1.1 卫星通信的基本原理

因为本书主要介绍卫星通信网的管理控制，而管理控制系统的设计和实现人员大多并不熟悉通信专业，所以本书对卫星通信的原理进行一些入门介绍，以便为读者理解后续章节做些铺垫。

1.1.1 卫星通信链路

如前所述，卫星通信利用卫星作为中继站，在两个地球站之间实现微波通信。卫星通信链路就是信号从一个地球站经卫星中继到另一个地球站的传输链路。因此，在卫星通信中，信号传输在两个地球站之间进行，一条单向传输链路包括地球站（发射机）、上行链路、通信卫星及转发器、下行链路、地球站（接收机），如图1.1所示。

发送端地球站的发射机的作用是将信源基带信号变换成适合在地球站与卫星之间传输的微波射频信号，并将信号放大到足够的功率，通过定向天线发射向卫星。由于存在传输损耗，地球站发出的射频信号经大气层和太空3万多千米的远距离传输到达卫星时，已经非常微弱。从地球站到卫星的信号传输途径称为上行链路。卫星上的微波信号接收机接收这个微弱的信号，再将其适当放大、变频（收发不能同频，否则就会互相干扰）后经发射天线发射向地面。卫星中继转发后的信号，再经太空和大气层3万多千米的远距离传输到达接收端地球站时，由于存在传输损耗，也已经极其微弱了。从卫星到地球站的信号传输途径称为下行链路。接收端地球站的接收机将这个极其微弱的射频信号接收下来，进行适当放大后再变换成基带信号，传给信宿。卫星通信链路上述各部分（或环节）的详细组成和工作原理将在后续小节中分别进行介绍。

20世纪80年代以后，卫星通信大多都是数字化的了。在数字化通信中，信源一般是基带数字信号，如计算机输出的二进制数字信号，信宿接收处理的也是基带数字信号。卫星通信链路的目标是将信源的基带数字信号无差错地传输到信宿，但实际上总会有一些差错，目前大多能够做到误码率不高于10 ^-5 。

1.1.2 卫星通信的工作频段

前面提到，卫星通信是一种微波中继通信，但实际上也不仅限于微波频段。ITU-T对无线电通信的频段及其名称有过定义，IEEE则进行了更细的划分，以便统一卫星通信设备的射频接口。ITU-T还对频段的使用进行了划分，规定了某个频段的哪些频带用于卫星通信，以便与地面无线电通信或雷达信号错开，避免相互干扰。

1.ITU-T的频段划分

ITU-T将适用于卫星通信的无线电信号划分为以下3个频段。

UHF（Ultra High Frequency）频段，也称分米波频段，频率范围为300MHz～3GHz。UHF频段的无线电波已接近视线传播，虽然会被山体和建筑物等阻挡，但还有一定的绕射能力。如果在室内传播，其遮挡损耗就较大。

SHF（Super High Frequency）频段，也称厘米波频段，频率范围为3～30GHz。该频段的无线电波的传播特性已接近于光波，基本上只能视线传播。该频段是卫星通信的传统频段。

EHF（Extremly High Frequency）频段，也称毫米波频段，频率范围为30～300GHz。该频段还处于待开发利用阶段，发达国家正在开展试验利用。

2.IEEE的频段划分

IEEE在ITU-T频段划分的基础上进行了细分，划分了L、S、C、X、Ku、K、Ka等频段。

L频段，频率范围是1～2GHz。该频段主要用于卫星定位、地面移动通信。

S频段，频率范围是2～4GHz。该频段比较适用于气象雷达、船用雷达和卫星移动通信。

C频段，频率范围是4～8GHz。该频段最早用于雷达探测，现在则大量用于卫星通信，也是较早用于卫星通信的传统频段。卫星通信大多使用上行5850～6425MHz/下行3625～4200MHz频段，简称6/4GHz频段。

X频段，频率范围是8～12GHz。该频段主要用于雷达、地面通信、卫星通信及空间通信。卫星通信多使用上行7.9～8.4GHz/下行7.25～7.75GHz频段，简称8/7GHz频段。

Ku频段，频率范围是12～18GHz。它是比K频段低的频段，因此称为K-under频段，简称Ku频段。该频段主要用于卫星通信、太空通信。卫星通信多使用上行14.0～14.5GHz/下行12.25～12.75GHz频段，简称14/12GHz频段。

K频段，频率范围是18～26.5GHz。频率22.24GHz对应水蒸气的谐振波长，此时电磁波会被水蒸气强烈吸收而严重损耗。这个频段很少用于卫星通信。（注：也有文献把12～40GHz都称为K频段。）

Ka频段，频率范围是26.5～40GHz。它是比K频段高的频段，因此称为K-above频段，简称Ka频段。卫星通信通常使用上行27.5～31GHz/下行17.75～21.25GHz频段，简称30/20GHz频段。

3.工作频段对卫星通信的影响

根据无线电波的传播理论，无线电信号的频率越高，可以实现的单路传输带宽就越大，即可以实现的数据传输速率就越高；无线电信号的频率越高，发射无线电信号的天线就可以做得越小。比如现在C频段常用2.4m口径的天线，Ku频段常用1.8m口径的天线，Ka频段则常用0.75m口径的天线。如果无线电信号的频率足够高，同步卫星上的小型天线就便于实现很窄的波束。因此，实现区域波束覆盖和可移动点波束覆盖的卫星通信天线一般都工作在Ka频段。

但是，无线电信号的频率越高，对信号进行处理，尤其是把信号放大到足够功率的地球站发送设备的实现难度就越大；无线电信号的频率越高，电波就越只能沿直线传播，对信号遮挡就越敏感；大气层中的乌云、雨雪对卫星通信信号的衰减很严重，无线电信号的频率越高，衰减越大，只有当频率小于1GHz时，大气衰减才几乎可以忽略。

因此，早期的卫星通信主要工作在C频段，其传输条件比较稳定，降雨损耗影响比较小，设备实现难度也相对较小。随着电子技术的进步，卫星通信的工作频段才逐步向Ku频段甚至Ka频段延伸，现在则还有正在试验毫米波频段的卫星通信，甚至激光卫星通信也正在试验中。

当然，随着电子技术的进步，同样频段的卫星通信设备也在不断地改进。比如早期C频段卫星通信地球站的天线口径多为15～30m，随着信号处理能力的提高，现在通常使用口径为2.4～3m的天线了。

1.1.3 通信卫星及转发器

在卫星通信系统中，通信卫星当然是最重要的组成部分之一，对卫星通信的性能和质量具有决定性的影响。通信卫星有很多种类。最常见的是按照卫星运行的高度不同，将通信卫星分为低轨道（Low Earth Orbit, LEO）卫星、中轨道（Medium Earth Orbit, MEO）卫星和高轨道（Highly Elliptical Orbit, HEO）卫星。轨道高度为36500km左右的HEO卫星对地球的公转周期与地球自转周期一致，因此又称为地球同步轨道卫星，简称同步卫星。同步卫星又可以分为地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit, GEO）卫星和倾斜地球同步轨道（Inclined Geo Synchronous Orbit, IGSO）卫星。同步卫星的轨道平面相对赤道平面的倾角为零时就是GEO卫星，不为零时为IGSO卫星。对于GEO卫星，从地球上任意一点来看，卫星都是静止的。对于IGSO卫星，其星下点轨迹是一个正“8字”形，卫星飞越的南北纬的最高纬度就是其轨道倾角。GEO卫星在通信中应用最为广泛，也可以说，用于卫星通信的同步卫星大多是GEO卫星，因此，在不加专门说明的情况下，本书后面的“同步卫星”就是指GEO卫星。

由于卫星所处轨道的高度和倾角不同，使得利用不同卫星的卫星通信方式具有各自的特点，简要描述如下。

GEO卫星通信的特点如下。

（1）覆盖范围大。理论上，三颗GEO卫星即可覆盖除两极外的整个地球表面。

（2）卫星对地静止，地球站无须复杂的天线伺服系统。

（3）星地距离远，终端需要较高的发射功率。

（4）传输时延大，两个地球站通过GEO卫星转发，传输时延超过250ms。

（5）无法覆盖高纬度地区。

（6）轨位资源紧张。由于GEO卫星都位于赤道平面上，为了保证互不干扰，两颗卫星之间需要一定的间隔，因此不能无限制地增加卫星。

（7）存在星蚀和日凌的影响，甚至会造成卫星通信中断。

IGSO卫星通信的特点如下。

（1）覆盖范围大。理论上，三颗IGSO卫星即可覆盖整个地球表面（非连续覆盖）。IGSO卫星对高纬度地区的覆盖要优于GEO卫星。

（2）通过调整倾角，可以实现对一定区域的重点覆盖。

（3）由于星地距离与GEO卫星相同，终端同样需要较高的发射功率，传输时延也大。

（4）不存在星蚀和日凌影响导致的通信中断现象及轨位资源紧张的情况。

LEO卫星通信的特点如下。

（1）单颗卫星覆盖范围小，因此往往需要多颗卫星组成星座才能提供连续服务，整个系统庞大且复杂。

（2）星地距离近，通信时延小，且方便实现地面终端的小型化。

MEO卫星轨道介于HEO和LEO之间，因此MEO卫星的诸多特性介于HEO卫星和LEO卫星之间。

每颗通信卫星都是由卫星平台和有效载荷两部分组成的。其中，卫星平台是各类卫星的基本组件，为整颗卫星（及其有效载荷）提供必要的电力，并实现卫星的跟踪、遥测、姿态控制、轨道控制、热控等功能；有效载荷决定卫星的用途。通信卫星的有效载荷就是指专门用于完成通信业务的部分，用于接收地球站的信号、变频并放大后发射回地球站。通信卫星的有效载荷一般又分为转发器和通信天线。

1.1.3.1 卫星平台

卫星平台也称为服务舱，一般分为以下几个分系统：电源分系统、姿态轨道控制分系统、推进分系统、温控分系统和跟踪遥测指令分系统。各分系统的简要组成和主要功能如下。

（1）电源分系统为整颗卫星提供足够的电能，主要包括太阳能电池和蓄电池。常用的蓄电池有镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。大功率通信卫星也有采用原子能电池的。

（2）姿态轨道控制分系统是姿态控制分系统和轨道控制分系统的总称，简称姿轨控分系统或控制分系统。该分系统由各种传感器（地球传感器、太阳传感器、陀螺仪等）、姿态轨道处理器（计算机）和执行机构（喷嘴、动量轮等）组成。卫星轨道控制包括变轨控制、轨道保持、返回控制和轨道交会等功能，其目标是保持卫星在预定的轨道上飞行，如GEO卫星要保持与地球的相对位置“固定不变”。通信卫星的天线需要保持对准预定的地球区域，通信卫星的姿态控制就是要使卫星上的固定天线始终指向预定的地球表面位置。卫星姿态控制包括姿态稳定和姿态机动两部分。

（3）推进分系统是卫星轨道和姿态控制的执行机构，是利用卫星自身携带的“工质”（通常是火箭燃料），依靠反推力在真空条件下改变卫星的轨道、姿态和运动速度的整套装置。当卫星发射定轨后，影响卫星工作寿命的主要因素不是电子器件的寿命，而是推进分系统燃料的储量。

（4）温控分系统也称为热控分系统。卫星工作的空间热环境非常极端，体现在两个方面：一方面是温度的差异很大，面向太阳的一面可能非常热，而面向深空的一面可能非常冷；另一方面是这种冷热会快速变化。卫星上的电子元器件和设备只能在一定的温度范围内工作，且对温度及温度变化的要求各不相同，因此卫星的热控就非常重要了。热控分系统的主要任务就是保证卫星上的全部元器件和设备的温度及温度变化都维持在设计要求的范围内。热控手段主要有被动和主动两种。常用的被动手段有使用热控涂层和热包覆，实现恒温和绝热，或者使用热管对有关部件进行热补偿或热传导。主动手段主要是使用加热器、恒温箱等加热装置对需要进行温度维持的部位进行加热。

（5）跟踪遥测指令分系统分为跟踪和遥测两部分，其中，跟踪部分用来向地球站发送信标信号，以便地球站跟踪卫星；遥测部分用来实现与地面测控站的通信，接收来自地面测控站的卫星控制指令，转发给其他分系统实施卫星控制，并给地面测控站发送有关卫星姿态和各部件工作状态的数据。

1.1.3.2 通信天线及波束

发射天线的作用是将射频电信号变成同样频率的电磁波辐射出去，接收天线的作用则相反。通常的天线都设计成具有方向性的，只在特定的方向上辐射/接收电磁波，因此就会形成天线增益（详见1.1.5节的介绍）。

通信卫星上的天线有两类：一类是用于地面测控站与卫星之间传送遥控、遥测指令数据，以及发射信标的信号天线，这类天线的要求比较单一；另一类是用于转发器收发地球站射频信号的通信天线。本节只介绍通信天线。

通信卫星上的通信天线因辐射/接收信号的方向性而形成“波束”，在波束内的地球站才能收到卫星转发的电磁波，也只有在波束内的地球站发送的电磁波才能被卫星接收。大多数情况下，接收和发送的波束是一致的。当一个卫星的通信天线对着地球时，地球表面处于波束内的区域就称为波束覆盖区。根据波束覆盖区的大小和形状，可以把通信天线分为全球波束天线、点波束天线和赋形波束天线（各波束示意见图1.2）。各种波束的定义如下。

全球波束：根据几何原理，同步卫星对地球的整个视区是地球表面的1/3，因此能够覆盖地球表面1/3的波束称为全球波束。

点波束：波束越窄，覆盖区面积就越小，覆盖区明显小于地球表面1/3的波束称为区域波束，而覆盖区很小（比如直径为数百千米）的波束就称为点波束，且点波束覆盖区一般都为圆形。有些点波束会设计成可以“移动”的，即波束的朝向可以根据业务需要调整，以改变覆盖区。

赋形波束：通信卫星可能是只为某个特定国家服务的，而一个国家的地域往往不是圆形或接近圆形的，圆形的波束会覆盖太多的“国外”区域，造成浪费，因此就出现了赋形波束。赋形波束覆盖区的轮廓接近“国界”或特定区域（但不太可能刚刚好），如主要覆盖中国国土区域的波束。

1.1.3.3 转发器

通信卫星是专门用于转发信号的有源人造地球卫星，因此转发器是通信卫星的核心部件。卫星转发器可以分为透明转发器和处理转发器两类。

透明转发器的功能组成如图1.3所示。来自接收天线的地球站信号是非常微弱的，需要利用低噪声放大器对弱信号进行适当放大，然后进行变频和高功率放大后通过发射天线发回地球站。其中变频是必需的，接收到的信号不能放大后就直接转发出去，收发同频会造成极大的自相干扰，使地球站无法正常工作。以Ku频段的卫星转发器为例，其接收到载频为14GHz的上行信号以后，要将信号变换成载频为12GHz的下行信号后再发出去。因为转发器接收到来自地面的信号后，除低噪声放大、变频和高功率放大外，不对信号做任何其他的加工处理，只改变了载频和信号的大小，不改变调制方式、信号带宽和信号中叠加的噪声等，使工作频带内的任何信号都“透明地”通过，所以这类最简单的转发器称为透明转发器。

处理转发器则不仅要转发信号，还要对信号进行除变频和放大以外的其他处理。其功能组成如图1.4所示，一般要先将射频信号变换到中频，再将信号解调（类似地球站中的接收功能），恢复出基带信号后再进行处理。经过处理的基带信号又进行调制、变频、放大后通过天线发回地面（类似地球站中的发送支路）。

处理转发器的星上处理功能各式各样，要根据转发器的功能而定。最简单的一类星上处理功能是，信号处理单元是“直通”电路，整个转发器实现的是数字信号的解调再生，使得上行链路的噪声干扰还没达到影响解调的程度就被转发器上的解调过程“清零”了，上行链路的噪声与下行链路的噪声不会叠加累积，从而减少接收站的解调误码。还有许多复杂的星上处理方式，如在不同的转发器之间进行转发，或者将上行FDMA信号变为下行TDMA信号等，限于篇幅，本节不做一一详述。

1.1.4 地球站的组成及功能

卫星通信的地球站主要实现向卫星发送信号和从卫星接收信号的功能，同时提供到地面网络或用户终端的接口。一个典型的卫星通信地球站由用户接口设备、信道终端设备、发送/接收设备、天馈伺设备和电源组成，如图1.5所示。尽管一开始的卫星通信是模拟通信方式，但现代的卫星通信基本上都是数字化的了，因此本书后面只介绍数字卫星通信的相关技术。

（1）用户接口设备：接收用户设备传来的信号，将其变换成适合在卫星通信链路上传送的基带信号，基带信号的速率要符合卫星链路的传输带宽；反过来，将卫星通信链路上接收到的基带信号变换成用户设备支持的信号。这些功能也称为信源编/解码功能，其中还可以包括去除信号中的冗余即数据压缩/解压功能。由于用户设备千差万别，用户接口设备的功能也就多种多样了。如果用户设备是个普通的话筒和耳机，用户接口设备就要进行模/数转换、信源编码/解码；如果通信需要保密，一般保密机也属于用户接口设备的一部分；如果用户设备是数字程控电话交换机，则用户接口设备还要有交换机信令识别和处理等功能。

（2）信道终端设备：接收来自用户接口设备的基带信号，对其进行信道编码、成帧、加扰码、成形滤波、载波调制等处理，将基带信号调制到中频载波上，再将已调制的中频信号传给发送设备；反过来，对来自接收设备的中频已调制信号进行解调、信道解码等反变换，恢复出基带信号，传给用户接口设备。

信道编码的作用是提高数据传输的可靠性：依据特定的编码算法，在原始的基带数字信号（码流）中插入一些冗余的码元，接收端利用这些冗余的码元进行检错和纠错，将错误的码元纠正回来，从而降低传输的误码率。卫星通信中常用的信道编码方案有卷积码、RS码、BCH码等。信道译码则是信道编码的逆过程：接收方按照一定的译码准则对接收到的码元序列进行判决，发现存在差错的码元并将其纠正。常用的译码准则有最小错误概率准则、最大似然译码准则等。

载波调制是将基带信号转换为适合无线信道传输的频带信号的过程。一般用基带信号去控制载波的某些特性，比如载波的幅度、频率或者相位，这些改变后的载波特性与基带信号存在固定的映射关系。换言之，通过对载波的调制，就可将基带信号所携带的信息“加载”到载波上。载波本来是一个单频信号，被基带信号调制以后的载波信号（称为已调信号）就变成一个频带信号，信号频谱有一定的带宽。卫星通信中常用的载波调制方式有PSK、QPSK、FSK等。解调是载波调制的逆过程，是从携带信息的已调信号中恢复出基带信号的过程。为了方便调制/解调过程的实现，信道终端设备一般都将基带信号调制到一个不太高的载频上，这个频率还没有达到卫星通信所用的射频频率，通常称为中频，调制后的频带信号也称为中频信号。因此，发送/接收设备中有变频器件。

（3）发送/接收设备：发送设备的作用是将已调制的中频信号转换为上行射频信号，并对这个射频信号进行功率放大，还可以将多个不同载频的射频信号合路后一并进行功率放大；接收设备的低噪声放大器对来自天线的微弱信号进行放大，然后将下行射频信号转换为中频信号后传送给信道终端设备，必要时进行分路。

上变频的作用是将中频信号变换成射频信号，只改变信号的载频，不改变信号的其他特征，也称频谱搬移。卫星通信的射频频率一般都是GHz量级，将基带信号直接调制到这些射频载波，频差太大，在技术实现上有一定的难度。因此，在卫星通信的工程实践中，往往是先将基带信号调制到一个中频载波上（一般频率为70MHz），再让载频为中频 f _m 的已调信号与某个频率为 f _r 的射频载波一起通过非线性电路，以产生这两个信号的和/差频谐波（这一过程也称为混频），然后通过滤波留下一个和频（ f _r + f _m ）或差频（ f _r -f _m ）信号，即可得到载频等于和频（ f _r + f _m ）或差频（ f _r -f _m ）的新已调信号，实现将已调信号频谱搬移到射频频段的目的，这一过程就称为上变频。从射频变换回到中频的过程类似，称为下变频。

高功率放大器简称高功放，其作用是将已调制射频信号进行放大，以达到足够大的信号功率，使得射频电磁波从地球站天线发出，经过几百甚至几万千米的传播到达卫星时还有足够的强度能让卫星转发器接收到。关于射频电磁波的传输损耗，详见1.1.5节。

低噪声放大器简称低噪放。卫星发射的电磁波经过长距离传播后，到达地球站时已经非常微弱，天线接收的电信号自然也非常微弱。这个微弱信号放大后才能由接收电路进行处理。然而，所有的放大电路都会产生噪声，噪声太大就会“淹没”有用的信号。因此，用来放大微弱信号的放大器自身的噪声必须非常小，保持足够的信噪比。低噪放就是一种自身噪声系数很小的功率放大器。

（4）天馈伺设备：是天线、馈线、伺服跟踪设备的合称。天线的作用是将射频电信号变换成电磁波向特定的方向辐射，或者反过来。关于天线的辐射特性和增益详见1.1.5节。因为射频电信号在介质中的传输损耗不小，为了减少收发设备（一般在室内）与天线（一般在室外）之间射频电信号的传输损耗，卫星通信地球站需要使用专门的低传输损耗射频信号传输电缆（简称馈线）。伺服跟踪设备用于控制天线的朝向，使其始终对准通信卫星。即使是GEO卫星，因为控制的误差，它也不是绝对静止的，而是在一定的区域内飘移。对于方向性较强的天线，必须随时校正自己的方位角与仰角以对准卫星。这个模块不是每个地球站都必备的。

（5）电源：将交流电转换成整个地球站各功能模块需要的直流电，不同的模块所需电压可能不同。

1.1.5 卫星通信的增益与损耗

根据前面所述，对信号由A站发送，经卫星转发器转发，由B站接收的卫星链路，影响传输信号强弱变化的环节主要有高功率放大器（对射频电信号进行放大）、地球站天线（聚焦射频电磁波辐射方向）、从地球站天线到卫星转发器天线的长距离电磁波上行空间传播（会有辐射扩散，使电磁波变弱，大气吸收也会使电磁波变弱）、卫星天线（聚合接收电磁波）、转发器（变频和信号放大）、卫星天线（发射电磁波）、长距离下行空间传播、地球站天线、低噪声放大器等。其中，使信号变大或电磁波增强的环节一般用增益来表示其变大的幅度，使电磁波变弱的空间传播环节一般用损耗来表示其变弱的程度。

1.1.5.1 天线的增益及收发性能

天线的基本作用是将电信号转变成电磁波辐射出去，或反过来，将接收的电磁波转变成电信号。天线的第二个重要作用是将电磁波向特定的方向辐射，或者将特定方向的电磁波汇集到一起，前者就像探照灯将光线聚焦射向一个方向一样。天线聚焦电磁波辐射方向的特性一般用天线的辐射方向图来描述，如图1.6所示，图中的曲线描绘了天线在各方向辐射电磁波的相对场强（归一化值）。天线辐射方向图一般应该是三维的，但大多数天线辐射方向图都具有轴对称性，因此用二维辐射方向图也能准确地描述。二维天线辐射方向图一般呈花瓣状，故又称为波瓣图，其最大辐射方向两侧第一个零辐射方向线以内的波束称为主瓣，与主瓣方向相反的波束称为背瓣，其余零辐射方向间的波束称为副瓣或旁瓣。

在卫星通信中，一般使用定向天线把电磁波聚集辐射在一个方向上，这个方向上的波束主瓣越窄，波束的聚焦效果越好，到达接收天线的电磁波就越强。当然，天线主瓣越窄，波束方向的对准就越不容易。通常使用增益（记作 G ）来刻画天线对电磁波的聚焦能力。定向天线增益 G 的定义为

这里的 G 是无量纲的，只是一个倍数。但实际使用中，一般使用分贝（dB）作为天线增益的单位。分贝定义如下：

[ G ]=10lg G (dB)

卫星通信中经常使用的喇叭天线、抛物面天线等面状天线的增益一般可按下式计算：

式中， A 为天线口面面积（m ² ）； λ 为射频载波的波长（m），它与频率 f （Hz）的关系为 c = fλ ，其中 c 为电磁波在真空中的传播速度，即光速，约等于3×10 ⁸ m/s； η 为天线效率，因为电信号与电磁波通过天线进行转换时，总存在一些损耗。一般情况下，抛物面天线的天线效率为0.7左右。

在实际应用中，通常用 G / T 值和EIRP来分别表示地球站或卫星的接收和发射能力。 G / T 值为接收天线的增益 G 与接收系统的噪声温度 T 的比值，单位为dB/K。 G / T 值越大，说明地球站或卫星接收系统的性能越好。EIRP为天线所发射的信号功率 P _T 与该天线增益 G 的乘积，即EIRP= P _T G 。EIRP表明了定向天线在最大辐射方向上实际所辐射的电磁波功率比全向辐射时在这个方向上所辐射的功率大 G 倍。

1.1.5.2 空间链路损耗

无线电波在真空中传播，称为在自由空间传播，它的传播特征为扩散衰减。电磁波在空间中是以球面波的形式传播的，电磁能量扩散在整个球面上，而接收天线只能接收其中的一小部分，这就是电磁波的扩散衰减，也称为自由空间（真空）传播损耗或传输损耗。衰减定义为距辐射源某传播距离处的功率密度与单位距离处的功率密度之比。用 L _f 表示发射天线发出的电磁波到达接收天线后的损耗大小，其计算公式如下 ^[1] ：

式中， λ 为电磁波的波长； d 为传播距离。对于同步卫星通信来说，传播距离约为36000km，如果工作在C频段，对于6GHz的射频信号来说， L _f =8.2×10 ¹⁹ ，约为200dB。

然而，在实际情况下，卫星通信的电磁波并非都是在真空中传播的，太空段可以认为基本上是自由空间，但大气层就不是真空了。既然是在大气介质中传播，电磁波能量会被介质消耗，大气吸收和折射会造成衰减，多径衰落和电离层闪烁也会造成损耗。更严重的是，大气层中有时会存在雨、雾、云、雪等，这些“大”颗粒对电磁波的吸收和折射更多，造成的传输损耗也就更大。而且电磁波频率越高，在大气层中的传输损耗也越大。由于大气层条件不固定，卫星通信中的大气损耗很难计算，一般通过测量得到。

1.1.5.3 互通条件

假设 P _T 是某地球站发射端发出的信号功率（单位为W）， G _T 和 G _R 分别是发射端、接收端的天线增益； L _f 表示上行和下行链路电磁波传播路径上的传输损耗总和，卫星转发器包含收发天线和信号放大器的增益总和记为 G _S ，则某地球站接收机接收到的信号功率 P _R （单位为W）为 ^[1]

当 P _R 大于等于接收机的灵敏度时，信号就能被正常接收，否则接收到的信号可能有严重失真，严重失真就意味着信噪比太小。对于模拟通信方式，信噪比小就代表接收到的信号中含有太多噪声；对于数字通信方式，接收到的信噪比小，信号失真严重，意味着解调获得的数字信号误码很多，无法满足通信要求。

如果知道接收端能够容忍的最小接收信号功率（接收机的灵敏度），理论上，根据式（1.2）就能计算出发射端的最小发射功率。不过，在实际情况中，天线跟踪会有一些误差，电磁波的极化方向也会有误差，这些误差都会造成天线增益的损失。所以，根据式（1.2）计算的发射功率要有一定的裕量。

1.1.6 卫星通信的多址接入方式

卫星通信中，多个地球站要通过共同的通信卫星转发器与其他地球站进行通信。这些地球站如何互不干扰地共享某个卫星转发器的全部射频带宽，并且使接收站能够准确地接收自己该接收的卫星转发信号，这就是卫星通信中的多址问题。卫星通信的多址接入方式是指卫星通信系统内多个地球站以何种方式共用卫星转发器进行信号收发，一般分为传统多址接入方式和随机多址接入方式。

1.1.6.1 传统多址接入方式

卫星通信中常用的多址接入方式主要有频分多址、时分多址、码分多址、空分多址及它们的混合形式。

频分多址（Frequency Division Multiple Access, FDMA）：把可用频带分割成多个子频带，把每个子频带分配给一对地球站，使一个地球站在此子频带上发送，另一个地球站在此子频带上接收。两个地球站双向互通要占用2个子频带。这里的子频带可以是等带宽的，也可以是不等带宽的。

时分多址（Time Division Multiple Access, TDMA）：各地球站都以同一个载频、相同的数据速率发送和接收（因此发送的信号占用相同的射频频带），为了避免各地球站发送的信号互相干扰，需要将各地球站的发送时间错开（以电磁波信号到达卫星的时刻为准），为此，可以将整个发送时间分为周期重复的帧，再将帧分为若干时隙，把每个时隙分配给一对地球站，一个地球站在此时隙内发送，另一个地球站在此时隙内接收。每个帧内都有一个这样的时隙，周期重复。两个地球站双向互通要占用2个时隙。

码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）：各地球站都以同一个载频、相同的数据速率发送和接收，并且可以一直发送而不必在时间上错开。这要利用正交编码原理，为每个地球站分配一个各不相同的正交码，也称地址码，所有地球站的地址码相互正交。每个地球站发送的载波既受基带数字信号（用户数据）调制，又受地址码调制。对于这样的调制信号，只有用相同的地址码才能正确解调出相应的基带信号，而其他地球站因地址码不同且正交，无法正确解调出基带信号。

空分多址（Space Division Multiple Access, SDMA）：利用卫星天线波束覆盖区的不同来隔离地球站之间的射频信号。如果卫星天线有多个点波束，且它们各自的覆盖区没有重叠，那么一个波束内地球站发送的射频信号就不会与其他波束内地球站发送的信号互相干扰，本质上就是利用空间的分割构成不同的信道。由于在一个通信区域内往往有多个地球站，空分多址往往要和其他多址方式结合，从而实现混合多址技术，如空分码分多址（SD-CDMA）等。

1.1.6.2 随机多址接入方式

在传统的FDMA和TDMA方式中，每个地球站都固定占用分配的频带和时隙，这对于持续时间长的语音通信和连续数据流业务来说，能得到较高的信道利用率。但是，大多数数据业务具有较强的突发性，如交互型数据传输、询问/应答类数据传输及信道申请和分配等管控信息的传输等，都只需要间歇地利用传输信道。如果采用传统多址接入方式传输这些间歇信号，固定占用的信道（频带、时隙等）就会经常出现空闲，其信道利用率比较低。为此，更适合数据业务传输的随机多址接入方式应运而生。

随机多址接入方式也叫争用多址接入方式，所有地球站共用一条共享信道（以相同的载频、相同的数据速率发送），但自主决定何时发送，无须与系统内其他地球站预先协调。由于每个地球站都可以随机地在信道上发送，就存在与其他地球站同时发送的可能。我们把两个或更多个地球站发送的信号同时在信道上出现的现象称为碰撞，发生了碰撞的信号是无法被正确接收的，这些数据需要重发。目前常用的随机多址接入方式主要有如下几种。

（1）纯ALOHA（P-ALOHA）：每个地球站一旦有数据需要发送，随时就可以发送。其主要优点是实现简单，系统业务量较小时时延较小（发送前无须等待）；主要缺点是由于存在碰撞（遭遇碰撞的发送都发送失败，浪费了信道）且需要重发，吞吐率（单位时间内成功发送的数据量与信道全时传输时可传数据总量之比）较低，理论上的最高吞吐率只有0.184，并且存在信道不稳定性。

（2）时隙ALOHA（S-ALOHA）：基本思想是在以卫星转发器入口为参考点的时间轴上等间隔地分出许多时隙（也叫时槽、时间片），各地球站只能在时隙的起始处开始发送，时隙结束就必须停止发送，每次发送占用一个时隙。由于在哪个时隙发送是完全随机的，碰撞仍然不可避免，但S-ALOHA比P-ALOHA的碰撞会少一些。S-ALOHA的优点是吞吐率比P-ALOHA增大一倍，理论上最高吞吐率可以达到0.368。

（3）具有捕获效应的ALOHA（C-ALOHA）：基本思想是各地球站以不同的功率发送信号，即使发生碰撞，其中功率最大的信号也能够被正确地接收。通过合理设计各地球站的发射功率电平，可以改善系统的吞吐率（最高可达P-ALOHA的3倍）。

（4）选择拒绝ALOHA（SREJ-ALOHA）：基本思想是对整个数据分组仍以P-ALOHA方式发送，但将每个分组分成若干个小分组，每个小分组插入各自的报头和前置码，这样接收端可以独立地接收每个小分组。如果发生碰撞，其中未遭遇碰撞的小分组能够被正确接收，只需要重发遭遇碰撞的小分组。SREJ-ALOHA具有P-ALOHA方式无须全网定时和同步、适合可变长度分组这两个重要优点，同时克服了P-ALOHA方式吞吐率低的缺点，其吞吐率可达0.2～0.3，但其实现要比P-ALOHA方式复杂。

1.1.7 卫星通信的组网方式

卫星通信的多址接入方式解决了众多地球站如何利用同一个卫星转发器的频带资源的问题，每个地球站都能利用卫星转发器向别的地球站发送信号，且互不干扰。卫星通信的组网方式则描述地球站与地球站之间的互通关系，比如两两直通或经过转发等，可以用网络的拓扑图来描述。拓扑图由节点和连接节点的边组成，地球站就是网络拓扑的节点，经通信卫星一次中继转发（也称单跳）实现互通的两个节点之间就有一条边，这条边代表一条单跳互通的卫星链路。共享同一组（一颗或多颗）通信卫星的转发器资源来实现连通的所有节点（地球站）的集合就构成一个卫星通信网。

每个卫星通信网都有一定的网络拓扑结构，这也就是卫星通信网的组网方式。卫星通信网的拓扑结构相对地面网络要简单一些，可以简单地分为星状网、网状网和混合网。

卫星通信中，单跳互通是指一个地球站发送的信号只经通信卫星转发一次就被对方地球站接收到，如图1.7所示。双跳互通是指要经卫星两次转发才能被对方接收到的情况。图1.8（a）给出了收/发地球站在同一颗卫星波束覆盖下，经中央站中继/转发实现双跳互通的情况；图1.8（b）给出了收/发地球站分别位于两颗卫星波束覆盖下，借助在两颗卫星共同覆盖区域（共视区）的中央站中继/转发实现双跳互通的情况。三跳、四跳互通情况以此类推。

1.1.7.1 星状网

在星状网中，外围各远端站仅与中央站/中心站通过卫星单跳互通，各远端站之间不能通过卫星直接进行单跳互通。在该网络拓扑中，所有的远端站都有边到中央站，任何远端站之间都没有直达边，但任意两个远端站又都可以经过中央站连通。因此，远端站之间的互通可以经过中央站中继/转发实现。图1.9中给出了星状网结构的一般示意和拓扑图，中央站发送的信号只有远端站接收，远端站发送的信号只有中央站接收，拓扑图中远端站之间没有连线（不能直接互通）。

采用星状网结构，所有的远端站只跟中央站单跳互通。根据1.1.5节的介绍，只要保持 G _T G _R 乘积足够大，就能满足卫星通信链路的互通条件。因此，如果中央站的 G _T 很大，远端站的 G _R 就可以小一些。根据这个原理，为唯一的中央站设计一个大天线，使其增益很大，则众多的远端站就可以采用较小的天线，不仅简单、廉价，也易于安装；在中央站实现集中的网络管理和控制比较方便；网络投资集中于中央站，后期的扩容（增加远端站）投资相对较小，并且可以在不影响在网远端站的情况下进行扩容。

星状网的缺点是，中央站成本高、功能复杂、天线口径大，中央站是全网数据交换的中心，若发生故障，则全网无法工作，因此其健壮性不如网状网；远端站之间的通信需要双跳，传播时延加倍，不太适合语音通信，且两次占用卫星信道，降低了信道利用率。

星状网适合远端站之间业务量不大，大部分业务都发生在远端站与中央站之间的情况，典型的星状网就是20世纪80年代兴起的VSAT网络。

1.1.7.2 网状网

在网状网中，任意两个远端站之间都可以通过通信卫星建立单跳互通，而不需要经过其他地球站中继/转发，如图1.10所示。图中，A、B、C、D、E都是远端站。

网状网的优点是，无须专门的大型中央站；远端站之间互通只需单跳，传播时延一般可在300ms之内，更加适合语音通信，也只需占用一次卫星信道；远端站之间的数据不需要经中央站交换，网络功能相对于星状网更简单，系统健壮性更好；当网内存在大量远端站之间的信息传输时，信道利用率较星状网高。网状网的缺点是，由于远端站之间要实现单跳互通，所以每个远端站的 G _T 和 G _R 都比较大，天线口径较星状网的远端站要大一些，远端站设备相对较复杂，价格相对较高；实现集中的网络管理和控制不太方便，因为没有一个远端站同时跟所有远端站处于持续互通状态。

由此可见，语音业务、多媒体业务或点对点数据业务适合采用网状网结构。

1.1.7.3 混合网

前面已经介绍，星状网和网状网各自都有优缺点，适合不同的应用场合。混合网则是网状网和星状网的结合，试图充分利用它们的优点。混合网通常以星状网为基础，有大量的小型远端站，它们只能与中央站单跳互通；但把通信量较大的远端站又设计成两两能够单跳互通（包括与中央站），它们之间构成网状网。混合网吸取了网状网和星状网各自的优点，比较经济合理且存在一定的可靠性，是目前常用的一种形式，如图1.11所示。在混合网中，中央站可以与所有的远端站保持单跳互通，便于对全网实现集中管理与控制，但部分远端站之间的数据不必经中央站转发。混合网络适合为中央站与远端站之间提供数据传输业务（对时延不敏感），为各对单跳互通的远端站之间提供语音业务（无法忍受双跳时延）。