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| 編輯推薦： |
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全面、系统介绍无线网络领域各项技术的高等学校教学用书，可满足总学时32~64学时，其中32~48理论学时，0~24实验学时，可根据实际自行调整。? 内容涉及无线通信和网络仿真基础、无线局域网、无线城域网和无线广域网、蜂窝移动通信、卫星网络和空天信息网络、无线自组织网、无线传感网、无线个域网、物联网、无线车载网、无线体域网、无线室内定位、无线家居网、无线网络安全等。? 深入剖析IEEE 802.11 ac、AODV、IEEE 802.15.4、ZigBee、6LoWPAN、CoAP、RPL、IEEE 802.15.6等典型协议。? 电子资源包括课件PPT、实验环境镜像、实验手册、仿真实例源码、演示动画、习题答案、教研网站平台等，可从出版社网站自行下载。? 30项配套实验，一部分仿真实验基于NS2平台，PC机即可完成，另一部分实测实验主要基于各种低成本的软硬件和嵌入式系统。? 可作为网络工程、物联网、计算机、通信、电子、自动化、信息安全等IT专业的本科生、硕士生、在职研究生、工程技术人员的教学用书或参考书。
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| 內容簡介： |
本书围绕当前主流的无线网络技术，系统介绍无线网络技术的原理、应用和相关实验。全书分12章，包括无线局域网、无线城域网和无线广域网、蜂窝移动通信网络、卫星网络和空天信息网络、无线自组织网、无线传感网、无线个域网、物联网、无线车载网和智能交通、无线体域网、无线室内定位、无线家居网、无线网络安全等内容。
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本书可作为网络工程、物联网、计算机、通信、电子、自动化、信息安全等专业的本科生、硕士生、在职研究生和相关领域工程技术人员的教学用书或计算机网络网络实践等课程的参考书。
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| 關於作者： |
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金光，男，中国计算机学会高级会员。毕业于浙江大学，获计算机科学与技术专业博士学位。现为宁波大学教授、研究生导师。长期从事计算机网络、无线网络、物联网等领域的教学科研工作，在《中国计算机学会通讯》、IEEE、Elsevier等国内外学术期刊和会议发表论文多篇。本书紧跟技术进步，不断完善更新，迄今已被国内近200所高校选用。
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| 目錄：
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目录Contents
第1章从计算机网络到无线网络1
1.1计算机网络技术概述1
1.1.1计算机网络的功能、发展、定义和组成1
1.1.2计算机网络的技术分类6
1.2计算机网络的协议体系10
1.3无线通信和无线网络简史13
1.4无线网络分类14
1.5计算机网络和无线网络应用16
1.6计算机网络技术进展18
1.7相关标准化和权威组织20
1.8本书概要23
习题24
深度学习24
参考文献24第2章无线通信和网络仿真技术基础26
2.1无线电频谱26
2.2无线传输介质和方式28
2.3损耗和衰落30
2.4调制33
2.5扩频35
2.6复用和多址38
2.7天线40
2.8MIMO43
2.9认知无线电44
2.10可见光通信和激光通信46
2.11无线充电48
2.12网络仿真技术简介49
2.13NS2基础知识52
2.13.1NS2的获取和安装52
2.13.2NS2的基本框架52
2.13.3NS2的简单语法53
2.13.4NS2主要类库介绍56
2.14用NS2进行无线网络仿真57
2.15构建网络仿真环境和无线信号测量实验58
习题59
深度学习59
参考文献59第3章无线局域网61
3.1无线局域网概述61
3.2无线局域网的组成与服务64
3.2.1无线局域网的组成64
3.2.2无线局域网的拓扑结构65
3.2.3无线局域网的服务67
3.3IEEE 802.11协议体系结构68
3.3.1IEEE 802.11协议标准简介68
3.3.2IEEE 802.11ac标准的物理层规范70
3.3.3IEEE 802.11ac标准的MAC层规范73
3.3.4IEEE 802.11adahax标准78
3.4IEEE 802.11信道分配79
3.4.1集中式管理环境的信道分配79
3.4.2无协调环境的信道分配80
3.4.3信道分配方案的挑战81
3.5IEEE 802.11测量及工具81
3.5.1IEEE 802.11测量的参数和步骤81
3.5.2IEEE 802.11的典型测量工具82
3.6其他无线局域网技术标准84
3.7无线局域网的应用84
3.7.1无线局域网的应用领域84
3.7.2无线局域网应用于公众图书馆86
3.7.3无线局域网应用于矿山采掘87
3.7.4WiFi雷达和信道状态信息感知88
3.8无线局域网的仿真实验89
3.8.1隐藏节点问题仿真实验90
3.8.2暴露节点问题仿真实验91
3.9无线局域网的实测实验92
习题93
深度学习94
参考文献94第4章无线城域网、无线广域网和蜂窝通信95
4.1无线城域网和无线广域网概述95
4.2IEEE 802.16WiMax标准96
4.2.1IEEE 802.16简介96
4.2.2IEEE 802.16的工作特性及关键技术97
4.2.3IEEE 802.16协议体系结构98
4.3IEEE 802.16WiMax工作场景99
4.4IEEE 802.20技术标准101
4.4.1IEEE 802.20的发展历程101
4.4.2IEEE 802.20的组成与模型101
4.4.3IEEE 802.20的性能和协议栈103
4.5蜂窝移动通信的2G3G4G5G技术简介104
4.5.1蜂窝移动通信技术概述105
4.5.22G技术105
4.5.33G技术106
4.5.44GLTE技术106
4.5.55G技术108
4.6无线城域网、无线广域网和蜂窝移动通信的应用111
4.7无线城域网和蜂窝移动通信的实验115
习题116
深度学习117
参考文献117第5章卫星网络和空天信息网络118
5.1卫星网络概述118
5.2卫星网络原理124
5.3典型的卫星网络系统130
5.4移动卫星系统通信标准和网络设计132
5.5卫星网络系统的应用135
5.6卫星网络的发展前景137
5.7卫星网络的仿真实验138
5.8空天信息网络143
习题146
深度学习146
参考文献146第6章无线自组织网络148
6.1Ad Hoc网络概述148
6.2MANET体系结构150
6.3MANET路由协议151
6.3.1MANET路由概述151
6.3.2MANET路由协议分类152
6.3.3MANET的典型路由协议154
6.4MANET的其他技术161
6.5无线网状网161
6.6Ad Hoc网络的应用163
6.7MANET的仿真实验165
习题168
深度学习168
参考文献168第7章无线传感器网络170
7.1传感器技术简介170
7.2无线传感器网络概述171
7.3无线传感器网络的体系结构173
7.4无线传感器网络的协议分析177
7.4.1无线传感器网络的协议栈177
7.4.2无线传感器网络的协议研究178
7.4.3定向扩散路由协议179
7.4.4Sensor MAC协议183
7.5无线传感器网络的应用186
7.5.1无线传感器网络的应用领域186
7.5.2无线传感器网络的应用实例189
7.6水声通信和水下无线传感器网络190
7.7无线传感器网络的研究进展194
7.8无线传感器网络的仿真实验197
习题199
深度学习200
参考文献200第8章无线个域网201
8.1无线个域网概述201
8.2无线个域网的关键技术203
8.3IEEE 802.15技术标准205
8.3.1IEEE 802.15标准概览205
8.3.2IEEE 802.15.3标准和无线超宽带技术205
8.3.3IEEE 802.15.4标准207
8.4无线个域网的协议209
8.4.1蓝牙协议209
8.4.2ZigBee协议210
8.5ZigBee的协议体系结构213
8.6无线个域网的应用215
8.6.1UWB技术的应用215
8.6.2应用ZigBee的超市电子秤系统215
8.7无线个域网的仿真实验216
8.8无线个域网的实测实验219
习题220
深度学习221
参考文献221
第9章物联网222
9.1物联网概述222
9.2物联网的标准化、架构和中间件224
9.3物联网的支撑技术226
9.4物联网硬件平台229
9.5物联网的操作系统230
9.6物联网的技术协议232
9.6.1网络层的6LoWPAN协议232
9.6.2路由层的低功耗有损网络路由协议RPL236
9.6.3物联网的传输协议240
9.6.4应用层的受限应用协议CoAP240
9.6.5MQTT和服务发现协议244
9.7物联网的应用245
9.8低功耗广域物联网和窄带物联网248
9.9物联网的实验251
习题253
深度学习253
参考文献254
第10章无线车载网络和智能交通255
10.1智能交通系统和无线车载网络概述255
10.2车内网络255
10.3无线车载网络的应用分类和要求259
10.4智能交通系统组成、架构标准和应用260
10.5IEEE 802.11p协议265
10.6无线车载网络的技术挑战和研究进展267
10.7无人驾驶汽车简介273
10.8无线车载网络的仿真实验274
习题276
深度学习277
参考文献277
第11章无线体域网、室内定位和家居网278
11.1无线体域网278
11.1.1无线体域网简介278
11.1.2无线体域网的技术要求279
11.1.3IEEE 802.15.6协议标准280
11.1.4WBAN的路由、QoS和安全性286
11.2无线室内定位288
11.2.1无线室内定位概述288
11.2.2无线室内定位技术和评价标准289
11.2.3基于无线射频的室内定位应用系统292
11.2.4使用其他技术的无线室内定位系统295
11.3无线家居网297
11.3.1无线家居网的组成和特点297
11.3.2无线家居网的典型技术299
11.3.3无线家居网协议的层次结构300
11.3.4无线家居网的应用示例302
11.4无线室内定位的仿真实验302
11.5无线室内定位的实测实验304
11.6无线体域网监测系统实验304
习题305
深度学习305
参考文献305
第12章无线网络安全307
12.1网络安全概述307
12.1.1网络安全威胁307
12.1.2网络安全防御技术309
12.2无线网络安全的简史310
12.3无线网络的安全威胁311
12.4无线网络攻击的防御方案314
12.5无线局域网的安全技术315
12.6移动自组织网络的安全技术318
12.7物联网的安全和隐私321
12.8无线网络安全的仿真实验323
12.9无线网络安全技术的发展趋势326
习题326
深度学习327
参考文献327
附录A相关术语缩略语328
附录B配套实验指南332
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| 內容試閱：
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前言Foreword
网络结合了计算机、通信、微电子等技术，是IT领域最重要的分支之一，对人类生活产生了深远影响。从1969年ARPANET诞生至今，网络技术不断发展演进，逐渐呈现出两大发展趋势： 高速和无线。高速指在光纤等技术支撑下，网络带宽和流量日益扩大，而无线则突出泛在性、移动性、灵活性。国内高校IT各专业的本专科生和研究生开设计算机网络课程已有多年，许多前辈学者如Tanenbaum、Kurose、谢希仁、吴功宜等撰写的各种经典教材已得到广泛采用。但在计算机网络课程中以讲解有线网络知识为主，无线网络一般只占极少部分，或由学生自学。然而，随着技术的发展，无线网络已无处不在，越来越多的终端设备笔记本电脑、平板电脑、手机、传感器等通过无线连接网络。而突破了线缆束缚之后，无线网络本身的发展呈现了多元化特点，从最初的无线局域网扩展到无线城域网、无线广域网、无线体域网、无线个域网、无线自组织网络、无线传感网、物联网、无线车载网等，未来发展不可限量。如果不经系统学习，广大同学会对纷繁复杂的无线网络原理和技术特点等感到困惑。所以，开设一门单独的无线网络课程在今天而言已很有必要。目前全国越来越多的高校已陆续开设本课程，但占全国高校总体比例仍不高。我们希望在广大同仁的共同努力下，能有更多学校和专业开设这门课程，能有更多学生修读这门课程。目前系统介绍无线网络技术的高校教材较少，希望本书能促进相关教学工作，为专业课程改革提供帮助。本书针对每种无线网络技术，内容编排循序渐进。先阐述基本概念和原理，接着介绍应用，然后提供实验示例供操作练习，并附有习题、深度学习和参考文献。附录A汇集了部分相关专业术语。附录B提供了配套实验指南，便于教学安排。本书第一版于2011年出版，第二版于2014年出版，迄今已被全国超过150所高校选用。许多教师和同学反馈了大量意见和建议，在此谨致谢意。本次理论内容修订一是结合技术进步，新增了部分内容，如4G5G蜂窝网络、空天信息网络、水声传感网、物联网等；二是突出教学的针对性，重点剖析了若干主流协议，如IEEE 802.11ac、IEEE 802.15.4、ZigBee、6LoWPAN、CoAP、RPL、IEEE 802.15.6等。实验内容修订则尽量为各种不同无线网络技术都提供相关实验，考虑实验环境、操作可行性、低成本投入等因素，采用仿真 实测的思路，设计了30项配套实验。一是仿真。通过权威网络仿真软件，利用普通PC平台，进行各种无线网络实验，减少场地、设备等的影响。学生还可进一步通过仿真动画演示功能直观形象地了解各种无线网络协议的原理和功能，强化学习效果。二是实测。选择部分有代表性的实验，如无线信号测量、配置管理WiFi、RFIDNFC读写、嵌入式系统配置、烧录传感器节点、组建户外传感网、室内定位等，从板卡、芯片到软件，类似DIY一般，提供了完整设计和操作过程，以帮助学生提高动手能力。通过学习本书，读者能了解无线网络技术的全貌，理解和熟悉各种主流技术的基本原理和功能，接触和掌握网络仿真和嵌入式应用系统的设计开发，为从事网络工程、网络管理、物联网应用开发等相关领域工作打下良好基础。本书可作为本科生、硕士生、在职研究生等修读无线网络相关课程的教材，内容可满足32～64学时的教学安排。建议安排32～48个理论学时，其中部分内容较为深入和前沿在相应标题上加号，推荐硕士生层次使用，可根据学生情况予以节选。建议安排最多24个实验学时，具体实验项目见附录B，可结合实际自行筛选。本书也可作为计算机网络等课程的补充参考书，或作为课程设计、毕业设计、学生科研及工程技术人员开发工作的参考用书。本书配套电子资源包括PPT课件、习题答案、演示动画、实验环境镜像、实验手册、源码、实验说明、结果分析等内容，读者可在清华大学出版社网站免费下载。本书涉及内容较多，我们在编写过程中查阅了大量参考文献，得到了许多有益的启示和帮助，在此向这些文献的作者们表示感谢。读者可根据需要查阅这些源文献，进一步深入学习无线网络技术和应用的前沿发展。在本书修订过程中，苏成龙、路金明、张超、邓珂、高子航等同学参与了部分实验制作、文字绘图工作。本书的编写得到了金明、王晓东等老师的帮助和建议。本书的出版得到了浙江省移动网络应用技术重点实验室、宁波市科技创新团队、浙江省高等教育课堂教学改革项目、宁波大学研究生优秀示范课程等的支持。作者在此谨致谢意。由于我们学识有限，本书可能存在许多不足，敬请读者不吝赐教，请将意见和建议发给jinguang@nbu.edu.cn和jiangxianliang@zju.edu.cn。也欢迎访问我们的无线网络技术教学研究平台http：www.thinkmesh.netwireless。
金光江先亮于2016岁末
第5章chapter5
第5章卫星网络和空天信息网络接正文接标题1.1微型计算机简介和其他各种无线网络相比，卫星网络略显另类，主要原因是大多数普通用户往往较少直接接触卫星网络。但卫星网络同样是无线网络的重要分支，而且是范围最大、距离最远的无线广域网的典型代表。当传统卫星通信和计算机网络相结合时，卫星网络正体现出更大的发展和应用空间。更进一步，人类也开始逐步构建面向宇宙的空天信息网络。本章主要介绍卫星网络的基本原理、相关技术、主要应用、研究进展，以及空天信息网络的一些技术和应用。本章仿真实验是对卫星网络的传输性能进行分析。5.1卫星网络概述在大范围的地面无线通信中，为增加通信距离，往往采用中继接力方式来克服地球曲率对电磁波传播的阻碍。通常建立多个地面中继站，进行接力式的数据传输。而随着空间技术的发展，人们考虑把中继站放到距地面很高的人造卫星上，并使其天线对准地球表面的通信站。由于卫星视野开阔，可实现地面接力难以达到的长距离中继效果。卫星的可通信范围不但可连接视角之内的任意两个点对点的通信站，而且在卫星天线波束所照射的广阔地域内，所有卫星地面站均可利用该波束进行接力通信。1. 卫星网络通信的基本概念卫星通信指利用人造地球卫星作为中继站，转发两个或多个地球站之间进行通信的无线电信号。这里的地球站指位于地球表面陆地、水上和低层大气中的无线电通信站，而转发地球站通信信号的人造卫星称为通信卫星。如果某个微波通信系统中，一些中继站由卫星携带，并且这些卫星之间及卫星与地面站之间能进行通信，则卫星在地域上空按一定轨道运行而构成覆盖很广的通信网络就称为卫星网络。换言之，卫星网络是以人造地球通信卫星为中继站的微波通信系统。卫星通信是地面微波中继通信的发展和向太空的延伸。通信卫星是太空中无人值守的微波中继站，各地球站之间的通信可通过其转发而实现。图5.1所示为一个典型的卫星网络。◆无线网络技术教程第3版原理、应用与实验第◆5章卫星网络和空天信息网络图5.1卫星网络示意图微波频段的信号是直线传输的，既不像中长波靠衍射传播，也不像短波靠电离层反射传播。所以地面微波中继通信通常为视距通信，而通信卫星相当于离地面很高的中继站。当卫星运行轨道较高时，相距很远的两个地球站可同时看见该卫星，卫星可将一个地球站发出的信号放大、变换和处理后，再转发给另一个地球站。2. 卫星网络的发展1945年，著名科幻作家克拉克在英国《无线电世界》杂志上发表了具有历史意义的关于卫星通信的科学设想论文《地球外的中继》。他详细讨论了卫星通信的可行性，构想了一系列地球同步卫星，指出这些卫星可以接收和发射来自地面的无线电信号，实现信息的中继。该论文为此后卫星通信的发展奠定了理论基础。为纪念他，如今42000km高的同步卫星轨道被命名为克拉克轨道。1957年10月4日，苏联成功发射了人类第一颗人造地球卫星SPUTNIKⅠ，标志着卫星时代的开启。1958年1月31号，美国成功发射了首颗人造卫星探索者1号，该星重8.22kg，高203.2cm，直径15.2cm，沿近地点360.4km、远地点2531km的椭圆轨道绕地运行，轨道倾角33.34"，运行周期114.8分钟。美国在1962年7月和1963年5月成功发射了第一批真正实用的通信卫星电星1号和电星2号。电星轨道穿越了多个高能辐射带，导致星载电子设备较快失效。电星证实了通信卫星的价值，各国陆续开始研制能将有源卫星发送到静止轨道GEO的运载火箭和具备有效通信能力的卫星。国际通信卫星组织Intelsat的卫星于1965年4月首次升空。同年欧美开始了卫星商业运营，静止轨道卫星通信变成了现实。随着更多国家认识到卫星通信的价值，Intelsat取得了巨大成功，发展迅速，几十年来发射了大量通信卫星，仅退役的已超过50颗。它已拥有143个成员国，经营电视、电话和数据业务，到2007年，拥有在轨卫星51颗。随着通信技术的发展，卫星系统也逐渐开始提供移动通信业务。美国在20世纪60年代末至70年代初进行了卫星与商船和飞机间的移动通信试验。1971年，ITU将1535～1542.5MHz和1635.5～1644MHz分配给海事卫星移动通信业务。1979年7月，国际海事卫星通信组织Inmarsat，现改称国际移动卫星组织成立。与Intelsat不同，Inmarsat提供卫星移动通信业务，其拥有的国际海事卫星通信系统是世界上首个提供全球性移动通信业务的卫星通信系统。Inmarsat覆盖全球，为陆地、海洋和空中用户提供商用、应急和安全救护等卫星移动通信业务。进入20世纪80年代，为适应移动通信业务发展的需要，一些国家着手开发新的面向陆地移动通信业务的卫星系统，包括加拿大的MSAT、美国的LMS、欧洲的EUTELSAT等。这些系统多采用链路传播损耗大的GEO卫星，限制了移动终端的小型化，通常只能为各种舰载、机载或车载终端提供服务。为支持小尺寸的手持式终端，人们将注意力转向了非静止轨道NGEO卫星系统的研究。与GEO卫星相比，NGEO卫星较低的轨道高度意味着较小的传输衰减和传输时延，更适于手持终端。但由于NGEO卫星对地的相对移动性，通信系统的管理变得复杂。1998年11月铱星Iridium系统投入运营，开创了卫星通信的新时代。铱星系统采用高度为780km的低地球轨道，使用星载多点波束天线技术，支持低功率的手持终端。铱星系统是首个采用了星际链路的非静止轨道卫星系统，其成功运行证明了NGEO卫星星座和星际链路技术的可行性和先进性，也为卫星通信的发展指明了新方向。而在地面移动通信市场上，2G、3G、4G技术相继商用。地面无线通信网络的高速发展，极大地冲击了卫星移动通信，并使其市场一度跌入低谷。但由于各种客观条件限制，地面无线通信网络只能覆盖有限的地表区域。对于广大农村和边远山区等业务量稀少地区，使用蜂窝网络覆盖既不经济也不现实。而在沙漠、海洋、湖泊和低空等区域，建设地面移动通信更为困难。因此，如何为地面移动通信网络不能覆盖的广大地区提供有效通信，是迫切需要解决的问题。另一方面，地面移动通信网络将会出现越来越多的漫游用户，需要在网络难以覆盖的区域提供良好的漫游通信服务。卫星移动通信系统以其独一无二的无缝覆盖能力，成为新一代全球移动通信系统的重要组成部分。可较好地解决稀疏业务量地区、边远地区和地面通信网络未覆盖地区的通信难题以及全球漫游问题。而面对地震等无法避免的大规模自然灾害或突发事件时，卫星通信系统能有效保证受影响区域的正常通信。我国的航天事业始于20世纪五六十年代。1970年4月我国成功发射了首颗卫星东方红1号，几十年来卫星通信事业取得了长足进步。目前我国从事卫星通信的主要企业是中国航天科技集团CASC，拥有神舟、长征等著名品牌和自主知识产权，主要从事运载火箭、人造卫星、载人飞船和战略、战术导弹系统的研究、设计、生产和试验，为经济建设、社会发展、科技进步和国防现代化建设做出了重要贡献。CASC下属的中国长城工业总公司主要经营对外商业发射，提供卫星在轨交付及开展国际空间技术合作。截至2013年5月，累计为国际用户提供了37次商业发射，发射卫星43颗，完成了4次国产通信卫星、1次遥感卫星在轨交付，为国际用户提供了8次搭载服务。CASC下属的中国卫通集团专业从事卫星运行服务业，重点发展卫星空间段运营、地理信息与位置服务、通信广播地面运营三大业务。中国卫通拥有先进的卫星资源网络和民用卫星地球站，能提供高效、优质的广播电视、语音、数据多媒体、应急通信、互联网接入、企业专网和远程教育等通信广播服务。拥有先进的导航地图制作核心技术和导航电子地图数据库，服务于消费电子导航、航空摄影和车辆定位监控等行业。目前我国的卫星通信业务虽然面临有线光纤、蜂窝移动通信等的激烈竞争，但仍然有广阔的市场前景，特别针对我国疆域辽阔，存在广大的偏远农村和山区，常规通信手段难以普及的国情，利用卫星建立覆盖全国的卫星通信网络更具重要意义。3. 卫星网络的特点与其他通信方式相比，卫星网络通信具有以下特点。1 通信距离远，覆盖面积大，费用与通信距离无关。相比其他手段，卫星通信在通信距离和覆盖面积两方面的优点尤为突出。静止卫星的最大通信距离可达18000km。一颗静止卫星的可视区可达全球表面积的40%，在这个大面积覆盖区域内的地球站可利用卫星转发信号进行通信。卫星通信成为国际、国内或区域尤其边远地区通信、军事通信以及广播电视等领域极有效的现代通信手段。2 便于实现多址连接通信。常规地面长距离通信通常为点对点。而卫星为大面积覆盖，卫星天线波束覆盖区域内的任何地球站均可共享卫星，实现站点间双边或多边通信。范围内任何地球站基本不受地理条件或通信对象限制，一颗卫星相当于一条可通往任意一点的无形链路。3 通信频带宽，传输容量大。卫星传输频带很宽，一般在500～1000MHz 之间，适合大容量语音、数据和多媒体等多种业务。一颗卫星的通信容量可同时传输数千甚至上万路数据信号，除光纤外，尚无其他通信手段能提供这样大容量的远程通信。大功率卫星技术的发展和新技术不断应用，卫星通信容量越来越大，传输业务类型也更加多样化。4 机动灵活。卫星通信不仅能用于大型固定地球站之间的远距离干线通信，还可在车载、船载、机载等移动地球站间进行通信，还可为个人移动终端提供通信服务。5 通信线路稳定可靠，传输质量高。卫星通信主要在大气层和宇宙空间中传输。宇宙空间接近真空状态，可视为均匀介质。电磁波传播特性比较稳定，不易受自然条件和人为干扰的影响，几乎不受天候、季节影响，即使在磁暴和核爆炸情况下，线路仍能畅通。由于卫星不像地面微波那样每隔数十公里就要设立一个中继站，不会因噪声叠加而使通信质量下降。6 成本与通信距离无关。卫星通信建站和运行费用不受站之间距离及地面自然条件影响。相比于其他地面远距离通信方式，优势明显。对边远农村和交通、经济不发达地区，极为经济有效。由于卫星通信的众多优点，其得到长足发展。应用范围广泛，可用于传输电话、传真、数据和广播电视等，还广泛用于气象、导航、军事、侦查、预警及科研等领域。当然，卫星通信在技术上还有一些限制和不足，具体如下。1 高可靠和长寿命的要求。卫星与地面相距甚远，一旦出现故障，难以维修。为控制通信卫星的轨道位置和姿态，需要消耗推进剂。而通信卫星的体积和重量有限，只能携带有限的推进剂，一旦耗尽，卫星就失去了工作能力，只能退出服务而沦为太空垃圾。2 发射与控制技术复杂。卫星与地面相距成千上万公里，卫星发射时需精确定点、调整姿态，并长期保持位置和姿态的稳定，需要先进的空间技术，难度很大。另外，电磁波的传播损耗很大，一般上、下行线路的传播损耗高达200dB左右。因此，为保证通信质量，需采用高增益天线、大功率发射机、高灵敏度和低噪声接收机以及先进的调制解调设备等，要求高，技术复杂。3 较大的信号传输时延和回声干扰。静止卫星通信系统的星站距离接近40000km，地球站卫星地球站的单向传输时间约为0.27s，双向通信就达0.54s。如用于通话，会给人带来不自然的感觉。如不采取回波抵消等特殊措施，再加上混合线圈不平衡等因素，还会产生回波效应即听到本人话音的回声的干扰，会对通话质量造成较大影响。4 存在日凌中断和星蚀现象。每年春分和秋分前后，当地时间午后的一段时间里，静止卫星处于太阳和地球之间，地球站天线对准卫星的同时也对准了太阳，强烈的太阳噪声会严重影响通信，该现象称为日凌中断。当静止卫星进入当地时间午夜前后的十到几十分钟内最长76分钟，卫星、地球、太阳共处同一条直线上，地球挡住了阳光，卫星进入地球的阴影区，此时卫星的太阳能电池不能工作，称为星蚀。日凌中断和星蚀会导致卫星通信暂时中断。此外，静止卫星通信系统在地球高纬度地区的通信效果不好，两极地区存在通信盲区，地面微波系统与卫星通信系统之间还存在着相互的同频干扰。静止卫星组成的全球通信系统如图5.2所示。图5.2利用静止卫星建立全球卫星通信系统4. 卫星网络的分类目前全球已建成数以百计的卫星通信网络，归结起来可分类如表5.1所示。表5.1卫星网络分类分 类 方 式类别按卫星制式静止卫星网络、随机轨道卫星网络、低轨道卫星网络按覆盖范围国际卫星网络、国内卫星网络、区域卫星网络按用户性质公用卫星网络、专用卫星网络、军用卫星网络按业务范围固定业务卫星网络、移动业务卫星网络、广播业务卫星网络、科学实验卫星网络按信号制式模拟制式卫星网络、数字制式卫星网络5. 卫星网络的拓扑与组网1 卫星星座拓扑结构由于卫星节点不断运动，卫星网络的拓扑结构随时间不断变化，这使得卫星网络与其他通信网络有较大区别。其拓扑特点如下： 节点位置及节点间的相对距离都是以时间为变量的函数。 节点的邻居状况遵循一定规则。 一般情况下，整个网络节点总数不发生变化。 节点间距较大，且距离变化也较大，不能忽略。 节点间的拓扑关系呈周期性变化。这里仅对卫星星座拓扑分类进行简单说明，介绍3种基本拓扑结构。1 星型拓扑。通常由一颗卫星为中心节点，其他卫星通过中心进行通信。其优点是结构简单，轨道设计和实现的难度相对较小，便于管理和控制。但该结构也有其固有缺点： 所有通信必须通过中心节点，中心负载很大，存在单点失败的可能，容错性略差。2 环型拓扑。同一轨道面内的每颗卫星都和相邻卫星相连，构成封闭环形链路。从设计角度看，路由选择、通信接口和网络管理相对简单，实现较容易，且多个环形星座通过地面站互联，可形成较大地面覆盖。缺点是节点较多时传输效率低、时延长。3 网状拓扑。每颗卫星至少和两颗以上其他卫星连接，铱星、Teledesic等系统都采用网状拓扑。其优点是星间链路有冗余备份，可靠性高，可实现全球覆盖，数据传输速率快，时延小。缺点主要是需较多的卫星数量，建设成本高。2 卫星网络组网方式确定拓扑结构后，进而可确定卫星网络的组网方式。有两种方法可供选择。1 基于地面的组网方式。网络功能主要由地面网络提供，每颗卫星都是一个位于外太空的中继器，接收地面用户发来的数据流，然后转发给地面站。地面站作为地面网络架构中的网关，而卫星则是扩展地面网络的无线网络的最后一跳。这种方式有全球星和ICO。由于卫星在整个系统中负责最后一跳的连接，所以该组网方式的拓扑结构较随意。卫星网络将网络功能与空间传输的数据相互分隔，允许各自考虑网络层和报文设计。2 基于空间的组网方式。网络功能主要由卫星网络提供，每颗卫星都有各自独立的处理能力，而且卫星都作为网络路由器，可通过使用星际链路ISL和相邻卫星进行通信。空间组网方式中，卫星必须支持星载路由和交换机制。此时该卫星星座实际上就是一个独立系统或自治系统。空间组网方式中，卫星之间可直接进行网络互联和路由，减少了星地间的通信量，而星地间通信所依赖的信道资源往往很有限。图5.3所示为低地球轨道LEO和中地球轨道MEO卫星网络。图5.3LEOMEO卫星网络结构5.2卫星网络原理[*45]1. 卫星轨道卫星轨道的形状和高度是确定覆盖全球所需卫星数量和系统特性的重要因素。目前，卫星网络系统采用的轨道从空间形状上看分两种： 椭圆轨道和圆轨道。通常椭圆轨道仅在卫星相对地面运动速度较慢的远地点附近提供通信服务，适于为高纬度区域提供服务。圆轨道卫星则可提供较均匀的覆盖特性，通常用于提供均匀覆盖的卫星系统。从轨道高度分类，可将卫星轨道分为低地球轨道LEO、中地球轨道MEO、静止轨道GEO和高椭圆轨道HEO。图5.4给出了各种轨道的高度比较示意图。图5.4卫星轨道高度的比较示意图图5.4中两个灰色圆环分别表示内、外范艾伦辐射带。范艾伦辐射带是围绕地球的高能粒子辐射带，较低的内范艾伦带主要包含质子和电子混合物，较高的外范艾伦带主要包含电子。范艾伦带对电子电路破坏性很强，选择卫星轨道时应避开这两个区域，限制了可用轨道高度。而对高度较低的轨道，大气阻力的影响明显。通常轨道高度低于700km时，大气阻力会严重影响卫星飞行，缩短卫星寿命。而轨道高度高于1000km时，大气阻力的影响可忽略。各种轨道的对比见表5.2。表5.2卫星网络各种轨道的参数对比参数轨道高度km波束数天线直径卫星信道数射频功率W成本低轨道700~12006~48约1m500~150050~200高中轨道8000~1300019~150约2m1000~4000200~600低高轨道3580058~2008m以上3000~8000600~900中静止轨道卫星通信技术目前使用广泛，技术成熟。但其也存在以下不足：1 轨道高，链路损耗大，终端功率和接收机要求高。如要支持手持设备直接通信，需较大的星载天线如12m以上的L频段天线，并采用点波束技术提高天线增益。2 链路距离长，传播时延大。单跳时延达250～270ms，加上处理时间，时延会更大，严重影响了某些实时性要求高的业务应用，多跳时延使很多实时业务不适用。3 覆盖有限。静止轨道固定在赤道上空，卫星通信系统实质上只能覆盖中、低纬度地区，无法有效覆盖高纬度地区，尤其是两极地区。4 静止轨道资源有限。轨道位置非常紧张，是其继续发展的一个不利因素。而高度相对较低的低轨和中轨卫星系统，传播距离短，链路损耗小，降低了对用户终端的性能要求，便于支持手持设备通信。较小的传播时延允许端对端多跳通信，实现真正的全球覆盖。因此，非静止轨道卫星在时延和链路损耗方面具有优势，有利于采用较小卫星并支持低成本、小功率的手持式终端。由于非静止轨道卫星与用户间的位置处于相对运动中，需采用星群互补的方式为用户提供连续服务。由于卫星数量较多，当部分卫星失效时，系统能降级使用，一定程度上提高了系统鲁棒性。低轨卫星信号传播时延短，单跳时延为10～40ms，支持多跳通信。链路损耗小，降低了星上天线和用户终端的要求。但低轨卫星系统结构复杂，技术难度大。因轨道高度低，单颗卫星覆盖面积小，覆盖全球需数十甚至上百颗卫星，如铱星有66颗，全球星有48颗，Teledesic则多达288颗。系统投资大。而由于低轨卫星对地运动速度快，单颗卫星可视时间短，用户通信会经历频繁的波束间和卫星间切换。中轨是静止轨道和低轨的折中，一定程度上克服了二者的不足。中轨星座的高度约为静止轨道的14，链路损耗和传播时延较小，仍可采用简单的小型卫星。由于轨道高度较低轨高，覆盖全球所需卫星数量比低轨系统少。用户远距离通信时，由于经历跳数较少，统计时延低于低轨系统。中轨是建立全球或区域性卫星移动通信系统较理想的方案。但在为地面移动终端提供宽带实时多媒体业务方面，中轨系统有一定困难，低轨系统更适宜高速多媒体业务。此外，中轨系统链路损耗相对较大。2. 卫星网络的通信体制卫星通信体制指卫星通信系统的工作方式，即信号传输、处理和交换方式等，具体包括多路复用、调制、编码、多址连接、信道分配与交换方式等。1 信道分配技术信道分配技术有预分配和按需分配方式两种。前者分固定和按时两种，后者包括全可变、分群全可变和随机等。较常见的是预先固定分配，即两个地球站间信道为预先半永久性分配，连接方便，可看作专用。但实际上，业务量繁忙的信道会发生业务量过载，导致拥塞；而业务量空闲的信道则会闲置信道，浪费资源。应当针对实际业务量动态分配资源，减少拥塞和浪费，提高信道资源利用率。各种信道分配技术如表5.3所示。表5.3卫星通信信道分配技术分配方式类型特点预分配固定预分配通信线路的建立和控制非常简便，但信道利用率低按时预分配信道利用率高按需分配全可变分配信道可随时申请和分配，可获得转发器全部可用信道分群全可变分配卫星信道被分成若干个群，在群内进行全可变分配随机分配随机选取信道，信道利用率高，易造成数据冲突2 多址连接方式多个地球站通过同一卫星通信建立连接，称为多址连接或多址通信。多个地球站利用同一卫星实现中继，同时建立信道，实现各站间的通信，并要求各信号互不干扰。合理选择卫星通信的多址方式，对充分利用资源、提高通信可靠性和有效性至关重要。卫星通信中应用的多址方式有FDMA、TDMA、CDMA和SDMA，如表5.4所示。表5.4卫星网络的多址技术多 址 技 术特点频分多址FDMA卫星转发器的可用射频频带分割成若干互不重叠的部分，分配给各地球站时分多址TDMA卫星转发器的工作时间分割成周期性的互不重叠的时隙，分配给各地球站码分多址CDMA具较强抗干扰能力，有一定保密性，改变地址较灵活。占用较宽频带，频带利用率一般较低，选择数量足够的可用地址码较困难。接收时，获取与同步地址码需耗时空分多址SDMA卫星天线增益高，卫星功率利用高3. 卫星网络的关键技术可以预见，卫星通信网络将向宽带网络发展，传统语音和低速数据业务比例将逐步缩小，而因特网和宽带多媒体业务将成为主流。未来的目标是支持任何人在任何时间和任何地点进行通信，带宽和QoS均有保证。一些关键技术简介如下。1 星座设计静止轨道卫星覆盖广，易管理，但无法覆盖高纬度地区，链路损耗和时延较大，较难满足实时移动通信业务要求。而非静止轨道卫星传输损耗和通信时延较小，可实现区域覆盖、间断覆盖及真正的全球连续覆盖。因此非静止轨道卫星通信网络优势更大。在非静止轨道卫星星座设计方面，先后涌现了很多方案，如极近极轨道星座、星座、Rosette星座、星座和星座等。其中星座在全球星、ICO、Leo One、Celestri等系统中得到采用，另一类是极近极轨道星座，被铱星系统和Teledesic系统等采用。随着用户对通信带宽、服务类型和服务质量要求的不断提高，非静止轨道卫星星座设计趋于复杂化，由当初单一类型卫星组成的星座向多类型、多层次卫星组成的复杂星座发展，相应出现了很多具有分层结构的混合星座网络。2 星际链路未来宽带卫星移动通信系统倾向于使用星际链路。具有星际链路的星座系统在空间结构上比透明转发的卫星通信更复杂，但也有优势。可使卫星移动通信网不依赖地面网络而提供移动通信业务。卫星网络可成为地面网络的备份，提高整体可靠性。星上处理和星际交换功能减小了传输时延和时延抖动等，也可帮助解决地面用户漫游问题。星际链路为无线点对点，可采用微波、毫米波或激光链路，其中激光在带宽、保密性和成本等方面具有优势，但其对卫星的姿态控制要求较高。3 星上处理因特网服务是宽带卫星业务的重要驱动力，相关的星上处理技术有星上信号处理、星上交换和星上路由等，分硬件和软件两方面。硬件包括快速开关切换、全数字化FFT快速傅里叶变换信道化、波束成形、功放及信号再生等技术，软件包括快速查找、高效业务路由算法等。而MPLS、全IP网和软交换也将提高星上处理的功能和效率。4 切换技术由于卫星相对于地面的高速移动和用户终端的移动性，一次通信过程可能经历多次切换，包括波束间切换、卫星间切换和信关站切换等。切换导致的中断和时延影响较大。不同切换策略直接影响切换时延、切换频率、频率利用率、QoS保证和呼叫阻塞率等。为获得高效的带宽利用率和QoS，针对切换的资源管理和呼叫接纳控制技术至关重要。5 卫星TCPIP传统地面有线网络中的时延和误码率较低，TCP协议采用确认机制来实现端对端的流量和拥塞控制。但TCP协议在高时延带宽积的卫星网络中性能会下降很多，其原因包括链路的长时延、大带宽时延积、链路的高差错率和不对称性等。已有解决方案包括
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