微波与卫星通信第3章ppt课件

第3章卫星通信的多址方式,本章主要对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。解决的关键问题：便于卫星识别与区分各地球站的信号。各地球站如何从卫星转发的信号中识别出应接收的信号。,3.1.1信道分配方式指如何进行信道分配，根据采用的多址方式的不同，其信道的内含而不同：FDMA指各地球站所占用的转发器的频段TDMA指各地球站所占用的时隙CDMA指各地球站所使用的码型,下面以卫星移动通信系统为例进行介绍（采用频分多址方式）,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。,优点：载频专用，连接设备简单，基本无需控制设备缺点：使用不灵活，只有在业务量高的时候通信效率才高，业务量低时信道利用率低。,此分配制度只适用于业务量大的信道,卫星略去,（2）按时预分配（TPA）方式根据统计，事先掌握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。,TPA比FPA的信道利用率高但仍只适用于大容量通信线路,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。为实现该种分配方式，必须在卫星转发器上单独划出一个频段，专门作为公用信道，用于地球站申请和完成通道分配工作。,根据信道分配可变的程度不同，将申请分配制度分为以下几种：（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,指发送载频和接收载频都是临时申请分配的，选择范围包括转发器的整个频带；通话结束后将全部载频释放，以供其他终端使用。,此种方式信道利用率最高，接近于1，设备也最复杂,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）、空分多址（SDMA）,频分多址访问（FDMA）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。即让不同的地球通信站占用不同频率的信道进行通信。因为各个用户使用着不同频率的信道，所以相互没有干扰。早期的移动通信就是采用这个技术。,时分多址访问（TDMA）以时间为参量来进行分割，其频率和空间是无法分开的，不同的信号占据不同时间段，彼此互不重叠。即让若干个地球站共同使用一个信道。但是占用的时间不同，所以相互之间不会干扰。显然，在相同信道数的情况下，采用时分多址要比频分多址能容纳更多的用户。现在的移动通信系统多数用这种多址技术。,码分多址访问（CDMA）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。采用CDMA技术可以比时分多址方式容纳更多的用户。这种技术比较复杂，现已为不少移动通信系统所采用。在第三代移动通信系统中，就采用宽带码分多址技术。,空分多址访问（SDMA）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。例如：在一个卫星上使用多个天线，各个天线的波束分别射向地球表面的不同区域。这样，地面上不同区域的地球站即使在同一时间使用相同的频率进行通信，也不会彼此形成干扰。空分多址是一种信道增容的方式，可以实现频率的重复使用，有利于充分利用频率资源。空分多址还可以与其它多址方式相互兼容，从而实现组合的多址技术，例如“空分-码分多址（SD-CDMA）”,3.2频分多址技术,3.2.1频分多址技术原理与应用特点1.工作原理在以此种方式工作的卫星通信网中，每个地球站向卫星转发器发射一个或多个载波，每个载波都具有一定的频带，它们互不重叠地占用卫星转发器的带宽。,2FDMA的应用特点频分多址方式是早的多址方式，其最突出的特点是简单、可靠和易于实现。其特点进一步归纳如下：（1）要求解决好卫星的功率和带宽之间的关系（2）必须严格控制功率（3）设置适当的保护频带（4）尽量减少互调的影响,3.2.2FDMA的分类,根据每个地球站在其发送载波中是否采用复用技术,每载波多路信道的FDMA(MCPC-FDMA),每载波单路信道的FDMA(SCPC-FDMA),多波束环境中不同波束区中地球站间的互通(SS-FDMA),1.每载波多路MCPC-FDMA方式,分配给站A的射频频谱,发往B、C、D站的各路信号,每载波多路MCPC-FDMA的分类：按每路采用的基带信号复用类型可将MCPC分为FDM-FM-FDMATDM-PSK-FDMA,各路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某一个载波频率上最后再以FDMA方式发射和接收,各路基带模拟信号以时分复用方式复用在一起然后以调相方式调制到某一个载波频率上最后再以FDMA方式发射和接收,2每载波单路SCPC-FDMA方式,每个载波中只传送一路信号,无需基带复用基带滤波基带去复用,主要应用于业务量较小的、同时通信路数最多只有几条甚至一条的地球站,所以信道分配方式采用按申请分配即按需分配,在多波束环境（空分复用）中工作的卫星系统为实现地球站间的通信，寻址时常采用星上交换(SS-FDMA)方式。,3星上交换SS-FDMA,上行线路和下行线路各包含三个波束每个波束均使用同一组频率,SS-FDMA卫星转发器方框图,其频率配置方案是事先设计好的,若上下行线路各包含四个地球站，要实现相互通信，画出其卫星转发器方框图？,3.2.3SCPC系统SCPC是英文SingleChannelPerCarrier的缩写，是每载波单路的FDMA方式。,SCPC,模拟SCPC系统,数字SCPC系统,预分配SCPC,按需分配SCPC,1预分配的SCPC数字制的预分配SCPC又包括PCM-PSK-SCPC和DM-PSK-SCPC方式，我们首先从PCM-PSK-SCPC方式开始介绍。,（1）PCM-PSK-SCPC在预分配SCPC方式中，任意两地球站之间进行通信时，其下行链路的载波只携带一路信号，并且占用一条卫星通道。,SCPC的频率配置在采用SCPC方式工作的IS-IV卫星通信系统中，将其中一个卫星转发器的36MHz带宽等间隔地分为800个通道，其频率分配如图所示：,导频,SCPC终端设备结构,话音信号的传输过程话音信号的传输格式：,PCM信源编码速率为56kbit/s,每32个码字前插入一个32bit的消息开始代码SOM构成一帧信号（256bit）,此时信息速率变为：,SOM：为了解决倒现象，同时用来确定帧同步,字头：为了正确恢复出原话音信号并提高系统的信道利用率，包括载波恢复码40bit和位定时恢复码80bit,数据信号的传输过程在SCPC系统中，也可以传输数据信息。由于数据信号是以连续发送的形式进行的，所以能够正确恢复出载波信号及定时信号。因而在接收端不存在相位模糊问题，因此无需为恢复载波和相位定时而增加附加字头。,导频和导频校正技术（AFC）导频指在已调信号谱中额外地插入一个低功率的载波频率或其有关的频率信号谱线，其对应的正弦波就称为导频信号。在SCPC系统中需要引入导频的原因：保证载波的稳定，避免其偏离接收通带，保证通信质量。导频的插入与校正：,（2）DM-PSK-SCPC与PCM-PSK-SCPC系统结构相比，在DM-PSK-SCPC中进行了如下调整。用DM编码/译码器代替PCM编码/译码器采用BPSK调制/解调在PCM-PSK-SCPC系统中使用的是QPSK调制解调技术，而在DM-PSK-SCPC系统中，一般使用的是BPSK调制解调器。,2.按需分配的SCPC系统（SPADE）SPADE大大提高了有限信道的利用率（1）SPADE的频率配置在采用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）。,配置方式与PCM-PSK-SCPC相同,图3-10SPADE系统的频率配置,（2）终端设备结构,（3）按需分配方式下的信息传递过程其中话音通信部分与预分配的SCPC系统相同，所以重点介绍公共信道部分。公共信令信道的信令格式为了实现按需分配，各地球站是按TDMA方式工作的，即按时分多址方式工作的。地球站在自己的时隙中以2DPSK的形式发送分帧信号。,用于帧同步,用于测试,用于多址连接,信息速率为128kbit/s,公共信道工作特性由上面的分析可知，SPADE系统可为48个地球站提供397条双向通路（如图3-10所示），这就是说，每个地球站可以每隔50ms向信道申请一次。,按需分配方式下的通信过程在SPADE系统中，当某用户通过长途台将呼叫通信请求送至SPADE终端时，SPADE终端为其从397条卫星线路中选择任意一条空闲信道，并进行连通，同时通过此信道将呼叫请求帧送到对方用户所在的地球站，并由该站与对方局连通。具体过程如下：,按需分配-多址连接单元,公用传信信道,（1）当来自长途局的地面线路出现呼叫请求时，该请求被地面接口单元接收，并将其交给地面站，由交换处理器（SSP）记录该用户申请。（2）SSP根据当前线路使用情况给出可供使用的空闲信道号和包括通信对方SPADE终端号码在内的一系列分配码，通过公用传信信道（CSC）发送出去。（3）该呼叫信息被所有SPADE站接收，并及时更新SSP忙闲表。（4）由起呼站确定建立连接所使用的某空闲信道号，并经被呼叫站进行确认。,（5）由被呼叫站发出导通测试子帧信号。一旦该测试信号被起呼站接收，就将其重新发回，被呼站接收到此信号时，立即通过CSC发出连接信号。（6）接通被确认后，起呼站与被呼站则将其信道单元与地面线路接通，使之出于正常工作状态，通信开始。（7）当通信结束时，无论哪一方发出终止信号，都会使SPADE系统中所有终端站接到此终止信号，并以此更新SSP内容，随后拆除所建立的线路连接，使之出于空闲状态。,3.3时分多址技术,回顾频分多址技术：处理过程需要用到多个载波，卫星转发器的功率放大器为非线性器件，工作时容易产生互调干扰！,研发出时分多址技术利用时隙区分地址,3.3.1时分多址的概念及其应用特点1TDMA的基本概念按时分多址方式工作的系统分配给各地球站的是特定的时隙，而不是特定的频带，因而每个地球站必须在分配给自己的时隙中用相同的载波频率向卫星发射信号，并经放大后沿下行链路重新发回地面。如图所示：,TDMA系统模型,载波频率相同f1,载波频率相同f2,时序排列紧凑，互不重叠，所有地球站必须保证同步！,2TDMA技术的应用特点TDMA技术有如下优点：（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）便于使用各种数字处理技术，提高了信号传输的质量，有利于综合业务的接入。（4）扩展方便，使用灵活。,缺点：（1）必须保持各地球站之间的同步，才能让所有用户实现共享卫星资源的目的。（2）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）模拟信号需转换成数字信号才能在网络中传输。（4）初期的投资较大，系统实现复杂。,3.3.2TDMA地球站设备,TDMA地球站设备,1TDMA帧结构,如图所示：,TDMA系统帧结构,考虑系统定时不够精确以及地球站与卫星间的距离发生变化造成卫星在接收各站信号时出现时间上的漂移，为了保证接收信号的准确而预留的保护时间。,（1）同步分帧载波、位定时恢复（CR和BTR）供接收端进行同步检测所需的载波同步和位定时同步信号独特码（UW）提供定时功能，据此确定业务分帧在一个数据分帧中的位置站址识别码（SIC）8bit指令信号（CW）传送通道分配指令,地址码，可表示64个地球站,表示地球站性质,（2）数据分帧一个数据分帧包含若干个业务分帧，每个业务分帧由分帧报头和多个PCM数据信道构成。分帧报头中的独特码指示一个业务分帧的开始时间，由此为接收端提供接收定时。联络信号（SC）传送各站之间的勤务联络信息。,（3）帧效率设帧长为Tf，由上图可看出，每一帧包含一个同步分帧和m个业务分帧，即该系统可以与m个地球站实现互通。设同步分帧占用Br比特，每个报头占用Bp比特，各业务分帧间保护时间为Tg，其中第i分帧长度为Tbi，通道数为ni，且每个通道占用比特数均为L，则：,系统传输速率Rb,当各分帧通道总数相同，即n1=n2=ni=n时，且采用4PSK调制，即二个比特表示一个码元，则系统的调制速率（传码率）为：,帧长设模拟信号经PCM编码处理，取样周期为Ts，每个取样值进行S比特编码，缓冲存储器容量为KS（K为正整数）比特。为使每隔Tf时间能从缓冲器读出L比特的信息：这就要求在KTs时间内能够存入的KS比特与Tf时间内读出的比特数L相等，即L=KS，故,帧长（帧周期）,取样周期,例：书95,当每个分帧的通道数相同时，各分帧的长度将相同！,【例3-1】已知一个TDMA系统，采用QPSK调制方式。设帧长Tf=250s，系统中所包含的站数m=5，各站所包含的通道数n=4相同，保护时间Tg=0.1s，基准分帧的比特数Br与各报头的比特数Bp均为90比特，每个通道传输24路（PCM编码，每取样值编8比特码，一群加一位同步比特）求PCM编码器输出速率Rs，系统传输的比特率Rb、分帧长度Tb、帧效率f及传输线路要求带宽B？,解：抽样率Ts=125s，PCM编码器输出信息量S=824+1=193（bit），又一个码符含两比特，所以调制后每通道信息量为L=2S=386（bit），所以：,2.地面接口地面接口是与用户进行信息交互的输入、输出接口。需进行PCM处理，此时得到的数字信号通常与卫星系统时钟不同步。克服这种时钟频差的方法有跳帧法和码速调整法。,3TDMA终端（1）TDMA终端功能完成帧发送和接收。实现网络同步，即完成系统的初始捕获和分帧同步。实现对卫星线路的分配与控制。,（2）帧的发送与接收在TDMA系统中，不同性质的信号，其发送和接收过程不同。话音信号的传送数据传送数据传送原理与话音信号的传送原理相同，所不同的是用异步合路器和异步分路器取代PCM编码和解码器。,（3）系统的定时与同步就目前的卫星发射技术而言，如果使卫星的位置保持在精度0.1范围，高度变化在0.1%以内，那么卫星可在75km75km75km的立体空间内漂移。所以存在时间偏差及帧周期不同的现象。,3.3.3SDMA-SS-TDMA方式SDMA-SS-TDMA系统称为卫星交换TDMA系统，简称SS-TDMA。在该工作方式下的卫星系统，多采用多波束来实现空分多址（SDMA），这可以改善系统性能，但使处于某波束中的地球站无法与其他波束管辖下的地球站进行直接通信。,所以采用卫星交换的TDMA（SS-TDMA）,1多波束卫星多波束卫星是指具有多波束天线的卫星。这种卫星通常使用在两种环境之下：其一，将原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，可减小地球站天线的尺寸。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，使卫星转发器的容量成倍地增加。,2工作原理如图3-23所示的是SDMA-SS-TDMA系统的基本原理图。由图可以看出该系统共包含控制电路部分和信号接收与发送电路部分。（1）控制电路部分（2）信号接收和发送电路部分,切换控制电路,遥控指令站,接收天线,发射天线,接收天线,发射天线,接收天线,发射天线,动态开关矩阵,TDMA,TDMA,SDMA,SS,3分帧排列书104页重点,4SS-TDMA帧同步,控制帧同步的方法有两种：一种是星载定时，另一种是地球定时。（1）以卫星上切换电路所提供的定时为基准的一种帧同步方法，这就要求地面上的各地球站以此为基准，随时保持同步。（2）由基准地球站控制星上的切换电路，而其他地球站受基准站的控制，从而实现帧同步。,3.3.4多载波TDMA多载波TDMA（MC-TDMA）方式是指在一个TDMA系统中采用多载波，而在每条载波上以TDMA方式工作，可以传送相对较低（几十kbit/s到20Mbit/s）的信号速率。,传统TDMA,每载波单路FDMA,3.4随机多址和可控多址访问方式,适合于传输具有突发特性的数据业务,随机多址和可控多址均属于随机联接时分多址（RA/TDMA）方式,3.4.1随机多址访问方式在以随机多址访问方式工作的系统中，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。当两个以上用户同时向此信道发射信息时，存在碰撞现象，无法正常接收，需引入重发机制！常用的随机多址方式有：ALOHA，S-ALOHA等，下面逐一进行介绍。,1ALOHAALOHA是最早的随机多址访问方式当发生碰撞现象时，数据分组丢失，各地球站将随机的延迟一段时间后再重发此丢失的数据分组。（1）工作过程下图所示是一个数据卫星通信系统的结构示意图。,数据分组,数据分组格式,（数据检错）,将数据分组调制后发往卫星，同时在存储器中保留数据副本数据分组被卫星以广播的形式发往各地球站接收端进行接收检测，若无错误回发一个应答信号，发送端将副本删除；否则不做任何应答若出现错误（碰撞现象），即发送端在规定时间内没有收到应答信号，则将随机延迟一段时间后再次发送该数据分组，直到发送成功,（2）受损时间由于在ALOHA方式中对用户发送数据分组的时间未加以任何限制，因此对任一数据分组而言，只要有其他站发射分组，便会在信道上发生碰撞现象。受损时间：将发送前一个分组的开始时刻到本分组发送完毕时刻间的时间称为受损时间。数值上等于两个分组的长度。,系统结构简单，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。存在碰撞现象，其吞吐量（即某段时间内成功接收信息的比特平均数与所发送的总比特数之比）较低，最高吞吐量也只能达到18.4%。存在信道不稳定性。即当信道业务量增大到一定的