1、卫星通信系统与技术卫星通信系统与技术陈振国陈振国 杨鸿文杨鸿文 郭文彬郭文彬 编著编著北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社第第6章章 多址联接多址联接 6.1 频分双工和时分双工频分双工和时分双工 6.2 频分多址联接频分多址联接6.3 时分多址联接时分多址联接 6.4 多波束卫星中的多波束卫星中的FDMA/TDMA 6.5 码分多址联接码分多址联接 6.6 卫星分组数据通信卫星分组数据通信 6.7 多址联接讨论和发展趋向多址联接讨论和发展趋向 6.1 频分双工和时分双工频分双工和时分双工 本章着重讲解卫星通信的另一个重要方面，用于与卫星连接的技术，使得卫星的频谱和功率，有效地在大量用户之间分
2、享。最后，用简短一节叙述将来的发展方向，以改进已有的多址联接方案。6.1.1 6.1.1 频分双工频分双工 频分双工对正向和反向链路传输使用不同频带。通常正向和反向链路具有相同的带宽。在这些频带内，对应的正向和反向信道是配对的，即它们具有固定的频率间隔。无线电通信中的频带分配，就考虑这种问题。6.1.2.6.1.2.时分双工时分双工 采用时分双工时，正向和反向传输使用相同频带，但是出现在不同的时间间隔中。图图6-1 铱系统移动用户链路的时间帧铱系统移动用户链路的时间帧 6.2 频分多址联接频分多址联接在频分多址联接(FDMA)方案中，将给定的带宽BT，根据它们的业务要求划分成n段，分配到网络中
3、的所有n个地球站。图图6-2 FDMA的时间的时间频率关系图频率关系图 图图6-3 用用FDMA在地球站在地球站A与与B之间进行通信之间进行通信 6.2.1 6.2.1 MCPCMCPC和和SCPC SCPC MCPC和SCPC的转发器频谱比较，绘出如图6-4所示。图图6-4 MCPC和和SCPC的频率分配方案比较的频率分配方案比较 1.1.MCPC MCPC 这种方案中，地球站接收机中的每个基带带通滤波器都对应一特定的发送站。信道容量的任何变化都要求重新调谐这个滤波器，因此业务要求有变化时相对比较麻烦。2.2.SCPC SCPC 这种方案适用于业务量要求不大的地球站，如向边远地区提供卫星通信
4、业务等。已知在n个地球站全部连接的网状网络中，要求连接的数目为 n(n-1)/2。3.3.预分配和按需分配预分配和按需分配 在预分配的SCPC中，将几条信道永久地分配给一个地球站，多个地球站共享一个频率库。按需分配使得地面和卫星电路允许共享。4.4.集中控制和分散控制集中控制和分散控制 在集中控制频率库管理方案中，信道是由网络控制站(NCS)集中分配的，他们管理着频率库。图图6-5 集中控制按需分配方案的主要元件图集中控制按需分配方案的主要元件图 分散频率管理方案分散频率管理方案 每个地球站可以从公用频率库里得到信道，按照预定的规则接通。这种方案的优点是可靠性高，任何一个地球站出故障时，不会影
5、响系统中其它地球站工作的可靠性。但是，地球站的复杂性增加会使设备的价格上升。6.2.2 6.2.2 小型固定业务地球站小型固定业务地球站 SCPC终端：INTELSAT SCPC是这种类型传输方式的代表。有两种类型运行固定分配和按需分配。两种分类运行时，允许传送话音和语音数据。1.1.SCPCSCPC终端终端-固定分配固定分配 (1).信道单元(2).公用设备和上、下变频器 2.2.SPADESPADE终端终端-按需分配按需分配 一个SPADE系统的频率分配和终端电路配置，与固定分配的SCPC终端类似，信号的信道单元是FDMA方式。图图6-8 用在用在SPADE系统中公用的信令信道系统中公用的
6、信令信道 图图6-8 用在用在SPADE系统中公用的信令信道系统中公用的信令信道 6.2.3 6.2.3 设计考虑设计考虑 1.1.设计考虑设计考虑2.2.卫星高功放引起的危害卫星高功放引起的危害3.3.其它危害其它危害 6.2.4 6.2.4 转发器利用、预分配和按需分配转发器利用、预分配和按需分配 1.转发器利用率转发器利用率 限制限制FDMA连接通过转发器信道数目的主连接通过转发器信道数目的主要因素有两个：要因素有两个：a)随着接通载波数目的增加，交调噪声增大。b)对MCPC系统，载波带宽越小，频谱利用率就越低。图图6-9 转发器容量与转发器容量与FDMA载波数目的函数曲线图载波数目的函
7、数曲线图 已经证明已经证明 在任何给定时间，大量通话时只有40%的信道被语音激活，这就使得转发器的利用效率可以提高2.5倍。另外，转发器的语音随机激活负载，使最坏信道的交调噪声约降低3 dB，它也提高了信道的通话质量。2.2.按需分配和预分配按需分配和预分配FDMAFDMA的性能分析的性能分析 由按需分配提供的改善情况，可以在给定负载条件下，用预分配时容纳双向电路的数目，和按需分配时电路数目的比较来确定。I=n PA/n PD 图图6-10 6.2.56.2.5带宽和功率受限带宽和功率受限 主要特性总结主要特性总结 转发器运行时的带宽受限和功率受限转发器运行时的带宽受限和功率受限 一般设计时，
8、希望转发器的带宽和功率都同时达到受限值附近，这时转发器的带宽和功率都得到比较充分的利用。FDMA的优点的优点 1)使用现有的硬件，因而技术成熟，价格比较低。2)不需要网络定时。3)对基带信号类型，调制类型没有限制。FDMA的缺点的缺点 1)转发器中的噪声，会导致与它共享这个TWTA的其它链路，产生相互干扰。2)在信道频率位置上没有灵活性。3)为保持链路质量，要求上行链路有功率控制装置。4)在含有强载波和弱载波的混合业务时，特别是在MCPC中，弱载波可能被抑制。6.3 时分多址联接时分多址联接 TDMA运行时，任何时间转发器只使用一个载波，因此不会出现由多载波同时进行非线性放大，所产生的交调干扰
9、。这使得卫星转发器的HPA，可以工作在最大输出功率处，或接近饱和输出电平处。利用基准站发的利用基准站发的RB，使业务站发的使业务站发的TB同步的同步的TDMA方案方案 图图6-12 链接两个连续数据流的脉冲列模式传输链接两个连续数据流的脉冲列模式传输 图图6-13 图图6-13 脉冲列的发生图图6-13 脉冲列的接收图图6-14 TDMA地球站的某些基本单元地球站的某些基本单元 图图6-14 TDMA地球站的某些基本单元地球站的某些基本单元 图图6-15 INTELSAT帧结构帧结构 6.3.1 帧结构组成帧结构组成 1.1.基准脉冲列基准脉冲列RBRB(1)保护时间(G)(2)载波和比特定时
10、提取序列(3)脉冲列码字(BCW)，又称独特码UW(4)站验证码(SIC)(5)TTY电报联络信道(6)服务信道(7)VOW语音联络信道 2.2.报头报头 报头是业务脉冲列的开始部分，它带着的信息与基准脉冲列类似，但报头不传递业务数据。3.3.载波提取载波提取 这里的载波提取电路，通常是采用锁相环，可能会出现所谓“搁浅”问题。它发生在锁相环工作点移动到不稳定区域时。另一种方法是采用窄带调谐电路滤波器，以提取载波。6.3.2 6.3.2 独特码检测和网络同步独特码检测和网络同步 1.独特码检测独特码检测TDMA系统中采用独特码(UW)，来建立脉冲列定时。图6-17绘出用于检测UW的基本电路。图图
11、6-17 用于检测独特码用于检测独特码(UW)的基本电路的基本电路(1)漏检测概率漏检测概率 用E表示长度为N比特的独特码(UW)，允许误差的最大比特数，而I表示接收到独特码中实际误差比特数。还应加上下述条件：当I E时，检测序列不是UW，即UW被漏检测。NEIINImissppININP1)1()!(!(2)误检测概率误检测概率 一个N比特的序列，虽然它在几个比特位置上的数目与UW不同，但它却被认为是独特码(UW)。EINFININP0)!(!22.网络同步网络同步网络运行时有一个脉冲列时间计划，它的副本储存在每个地球站。图图6-186-18 图图6-186-18(1).开环定时控制开环定时
12、控制 这是发送定时最简单的方法。应当说明，采用开环定时时，不要求使用专门的搜索步骤。(2).反馈环定时控制反馈环定时控制 反馈环指点的是一个地球站接收它自己发送的脉冲列，从而确定距离。然而，这种方法只适用于卫星发送一个全球波束或区域波束，波束中包含网络内所有地球站。3.业务数据业务数据业务脉冲列中，紧随报头后面的是业务数据。如同FDMA网络一样，TDMA网络也可以按预分配或按需分配模式运行。6.3.3 帧效率和转发器利用帧效率和转发器利用 1.帧效率和信道容量帧效率和信道容量TDMA系统中的帧效率，是用于传输业务的时间对总的帧时间的比值。FiFTt12.转发器利用率转发器利用率 TDMA情况下
13、，转发器的利用率与卫星EIRPS、接收地球站G/T值、及调制方案的效率有关。表示为传输比特率的利用率可能受到RIRPS、或带宽的限制。图图6-20 转发器流量与转发器流量与TDMA用户数的函数曲线图用户数的函数曲线图 6.3.4 预分配和按需分配预分配和按需分配TDMA 1.预分配预分配TDMA2.按需分配按需分配TDMA3.3.法国电信一个法国电信一个TDMA/DAMA按需分配按需分配系统系统Telecom 1的主要性能指标介绍的主要性能指标介绍 6.3.5 主要特性总结主要特性总结 1.优点优点由于产生的交调噪声很小，卫星有效功率可以获得最充分使用。不要求上行功率控制。传输计划容易制订和修
14、改，容量管理简单并且灵活。TDMA的数字格式，使它可以利用数字技术的所有优点 2.缺点缺点 若要求整个网络定时同步，则它是相当复杂的。模拟信号必须变换为数字形式传送。在相同条件下工作，TDMA站的上行功率要求，一般比FDMA的大得多，即使这个站是一个小型地球站。6.4 6.4 多波束卫星中的多波束卫星中的FDMA/TDMAFDMA/TDMA6.4.1 多波束卫星引出多波束卫星引出 具有频率复用的多波束卫星网络，有较高的容量，这就是为什么当前的大部分卫星，都是多波束卫星的原因。但是，多波束卫星将面临两类问题。1.波束间的干扰波束间的干扰2.使用多波束卫星的使用多波束卫星的FDMA6.4.2 卫星
15、交换卫星交换SS/TDMA 波束数不多时可以实现转发器跳跃。但波束数增多时，转发器数将随波束数的平方而增加，从而使每个转发器的有效带宽将随之下降。解决此问题的另一种方法是卫星交换，即称之为 SS/TDMA。图图6-26 卫星交换卫星交换(SS)/TDMA概念和实现概念和实现 图图6-27 三波束三波束SS/TDMA卫星卫星 图图6-27 三波束三波束SS/TDMA卫星卫星 6.4.3 星上信号处理用于星上信号处理用于FDMA/TDM 运行运行 1.FDMA和和TDMA系统要求上行功率比较系统要求上行功率比较 使用频分多址联接时，在卫星输入处已调载波作为一个组合的频分复用信号由卫星重新发出。每个
16、载波仍保持它的调制方式，一般是数字调制方式。图图6-29 图图6-29 对FDMA上行链路，式中的 R=R b；对TDMA上行链路，式中的 R=RT。FDMA和TDMA在上行链路运行时，假定有相同的传输损耗和 G/T 值，则 C/N0 的增加只能通过增加地球站的 EIRP 来达到，因此：EIRPTDMA-EIRP FDMA=RT-R b 如在两种情况下，地球站的天线增益是相同的，则与FDMA地球站比较，要求TDMA地球站增加的发送功率为：PTDMA-PFDMA=RT-R b 2.星上信号处理用于星上信号处理用于FDMA/TDM 运行运行 在卫星上已经提出多种信号处理方法，一个常用的方法FDMA
17、/TDMA运行模式，用下列简要框图6-30绘出。图图6-30 6.5 码分多址联接码分多址联接 在使用时，它不仅使所有用户在信道上同时都能发送信号，而且每个用户都采用扩频调制，即将要发的信号，与一种类似噪声的伪随机序列PN码(或称扩频码)相乘，使发送信号在频带很宽的信道上传送。主要优点主要优点 CDMA的抗干扰性能很强 扩频系统能对抗多径噪声 可以使用小天线 这种技术能提供保密性很好的通信方式。6.5.1 直接序列扩频传输直接序列扩频传输 下图绘出采用直接序列扩频的码分多址原理。发送载波c(t)可以表示为：)(cos)()()(Vttptmtcc当忽略热噪声时，在低通滤波器(LPF)输入端得到
18、的信号为：)(2cos)()()()()cos2(cos)()()(Vttptmtptmtttptmtrccc由于 ，乘法器输出端给出的：1)(2tp)()()()()()()()(2Vtmtptmtptptmtx占用频谱：占用频谱：功率为C、频率为f(c)的载波信号c(t)的频谱，给出为：)/(/)(/)(sin/)(22HzWRffRffRCfCccccc图图6-32 地球站要接收的载波c(t)，是叠加在N1个其它用户的载波ci(t)上(设网上总用户数为N，其它用户数i=1，2，N1)，因此：多址联接的实现多址联接的实现)()()()()(Vtptctctrittptmtcccos)()(
19、)(ttptmtcciiicos)()()(故)()()()()()(Vtptptmtmtxii图图6-33 码分多址方案的功率谱密度码分多址方案的功率谱密度 图图6-33 码分多址方案的功率谱密度码分多址方案的功率谱密度 图图6-33 码分多址方案的功率谱密度码分多址方案的功率谱密度 扩频信号的处理增益可以近似写出为：)/()/(00iipNCNCG 用干扰余量来表示扩频容量对干扰的容限，干扰余量 就给出干扰在要求载噪比上的容限电平，可以定义为：iMoopiICLGM/对抗系统之间的干扰对抗系统之间的干扰 网络使用的由共享相同频带的系统发送的信号，可能是窄带载波。设 是这样一个载波。这时在乘
20、法器输出端信号为：ttJccos)()()()()()(VtptJtmtx对抗多径干扰对抗多径干扰 当无线电信号以不同长度的路径抵达接收机，以使一个有用信号和多个不同时延的多径干扰组合在一起时，这样的链路就有多径干扰。6.5.2 频率跳跃扩频传输频率跳跃扩频传输 1.1.原理原理图6-34描述频率跳跃扩频的基本原理 图图6-34 频率跳跃扩频系统的原理框图频率跳跃扩频系统的原理框图 如果本地码与接收到的码型相位相同，乘法器输出信号为：)()(2cos)()()(Vtttmtmtrc2.频谱占用频谱占用-每个信息比特等于一个频率步长；-每个信息比特有几个频率步长；-每个频率步长覆盖几个信息比特。
21、3.实现多址联接实现多址联接 在合成频率固定并且等于 的时间间隔内，乘法器的输出信号为：2/c)(2coscos)(cos)()(Vtttmttmtrcicic4.抗干扰性能抗干扰性能 与直接序列扩频的情况类似，由固定频率载波引起的干扰，受到接收机处频谱扩展的支配，它限制了有用信息带宽内的噪声功率。发送信号的频谱宽度，给出为：fBnc)12(ffBBGnbcp/)12(/频率跳跃系统的处理增益给出为：6.5.3 伪随机噪声伪随机噪声(PN)序列序列伪随机序列是信号在一个指定时间周期 T 内的一种随机序列，在此周期结束后，这个序列不断地继续重复。由于这种序列不是真正随机的，因而称为“伪随机序列”
22、。图图6-36 (a)伪随机码的发生伪随机码的发生 使用 m节移位寄存器的最长线性码的最大数目为：mNm/)12(max图图6-36(b)伪随机码的自相关函数伪随机码的自相关函数 图图6-36(c)伪随机码的功率谱密度伪随机码的功率谱密度 伪随机码的功率谱密度函数为：图图6-37 直接序列扩频系统中的直接序列扩频系统中的PN码搜索原理码搜索原理 图图6-38 直接序列扩频系统中的跟踪直接序列扩频系统中的跟踪PN码原理码原理 图图6-39 码分多址联接系统中的扩频传输原理框图码分多址联接系统中的扩频传输原理框图 6.5.4 扩频系统的容量和扩频系统的容量和RAKE接收机接收机 1.扩频系统的容量
23、扩频系统的容量2.RAKE接收机接收机6.6 卫星分组数据通信卫星分组数据通信 分组数据可以允许非实时传输，不一定要马上实时占用那条信道，可以等到信道空闲时再传送。要传送的数据速率，一般不是很高，系占空比较低的突发业务，即各站要发送的总业务量并不大，但具有较高的峰均比，需要时希望能得到迅速响应。6.6.1 6.6.1 分组数据通信基本概念分组数据通信基本概念 1.一般数据分类一般数据分类 2.分组意义和效益分组意义和效益 3.关键性能指标关键性能指标 6.6.2 分组数据传输协议分组数据传输协议 1.纯纯-ALOHA(P-ALOHA)协议协议 最初的最初的随机寻址方案随机寻址方案(1)P-Al
24、oha协议内协议内容 P-Aloha协议的原理框图，绘出如图6-44 a所示。图图6-44 (a)P-Aloha协议原理图协议原理图 图图6-44 (b)信息分组间没有碰撞时距离信息分组间没有碰撞时距离时间图时间图 图图6-44 (c)信息分组间有碰撞时距离信息分组间有碰撞时距离时间图时间图(2)(2)流量导出流量导出 假设有无限多个用户站每秒产生个信息组，则平均信道输入速率或信道流量为：S=业务量定义 在每个分组长度时间内，新到达和需要重发的分组数目。最大流量最大流量,即当即当G=0.5时有：时有：184.02/1maxeSS图图6-45 P-Aloha和和S-Aloha协议中的协议中的(a
25、)碰撞图形碰撞图形 图图6-45 P-Aloha和和S-Aloha协议协议(b)信道流量信道流量S与业务量与业务量G关系曲线关系曲线 不稳定现象 当G 0.5，即信道业务量进一步增大时，信道流量会进一步下降。这是由于碰撞概率上升、信道失去控制的结果，这就是P-Aloha信道的不稳定性。(3)平均分组时延平均分组时延 Aloha信道的平均分组时延，由服务时间(信息组长度)平均分组重发时延ET和传播时延TR所形成，即：TETTRAlohaAloha信道的平均分组时延为：1,2/)1(1)2exp(kkTGTTRRAloha(4)主要优缺点主要优缺点 将流量最大时的平均分组时延，与TDMAFDMA时
26、的时延相比较，P-Aloha信道的平均分组时延小得多。2.时隙时隙S-ALOHA协议协议(1)协议内容协议内容(2)流量和平均分组时延导出流量和平均分组时延导出(3)主要优缺点主要优缺点 3.预约预约R-ALOHA协议协议(1)协议内容协议内容(2)流量和平均分组时延导出结果流量和平均分组时延导出结果 6.6.3 Direct-PC和卫星通信的结合和卫星通信的结合 1.组播组播(Multicast)的定义和有效性的定义和有效性 2.静止卫星和组播特性的结合静止卫星和组播特性的结合 3.IP/TCP协议和获得最大流量协议和获得最大流量 6.7 多址联接讨论和发展趋向多址联接讨论和发展趋向 6.7.1 多址联接讨论多址联接讨论 1.移动卫星业务移动卫星业务 2.固定卫星业务固定卫星业务图图6-49 6.7.2 今后发展趋向今后发展趋向 在未来，卫星资源在共享要求、灵活性和低价位上，基本的多址联接方案，可能无法满足上述同时增加的需求。在一个全连接网状网中，n个地球站给出最大互接数为 n(n-1)/2个，因而连接数为 n(n-1)。图图6-50 混合混合FDMA-TDMA的两维栅网。的两维栅网。
