1、第4章 多址技术第1页，共47页。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、卫星分组数据通信协议第2页，共47页。一、多路复用和多址联接 多路复用多路复用：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。第3页，共47页。多址联接多
2、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。第4页，共47页。频分多路复用（FDM）：按照频率参量的正交
3、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。（一）多路复用第5页，共47页。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
4、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）
5、：利用天线的方向性和用户的地区隔离性实现信号的分离。第6页，共47页。第7页，共47页。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。对于分配给地球站的各个载波来说，可以是一个载波承载多个话路信号，也可以是一个载波只承载一个话路信号的方式进行传输，前者称为每载波多路方式（MCPC），而后者为单路单载波方式（SCPC）。第8
6、页，共47页。图3-2 Intelsat的36MHz转发器带宽内SCPC信道安排方案 第9页，共47页。图3-3 TWTA输入回退与载波-互调干扰之比的典型关系线第10页，共47页。FDMA的非线性效应 频谱扩展：相邻信道干扰；频谱扩展：相邻信道干扰；交调（交调（IM）谐波：邻近业务信道的干扰。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。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、几个、十几个甚至几百个载波十几个甚至几百个载波)。目前卫星
7、转发器的功放级大都采用行波目前卫星转发器的功放级大都采用行波管放大器管放大器(TWTA)，其单载波饱和输出功率为，其单载波饱和输出功率为540瓦，功率增益为瓦，功率增益为3040dB左右。多载波是为了充分利用转发器资源，但是多载波工作左右。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，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位特性具有调幅调相变换作用(简写为简写为AMPM变换变换)。第1
8、1页，共47页。行波管调幅调相变换作用分析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。为饱和输出功率。若行波管在饱和点处工作，一般效率最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。高，但非线性失真也最严重。多载波工作时，减小输入可多载波工作时，减小输入可以减少非线性影响，但同时输出功率也降低
9、了，管子就得不到以减少非线性影响，但同时输出功率也降低了，管子就得不到充分的利用。充分的利用。多载波波输入时，输出要受到多载波波输入时，输出要受到“压缩压缩”这种压缩是这种压缩是指，指，在输入总功率相等的情况下，多载波工作时总输出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。功率比单载波工作时的输出功率要小。第12页，共47页。例一、采用例一、采用FDMA的转发器交调（互调）频率的转发器交调（互调）频率IMmf1+nf2，m,n为任意整数，如：为任意整数，如：f1=1930MHz，f2=1932MHz，求落在，求落在工作频率为工作频率为19201940MHz的交
10、调频率。的交调频率。n=0n=1n=2n=31930192619221918*1928192419201916*1932193619401944*193419381942*1946*解：可能的交调频率有：解：可能的交调频率有：（2n+1）f12nf2，（2n+2）f1（2n+1）f2或者（或者（2n+1）f22nf1，（2n+2）f2（2n+1）f1，n=0,1,2.第13页，共47页。频谱实际占用度 令 表示转发器带宽的实际占用比表示转发器带宽的实际占用比例，那么设例，那么设转发器带宽的转发器带宽的dB表示为表示为BTR，单载波带宽的，单载波带宽的dB表示为表示为Bc，K为为FDMA载波数。
11、有载波数。有K=BTR/Bc Bc+BTR-K第14页，共47页。例二、例二、卫星转发器带宽卫星转发器带宽36MHz，饱和，饱和EIRP值为值为27dBW。地面站接收机地面站接收机G/T值为值为30dB/K，全部的链路损失为，全部的链路损失为196dB。转发器有多个。转发器有多个FDMA载波，每个载波载波，每个载波3MHz带带宽。转发器有宽。转发器有6dB功率功率“压缩压缩”（back-off）。计算单载波）。计算单载波情况下的下行链路情况下的下行链路C/N值，并比较有没有功率值，并比较有没有功率“压缩压缩”下该下该FDMA系统中可以容纳的载波数。假设可以忽略上行链系统中可以容纳的载波数。假设
12、可以忽略上行链路噪声和交调噪声，只考虑单载波时的路噪声和交调噪声，只考虑单载波时的C/N值。值。解：转发器带宽的解：转发器带宽的dB表示为表示为BTR，单载波带宽的，单载波带宽的dB表示为表示为Bc，假设假设K为载波数。为载波数。C/N=EIRP+G/T-L+K-BTR =27+30-196+228.6-75.56=14.04 dB dB=-back-off，K=dB+BTR-Bc，K=3；如果没有如果没有back-off，那么，那么K=BTR/Bc=12第15页，共47页。图3-1 FDMA的地球站框图第16页，共47页。三、时分多址技术（TDMA）卫星通信系统时分多址技术：卫星通信系统时分
13、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。第17页，共47页。图图3-4 TDMA网络定时的示意图网络定时的示意图第18页，共47页。图图3-5 TDMA系统发送
14、数据格式和框图系统发送数据格式和框图第19页，共47页。图图3-6 TDMA系统接收数据格式和框图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。第20页，共47页。子帧的捕获和同步lTDMA系统由基准站发送用于全网同步的“基准子帧”l子帧的捕获 轨道预测法 相对测距法 被动同步法第21页，共47页。TDMA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
15、一帧，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。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。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。消息分帧
16、在一帧中的位置来确定。第22页，共47页。TDMA的效率 帧效率：发送数据比特在一帧中帧效率：发送数据比特在一帧中所占的百分比。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第23页，共47页。例三、例三、某通信系统每帧包括某通信系统每帧包括8个时隙，每时隙包括个时隙，每时隙包括156.25比特，数据发送速率为比特，数据发送速率为270.833kbps，求，求：（1）比特周期）比特周期Tb；（；（2）时隙周期）时隙周期Tslot；（；（3）帧长帧长Tf；（；（4）收发时间间隔。收发时间间隔。解：解：Tb1/270.833kbps3.692 s Tslot Tb 156.250.57
17、7ms TfTslot84.615ms 收发间隔为帧长。收发间隔为帧长。第24页，共47页。TDMA数字传输分析 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。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+)，其中为滚降系数。如对于BPSK，m=1;QPSK，m=2。=0.2，则Rb=m BIF/1.2第25页，共47页。例（P43）、卫星TDMA通信系统中，若转发器的EIRP为26.7dBW，链路总的传输损耗200dB，地球站G/T=32dB/K，成形滤波器滚降系数0.2，采用的调制方式为QPSK；且要求的误比特率为10-5。求可
18、以支持的信号传输速率和所需的中频带宽。解解：接收载波功率与噪声功率谱密度之比为 C/n0=26.7-200+32+228.6=87.3(dBHz)而QPSK信号相干解调的误比特率为10-5时，所要求的Eb/n0为9.5dB，而且全链路的信噪比基本上由下行链路决定。于是，可支持的信号传输速率为(此处假定比特能 Rb=C/n0-Eb/n0=87.3-9.5=77.8dBbit/s第26页，共47页。TDMA话音信道容量计算 设突发数据率为RT，帧效率为 F，每话音信道比特率为Rb。则话音信道数N为N=F RT/Rb第27页，共47页。例四、例四、INTELSAT卫星的每帧符号数为卫星的每帧符号数为
19、120,832。帧周期。帧周期为为2ms，帧效率，帧效率0.949，话音信道比特率，话音信道比特率64kb/s，采用，采用QPSK调制。求话音信道容量。调制。求话音信道容量。解：符号率解：符号率 120,832/2ms=60.416M symbol/s.QPSK调制用调制用2比特表示一个符号，所以比特表示一个符号，所以 RT=60.416*2=120.832Mb/s 所以所以 N=(0.949*120.832*1000)/64=1792第28页，共47页。独特码（UW或BCW）的相关计算 独特码用以指示独特码用以指示TDMA帧内子帧的起始位置、子帧帧内子帧的起始位置、子帧内各信息的位置以及站址
20、识别。内各信息的位置以及站址识别。漏检与误检漏检与误检 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。了虚假的示位脉冲，这些都将导致系统同步不正常。因此因此我们需要考虑两个概率值：漏检率和误检率。我们需要考虑两个概率值：漏检率和误检率。UW:Unique Word,BCW:Burst Code Word第29页，共47页。l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IE，UW可以正确检验；当IE，认为被检测的序列N不是UW，则发生漏检。
21、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个错误的概率为PI=CNI pI。所以漏检概率Pmiss=NI=E+1PI1!(1)!(1)!NIN ImissI ENPPPIN 第30页，共47页。例五、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：解：121!(1)3.7 10!(1)!NIN Imis
22、sI ENPPPIN 第31页，共47页。l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=0 CNI。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0!2!()!ENFINPINI第32页，共47页。例六、计算当N=40，E=5时的误检率 比较例五和
23、例六的结果，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。70!26.9 10!()!ENFINPINI第33页，共47页。FDMA和TDMA的特点比较 对于对于TDMA方式，卫星转发器任何时刻都只有方式，卫星转发器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；以工作在饱和状态，能充分利用转发器的功率；TDMA方式对地球站等效全向辐射功率变化的方式对地球站等效全向辐射功率变化的限制，没有限
24、制，没有FDMA方式那样严格；方式那样严格；TDMA方式是对各地球站和转发器进行时间分隔，方式是对各地球站和转发器进行时间分隔，无需无需FDMA方式的多次变频，简化了电路结构；方式的多次变频，简化了电路结构；第34页，共47页。TDMA方式可根据各站业务量的大小来调整各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，易于实现按站时隙的大小，大小站可以兼容，易于实现按需分配；需分配；TDMA方式与地面数字系统的接口方便，同时方式与地面数字系统的接口方便，同时也便于做星上处理；也便于做星上处理；TDMA方式可以与数字话音内插（方式可以与数字话音内插（DSI）和自适应）和自适应差分编
25、码（差分编码（ADPCM)技术配合，形成数字电路倍技术配合，形成数字电路倍增设备，使转发器容量大大提高（达增设备，使转发器容量大大提高（达5倍）；倍）；TDMA系统的网同步复杂。系统的网同步复杂。第35页，共47页。FDMA和TDMA的容量比较 出于简化的目的，只比较上行链路的容量。公出于简化的目的，只比较上行链路的容量。公式式R=C/N0-Eb/N0对于对于FDMA和和TDMA的上的上行链路都适用。对前者行链路都适用。对前者R就是就是Rb，对后者，对后者R就是就是是是RT（突发数据率）。假设（突发数据率）。假设Eb/N0对两者相同，对两者相同，上行链路损耗和卫星上行链路损耗和卫星G/T也相同
26、。那么也相同。那么TDMA的地面站需要增加的的地面站需要增加的EIRP值为值为EIRPTDMA-EIRPFDMA=RT-Rb 如果发射天线增益也相同，那么如果发射天线增益也相同，那么TDMA的地面站需的地面站需要增加的发射功率为要增加的发射功率为PTDMA-PFDMA=RT-Rb第36页，共47页。四、四、CDMACDMA：利用自相关性非常强而互相关性比较弱的伪随机码作为地址信息，对被用户信息调制过的载波进行再次调制，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。实现实现CDMA的条
27、件：的条件：要有数量足够多、相关特性足够好的地址码。必须用地址码对发射信号进行扩频调制，使传输信号所占频带极大地展宽。在接收端必须要有与发送端地址码完全一致的本地地址码。第37页，共47页。扩频通信的基本工作方式扩频通信的基本工作方式直扩方式：Direct Sequence Spread Spectrum跳频方式:Frequency Hopping跳时方式:Time Hopping第38页，共47页。直扩系统（直扩系统（DSSS）基本结构）基本结构D1B1B2B2B1D1 作为输入的数据信息D1，经过信息调制变成了带宽为B1的调制信号，再由伪随机码调制成带宽为B2的宽带信号发射；接收端捕捉PN
28、码的准确相位，并产生伪随机码进行解扩，再经过信息解调，可以恢复出信息数据。第39页，共47页。跳频方式（跳频方式（FH）的基本结构）的基本结构 信息数据经信息调制成带宽为B1的基带信号，作为发射载波，该载波频率受伪随机码发生器的控制，在带宽为B2的频带内随机跳变，实现基带信号带宽B1到发射信号使用的带宽B2的频谱扩展。第40页，共47页。跳时系统（跳时系统（TH）的基本结构）的基本结构 信息数据送入受伪随机码控制的脉冲调制发射机，发射出携带信息数据的伪随机间隔射频信号。信息数据信息数据第41页，共47页。码分多址（CDMA）第42页，共47页。CDMA系统的噪声功率包括两部份：高斯噪声和系统自
29、身的多址干扰功率。总的噪声干扰功率为两者之和，记为I，而用I0表示其谱密度。于是，信号功率对总的噪声干扰功率之比为C/I=(RbEb)/(I0B)其中，Eb为单位比特能量，而B为扩频带宽。如果系统允许有n个地球站以不同的地址码发射同一载波。假定到达某一接收机的n路信号强度和噪声干扰功率都相等，则信噪比可表示为C/I=1/(n-1)于是n-1=(B/Rb)/(Eb/I0)第43页，共47页。五、三种多址技术的射频利用方式图图3-9 FDMA、TDMA和和CDMA的的RF利用利用第44页，共47页。q数据通信协议 ALOHA协议：当用户有数据分组需要发送时，立即向信道发送数据。如果发生碰撞，则在一
30、个随机时延后重传。由于用户发送数据完全是随机的，竞争冲突导致信道利用率不高，最高达18.4%。在重负荷条件下，吞吐量急剧降低，直到为0。六、卫星分组数据通信协议图3-10 ALOHA数据分组结构第45页，共47页。图3-11 ALOHA工作过程第46页，共47页。S-ALOHA(时隙ALOHA)协议：将用户数据的发送时刻限制到时隙边界，减小冲突窗口，信道利用率可达36.8%。3GPP规定随机接入信道RACH采用S-ALOHA。R-ALOHA（预约ALOHA）协议：对长报文使用预约、对短报文使用S-ALOHA，解决了长短信息兼容的问题，信道利用率有较大提高。由于预约ALOHA的预约请求信息通过S-ALOHA发送，信道稳定性不理想。当大量用户需要发送数据时，信道利用率大大降低。第47页，共47页。
