卫星通信课件第4章（xsy）资料.ppt

第四章 多址技术,4.0 卫星通信常用的多址方式,卫星上的一个转发器通道可以被来自地球站的一个发送信号全部占用，这种方式称为单址接入工作模式但是，更多的是多个载波可能共用一个转发器，这些载波可能来自地理上相隔很远的许多地球站，每个地球站可能发射一个或多个载波，这种工作模式称为多址接入模式（多址联接方式）换句话说，多址联接是指多个地球站通过共同的卫星，同时建立各自的信道，从而实现各地球站相互通信的一种方式多址方式的出现大大提高了卫星通信线路的利用率和通信联接的灵活性一、多址联接方式1、频分多址（FDMA）：把卫星占用的频带按频率高低划分给地面站的一种多址联接方式2、时分多址（TDMA）：按规定时隙分配给各地球站的多址联接方式 3、码分多址（CDMA）：分别给各地球站分配一个特殊的地址编码的多址联接方式4、空分多址（SDMA）：利用卫星上多副窄波束天线将给各地球站的信号空间分隔的一种多址联接方式（它通常作为一种频率再利用技术，不列入多址联接技术中） 二、多址联接与多路复用二者是两个不同的概念，却有相似之处都是研究和解决信道复用问题，即多个信号混合传输后如何加以区分的技术问题它们在通信过程中都包含多个信号的复合（混合）、复合信号在信道上的传输以及信号的分离（分割）三个过程，如图所示。

不过，多路复用是指多个信号在基带上进行复合和分离，其信号直接来自话路而多址连接则指多个地球站发射的信号，通过卫星在射频信道的复用问题，其信号来自不同的站址当一个站只发射一个射频载波(或一个射频分帧)时，多址的概念是清楚的．但是，如果一个站发射几个射频载波(或几个射频分帧)，而我们关心的是区分出不同的射频载波或分帧．那么，区分信号与区分地址就不完全一致了．因此，多址联接有时也叫多元联接．,实现多址联接技术的基础是信号分割，也即 在发端要进行恰当的信号设计，使系统中各地球站 所发射的信号各有差别，而各地球站接收端则具有 信号识别能力，能从复合的信号中取出本站所需要 的信号．如图所示．通信中的信道在不同的多址技术中有不同的含 义：在FDMA中，指各地球站占用的转发器频段； 在TDMA中，指各地球站占用的时隙；在CDMA中， 指各站使用的正交码组4.1 频分多址技术（FDMA）,FDMA信道配置图,频分多址(FDMA)是卫星通信系统中最普遍采用的一种多址方式．它是按率划分，把各地球站发射的信号配置在卫星频带内的指定位置上为了使各载波之间互不干扰，它们的中心频率必须有足够的间隔，而且要留有保护频带。

下页图是FDMA方式的示意图，假设有四个地球站，将卫星转发器的整个带宽划分为四个互不重叠的频道，分配给相应的地球站，作为发射频带．各站接收时，可根据载波频率的不同来识别发射站址．例如，当A站收到f’B时，就知道是B站发来的信号，而收到f’C时就知道是c站发来的信号．从原理上讲，利用相应的带通滤波器即可分离出(识别)这些信号．但是，从B站发出的信号，有给A站的，也有给c站、D站的A、C、D各站如何取出B站发给自己的信号呢?根据B站发射的载波方式不同，有以下三种处理方法：,(1)单址载波；每个地球站对其他地球站要分别使用不同的载波频率．假设整个卫星通信系统有n个地球站，任意两个地球站之间都要构成双向通信线路，如果每个站都要对其他各站发射独立的载波，则每个地球站要发(n一1)个载波，而转发器要转发n(n一1)个载波，如下页图所示．(2)多址载波：各地球站将其要发送给其他各站的信号采用多路复用方法形成基带多路信号，然后调制到一个载波频率上发射出去，其他各地球站接收时，经解调器后取去只与本站有关的信号．这样，每个地球站只发射一个载波频率，n个地球站就只发射n个载波，通过卫星转发器的载波数就只有n个了．(3)单路单载波(SCPC)：每个载波只传一路话或数据，可根据需要把每个通信方向分配若干个载波．其工作原理与单址载波方式相同。

频谱实际占用度,令表示转发器带宽的实际占用比例，那么设转发器带宽的dB表示为[BTR]，单载波带宽的dB表示为[Bcarrier]，K为FDMA载波数，有K Bcarrier. =  BTR 用dB表示，则[Bcarrier]＝[]+ [BTR]-[K],FDMA典型应用,同时支持的信道数的计算：N＝（Bt－2B保护）/Bc Bt 系统带宽，Bc信道带宽， B保护为分配频率时的保护带宽 典型应用举例： 例：如Bt为12.5MHz， B保护 为10KHz，Bc为30KHz，求FDMA系统的有效信道数解：N＝（Bt－2B保护）/Bc将上述数值代入即有N＝416,习题（4.3）,卫星转发器带宽36MHz，饱和EIRP值为27dBW地面站接收机G/T值为30dB/K，全部的链路损失为196dB转发器有多个FDMA载波，每个载波3MHz带宽转发器有6dB功率“压缩”（back-off）计算单载波情况下的下行链路C/N值，并比较有没有功率“压缩”下该FDMA系统中可以容纳的载波数假设可以忽略上行链路噪声和交调噪声，只考虑单载波时的C/N值解：转发器带宽的dB表示为[BTR]，单载波带宽的dB表示为[Bcarrier]，假设K为载波数。

由书P44（3-28）式得： [C/N]=[EIRP]+[G/T]-[LOSSES]-[k]-[BTR]27+30-196+228.6-10log36000000=14dB K= BTR/ Bcarrier,[K]= dB+ [BTR]-[Bcarrier]=-6+10log36000000-10log3000000=4.79dB=10logk， (dB=-[back-off]) 所以K=3；如果没有[back-off]，那么[K]= BTR-Bcarrier =10log12=10.79dB=10logk 所以K=12,4.2 时分多址技术（TDMA）,信道配置图,TDMA工作原理,时分多址(TDMA)方式分配给各地球站的不是特定的频 带，而是一个指定的时隙每个地球站都只在分配给自己的 时隙内用同一载波频率向卫星发射信号，而不同时隙进入卫 星转发器的信号，按时间顺序排列起来，时隙的排列既紧凑、 又不重叠卫星转发器将它们放大后，重新发回地面．覆盖 在卫星波束中的每个地球站都能接收到由转发器转发来的全 部射频脉冲(或突发)信号，并从中提取出各站所需的业务脉 冲列。

TDMA方式工作的简单原理图如下所示．整个系统的所有地球站时隙在卫星内占有的整个时段，称为卫星的一个(TDMA)时帧（基准站相继两次发射基准信号的时间间隔）每个地球站所占用的时隙叫做分帧为了使各分帧互不重叠，各地球站应有准确的发射时间要确定各站准确的发射时间．必须建立系统共同的时间基准，称为系统定时另外，各站为了准确地进入指定的时隙，需要首先将自己的分帧引入，称为“初始捕捉”当分帧引入时隙后，为了稳定工作又需要对时隙进行不间断的跟踪，称为“分帧同步”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,卫星TDMA特点,任何时刻在卫星转发器中都只有一个载波工作因而从根本上消除了转发器中多载波引起的互调(IM)，这是TDMA的一个重要优点之一； 可以比FDMA方式更充分地利用转发器的输出功率（可以工作在最大输出功率或饱和功率上），不需较多的输出补偿； 多用户共享一个载波频率，时隙数取决于有效带宽和调制技术等； 数据分组发送，突发方式发送，需开关； 不需要双工器； 系统开销大，应减小保护时间，有开关时间效应； 用户带宽可再分配，易于实现按需分配； 全网正常工作耍靠网同步；技术和设备比较复杂。

TDMA的效率,系统效率：在发射数据中信息所占的百分比，不包括系统开销； 帧效率：发送数据比特在一帧中所占的百分比：,TDMA系统的信道数,总的信道数：总的TDMA时隙数即每一信道的TDMA时隙数乘以有效信道数应用举例(4.5)例:GSM系统，总带宽25MHz，一个信道200KHz，具有8个TDMA用户，未设保护带宽，求总用户数解：Bc＝200/8＝25KHzN＝25×106 /25 ×103＝1000,应用举例（4.6）,GSM系统每帧包括8个时隙的帧结构，每时隙包括156.25比特，数据发送速率为270.833kbps，求：（1）比特周期Tb；（2）时隙周期Tslot；（3）帧长Tf；（4） 收发时间间隔解：Tb＝1/270.833kbps＝3.692sTslot＝ Tb ×156.25＝0.577msTf＝Tslot×8＝4.615ms收发间隔为帧长Tf 应用举例（4.7）,例：标准的GSM(每帧包括8个时隙,），其时隙有6个尾比特，8.25个保护比特，26个训练比特和2组58比特业务码组成，求出帧效率解：时隙总比特＝6+8.25+26+2*58=156.25比特帧总比特＝8×156.25＝1250比特帧总开销＝8×（6＋8.25＋26）＝322帧效率=（1－322/1250）＝ 74.24%,TDMA话音信道容量的简单计算,设突发数据率为RT，帧效率为η F，每话音信道比特率为Rb 。

则话音信道数n为 n= η F RT /Rb,例：INTELSAT卫星的每帧符号数为120,832帧周期为2ms，帧效率0.949，话音信道比特率64kb/s，采用QPSK调制求话音信道容量4.8),解：符号率＝ 120,832/ 2ms=60.416M symbol/s. QPSK调制用2比特表示一个符号，所以RT =60.416*2=120.832Mb/s 所以 n=η F RT /Rb=0.949*120.832*1000/64=1792,卫星交换一时分多址(SS—TDMA)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，那么同一频率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，而是和其他多址方式结合使用由于TDMA方式的功率、频率利用充分，且基本上无互调，并可使用性能良好的数字调制方式，通信容量比FDMA大等等．所以SDMA与TDMA结合是提高系统容量的一种有效方法．特别是随着通信业务量的不断增长，通信联络的多边化，在站数多．业务量大、卫星频带严重不足的场合，时分和空分相结合的典型方式SDMA- SS- TDMA引起了人们极大的注意．在IS--V卫星系统就使用了这种体制．,在SS--TDMA方式中，为了在各不同波束覆盖的区域之间进行通信，通常在星上必须设置一个交换矩阵，如下页图所示．此交换矩阵根据预先设计好的交换次序进行高速切换．这样，A，B、c三个波束中的地球站除了能和本波束中的地球站通信外，还可以和其他两个波束中的地球站通信．根据各波束间的通信繁忙程度，选择合适的交换序列．可以使转发器利用率达到最大．SS--TDMA和一般TDMA最大的不同点是要准确知道星上交换矩阵的切换时间从而控制本站发射时间，以保证在准确的时间里通过交换矩阵，建立严格的同步．图中还画出了三个波束的时隙连接图，其中各地球站在一帧时间内发两个分帧，来自三个地球站的上行链路帧在卫星上通过交换矩阵重新编排，把所有上行链路中发向同一地球站的信号编成一个新的下行链路帧．然后通过相应的点波束天线转发到各地球站．,4.3码分多址技术（CDMA） 前面几种多址方式，主要适用于大．中容量的卫星通信系统．对于容量小．移动性大的系统，采用码分多址则较适宜。

码分多址系统中，各地球站使用相同的载波频率，占用同样的射频带宽，发射时间是任意的，因此属于随机多址系统，即各站发射的频率和时间可以互相重叠．这时站址的划分是根据各站的码型结构不同来实现的．一般选择伪随机(PN)码（也称伪噪声序列）作地址码．一个地球站发出的信号，只能用与它相关的接收机才能检测出来．CDMA实际上也是一种扩展频谱系统．卫星通信中较适用的扩频系统是直接序列码分多址(CDMA／DS)系统，又叫做伪随机码扩展频谱多址方式(SSMA) 直接序列码分多址系统：CDMA／DS系统是目前应用最多的一种码分多址方式．对数字系统而言，可采用如图（a)所示的方案．,。