衛(wèi)星通信多址技術(shù)

第3章

多址技術(shù)

1提要

一、多路復(fù)用和多址聯(lián)接

二、頻分多址（FDMA）

三、時分多址（TDMA）

四、碼分多址（CDMA）

五、三種多址技術(shù)的RF利用方式

六、ALOHA

2一、多路復(fù)用和多址聯(lián)接

?多路復(fù)用：將來自不同信息源的各路信息，按某

種方式合并成一個多路信號，然后通過同一個信道

傳送給接收端。接收端再從該多路信號中按相應(yīng)方

式分離出各路信號，分送給不同的用戶或終端。

簡而言之，多路復(fù)用是利用一條信道同時傳輸

多路信號的一種技術(shù)，可以解決在同一信道內(nèi)同時

傳送多個信號的問題。

多路復(fù)用方式可分為頻分復(fù)用、時分復(fù)用、碼

分復(fù)用、波分復(fù)用等。

3?多址聯(lián)接：指多個通信站的射頻信號在射頻信道上的復(fù)用，以實(shí)現(xiàn)各個通信站之間的通信。對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，多址聯(lián)接指的是多個地球站發(fā)射的信號，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的射頻信道復(fù)用，實(shí)現(xiàn)各站間通信的一種方式。常見的多址方式有頻分多址、時分多址、碼分多址和空分多址。

?多址聯(lián)接和多路復(fù)用的關(guān)系：多址聯(lián)接和多路復(fù)用的理論基礎(chǔ)都是信號的正交分割原理。但多址聯(lián)接是指多個電臺或通信站發(fā)射的信號在射頻信道上的復(fù)用，以達(dá)到各臺、站之間同一時間、同一方向的用戶間的多邊通信；多路復(fù)用是指一個電臺或通信站內(nèi)的多路低頻信號在群頻信道（即基帶信道）上的復(fù)用，以達(dá)到兩個臺、站之間雙邊點(diǎn)對點(diǎn)的通信。

4?單向和雙向通信：按信息信號傳送的方向，通信的工作方式可以分為單向通信和雙向通信。在單向通信方式中，信息只能向一個方向傳送。例如，廣播、電視、遙控、無線尋呼等；在雙向通信方式中，信息可以雙向傳送，通信雙方都能收發(fā)信息。例如，移動用戶之間的通信，移動用戶和固定用戶之間的通信等。

雙向通信按信息信號傳送的時間又分為單工、雙工和半雙工通信方式。

5（一）多路復(fù)用

?頻分多路復(fù)用（FDM）：按照頻率參量的正交分割原理，將各路信號的頻譜搬移至互不重疊的頻帶上同時在一個信道中傳輸。接收端通過不同中心頻率的帶通濾波器，可以將各路信號分離出來。頻分多路復(fù)用的各路信號在時域中混疊在一起，在頻域中可分辨。

?時分多路復(fù)用（TDM）：利用時間的正交性，即以時間作為信號分割的參量，使各路信號在時間軸上互不重疊，它利用不同時隙來傳送各路不同信號。在TDM系統(tǒng)中，每個信號占據(jù)著不同的時間區(qū)間，但每個信號均占有相同的頻域，各路信號在頻域中混疊在一起，在時域中可分辨。

6?碼分多路復(fù)用（CDM）：根據(jù)碼型結(jié)構(gòu)的不同實(shí)現(xiàn)信號的正交分割，各路信號在時間和頻率上是互相重疊的，接收端用相關(guān)器或匹配濾波器實(shí)現(xiàn)信號分離。

?波分復(fù)用（WDM）：為了增加光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量，可以在一條光纖中傳輸多個不同波長的光信號，只要這些光源的波長有著適當(dāng)?shù)木嚯x，接收端的光頻器件就可將它們分開。

（二）多址聯(lián)接

?頻分多址（FDMA）：各站、臺發(fā)出的射頻信號在指定的射頻頻帶內(nèi)，但在頻譜上互不重疊地排列，共同分用該射頻頻帶，接收端用帶通濾波器分離各路射頻信號。

?時分多址（TDMA）：以不同的時隙來區(qū)分地址，每站有一指定時隙，各站只是在自己的時隙內(nèi)發(fā)射信號。

?碼分多址（CDMA）：每個用戶有一個特定結(jié)構(gòu)的碼字作為地址，不同用戶的不同波形信號以同一頻率發(fā)射出去，各站的接收是根據(jù)相應(yīng)的信號波形分離出自己需要的信號。

?空分多址（SDMA）：利用天線的方向性和用戶的地區(qū)隔離性實(shí)現(xiàn)信號的分離。

78（三）雙工方式：頻分雙工（FDD）、時分

雙工（TDD）

–FDD：收發(fā)頻率分開，接收設(shè)備通過濾波器分離各路信號

–特點(diǎn)：需要合理安排頻率

–TDD：收發(fā)共用一個頻率，收發(fā)信號通過開關(guān)來控制

–特點(diǎn)：收發(fā)存在時間間隔

9不同系統(tǒng)的多址技術(shù)

蜂窩移動通信系統(tǒng)

高級移動電話系統(tǒng)（AMPS）

全球移動通信系統(tǒng)（GSM）

美國數(shù)字蜂窩（USDC）

日本數(shù)字蜂窩（JDC）

英國CT-2（數(shù)字無繩電話）

歐洲數(shù)字無繩電話（DECT）

美國窄帶擴(kuò)頻（IS－95）

多址技術(shù)

FDMA/FDDTDMA/FDDTDMA/TDDTDMA/TDDFDMA/TDDFDMA/TDDCDMA/FDD10二、頻分多址技術(shù)（FDMA）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻分多址技術(shù)：頻分多址是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中普遍采用的一種多址技術(shù)。當(dāng)多個地球站共用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時，如果根據(jù)配置的載波頻率的不同來區(qū)分地球站的地址，這種多址聯(lián)接方式就為頻分多址。它對各地球站配置不同的頻率，以實(shí)現(xiàn)不同地球站之間的聯(lián)接。這種頻率配置可以是預(yù)先固定指配的，也可以是按需分配的。

11FDMA的非線性效應(yīng)

?頻譜擴(kuò)展：相鄰信道干擾；

?交調(diào)（IM）

諧波：鄰近業(yè)務(wù)信道的干擾。

交調(diào)干擾主要是由行波管放大器的非線性特性引起的。FDMA的一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率放大器，可以同時放大多個載波信號(幾個、十幾個甚至幾百個載波)。

目前衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功放級大都采用行波管放大器(TWTA)，其單載波飽和輸出功率為5~40瓦，功率增益為30~40dB左右。多載波是為了充分利用轉(zhuǎn)發(fā)器資源，但是多載波工作卻妨礙了衛(wèi)星功率的有效利用。在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中，作為功放級的TWTA，是一個非線性放大器，它的幅度特性是非線性的，它的相位特性具有調(diào)幅－調(diào)相變換作用(簡寫為AM—PM變換)。

12行波管調(diào)幅－調(diào)相變換作用分析

典型的行波管幅度非線性特性為：當(dāng)輸入功率增加到某一數(shù)值時，輸出功率達(dá)到最大；繼續(xù)增加輸入功率，輸出功率反而下降。行波管放大器有一個最大輸出功率，稱為飽和輸出功率。若行波管在飽和點(diǎn)處工作，一般效率最高，但非線性失真也最嚴(yán)重。多載波工作時，減小輸入可以減少非線性影響，但同時輸出功率也降低了，管子就得不到充分的利用。

多載波波輸入時，輸出要受到“壓縮”．這種壓縮是指，在輸入總功率相等的情況下，多載波工作時總輸出功率比單載波工作時的輸出功率要小。

13例一

采用FDMA的轉(zhuǎn)發(fā)器交調(diào)（互調(diào)）頻率IM＝mf1+nf2，m,n為任意整數(shù)，如：f1=1930MHz，f2=1932MHz，求落在工作頻率為1920～1940MHz的交調(diào)頻率。

解：可能的交調(diào)頻率有：（2n+1）f1－2nf2，

（2n+2）f1－（2n+1）f2或者（2n+1）f2－2nf1，

（2n+2）f2－（2n+1）f1，n=0,1,2….

n=01930192819321934n=11926192419361938n=21922192019401942*n=31918*

1916*

1944*1946*14保護(hù)頻帶

15圖3-1FDMA的地球站框圖

16頻譜實(shí)際占用度

?令?表示轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的實(shí)際占用比例，那么設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的dB表示為[BTR]，單載波帶寬的dB表示為[Bc]，K為FDMA載波數(shù)。有K=?BTR/Bc[Bc]＝[?]+[BTR]-[K]17FDMA典型應(yīng)用

?美國AMPS系統(tǒng)：FDMA/FDD，模擬窄帶調(diào)頻（NBFM），按需分配頻率；

?同時支持的信道數(shù)：

N＝（Bt+B保護(hù)）/(Bc+B保護(hù)）

Bt

系統(tǒng)帶寬，Bc信道帶寬，B保護(hù)為分配頻率時

的保護(hù)帶寬。

例：如Bt為12.5MHz，B保護(hù)

為10KHz，Bc為30KHz，求FDMA系統(tǒng)的有效信道數(shù)。

解：N＝（Bt+B保護(hù)）/(Bc+B保護(hù)）

＝（12.5+0.01）/（0.03+0.01）＝31218例二

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬36MHz，飽和EIRP值為27dBW。

地面站接收機(jī)G/T值為30dB/K，全部的鏈路損失為

196dB。轉(zhuǎn)發(fā)器有多個FDMA載波，每個載波3MHz帶

寬。轉(zhuǎn)發(fā)器有6dB功率“壓縮”（back-off）。計算單載波

情況下的下行鏈路C/N值，并比較有沒有功率“壓縮”下該

FDMA系統(tǒng)中可以容納的載波數(shù)。假設(shè)可以忽略上行鏈

路噪聲和交調(diào)噪聲，只考慮單載波時的C/N值。

解：轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的dB表示為[BTR]，單載波帶寬的dB表示為[Bc]，假設(shè)K為載波數(shù)。

[C/N]=[EIRP]+[G/T]-[L]+[K]-[BTR]=27+30-196+228.6-75.56=14.04dB

?dB=-[back-off]，[K]=?dB+[BTR]-[Bc]，K=3；

如果沒有back-off，那么K=BTR/Bc=1219三、時分多址技術(shù)（TDMA）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)時分多址技術(shù)：用不同時隙來區(qū)分地球站的地址，只允許各地球站在規(guī)定的時隙內(nèi)發(fā)射信號，這些射頻信號通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時，在時間上是嚴(yán)格依次排列、互不重疊的。

衛(wèi)星將在一個TDMA幀內(nèi)的不同子幀時隙接收并轉(zhuǎn)發(fā)來自各地球站（它們都采用相同的載波）的突發(fā)脈沖串。也就是說，每一地球站只在TDMA幀的一個子幀內(nèi)接收和發(fā)送突發(fā)脈沖。為了保證每一地面終端的突發(fā)（子幀）能在所指定的子幀時隙到達(dá)衛(wèi)星，對系統(tǒng)定時和信號格式將有嚴(yán)格的要求。為此，每幀內(nèi)的第一個子幀將由基準(zhǔn)站發(fā)出“基準(zhǔn)”子幀以作為同步和網(wǎng)控之用。

20圖3-4TDMA網(wǎng)絡(luò)定時的示意圖

21圖3-5TDMA系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)格式和框圖

22圖3-6TDMA系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)格式和框圖

轉(zhuǎn)發(fā)器所轉(zhuǎn)發(fā)的TDMA幀由來自各地球站的突發(fā)子幀組成，圖3-6的三個子幀分別來自A、B、C三個地球站。為了保證各子幀之間不相互重疊，在它們之間留有一定的保護(hù)時間。接收地球站在對信號進(jìn)行解調(diào)后，由分路設(shè)備分別從來自A、B、C站的信息子幀中輸出傳送給本站的數(shù)據(jù)流。

23TDMA幀結(jié)構(gòu)

TDMA幀

頭比特

信息

尾比特

時隙1時隙2時隙3……

時隙n尾比特

同步比特

信息數(shù)據(jù)

保護(hù)比特

24TDMA幀的基本組成

?基準(zhǔn)站相繼兩次發(fā)射基準(zhǔn)信號的時間間隔叫做一幀，在一幀內(nèi)有一個基準(zhǔn)分幀和若干信息分幀，每個分幀占據(jù)一個時隙，基準(zhǔn)分幀由基準(zhǔn)站的突發(fā)信號構(gòu)成；信息分幀由地球站的突發(fā)信號構(gòu)成。

?一個信息分幀對應(yīng)一個地球站的突發(fā)信號。信息分幀中的信道定向采用逐字復(fù)用的時分多路復(fù)用方式(TDM)。這樣，一個地球站發(fā)射的信號可由該站的消息分幀在一幀中的位置來確定。

25TDMA的效率

?系統(tǒng)效率：在發(fā)射數(shù)據(jù)中信息所占的百分比，不包括系統(tǒng)開銷；

?幀效率：發(fā)送數(shù)據(jù)比特在一幀中所占的百分比；

一幀中的有效信息比特數(shù)幀效率?一幀中的總比特數(shù)26TDMA系統(tǒng)的信道數(shù)

總的信道數(shù)：總的TDMA時隙數(shù)。即每一

信道的TDMA時隙數(shù)乘以有效信道數(shù)。

N＝m*[(Bt+B保護(hù))/(Bc+B保護(hù)）]

m為每個信道所支持的TDMA用戶數(shù)，Bt為信道帶寬，B保護(hù)保護(hù)帶寬，Bc用戶帶

寬。

27例三GSM系統(tǒng)，總帶寬25MHz，一個信道200KHz，具有8個TDMA用戶，未設(shè)保護(hù)帶寬，求總用戶數(shù)。

解：N＝m*[(Bt+B保護(hù))/(Bc+B保護(hù)）]

＝8*[(25+0)/(0.2+0）]=1000

28例四GSM系統(tǒng)每幀包括8個時隙，每時隙包括156.25比特，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為270.833kbps，求：（1）比特周期Tb；（2）時隙周期Tslot；（3）幀長Tf；（4）

收發(fā)時間間隔。

解：Tb＝1/270.833kbps＝3.692?sTslot＝Tb

×156.25＝0.577msTf＝Tslot×8＝4.615ms

收發(fā)間隔為幀長。

29TDMA話音信道容量的簡單計算

?設(shè)突發(fā)數(shù)據(jù)率為RT，幀效率為ηF，每話音信道比特率為Rb。則話音信道數(shù)N為

N=ηFRT/Rb30例五：INTELSAT衛(wèi)星的每幀符號數(shù)為120,832。幀周期為2ms，幀效率0.949，話音信道比特率64kb/s，采用QPSK調(diào)制。求話音信道容量。

解：符號率＝120,832/2ms=60.416Msymbol/s.QPSK調(diào)制用2比特表示一個符號，所以

RT=60.416*2=120.832Mb/s

所以N=(0.949*120.832*1000)/64=179231獨(dú)特碼（UW或BCW）的相關(guān)計算

UW:UniqueWord,BCW:BurstCodeWord

獨(dú)特碼用以指示TDMA幀內(nèi)子幀的起始位置、子幀內(nèi)各信息的位置以及站址識別。

?漏檢與誤檢

發(fā)生漏檢，意味丟失示位脈沖；發(fā)生誤檢，意味著產(chǎn)生了虛假的示位脈沖，這些都將導(dǎo)致系統(tǒng)同步不正常。因此我們需要考慮兩個概率值：漏檢率和誤檢率。

32?漏檢率

設(shè)UW長度為N比特，E為允許該UW檢驗(yàn)正確的最大差錯數(shù)量。令I(lǐng)為在接收UW時的實(shí)際差錯數(shù)量。那么當(dāng)I≤E，UW可以正確檢驗(yàn)；當(dāng)I>E，認(rèn)為被檢測的序列N不是UW，則發(fā)生漏檢。令p表示傳輸平均差錯率（BER），那么長度為N的序列中包含有任何一種特定排列的I個錯誤的概率為

pI=pI(1-p)N-I。而N中取I的組合方式有CNI=N!/(I!(N-I)!)。所以接收到長為N的序列中含有I個的錯誤的概率為PI=CNIpI。所以漏檢概率Pmiss=∑NI=E+1PIPmissN!IN?I??P(1?P)I?E?1I!(N?1)!33N例六

設(shè)UW長度為N比特，E為允許該UW檢

驗(yàn)正確的最大差錯數(shù)量。令I(lǐng)為在接收UW時的實(shí)際差錯

數(shù)量。令p表示傳輸平均差錯率（BER），求當(dāng)

N=40,E=5，p=10-3時的漏檢率。

解：

N

N!IN?IPmiss?P(1?P)I?E?1I!(N?1)!??3.7?10?1234?誤檢概率

有一個長度為N比特的序列（它實(shí)際上并不是一個UW，但即使在E個比特位置上不同于UW，它仍被誤認(rèn)為是UW），令I(lǐng)表示隨機(jī)序列不同于UW的比特位置數(shù)，這樣E代表了從UW角度考慮可以接受的“比特差錯”個數(shù)，而I代表了從UW角度考慮實(shí)際的“比特差錯”個數(shù)。

從N中取I的組合個數(shù)為CNI

，因此能夠接受作為UW的碼字?jǐn)?shù)為∑EI=0CNI。一個長為N比特的隨機(jī)序列可組成的碼字?jǐn)?shù)為2N，假定所有碼字是等概的，則接收到任何一個特定碼字的概率為

2-N。所以誤檢率為

PF?2?NN!?I?0I!(N?I)!E35例七、計算當(dāng)N=40，E=5時的誤檢率

PF?2?NN!?7?6.9?10?I?0I!(N?I)!E

比較例六和例七的結(jié)果，可以看出誤檢概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于漏檢概率。在實(shí)際系統(tǒng)中，一旦幀同步建立起來，可以在預(yù)期的UW到達(dá)時間上設(shè)置一時間窗，相關(guān)器只在這個時間窗內(nèi)工作，這樣可以大大降低誤檢概率。

36TDMA數(shù)字傳輸?shù)南滦墟溌贩治?/p>

?在TDMA方式下，TWTA沒有功率壓縮的要求，所以轉(zhuǎn)發(fā)器可以飽和工作。上行地面站使轉(zhuǎn)發(fā)器飽和工作時，即使該地面站的業(yè)務(wù)量很低，也需要較大的功率。

?考慮到中頻帶寬對數(shù)據(jù)率的限制，傳輸比特率可以按下式簡單計算：Rb/BIF=m/(1+ρ)，其中ρ為滾降系數(shù)。如對于BPSK，m=1;QPSK，m=2。

ρ=0.2，則Rb=mBIF/1.237FDMA和TDMA的特點(diǎn)比較

?對于TDMA方式，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上任何時刻都只有一個載波工作，不會產(chǎn)生交調(diào)干擾，行波管可以工作在飽和狀態(tài)，能充分利用轉(zhuǎn)發(fā)器的功率；

?TDMA方式是對各地球站和轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行時間分隔，無需FDMA方式的多次變頻，簡化了電路結(jié)構(gòu)；

?TDMA方式對地球站等效全向輻射功率變化的限制，沒有FDMA方式那樣嚴(yán)格；

38?TDMA方式可根據(jù)各站業(yè)務(wù)量的大小來調(diào)整各站時隙的大小，大小站可以兼容，易于實(shí)現(xiàn)按需分配；

?TDMA方式與地面數(shù)字系統(tǒng)的接口方便，同時也便于做星上處理；

?TDMA方式可以與數(shù)字話音內(nèi)插（DSI）和自適應(yīng)差分編碼（ADPCM)技術(shù)配合，形成數(shù)字電路倍增設(shè)備，使轉(zhuǎn)發(fā)器容量大大提高（達(dá)5倍）；

?TDMA系統(tǒng)的網(wǎng)同步復(fù)雜。

39FDMA和TDMA的容量比較

出于簡化的目的，只比較上行鏈路的容量。公式[R]=[C/N0]-[Eb/N0]對于FDMA和TDMA的上行鏈路都適用。對前者R就是Rb，對后者R就是是RT（突發(fā)數(shù)據(jù)率）。假設(shè)[Eb/N0]對兩者相同，上行鏈路損耗和衛(wèi)星[G/T]也相同。那么TDMA的地面站需要增加的EIRP值為

[EIRP]TDMA-[EIRP]FDMA=[RT]-[Rb]

如果天線增益也相同，那么TDMA的地面站需要增加的發(fā)射功率為

[P]TDMA-[P]FDMA=[RT]-[Rb]40四、CDMA?