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。2．FDMA的应用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）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1.每载波多路MCPC-FDMA方式如果按所采用的基带信号类型，MCPC又可划分为FDM-FM-FDMA和TDM-PSK-FDMA方式。在FDM-FM-FDMA方式中，首先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。在TDM-PSK-FDMA方式中，首先将多路数字基带信号用时分复用方式复用在一起，然后以PSK方式调制到一个载波上，最后再以FDMA方式发射和接收。2．每载波单路SCPC-FDMA方式

由于SCPC方式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，显然采用固定分配载波的MCPC方式会造成频带的浪费。3．星上交换SS-FDMA在图3-5中给出SS-FDMA卫星转发器方框图。从图中可以看出，上行链路和下行链路各包含3个波束（空分频率复用）。其星上交换功能是由一组滤波器和一个由微波二极管门电路组成的交换矩阵完成的。图3-5SS-FDMA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。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。①SCPC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3-6所示。图3-6SCPC系统的频率配置②SCPC终端设要备结构辰图3-途7给出感了在SCP何C方式下工衡作的各地湾球站的终咸端设备结额构图。涛地毕面接口粱单元：扔负责话谎音业务尾和数据畅业务的鹅输入与雅输出功速能。图3-7微S喇CPC终军端设备结避构图信道单境元包含甚话音接眼口、数易据接口夺、话音毙编码/宜译码器查、数据倒编码/协译码器权、话音亡检测器肠、信道艳同步器拢、频率背合成器海和相位畏调制/胆解调器夫等用来张完成语救音信号导和数据格信号的坡编码、初调制功堵能的设帜备。公用单元吵公用单礼元主要元包括中跨频单元浑和定时砍与频率策单元等汽。③话音副信号的传雅输过程话音的悉传输与常话音信件号的传径输格式蔽是分不扶开的，柔因而我雕们首先较对话音族信号的震传输格运式进行巩介绍。抖a.话音信号皱的传输格碰式载波恢储复和位伤定时恢象复码为了提高交卫星系统负的信道利凝用率，在PCM股-PS嚷K-S餐CPC系统中革采用了陈话音激疾活技术伯。SOM的作用陷由于在PCM油-PS级K-S掠CPC系统中系使用的芦是绝对QPS毒K调制方式翁，对这种担已调制信际号进行相泪干解调时衰，在其所道恢复的载皇波中会出学现“0°昂”或“1冈80°”状的相位不究确定的现放象，这就残是相位模隶糊现象。b.话音信身号的传衰输过程如图3喷-7所纯示，话盯音信号交首先通贞过话音宗接口被席送入PCM编码/端译码器必进行编签码。④数含据信号盐的传输惯过程在SCPC系统中，谣也可以传偷输数据信骡息。但由衬于数据信劣号是以连鞠续发送的罚形式进行补的，因而衔在接收端旷不存在相圈位模糊问娘题，因此扇无需为恢群复载波和塑相位定时蜂而增加附刮加字头。⑤导墓频和导捉频校正痒技术（AFC辅）导频是恼指在已筝调信号嫌谱中额厌外地插康入一个偷低功率胖的载波例频率或疼其有关划的频率锯信号谱欺线，其驾对应的丢正弦波赛就称为洪导频信求号。卡在SCPC系统中需叛要引入导顺频的原因摩斥导优频的插看入与校影正（2）DM-霸PSK躺-SC必PC与PCM-闻PSK-凯SCPC系统结构例相比，在DM-折PSK身-SC吗PC中进行粒了如下征调整。炊①用DM编码/溉译码器促代替PCM编码/译鸽码器②采款用BPSK调制/解挣调在PCM-宰PSK-固SCPC系统中裂使用的恼是QPSK调制解坛调技术于，而在DM-营PSK锁-SC历PC系统中，跑一般使用牧的是BPS餐K调制解调湾器。2.按狂需分配温的SCPC系统（SPA押DE）SPAD强E是Sin妙gle努Ch涨ann马el劣Per忍Ca锦rri肝er乖PCM云Mu旗lti旬ple尽Ac关ces卧sD著ema狗nd殃Ass陡ign燥men医tE增qui冒pme壶nt的英文护缩写。（1）SPAD猛E的频率配状置如图3-肾10所示妙，在采用SPAD苍E方式工灰作的卫夕星通信坛系统中锡，通常皱将一个认卫星转租发器的愚一部分领频率配猛置为公尘用传输猫信道（CSC）名，而另一部代分频率配豪置为话音伤通道（CH）兵。图3-1静0SPA远DE系统的频障率配置（2）终洁端设备结陈构公共控否制部分殊包括地究面接口残单元（TIU）阴、按需分配碧传信和交蕉换单元（DASS有）、定时和频贡率单元（TFU）僻、中频单喊元（IF）和运行土监控单商元（CMC趁）。①察地面接弃口单元碧通过地面盼接口单元以可实现电膊话交换中供心（长途聚台）和SPA他DE终端之选间的接缸口以及SPAD衫E终端之鼓间的电酿话信号脂的连接抖。②探按需分举配传信他与交换盟单元（DASS练）如图3-曾11所示君，DASS单元是馋由传信奥和交换吸处理机构（SSP妙）、公用信号良信道同步译器和公用拆信号信道苗调制解调胜器组成，阶所完成的那功能如下疲：监屡视和处理饶长途电话陵局来的电昏话信号；察过建立系炎统载频葛忙闲表隔；控伟制SPA蹦DE终端发出膀申请信息干；对总呼叫本站赵用户的信虫息进行检颤测处理；管自动调完成对公嘉共信号通雪道上用于灶广播的本邪站分帧的垄差错检测族编码；自办动故障法检测和杜指示。称图3-1坟1SPA踩DE终端设备愤组成图（3）惑按需分协配方式肥下的信那息传递轻过程如图3-必11所示涨，各地球滑站设置有县按TDMA方式（在今后面将详久细介绍）娱工作的公轿用信令信忧道和话音慎传输信道穴。①公放共信令雪信道的只信令格肉式为了实现限按需分配唤，各地球烫站是按TDM没A方式工乌作的，症即按时拉分多址除方式工愧作的。②公三共信道锋工作特怕性由上面月的分析喇可知，SPAD扑E系统可丹为48贤个地球得站提供竞397疯条双向匹通路（牛如图4爸-10抱所示）指，这就怒是说，冶每个地蜜球站可泪以每隔柜50ms向信道申塌请一次。材③按需伸分配方式转下的通信翠过程在SPAD番E系统中，妙当某用户娘通过长途隆台将呼叫袋通信请求校送至SPA验DE终端时扛，SPA展DE终端为其隶从397毛条卫星线讯路中选择葱任意一条芽空闲信道露，并进行副连通，同鄙时通过此孟信道将呼如叫请求帧耍送到对方断用户所在参的地球站贱，并由该铲站与对方姥局连通。3.3恋时分多爱址技术3.3贷.1给时分井多址的惹概念及社其应用逆特点1．TDM翠A的基本概济念如图3来-14群所示的回是TDMA系统模共型。从郑中可以验清楚地而看出，啦在按时站分多址撇方式工愤作的系盘统中，运由于分粱配给各征地球站稻的是特驼定的时困隙，而羽不是特困定的频似带，因哑而每个名地球站件必须在页分配给沟自己的锣时隙中何用相同淹的载波还频率向稀卫星发泳射信号贞，并经电放大后葛沿下行位链路重童新发回隙地面。图3-1谱4TDM彩A系统模晚型2．TDM游A技术的逢应用特声点TDM紫A技术有芦如下优舰点。（1）不闪存在FDM洒A中的互坏调问题铁。（2）系颠统容量大雹，卫星功塔率利用率铲高。（3）飞提高信贼号传输云质量，概有利于回综合业复务的接福入。（4）杀使用灵爷活。虽然存趴在如上轮优点，霉但也存粘在以下绵不足。腾（1）必保须保持各洲地球站之比间的同步麻，才能让各所有用户领实现共享叫卫星资源扰的目的。谅（2）要费求采用突普发解调器框（系统中猜各站在规魔定的时隙凡内以突发剖的形式发忽射其已调列信号）。灿（3）眯模拟信革号需转大换成数色字信号笼才能在挺网络中街传输。洗（4）蛛初期的育投资较键大，系跳统实现序复杂。蹲3.3.锤2TDM叔A地球站奖设备如图3-顶15所示丽为一个TDMA地球站龟设备组浴成示意今图。图3-士15TDM远A地球站芽设备1．TDMA帧结构如图3-寸16所示隆，TDM误A系统的帧也结构主要吐包括同步伴分帧（也搭称为基准滚分帧）（RB）和数据（贩业务）分旅帧（DB）蛛。图3-繁16TDMA系统帧拐结构（1）报同步分忽帧同步分帧研中包括载念波、位定夸时恢复（CR和BTR）角、独特码（UW）、站址识速别码（SIC）和指令对信号（CW）忌。（2）备数据分哗帧一个数踢据分帧罢包含了殿若干个葬业务分圆帧，并您且每个车业务分止帧由分革帧报头援和多个PCM数据信因道构成差。（3）帧叙效率若帧长怠为Tf，从图3-目16中可肠以看出，猎每一帧包宅含一个同橡步分帧和m个业务分激帧，这说声明该系统茧可以与m个地球放站实现捏互通。①系羡统传输熔速率Rb②帧长这就要振求在KTs时间内商能够存拘入的KS比特与Tf时间内读君出的比特聪数L相等，即L=K议S，故【例3探-1】秧已知渐一个TDMA系统，喉采用QPS锯K调制方饭式。设仙帧长Tf=250忘μs，系统中吓所包含铸的站数m=5，各站所包狠含的通道销数n=晴4相同，保织护时间Tg=0.搜1μs，基准分坊帧的比威特数Br与各报头哄的比特数Bp均为90真比特，每嗽个通道传常输24路泳（PCM编码，每趣取样值编贿8比特码屑，一群加去一位同步束比特）。肠求PCM编码器镰输出速障率Rs，系统传岩输的比部特率Rb、分帧长葱度Tb、帧效率ηf及传输线斜路要求带昌宽B。解：Ts=12矛5μs，S=8×2感4+1=驱193（bit），又一个码仓符含两比灭特K=2，L=2S=386章（bit），所以2.地要面接口跳地面接口坊是与用户族进行信息涨交互的输施入、输出堤接口。克服这贡种时钟县频差的沾方法有季跳帧法雹和码速胀调整法叔。码速调毁整法是肠指在信剧号中插至入（或旱扣除）翁一定比温例的不阔含信息里的脉冲以，这样圣可通过统调控所插插入（伤或扣除拖）的脉巩冲比例虹来调节浓地面线泉路所送辅入的信绿号与卫黑星系统犹时钟之冲间的频任差。3．TDM驻A终端（1）TDMA终端功能冶①完理成帧发亦送和接喂收。②实现作网络同步辟，即完成录系统的初胖始捕获和韵分帧同步锦。③实允现对卫斩星线路序的分配案与控制洽。（2）帧瘦的发送与捞接收在TDMA系统中镰，不同间性质的沙信号，赚其发送刺和接收娱过程不陡同。①话彼音信号的升传送②蔽数据传包送数据传送钩原理与话既音信号的厌传送原理评相同，所吩不同的是纺用异步合脊路器和异蛛步分路器驴取代PCM编码和解遵码器。（3）系稍统的定时映与同步就目前恋的卫星雄发射技雁术而言厕，如果晋使卫星改的位置胀保持在型精度±扁0.1顾°范围踢，高度毕变化在复0.1精%以内非，那么属卫星可称在75km×酷75k组m×7晴5km的立体空吃间内漂移做。①TDMA系统定时炊通常TDM阅A帧周期（Tf）是话音芬取样周制期（1新25μs）的整数术倍，它矩与频率躁为f0的高稳渡定度（碗10-11）的时钟撞周期一致谱。②TDMA系统的狂同步TDM你A系统的同昏步内容包矿括载波同虹步、时钟液同步和分呼帧同步。读其中要求唯在极短的材时间内从塑各接收分畏帧报头中响完成基准燃载波和时付钟信号的降提取工作篇。分帧同步符包括两方榨面的内容绒，其一是化指在地球食站开始发演射数据时茧，如何使炕其进入指饰定的时隙件，而不会烤对其他分对帧构成干你扰，这就报是分帧的谈初始捕获膜。其二是挑指如何使巡寿进入指定样时隙的分拳帧信号处纵于稳定的裹工作状态役，即使该萍分帧与其寺他分帧维判持正确的掏时间关系朵，不致出使现相互重胜叠的现象炎，这就是煎分帧同步是技术。分帧的初殿始捕获在TDM最A系统中瞧，各地佛球站是旬以基准秩站所发犹射的独将特码（UW）作为基准掠信号来确攻定自己的呢发射时间翠的。其捕闷获的具体数步骤，如赵图3-1听9所示。图3-秆19壳捕获过立程及所仍用时间骑（实验司）的示宪意图图3-云20凭报头丛结构分帧同赔步分帧同谦步是指波在完成蔬初始捕邪获之后并，为使己所发射齿的业务女分帧稳调定在指柏定的时配隙之内狱，而对跃分帧进礼行的定化时控制削。图3-寨21纷分帧同瞎步原理驱图（4）梨独特码严（UW）的检测煮由前面的饿分析可知弄，独特码叨的检测是旱非常重要叛的一个环粘节，它直逃接决定整吧个系统是宴否能够正各常工作。3.3厌.3SDMA嗓-SS-聋TDMA方式SDM乘A-S津S-T下DMA系统称衡为卫星强交换TDMA系统，简耕称SS-T沸DMA。由于在薪卫星交塑换TDMA系统中，零多采用多秀波束来实精现空分多份址（SDMA关），这可以裤改善系繁统性能禁，但使世处于某庄波束中牺的地球维站无法浩与其他就波束管话辖下的挎地球站毛进行直遇接通信砖。1．多庭波束卫停星多波束兰卫星是膏指具有回多波束碗天线的共卫星。醋这种卫勺星通常口使用在滑两种环色境之下链。其一惰，将原逃一个单敌一业务臂区分成需若干小抹区，用屯高增益僵天线所纤发射的陈点波束否分别覆远盖这些蹄小区，及这样可嚼以减小驱地球站竭天线的谎尺寸。灾其二，夺用多个左不同的绿波束分木别覆盖属彼此分花开的几行个业务脆区域，幼这样在纯卫星功患率充裕答的情况首下，可遗以实现带对频率皆的重复泻利用，皆从而使辉卫星转相发器的泥容量成净倍地增梦加。2．工蚂作原理帆如图3氧-23罩所示的伙是SDM美A-S洋S-T键DMA系统的溪基本原送理图。他由图可购以看出腊该系统步共包含陈控制电辈路部分赏和信号类接收与酷发送电管路部分忌。（1）侍控制电萄路部分（2）信输号接收和酿发送电路次部分图3-2屈3SDM摘A-S盯S-T睁DMA系统原泻理图3．分彼帧排列这进行分帧贸的排列的高主要目的庭是为了便抵于在DSM中进行帧捐交换，因辨此在介绍旅分帧的排贫列之前，驻我们首先穗要介绍帧很交换矩阵牙的概念。侨（1）帧箩交换矩阵术帧交换矩各阵又称为静业务交换译矩阵，它墨表示SDMA跃-SS-牢TDMA系统中各吴波束之间鹊的通信交介换量。（2）分预帧的编排顶分帧的编卵排是指把琴已知系统践的交换矩劲阵分解为锻若干分帧薄矩阵，而耀每个分帧链矩阵中的蚕各波束区剃域之间的恶交换具有皱一对一的竭关系，因永此各分帧鞋矩阵能够下用各行各旱列中最多但只有一个妥非零元素惊表示。4．SS-T冬DMA帧同步订在SDM业A-S姓S-T始DMA系统中，围由于要求垮通信卫星迎能够提供恨定时切换搜功能，因杜而该系统狮与普通的TDMA系统不诞同，要漆求地面鸣上能够狸检测出毯卫星切睛换器的悬切换定尝时，从不而使DSM能够按分剑帧编排顺截序进行切晨换。控制帧董同步的见方法有加两种：盐一种是勿星载定绒时，另味一种是嗽地球定长时。下喇面分别烫进行介紧绍。（1）以星载定包时是以扑卫星上匆切换电惯路所提匹供的定抓时为基溪准的一虽种帧同兵步方法教，这就细要求地伍面上的烂各地球请站以此蚁为基准懂，随时虏保持同梅步。（2）地您球定时是蛮由基准地杨球站控制觉星上的切辱换电路，悼而其他地里球站受基固准站的控雪制，从而黑实现帧同县步。3.3.耳4多希载波TDMA摸多载波TDM稠A（M妻C-T翠DMA耐）方式是纪指在一欺个TDMA系统中与采用多土载波，呜而在每妄条载波喝上以TDM连A方式工陶作，可罗以传送榨相对较贩低（几腰十kbi衫t/s到20Mbit勒/s）的信号速圾率。从图3代-26应可以看信出，当MC-T场DMA系统中惑仅使用最一条载伪波时，岗就是传弊统的单泥载波的TDMA方式；比当使用播多条载淹波，并跑且每条粪载波只掏有一路袭信号时得，就是SCPC方式；龄当采用谎多条载太波，而旗且每条爪载波传适送同一鱼个地球立站发送乐的多路政信号时垂，则工誉作于MCP冻C方式。图3-2堤6TDM鲜A，S怎CPC和MC-锅TDM唐A使用转乒发器频航带对比3.4脏随机多脚址和可控潜多址访问堵方式3.4.杜1随呆机多址访闲问方式在以随潜机多址绘访问方套式工作吸的系统谢中，每泰个用户胡都可以喜访问一折条共享析信道，死而无需编事先与依系统中顷的其他真用户进筹行协商索。常用的随梳机多址方何式有：ALO瓜HA，烦S-A缘瑞LOH辉A等，下面故逐一进行扯介绍。1．ALOH罚AALOH蛙A是最早给的随机税多址访扎问方式魔。（1）工勉作过程如图3培-27蜘所示的按是一个嘱数据卫饱星通信春系统的欧结构示凉意图。（2）受繁损时间由于在ALO削HA方式中雁对用户世发送数愚据分组经的时间牛未加以范任何限序制，因痰此对任喊一分组转而言，油只要有六其他站负发射分联组，便控会在信曲道上发镇生碰撞舰现象。图3-2雷7卫初星分组通茂信原理（3）ALOH买A方式的应喉用特点从上面的堡介绍可以注清楚地看垃到，ALO付HA系统具有即以下特点捉。①系敞统结构绑简单，轰用户入瓣网方便第，无需纵协调。介②当业哀务量较小只时具有良尿好的通信阵性能。③存扔在碰撞冈现象，刮其吞吐边量（即冷某段时你间内成闯功接收付信息的朽比特平芹均数与胁所发送抛的总比厅特数之就比）较凤低，最野高吞吐洪量也只权能达到醉18.榆4%。灾④存卸在信道喂不稳定地性。即块当信道惨业务量标增大到敲一定的白程度时华，分组姻在信道推上发生谊碰撞的运概率也挡随之增片加，此僻时信道划上的吞资吐量不孝再随业江务量的叉