卫星通信的通信速率为什么远远小于带宽？

时间： 2024-06-24 来源：是德科技 Keysight Technologies知乎

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卫星通信简单地说就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。

卫星通信的传输速率取决于多个因素，包括通信距离、卫星轨道、天气条件、通信卫星的数量和可用性等。一般来说，随着通信距离的增加，信号衰减会逐渐增大，从而导致传输速率的下降。此外，天气条件也会影响信号传输，例如云雾、雨、賈等天气条件可能会削弱信号强度，从而影响传输速率。

卫星通信传输速率公式

卫星通信传输速率可以通过以下公式计算：

传输速率=带宽×频率x调制方式×信息熵

其中，带宽是指卫星通信信道的有效带宽，通常以MHz为单位；频率是指卫星通信信号的传输频率，通常以GHz为单位;

调制方式是指卫星通信信号的调制方式，如QAM、PSK等；信息熵是指卫星通信信号的信息含量，通常以比特/秒为单位。

例如，假设卫星通信系统的带宽为20MHz，频率为1.2CHz，调制方式为QAM-16，信息熵为5bit/s。则该系统的消息传输速率为：

传输速率=20MHz x 1.2GHz x 16QAM x 5bit/s=1920Mbps

卫星通信的优点

1. 通信距离远，且费用与通信距离无关。利用静止卫星，最大的通信距离达18100km左右。这在远距离通信上，比微波接力、电缆、光缆、短波通信有明显的优势。

2. 多址通信。其他类型的通信手段通常只能实现点对点通信，而卫星是以广播方式进行工作的，在卫星天线波束覆盖的整个区域内的任何一点都可以设置地球站，这些地球站可共用一颗通信卫星来实现双边或多边通信，即进行多址通信。

3. 通信容量大，适用多种业务传输。卫星使用微波频段，可以使用的频带很宽。一般C和Ku频段的卫星带宽可达500~800MHz,频段可达几个GHz。

4. 自发自收进行监测。一般，发信端地球站同样可以接收到自己发出的信号，从而可以监视本站所发消息是否正确，以及传输质量的优劣。

5. 无缝覆盖的一体化通信系统。利用卫星移动通信，可以不受地理环境、气候条件和时间的限制，建立覆盖全球性的海、陆、空一体化通信系统。

6. 具有复杂网络拓扑构成能力。卫星通信的高功率密度与灵活的多点波束能力加上星上交换处理技术，可按优良的价格性能比提供宽广地域范围的点对点与多点对多点的复杂的网络拓扑构成能力。

7. 安全可靠性。事实证明，在面对抗震救灾或国际海底/光缆的故障时，卫星通信是一种无可比拟的重要通信手段。

卫星通信的缺点

因为卫星离地面太远，受天气影响非常大。北斗短报文个人测算只有2dB功率余量，在空旷的晴天尚可触达，遇到阴天雨天，信号就无法传到GEO卫星了。

对于高度较低的LEO卫星，利用专用发射装置放大发射功率可以勉强达到20MHz带宽，支持高阶调制最多可以实现150-300Mbps的通信速率。遇到阴雨天路径损耗大，一样会大打折扣。用于实时通信或多媒体信息传输的话，6-200ms以上的基础时延只能满足基本娱乐，高速率、低时延还是得看地面蜂窝通信。卫星向地面发射信号时属于广播通信，覆盖范围太大，保密性很难保证。因此，卫星通信的缺点包括：

1、传输时延大：500毫秒~800毫秒的时延。

2、高纬度地区难以实现卫星通信。

3、为了避免各卫星通信系统之间的相互干扰，同步轨道的星位是有一点限度的，不能无限制地增加卫星数量。

4、太空中的日凌现象和星食现象会中断和影响卫星通信。

日凌现象和星食现象会中断和影响卫星通信

5、卫星发射的成功率为80%，卫星的寿命为几年到十几年；发展卫星通信需要长远规划和承担发射失败的风险。

对于基于空间的系统，所涉及的距离和速度使得在对电气系统建模时考虑运动学非常重要。

随着5G的日益成熟，包括3GPP和ITU在内的国际标准化组织也开始研究卫星与5G融合的问题。3GPPR17也专门立项NTN（非地面传输网络）研究5G协议演进下的卫星通信。在3GPP名为“面向‘非地面网络’中的5G新空口”研究项目中，定义了包括卫星网络在内的非地面网络（Non-TerrestrialNetworks,NTN）的部署场景。按照3GPP的定义，5G网络中的NTN应用场景包括8个增强型移动宽带（eMBB）场景和2个大规模机器类通信（mMTC）场景。卫星通信将作为空天地海一体化通信的一部分，可以使运营商在地面网络基础设施不发达地区提供5G商用服务，实现5G业务连续性，尤其是在应急通信、海事通信、航空通信及铁路沿线通信等场景中发挥作用。

卫星通信频率

电磁波在自由空间传输时，能量损耗与频率和传输距离正相关。

Loss=32.45+20*lgF+20*lgD

其中 F为频率，单位为MHz；D为距离，单位为km。