卫星通信多址技术

第3章

多址技术

1提要

一、多路复用和多址联接

二、频分多址（FDMA）

三、时分多址（TDMA）

四、码分多址（CDMA）

五、三种多址技术的RF利用方式

六、ALOHA

2一、多路复用和多址联接

?多路复用：将来自不同信息源的各路信息，按某

种方式合并成一个多路信号，然后通过同一个信道

传送给接收端。接收端再从该多路信号中按相应方

式分离出各路信号，分送给不同的用户或终端。

简而言之，多路复用是利用一条信道同时传输

多路信号的一种技术，可以解决在同一信道内同时

传送多个信号的问题。

多路复用方式可分为频分复用、时分复用、码

分复用、波分复用等。

3?多址联接：指多个通信站的射频信号在射频信道上的复用，以实现各个通信站之间的通信。对于卫星通信系统，多址联接指的是多个地球站发射的信号，通过卫星转发器的射频信道复用，实现各站间通信的一种方式。常见的多址方式有频分多址、时分多址、码分多址和空分多址。

?多址联接和多路复用的关系：多址联接和多路复用的理论基础都是信号的正交分割原理。但多址联接是指多个电台或通信站发射的信号在射频信道上的复用，以达到各台、站之间同一时间、同一方向的用户间的多边通信；多路复用是指一个电台或通信站内的多路低频信号在群频信道（即基带信道）上的复用，以达到两个台、站之间双边点对点的通信。

4?单向和双向通信：按信息信号传送的方向，通信的工作方式可以分为单向通信和双向通信。在单向通信方式中，信息只能向一个方向传送。例如，广播、电视、遥控、无线寻呼等；在双向通信方式中，信息可以双向传送，通信双方都能收发信息。例如，移动用户之间的通信，移动用户和固定用户之间的通信等。

双向通信按信息信号传送的时间又分为单工、双工和半双工通信方式。

5（一）多路复用

?频分多路复用（FDM）：按照频率参量的正交分割原理，将各路信号的频谱搬移至互不重叠的频带上同时在一个信道中传输。接收端通过不同中心频率的带通滤波器，可以将各路信号分离出来。频分多路复用的各路信号在时域中混叠在一起，在频域中可分辨。

?时分多路复用（TDM）：利用时间的正交性，即以时间作为信号分割的参量，使各路信号在时间轴上互不重叠，它利用不同时隙来传送各路不同信号。在TDM系统中，每个信号占据着不同的时间区间，但每个信号均占有相同的频域，各路信号在频域中混叠在一起，在时域中可分辨。

6?码分多路复用（CDM）：根据码型结构的不同实现信号的正交分割，各路信号在时间和频率上是互相重叠的，接收端用相关器或匹配滤波器实现信号分离。

?波分复用（WDM）：为了增加光纤通信系统的传输容量，可以在一条光纤中传输多个不同波长的光信号，只要这些光源的波长有着适当的距离，接收端的光频器件就可将它们分开。

（二）多址联接

?频分多址（FDMA）：各站、台发出的射频信号在指定的射频频带内，但在频谱上互不重叠地排列，共同分用该射频频带，接收端用带通滤波器分离各路射频信号。

?时分多址（TDMA）：以不同的时隙来区分地址，每站有一指定时隙，各站只是在自己的时隙内发射信号。

?码分多址（CDMA）：每个用户有一个特定结构的码字作为地址，不同用户的不同波形信号以同一频率发射出去，各站的接收是根据相应的信号波形分离出自己需要的信号。

?空分多址（SDMA）：利用天线的方向性和用户的地区隔离性实现信号的分离。

78（三）双工方式：频分双工（FDD）、时分

双工（TDD）

–FDD：收发频率分开，接收设备通过滤波器分离各路信号

–特点：需要合理安排频率

–TDD：收发共用一个频率，收发信号通过开关来控制

–特点：收发存在时间间隔

9不同系统的多址技术

蜂窝移动通信系统

高级移动电话系统（AMPS）

全球移动通信系统（GSM）

美国数字蜂窝（USDC）

日本数字蜂窝（JDC）

英国CT-2（数字无绳电话）

欧洲数字无绳电话（DECT）

美国窄带扩频（IS－95）

多址技术

FDMA/FDDTDMA/FDDTDMA/TDDTDMA/TDDFDMA/TDDFDMA/TDDCDMA/FDD10二、频分多址技术（FDMA）

卫星通信系统的频分多址技术：频分多址是卫星通信系统中普遍采用的一种多址技术。当多个地球站共用卫星转发器时，如果根据配置的载波频率的不同来区分地球站的地址，这种多址联接方式就为频分多址。它对各地球站配置不同的频率，以实现不同地球站之间的联接。这种频率配置可以是预先固定指配的，也可以是按需分配的。

11FDMA的非线性效应

?频谱扩展：相邻信道干扰；

?交调（IM）

谐波：邻近业务信道的干扰。

交调干扰主要是由行波管放大器的非线性特性引起的。FDMA的一个卫星转发器的功率放大器，可以同时放大多个载波信号(几个、十几个甚至几百个载波)。

目前卫星转发器的功放级大都采用行波管放大器(TWTA)，其单载波饱和输出功率为5~40瓦，功率增益为30~40dB左右。多载波是为了充分利用转发器资源，但是多载波工作却妨碍了卫星功率的有效利用。在卫星转发器中，作为功放级的TWTA，是一个非线性放大器，它的幅度特性是非线性的，它的相位特性具有调幅－调相变换作用(简写为AM—PM变换)。

12行波管调幅－调相变换作用分析

典型的行波管幅度非线性特性为：当输入功率增加到某一数值时，输出功率达到最大；继续增加输入功率，输出功率反而下降。行波管放大器有一个最大输出功率，称为饱和输出功率。若行波管在饱和点处工作，一般效率最高，但非线性失真也最严重。多载波工作时，减小输入可以减少非线性影响，但同时输出功率也降低了，管子就得不到充分的利用。

多载波波输入时，输出要受到“压缩”．这种压缩是指，在输入总功率相等的情况下，多载波工作时总输出功率比单载波工作时的输出功率要小。

13例一

采用FDMA的转发器交调（互调）频率IM＝mf1+nf2，m,n为任意整数，如：f1=1930MHz，f2=1932MHz，求落在工作频率为1920～1940MHz的交调频率。

解：可能的交调频率有：（2n+1）f1－2nf2，

（2n+2）f1－（2n+1）f2或者（2n+1）f2－2nf1，

（2n+2）f2－（2n+1）f1，n=0,1,2….

n=01930192819321934n=11926192419361938n=21922192019401942*n=31918*

1916*

1944*1946*14保护频带

15图3-1FDMA的地球站框图

16频谱实际占用度

?令?表示转发器带宽的实际占用比例，那么设转发器带宽的dB表示为[BTR]，单载波带宽的dB表示为[Bc]，K为FDMA载波数。有K=?BTR/Bc[Bc]＝[?]+[BTR]-[K]17FDMA典型应用

?美国AMPS系统：FDMA/FDD，模拟窄带调频（NBFM），按需分配频率；

?同时支持的信道数：

N＝（Bt+B保护）/(Bc+B保护）

Bt

系统带宽，Bc信道带宽，B保护为分配频率时

的保护带宽。

例：如Bt为12.5MHz，B保护

为10KHz，Bc为30KHz，求FDMA系统的有效信道数。

解：N＝（Bt+B保护）/(Bc+B保护）

＝（12.5+0.01）/（0.03+0.01）＝31218例二

卫星转发器带宽36MHz，饱和EIRP值为27dBW。

地面站接收机G/T值为30dB/K，全部的链路损失为

196dB。转发器有多个FDMA载波，每个载波3MHz带

宽。转发器有6dB功率“压缩”（back-off）。计算单载波

情况下的下行链路C/N值，并比较有没有功率“压缩”下该

FDMA系统中可以容纳的载波数。假设可以忽略上行链

路噪声和交调噪声，只考虑单载波时的C/N值。

解：转发器带宽的dB表示为[BTR]，单载波带宽的dB表示为[Bc]，假设K为载波数。

[C/N]=[EIRP]+[G/T]-[L]+[K]-[BTR]=27+30-196+228.6-75.56=14.04dB

?dB=-[back-off]，[K]=?dB+[BTR]-[Bc]，K=3；

如果没有back-off，那么K=BTR/Bc=1219三、时分多址技术（TDMA）

卫星通信系统时分多址技术：用不同时隙来区分地球站的地址，只允许各地球站在规定的时隙内发射信号，这些射频信号通过卫星转发器时，在时间上是严格依次排列、互不重叠的。

卫星将在一个TDMA帧内的不同子帧时隙接收并转发来自各地球站（它们都采用相同的载波）的突发脉冲串。也就是说，每一地球站只在TDMA帧的一个子帧内接收和发送突发脉冲。为了保证每一地面终端的突发（子帧）能在所指定的子帧时隙到达卫星，对系统定时和信号格式将有严格的要求。为此，每帧内的第一个子帧将由基准站发出“基准”子帧以作为同步和网控之用。

20图3-4TDMA网络定时的示意图

21图3-5TDMA系统发送数据格式和框图

22图3-6TDMA系统接收数据格式和框图

转发器所转发的TDMA帧由来自各地球站的突发子帧组成，图3-6的三个子帧分别来自A、B、C三个地球站。为了保证各子帧之间不相互重叠，在它们之间留有一定的保护时间。接收地球站在对信号进行解调后，由分路设备分别从来自A、B、C站的信息子帧中输出传送给本站的数据流。

23TDMA帧结构

TDMA帧

头比特

信息

尾比特

时隙1时隙2时隙3……

时隙n尾比特

同步比特

信息数据

保护比特

24TDMA帧的基本组成

?基准站相继两次发射基准信号的时间间隔叫做一帧，在一帧内有一个基准分帧和若干信息分帧，每个分帧占据一个时隙，基准分帧由基准站的突发信号构成；信息分帧由地球站的突发信号构成。

?一个信息分帧对应一个地球站的突发信号。信息分帧中的信道定向采用逐字复用的时分多路复用方式(TDM)。这样，一个地球站发射的信号可由该站的消息分帧在一帧中的位置来确定。

25TDMA的效率

?系统效率：在发射数据中信息所占的百分比，不包括系统开销；

?帧效率：发送数据比特在一帧中所占的百分比；

一帧中的有效信息比特数帧效率?一帧中的总比特数26TDMA系统的信道数

总的信道数：总的TDMA时隙数。即每一

信道的TDMA时隙数乘以有效信道数。

N＝m*[(Bt+B保护)/(Bc+B保护）]

m为每个信道所支持的TDMA用户数，Bt为信道带宽，B保护保护带宽，Bc用户带

宽。

27例三GSM系统，总带宽25MHz，一个信道200KHz，具有8个TDMA用户，未设保护带宽，求总用户数。

解：N＝m*[(Bt+B保护)/(Bc+B保护）]

＝8*[(25+0)/(0.2+0）]=1000

28例四GSM系统每帧包括8个时隙，每时隙包括156.25比特，数据发送速率为270.833kbps，求：（1）比特周期Tb；（2）时隙周期Tslot；（3）帧长Tf；（4）

收发时间间隔。

解：Tb＝1/270.833kbps＝3.692?sTslot＝Tb

×156.25＝0.577msTf＝Tslot×8＝4.615ms

收发间隔为帧长。

29TDMA话音信道容量的简单计算

?设突发数据率为RT，帧效率为ηF，每话音信道比特率为Rb。则话音信道数N为

N=ηFRT/Rb30例五：INTELSAT卫星的每帧符号数为120,832。帧周期为2ms，帧效率0.949，话音信道比特率64kb/s，采用QPSK调制。求话音信道容量。

解：符号率＝120,832/2ms=60.416Msymbol/s.QPSK调制用2比特表示一个符号，所以

RT=60.416*2=120.832Mb/s

所以N=(0.949*120.832*1000)/64=179231独特码（UW或BCW）的相关计算

UW:UniqueWord,BCW:BurstCodeWord

独特码用以指示TDMA帧内子帧的起始位置、子帧内各信息的位置以及站址识别。

?漏检与误检

发生漏检，意味丢失示位脉冲；发生误检，意味着产生了虚假的示位脉冲，这些都将导致系统同步不正常。因此我们需要考虑两个概率值：漏检率和误检率。

32?漏检率

设UW长度为N比特，E为允许该UW检验正确的最大差错数量。令I为在接收UW时的实际差错数量。那么当I≤E，UW可以正确检验；当I>E，认为被检测的序列N不是UW，则发生漏检。令p表示传输平均差错率（BER），那么长度为N的序列中包含有任何一种特定排列的I个错误的概率为

pI=pI(1-p)N-I。而N中取I的组合方式有CNI=N!/(I!(N-I)!)。所以接收到长为N的序列中含有I个的错误的概率为PI=CNIpI。所以漏检概率Pmiss=∑NI=E+1PIPmissN!IN?I??P(1?P)I?E?1I!(N?1)!33N例六

设UW长度为N比特，E为允许该UW检

验正确的最大差错数量。令I为在接收UW时的实际差错

数量。令p表示传输平均差错率（BER），求当

N=40,E=5，p=10-3时的漏检率。

解：

N

N!IN?IPmiss?P(1?P)I?E?1I!(N?1)!??3.7?10?1234?误检概率

有一个长度为N比特的序列（它实际上并不是一个UW，但即使在E个比特位置上不同于UW，它仍被误认为是UW），令I表示随机序列不同于UW的比特位置数，这样E代表了从UW角度考虑可以接受的“比特差错”个数，而I代表了从UW角度考虑实际的“比特差错”个数。

从N中取I的组合个数为CNI

，因此能够接受作为UW的码字数为∑EI=0CNI。一个长为N比特的随机序列可组成的码字数为2N，假定所有码字是等概的，则接收到任何一个特定码字的概率为

2-N。所以误检率为

PF?2?NN!?I?0I!(N?I)!E35例七、计算当N=40，E=5时的误检率

PF?2?NN!?7?6.9?10?I?0I!(N?I)!E

比较例六和例七的结果，可以看出误检概率要远远高于漏检概率。在实际系统中，一旦帧同步建立起来，可以在预期的UW到达时间上设置一时间窗，相关器只在这个时间窗内工作，这样可以大大降低误检概率。

36TDMA数字传输的下行链路分析

?在TDMA方式下，TWTA没有功率压缩的要求，所以转发器可以饱和工作。上行地面站使转发器饱和工作时，即使该地面站的业务量很低，也需要较大的功率。

?考虑到中频带宽对数据率的限制，传输比特率可以按下式简单计算：Rb/BIF=m/(1+ρ)，其中ρ为滚降系数。如对于BPSK，m=1;QPSK，m=2。

ρ=0.2，则Rb=mBIF/1.237FDMA和TDMA的特点比较

?对于TDMA方式，卫星转发器上任何时刻都只有一个载波工作，不会产生交调干扰，行波管可以工作在饱和状态，能充分利用转发器的功率；

?TDMA方式是对各地球站和转发器进行时间分隔，无需FDMA方式的多次变频，简化了电路结构；

?TDMA方式对地球站等效全向辐射功率变化的限制，没有FDMA方式那样严格；

38?TDMA方式可根据各站业务量的大小来调整各站时隙的大小，大小站可以兼容，易于实现按需分配；

?TDMA方式与地面数字系统的接口方便，同时也便于做星上处理；

?TDMA方式可以与数字话音内插（DSI）和自适应差分编码（ADPCM)技术配合，形成数字电路倍增设备，使转发器容量大大提高（达5倍）；

?TDMA系统的网同步复杂。

39FDMA和TDMA的容量比较

出于简化的目的，只比较上行链路的容量。公式[R]=[C/N0]-[Eb/N0]对于FDMA和TDMA的上行链路都适用。对前者R就是Rb，对后者R就是是RT（突发数据率）。假设[Eb/N0]对两者相同，上行链路损耗和卫星[G/T]也相同。那么TDMA的地面站需要增加的EIRP值为

[EIRP]TDMA-[EIRP]FDMA=[RT]-[Rb]

如果天线增益也相同，那么TDMA的地面站需要增加的发射功率为

[P]TDMA-[P]FDMA=[RT]-[Rb]40四、CDMA?