卫星通信的多址方式

第3章卫星通信的多址方式卫星通信系统和卫星移动通信系统中所使用的信道分配技术和多址技术（频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和码分多址（CDMA））等进行介绍。3.1多址技术与信道分配技术的概念3.2频分多址技术3.3时分多址技术3.4随机多址和可控多址访问方式3.1多址技术与信道分配技术的概念多址技术是指在卫星覆盖区内的多个地球站，通过同一颗卫星的中继建立两址和多址之间的通信技术。3.1.1信道分配方式信道分配方式实际上就是指如何进行信道分配。所采用的多址方式不同，其信道的内含不同。1．预分配（PA）方式预分配（PA）方式又分为固定预分配（FPA）和按时预分配（TPA）方式，具体如下。（1）固定预分配方式固定预分配（FPA）是指按事先规定半永久性地分配给每个地球站固定数量的信道，这样各地球站只能各自在特定的信道上完成与其他地球站的通信，其他地球站不得占用。（2）按时预分配（TPA）方式根据统计，事先知道了各地球站间业务量随时间的变化规律，因而在一天内可按约定对信道做几次固定的调整，这种方式就是按时预分配（TPA）方式。2．按需分配方式按需分配（DA）方式是一种分配可变的制度，这个可变是按申请进行信道分配变化的，通话完毕之后，系统信道又收归公有。（1）收端可变、发端固定的DA方式（2）收端固定、发端可变的DA方式（3）收、发可变DA方式3．动态分配动态分配是系统根据终端申请要求，将系统的频带资源（传输速率）实时地分配给地球站或卫星移动通信终端，从而能高效率地利用转发器的频带。4．随机分配它是指通信中各种终端随机地占用卫星信道的一种多址分配制度。3.1.2多址技术在卫星通信中的信号分割和识别是以载波频率出现的时间或空间位置为参量实现的，归纳起来可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）。频分多址访问（FDMA）方式是卫星通信多址技术中的一种比较简单的多址访问方式。在FDMA中是以频率来进行分割的，其在时间和空间上无法分开，故此不同的信道占用不同的频段，互不重叠。时分多址访问（TDMA）方式是以时间为参量来进行分割的，其频率和空间是无法分开的，那么不同的信号占据不同时间段，彼此互不重叠。空分多址访问（SDMA）方式是以空间作为参量来进行分割的，其频率和时间无法分开，因而不同的信道占据不同的空间，这样卫星可根据空间位置接收相应覆盖区域中的各地球站发送的上行链路信号。码分多址访问（CDMA）方式是以信号的波形、码型为参量来实现多址访问的，其频率、时间和空间上均无法分开，因而不同的地球站使用不同的码型作为地址码，并且这些码型相互正交或准正交。3.2频频分分多址技技术3.2.1频频分多多址技术术原理与与应用特特点1.工工作原原理在以此种种方式工工作的卫卫星通信信网中，，每个地地球站向向卫星转转发器发发射一个个或多个个载波，，每个载载波都具具有一定定的频带带，它们们互不重重叠地占占用卫星星转发器器的带宽宽。2．FDMA的应用特特点频分多址址方式是是最基本本的多址址方式，，也是最最古老的的多址方方式，其其最突出出的特点点是简单单、可靠靠和易于于实现。。其特点可可进一步步归纳如如下：（1）要要求解决决好卫星星的功率率和带宽宽之间的的关系。。（2）必必须严格格控制功功率。（3）设设置适当当的保护护频带。。（4）尽尽量减少少互调的的影响。。3.2.2FDMA的分类1.每载载波多路路MCPC-FDMA方式如果按所所采用的的基带信信号类型型，MCPC又可可划划分分为为FDM-FM-FDMA和TDM-PSK-FDMA方式式。。在FDM-FM-FDMA方式式中中，，首首先先基基带带模模拟拟信信号号以以频频分分复复用用方方式式复复用用在在一一起起，，然然后后以以调调频频方方式式调调制制到到一一个个载载波波频频率率上上，，最最后后再再以以FDMA方式式发发射射和和接接收收。。在TDM-PSK-FDMA方式式中中，，首首先先将将多多路路数数字字基基带带信信号号用用时时分分复复用用方方式式复复用用在在一一起起，，然然后后以以PSK方式式调调制制到到一一个个载载波波上上，，最最后后再再以以FDMA方式式发发射射和和接接收收。。2．．每每载载波波单单路路SCPC-FDMA方式式由于于SCPC方式式主主要要应应用用于于业业务务量量较较小小的的、、同同时时通通信信路路数数最最多多只只有有几几条条甚甚至至一一条条的的地地球球站站，，显显然然采采用用固固定定分分配配载载波波的的MCPC方式式会会造造成成频频带带的的浪浪费费。。3．．星星上上交交换换SS-FDMA在图图3-5中中给给出出SS-FDMA卫星星转转发发器器方方框框图图。。从从图图中中可可以以看看出出，，上上行行链链路路和和下下行行链链路路各各包包含含3个个波波束束（（空空分分频频率率复复用用））。。其其星星上上交交换换功功能能是是由由一一组组滤滤波波器器和和一一个个由由微微波波二二极极管管门门电电路路组组成成的的交交换换矩矩阵阵完完成成的的。。图3-5SS-FDMA卫星星转转发发器器方方框框图图3.2.3SCPC系统统SCPC是英英文文SingleChannelPerCarrier的缩缩写写，，是是每每载载波波单单路路的的FDMA方式式。。1．．预预分分配配的的SCPC数字字制制的的预预分分配配SCPC又包包括括PCM-PSK-SCPC和DM-PSK-SCPC方式式，，我我们们首首先先从从PCM-PSK-SCPC方式式开开始始介介绍绍。。（1））PCM-PSK-SCPC在预预分分配配SCPC方式式中中，，任任意意两两地地球球站站之之间间进进行行通通信信时时，，其其下下行行链链路路的的载载波波只只携携带带一一路路信信号号，，并并且且占占用用一一条条卫卫星星通通道道。。①SCPC的频率配置置在采用SCPC方式工作的的IS-IV卫星通信系系统中，将将其中一个个卫星转发发器的36MHz带宽等间隔隔地分为800个通通道，其频频率分配如如图3-6所示。图3-6SCPC系统的频率率配置②SCPC终端设备结结构图3-7给给出了在SCPC方式下工作作的各地球球站的终端端设备结构构图。地地面接口口单元：负负责话音业业务和数据据业务的输输入与输出出功能。图3-7SCPC终端端设备结构构图信道单元包包含话音接接口、数据据接口、话话音编码/译码器、、数据编码码/译码器器、话音检检测器、信信道同步器器、频率合合成器和相相位调制/解调器等等用来完成成语音信号号和数据信信号的编码码、调制功功能的设备备。公用单元公用单元主主要包括中中频单元和和定时与频频率单元等等。③话音信信号的传输输过程话音的传输输与话音信信号的传输输格式是分分不开的，，因而我们们首先对话话音信号的的传输格式式进行介绍绍。a.话音信号的的传输格式式载波恢复和和位定时恢恢复码为了提高卫卫星系统的的信道利用用率，在PCM-PSK-SCPC系统中采用用了话音激激活技术。。SOM的作用由于在PCM-PSK-SCPC系统中使用用的是绝对对QPSK调制方式，，对这种已已调制信号号进行相干干解调时，，在其所恢恢复的载波波中会出现现“0°””或“180°”的的相位不确确定的现象象，这就是是相位模糊糊现象。b.话音信号的的传输过程程如图3-7所示，话话音信号首首先通过话话音接口被被送入PCM编码/译码码器进行编编码。④数据信信号的传输输过程在SCPC系统中，也也可以传输输数据信息息。但由于于数据信号号是以连续续发送的形形式进行的的，因而在在接收端不不存在相位位模糊问题题，因此无无需为恢复复载波和相相位定时而而增加附加加字头。⑤导频和和导频校正正技术（AFC）导频是指在在已调信号号谱中额外外地插入一一个低功率率的载波频频率或其有有关的频率率信号谱线线，其对应应的正弦波波就称为导导频信号。。在在SCPC系统中需要要引入导频频的原因导导频的插插入与校正正（2）DM-PSK-SCPC与PCM-PSK-SCPC系统结构相相比，在DM-PSK-SCPC中进行了如如下调整。。①用DM编码/译码码器代替PCM编码/译码码器②采用BPSK调制/解调调在PCM-PSK-SCPC系统中使用用的是QPSK调制解调技技术，而在在DM-PSK-SCPC系统中，一一般使用的的是BPSK调制解调器器。2.按需分分配的SCPC系统（SPADE）SPADE是SingleChannelPerCarrierPCMMultipleAccessDemandAssignmentEquipment的英文缩写写。（1）SPADE的频率配置置如图3-10所示，，在采用SPADE方式工作的的卫星通信信系统中，，通常将一一个卫星转转发器的一一部分频率率配置为公公用传输信信道（CSC），，而另一部分分频率配置置为话音通通道（CH）。图3-10SPADE系统的频率率配置（2）终端端设备结构构公共控制部部分包括地地面接口单单元（TIU）、、按需分配传传信和交换换单元（DASS））、定时和频率率单元（TFU）、、中频单元（（IF）和运行监控控单元（CMC）。。①地面面接口单元元通过地面接接口单元可可实现电话话交换中心心（长途台台）和SPADE终端之间的的接口以及及SPADE终端之间的的电话信号号的连接。。②按需需分配传信信与交换单单元（DASS））如图3-11所示，，DASS单元是由传传信和交换换处理机（（SSP）、、公用信号信信道同步器器和公用信信号信道调调制解调器器组成，所所完成的功功能如下：：监视视和处理长长途电话局局来的电话话信号；建立立系统载频频忙闲表；；控制制SPADE终端发出申申请信息；；对呼呼叫本站用用户的信息息进行检测测处理；自动完完成对公共共信号通道道上用于广广播的本站站分帧的差差错检测编编码；自动故故障检测和和指示。图3-11SPADE终端设备组组成图（3）按需需分配方式式下的信息息传递过程程如图3-11所示，，各地球站站设置有按按TDMA方式（在后后面将详细细介绍）工工作的公用用信令信道道和话音传传输信道。。①公共信信令信道的的信令格式式为了实现按按需分配，，各地球站站是按TDMA方式工作的的，即按时时分多址方方式工作的的。②公共信信道工作特特性由上面的分分析可知，，SPADE系统可为48个地球球站提供397条双双向通路（（如图4-10所示示），这就就是说，每每个地球站站可以每隔隔50ms向信道申请请一次。③按需分分配方式下下的通信过过程在SPADE系统中，当当某用户通通过长途台台将呼叫通通信请求送送至SPADE终端时，SPADE终端为其从从397条条卫星线路路中选择任任意一条空空闲信道，，并进行连连通，同时时通过此信信道将呼叫叫请求帧送送到对方用用户所在的的地球站，，并由该站站与对方局局连通。3.3时时分多址址技术3.3.1时分分多址的概概念及其应应用特点1．TDMA的基本概念念如图3-14所所示的的是TDMA系统模模型。。从中中可以以清楚楚地看看出，，在按按时分分多址址方式式工作作的系系统中中，由由于分分配给给各地地球站站的是是特定定的时时隙，，而不不是特特定的的频带带，因因而每每个地地球站站必须须在分分配给给自己己的时时隙中中用相相同的的载波波频率率向卫卫星发发射信信号，，并经经放大大后沿沿下行行链路路重新新发回回地面面。图3-14TDMA系统模模型2．TDMA技术的的应用用特点点TDMA技术有有如下下优点点。（1）不存在FDMA中的互调问题。（2）系统容量大，卫星功率利用率高。（3）提高信号传输质量，有利于综合业务的接入。（4）使用灵活。虽然存存在如如上优优点，，但也也存在在以下下不足足。（1））必须须保持持各地地球站站之间间的同同步，，才能能让所所有用用户实实现共共享卫卫星资资源的的目的的。（2））要求求采用用突发发解调调器（（系统统中各各站在在规定定的时时隙内内以突突发的的形式式发射射其已已调信信号））。（3））模拟拟信号号需转转换成成数字字信号号才能能在网网络中中传输输。（4）初初期的投投资较大大，系统统实现复复杂。3.3.2TDMA地球站设设备如图3-15所所示为一一个TDMA地球站设设备组成成示意图图。图3-15TDMA地球站设设备1．TDMA帧结构如图3-16所所示，TDMA系统的帧帧结构主主要包括括同步分分帧（也也称为基基准分帧帧）（RB）和数据（（业务））分帧（（DB）。。图3-16TDMA系统帧结结构（1）同同步分帧帧同步分帧帧中包括括载波、、位定时时恢复（（CR和BTR））、独特码（（UW）、、站址识别别码（SIC））和指令信信号（CW）。。（2）数数据分帧帧一个数据据分帧包包含了若若干个业业务分帧帧，并且且每个业业务分帧帧由分帧帧报头和和多个PCM数据信道道构成。。（3）帧帧效率若帧长为为Tf，从图3-16中中可以看看出，每每一帧包包含一个个同步分分帧和m个业务分分帧，这这说明该该系统可可以与m个地球站站实现互互通。①系统统传输速速率Rb②帧长长这就要求求在KTs时间内能能够存入入的KS比特与Tf时间内读读出的比比特数L相等，即即L=KS，故【例3-1】已已知一一个TDMA系统，采采用QPSK调制方式式。设帧帧长Tf=250μs，，系统中所所包含的的站数m=5，各站所包包含的通通道数n=4相同，保保护时间间Tg=0.1μs，基准分帧帧的比特特数Br与各报头头的比特特数Bp均为90比特，，每个通通道传输输24路路（PCM编码，每每取样值值编8比比特码，，一群加加一位同同步比特特）。求求PCM编码器输输出速率率Rs，系统传输输的比特特率Rb、分帧长度度Tb、帧效率ηf及传输线线路要求求带宽B。解：Ts=125μs，S=8×24+1=193（bit），又一个码码符含两两比特K=2，L=2S=386（bit），所以2.地面面接口地面接口口是与用用户进行行信息交交互的输输入、输输出接口口。克服这种种时钟频频差的方方法有跳跳帧法和和码速调调整法。。码速调整整法是指指在信号号中插入入（或扣扣除）一一定比例例的不含含信息的的脉冲，，这样可可通过调调控所插插入（或或扣除））的脉冲冲比例来来调节地地面线路路所送入入的信号号与卫星星系统时时钟之间间的频差差。3．TDMA终端（1）TDMA终端功能能①完成成帧发送送和接收收。②实现现网络同同步，即即完成系系统的初初始捕获获和分帧帧同步。。③实现对对卫星线路路的分配与与控制。（2）帧的的发送与接接收在TDMA系统中，不不同性质的的信号，其其发送和接接收过程不不同。①话话音信号号的传送送②数数据传送送数据传送送原理与与话音信信号的传传送原理理相同，，所不同同的是用用异步合合路器和和异步分分路器取取代PCM编码和解解码器。。（3）系系统的定定时与同同步就目前的的卫星发发射技术术而言，，如果使使卫星的的位置保保持在精精度±0.1°°范围，，高度变变化在0.1%以内，，那么卫卫星可在在75km×75km×75km的立体空空间内漂漂移。①TDMA系统定时时通常TDMA帧周期（（Tf）是话音取取样周期期（125μs）的整数倍倍，它与与频率为为f0的高稳定定度（10-11）的时钟钟周期一一致。②TDMA系统的同同步TDMA系统的同同步内容容包括载载波同步步、时钟钟同步和和分帧同同步。其其中要求求在极短短的时间间内从各各接收分分帧报头头中完成成基准载载波和时时钟信号号的提取取工作。。分帧同步步包括两两方面的的内容，，其一是是指在地地球站开开始发射射数据时时，如何何使其进进入指定定的时隙隙，而不不会对其其他分帧帧构成干干扰，这这就是分分帧的初初始捕获获。其二二是指如如何使进进入指定定时隙的的分帧信信号处于于稳定的的工作状状态，即即使该分分帧与其其他分帧帧维持正正确的时时间关系系，不致致出现相相互重叠叠的现象象，这就就是分帧帧同步技技术。分帧的初初始捕获获在TDMA系统中，，各地球球站是以以基准站站所发射射的独特特码（UW））作为基基准信信号来来确定定自己己的发发射时时间的的。其其捕获获的具具体步步骤，，如图图3-19所示示。图3-19捕捕获过过程及及所用用时间间（实实验））的示示意图图图3-20报报头头结构构分帧同同步分帧同同步是是指在在完成成初始始捕获获之后后，为为使所所发射射的业业务分分帧稳稳定在在指定定的时时隙之之内，，而对对分帧帧进行行的定定时控控制。。图3-21分分帧同同步原原理图图（4））独特特码（（UW））的检测测由前面面的分分析可可知，，独特特码的的检测测是非非常重重要的的一个个环节节，它它直接接决定定整个个系统统是否否能够够正常常工作作。3.3.3SDMA-SS-TDMA方式SDMA-SS-TDMA系统称称为卫卫星交交换TDMA系统，，简称称SS-TDMA。由于在在卫星星交换换TDMA系统中中，多多采用用多波波束来来实现现空分分多址址（SDMA）），这可以以改善善系统统性能能，但但使处处于某某波束束中的的地球球站无无法与与其他他波束束管辖辖下的的地球球站进进行直直接通通信。。1．多多波束束卫星星多波束束卫星星是指指具有有多波波束天天线的的卫星星。这这种卫卫星通通常使使用在在两种种环境境之下下。其其一，，将原原一个个单一一业务务区分分成若若干小小区，，用高高增益益天线线所发发射的的点波波束分分别覆覆盖这这些小小区，，这样样可以以减小小地球球站天天线的的尺寸寸。其其二，，用多多个不不同的的波束束分别别覆盖盖彼此此分开开的几几个业业务区区域，，这样样在卫卫星功功率充充裕的的情况况下，，可以以实现现对频频率的的重复复利用用，从从而使使卫星星转发发器的的容量量成倍倍地增增加。。2．工工作原原理如图3-23所所示的的是SDMA-SS-TDMA系统的的基本本原理理图。。由图图可以以看出出该系系统共共包含含控制制电路路部分分和信信号接接收与与发送送电路路部分分。（1））控制制电路路部分分（2））信号号接收收和发发送电电路部部分图3-23SDMA-SS-TDMA系统原原理图图3．分分帧排排列进行分分帧的的排列列的主主要目目的是是为了了便于于在DSM中进行行帧交交换，，因此此在介介绍分分帧的的排列列之前前，我我们首首先要要介绍绍帧交交换矩矩阵的的概念念。（1））帧交交换矩矩阵帧交换换矩阵阵又称称为业业务交交换矩矩阵，，它表表示SDMA-SS-TDMA系统中中各波波束之之间的的通信信交换换量。。（2））分帧帧的编编排分帧的的编排排是指指把已已知系系统的的交换换矩阵阵分解解为若若干分分帧矩矩阵，，而每每个分分帧矩矩阵中中的各各波束束区域域之间间的交交换具具有一一对一一的关关系，，因此此各分分帧矩矩阵能能够用用各行行各列列中最最多只只有一一个非非零元元素表表示。。4．SS-TDMA帧同步步在SDMA-SS-TDMA系统中，，由于要要求通信信卫星能能够提供供定时切切换功能能，因而而该系统统与普通通的TDMA系统不同同，要求求地面上上能够检检测出卫卫星切换换器的切切换定时时，从而而使DSM能够按分分帧编排排顺序进进行切换换。控制帧同同步的方方法有两两种：一一种是星星载定时时，另一一种是地地球定时时。下面面分别进进行介绍绍。（1）星星载定时时是以卫卫星上切切换电路路所提供供的定时时为基准准的一种种帧同步步方法，，这就要要求地面面上的各各地球站站以此为为基准，，随时保保持同步步。（2）地地球定时时是由基基准地球球站控制制星上的的切换电电路，而而其他地地球站受受基准站站的控制制，从而而实现帧帧同步。。3.3.4多多载波波TDMA多载波TDMA（MC-TDMA））方式是指指在一个个TDMA系统中采采用多载载波，而而在每条条载波上上以TDMA方式工作作，可以以传送相相对较低低（几十十kbit/s到20Mbit/s））的信号速速率。从图3-26可可以看出出，当MC-TDMA系统中仅仅使用一一条载波波时，就就是传统统的单载载波的TDMA方式；当当使用多多条载波波，并且且每条载载波只有有一路信信号时，，就是SCPC方式；当当采用多多条载波波，而且且每条载载波传送送同一个个地球站站发送的的多路信信号时，，则工作作于MCPC方式。图3-26TDMA，SCPC和MC-TDMA使用转发发器频带带对比3.4随随机机多址和和可控多多址访问问方式3.4.1随随机多多址访问问方式在以随机机多址访访问方式式工作的的系统中中，每个个用户都都可以访访问一条条共享信信道，而而无需事事先与系系统中的的其他用用户进行行协商。。常用的随随机多址址方式有有：ALOHA，S-ALOHA等，下面面逐一进进行介绍绍。1．ALOHAALOHA是最早的的随机多多址访问问方式。。（1）工工作过程程如图3-27所所示的是是一个数数据卫星星通信系系统的结结构示意意图。（2）受受损时间间由于在ALOHA方式中对对用户发发送数据据分组的的时间未未加以任任何限制制，因此此对任一一分组而而言，只只要有其其他站发发射分组组，便会会在信道道上发生生碰撞现现象。图3-27卫卫星分分组通