，波束上翘一个角度增量。而且这一偏移角还因传播途中大气折射率的变化而随时变化。
大气折射率的变动对穿越大气的电波起到一个凹透镜的作用，使电波产生微小的散焦衰减，衰减量与频率无关。在仰角大于5度时，散焦衰减小于0．2dB。此外，因大气湍流引起的大气指数的变化，使电波向各个方向上散射，导致波前到达大口面天线时振幅和相位不均匀分布，引起散射衰落，这类损耗较小。
实际上大气折射还产生了大气闪烁现象。
大气折射率的不规则变化，引起信号电波强度的变化，叫大气闪烁。这种闪烁的衰落周期为数十秒。2—10GHz的大气闪烁是由于大气折射率的不规则性使电波聚焦与散焦，与频率无关。30米天线，5度仰角，信号强度的起伏幅度o．6dB。系统低仰角工作时应考虑大气折射和大气闪烁引起的信号强度的起伏。
图片9 电离层闪烁和多径
电离层中不均匀体的发生和发展，造成了穿越其中的电波的散射，使得电磁能量在时空中重新分市，造成电波信号的幅度、相位、到达角、极化状态等发生短期不规则变化。
观测数据表明，电离层闪烁发生的频率和强度与时间、地区太阳活动有关，衰落强度还与工作频率有关。当频率高于1GHz时影响一般大大减轻，卫星移动通信系统的工作频率一般较低，电离层闪烁效应必须考虑，但即使是工作在C波段的系统，在地磁低纬度地区也会发现电离层闪烁的影响。赤道区或低纬度区指地磁赤道及其南北20o以内区域，20o~50o为中纬度区，地磁50o以上为高纬度区。在特定的条件下，更高的频段也能记录到电离层闪烁。例如，日本冲绳记录到12GHz卫星信号P-P值最大3dB的电离层闪烁事件，日本山川记录到20GHz卫星信号P－P值为2．5dB的闪烁事件。我国处于世界上两个电离层赤道异常驼峰区域之—，峰顶对着韶关一带。长江一线以南地区属于低纬度区，南海在地磁赤道附近；长江一线以北地区属于中纬度区，但其中很大一部分地区属于闪烁增强带，衰落明显大于一般中纬度区。
图片10：
有3类分析模型被用来描述卫星移动信诅的特性．即经验模型、概率分布模型、几何分析模型。经验模型不能揭示传播过程伪物理本质，但可以描述出对重要参数的敏感度；概率分市模型建立了对传播过程的理解，对实际情况作7简化假设；几何分析模型用几何分析的方法。
能预测单个或多个散射源的作用，解释衰落机制，但需将结果扩展到实际的复杂情况。
本节基于概率模型，描述卫星移动通信系统信道电波传播特性。
卫星移动信道传播特性的概率分布模型用到了几种无线电波传播描述中常用的概率密度函数：Rayleigh，Rician和1ognormal，并且基于某些物理原因在分析过程中将其进行适当组合。Rayleigh，Rician用于描述多径效应，1ognormal用于描述阴影返蔽作用。
图12：
Rayleigh密度是Rician分布的特殊情况，即当没有直视分量(Z＝0)时，接收信号全部由多径信号组成，其信号包络r的概率密度函数为：
图13：lognormal模型卫星与地面站之间的直视信号被路边的树木或其它障碍物吸收或散射掉时，阴影效应出现。此时的电压变量是由于阴影而成为lognormal的。随机变量Z的概率密度函数为；
μ／J和众。分别是1nZ的均值和方差。
当Z是用瓦特表示的功率时，则功率Z的对数正态密度函数是：
f7(Z)—』』L12—．ex。r—量坐之二尘1
图17：
对于任何通信系统来说，噪声是限制其容量和性能的一个基本因素。由于卫星通信系统的接收信号功率非常小，因此，对噪声的影响就更加敏感。对于一条卫星通信链路来说，有几个源可能引入噪声。自然和人为噪声是由天线接收到的；热噪声是由接收机的第一级引人的；系统内部噪声是由系统内部器件的非线性产生的；互调噪声是由于转发器的非线性造成的。本节将介绍主要的噪声类型。
通信系统中使用的所有有源器件都会产生热噪声。为理解热噪声对系统性能的影响，这里以电路中的一个电阻为例来说明。从电阻外部看，其内部电子自由运动产生的能量就像是其两端施加了一个随机起伏的电压，此电压的均方值为：
其中：k为波尔兹曼常数（＝1.38054×10－23”焦耳／K），计算中常取为-228．6dBW／K·Hz；T为以 K为单位的电阻的绝对温度；R为电阻值；Bn为测量带宽。
因此，电阻就像是一个噪声产生器。当负载与其匹配时，它能产生的最大功率从为：
这样，任何有源电子器件（如放大器）的噪声特征都可用上式所示的一个等效电阻来定量表示其噪声功率。通常，一个有源器件产生的噪声都用噪声系数和等效噪声温度来表示。
图18
卫星通信中，遇到的大部分电路是线性或近似线性的，因此，可以用一个线性网络来描述。由于所有器件都会或多或少地产生噪声，这些内部噪声可能是热的也可能不是，而为了分析、设计线路的方便，希望能把它们统统等效成热噪声来处理，因而引人等效噪声温度的概念。
一个实际有源器件的等效噪声温度Te定义为：若在该有源器件（本身产生噪声）输人端连接一个无噪声电阻时的输出噪声功率为ΔN（相当于环境温度下该器件新增的噪声功率），则如果把该有源器件看成是理想（无噪声）有源器件，为在其输出端产生相同噪声功率而需要其输人端连接一个噪声温度为Te的电阻。
图19
宇宙噪声源自外层空间，是由恒星和星际物质的热气体辐射的。平均宇宙噪声功率随着频率的增加而下降，当频率高于1GHz时，宇宙噪声功率可以忽略。在天空中的某些部分，其噪声功率非常低（有时称为“冷空”）；而在其他地方则相对较高（称为“热空”）。天空中也存在一些离散的高强度的点噪声源（即通常所说的“射电星”）。
图20：
卫星通信的一个显著特点是电波传扔的路径非常长，电磁波在转播过程中将受到极大的衰减。譬如静止卫星与地球站之间约有40,000公里的路径，当工作频率为6GHz时，仅自由空间传播损耗就达200分贝之多。因而卫星或地球纳接收到的信号非常微弱。地球站接收到来自卫星的信号强度一般只有几个微微瓦．所以卫星通信中噪声的影响是一个非常突出的问题。决定一条卫星通信线路传输质量的最主要指标是，接收系统治入端的载波功率与噪声功率之比值，简称信噪比。因为，对于模拟制卫星通信系统来说，载噪比决定了系统输出端的信号功率与噪声功率之比(信噪比)；对于数字制卫星通信系统来说，载噪比决定了系统输出端信号的误比特率。大家知道，信噪比与误比特率分别是这两类通信系统的关锭性能指标。进行卫星通信线路的设计或分析，就必定要计算载噪比。这涉及到发射端的发射功率与天线增益、传输过程中的各种损耗、传输过程中所引入的各种噪声与干扰以及接收系统的天线增益、噪声性能等因素；这些因素中很多又与工作频率有关。
这一节我们讨论卫星通信线路计算的基本公式。首先ληθ
图片21
卫星通信中，常常用有效全向辐射功率EIRP(或e.i.r.p)来代表地球站或通信卫星发射系统的发射能力。它指的是天线所发射的功率PT与该天线增益GT的乘积，即
EJRP＝PTGT (W)
它表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率．它比全向辐射时在这个方向上所辐射的功率大GT倍，名称上。“有效”也就是这个含义。
图片22
为保证接收信号的质量，接收系统必须具有足够的裁噪比．当工作频率、信号形式、卫星和地球站位置确定后，信号的传输损耗L以及接收系统的噪声等效带宽Bn也就基本确定，这样，载噪比就决定于发瑞的[EIRP]及收端的[G／T]。我们把接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度之比G／T的分贝值，称为接收系统性能因数或品质因数．
第四章
P2:
星上转发器可以只和一个地面站通信，满负荷工作。这种情况称之为单接入方式（single access mode of operation）。一般情况下，转发器都有若干载频，和多个地面站通信，这种情况称之为多址方式。有三种多址方式用于卫星通信。其中FDMA和TDMA是最常见的两种方式。他们两者和FDM、TDM不同。多址和复接是不同的。其区别点见CCIR REPORT 708，1982，调制（及复用）基本上是传输的范畴(transmission feature)，而多址基本上是业务范畴（traffic feature）。
P11
幅度非线性有三点是值得重视的：第一，多载波波输入时，输出要受到“压缩”．这种压缩是指，在输入总功率相等的情况下，多载波工作时总输出功率比单载波工作时的输出功率要小。越靠近饱和点，这两者的差别越大；载波数越多，总的输出功率也越小。理论上及对典型管子的测试表明j在饱和点处，两载波输入时，输出的总功率比单波输出时减小约1.2dB；多载波(载波数n->无穷)输入时，减少约1.5dB。还应指出，各载波功率不等时，小载波要受到大载波的抑制。第二，多载波输入时，会产生新的频率分量，如果这些分量落在信号的载频上或落在信号频带内，便造成干扰。第三，输入信号频谱的低旁瓣分量通过TWTA时，由于非线性的作用，其输出可能增大(相对于频谱主瓣而言)，从而可能增加邻道干扰。
根据以上所述，行波管的非线性作用，一方面是使多载波输入信号放大时受到“压缩”；另一方面，是产生新的频率分量，造成对有用信号的干扰。此外，还会使信号频谱展宽。其中第二种作用是尤其要认真对待的。这种干扰通常称为“交调噪声”，它与热噪声的机理是不同的。可以想到，为要充分发挥行波管的效能，应尽量靠近饱和点工作，但这样会产生严重的交调，这是一个突出的矛盾，它对FDMA系统的通信质量和容量，有着举足轻重的影响。
P15
Spade系统有一个公共信令信道（CSC）。如图所示，CSC有160kHz，中心频率在18.045MHz。为了避免和CSC的冲突，话音信道1和2不使用。为了保持双工匹配，对应的1’和2’信道也不使用。为了不合导频信号冲突，信道400和其对应的800信道也不使用。这样，总共有794个单向信道或397双向话音信道。每一对频率分隔为18.045MHz。
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所有地面站永久性的通过CSC连接。如图有六个地面站，A、B、C、D、E、F。每一个地面站都可以通过频率合成的方式产生这794个载波中的任意一个。而且每一个地面站都有一个表，记录这些频点的使用情况。这张表不断由卫星的公共信令信道周期性的更新广播下来。假设此时C发起了一个到F的呼叫。C从频点使用表中随机地选取一对可用的频率，并通过CSC，将该信令信息发给F。F必须通过CSC确认，来完成整个链路的建立。一旦该链路建立，其他地面站就会从CSC得到该对频率点被占用的消息。
C发起一次呼叫信令，并得到F确认的RTT时间大约为600ms。在该时间内，可能C选择的一对频点会被分配给其他链路。在这种情况下，C将得到CSC的频率占用更新消息，重新选择一对频点，即使还没有得到F的确认。
当呼叫结束的时候，C会释放该对频点。其他地面站也会收到CSC的频点占用更新消息。
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TDMA通信方式的主要特点是，该系统中的各地球站只在规定的时隙内以突发的形式发射它的已调信号，这些信号通过转发器时在时间上是严格依次排列、互不重叠的。一个重复周期称为一帧，每帧又分成若干时间段——称为分帧。
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一个TDMA卫星通信网中有许多地球站，如何保证每个地球站的突发信号进入转发器上指定的时隙而不会误入其他时隙造成干扰？在正常情况下，各地球站每隔一帧发射一个分帧，怎样保证各分帧之间维持严格的时间关系而不互相干扰?前者是所谓初始捕获问题，后者是分帧同步问题，两者统称为TDMA的网同步问题。即初始捕获与分帧同步是网同步过程中的两个不同阶段。前者要解决的问题是在系统开始运行时如何建立网同步．后者要解决的问题则是在正常工作时如何保证这种网同步。
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CDMA接续技术的基础是使用一组正交(或准正文)的伪随机噪声(PN)序列通过相关处理实现多用户共享频率资源和同时人网的接续功能。
CDMA采用扩频技术，扩频技术的概念是将原始信息的带宽变换成带宽宽得多的类噪声信号。扩频的含义是：假定一基带数据流的速率为Rbbit/s，发信系统将此数据变换为Bc频宽的传输信号。若Bc比Rb大得多(通常达2~3倍以上)，且扩展信号编码序列与原始信号不相关，则认为信号获得了频谱扩散。
P45
在射频端所接收的载波信号功率为每比特能量与比特率之乘积：
Pr(w)＝Eb(J/bit)·Rb(bit/s)
来自其他扩额用户的干扰功率为其混合干扰谱密度N0与接收机输入带宽Bc(无线信道带宽)之乘积：
Pi(w)＝N0(W/Hz)·Bc(Hz)
因此．接收机输入端的载干比为：
C/N= Eb / N0·Rb/ Bc=( Eb /I0)/(W/ Rb)
在数字FDMA或CDMA中，Rb≈Bc,Eb /I0总是大于1，因此C/N是正的dB数。在CDMA中，Bc远大于Rb，符号Bc常以扩频信道带宽W代替，干扰电平总是高于信号电平，即C/N为负的dB数。
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补充概念关于分貝
分貝是無線電通訊中一個的重要及有用的參數。它容許我們將損耗和增益加起來,用來計算有多少功率由天線發射出來及有效發射功率。
分貝本身是一個百分比，它沒有單位。如果沒有將它和數值或單位產生關係,它將是完全沒有意義。
發射機輸出功率可以用 Dbw來表示，這數值是由公式10 log10 P計出來，而P是發射機輸出功率(瓦特)
同軸電線損耗通常以每10米或100米損耗dB多少來表示。假如一條同軸電線有每100米損耗3dB的特性，而你需要20米電線，這條電線的損耗是3 x (20/100) = 0.6dB。請注意，不同的頻率有不同的損耗,而頻率越高損耗越大。
天線增益通常用dBd 來表示與雙極天線比較的增益，或dBi來表示與無方向性天線比較的增益所以，有效發射功率可以將發射機輸出功率(dBW),減去因天線,駐波比及瀘波器等的損耗，再加上天線增益計算出來。
用10(d/10) 可以計出以瓦特作`為單位的功率
Q:?How is antenna gain (dBi) measured and used? (#2745)
A:?The unit of antenna gain is dBi,dbI means "Isotropic",a perfect POINT SOURCE,which radiates in a spherical manner,A perfect dipole radiates with a donut pattern,broadside to the long dimension of the dipole,It is a relative measurement to an ideal dipole that radiates in a perfect sphere,To achieve higher gains,antennas are constructed such that they radiate more in one direction than another,An omni directional antenna radiates uniformly in the horizontal plane and radiates very little up or down,Panel,sector,yagi,and parabolic grid antennas radiate in cones of various widths,The higher the gain,the smaller the horizontal and vertical angles,Jerm gave the sprinkler head analogy,for a given amount of water,the distance the water shoots can be increased by focusing the spray; for a given amount of of microwave energy,distance can be increased by focusing the beam,
Antennas angles are specified by their half power point (3 dbi less than the specified max output),
For example,one '14 dBi' directional antenna has 14dBi gain straight ahead but only 11 dBi gain 32 degrees horizontally and 31 degrees vertically; one '24 dBi' parabolic grid also has 24 dBi gain straight ahead but only 21 dBi gain 6.5 degrees horizontally and 10 degrees vertically,
时延扩展是由反射及散射传播路径引起的现象，而相干带宽Bc是从rms时延扩展得出的一个确定关系值。相干带宽是一定范围内的频率的统计测量值，是建立在信道是平坦（即在该信道上，所有谱分量均以几乎相同的增益及线性相位通过）的基础上。换句话说，相干带宽就是指一特定频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。频率间隔大于Bc的两个正弦信号受信道影响大不相同。如果相干带宽定义为频率相关函数大于0.9的某特定带宽，则相干带宽近似为：
如果将定义放宽至相关函数值大于0.5，则相干带宽近似为：
注意，相干带宽与rms时延扩展之间不存在确切关系，上两式仅是一个估计值。一般而言，谱分析技术与仿真可用于确定时变多径系统对某一特定发送信号的影响。因此，在无线应用中，设计特定的调制解调方式必须采用精确的信道模型。
rms时延扩展：宽带多径信道的时间色散特性通常用平均附加时延（τ）和rms时延扩展（στ）来定量描述。平均附加时延是功率延迟分布的一阶矩，定义为：
rms时延扩展是功率延迟分布的二阶矩的平方根，定义为：
计算下图所给出的多径分布的平均附加时延、rms时延扩展及最大附加时延 （10dB）。设信道相干带宽取50％,
解
首先计算给定多径分布的rms时延扩展。各分布的时延测量相对于第一个可测信号，所给信号的平均附加时延为：
给定功率延迟分布的第二阶平均附加时延可算得：
所以rms时延扩展为：
可得相干带宽为：
第六章卫星通信就是地球上（地面、水面等）的无线电通信站之间利用人造卫星作为中继站的通信方式，VSAT（Very Small Aperture Terminal）是指具有甚小口径天线（一般小于3米）的智能化小型式微型地球站。通常，大量的VSAT与一个主站共同工作，构成卫星通信网，为分布在广阔地域上的各个工作站提供数据、图象、话音及其它电信服务。
VSAT的主要特点有：通信组网灵活、业务范围广、管理控制能力强、具有相当的独立性；设备安装方便、速度快、建设时间短；通信链路中间环节少、不受地理地理条件限制；通信成本与距离无关。
典型的VSAT网由一个中心地面站、卫星和广泛分布在各地的VSAT小站组成。中心站是VSAT网的管理控制中心，它由卫星天线、射频设备、中频设备及交换单元等系统组成。主站设有网络管理系统，负责对全网监测、管理、控制和维护，如实时监测、诊断各小站和主站本身的工作情况、测试信道质量、负责信道分配、统计、记费等。分布在各地的VSAT小站由天线（零点几米到3米）、室外射频单元和室内数字处理单元组成。室内数字处理单元承担发送和接收数据的处理、操纵功能。其用户接口可以同时支持多种通信协议，它可以根据用户要求配置为不同的速苁，方便用户将各种终端设备接入VSAT网。VSAT通信使用的卫星资源是C波段和Ku波段的同步卫星转发器，目前使用较多的是天线尺寸小、不易受地面电磁干扰的Ku波段卫星转发器。
VSAT通信网的基本网络结构有星形、网形及混合形。目前星形网是VSAT网中应用最广泛的网络形式，各VSAT小站只与主站发生通信联系，VSAT之间不能通过卫星直接互通，而只能经主站的转接方能建立联系。它适用于具有大量数据传输和集中管理的单位，如：银行、新闻、交通、连锁店、气象地震等。
从技术体制上来看，VSAT通信主要有TDM/TDMA（时分复用/时分多址）和SCPC（单路单载波）两种接续方式。在TDM/TDMA方式中，主站到小站采用广播式的翟多点传输，向全网发布信息，各小站根据自身的地址从中选出所要接收的信息的时分复用（TDM）方式；反之，小站到主站时，很多小站共享一个卫星信道，每个小站在特定的时间段内（时隙），将信息发送给主站。在SCPC方式中，一个小站独占一个卫星信道与主站或其它SCPC小站进行通信。由于独占信道，SCPC方式的通信速率可达512Kbps甚至更高，而TDM/TDMA的通信速率通常为128 Kbps /64 Kbps。同时，SCPC的信道占用费比TDM/TDMA高几倍。
表1 现有VSAT网主要业务及典型应用
业 务
应 用
1.广播和分配业务
.
数据
数据库、气象、新闻、仓库管理、遥控、金融、商业、远地印刷品传递、报表、零售等
图像
传真（Fax）
声频
单向新闻广播、标题音乐、广告和空中交通管制
电视
.
a）TVRO（电视单收）
接收文娱节目
b）BTV（商业电视）
教育、培训和下行信息业务
2.收集和监控业务
.
数据
新闻、气象、监测、管线状态
图像
图表资料和凝固图像
视频
高压缩监视图像
3.双向交互型业务（星形拓扑）
.
数据
信用卡核对、金融事务处理、销售点数据库业务、集中库存控制、CAD/CAM、预订系统、资料检索等
双向交互型业务（点对点）
.
数据
CPU-CPU、DTE-CPU、LAN互连、电子邮件、用户电报等
话音
稀路由话音和应急话音通信
电视
压缩图像电视会议
要使VSAT能得到更广泛的应用必须使VSAT进一步小型化，降低VSAT的成本，为此须解决以下关键技术,
信号处理技术：通过合适的信号设计和信号处理降低VSAT系统对C/N的要求。
集成电路技术：微波电路集成化技术，采用SLIC技术。(用户线路接口电路(SLIC))
天线技术：通过采用新的设计，使天线的尺寸进一步减小。
接口技术：采用软件可编程的接口技术以使VSAT能适应不同用户的接口要求。
抗干扰技术：包括抗外部干扰和邻站干扰技术。
数字化技术：以DSP、DDS为基础来提高VSAT的灵活性和可靠性。
一体化设计技术：通过统一设计Modem、FEC和ARQ来达到对信道资源的最佳利用。
标准化技术：VSAT必须要标准化才能解决相互间的互通问题和实现大规模生产。
加密技术：由于任何网外用户都能收到网内用户发送的信息，任何网内用户都能收到应由其它网内用户接收的信息，因此，VSAT网中必须解决信道加密问题。要进行加密就涉及到加密算法和加密密钥的分配问题，而对一个网络来说尤其重要的是密钥的分配问题。当采用密钥集中分配方式时，如果主站为每个VSAT保留一个工作密钥，则要求主站有非常大的容量；如果为所有VSAT分配同一个工作密钥，将失去加密的意义。若采用密钥分散分配方式，则涉及到一个密钥的安全问题及VSAT设备的复杂性问题。
2 空间技术
要加强卫星的竞争力，必须降低卫星的成本、在不增加卫星重量的基础上增加卫星的容量、增加卫星的利用率（如采用低速编码、延长卫星寿命，采用TASI、DSI和DCME等）、寻找地面无法实现或很难实现而卫星很容易做到的新应用（如航空、航海移动通信，偏远地区数据收集，导航/定位等）。
就卫星转发器而言，需逐步解决以下关键技术,
星上处理与交换技术：使卫星成为一个交换结点，使VSAT能直接进行通信，改善VSAT网的连接能力和吞吐量—时延性能，并把网络的复杂度从VSAT转移到卫星，降低VSAT成本；采用星际链路后能实现不同卫星覆盖区内VSAT之间单跳通信。
多波束/跳波束天线技术：在星上采用多波束/跳波束技术以提高卫星的EIRP和G/T，从而降低对VSAT EIRP和G/T的要求。
星上信令能力：使卫星具有信令处理能力，把现在VSAT网中网控中心的一部分功能转移到卫星上，从而缩短VSAT通信的呼叫建立时间。
中低轨道卫星技术：由于同步卫星的轨道高度很高，传播时延和传播损耗都很大，因此VSAT不能非常小，同时也不能满足一些实时性业务的要求，为此提出采用中低轨道卫星进行通信。由于信号的传播损耗和时延较小，因此就不仅能更好地传输实时性业务，而且能大大减小地球站天线的尺寸和发射机的功率。另外，采用多个低轨道卫星组成的通信系统比同步卫星通信系统能更好地进行频率复用；同时也缓解了同步轨道上卫星过分拥挤的情况。采用中低轨道卫星还有其它一些优点，这里就不多讲了。
除了以上一些需解决的关键技术外，另外还包括增大卫星功率技术、宽带传输技术、干扰抑制技术、多信道Modem技术等。
3 网络技术
如何更好地把地球站和卫星结合起来，使VSAT达到最佳的性能/价格比，这就是网络技术需解决的问题。就目前来看，VSAT网络技术需解决以下一些关键技术,
多址访问技术和信道分配技术：开发一些新的多址访问和信道分配技术以更有效地利用卫星信道的资源，满足业务量变化及不同业务对服务质量的要求。
网络控制技术：进一步加强网络控制的功能，提高VSAT网的智能化程度和灵活程度。
网络协议技术：进一步研究VSAT网络的通信协议及与地面设备之间的接口协议以提高网络的适应能力和协议的工作效率。
网络安全技术：采用一些措施（如加密、通行字、自组织能力等）来提高网络的安全等级。
未来VSAT的几种主要应用
1 VSAT在ISDN环境下的应用
ISDN的提出已有相当一段时间，然而，时至今日，电信网络提供的ISDN业务仍非常有限，一个重要的原因是由于现有通信网（如PSTN，PSPDN和各种专用网等）的投资巨大，对它废弃不用而新建一个ISDN网从经济上考虑是不可能的。因此，用VSAT网来实现一个ISDN或用来互连各地的ISDN用户或让远方ISDN用户经VSAT网进入地面ISDN从经济上考虑是比较合适的；即使在地面ISDN网建成后也不能覆盖所有的地区，对边远地区的ISDN用户来说，采用VSAT网仍几乎是一种唯一的选择。对地面ISDN能覆盖的用户来说，也存在着网络的故障和拥塞问题，此时，可把VSAT网络用作地面ISDN的迂回或应急网络。
因此，VSAT网提供ISDN业务不仅是VSAT本身发展的需要，也是ISDN发展的需要。
要使VSAT网能提供ISDN业务，首先应必须解决VSAT网的标准问题。只有使VSAT网符合ISDN的标准才能提供ISDN业务；其次，必须提高VSAT网的容量和通信性能（包括网络时延和信道误比特率）；再次，必须能对不同的业务提供不同的服务质量，以满足不同业务对通信网服务质量的要求。
2 VSAT在互连LAN中的应用
采用LAN来互连计算机可以得到许多好处，而随着LAN网卡价格的下降，其使用已越来越广泛，而LAN之间的互连是一个迫切要求解决的问题。从80年代中期开始，VSAT已从支持串行接口到能与LAN/MAN的一个主网络结点进行接口。
采用VSAT网来互连LAN比之采用地面网中的帧中继进行互连LAN在经济上要节省，尤其当需提供广播业务时，采用VSAT网比地面帧中继有许多优点。
用VSAT网来互连LAN可采用直接方式或通过帧中继的方式来互连。
当用VSAT直接互连LAN时，可采用桥接器、选路器或网关等三种不同的方式。其中，采用桥接器时只涉及到链路层协议，而采用选路器时涉及到网络层协议，而采用网关时则涉及到运输层或更高层协议。采用不同的互连方式对VSAT的协议、频带利用、灵活性等方面都有不同的影响。可用的LAN协议有TCP/IP、SNA、DECnet、IPX等。
今天已超过6000个VSAT用来从远端站到中央主机之间传输LAN业务。
由于LAN不同于主机与终端之间的通信，也不同于两个DTE之间的直接通信，因此，提供LAN互连的VSAT在拓扑管理、资源分配、业务量管理、拥塞控制等方面都需作出相当大的改进。
3 VSAT在个人通信业务（PCS）中应用
限制目前VSAT发展的一个重要因素是其潜在用户主要面向比较大的单位而不是个人，因此，其用户数有限的。如果VSAT能面向个人，那么，其市场潜力就非常大，再加上个人化是通信的一个发展方向，所以，VSAT要持久高速发展，提供面向个人的系统是一个非常有前途的发展方向。
要使VSAT网能真正面向个人（如进入家庭、车载、放在办公桌上等），就必须降低VSAT的成本和规模，以随时随地为用哀悼提供各种服务功能。为此，需解决几个关键问题,
1.大大减小VSAT天线的尺寸和发射机的功率；
2.时延问题；
3.与地面网的互通问题；
4.VSAT在卫星/波束间切换问题；
5.全球通信问题。
可采用的几种解决办法有：
1.采用中低轨道卫星，以解决VSAT的尺寸和时延问题；
2.采用Ka或更高频段的卫星以增大VSAT天线的增益；
3.设置足够多的地面网关站，以使卫星用户能就近进入地面网；
4.采用星际链路。
幻灯片21
VSAT通信网由VSAT小站、主站和卫星转发器组成。数据VSAT卫星通信网通常采用星状结构，采用星状结构的典型VSAT卫星通信网示意图如图所示。（也可见书上图6-1）
（书上p96）关于主站和小站设备的说明。
主站也叫中心站或中央站，是VSAT网的心脏。它与普通地球站一样，使用大型天线，天线直径一般约为3.5m～8m（Ku波段）或7m～13m（C波段）。
在以数据业务为主的VSAT卫星通信网（下面简称数据VSAT网）中，主站既是业务中心也是控制中心。主站通常与主计算机放在一起或通过其它（地面或卫星）线路与主计算机连接，作为业务中心（网络的中心结点）；同时在主站内还有一个网络控制中心（NCC）负责对全网进行监测、管理、控制和维护。
在以话音业务为主的VSAT卫星通信网（下面简称话音VSAT网）中，控制中心可以与业务中心在同一个站，也可以不在同一个站，通常把控制中心所在的站称为主站或中心站。
由于主站涉及整个VSAT网的运行，其故障会影响全网正常工作，故其设备皆有备份。为了便于重新组合，主站一般采用模块化结构，设备之间采用高速局域网的方式互连。
VSAT小站由小口径天线、室外单元（ODU）和室内单元（IDU）组成。
在相同的条件下（例如相同的频段、相同的转发器条件）话音VSAT网的小站为了实现小站之间的直接通信，其天线明显大于只与主站通信的数据VSAT小站。
卫星转发器
一般采用工作于C或Ku波段的同步卫星透明转发器。
在第一代VSAT网中主要采用C波段转发器，从第二代VSAT开始，以采用Ku波段为主。具体采用何种波段不仅取决于VSAT设备本身，还取决于是否有可用的星上资源，即是否有Ku波段转发器可用，如果没有，那么只能采用C波段。
幻灯片24
数据VSAT网的组网
在数据VSAT卫星通信网中，小站和主站通过卫星转发器构成星状网，主站是VSAT网的中心结点。星状网充分体现了VSAT系统的特点，即小站要尽可能小。其主站的有效全向辐射功率（EIRP）高，接收品质因数（G/T）大，故所有小站均可同主站互通。由于小站天线口径小、发射EIRP低、接收G/T小，而此小站之间不能直接通信，必须经主站转发。
数据VSAT网通常是分组交换网，数据业务采用分组传输方式，其工作过程是这样的：任何进入VSAT网的数据在发送之前先进行格式化，即把较长的数据报文分解成若干固定长度的信息段，加上地址和控制信息后构成一个分组，传输和交换时以一个分组作为整体来进行，到达接收点后，再把各分组按原来的顺序装配起来，恢复成原来的报文。
以星状网的主站为参考点，数据VSAT网使用的卫星信道可以分为外向（Outbound）信道和内向（Inbound）信道。在数据VSAT网中，业务信道和控制信道是一致的，即业务子网和控制子网具有相同的星状结构。
主站通过卫星转发器向小站发数据的过程叫外向传输。用于外向传输的信道（外向信道）一般采用时分复用方式（TDM）。从主站向各小站发送的数据，由主计算机进行分组化，组成TDM帧，通过卫星以广播方式发向网中所有小站。每个TDM帧中都有进行同步所需的同步码，帧中每个分组都包含有一个接收小站的地址。小站根据每个分组中携带的地址进行接收。
小站通过卫星转发器向主站发数据的过程叫内向传输。用于内向传输的信道（内向信道）一般采用随机争用方式（ALOHA一类），也有采用SCPC和TDMA的。由小站向主站发送的数据，由小站进行格式化，组成信道帧（其中包括起始标记、地址字段、控制字段、数据字段、CRC和终止标记），通过卫星按照采用的信道共享协议发向主站。
业务信道和控制信道通常使用同一外向信道或内向信道。
幻灯片25
话音VSAT网的组网
对于使用同步卫星转发器的话音VSAT网来说，用户的要求通常是希望网内任意两个VSAT小站能够直接通话而不是经过主站转发（双跳使响应时间超过1s，用户不易习惯）。这个要求决定了话音VSAT网应该是网状网。即话音VSAT网的业务子网是网状网而控制子网是星状网，网控中心所在的站称为中心站。
1 业务信道
话音VSAT网通常采用线路交换方式，这是由电话业务的实时性决定的。
话音VSAT网的业务子网中，业务信道（话音信道）较多采用简单易行的SCPC方式（也可以采用TDMA等多址方式）。对以话音业务为主、采用线路交换的话音VSAT网来说，显然采用按申请分配信道资源方式是比较合适的，同时在少数大业务量站间可分配一定数量的预分配信道。
2 控制信道
话音VSAT网的控制子网相当于一个数据网。在控制子网中，小站与主站之间一般采用TDM/ALOHA体制，即外向传输采用TDM，内向传输采用ALOHA、S-ALOHA或其它改进型。此种方式技术简单，造价低廉，因此在实用系统中应用较多（例如TES系统）。
幻灯片26
传输体制包括基带复用方式、调制方式、编码方式、多址方式和信道分配方式等。
由于VSAT系统通常是功率受限而不是频率受限系统，故要采用功率利用率最高的调制方式，因此，一般采用相干BPSK或与之相近的QPSK。
VSAT网中编码目前一般采用1/2率卷积编码的软判决维特比译码（编码增益可达4dB～5dB）。
VSAT网的信道分配一般采用按申请分配或争用方式。
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数据VSAT网的传输体制
由于数据VSAT网是个不对称网，外向和内向传输应选择不同的体制，主要考虑的原则是,
（1）外向传输：主站发射信息量大，因此转发器的频带和功率利用率必须很高；小站接收信息量小，要求的设备尽可能简单。
（2）内向传输：小站发射信息量小，要充分利用小站的发射功率，尽量降低其发射功率，以使小站实用、经济；主站接收来自多个小站的突发性业务，要求其信道解调设备能在足够短的时间内获得载波同步及位定时同步。
（3）VSAT系统中有相当数量的小站建在大中城市市区，因此，要求尽量降低它与相邻卫星系统及地面微波中继通信系统之间的干扰，要尽可能采用不同频段或采用扩频。
对于数据VSAT网来说，不同的产品、不同的系统主要表现在采用不同的内/外向信道多址方式。
在数据VSAT网中外向信道的基带复用一般采用统计复用的TDM方式，而内向信道一般采用分组复用方式。
目前，几乎所有系统的外向信道都采用TDM方式，因为其功率和频带利用率最高。差别主要表现在有些系统采用统计复用，而有些不采用；有些系统采用扩频而有些不采用而已。外向信道的多址访问是通过帧格式中的地址域来完成的。
对于内向信道可采用固定分配、按申请分配和随机争用（指ALOHA一类）等几种多址访问方式。
对以数据为主的VSAT网来说，由于数据业务每次突发的持续时间一般很短（如1min以下），一般采用随机争用方式，包括纯ALOHA方式以及在此基础上提出的各种改进方式。对个别大业务量的站可以采用预分配方式。
综观当今的各种VSAT产品，主要有三种典型的内/外向信道多址方式：
（1）TDM/CDMA体制：外向信道采用TDM方式，内向信道采用CDMA方式，内外向均用扩频，但外向不具备码分功能，对所有小站用同一个PN码扩频。由于这种系统扩频增益很大，大大降低了功率谱密度，减小了与地面微波及邻星之间的干扰，降低了传输要求。此方式在C波段工作时，也可使用尺寸小的天线，即用1.2m天线可实现双向通信，单收站令需0.6m天线。因此，小站简单、造价低，得到了广泛的应用。
此方式的优点是，外向传输发射一个TDM载波时对卫星功率利用率最高，且抗干扰性强和隐蔽性好。内向采用CDMA避免了碰撞问题，且对过载不敏感。
缺点是频带利用率低，网的容量较小。
典型代表为ContelASC公司（现GTE Spacenet公司）的产品。
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（2）TDM/SCPC体制：外向信道采用TDM方式，可以进行一定的扩频（扰码），每个小站接收一个TDM载波，同时搜索小站地址或用选择自己时隙的方法，从中提取发往本站的数据。内向信道采用SCPC方式，每个小站一个载波，技术简单、造价低廉。但每个VSAT不论有无业务均占用一个固定载波和固定空间段。换频需换晶体，灵活性差、抗干扰能力较差，小站天线直径为1.2m～1.8m（Ku波段）或1.8m～2.4m（C波段），我国采用2.5m～3m。当C波段工作在大城市时由于地面微波干扰严重，选址不方便。
典型代表为美国VSI公司（原TG公司）的产品，国内714厂已有生产能力。
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（3）TDM/TDMA体制：外向信道采用TDM方式，内向信道采用TDMA方式。这是一种先进的系统。主站设备少，主要发挥软件功能。这种系统信道利用率最高，容量大，灵活性好，扩容方便。可工作在C或Ku波段。换频由主站通过控制主站和VSAT的频率合成器来实现，因此比较方便，受干扰影响小。当内向采用多个载波时，便产生了多载波TDMA（MC-TDMA），即一个转发器的频带容纳多个不同的载波，各载波以窄带TDMA方式工作。网中各站发射或接收所用的频率和时隙均可调整。由于采用了TDMA、FDMA和TDM的组合，系统灵活性增加，显著提高了系统容量。此体制特别适合于网络容量大、由许多稀路由地球站组成、每站含有几路话且业务类型多变、需要动态和灵活连接的情况。采用这种方式的网络效率最高，但技术较复杂。
典型代表为美国休斯公司的PES系统和日本NEC公司的NEXTAR系统。目前国内也在开展这方面的研制。
从内外向传输的不同工作原理可看到，VSAT卫星通信数据网与一般卫星通信网不同，它是一个典型的不对称网络，即收发链路两端的设备不相同，执行功能不相同，内向和外向业务量不对称，信号强度不对称（主站发射功率大得多以适应VSAT小天线的要求；VSAT发射功率小，用主站高的接收增益来接收VSAT的低电平信号）。
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话音VSAT网的传输体制
对于话音VSAT网来说，不论采用哪一种多址方式和交换方式，最终应实现等效的线路交换方式。
话音VSAT网控制子网的传输体制与数据网是一致的，而业务子网则是典型的网状网结构。要实现网状网，SCPC是一种简单可行的信道多址方式，SCPC信道分配则采用DAMA（按申请分配或称为按需分配）方式。目前，投入实用的系统大部分是采用DAMA-SCPC方式的话音VSAT网。为了兼顾少数大业务量站间业务，可以配置部分点对点预分配（固定分配）的信道。
这种网状网的业务信道除了用于话音业务之外，也可以用于数据业务，分配方式和交换方式与话音业务类似。
话音VSAT网的信道分配方式通常是按需分配与预分配结合。
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按需分配的呼叫过程有三个基本阶段,
（1）呼叫建立 主叫方通过控制信道向网控中心发出呼叫申请信息，网控中心在确认卫星信道和被叫方设备有空闲的条件下，向主叫方和被叫方分配卫星信道，主叫方和被叫方进行导通测试，建立线路。在这个阶段，网控系统的主要任务是在规定的时间内建立线路，并使插入的附加呼损尽可能小。
（2）通话 线路建立后，两方即可进行通话或数据传输。
（3）拆线通话结束后，由通话的主叫方或通话双方（取决于系统设计）向网控中心发出通话结束信息，网控中心发回确认并回收资源（包括卫星信道和用户信道设备）。在这个阶段，网控中心的主要任务是及时、准确地回收空间资源和地面资源。
除了SCPC多址方式以外，TDMA方式也是一种适合话音业务乃至综合业务的多址方式。TDMA的特点是子信道按时隙划分，两种交换方式具有良好的兼容性，很适于构成综合业务VSAT网。TDMA用于话音业务时，由于每载波容纳的用户站数目不够多，网内站数较多时，可能不得不采用多载波方式。随着卫星通信技术的发展和设备成本的降低，采用TDMA方式的VSAT网将会有较大发展。
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从信道共享的特点来看，VSAT数据网比较接近本地网（LAN），从VSAT网的覆盖范围来看又是一个广域网（WAN），而从VSAT网单结点、无层次的网络结构来看，其网内路由选择功能比较简单，也即其第三层协议功能比较简单，从星状网络结构来看，是一种不平衡链路结构，所有通信都是一个主站与其它小站之间进行的。据此，可得到VSAT网的协议结构如图2所示。图2中有关各层协议的具体内容请参阅相应的标准。
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国际VSAT通信网络点对点通信
（1）通信速率：64K-2Mbps任选
（2）用户设备任意配置
（3）采用SCPC的通信方式
（国际VSAT通信网络结构图）
【服 务】
为客户提供方案设计、设备安装、电磁场测试、电路开通、运行维护一条龙服务。
速率64Kbps-2Mbps，可根据客户实际需求选择。
可传送话音、传真、图像、电视复合的干线基带载波。
采用SCPC通信方式。
24小时热线电话，24小时网络管理。
服务范围遍及东南亚及欧美。
【用 途】
公司总部与其子公司间、子公司横向间建立高速信息通道。
【目 标】
境内外各公司、企事业单位。
【优 点】
链路环节少、故障率低、通信畅通率高。
卫星稳定、信道误码率低、通信质量好。
通信距离远，高效率低成本。
工程周期短，一般四周即可完成。
施工便捷，不受地理环境限制。
网络拓展、速率升级方便。
设备租用，免去客户初期巨额投资。
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网络互连的一般模型
VSAT网络的特点尤其适合于数据通信，其实质就是通过卫星信道实施计算机通信。因此，VSAT数据网也无例外地采用OSI（开放系统互连）分层通信模型。不过，它的任务仅限于将发送的数据正确、及时地传送到目的地，所以只需制定包括网络层、数据链路层和物理层在内的下三层协议，而对数据的辨识则交给终端用户的应用进程（包括应用层、表示层、会话层和传输层在内的高层协议）来解决。
图1是两个VSAT网络进行互连的分层通信结构示意图。互连设备通常称之为"网关"，其复杂程度主要取决于网络协议之间的差别。如果反映在网络层的路由选择和流量控制机制相同，则网关只需解决数据链路层和物理层的互连，也可称之为"网桥"。应该说明的是，即使是同一种多址协议，也并不意味着对应的数据链路层相同。例如AA／TDMA（Adaptive Assignment／TDMA）协议中，帧长度、时隙长度、最大可预约时隙数，都是根据各网的运行情况而设定的，甚至流量控制方法也是有区别的。所以在设计网关时，必须全面考察通信协议及其系统参数。
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因此，互连设备必须屏蔽不同的VSAT网在下三层的各种差异。这些差异包括,不同的寻址方案；不同的帧结构及分组长度；不同的网络访问机制；不同的超时控制；不同的编码、调制方式；不同的差错恢复方法；不同的状态报告方法；不同的路由选择技术；不同的用户访问控制；不同的服务——面向连接服务和无连接服务；不同的管理与控制方式。由于卫星通信的特点，不仅反映在其协议与一般计算机局域网不同，而且在物理层上的联接比地面网之间的有线联接要复杂多样：从拓扑结构上划分，VSAT网络有星形网和网形网两种；从使用卫星情况来看，有同星的，也有不同星的；从频段上划分，有同频段的，也有不同频段的。因此，不同的VSAT网络互连，涉及到的问题也各不相同，情况千差万别。本文将根据拓扑结构来分类研究VSAT网络的互连方法。
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（1）两个星形网的互连 首先考虑最简单的情况：两个星形VSAT网络，使用同一波段，对准同一颗卫星，采用相同的多址协议（入向AA／TDMA，外向TDM），且协议参数及分组格式都相同。唯一的区别是各网使用的频率不同由于两个网络几乎完全一致，因此只要一个网能收到另一个网的信号，就很容易进行处理，实现互连。我们暂且认为每个网只工作在一个频率点（分别为fA和fB，对应的发信频率为f'A和f'B），这时Hub A需要增加接收fB的设备，如图所示。
由图可见，Hub A增添了一套对fB的收信设备、一个解调器和网际地址译码器（实际上网际地址译码器包含在基带处理设备中）。收信设备包括低噪声放大器（LNA）下变频器和本振源几大部分。由于LNA是宽带器件，当fA和fB属同一波段时，可以共用一个LNA，从而节省这一昂贵器件。 与此对应，Hub B需要增加接收fA的设备。所有新添设备的监控信号都应纳入各自所在的网管系统。 工作原理：考虑网络A的VSATi，发送分组到网络B的VSATj。显然在分组格式的地址中必须有网际地址，以表明从哪个网来，到哪个网去。虽然Hub A和Hub B这时都能收到VSAT卫星发出的分组，但是Hub A通过网际地址译码，知道不是发给网络A的，于是丢弃此分组；而Hub B则接纳此分组，并将其排在外向信道队列中，用连续TDM方式发送出去，从而地址相符的VSAT，收到该分组。 此方案的优点是：（1）不增加卫星传播时延，网际通信与网内通信的时延相当；（2）虽然各主站增添了少量设备，但并未改变网络结构，各子网仍独立发挥作用。 应该说明的是，星形VSAT网络正是以大量远端小站共享一个中心站而发挥其价格优势的，所以很少有工作在单一频率点的情形。例如NEC的NEXTAR系统中，一个外向TDM载波可控制8个入向AA／TDMA载波，而且全网可以不止一个外向载波。因此在本图的方案中，主站的收信设备应该能够接收所有的入向载波，而且网际地址译码器必须根据分组的目的地址将其排在正确的外向信道队列中去。 在此方案的基础上，我们逐步取消最初的限制条件,——当两个VSAT网使用不同的卫星时，各主站都需要增添一付对准另一颗卫星的天线，才能收到网际信号，实现互连； ——当fA与fB不在同一波段时，不仅仅是不能共用LNA的问题，有可能天线尺寸差别较大，此时应重新进行链咱计算，并弥补小天线增益的不足； ——当网络协议不同时（通常称为异构型网络的互连），各主站要借助于互连设备来"辨认"来自其它网络的数据分组。例如图中，Hub A的基带处理设备无法"辨认"来自网络B的分组，可设计一个"半网关"将网际分组先还原成透明数据，再用Hub A的基带处理设备封装成连续TDM格式发送出去。
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（2）多个星形网的互连 从理论上讲，上述方案可以推广到两个以上星形VSAT网络的互连。但是当网络数目比较大时，增添设备的代价太高。另一种解决办法是在各主站之间开辟一条公用信道，用于网间数据的传送。图4是各主站的简易方框图。图中增加了对公用信道的收、发设备。
工作原理：主站以频率／接收本网VSAT站发送的分组，同时以f接收其它主站发来的网际分组，通过地址译码，去往本网VSAT站的数据用户以连续TDM方式发送，去往其它网络的分组则按照某种多址方式，以fcom先传到该网的主站，然后再广播发送到目的地VSAT站。 这里存在一个网际多址方式问题，以实现各主站之间的全网状联接。或者，也可以是星状联接，即各主站之间的分组传送都通过一个总的中心站转发，因此需要经过双跳卫星传播时延。选取什么样的拓扑结构和多址方式，要根据网间通信业务类型，对网间通信量的预测，对响应时延的要求，以及对诸多经济指标的综合评价来决定。 同样，当fcom与f在同一波段时，可以共用高功放和低噪声放大器。而当公用信道所用的卫星与本网不同时，主站需增添一付对准公用信道卫星的天线，联通网间通信的链路。 此方案的缺点是：（1）网际分组的传送时延明显增加。各主站之间若采用网状联接，则增加一跳卫星传播时延（约270 ms）；若采用星状联接，则增加两跳卫星传播时延（约540ms）；（2）fcom占用一定的卫星转发器带宽。优点是：（1）各主站互连设备一致，不涉及到针对不同的网络协议设计不同的网关，从而简化了工作，降低了费用；（2）当子网数目比较大时，相对于前一种方案所节省的设备费用可能远大于fcom占用卫星转发器的租金，而很多情况下数据传输增加270 ms（或者540 ms）时延并无妨碍。
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（1）两个网形网的互连 对于两个网形网之间的互连，可以设立一个中继站，如图5所示，负责对网间分组的转发。它既充当网络A的第（n＋1）个VSAT站，又相当于网络日的第（m＋1）个VSAT站。
工作原理：当某一VSAT站发送网际分组时，由于包含网际地址，本网的所有VSAT站都不接收此分组，而只有中继站接收，通过解调、基带处理，封装成另一网络协议的分组格式发送出去，如图6所示（同星的情况只需一付天线），从而地址相符的目的VSAT站收到该分组。可见，网间通信必须经过双跳卫星传播时延，但是并不另外占用卫星转发器带宽。 这个中继站也可以由某一VSAT站兼任，那么需要增添的设备只是图6的一半。但是这个站的选址要适合于同时接收这两个网络的信号频率。
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（2）多个网形网的互连 对于多个网形网的互连，仍需借助公用信道来完成网间通信，如图7所示。
考虑网络X的VSATi，发送数据分组到网络Y的VSATj。首先，VSAT，用频率fx，以网络X的多址方式发送分组，由于包含网际地址，只有中继站RX接收并得到数据，然后用频率fcom以网间多址方式发送分组。由于中继站RY的网际地址符合，因此得到分组并解调出数据。然后RY又用频率FY以网络Y的多址方式发送此数据分组，从而VSATj最后得到该分组。 与多个星形网的互连相似，各中继站之间可以采用全网状联接，也可以采用星状联接。但是星状联接将再增加一跳卫星传播时延，使网间传输达到总共四跳。 同样，各中继站可以由该网的某一VSAT站兼任。网间联接所使用的卫星，一方面应很好地覆盖所有这些中继站，具备良好的电波传播条件以实现可靠的通信；另一方面应尽量与各子网使用最多的卫星一致，并选用同波段转发器，以充分利用子网现有设备，降低成本。
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星形网与网形网的互连
（1）一个星形网与一个网形网的互连 基本思想：假设网络A是星形网，网络B是网形网，那么Hub A在充当网络A的主站的同时，也充当网络B的中继站，与网络B的VSAT站实行全网状联接。 工作过程：（1）当网络A的VSATi，发送分组到网络B的VSATj，时，首先只有Hub A能收到此分组，通过地址译码发现是去往网络B的，于是经过基带处理，数据封装成协议B的分组格式发送出去，从而地址相符的VSATj收到该分组；（2）当网络B的VSATj发送分组到网络A的VSATi时，由于网际地址不符，故网络B的原有VSATi站都不接收此分组，唯有中继站接收，经过基带处理将数据排在主站A的外向信道队列中，用TDM方式广播发送，从而网络A的VSAT，收到该分组。
（2）多个混合网的互连
如果是多个星形网和多个网形网的互连，方法与图7所示的基本原理一致，不过星形网中的主站当然就充当了中继站的角色。
至此，我们分析了各种拓扑结构的VSAT网络之间的互连。可以看出，网际分组传送时延最坏将达到四跳卫星传播时延。考虑到VSAT数据网通常对卫星信道共享的特点，实际的时延还会大于这个数值。这是个必须引起重视的问题，在选择互连方案时要进行分析和计算，看是否能满足用户的要求。
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X.25是数据终端设备(DTE)和数据电路终接设备(DCE)之间的接口规程。VSAT网可以视为X.25分组交换网，VSAT小站作为分组交换网络的DCE使用。用VSAT网组成的X.25网络不同于地面分组网，所以在VSAT的分组网中需要加一个集中器(Concentrator)。在若干VSAT小站X.25端口上，分组数据被卫星链路送到主站，通过主站集中器集中流向某个端口，这个端口连接到X.25的主机(Host)或分组交换机(Packet Switching Note)上。
采用集中器后，DTE工作时如同与分组网相连，同时，分组网工作时如同只与一个DTE相连，因此，不会影响通信。而且，多个VSAT小站公用一个主站端口可以节约通信费用。
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VSAT X.25 网的三种配置
1.有分组交换机的分组交换网
这是最常用的网络配置方式。利用交换机，分组网可以提供灵活、多样的功能以满足不同用户的通信要求。在VSAT卫星分组网中，由于所有分组数据都通过主站，因此分组交换机一般放置在那里。
当两个VSAT小站要建立通信时，需要分组交换机的支持。其中一个VSAT小站的用户终端(DTE)要建立虚呼叫时，它发送“呼叫请求”(Call Request)分组。分组通过空间链路到达主站，再被送到交换机。经交换处理后，“入呼叫”(Incoming Call)分组被送回主站，再次通过卫星链路到达被叫VSAT终端。如果被叫终端接受请求，就发送“呼叫接受”(Call Accepted)分组，呼叫接受分组的传输过程和上述过程相同。总之，VSAT小站→卫星→主站→分组交换机→VSAT主站→VSAT小站，这是两个VSAT用户终端通信时分组数据的流程。
2.无分组交换机的分组交换网
在很多应用场合中，远端的VSAT小站用户终端只与某个主机通信。例如，数据采集、中心数据库和集中编码等。不需要两个VSAT用户终端之间的通信，也就不用分组交换机。虽然分组交换机是分组交换网的重要组成部分，但对于覆盖面积非常广的卫星广域网来说，相距遥远的VSAT主站与小站之间可以通过卫星建立直接连接。卫星呈现为一种对所有地面站都透明的信道，无需路由选择和交换。
为了模拟分组交换机的接口模式，主站端口被定义为X.25 DCE并与X.25主机(Host)相接。
3.LAPB点对点的配置
LAPB(Link Access Procedure Balanced，平衡型链路访问规程)被广泛应用在X.25数据链路层中，它通过置异步平衡模式(SABM)命令要求建立链路。用LAPB建立链路只要求由两个站中的任意一个站发送SABM命令，另一个站发送UA响应即可建立双向的链路。
在VSAT的分组网中，主站和小站之间完成点对点的LAPB协议，即在卫星链路中只传送LAPB。
没有分组层，使得数据不具备交换和路由选择功能，但减少了处理时间，增加了吞吐量。
LAPB的点对点配置的分组网有以下特点：
不允许小站对小站的呼叫，只有小站对主站的通信。
只能完成点对点的通信。
比较适合交互式的业务。不适合文件传输，因为空间传输时延的影响，文件传输会中断。
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VSAT数字数据网
数字数据网，又称DDN网，提供端到端的透明数字连接。它方便快捷地将异地的终端设备连接起来，中间不做任何处理。
在VSAT网中，如果能实现BITT(BIT Transparent，透明位传送)协议，就可以完成透明传输用户数据的功能，即DDN网功能。
利用VSAT卫星网可以实现以下DDN网功能：
1)利用VSAT网建立VSAT远端用户到主站的双向透明连接如果有两个终端需要通信，一个在主站附近，另一个在远端，而且他们的通信要求透明，VSAT会利用TDM或TDMA双向卫星共享信道，建立VSAT小站与卫星、卫星与主站之间的双向联系。VSAT小站把进入端口的数据不做处理地直接打成适合卫星传输的包输入卫星信道，传到主站，主站按照相反的过程解包，恢复原始数据流。
由于卫星传输覆盖面广的特点，在完成上述过程时没有中间结点和用户线，最大限度地减少了故障点，增加了可靠性。
2)利用VSAT网建立VSAT远端用户之间双向透明连接 当两个远端用户终端要求通信时，分别在两个VSAT小站上建立小站与主站的双向透明信道，然后利用短接装置把两个端口短接。
3)点对多点的单向透明传输
主站用户终端向若干单向VSAT用户终端传播数据。
4)点对多点的双向透明传输
主站用户终端同时与若干双向VSAT用户终端通信。
VSAT在广域网的应用还有很多，这里只简单地介绍了两种(X.25与DDN)最简单、最广泛的应用。随着计算机和数据通信技术的发展，具备许多卫星通信优势的VSAT将会得到越来越广泛的应用。
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目前在VSAT网络中经常用到的多址接入方式按信息工作方式分主要有频分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)、时分多址TDMA(Time Division Multiple Access)、码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)、随机多址方式和预约可控多址方式等。多址接入方式的特性主要可从以下几个方面考虑,
(1)信道共用效率或吞吐量(throughput)，也即多址信道承载的有效业务量所占用的时间百分率；
(2)接入时延，即信息到达端站和开始在信道上传输之间的时间；
(3)稳定性，指是否能避免和解决由于业务量的增加所造成的阻塞；
(4)当信道出现误码或者设备故障时所表现的健韧性(robustness)；
(5)在建站开通以及增加新站或新业务时的运行特性；
(6)VSAT端站所需硬件和软件的实现成本和复杂性。
在进行系统设计时，应充分考虑所建网络的目的以及需要传输的业务性质，然后决定采用何种接入方式。根据目前VSAT技术的发展，用于VSAT传输的业务性质无非可概括为两大类：一类是以传输语音、大片数据和图像、会议电视等综合业务的高速率VSAT网络，这时固定分配FA和按需分配DA方式是很有效的接入方式，其典型的接入方式有FDMA(DAMA)和TDMA(DAMA)；另一类是以传输交互式、突发数据业务为主的VSAT网络，这是把信息分组交换应用于卫星通信上的业务需求，其信息传输的特点是数据随机、间断地接入卫星信道，传输速率的峰值和平均值差别很大，在这种突发数据业务里的VSAT系统中广泛采用随机ALOHA接入，典型接入方式有P－ALOHA、S－ALOHA和SREJ－ALOHA等应用。下面将具体探讨这些典型接入方式的工作特性。
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1 连续业务的多址接入
(1)固定分配和按需分配
固定分配FA(Fixed Assignment)是将转发器资源以固定形式分配给端站使用。这种方式所要求的系统技术和设备相对简单，但当某端站的瞬间业务量大于系统所分配的容量时，端站只能存储或拒绝业务请求，从而会造成时延增加或产生呼叫阻塞，而另外的端站即使有多余容量也不能使用，网络资源未能得到充分利用。
按需分配DA(Demand Assignment)是根据各个端站的传输量的需求来分配系统资源的。这些需求信息或者通过一个专用的信息信道上传输，或者在业务信道上分段送回到主站的网管中心，网管中心响应需求并临时分配一个信道给这个业务使用，当业务完成后，又收回此信道的使用以便分配给下一个需求者，可以看出按需分配方式可以较好地利用卫星资源，所以连续业务的多址接入大都采用了按需分配。
按需分配也存在其固有的缺陷，比如传送请求信号的信令信道会占据系统容量，当信令信道采用固定载波传输时，为了把信令信道的使用限制在系统总容量的合理范围内，便会限制网络中VSAT端站的数量。如果为了方便地在网络中增加新的端站而避开这种限制，可以采用随机接入信令信道的方案，但这又可能会使信令造成碰撞，从而增加了业务通信建立所需要的时延。
在按需分配系统中，在信息被传送前，必须先进行请求信令的传输和信道配置，所以该业务信息必须首先在站内等待，传播时间加上处理时间，总的时延可能高达1－2秒。如果送一条消息就必须建立一次连接，那么这种方案就很不适应突发业务短信息的传输。比如传送一条信息其长度为200字节，传输速率为64kb/s，则所需时间为25ms，而连接建立的时延约1.5s，则在传输该消息之前的报头时延是信息传输时间的60倍，效率非常低下。对于这种突发性短信息业务，就必须用到后面将讨论的随机多址方式。
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(2)FDMA/DAMA和TDMA/DAMA
FDMA是一种传统的多址方式，在VSAT系统中一般采用SCPC/FDMA，尤其在以话音业务为主的系统中更是大量采用单路单载波SCPC(Single Channel Per Carrier)方式，将其与DAMA技术相结合，可以很大程度地提高信道利用率。SCPC的另一个优点是各个端站发射功率大小仅与本站发射信道有关，而与整个系统的信道数无关，从而业务量较小的端站可以使用较小的功率，降低了小站成本，但多载波的存在又会引发交调和回退问题。
TDMA方式下，各端站并没有自己单独的频率和带宽，而是所有端站共享一个大的载波，将此载波按时间分配给各端站使用，也即每个端站在同一带宽以同一频率按时间的先后顺序发送自己的载波脉冲串。卫星链路的容量等于单位时间内发送的比特数，在TDMA方式中，如果某端站想获得与采用FDMA相同的射频链路容量，则该站必须发送较高的比特率。
所以RTDMA>RFDMA，而载波所需功率与其比特率成正比，再考虑到端站突发之间的保护时隙，对端站的功放而言，TDMA方式要比FDMA方式所需的功率大很多。
纯TDMA方式所要求的大功率阻碍了此技术的应用，为了降低TDMA方式所需的功率，可以加入DAMA以及跳频FH(Frequency Hopping)技术，DAMA技术使端站的分配时隙按业务量的大小改变，FH技术将一个大载波分成几个小载波，使所传业务在必要时变到另一个载波上工作，这种多载波TDMA/DAMA/FH方式避免了使用很大的TDMA载波，降低了小站发射功率和成本，但此时同样引入了卫星转发器和端站功放的多载波功率回退问题，所以必须在设计时找到一个最佳的折衷点。
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交互式数据业务和多址接入
交互式数据业务大多采用随机方式争用信道，称随机多址。网络内各端站根据需要可随时向信道发送信息，在信道中各用户的一部分信息脉冲可能会互相碰撞，根据碰撞解决算法CRA(Collision Resolution Algorithm)，有的信息脉冲可顺利地到达接收方，有的信息脉冲会被碰撞丢失，丢失的信息必须再次发送，直到收到对端的确认信息为止。
具体的随机多址协议有P－ALOHA、S－ALOHA和SREJ－ALOHA等多种方式。
ALOHA网的历史回顾
在60年代末期，随着数据业务的迅速增长，现有的电话网络已不能满足计算机联网的需要。其基本原因在于，传统的电话网是多年前为连续话音通信设计的。交互式时分共享的计算机系统中所传输的数据和电话网中所传输话音信号的主要区别是：(1)用户终端与计算机之间的数据传输具有突发性，两次突发之间有相当长的时间没有数据传送；(2)计算机网络中的数据通信具有非对称性，从中央计算机传送到用户终端的平均数据量远大于从终端发往中央计算机的平均数据量；(3)计算机数据通信所要求的可靠性远高于话音通信。为了研究用于无线通信来取代传统的电话网络，以实现计算机通信的可行性，并决定在何种场合采用无线通信而不是传统的有线通信更为适宜，夏威夷大学于1968年9月开始研制ALOHA系统——一种实验性的计算机网络。该系统于1971年6月建成，随后又通过租用的卫星话音信道与ARPANET相连接。在此基础上，又于1973年建成了世界上第一个通过卫星(ATS－1)实现数据包广播的网络。
ALOHA网的重要意义并不在于这是第一个用无线信道实现计算机通信的网络，而在于它首次在无线信道中引入了数据包(又称分组)广播这一结构，这种结构与传统的点对点信道及分组交换网有很大不同，故称之为ALOHA信道。通过这一公共的广播信道，网中的每个用户随时都可以给另一用户发送信息，完全不需要同步。ALOHA信道的主要优点是：(1)允许大量间歇性工作的发射机共享同一信道，不需要路由选择与交换，建网简单。(2)利用ALOHA信道进行数据通信时，中心台或服务器只需要一个高速接口，而不必为网中的每个用户提供一个单独的接口。
(1)纯ALOHA(P－ALOHA)
纯ALOHA又叫异步ALOHA，其信道不设置时隙，也没有网络同步信号，各个端站可以随时向信道发送信息，当发生碰撞时，解决的办法是随机的延迟后重发受碰撞的分组数据。
ALOHA协议的传输效率用归一化的吞吐量S来度量，以每分组长度成功发送的分组数来表示。假定分组长度为L比特，分组的持续时间为τ，发送的比特率RC=L/τ，则平均传输比特率
上式中〈〉表示取其平均值。S取决于提供的平均业务量G(用每分组长度的分组数表示)和网络中VAST的端站数，其中G由新产生的分组和需重新发送的分组组成。
不妨设N趋于无穷大，则
S=Ge－2G(3)
当G=0.5时，S达到最大值0.184，可见P－ALOHA方式的信道利用率是很低的。
(2)时隙ALOHA(S－ALOHA)
S－ALOHA在P－ALOHA方式上进行了改进，即将载波在时域上分成许多固定的时隙，各端站的数据分组以固定的长度在时隙内传送，具有严格的起始和结束时间，两个分组只有在完全相同的时隙内发送才会发生碰撞，所以分组受碰撞的概率被很大程度地降低，系统吞吐量得到提高。对应于式(3)，其吞吐量S的表达式为
S=Ge－G(4)
当G=1时，S达到最大值S=e1=0.368。
可见S－ALOHA的最大吞吐量比P－ALOHA大一倍，但是由于S－ALOHA需要划分时隙并配置同步系统，因而增加了设备和网络运行的复杂性，结果部分抵消了最大吞吐量改善所带来的好处。
(3)预约ALOHA(Reservation ALOHA)
为了更有效地利用卫星信道，可采用预约ALOHA。该协议把信道时间分成帧，每帧再分成M＋1个时隙，前M个时隙用来发送信息包，第M＋1时隙再进一步细分成V个子时隙，供网中的发射机按分隙ALOHA方式发送预约信号，一旦预约成功，该发射机便可利用前M＋1个时隙中的某个空闲时隙发送信息。由于在前M＋1个时隙内不会发生“碰撞”，预约ALOHA的信道效率可高达0.88，但其代价是进一步增加了延时及系统的复杂性
(4)选择拒绝ALOHA(SREJ－ALOHA)
在P－ALOHA方式的信息碰撞中可以发现，多数碰撞都是局部的，所以可以将该信息分组中未被碰撞的部分接收下来恢复，而只将实际碰撞的分组部分重发，从而研发出了SREJ－ALOHA方式。
在SREJ－ALOHA方式中，消息由可以独立检测固定长度的分组组成，每个分组有自己的报头(Header)和捕获前置码(Acquisition Preamble)。SREJ－ALOHA的最大吞吐量可达0.368(不计额外开销)。实际上，由于报头和捕获前置码的存在，最大吞吐量可在0.2－0.3范围内，约为P－ALOHA的两倍。
SREL－ALOHA既具有一般ALOHA方式共有的不需要定时同步和适用于分组长度可变的重要特点，保持了P－ALOHA的健韧性和低的实现复杂度，又克服了由于碰撞导致信道利用率低的缺点，相应改善了延时分布和工作稳定性。
第七章幻灯片2
第一代移动卫星服务（MSS）采用同步轨道全球波束，移动终端为大型终端，如INMARSAT系统。第二代MSS主要用于覆盖低业务密度地区，或在地面系统拥塞时提供支持。
LEO轨道高度500~1500Km，MEO轨道高度10000 Km左右。
LEO系统又分为大LEO和小LEO系统，大LEO系统一般提供实时话音、数据、寻呼、传真、RDSS；小LEO系统一般提供低速率数据、1GHz以下RDSS。
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在各种网络技术都在向提供高质量IP业务的方向发展的时候，在覆盖范围和传输距离方面具有无可比拟优势的全球宽带卫星通信系统的出现也就顺理成章了，目前出现的全球宽带卫星系统多达85个，但很明显未来的市场不可能容纳那么多的卫星系统，按照目前的发展情况看，步子迈得较快的有Teledesic、Skybridge、Spaceway、CyberStar等系统。这些系统均从未来宽带业务需求出发，将GEO（静止轨道卫星）系统的多点广播功能和LEO（低轨道卫星）系统的灵活性和实时性结合起来，工作于Ka波段或Ku波段，可为固定用户提供高速的交互式业务和广播业务，除Internet高速接入外，还可提供会议电视、可视电话、远程应用等多种交互式业务。也就是说，利用全球宽带卫星系统可建设宽带的“空中Internet”，这是一种具有类似于光纤通信业务能力的网络，同时，作为一种宽带接入系统，在没有宽带地面基础设施，或者是采用地面基础设施很不经济的地区可用于宽带无线本地环路。
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Skybridge是由Alcatel Espace发起的，参与者有Aerospatiale、CNES、Loral、东芝等。其接入网络基于ATM（异步转移模式），终端用户与系统之间是非对称链路，到用户的最大数据速率达2Mbps，通过关口站返回链路的最大速率为2Mbps。Teledesic的主要投资者为开创蜂窝通信的Craig McCaw、微软公司总裁比尔盖茨、摩托罗拉公司、波音飞机公司和沙特阿拉伯王子Alwaleed，该系统可支持数百万用户同时接入，在半径100km的范围内，能支持至少500Mbps用户终端的收发数据。Spaceway是由休斯公司推出的，工作于Ka频段，其终端为超小型的VSAT，天线直径可小到66cm，上行链路速度可达6Mbps，用户可根据自己的需求选择数据速率，收费以用户实际占用的资源为计算依据。Cyberstar由Loral公司拥有，其卫星接入部分主要包括一个小的卫星接收天线，Cyberstar软件和一个能装在服务器或PC上的卫星接收适配卡。
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ORBCOMM系统中的射频通信工作在137～150（MHz）的甚高频（VHF）。ORBCOMM卫星拥有一个可以提供4800bps的连续分组数据流的用户数据发送器，以及多个2400bps的突发短分组流的用户数据接收机。如果整个星座部署完毕，该系统可以提供近乎实时的全球无线数据通信服务。
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在ORBCOMM系统中，所有通信都必须经过ORBCOMM网关。一个ORBCOMM网关包括一个网关控制中心（GCC）和一个网关地面站（GES）。GCC用于管理和处理报文流量和计算机软硬件。GES提供卫星星座和GCC间的链路。
如下图所示为一个ORBCOMM系统的组成示意图，通过该图我们来说明一个典型的应用例子。
首先，一个ORBCOMM系统用户A产生一个报文，希望传递到另一个用户B的计算机中。用户A使用其计算机中的电子邮件程序将该报文下载到用户通信器中。
第二步，用户通信器SC将该报文发送给卫星，卫星将接收到的报文重新编制格式并发往网关地面站GES。
第三步，GES通过专用信道将报文发送给GCC,GCC通过公共交换网将报文传送给接收用户B的ISP。
第四步，用户B通过拨号与其ISP相连，下载该报文。
最后一步，一个应答报文将沿如下的可反向路径传送：PC通过公共交换网连接英特网，通过英特网到GCC，GCC到GES，GES到卫星，最后从卫星到用户通信器，用户通信器到用户终端显示。即使是“直接”的用户间连接也要通过ORBCOMM网关。
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用户通信器和卫星星座间的通信信道有两种：随机访问信道和预留/消息信道。网络控制中心（NCC）负责分配卫星的用户数据接收器使用这两种信道。随机访问信道允许在网关报文交换系统（GSS）和SC之间传送短报文和控制分组，或者ORBCOMM系统为更长报文分组分配消息信道。在SC允许传送前，需要一个下行信道用于在卫星和SC之间的会晤建立过程。这个下行信道的分配依赖于当前卫星与哪个ORBCOMM网关相连，当前卫星正在使用的上行随机访问信道的频率和其它相关的系统信息。系统信息每隔几秒便更新一次。最基本的多址访问协议是标准Aloha协议的变体。下面具体描述一下协议流程会晤建立一旦SC上电，其射频接收器便会自动根据其存储的卫星下行信道列表来搜索卫星信号。如果没有找到任何卫星信号或是搜索到的卫星信号功率不足以锁定，那么SC便会在137～138Mhz的卫星到用户的频段上寻找所有可能的信道。如果仍然没有找到，那么SC将进入休眠状态（Sleep），经过预定好的休眠期后，再激活进行搜索。
如果SC找到一个卫星信号，那么便可以根据该信号包含的控制信息进行会晤建立。控制信息包括定时信息，相连接的ORBCOMM网关和当前的随机访问上行信道。（可用信道列表根据DCAAS过程经常发生变化）卫星大约每8秒重传一次信息。
SC发出的报文传输如果用户产生了一个报文信息在SC的信息队列中，SC便启动一个数据建立和传送过程，称为获取/通信过程（Acquire/Communicate）
A/C过程分为两步：
第一步，SC向卫星发送“发送请求”，在没有干扰或是在同一接收信道中没有时间重复突发信号时，卫星正确接收信号，并返回控制信息给SC。SC在定时结束前正确接收该控制信息，否则，重新发送请求信号。
第二步，在SC接收到控制信息后，SC以突发形式向卫星发送数据报告（Data Report）（最多6个字节），发送大数据量的请求或是控制信息。
信息报文传输如果在来自SC的突发短报文中有发送大数据量报文（信息报文）的请求，那么负责的ORBCOMM网关的GMSS将回应一个分配分组，含有传送该信息报文所需的分组数量及长度。卫星将选择一个预留时隙和一个上行链路频率信道将该应答分组传送给SC以完成此次分配。SC根据应答信息以突发方式向卫星用户数据接收器发出大量数据报文。在每一次突发发送后，SC等待接收从GMSS发来的确认。如果SC接受到的确认中含有分配发送分组的信息，它就按照指定的时间和上行信道发送一次突发分组。这个过程重复至报文传输完成。
此协议的好处在于其容错性能好。在分组未被正确接收或者卫星移走时该系统能自动恢复。
事实上，同一信息报文的不同分组可以经过不同的路径（一些分组通过一个ORBCOMM卫星，而一些分组则通过另一个ORBCOMM卫星），利于变化的拓扑。GMSS将报文集中并完整的发送。下图是这样一个数据传输会晤的流程图。
幻灯片
SC中止的报文传输如果ORBCOMM网关有报文发给SC，那么它先发送分配分组给指定的卫星，该卫星再将此分配分组发给SC。SC发送一个“准备好接收”的分组作为此分配分组的应答。ORBCOMM网关收到该分组后便向SC发送报文，直至SC对最后一个分组确认后结束。下图是该过程的流程图。
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ORBCOMM服务特色
ORBCOMM系统提供四种基本服务类型（报文格式），包括：数据报告，信息报文，指令和全球数据报。
数据报告（Data Report）：用户发短消息是所使用的报文格式，消息长度少于6个字节采用随机接入协议。数据报告可按需产生或者定时产生。它还能够发送正确传输的确认信息给ORBCOMM网关，或是要求用户重传，以此来节约空间段的资源。
信息报文（Message）：SC接受或发送的较长的数据报文，典型长度小于100个字节。采用短的分组以及卫星保留信道传送所有分组的确认或重发以确保信息报文的可靠传送。信息报文通过公共或私人数据网进行接收或者发送。当SC应用户或是网络的请求发出信息报文时，报文都是以预留方式进行分组的。
指令（Commands）：发往SC的短数据，一般长度小于5个字节。指令可用来作为与SC相连的设备的启动信号。确认信息不是必需的。
全球数据报（GlobalGrams）：当卫星没有与ORBCOMM网关相连，此时该卫星与SC之间的通信便采用全球数据报格式。对于SC中止全球数据报，卫星将存储的数据分组发送给提出请求的目的SC，而如果SC将全球数据报发送到卫星上，卫星首先对该报文进行存储，当卫星运行打SC所要求连接的GCC服务区域，并与GCC建立连接后，将该报文转发给适当的GCC。这种卫星存储转发方式适用于海洋及偏远地区。
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系统由VITA（技术支援志愿者组织）维护。
通信系统包括两颗卫星、用户终端、地面站网关和一个数据中心。系统提供E-mail服务和数据服务。数据服务从全球采集数据，例如环境监测。最先出现的用于减灾和发展的LEO卫星受到VITA的支持，1992年获得美国联邦通信协会FCC颁发的永久性非实验“技术先驱”证书。由于和Surrey大学、Surrey卫星技术有限公司（英国Guildford）一起协作，VITA展示了使用LEO卫星（1984年发射的UoSat-2和1990发射的UoSat-3）对发展中国家来说是可行的选择。地面站使用改进的业余无线电硬件，采用了专门开发的通信软件（基于X.25协议）,并用了额外的软件来处理跟踪天线系统。两颗卫星都发射在离地大约800Km的准极轨道上,它们一天4次经过赤道、14次经过极地地区。过顶时间随仰角不同在5到15min之间变化，这可由跟踪软件预测，软件每月通过NASA更新升级。基于UoSat-3和改进的数据流协议，良好的连接允许传输几十万字节的信息，虽然地面站标称速率只有9600bps。
VITA建立或帮助建立了25个这样的地面站，大多数在非洲，使用UoSat-3，对PACSAT实验通信卫星的有效载荷提供设计和资助。VITA同时通过在印度尼西亚群岛上几个乡村的工程项目证明LEO也可以在无人状态下可靠地传输遥测数据。SatelLife公司（波士顿）在LEO的健康和医疗信息的传输的实践上也作出了显著的贡献。
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Teledesic系统将通过288个LEO卫星组成的星座系统提供全球性的光纤质量通信连接。Teledesic系统是迄今为止最雄心勃勃的低地轨道通信星座系统，其卫星数量之多(最初计划为840颗卫星)，建造成本之高(最初估计为90亿美元)，创低地轨道(LEO)星座系统之最。该系统还将作为网络运营商，支持从高品质的话音、宽频视频会议、交互式多媒体和实时双向数据。Teledesic是由微软主席Bill Gates和McCaw 蜂房通信公司创始人Craig McCaw支持。该系统将使用Ka频带从用户收发信号。每颗卫星作为大规模分组交换网络的节点。估计该系统将于2002年开始服务，其总耗资大约90亿美金。
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Ellipso是一项由移动通信股份有限公司发起的耗资910百万美元的工程。它计划将17个卫星安置在取得专利权的MEO轨道上，使用宽带CDMA来提供声音、数据、传真、寻呼、信息和GPS等服务项目。Ellipso将使用GSM网络系统模型做为它的网络系统基础，支持SS7。预计在2000年将投入使用。Ellipso仍在发展之中而且它的价格也可能改变，预定的价格和今天的蜂房电话类似，远远低于那些预期的竞争者的价格。
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空间段：
星座配置了两个互相补充的轨道：BOREALIS和CONCORDIA。卫星分阶段实施：首次4个卫星，接着在Concordia轨道增加3颗卫星。赤道轨道，覆盖了南纬50度到北纬50度之间大约世界人口的3/4。接着为北纬50度以上地区增设两个椭圆轨道平面BOREALIS，每平面五个卫星，以此来增加容量，完善覆盖。
BOREALIS轨道提供在北纬适当范围的覆盖，在两个椭圆轨道的平面上安置10颗卫星。轨道倾角116.6°，远地点7605Km，近地点633Km，轨道周期3小时。远地点靠轨道的最北极。
CONCORDIA轨道覆盖从南纬50度到北纬50度范围，重点是BROEALIS卫星未考虑的热带地区和南半球。首次发射7颗卫星在赤道圆轨道上，该轨道高度8050Km，接着补充4颗卫星，最后发射剩下的3颗。
ELLIPSO使用低成本卫星，把网络智能系统安置在地面，便于升级。卫星把ELLIPSO用户（终端单元）和ELLIPSO地面控制站（网关）连接起来，连接到电信网或其他的网络系统。大量处理功能在地面站内完成，这就减少了卫星的尺寸、重量和成本（星上处理比相当的地面处理要昂贵），而且允许更大灵活性。ELLIPSO卫星在波音GPS卫星基础采用三轴稳定设计。
ELLIPSO卫星准备一次性发射5颗，这依赖于所使用的火箭。完整的七颗CONCORDIA卫星可以在赤道区域和南部提供连续的覆盖。在两个倾斜平面内10颗BOREALIS卫星能加强容纳能力，启动全球服务。在需要时每个轨道可补充卫星。由于ELLIPSO的独一无二的轨道设计，BOREALIS和CONCORDIA能够在服务领域内独立地提供24小时服务。
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ELLIPSO地面段可以支持大多数的因特网、语音和数据服务。使用相对少的地面站来提供全球连接，为了提高网络系统的效率，地面站安置靠近区域光纤中心。
地面控制站（GCS）作为卫星用户和地面网络系统之间的连接点，它处理与卫星实际联系的追踪、切换、调制和复用。每个GCS通常追踪和使用两颗卫星，同时监测第三颗卫星。GCS管理终端的位置、应用和收费。起初12个网关将逐渐建设，以获得全球覆盖，在需要的基础可进一步网关。
ELLIPSO将构建一个IP骨干网络连接网关和合作网络、网络控制中心。帮助ELLIPSO无缝连接合作网络，无论无线或有线方式，无论何种协议。
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ELLIPSO的用户终端在形式和功能上和移动电话、PDA类似。他们在外观感觉和费用上和人们今天使用的手机、汽车电话相似。ELLIPSO移动终端采用双模式，用户在多数时刻进入本地网络系统，当他们不在网络覆盖区或网络阻塞时，进入ELLIPSO模式。ELLIPS用户一般都有可以使用上述服务功能的手机，部分设备提供信息、因特网、其他功能。他们甚至能被用作便携机等通讯设备的调制解调器。
ELLIPSO将为基本交通工具提供汽车电话，包括轮船、卡车、飞机和商务、个人交通工具。汽车电话有增强的功能，例如无线连接的天线装置。
幻灯片24
系统交换模式包括：
电路交换：GSM标准
分组交换、互联网协议模式频率：用户→卫星 2GHz频段；卫星→地面站 5/7GHz
ICO系统包括空间段和地面段（ICONET）。
空间段：
2个圆轨道，正交，倾角45°，高度10,390km中轨，全球连续覆盖。轨道周期大约6小时。
10颗卫星，2颗备用。备用卫星地面保存，必要时补充发射。每颗卫星两个S波段收发天线，127个辐射单元，最多163波束。
弯管式转发。
地面段：
ICONET为IP宽带网络，连接卫星与地面网络。卫星接入点（SAN）分布在世界各地，光纤连接。
6个SAN作为测量、跟踪、控制站，从英国总部卫星控制中心对卫星实施连续监控。
其余地面站提供卫星业务路由接口，连接到公共网络；管理网络路由。地面站包括5个部分：
5个通信天线；
电路交换、分组交换设备；
登记中心，支持移动、呼叫、接入管理；
增值业务平台，支持话音、传真、数据消息；
GPRS设备。
空中接口：
通信协议与地面蜂房网类似。同时希望发展支持下一代无线应用，数据速率提高到144Kbps。
互操作功能：
电路交换模式：计划采用GSM标准作为数字通信协议平台，同时希望使用其它标准支持用户漫游出移动网。
分组交换和互联网协议模式：希望支持GPRS。
第八章
