卫星通信第六章分解课件.ppt

1、第六章 多址联接多址联接概述FDMA技术TDMA技术CDMA技术卫星分组通信多址联接第一节 概述多址联接概述卫星通信体制FDD和TDD概述多址联接概述信道为了对通信资源进行管理和分配而划分的基本单元。信息的载体多址联接概述主要多址方式：FDMATDMACDMASDMA概述卫星通信体制：按基带信号形式按采用IF(或RF)调制方式按采用的多址连接方式采用的通道分配与交换制度，如：FDM/FM/FDMA/PA概述卫星通信常用体制：FDM/FM/FDMAFM/SCPC/PA或DAPCM（或DM）/SCPC/PSK/PA或DAPCM/TDM/FDMAPCM（或DM）/TDM/PSK/TDMAPCM（或D

2、M）/TDM/PSK/CDMATDM/SS/TDMA概述FDD和TDD频分双工（FDD）时分双工（TDD）f1终端2f2终端2终端1终端1f终端1终端3终端2概述FDD和TDDTDD的特点不需要频带配对发送和接收信号可以使用相同卫星天线上、下行链路之间要求有保护时间要求同步等多址技术第一节 频分多址：FDMA的概念放大器非线性的影响两种联接方法SCPC转发器利用、预分配和按需分配带宽受限和功率受限频分多址FDMA的概念：什么是FDMA？FDMA的特点：要求系统进行严格的功率控制。功率受限系统要设置适当的保护频带要尽量减少互调的影响FrequencyTimePower频分多址放大器非线性的影响：

3、调制变换：幅度和相位特性的不同，具有AM-PM变换的作用频谱扩展：多载波输入时，会产生新的频率分量信号抑制互调干扰放大器非线性的影响互调干扰：TWTA非线性的规律：小信号输入时增益最大，随着输入电平的增加，增益越来越低，出现输出不随输入线性增加现象，而后出现饱和55331iiiovavavavniiiittAv1)(cosHIMttBvniiino1)(cos放大器非线性的影响减少互调干扰的措施：采用适当的输入输出补偿载波不等间隔排列采用能量扩散信号对上行线路的载波功率进行控制以及合理地选择行波管的工作点频分多址两种联接方法：SCPC：每载波单路。互调噪声严重MCPC：每载波多路。如IDR频分

4、多址SCPC系统：适合于轻路由、多地址通信系统的需要可采用某些技术增加系统的灵活性，从而充分地利用卫星资源话音激活技术按申请分配信道两种SCPC系统按需分配的SCPC预分配的SCPCSCPC系统预分配的SCPC方式：信道800信道N信道401(空）信道403信道402信道400(空）信道399信道M信道2信道118MHz18MHz4567.5kHz67.5kHz4522.522.552MHz70MHz88MHz基準導頻SCPC系统预分配的SCPC方式：话音传输8KHz取样，A率13折线量化，7bit编码，速率56kbit/s。每224bit插入32bit消息头，实际传输速率64kbit/s。采

5、用话音激活技术，话音4个连续取样值超过阈值发送载波。由于采用话音激活技术和载波通/断发射，必须加载波和位定时恢复码DQPSK调制SCPC系统预分配的SCPC方式：数据信号的传输连续发送，不需要载波和位定时而附加字头。为消除连“1”和连“0”，扰码。速率（4856kbps），加纠错编码后为64kbps由于SCPC方式的载波占用带宽窄，所以必须考虑振荡器的频率稳定度和卫星运动引起的多普勒频移。需加自动频率控制(AFC)SCPC系统预分配SCPC方式终端设备：公用设备：包括中频单元、定时与频标单元。其中中频单元是SCPC终端设备与地球站上、下变频器的接口部分通道设备：包含PCM(或DM)编译码器、通

6、道同步器、话音检测器、频率合成器和调制解调器SCPC系统SPADE方式：一种按需分配的SCPC方式，即SCPC/PCM/DA/FDMA方式话音编译码方式、调制方式、话音激活技术、载波和位定时比特与预分配的SCPC方式相同为了实现DA，各地球站有按TDMA方式工作的公用信令信道(CSC)。带宽160kHz，速率128kbps，DQPSK调制，每50ms一帧，分为50个分帧，第一分帧同步为同步和信令，其它供多址联接用可以为49个地球站提供397条双向通路，每个地址每隔50ms可以向信道申请一次。采用话音激活技术控制载波频分多址转发器利用、预分配和按需分配转发器利用率随着接通载波数目的增加，互调干扰

7、增大。对MCPC系统，载波带宽越小，频谱利用率就越低载波噪声比(dB)载波带宽(MHz)13N 13B 15N 15B 20N 20B 2.524104.23669.46041.65.06083.39652.113237.9 7.59678.113256.819235.110.013275.81925225239.7频分多址转发器利用、预分配和按需分配预分配(PA)和按需分配(DA)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一个按需分配相对于预分配方案改进多少的定量评价 I=n PA/n PD nPA和nPD对应预分配和按需分配时、提供相同服务等级时需要电

8、路的数目。频分多址带宽受限和功率受限：设一个转发器的总带宽为BTR，k个载波以FDMA方式接入，每个带宽为B，则最多容纳的载波数k=BTR/B。不管EIRP如何增加，都不会产生影响，这个系统称为带宽受限，比特率决定于带宽，也受BTR限制当EIRP不能满足载噪比要求时，会出现功率受限设计时，希望转发器的带宽和功率同时达到受限值附近，都得到充分的利用带宽受限和功率受限例：卫星转发器的带宽为36MHz，饱和EIRP为27dBw，地球站接收机的G/T为30dB/k，总链路损耗为196dB。转发器用FDMA载波连接，每个3MHz带宽，输出回退量为6dB。多载波运行时，计算它的载噪比，并求出FDMA系统中

9、可容纳的载波数。如不需要输出回退量，比较它们的载波数（可以将多载波运行时确定的载噪比作为基准值，并且假定上行链路噪声和互调噪声忽略）频分多址特性总结：优点：可靠性好，技术成熟，价格较低不需要全网同步缺点：卫星上有效功率不能充分利用容量改变时，缺乏灵活性在含有强载波和弱载波的混合业务时，特别是在MCPC中，弱载波可能被抑制多址技术第三节 时分多址TDMA的概念与特点帧结构独特码检测TDMA系统的定时与同步帧效率和转发器利用时分多址TDMA的概念与特点時分多路復用調製發射.時分多路復用調製發射.地面站1地面站2時分多路復用調製發射.地面站n時分多路復用調製發射.地面站3衛星轉發器1T2T3TnT分

10、幀1分幀2分幀n.TDMA時幀1T2TnTTDMA的概念与特点TDMA的概念：整个系统的所有地球站时隙在卫星内占有的整个时段，称为卫星的一个时隙（帧）。每个地球站占用的时隙叫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，因此必须建立系统共同的时间基准，称为系统定时各站为了准确地进入指定的时隙，需要首先设法将自己的分帧引入，称为“初始捕捉”当分帧进入时隙后，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TDMA的概念与特点TDMA的特点：“间歇”通信方式。为了保证用户信息传输的连续性，对输入的数据率需要做“变速处理”无互调由于各地球站相互关联，需要精确的同步。技术设备复杂时分

11、多址帧结构：帧长为取样周期(125s)的整数倍，为0.7520ms。两个基准分帧(RB1,RB2，主、副基准站)多个业务分帧保护时间(Tg)RB1RB2TB1TBn保护时间时分多址帧结构：基准分帧包括：载波和位定时恢复(CBR)独特码(UW)联络信道（TTY,VOW)服务信道(SC)控制和时延信道(CDC)时分多址帧结构：业务分帧包括：报头s 载波和位定时恢复(CBR)s 独特码(UW)s 联络信道（TTY,VOW)s 服务信道(SC)用户数据时分多址帧结构：子脉冲列长度选择：业务子脉冲列的长度主要取决于不同业务所要求的信息总数例如一路PCM数字话音的速率为64kbps，帧长=2ms，则该PC

12、M数字话路的子脉冲长度为64k*2ms=128bit时分多址独特码检测：具有较好相关特性的PN码。在TDMA系统中建立脉冲列定时。相关检测独特码检测漏检测概率：E表示长度为N比特的独特码(UW)允许误差的最大数，而I表示接收到的独特码中实际误差比特数。当I E时，检测序列不是UW，即UW被漏检测。漏检测概率是：P：传输信道的平均误差概率NEIINImissppININP1)1()!(!独特码检测误检测概率：EINFININP0)!(!2时分多址TDMA系统的定时与同步：系统定时是TDMA方式的关键问题静止卫星不可能是理想静止的，按照目前的卫星发射技术，东西方向的位置保持精度为0.1，高度变化为

13、0.1%，卫星会在75*75*75km范围内漂移。卫星每半天漂移可达15km，时延差50s；漂移速率0.6m/s，时延差2毫微秒TDMA系统的定时与同步TDMA系统的定时：基准站发射的基准分帧到卫星的时刻为to，通信站接收到基准分帧的时刻为to+td通信站发射业务分帧到达卫星的时刻为to+，发射时刻为to+-td通信站接到基准分帧后延时-2td发射业务分帧，就能实现在to+时刻通过卫星转发器基准站通信站RB1RB2TB1TBnt0t0+tdTDMA系统的定时与同步TDMA系统的定时：也可以由卫星发射定时信号，地球站与之同步，但实际用得不多各突发站通过卫星转发器的时间不重叠，但由于各 站到卫星的

14、距离不同，对各地球站而言发射时刻有可能重叠每个突发要传输的比特是确定的，但由于地球站与卫星之间距离的变化，因而发射的突发时间间隔经常变化，使实际的平均比特随时间也有一个微量的变化，必须加以调节TDMA系统的定时与同步TDMA系统的同步：初始捕捉分帧同步TDMA系统的定时与同步TDMA系统的同步（初始捕捉）：开环式（计算机轨道预测法）闭环式（相对测距法）带外测距法带内测距法TDMA系统的定时与同步TDMA系统的同步（分帧同步）：开环式：精度不高，需要较长的保护时间；但不需要初始捕捉。闭环式：通过由本站发出并经卫星发回的分帧（独特码）与基准分帧进行比较，检出接收定时差来控制发射分帧。发射分帧每隔0

15、.27s返回，校正一次。精度为3bit，保护时间为6bit时分多址帧效率和转发器利用：帧效率：指帧时间被有效利用的百分数Tx：辅助部分 Tr：基准分帧时间fxTT 1帧效率和转发器利用提高帧效率：缩短报头时间，但不能因而造成系统设计的困难载波和位定时恢复序列必须足够长必须有足够的保护时间增加帧长。但是业务站将增加为存储每帧内连续输入的数据所需要的存储量，向卫星发射数据的存储量以及接收业务数据数率变换的存储量。为了避免在话音业务的传输中引入明显的时延，必须使帧长度远小于最大往返传输时延（274ms)。对话音业务一般选择帧长度小于20ms帧效率和转发器利用转发器利用率：TDMA情况下，转发器的利用

16、率与卫星EIRPS、接收地球站G/T值及调制方案的效率有关。功率受限情况下的传输比特率：C/N=Eb/n0+R-B R(dB)=C/N-Eb/n0+B=EIRP+G/T-L+228.6-Eb/n0频率受限情况下的传输比特率：)/(sbBRb帧效率和转发器利用帧效率：例：考虑一个TDMA系统，它的帧结构和脉冲列结构数据参数如下，计算帧效率TDMA的帧长为15msTDMA脉冲列的比特率为90Mbps每帧中含有20个业脉冲列和2个基准脉冲列载波和时钟恢复序列的长度为352bit独特码长度为48bit联络信道占510bit服务信道占256bit控制和定时信道占320bit保护时间为64bit时分多址T

17、DMA的特性总结：优点：互调噪声很小，卫星功率可以获得充分利用即使n数较大，它的流量也是较高的业务变更时，只需要改变帧时间缺点：全网同步难度大，成本高在相同条件下，TDMA站的上行功率比FDMA大多址技术第三节 码分多址：扩频通信的概念CDMA的原理伪随机序列CDMA系统性能FrequencyTimePower码分多址扩展频谱通信系统的概念：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。扩展频谱系统必须满足以

18、下两条准则：传输带宽远远大于被传送的原始信息的带宽传输带宽主要由扩频函数决定，扩频函数常用伪随机编码信号扩频通信的概念扩频通信的理论基础信息论中关于信息容量的仙农(Shannon)公式柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公式)/1(logC2NSB)(0nEfPbe)()/(NSGfWNBSfPpe扩频通信的概念扩展频谱通信的分类：直接序列扩展频谱系统(DSSS)跳频扩展频谱系统(FHSS)跳时扩展频谱系统(THSS)混合方式扩频通信的概念扩展频谱通信的分类：直接序列扩展频谱系统(DSSS)就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩

19、频信号还原成原始的信息频率频率扩频通信的概念直接序列扩展频谱（DSSS）：f 功率谱密度f 功率谱密度f 功率谱密度f 功率谱密度干扰信号发送信号噪声f 功率谱密度干扰信号发送信号噪声发射端空中接收端扩频通信的概念扩展频谱通信的分类：跳频扩展频谱(FHSS)用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变慢跳频快跳频频率时间频率时间5432154321扩频通信的概念扩展频谱通信的分类：跳时扩展频谱(TH-SS）用一定码序列进行选择的多时片的时移键控时间扩频通信的概念扩展频谱通信的主要优点：抗干扰性能好保密性好低通量密度码分多址CDMA的原理：

20、上变频信號輸入衛星轉發器地址不同的其它信號下变频載波偽碼一次調製二次調製本地偽碼載波積分判決信號輸出接收端發送端码分多址伪随机序列（PN-Pseudo-random Noise)：用PN码作为CDMA的地址码作用：区分用户，扩展频谱m序列Gold码伪随机序列半加器和乘法器：半加器乘法器0 11 01 100负逻辑：0 +11 -10110+-+-+-+伪随机序列m序列：010 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1011100伪随机序列m序列的自相关性：1 0 1 1 1 0 0负逻辑：0 +11 -11 0 1 1 1 0 0按位求

21、和为 7=23-10 0 0 0 0 0 0伪随机序列m序列的自相关性：1 0 1 1 1 0 00 1 0 1 1 1 0按位求和为-11 1 1 0 0 1 0负逻辑：0 +11 -1伪随机序列m序列的自相关性：+7+6+5+4+3+2+100-1 0 1 2 3 4 5 6 7 0伪随机序列m序列归一化的自相关性：+10 0 1 2 3 4 5 6 7 0 -12N-1当N很大时，近似为零 -12N-1伪随机序列m序列的自相关性：相同的 m-sequence 当同步(时间对齐时),其自相关的归一化值为1。相同的 m-sequence 当不同步(时间不对齐时),其自相关的归一化值为-1/L

22、。L=2N-1(称为该伪随机序列的长度)，当L趋于较大值时，该值趋于0。伪随机序列另一个伪随机序列(m-sequence)：0010 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1.1101001第一个输出伪随机序列m序列的互相关性：+4+3+2+100-1-2-3-4-5 0 1 2 3 4 5 6 7 0伪随机序列m序列的其它性质：m序列一个周期内“1”、“0”码大致相等，在扩频系统中，用m序列做平衡调制时有较高的载波抑制度游程特性m序列与其移位后的序列逐位模2加，所得的序列仍是m序列改变移位寄存器的初始状态只改变m序列的初相伪随机序列优选对(P

23、referred Pair)：优选对是指一对相同长度的m-sequence 相互之间的互相关值只有三个取值。-1 -2(n+1)/2+1 和 2（n+1）/2-1 n=odd -2(n+2)/2+1 和 2（n+2）/2-1 n=even 例：n=3-1,-5,+3 n=4-1,-9,+7伪随机序列GOLD码：利用一对优选对(两个m序列的长度分别为2n-1)，将各自产生的序列相对移位，然后模二相加，即可得到2n+1个GOLD CODE序列(包含原始的两个m序列)。GOLD码的互相关特性优于m序列互相关特性。(三值特性）伪随机序列GOLD码的特性：GOLD CODE自相关特性：归一化值:Ci(t

24、)Cj(t)=1 (i=j)GOLD CODE互相关特性:归一化值:Ci(t)Cj(t)1 (ij)码分多址CDMA系统性能：处理增益：射频带宽(W)与基带信号带宽(B)之比。Gp=W/B抗干扰容限：指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为：容量分析和干扰受限0nELGMbpjCnI)1(00/111IEGBEWICInbpbCDMA系统性能例：卫星转发器带宽B=36MHz，Gp=1000，信息比特率Rb=36M/1000=36kbps，L=2，确定系统可容忍的干扰。采用BPSK调制，关系如下：PeEb/no最多用户数10-48.414510-59.611010-610.520C

25、DMA系统性能RAKE接收机：RAKE接收机就是采用带内时间分集技术的系统DSSS接收机相关以后的信号是一个窄脉冲，每比特间隔出现一个。在多径传播环境下，接收机的输出会根据不同路径延时有好几个峰值。如果信道延时扩展大于比特持续时间，那么就会造成码间干扰如果两个邻近路径之间的延时差小于码片持续时间,两条路径合并，造成衰落CDMA系统性RAKE接收机：相关器D DD DD D相关器相关器分集合并器判断阈值采样后的接收信号检测信号码分多址CDMA特性总结：保密性好，截获概率低抗干扰能力强能在负载噪比下接收，电磁污染小同样带宽情况下，容量大，性能好远近效应多址方式的比较FDMA特点识别方法主要优缺点适

26、用场合1.各站发的载波在转发器内所占频带互不重叠（所发信号频率正交）；2.各载波的包络恒定；3.转发器工作于多载波。滤波器优点：设备简单；不需要网同步。缺点：有互调噪声，不能充分利用卫星功率和频带；上行功率、频率需要监控；FDM/FM/FDMA方式多站运用时效率低，大小站不易兼容。FDM/FM/FDMA方式适合站少容量中、大的场合，TDM/PSK/FDMA方式适合站少，容量中等的场合，SCPC系统适合站多容量小的场合。多址方式的比较TDMA特点识别方法主要优缺点适用场合1.各站发的突发在转发器内所占时间互不重叠（所发信号时间正交）；2.转发器工作于单载波。时间选通门优点：没有互调问题，卫星的功

27、率与频带能充分利用；上行功率不需严格控制；便于大、小站兼容，站多时通信容量仍较大。缺点：需要精确网同步；低业务量用户也需相同的EIRP。中、大容量线路多址方式的比较CDMA特点识别方法主要优缺点适用场合1.各站使用不同的地址码进行扩展频谱调制（所发信号码型准正交）；2.各载波包络恒定，在时域和频域均互相混合。相关器优点：抗干扰能力较强；信号功率谱密度低，隐蔽性好；不需要网定时；使用灵活。缺点：频带利用率低，通信容量较小；地址码选择较难；接收时地址码的捕获时间较长。军事通信；小容量线路多址方式的比较SDMA特点识别方法主要优缺点适用场合1.各站发的信号只进入该站所属通信区域的窄波束中（所发信号空

28、间正交）；2.可实现频率重复利用；3.转发器成为空中交换机。窄波束天线优点：可以提高卫星频带利用率，增加转发器容量或降低对地球站的要求。缺点：对卫星控制技术要求严格；星上设备较复杂，需用交换设备。大容量线路多址方式第五节 数据卫星分组通信：特点分组数据传输协议Internet业务和卫星通信的结合数据卫星分组通信特点突发性，短数据不能连续使用信道信号峰均比较高业务种类多。要求网络中能容纳低速(300bps)、中速(6004800bps)和高速(9600bps以上)的数据率大量的低成本小型地球站数据卫星分组通信分组数据传输协议的分类随机分配固定分配预约分配数据卫星分组通信分组数据传输协议P-Alo

29、ha协议S-Aloha协议预约Aloha协议AA/TDMA分组数据传输协议P-ALOHA协议：一种最简单的随机竞争类多址接入协议当任一站有帧进入其发送缓冲器要求发送时，该站不管信道是否忙碌，立即将该帧送入信道发送出去，收到对方认可后认为发送成功发送站检测出自己发送的帧与其它站发出的帧碰撞后，则发送站独立地延迟一个随机时间后再把该帧发送出去A1A2TtB1B2tTB1tA2(a)開始分組完畢？踫撞分組發送？延時(b)成功否是否是分组数据传输协议 P-ALOHA协议的性能：纯Aloha协议的吞吐特性很差，其最大值为18.4%。此时业务量G=0.5，重发时延T=0.70.8s。平均时延小，信道流量低

30、分组数据传输协议S-ALOHA协议：P-Aloha协议的改进把信道传输时间按帧长T为单位分成一个一个的时间段，并把每帧的发送时刻限制在每个时间段的起始时刻A1A2tB1B2tB2tA2(a)開始分組完畢？踫撞？按時隙發送分組延時(b)成功否是否是B2A2分组数据传输协议预约Aloha协议：采用预约方式多址联接可以减小或消除随机因素，避免发送竞争所带来的对信道资源的无序争夺，使系统能按各地球站的实际业务需要合理地分配信道。又称为按需分配方式短数据文件以S-Aloha协议执行长数据文件执行DAMA/TDMA方案分组数据传输协议AA/TDMA：自适应分配AA/TDMA方案实际上就是预约Aloha协议集中式分配分布式分配控制分帧信息分帧PODA帧结构多址方式总结：FDMA：两种联接方法(MCPC、SCPC），SCPC的工作方式，带宽受限和功率受限TDMA：基本原理，系统定时与同步方法，帧结构和帧效率CDMA：实现方法，理论基础，DSSS的工作原理，伪随机序列，系统性能三种多址方式的优缺点卫星分组通信的特点、连接方式