《卫星通信》课件第5章 卫星传输与多址技术.pptx

1、第5章 卫星传输与多址技术v差错控制：分类；HARQv调制技术：概述；APSK；OFDMv双工方式：FDD；TDD；FDv多址技术：概述；FDMA；TDMA；SDMA；CDMA；ALOHA第5章 卫星传输与多址技术1 差错控制分类p 差错控制必要性：卫星通信信道上既有加性干扰也有乘性干扰加性干扰由白噪声引起，导致随机错误乘性干扰由衰落引起，导致突发错误p 差错控制分三类 ARQ方式：发送端发送检错码，接收端译码并校验是否出错；反馈发送端应答信号正确（ACK）或错误（NACK）；发送端根据应答信号决定是否重发数据帧；直到收到ACK或发送次数超过预设最大发送次数后再发下一帧 FEC方式：发端采用纠

2、错编码，接收端译码后能纠正一定误码 HARQ方式：结合ARQ和FEC的一种差错控制技术，使两者优势互补，提高链路性能1 差错控制分类p ARQ机制在卫星通信中的局限 卫星链路上的延迟很大-对连续传输系统的缓冲器需求非常大 陆上通信链路的ARQ机制针对短时延设计，应用到卫星通信连路上可能导致数据包过期p 纠错编码技术(FEC)在卫星通信中的局限 纠错编码技术可以降低误码率，但是不能够保证完全没有错误p 混合自动重传请求(HARQ)机制 使用FEC降低错误概率，减少重传，提高传输效率 使用ARQ技术保障无差错传输，提高可靠性1 差错控制HARQp 发送端：发送纠错码组，且不删除而是存放在缓冲存储器

3、中p 接收端 收到数据帧后通过纠错译码纠正一定误码，然后再判断信息是否出错 译码正确反馈一个ACK应答信号，反之发送一个NACKp 发送端 收到ACK时，发送下一数据帧，并删除缓存器里数据帧 收到NACK时，把缓存器里数据帧重新发送一次 直到收到ACK或发送次数超过预设最大发送次数为止，再发送下一帧1 差错控制HARQ重传机制p 停止等待型（SAW）发送端发送一个数据帧后处于等待状态，直到收到ACK才发送下一数据帧或收到NACK后发送上一帧数据 其中 、表示经过译码发现错误的数据帧图 4-70 SAW重传机制3 3p 特点：信道经常处于空闲状态，传输效率及信道利用率很低，但实现简单1 差错控制

4、HARQ重传机制p 回退N步型（GBN）GBN克服SAW缺点，采用连续发送和应答帧，信道利用率较高 第i帧出错，接收端期望接收数据一直保持为第i个数据，即使后面帧CRC校验正确也发送NACKp 缺点 有错帧退回N步重发，即使误帧后N-1帧中有CRC校验正确。会导致资源浪费，降低传输效率 需存储器存储直到ACK到达或超过最大重传次数1 差错控制HARQ重传机制p 选择重传型（SR）GBN虽实现连续发送、信道利用率较高，但会造成不必要浪费 SR不重传N个帧而选择性重传出错帧。p 特点 但需对帧进行编号，以在收发端对成功接收或重传帧进行排序 为保发生连续错误时存储器仍不溢出，要求存储器容量相当大1

5、差错控制HARQ重传机制p 由于同步卫星的链路上延迟较大，所以对连续传输系统的缓冲器需求变得非常大p 互联网协议TCP/IP(传输控制协议/互联网协议)采用了选择重发的ARQ系统 适用于延迟相对较短的通信链路 适用于陆上通信链路 不能在没有经过修正的情况下就在同步卫星链路上使用1 差错控制HARQ数据帧结构p 重传相同数据的HARQ Type-I HARQ把ARQ和FEC结合，发送端发送纠错码，接收端译码并纠错：p 重传不同数据的HARQ Type-II和Type-III HARQ属于此方式。重传数据又有全冗余和部分冗余之分：全冗余：重传帧与上一帧位置不完全相同的校验比特，并不再发送信息位部分

6、冗余：重发帧既包括信息位和与上一帧位置不完全相同的校验比特p 重传时，传输数据可是同样数据，也可是不同数据 码字信息位对译码最重要。为匹配某确定码率，需打孔掉某些校验比特 重传数据相同，每次发送相同信息位和校验位；而重传数据不同，则可改变打孔位置来重传不同校验位 如果错误在纠错码纠错范围内并成功译码，则发送一个ACK应答帧 反之发送NACK应答帧，重发时仍发送相同数据帧，携带相同冗余信息1 差错控制HARQ数据帧结构 Type-II HARQ属于全冗余，重传帧都是校验位，数据帧是非自解码的 Type-III HARQ属于半冗余，重发数据既包含信息位又包含校验位，重传数据帧是自解码的若噪声和干扰

7、很大，第1次传送帧被严重破坏，且信息位对译码很重要，即使后来增加正确冗余信息仍不能正常译码所有版本冗余形式互补，当所有冗余形式发送完，能够保证每个校验比特至少发送一遍 不能正确译码帧，不丢弃；重发帧到达时，合并他们译码。可获时间分集增益，提高接收信噪比 冗余形式因打孔方式而不同，每次发一种冗余版本；接收端先合并再译码。如所有冗余版本发完仍不成功译码，则再发送第一次包含系统位数据，代替前次传送包含系统位帧1 差错控制HARQ数据帧结构p HARQ常用三种机制Chase Combing(CC)机制完全增量冗余（Full Incremental Redundancy，FIR）部分增量冗余(Parti

8、al Incremental Redundancy，PIR)CCFIRPIR缓存需求低高复杂度低高性能增益MRC合并，重传一次有3dB的SNR提升，若两次传输信道变化还有时间分集增益编码增益，若两次传输信道变化还有时间分集增益编码增益：FIRPIR低高中具体增益与码字的设计、信道的变化速度有关1 差错控制HARQ星座重排列p映射到同一符号的不同比特具有不同的可靠性 1，2bit可靠性高,3,4可靠性低1 差错控制HARQ星座重排列pTurbo译码在比特可靠性相同的情况下译码性能最佳2 调制技术选择原则p 选择调制方式的原则：一般情况下，通信系统在功率受限或带宽受限的情况下工作。在功率受限情况下

9、应采用功率利用率高的调制 而在频带受限情况下应采用频带利用率高的调制。p 当前，卫星通信主要是工作在功率受限情况，所以数字调制技术的选择主要是采用功率利用率高的调制。广泛采用相移键控(PSK)和连续相位调制（CPM）方式。QPSK调制是一种恒包络调制，但频谱利用率较低。高阶 M-QAM的星座图呈矩形，存在着较多的幅度，这就使得QAM在通过卫星转发器时，非线性失真严重。DVB-S2标准主要采用8PSK、16PSK、16APSK、32APSK等高阶调制方式。2 调制技术选择原则p 卫星转发器 可以简化为由低噪声放大器LNA、输入带通滤波器、行波管放大器及输出带通滤波器四部分组成。其主要的非线性也可

10、简化为行波管放大器的AM/AM转换。p 非线性抵抗性：对功放非线性的敏感程度，一般采用恒包络调制或包络起伏变化小的调制方式。2 调制技术APSKp 特点：星座图呈圆形、圆周个数较少，可以充分利用星座信号平面，利用了幅度信息。包络起伏变化小，对功放的非线性有一定的抵抗力其中rk,nk分别为第k个圆周的半径和信号点数；K为圆周数；ik为第k个圆周上的一个点，且k为第k个圆周上信号点的初相位信号集：2 调制技术APSK3种16APSK的星座图优化参数p APSK星座图优化：最小欧式距离最大化d1：内环两点间的最小欧氏距离d2：外环两点间的最小欧氏距离d3：内环外环间两点的最小欧氏距离2 调制技术性能

11、比较p 经过非线性功放前后的误比特率对比2 调制技术性能比较 16PSK 误比特率最高，阶数提高后果就是相邻信号点间欧式距离的减小，也就是误比特率的提高。16QAM 矩形星座图，充分利用二维信号空间的平面，在不减小相邻信号矢量之间的最小欧式距离的前提下，增加信号点的数目 随着调制阶数的提高，原来的误码性能并不会受到太大影响。16APSK 圆形星座图，圆周数量较少，可以在某种程度上充分地利用信号空间，但是16APSK同时具有16PSK的特性，就是阶数提高的同时也会带来圆周上相邻信号点间欧式距离的减小 16APSK的误码性能介于16QAM和16PSK之间。2 调制技术OFDMp 频分复用：把N个串

12、行码元变换为N个并行的码元，分别调制在N个子信道载波进行同步传输。频谱利用率：若频谱允许重叠，可提高频带效率，如图。若子f=1/Ts，相邻子载波带宽重叠一半。码间干扰：若子信道Rs=1/Ts信道时延，减小时延扩展对信号传输影响；2 调制技术OFDM 输出的OFDM信号为：p QAM-OFDM：并行支路输入数据可写为xn=an+jbn，an、bn是输入同相和正交分量实序列，每支路调制一对正交载波：星座点：an、bn2 调制技术OFDM 输出OFDM信号复包络注：载波间正交条件f=1/Ts I/Q正交调制2 调制技术OFDM 各子信道频谱在其它子载波频率上为零，子信道间不发生干扰。当子信道脉冲为矩

13、形脉冲时，具有sinc形式频谱可满足要求。p OFDM设计原则符号长度Ts应远大于时延扩展（一般大于时延扩展10倍）；子载波数N应满足为2的幂次；例：给定带宽5MHz，信道时延扩展20s，求OFDM子载波个数解：2 调制技术OFDMp 用DFT技术实现OFDM系统 复包络可表示为：若对xL(t)以1/Tc速率抽样得到（Tc=KTb=log2MTb）：可见：x(n)是xL(m)的DFT变换频域符号 xL(m)是x(n)的IDFT变换时域样值 忽略gT(t)幅度2 调制技术OFDMp 保护间隔 为克服前后两个OFDM符号间干扰，采取插入保护间隔方法;保护间隔长度Tg比信道的最大多径时延更大即可;空

14、白间隔：循环前缀（CP,cyclic prefix）：增加CP后OFDM符号总长：频谱效率：2 调制技术OFDM圆周卷积去掉下角标后：p 传输模型2 调制技术OFDMp 峰平比 峰平比过大，通过非线性放大器后，将导致信号失真严重（Peak to Average Power Ratio）降低峰平比方法：有兴趣自行查阅。2 调制技术OFDM OFDM有较高频谱利用率；瑞利衰落对码元的损伤较单载波容易恢复；系统因时延所产生的码间干扰不那么严重；某个频率出现较大衰减或较强窄带干扰时，只影响个别子信道；可采用DFT实现OFDM信号，极大简化了系统的硬件结构；p 采用OFDM有很多优点 自动测试子载波传输

15、质量，据此及时调整子信道发射功率和比特数，使每个子信道传输速率达到最佳状态。OFDM在有、无线信道的高速数据传输中得到应用。例：4G和5G系统等。发射信号PAPR过大；多谱勒频谱扩展破坏子载波正交性。p 缺点3 双工方式p 无线通信的终端、卫星或地球站，不可能同时用相同的资源进行接收和发送；否则会造成严重的干扰。因此对正向链路和反向链路，必须使用某种方法进行隔离。移动通信中常用的双工方式有频分双工（FDD）、时分双工（TDD）和全双工（Full duplex,FD），以及混合双工。p 频分双工：卫星通信中常采用FDD方式进行正向链路和反向链路的隔离，即采用不同的频带区分正向链路和反向链路。通常

16、正向链路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，即他们具有固定的频率间隔。3 双工方式p 时分双工：采用TDD时，正向和反向链路使用相同的带宽，但是出现在不同的时间间隔。与FDD相比，TDD具有下述优点：不要求频带对称，因而频率计划比较容易；TDD更适合于动态信道分配；对发送和接收信号，可以使用相同的卫星天线；对一个组合的发送和接收终端天线，不要求是用双工器；上行和下行链路间，要求有保护时间，它与信号时延成正比。或可以采用一种适当的帧结构；与FDD比较，要求有两倍传输速率，附带必要求有两倍峰值发送功率；TDD在发送和接收链路之间，要求同步；由于帧结构，TDD会引起

17、时延。依（LEO）系统的移动用户上行和下行链路数据的帧结构4 多址方式概述p 多址技术：指多个地球站通过同一颗卫星建立多址间的通信的技术。其通信连接方式称为多址连接；p 多路复用：指一个地球站把送来的多个信号在基带信道上进行复用，而多址连接指多个地球站发射的（射频）信号，在卫星转发器中进行射频信道的复用。（1）频分多址（FDMA）（2）时分多址（TDMA）（3）码分多址（CDMA）；（4）空分多址（SDMA）：SDMA通常不独立使用，而与FDMA、TDMA和CDMA等方式结合使用；（5）其他多址方式：ALOHA，OFDMA和非正交多址（Non-Orthogonal Multiple Acces

18、s，NOMA）等。在OFDMA中，将OFDM的不同子载波组分配给不同的终端即可实现正交频分多址；而在NOMA中，不同终端采用非正交的资源，包含功分/图样分割多址（Power/Pattern Division Multiple Access，PDMA），稀疏码多址（Sparse Code Multiple Access，SCMA），多用户共享接入（Muti-User Shared Access，MUSA）等方案；4 多址方式概述p 资源共享方式：固定多址（FA：Fixed Access）或预分配多址（PA:Pre-assignment Access）：分配给每个地面站的资源份额都已经预先安排好

19、有时会浪费转发器容量 按需多址（DA:Demand Access）：资源是根据不断变化的业务量情况按需分配的 提高负载率 随机分配方式（RA）：随机分配方式是面向用户需要而选取信道的方法，通信网中每个用户可随机地选取（占用）信道。资源共享方式可以与多址方式任意结合4 多址方式FDMAp FDMA是第一个用于卫星通信系统中的多址技术p 实例：FDM-FM-FDMA 优点：可以用滤波器来分离信号 缺点：滤波器使频率分配或带宽的改变不灵活 利用转发器带宽和卫星容量的效率低4 多址方式FDMAp 宽带转发器 转发器往往具有很宽的带宽，普遍使用的带宽是36MHz，54MHz和72MHz FDMA是一种在

20、宽带转发器中被广泛使用的多址技术p 保护带：宽度需要达到信道带宽的1025，以最小化邻近信道干扰p SCPC（每条信道单载波）方式 地面站在一个载波上传送一个信号的FDMA接入方式4 多址方式FDMAp 互调产物的产生：非线性设备（高功率放大器的非线性工作状态）同时传送一个以上信号p 分析：三阶互调4 多址方式FDMA4 多址方式FDMAp 三阶互调产物的大小取决于信号的大小及描述转发器非线性特性的参数bp 互调产物的增大与信号功率的立方成比例 Pout/PIM依赖于(b/A)2,即放大器的非线性特性越大(b/A越大)，互调产物就越大。4 多址方式FDMAp 减小互调问题的方法 使转发器工作于

21、(准)线性工作状态 输入/输出补偿 平衡各载波功率电平，以便互调产物在转发器带宽上被平坦地展开 合理选择载波间间距以使最大互调产物落入载波间隙4 多址方式TDMAp TDMA是:来自不同地面站的射频信号能在时间上共享单个转发器 优点：易于重新调整以满足不断变化的业务需求 抗噪声及干扰能力 适于处理混合的语音、视频和数据业务 使用整个带宽时每次只有一个信号出现在转发器中，克服了FDMA中的互调干扰等问题 缺点：使用转发器全部带宽时要求每个地面站发射的比特速率高，发射功率高 转发器的非线性特性使数字载波间的符号间干扰增大，需要均衡 要求网络中所有地面站的严格同步，避免冲突 设备复杂性高4 多址方式

22、TDMA 各发射地面站必须给他们的突发脉冲传输定时，以便使它们按照正确的顺序到达卫星 卫星传输的信号是一连串被很短的时间间隔隔开的突发脉冲4 多址方式TDMAp 比特速率与符号速率 比特是数字传输的基本单元，比特流由它的比特速率来描述，单位为比特每秒（bps）、千比特每秒（kbps）或兆比特每秒（Mbps）符号指射频载波的状态，符号速率以波特或符号每秒为单位 对于BPSK而言比特速率和波特率是相同的，对于QPSK而言波特率是比特速率的一半 任何数字无线系统中,决定射频信号带宽并因此决定接收机中滤波器的带宽是符号速率而不是比特速率 QAM只有在接收机中的(C/N)0高于通常的(C/N)0时才能用

23、于卫星链路4 多址方式TDMAp 一个TDMA帧包含了TDMA网路中所有地面站传送的信号 只存在于卫星转发器中以及从卫星到接收地面站的下行链路上 固定长度：广泛使用2ms帧长；也可以125us-20ms不等4 多址方式TDMAp 一个TDMA帧由两部分构成 报头（包含所有同步数据和标志数据）包含所有同步数据和标志数据 开销部分：开销越小，TDMA系统的效率越高，但是获得并保持网络同步的难度也就越大 每个地面站的突发传输的报头都需要一个固定的传输时间，所以较长（2ms或更长）的帧效率较高 业务比特4 多址方式TDMAp 2ms的典型TDMA子帧结构（Intelsat）报头部分：CBRTVOW业务

24、数据 一条卫星信道由一个帧周期内被单条数字语音信道传送到地面站的比特数构成4 多址方式TDMAu TDMA网络中的同步 TDMA网络中的地面站必须以精确的定时发射它们的射频突发，以使来自各地面站的突发以正确的顺序到达卫星 两个问题 如何启动一个新加入此TDMA网络的地面站（初始同步）如何保持正确的突发时间的选择（保持同步）保持同步要比初始同步简单 保持与TDMA帧的同步 主地面站：基准同步信号：SOTF所有传输的主定时标志：标志着发射帧的开始 其他所有地面站都使其时钟与SOFT标记同步4 多址方式CDMAp CDMA在蜂窝系统中被用来增大小区容量p 跳频扩频（FH-SS）在蓝牙系统中用作短距离

25、无线局域网中的多址方式p 在直接序列扩频（DS-SS）中：每个接收站都会分配到一个CDMA码 任何想向该地面站传送数据的发射站必须使用正确的码 Globalstar LEO 卫星系统设计将CDMA作为卫星电话使用的多址方式 GPS导航系统将DS-SS CDMA用于允许在三维空间中对接收机进行精确定位的信号的传输4 多址方式CDMApDS-SS4 多址方式CDMAp FH-SSp TH-SS4 多址方式SDMAp SDMA利用具有多波束天线的卫星按空间划分与地球站的连接方式。多波束卫星的使用可分为两种情况：用不同波束分别覆盖不同的业务区域，目的是在卫星功率足够下实现频率复用，成倍扩展卫星转发器容

26、量；利用多个高增益点波束分别照射单一业务区域的几个小区域，目的是实现地球站天线的小型化。SDMA一般与其它多址方式结合使用。由于多波束的连接状态是时变的，因此适合与TDMA方式结合使用，并有效提高通信容量。此外，多波束卫星上必须具备波束切换功能。SDMA可以降低对其它电子系统的干扰。4 多址方式SDMAp波束交换4 多址方式SDMAp控制电路部分 DSM为动态交换矩阵，可将地球站送往卫星的TDMA分帧信号切换到其相应方向的目的波束中，供目的站进行接收。切换控制电路（DCU）是用来完成DSM切换控制功能的电路；但控制DCU的存储信息、收发信息以及DSM的切换信息等由遥测遥控指令站（TT&C站）执

27、行。控制周期需与TDMA帧的周期相同，要求SS-TDMA通信中的TDMA帧须与DSM的切换顺序保持同步。4 多址方式SDMAp 信号收发电路部分 上行。若A区域内某一地球站要与A、B和C区域内地球站通信，则上行TDMA时帧中包含AA、AB和AC三个分帧；同理，若B区和C区内某一地球站要与A、B、C区域内地球站进行通信，则上行TDMA时帧中包含的三个分帧分别是BB、BC、BA和CC、CA、CB。下行。卫星接收信息后，在DSM中根据所发往的波束区，重新组合下行TDMA帧；不同波束覆盖区中下行TDMA帧内容不同，而各分帧对应该波束内不同地球站。在卫星中，根据DCU的控制信号，在、和 时刻通过DSM将

28、发往A、B和C波束区的分帧AA、CA、BA和BB、AB、CB及CC、BC、AC，组合成发往各通信区的下行TDMA帧信号，向指定区域的地球站发射。4 多址方式SDMAp分帧排列帧交换矩阵4 多址方式SDMA分帧编排例：已知某33的交换矩阵D如下，请根据分帧长度最短的编排法找出其基本分帧矩阵D1和剩余矩阵D2。4 多址方式SDMA4 多址方式信道分配p 按需分配多址接入（DAMA）允许一条卫星信道在需要时（而不是连续不断的）分配给一个用户 极大地提高了系统能够同时服务的用户数 保证了转发器中可利用的带宽被尽可能地使用 可以在从地面站来的业务是断断续续的任何卫星通信链路中使用 典型应用：向移动电话提供链路的LEO卫星系统4 多址方式信道分配p 随机多址（RA）用户在没有任何中心控制或是时间或频率分配的情况下共享转发器空间 用户的平均活动程度足够低 当业务密度超过18，并因此低效率地使用转发器中可利用的带宽时，不能采用随机多址方式p 节省传输时间 没有呼叫建立的需要p 流量低、频谱效率差 在卫星系统中的使用仅限于业务突发很短并且高度间歇的情况下p RA只用在单独的SCPC-FDMA信道上，而不是整个转发器上 例：公共信令信道（CSC）C l i c k t o e d i t c o m p a n y s l o g a n .