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第3章卫星通信的多址技术 zy29209 2 第3章卫星通信的多址技术 3 1多址技术与信道分配技术的概述3 2频分多址 FDMA 方式3 3时分多址 TDMA 方式3 4码分多址 CDMA 方式3 5空分多址 SDMA 方式3 6ALOHA方式 3 3 1多址技术与信道分配技术的概述 多址联接是指多个地球站通过同一颗卫星 同时建立各自的信道 从而实现各地球站相互之间通信的一种方式 信道 的含义 FDMA中是指各地球站占用的转发器频段 TDMA中是指各地球站占用的时隙 CDMA中是指各地球站使用的码型 常见的信道分配方式主要有三种 4 1 预分配方式 PA 1 固定预分配方式 FPA 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 各地球站只能使用分配给它们的这些特定信道与有关地球站通信 其他地球站不得占用这些信道 优点 信道是专用的 实施联接简单 建立通信快 基本上不需要控制设备 缺点 使用不灵活 信道不能相互调剂 在业务量较轻时信道利用率低 适合大容量系统 5 f1 f2 f1 f3 f3 f2 6 2 按时预分配方式 TPA 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 其信道利用率比固定预分配高 但从每一时刻看 它仍然是固定预分配的 7 2 按需分配方式 DAMA 按需分配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 优点 比较灵活 各站间可以相互调剂信道 因而可用较少的信道为较多的站服务 适合业务量较小且地球站较多的卫星通信网 缺点 控制设备比较复杂 并且一般要在转发器上单独开辟一专用频段作为公用传信通道 供各站申请分配通道之用 8 3 随机分配 RA 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 常用于数据交换业务 因为数据通信一般间断而不是连续地使用信道 且数据包发送的时间也是随机的 因而如果仍使用固定预分配甚至按需分配 则信道利用率就很低 采用随机占用方式则可大大提高信道的利用率 碰撞 9 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 多路复用是利用一条信道同时传输多路信号的一种技术 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 10 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 11 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 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 多址联接和多路复用的关系 12 13 多路复用 多路复用 多址技术 多址技术 14 双工方式 双工是指通信双方能够同时进行双向传送消息的一种通信方式 频分双工 FDD 收发频率分开 接收设备通过滤波器分离各路信号时分双工 TDD 收发共用一个频率 收发信号通过开关来控制 15 3 2频分多址 FDMA 方式 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 根据是否使用基带信号复用 可分为每载波多路 多路单载波 和每载波单路 单路单载波 方式 16 17 FDMA的特点 频分多址方式是最基本的多址方式 也是最古老的多址方式 其最突出的特点是简单 可靠和易于实现 其特点可进一步归纳如下 1 必须严格控制功率 2 设置适当的保护频带 3 尽量减少互调干扰的影响 18 3 2 1多路单载波 频分多址 MCPC FDMA 方式 给多个话路分配一个载波 各话路信号先进行多路复用 然后调制 上变频 将频率变换到指定频率 因此 经卫星转发的每个载波所传送的是多路信号 一般采用预分配方式 根据复用方式和对载波调制方式不同 可以分为FDM FM FDMA方式和TDM PSK FDMA方式 19 预分配频分复用 调频 频分多址 FDM FM FDMA 每个地球站分配一个专用载波 首先把所有要发射的基带模拟信号以频分复用方式复用在一起 然后以调频方式调制到一个载波频率上 最后再以FDMA方式发射和接收 优点 技术成熟 设备简单 不需网同步 工作可靠 可直接与地面频分制线路接口 工作于大容量线路时效率高 特别适用于站少而容量大的场合 20 21 缺点 任一地球站为了能接收其他地球站的信号 都必须设有除本站外的所有下行频率的接收电路 转发器要同时放大多个载波 容易形成互调干扰 功率利用率不高 各上行链路功率电平要求基本一致 否则容易引起强信号抑制弱信号现象 因此大小站不易兼容 需要保护频带 故频带利用率不高 不论是否通信 载波始终在工作 22 预分配时分复用 移相键控 频分多址 TDM PSK FDMA 每个地球站分配一个专用载波 首先将多路话音信号进行脉冲编码调制 PCM 然后将数字基带信号用时分复用方式复用在一起 再以PSK方式调制到一个载波上 最后再以FDMA方式发射和接收 例 IDR中等数据速率卫星通信系统 采用TDM QPSK FDMA体制 适合业务量大的干线通信 不需要全网同步 系统较为简单 设备也较便宜 因此发展很迅速 23 3 2 2单路单载波 频分多址 SCPC FDMA 方式 在一路载波上只传送一路电话 特点 可采用 话音激活 技术可减小互调干扰可实现数模兼容 提高使用的机动性和灵活性 由于这种系统设备简单 经济灵活 线路易于改动 特别适用于站址多 业务量小的场合应用 24 根据基带体制和对载波调制方式不同 可以分为数字调制SCPC PCM PSK FDMA方式和模拟调制SCPC FM FDMA方式 按照信道分配方式可分为预分配方式和按需分配方式 一般采用按需分配方式 1 预分配方式的SCPC信道固定分配给各个地球站 两地球站通话时各占一条卫星信道 一个转发器的36MHz带宽以45kHz的等间隔划分为800个信道 这些信道以导频为中心在其两侧对称配置 25 图3 6SCPC系统的频率配置 26 2 按需分配 频分多址 SPADE 方式SCPC一般用于容量较小 站址数较多 总通信业务又不太繁忙的系统 预分配方式的SCPC不能充分体现其优越性 因而采用按需分配方式更合适 单路单载波 脉码调制 按需分配 频分多址在采用SPADE方式工作的卫星通信系统中 通常将一个卫星转发器的一部分频率配置为公用传输信道 CSC 而另一部分频率配置为话音通道 CH 27 图3 10SPADE系统的频率配置 28 3 3时分多址 TDMA 方式 3 3 1TDMA的基本原理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 29 TDMA系统模型 30 TDMA系统的优点 1 不存在FDMA中的互调问题 卫星功率利用率高 2 系统容量大 3 数字通信系统 提高信号传输质量 有利于综合业务的接入 4 使用灵活 31 TDMA系统的不足 1 必须保持各地球站之间的精确同步 才能让所有用户实现共享卫星资源的目的 2 为了保证用户信息传递的连续性 要求采用突发解调器 系统中各站在规定的时隙内以突发的形式发射其已调信号 3 初期的投资较大 系统实现复杂 技术设备复杂 32 帧 整个系统的所有地球站时隙在卫星内占据的整个时间段称为卫星的一个 TDMA 时帧 一个TDMA帧是由一个同步分帧和若干个业务分帧组成的 基准分帧 同步分帧 TDMA帧内的第一个时隙 不含任何业务信息 仅用作同步和网络控制 数据分帧 除基准地球站外其他地球站占据的时隙 保护时间 在各个时隙之间留有很小的时间间隔 称为 保护时间 33 TDMA系统帧结构 34 3 3 2TDMA系统的同步 在卫星通信系统中 有一个基准站 基准站的时钟是独立的 并作为全网的基准时钟 系统中所有业务站都以这个基准时钟来进行工作 TDMA系统同步可分为初始捕获和分帧同步两个步骤 35 初始捕获 地球站发射的射频分帧按要求准确地进入卫星转发器指定时隙的过程 分帧同步 完成初始捕获后 为使地球站发送的分帧保持在TDMA帧内所规定时隙上 而进行的分帧发送定时控制 36 3 3 3数字话音内插 统计结果表明 在话音通信系统中 每条通信线路上实际传送的话音信号只占总线路时间的40 左右 利用话路的空闲时间传输其他路的话音信号就可以提高信道利用率 数字话音内插 DSI 就是利用话音通信的这个特点 将路数较多的话音信号压缩到路数较少的信道上进行传输的技术 在TDMA系统中由于采用了DSI技术 使通信容量增大了一倍 37 3 3 4频分多址 时分多址 FDMA TDMA 方式 是指若干个窄带TDMA方式工作的地球站 以频分多址方式共用一个转发器的一种技术 传送相对较低速率 10Mbit s以下 的信号 特点 改变业务样式灵活 特别适合传输数据 每个帧内的信道都可以采用按需分配方式 但是由于要求功率放大器有输出补偿 所以卫星转发器的效率低于单纯的TDMA系统 38 3 4码分多址 CDMA 方式 各地球站使用相同的频率 任意时间发射 利用伪随机码作为地址信息 对已调信号进行扩频调制 使频谱大大展宽 在接收端以本地产生的地址码为参考 根据相关性的差异对接收到的所有信号进行鉴别 从中将地址码与本地地址码完全一致的宽带信号还原为窄带信号而选出 适合于容量小 移动性大的系统 39 3 6 1直接序列码分多址系统 扩频 直接用具有高码率的扩频码序列 伪随机序列 在发端去扩展信号的频谱 解扩 在收端用相同的扩频码序列去解扩 把展宽的扩频信号还原成原始的信息 40 41 42 3 4 2跳频码分多址系统 跳频 FH FrequencyHopping 在发送端 利用PN码控制频率合成器 使频率在一个宽范围内伪随机地跳变 跳频系统占用了比信息带宽要宽得多的频带 在接收端 本地PN码产生器提供一个和发端相同的PN码 驱动本地频率合成器产生同样规律的频率跳变 和接收信号混频获得已调信号 43 3 6空分多址 如果通信卫星采用多波束天线 各波束指向不同区域的地球站 那么同一信道可以被所有波束同时使用 这就是空分多址 SDMA 实际应用中 一般不单独使用SDMA方式 而将其与其它多址方式结合使用 44 星上交换SS FDMA SS FDMA卫星转发器方框图 45 SS FDMA系统模型 46 星上交换 时分多址 SS TDMA 方式 SDMA SS TDMA系统 简称SS TDMA 在卫星上设置若干点波束天线和一个交换矩阵 MSM 将从不同上行波束到达的TDMA突发按需要分别送到不同的下行波束去 地球站需要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 适合站数多 业务量大 卫星频带严重不足的场合 47 48 SS TDMA系统原理图 49 四种多址连接方式的比较 频分多址FDMA特点 各站发射的载波信号在转发器内所占的频带互不重叠 所发信号频率正交 各载波的包络恒定转发器工作于多载波识别方式 滤波器 50 主要优点 可沿用地面微波通信的成熟技术和设备 设备比较简单 不需要网同步主要缺点 有互调噪声 不能充分利用卫星功率和频带 上行功率 频率需要监控 FDM FM FDMA方式多站运用时效率低 大 小站不易兼容 适用场合 FDM FM FDMA方式适合站少 中 大容量的场合 TDM PSK FDMA方式适合站少 中等容量的场合 SCPC系统适合站少 小容量的场合 51 时分多址TDMA特点 各站发射的载波信号在转发器内所占的时间互不重叠 所发信号时间正交 转发器工作于单载波识别方式 时间选通门 52 主要优点 没有互调问题 卫星功率与频带能充分利用 上行功率不需严格控制 便于大 小站载波兼容 站多时 通信容量仍较大主要缺点 需要精确的网同步 低业务量用户也需要相同的等效全向辐射功率EIRP适用场合 中 大容量线路 53 空分多址SDMA特点 各站发射的载波信号只进入该站所属通信区域的窄波束中 所发信号空间正交 可实现频率重复使用转发器成为空中交换机识别方式 窄波束天线 54 主要优点 可以提高卫星频带利用率 增加转发器容量或降低对地球站的要求主要缺点 对卫星控制技术要求严格 星上设备较复杂 需用交换设备适用场合 大容量线路 55 码分多址CDMA特点 各站使用不同的码型进行扩展频谱调制 所发载波信号码型准正交 各载波包络恒定 在时域和频域互相混合识别方式 相关器 56 主要优点 抗干扰能力较强 信号功率谱密度较低 隐蔽性好 不需要网定时 使用灵活主要缺点 频带利用率低 通信容量小 地址码选择较难 接收时地址码的捕获时间较长适用场合 军事通信 小容量线路 57 3 7ALOHA方式 ALOHA原是美国夏威夷大学为计算机之间的数据信息传输与交换设计的一种在地面通信网中进行的数据分组广播通信方式 于1973年第一次将该技术用于卫星通信系统 ALOHA是一种随机多址访问方式 用于数据传输 这种系统中 每个用户都可以访问一条共享信道 而无需事先与系统中的其他用户进行协商 58 3 7 1纯ALOHA P ALOHA 方式 纯ALOHA是一种完全随机多址方式 每个地球站有一个发射控制单元 它将数据分成若干段 每段加上报头和报尾构成一个数据分组 每次以分组的形式高速发射数据 在纯ALOHA系统中 任何站只要有数据要发射 随时都可以发射 然后等待一段时间 电波往返传播时间 如果该站在这段时间内收到对方应答信号 就认为发射成功 否则必须重发 59 卫星分组通信原理 60 由于在纯ALOHA方式中对用户发送数据分组的时间未加以任何限制 因此对任一分组而言 只要有其他站发射分组 便会在信道上发生 碰撞 现象 61 ALOHA方式的应用特点 系统结构简单 全网不需要定时和同步 用户入网方便 无需协调 当业务量较小时具有良好的通信性能 吞吐量低 由于存在碰撞现象 其吞吐量 即有效传输的数据率 较低 最高吞吐量也只能达到网络容量的18 4 存在信道不稳定性 即当信道业务量较小时 信道利用率随业务量增加而增加 但当业务量增大到一定的程度时 吞吐量反而减小 信道利用率下降 极端情况吞吐量降为零 62 例 ALOHA网络采用9600kbit s的数据率 则总的最大吞吐量为0 184 9600kbit s 1766kbit s且这1766kbit s的容量必须由所有用户共享 63 3 7 2时隙ALOHA S ALOHA 方式 时隙ALOHA是一种时分随机多址方式 它是将信道分成许多时隙 每个时隙正好传送一个分组 时隙的定时由系统时钟决定 各站控制单元必须与此时钟同步 各站只允许在时隙始端开始发射 因此 一旦发生碰撞就是完全重叠 完全碰撞 最大信道利用率可达36 8 相比纯ALOHA方式增加一倍 但全网需要定时和同步 设备比较复杂 且仍存在信道不稳定性问题 64 65 业务量