《卫星通信与卫星网络》课件-第7章

第7章多址技术7.1概述7.2频分多址7.3时分多址7.4码分多址7.5空分多址7.6本章小结

7.1概述

多址技术是指在卫星覆盖区内的多个用户利用同一个传播信道在同一时间进行相互通信的传输方式。多址技术根据信号分割原理把频谱资源按照频带、时间、码型等参数分成相互正交或准正交的信道,并把这些信道以适当的方式分配给需要进行接入的用户。其目标是最大化卫星的通信容量,有效使用带宽,维持灵活性,在最小化用户费用的同时使运营商的收益达到最大。

FDMA将卫星通信系统的总频段划分成若干个等间隔的信道分配给每个用户,用户在这个分配给自己的特定频率的信道上传输信号,信号可以是模拟的,也可以是数字的。

TDMA把时间分割成周期性的帧,每一帧分割成若干时隙,然后给每个用户分配唯一的时隙,以便信号按顺序通过转发器。此传输方式势必引起信号的延迟,因此只适用于数字信号的传输。

CDMA给每个用户分配一个独特的码序列,卫星接收到的信号是用户信号与其独特的码序列进行正交编码后的扩频信号,地面接收端在接收到信号后需要通过相关的方法将

用户信号分离出来。CDMA也只适用于数字信号。

SDMA应用智能天线技术,由天线给每个用户分配一个点波束,这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的信号。实际中,SDMA不会独立使用,而是与其他多址方式如

FDMA、TDMA或CDMA等结合使用,从而实现在有限的频率资源范围内更高效地传输信号。

多址方式也可以按照卫星信道资源的分配方式划分成固定多址(FA,FixedmultipleAccess)、按需多址(DA,on-DemandmultipleAccess)和随机多址(RA,Randommultiple

Access)。固定多址也称为预分配多址,要求预先分配好每个用户占用的信道份额,各用户只能在自己特定的信道上完成与其他用户的通信。此方式不需要附加控制和调度信道,但

是各信道的容量固定,不能增减,特别是当某个用户的信道空闲不用时,其他用户也不能使用,因此信道利用率较低。

按需多址是根据不断变化的业务量情况,随时把信道合理地分配给用户使用,此类系统通常设有一中心站集中控制信道分配,当某用户需要通信时先联系中心站,中心站根据当时情况给通信双方安排信道。随机多址没有信道控制系统,当用户需要通信时可按一定的规程随机占用信道。这种方式适用于各用户通信量较小的情况。

7.2频分多址

FDMA是最早应用于卫星通信系统中的多址方式,其突出的优点是简单、可靠,便于实现。因此,在卫星通信发展的初期,几乎都采用这种多址方式,至今有的系统仍然在使用。频分多址方式需要给每个地球站分配一个专用的载波,并且所有地球站的载波互不相同,为了载波互不干扰,它们之间有足够的间隔作为保护带。

图7-1为频分多址方式示意图。图中,f1、f2和f3为各地球站发射的载波频率,在卫星转发器中载波按频率的高低排列并经过频率变换,转换成相应的下行频率f4、f5和f6,下行链路会把全部载波发送到所有接收站,各接收站选择出自己所期望的载波进行解调或检测。

图7-1频分多址方式示意图

频分多址的实现方式主要有两种:单路单载波频分多址(SCPCFDMA)和多路单载波频分多址(MCPCFDMA)。单路单载波(SCPC,SingleChannelPerCarrier)是指一个载波只包含一路信号,而多路单载波(MCPC,MultipleChannelPerCarrier)方式中一个载波可以包含多路不同的信号。

在SPADE系统中,通常将一个转发器的部分频率配置为公用信令信道(CSC,CommonSignalingChannel),而另一部分频率配置为语音通道,每个地球站都有一个称作按需分配信令和交换单元的设备,通过此设备来执行CSC所需要的功能,所有地球站都通过CSC永久连接。为了详细说明,我们假设地球A站要向B站发起一个呼叫,A站首先从当前可用的频率中随机选择一对频率,并通过CSC将信息发送给B站,B站又通过CSC回复A站可以竞争该线路,一旦该线路建立起来,系统中的CSC会通知其他所有地球站将该频率从可用频率列表中删除。

如果在A站发起呼叫等待B站回复的时间段内,最初选择的两个频率被分配给其他线路,这时,A站会收到来自CSC的更新信息,并立即随机选择另一对频率。呼叫完成后,该线路会断开连接,CSC又会通知所有地球站将这两个频率加到可用频率列表中。

尽管FDMA是一种简单且易于实现的多址方式,但在系统应用和设计时一些关键问题必须妥善解决。

首先是功率控制,这在功率受限的卫星通信系统中尤为突出。因为系统中某一地球站发射的功率大于额定值,就会侵占卫星上发给其他地球站的功率;反之,发射功率过小,又会影响通信质量。

其次是设置适当的保护频带。当相邻频带的频谱成分落入本信道内时,就会引起邻道干扰。为了避免因载波漂移致使各载波频谱重叠,在各载波占用的频带之间要留有一定的

间隙作为保护频带。若保护频带过宽,则频带利用率降低;若保护频带过窄,则要对卫星和地球站的频率资源和滤波器等提出苛刻的要求。

最突出的问题是转发器工作在多载波状态会引起互调干扰问题,有效输出功率降低以及强信号对弱信号的抑制。当卫星转发器的行波管放大器在同时放大多个不同频率的信号

时,由于它的输入输出特性具有非线性,会使输出信号中出现各种组合频率成分。这种现象不但影响通信质量,而且浪费卫星的功率。为了避开这些干扰频率,有些频带便不得不禁止使用,因而又造成了卫星频带的浪费。另外,如果被放大的各个载波信号的强度不同,则会发生强信号抑制弱信号的现象,使弱信号大大削弱,以致无法为对方地面站所接收。由此可见,为了有利于发射功率不同的大小站兼容,需要确定出系统的最佳或准最佳信道分配方案。

减小互调干扰的措施主要有:采用适当的补偿,使用能量扩散信号,载波非等间隔排列,利用幅度和相位预失真线性器修正功放特性等。

7.3时分多址TDMA技术是通过对各地面站所发信号的时间参量进行分割来实现的,如图7-2所示。时间被分割成周期性的帧,每一帧再分割成若干个时隙,每个站都只在分配给自己的时隙内用同一载波频率向卫星发射信号,在满足定时和同步的条件下,卫星可以分别在各时隙中接收到所有地面站的信号而不混扰。同时,卫星发向每个站的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输,各站只要在指定的时隙内接收,就能在多路的信号中把自己期望的信号区分并接收下来。为了使各站之间互不干扰,各时隙之间有一定的保护时隙。

图7-2时分多址方式示意图

7.3.1帧结构

一个TDMA帧包含了TDMA网络中所有地面站传送的信号。帧具有固定的长度,并且是由各地面站的突发脉冲传输构成的。突发是TDMA地面站的一次信号发送,各地面站在规定的时隙内以突发的形式发射信号。各突发传输之间都有保护时间,因为系统定时不够精确以及地面站与卫星之间的距离发生变化,导致卫星转发器在接收各站信号时出现时间上的漂移,这种情况下设置保护时间便可以避免各突发传输之间发生重叠现象。

TDMA系统的帧结构主要包括基准分帧和数据分帧两部分,如图7-3所示。图7-3TDMA系统的帧结构

基准分帧是为系统中其他分帧定时与同步提供时间基准的分帧,由系统指定的基准站或卫星发出。数据分帧用来传送用户的通信信息,它由系统中进行通信的地面站产生,数据分帧包含了若干个业务分帧,并且每个业务分帧由分报头和多个PCM数据信道构成。

基准分帧标记着一帧的开始,一般情况下,TDMA系统都会有一个基准站来发送基准突发,并以此作为其他地面站发送突发信号的时间基准。基准突发包括载波和比特定时恢

复(CBR,CarrierandBit-timingRecovery)、独特码(UW,UniqueWord)、地球站识别码

(SIC,StationIdentificationCode)。

CBR传送的是供接收端进行同步检测所需的载波同步和比特定时同步信号,报头中的CBR具有同样的作用。在TDMA系统中,按顺序接收到的不同地面站的射频突发信号不一定具有相同的载波频率、相位和比特速率,这种差别虽然不大,但已经足够使接收机重新锁定每个新的载波,并对比特时钟进行再同步。

UW是一个二进制码字,其备份存储在每一个地面站中。在基准分帧中,UW用来提供帧定时功能,这样各业务地面站根据此定时来确定其业务分帧在数据分帧中的具体位置。业务分帧中的UW用来指示一个业务分帧的开始时间,通过比较突发中到达比特和UW中存储的比特,接收机就能检测到何时一组接收比特与UW匹配,由此为接收端提供接收定时,地面站可以据此从业务分帧中提取它所需要的子脉冲序列。

SIC用来识别发射信号的地面站,共有8个比特。其中,6个比特是地址码,不同的地面站采用不同的编码,这样该系统中便可容纳64个地面站;另外2个比特用来表示该地面站的性质,即是基准站还是各分站,或是普通站。在有些系统中,没有单独使用地球站识别码,而是用UW兼此功能,这就要求各地面站发送彼此不相同的独特码。

报头是业务分帧的初始部分,它所携带的信息与基准分帧中的信息类似,两者唯一的区别是报头有用来传送卫星通信线路分配的指令信号(OW,OrderWire)。TDMA系统中,一切同步功能和动作指令都在报头中作了规定,因此,地面站在接收到信号后首先要破译报头,根据报头指令才能正确解调信号,并正确地选出与本站有关的信号。

TDMA突发的最后部分携带了业务数据,业务数据是各帧的收益产生部分,而报头和基准突发信号则代表了开销。开销越小,则TDMA系统的效率就越高,但同时获得并保持网络同步的难度就越大。

7.3.2TDMA网络同步

TDMA系统中的地面站必须在精确控制的时间上发射它们的射频突发,使得从每个地面站来的突发信号都能以正确的顺序到达卫星,这就要求具有严格同步的定时和良好的同步精确度。由于TDMA系统是用时间来分割信号的,因此系统中各个地面站要有一个统一的时间标准。绝对的时间标准在实际中很难做到,而相对的时间标准易于实现。相对的时间标准是指规定一个基准时钟,基准时钟通常由一个基准站来发送,系统中的所有地面站都以这个基准时钟来进行工作。

初始捕获可以通过很多方法来完成。在固定网络中,可以计算出一个地面站应该发射突发的准确时间。假设计算是精确的,则地面站可以选择在其时隙中心的时间上先发射报

头部分。当包含此报头的帧返回该地面站时,就可以检测出此突发的实际位置,并且必要时还应对定时做些修正。然后该地面站就能以正确的定时来发射业务分帧。

图7-4是TDMA系统中一个地面站B站完成初始捕获过程的示意图。B站先只发射报头,发射时间安排在预先计算好的B站分帧时隙的中间位置,以免影响相邻的A站分帧与C站分帧。将B站所发射报头中的UW与基准分帧中的UW进行比较,调整B站发射报头的时间,逐渐把B站的报头移到规定的位置,随后便进入锁定状态,初始捕获完成。接着B站就可以发射完整的分帧信号,进入通信阶段。

图7-4初始捕获过程

开环式同步基于精确知道卫星位置与地面站的实时位置来决定分帧的发射时间,此方式达不到高精度的同步要求,并且需要较长的保护时间,导致帧的利用率不高,因此在实际系统中应用较少。

闭环式同步通过将所接收的来自卫星转发器的基准分帧和由本站发出并经卫星返回本站的分帧进行比较,检测出接收时差来控制发射分针定时,使分帧稳定地在规定时隙内工作。

7.3.3数字语音插空

数字语音插空(DSI,DigitalSpeechInterpolation)是一种提高语音电路利用率的技术。由于语音的断续性质,语音通信信道在相当比例的时间中处于空闲状态。统计结果表明,在语音通信系统中,每条通信线路上实际传送的语音信号只占总线路时间的40%左右。

TASI利用呼叫之间的间隙,听话而未说话以及说话停顿的空闲时间,把空闲的通路暂时分配给其他用户来提高系统的通信容量。它实现的功能是:N路语音经编码后构成的TDM时分复用信号作为输入信号,在一帧内N个话路经语音存储器与TDM格式的M个输出话路连接。图7-5所示是TASI信号流程。图中第一个卫星信道是一个预分配信道,

该信道不携带任何业务,只用作存储发射信道的被分配信息。

图7-5TASI信号流程

在发送端,语音检测器依次对各输入话路的工作状态加以识别,判断它们是否有语音信号通过。当确认某个话路中有语音时,即刻通知分配处理机,分配处理机立即发出指令,把该话路建立的连接状态信息送入分配信道缓存器与分配信息产生器以便通知接收端。

分配信息的传送方式有两种:一种是只发送最新的状态连接信息;另一种发送全部连接状态信息。接收端根据分配信息可以将在其采样时隙内的正确缓存信息读到相应的地面

信道上。在语音暂停时间内,如果信道被重新分配,则接收端就会引入一个低电平噪音来模拟一个连续信号。

SPEC方式下,当某一时刻的PCM码样值与前面的PCM码样值有明显差别(即不能预测)时,才发此码组,否则不发。这种方式大大减少了需要传输的码符数,使得系统容量得以提高。图7-6是典型的SPEC原理图。

图7-6SPEC原理图

与TASI不同的是,SPEC完全避免了剪音现象。但是当激活的话路数超过卫星信道数时,只有那些预测误差相当大的PCM样值可以优先传输,而那些较小误差的样值不能

被传输。这些不能传输的样值只能用它的前一个样值来代替,使得系统采用粗量化,增加了量化噪声。

7.4码分多址

CDMA多址方式有如下特点:信号在编码变换后其频带展宽了,抗干扰能力得以加强;恢复信号的设备比较简单,通信的接续相当机动灵活,只要同时通信的用户不超过由互干扰决定的界限,任一通信站的加入或退出都十分方便;当同时通信的站数减少时,通信质量会自动提高;比较适合于容量小、分布广、有一定保密要求的系统使用,因此在军事通信中应用较多。

尽管CDMA有很多优点,但它的缺点也不容忽视。CDMA的主要缺点是:数据的传输速率较低,不能充分利用频带;还需要对上行功率进行控制,否则某些地面站会过多地使用卫星输出功率;要选择足够多的可用地址码比较困难,对地址码的捕获和同步需要一定的时间。

主要的扩频技术有两种:直接序列扩频(DSSS,DirectSequenceSpreadSpectrum)和跳频扩频(FHSS,FrequencyHoppingSpreadSpectrum)。FHSS方式需要先用地址码控制频率合成器产生出能在大范围内频率跳变的本振信号,再与调制载波进行混频,其地址码的结构决定载频跳变的规律。

DSSS方式是直接用伪随机(PN,PseudoNoise)码序列对信源输出信号进行调制。信源信号与PN码进行模2和生成速率与PN码速率相同的扩频序列,再用扩频序列去调

制载波,就可以得到已扩频调制的射频信号。接收机在收到发射信号后,首先通过PN码同步捕获电路来捕获发送来的伪码精确相位,并由此产生跟发送端的PN码相位完全一致

的PN码相位,作为本地解扩信号,以便能够及时恢复出数据信息,完成整个直扩卫星通信系统的信号接收。图7-7为DSSS多址系统组成框图。

图7-7-DSSS多址系统组成框图

7.4.1扩频与解扩

DS－SS系统所使用的扩频码要具有很好的自相关性和很低的互相关性。据此目的,人们已经开发出了各种各样的扩频码,如m序列、gold码、PN码和Weil码。在DS－SS

的研究中,都用PN码作为扩频码。PN码近似白噪声,频谱分布均匀,码的实现方式相对简单,并且有足够多的数量,使系统的通信容量不受地址码数量的限制。

图7-8所示是信源在扩频调制过程中各信号的波形。

图7-8信号扩频过程

图7-9是信号解扩过程的各信号波形。图7-9信号解扩过程

7.4.2码序列同步

码序列同步是扩频系统特有的,也是扩频技术中的难点。CDMA系统要求接收机的本地PN码与接收到的PN码在结构、频率和相位上完全一致,否则就不能正常接收所发送的信息,接收到的只是一片噪声。而PN码序列若实现了收发同步,但不能保持同步,也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。因此,PN码序列的同步是CDMA扩频通信的关键技术。

PN码同步过程分为PN码捕获和PN码跟踪两部分。PN码捕获是精调本地PN码的频率和相位,使本地产生的PN码与接收到的PN码间定时误差小于1个码片间隔Tc。PN

码跟踪则是自动调整本地码相位,进一步缩小定时误差,使之小于码片间隔的几分之一,达到本地码与接收PN码的频率和相位精确同步。

滑动相关法是一种最常见的捕获方法。图7-10是滑动相关法的结构图。图7-10

滑动相关法的优点是十分简单,但是当接收码同本地码之间的失配量很大时,搜索过程可能很长。序贯检测法和匹配滤波法都是缩短捕获时间的有效方法。目前利用一些新的

搜索算法进一步改进这些系统的性能成为研究的热点。此外,以前主要研究的是高斯信道下的捕获性能,现在则考虑非高斯信道下的捕获性能,以及在有频偏等影响条件下的捕获性能。

7.5空分多址SDMA方式下,多个地面站利用天线的方向性来分割信号。各站发出的射频信号在时间、频带上都可以相同,但它们在卫星上不会混淆。因为不同地面站的信号将瞄准不同的卫星点波束天线,利用多个点波束天线对信号的空间参量作分割,即信号在卫星转发器天线阵空间内位于不同的方位。在卫星上,通常要设置交叉矩阵或再生式数据包交换矩阵,根据各站信号要发送的方向,通过交换矩阵即时地把这些信号分别转接至相应的卫星发射天线,地面站通过方位选择窄波束天线就可只接收对方站的信号。各波束中的地面站除了与本波束地面站通信外,还可以通过星上交换矩阵与其他波束中的地面站进行通信。

上述这种具有多波束天线的卫星也称作多波束卫星,通常使用在两种环境之下:其一,将原来的一个单一业务区分成若干小区,用高增益天线所发射的点波束分别覆盖这些小区,这样可以减小地面站天线的尺寸;其二,用多个不同的波束分别覆盖彼此分开的几个业务区域,这样在卫星功率充裕的情况下,可以实现对频率的重复利用,从而使卫星转发器的容量成倍地增加。但是,SDMA方式对卫星的稳定及姿态控制提出了很高要求,卫星天线及馈线装置也比较庞大和复杂。此外,由于同一波束内的用户数量众多,因此在实际应用中,一般不单独使用SDMA方式,而是与FDMA、TDMA等其他多址方式结合使用。

7.5.1卫星交换－频分多址

卫星交换－频分多址是SDMA与FDMA技术的结合,简称SSFDMA(SatelliteSwitchedFDMA)。卫星采用多个点波束天线代替单个波束天线来保持与其整个覆盖区域

内的连续通信,地面站至卫星的上行链路信号采用FDMA方式,任何一个用户的信号可以占用1个或者相邻的几个子频带,属于不同用户的子频带之间具有保护间隔。图7-11是

SS－FDMA方式示意图。卫星上的每个滤波器都与每个上行链路中的载波相对应,以便能够将指定上行链路中的对应载波的带通信号提取出来,并在卫星上进行选路操作,然后将

其送往覆盖接收地面站的下行链路波束中。

图7-11SSFDMA方式示意图

SS－FDMA卫星转发器方框图如图7-12所示。图7-12SSFDMA卫星转发器方框图

7.5.2卫星交换时分多址

卫星交换时分多址系统简称SS－TDMA。卫星上设置若干点波束天线和一个交换矩阵,将来自多个地面站的上行线路的TDMA帧在卫星上按时间转换,重新编成发向各地

面站的下行线路的帧,这样就实现了多址通信。SS－TDMA要求地面站准确知道卫星上交换矩阵的切换时间,从而控制本站的发射时间,以保证在准确的时间里通过交换,建立严格的同步。此方式适合站数多、业务量大、卫星频带严重不足的场合。

SS－TDMA系统的基本原理图如图7-13所示。

图7-13SSTDMA系统基本原理图

在SSTDMA系统中必