衛星互聯網微波通信關鍵技術

张更新

南京邮电大学教授、博士生导师，卫星通信研究所所长，主要从事卫星通信、空间信息网络方面的教学和科研工作；出版学术著 作5部，发表三大检索论文一百多篇；作为课题负责人完成科研项目二十多项，其中包括国家863计划项目4项、国家自然科学基金重点项目3项、国家科技重大专项项目2项、型号项目4项，获省部级科技进步一等奖1项、二等奖8项、三等奖3项，授权国家发明专利25项；是《通信学报》等期刊编委，科技创新2030重大项目“天地一体化信息网络”专 家组成员，国家自然科学基金、国家科技计划、国家科技奖、学位与研究生教育等评审专 家；是中国通信学会卫星通信委员会委员，中国电子学会通信分会专 家委员、卫星通信和专网通信专技委委员。

第 1章 概論 001

1.1 衛星互聯網概述 002

1.1.1 發展背景 002

1.1.2 發展現狀 003

1.1.3 典型應用 005

1.2 衛星互聯網微波通信系統的一般組成及特點 007

1.2.1 一般組成 007

1.2.2 組網方式 009

1.2.3 網絡特點 010

1.3 通信鏈路 011

1.3.1 地面鏈路 012

1.3.2 星地鏈路 012

1.3.3 星間鏈路 012

1.4 通信衛星 013

1.4.1 通信衛星組成 013

1.4.2 通信衛星平臺 013

1.4.3 通信衛星有效載荷 014

1.5 地球站 014

1.6 網絡管理 017

1.6.1 網絡管理系統的組成及各部分的功能 018

1.6.2 現代網絡管理系統模型 019

1.6.3 網絡管理系統的基本功能 019

1.6.4 簡單網絡管理協議 022

1.7 工作頻率的選擇與分配 024

1.7.1 工作頻率選擇的原則 024

1.7.2 無線電頻率窗口 025

1.7.3 ITU對有關衛星業務的工作頻率分配 026

參考文獻 029

第 2章 衛星軌道與星座設計 031

2.1 衛星運行軌道的基本概念 032

2.2 常用的空間參考坐標系 033

2.2.1 天球及其基本概念 034

2.2.2 衛星軌道描述中常用的參考坐標系 034

2.3 常用的時間系統 035

2.3.1 太陽日和恆星日 035

2.3.2 世界時 036

2.3.3 原子時 036

2.3.4 協調世界時 037

2.3.5 標準時 037

2.4 描述衛星位置的軌道要素 037

2.5 衛星軌道的攝動 039

2.6 衛星軌道分類和特點 040

2.7 範艾倫輻射帶和衛星軌道高度窗口 042

2.8 衛星星座的類型及表示方法 044

2.9 衛星星座的覆蓋性能分析 046

2.10 衛星星座參數的優化設計考慮 047

2.11 全球覆蓋衛星星座設計 049

2.11.1 極軌星座方案設計 049

2.11.2 玫瑰星座方案設計 052

參考文獻 053

第3章 電波傳播與微波通信鏈路 055

3.1 電波傳播的基本概念 056

3.1.1 電磁頻譜劃分 056

3.1.2 電磁波的自由空間傳播特性 057

3.1.3 影響電波傳播的大氣層因素 058

3.2 對流層對電波傳播的影響 059

3.2.1 氣體吸收損耗 059

3.2.2 雲霧損耗 061

3.2.3 大氣閃爍 061

3.2.4 去極化效應 062

3.3 電離層對電波傳播的影響 064

3.3.1 法拉第旋轉 065

3.3.2 電離層閃爍效應 065

3.4 多徑傳播效應 068

3.4.1 多徑效應 068

3.4.2 時延擴展與相乾帶寬 070

3.4.3 平坦衰落與頻率選擇性衰落 071

3.5 多普勒效應 073

3.5.1 基本原理與多普勒頻移 073

3.5.2 多普勒擴展與相乾時間 074

3.5.3 快衰落與慢衰落 075

3.5.4 統計通道模型 076

3.6 噪聲與乾擾 078

3.6.1 系統熱噪聲 078

3.6.2 宇宙噪聲 080

3.6.3 外部環境乾擾 081

3.6.4 同頻乾擾 082

3.6.5 鄰道乾擾 084

3.6.6 碼間乾擾 085

3.6.7 其他乾擾 086

3.7 雨衰與抗雨衰 088

3.7.1 增加系統噪聲溫度 088

3.7.2 降低信號交叉極化鑒別度 088

3.7.3 信號電平衰減 088

3.7.4 抗雨衰技術 090

3.8 鏈路計算 092

3.8.1 鏈路預算分析 093

3.8.2 全鏈路傳輸質量 094

3.8.3 鏈路預算實例 095

參考文獻 097

第4章 微波通信天線技術 099

4.1 天線基礎知識 100

4.1.1 天線的工作原理 101

4.1.2 天線的分類 104

4.1.3 天線主要性能指標 104

4.2 線天線 106

4.2.1 半波偶極子天線 107

4.2.2 交叉偶極子天線 109

4.2.3 螺旋天線 110

4.3 口徑面天線 114

4.3.1 喇叭天線 114

4.3.2 反射面天線 119

4.4 微帶天線 128

4.4.1 微帶天線的基本類型 129

4.4.2 微帶天線輻射原理 131

4.4.3 微帶天線饋電方式 132

4.4.4 微帶天線技術及其陣列 134

4.5 相控陣天線 137

4.5.1 相控陣天線原理 137

4.5.2 相控陣天線的互耦問題 144

4.6 典型衛星地球站天線 145

4.6.1 地球站天線跟蹤技術 145

4.6.2 地球站固定天線 151

4.6.3 地球站便攜式天線 151

4.6.4 地球站移動載體天線 152

4.7 典型星載天線 155

4.7.1 成形天線 155

4.7.2 多波束反射面天線 157

參考文獻 162

第5章 射頻微波電路 167

5.1 微波傳輸線 168

5.1.1 傳輸線的分類 168

5.1.2 微帶線 169

5.1.3 帶狀線 170

5.1.4 共面波導 172

5.1.5 基板集成波導 174

5.1.6 耦合微帶線 175

5.2 多模諧振器與濾波電路 178

5.2.1 多模諧振器 178

5.2.2 SIW雙模濾波器 183

5.2.3 三模濾波器 184

5.3 功分器與功率放大器 191

5.3.1 Wilkinson功分器 191

5.3.2 耦合線功分器 194

5.3.3 微波功率放大器 199

參考文獻 204

第6章 高通量衛星通信技術 207

6.1 高通量衛星通信系統概述 208

6.1.1 高通量衛星的定義與發展歷程 208

6.1.2 高通量衛星的標準協議 211

6.1.3 高通量衛星的關鍵技術與挑戰 217

6.2 面向新一代高通量衛星的跳波束技術 218

6.2.1 跳波束技術基本原理 218

6.2.2 跳波束衛星系統發展歷程 219

6.2.3 跳波束衛星系統的組成 220

6.2.4 跳波束衛星系統的通信體制 222

6.2.5 跳波束衛星系統的工作流程 226

6.3 跳波束系統的資源分配方法 227

6.3.1 時空二維衛星寬帶業務模型 227

6.3.2 波束跳變周期和波束駐留時間 229

6.3.3 基於業務需求的時隙分配算法 230

6.3.4 面向資源高效利用的跳波束圖案設計 234

參考文獻 236

第7章 面向海量連接的低軌衛星物聯網技術 239

7.1 物聯網技術概述 240

7.1.1 物聯網定義及其基本特徵 240

7.1.2 物聯網的體系架構 242

7.1.3 物聯網的典型應用 243

7.2 衛星物聯網的基本概念 246

7.2.1 衛星物聯網的定義及其特徵 246

7.2.2 衛星物聯網的體系架構 249

7.2.3 衛星物聯網的業務分類及其特徵 252

7.3 物聯網典型通信體制及其在衛星物聯網中的適應性分析 255

7.3.1 衛星物聯網的工作頻段 255

7.3.2 NB-IoT技術體制及其在衛星物聯網中的適應性分析 257

7.3.3 LoRa技術體制及其在衛星物聯網中的適應性分析 263

7.4 衛星物聯網的多址接入技術 269

7.4.1 ALOHA和時隙ALOHA 269

7.4.2 擴頻時隙ALOHA 272

7.4.3 容碰撞分集時隙ALOHA技術 275

7.5 衛星物聯網典型系統與應用 279

7.5.1 軌道通信系統 280

7.5.2 天基廣播式自動相關監視系統 282

7.5.3 天基船舶自動識別系統 285

參考文獻 286

第8章 頻譜認知與乾擾分析技術 289

8.1 頻譜感知概述 290

8.1.1 主用戶發射機檢測 291

8.1.2 主用戶接收機檢測 301

8.1.3 協作感知 303

8.2 信號特徵識別 309

8.2.1 信號檢測 309

8.2.2 參數估計 318

8.3 頻譜占用狀態建模 330

8.3.1 時域模型 330

8.3.2 頻域模型 332

8.3.3 空間域模型 332

8.4 乾擾分析 333

8.4.1 場景分析 333

8.4.2 分析模型 337

8.4.3 乾擾模擬分析 339

參考文獻 345