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第3章 卫星通信的多址方式 卫星通信系统和卫星移动通信系统中所使用的信道分配技术和多址技术（频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和码分多址（CDMA））等进行介绍。
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3.1 多址技术与信道分配技术的概念 3.2 频分多址技术 3.3 时分多址技术 3.4 随机多址和可控多址访问方式
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3.1 多址技术与信道分配技术的概念 3.1.1 信道分配方式
多址技术是指在卫星覆盖区内的多个地球站，通过同一颗卫星的中继建立两址和多址之间的通信技术。 3.1.1 信道分配方式 信道分配方式实际上就是指如何进行信道分配。所采用的多址方式不同，其信道的内含不同。
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1．预分配（PA）方式 （1）固定预分配方式 预分配（PA）方式又分为固定预分配（FPA）和按时预分配（TPA）方式，具体如下。
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（2）按时预分配（TPA）方式 根据统计，事先知道了各地球站间业务量随时间的变化规律，因而在一天内可按约定对信道做几次固定的调整，这种方式就是按时预分配（TPA）方式。
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2．按需分配方式 （1）收端可变、发端固定的DA方式 （2）收端固定、发端可变的DA方式 （3）收、发可变DA方式
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3．动态分配 动态分配是系统根据终端申请要求，将系统的频带资源（传输速率）实时地分配给地球站或卫星移动通信终端，从而能高效率地利用转发器的频带。 4．随机分配 它是指通信中各种终端随机地占用卫星信道的一种多址分配制度。
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3.1.2 多址技术 在卫星通信中的信号分割和识别是以载波频率出现的时间或空间位置为参量实现的，归纳起来可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）。
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频分多址访问（FDMA）方式是卫星通信多址技术中的一种比较简单的多址访问方式。在FDMA中是以频率来进行分割的，其在时间和空间上无法分开，故此不同的信道占用不同的频段，互不重叠。
时分多址访问（TDMA）方式是以时间为参量来进行分割的，其频率和空间是无法分开的，那么不同的信号占据不同时间段，彼此互不重叠。
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空分多址访问（SDMA）方式是以空间作为参量来进行分割的，其频率和时间无法分开，因而不同的信道占据不同的空间，这样卫星可根据空间位置接收相应覆盖区域中的各地球站发送的上行链路信号。
码分多址访问（CDMA）方式是以信号的波形、码型为参量来实现多址访问的，其频率、时间和空间上均无法分开，因而不同的地球站使用不同的码型作为地址码，并且这些码型相互正交或准正交。
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3.2 频分多址技术 3.2.1 频分多址技术原理与应用特点 1. 工作原理
3.2 频分多址技术 频分多址技术原理与应用特点 1. 工作原理 在以此种方式工作的卫星通信网中，每个地球站向卫星转发器发射一个或多个载波，每个载波都具有一定的频带，它们互不重叠地占用卫星转发器的带宽。
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2． FDMA的应用特点 （1）要求解决好卫星的功率和带宽之间的关系。 （2）必须严格控制功率。 （3）设置适当的保护频带。
频分多址方式是最基本的多址方式，也是最古老的多址方式，其最突出的特点是简单、可靠和易于实现。 其特点可进一步归纳如下： （1）要求解决好卫星的功率和带宽之间的关系。 （2）必须严格控制功率。 （3）设置适当的保护频带。 （4）尽量减少互调的影响。
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3.2.2 FDMA的分类 1.每载波多路MCPC-FDMA方式
如果按所采用的基带信号类型，MCPC又可划分为FDM-FM-FDMA和TDM-PSK-FDMA方式。
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在FDM-FM-FDMA方式中，首先基带模拟信号以频分复用方式复用在一起，然后以调频方式调制到一个载波频率上，最后再以FDMA方式发射和接收。
在TDM-PSK-FDMA方式中，首先将多路数字基带信号用时分复用方式复用在一起，然后以PSK方式调制到一个载波上，最后再以FDMA方式发射和接收。
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2．每载波单路SCPC-FDMA方式 由于SCPC方式主要应用于业务量较小的、同时通信路数最多只有几条甚至一条的地球站，显然采用固定分配载波的MCPC方式会造成频带的浪费。
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3． 星上交换SS-FDMA 在图3-5中给出SS-FDMA卫星转发器方框图。从图中可以看出，上行链路和下行链路各包含3个波束（空分频率复用）。其星上交换功能是由一组滤波器和一个由微波二极管门电路组成的交换矩阵完成的。
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图3-5 SS-FDMA卫星转发器方框图
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SCPC系统 SCPC是英文Single Channel Per Carrier的缩写，是每载波单路的FDMA方式。 1． 预分配的SCPC 数字制的预分配SCPC又包括PCM-PSK-SCPC和DM-PSK-SCPC方式，我们首先从PCM-PSK-SCPC方式开始介绍。
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（1）PCM-PSK-SCPC ① SCPC的频率配置
在采用SCPC方式工作的IS-IV卫星通信系统中，将其中一个卫星转发器的36MHz带宽等间隔地分为800个通道，其频率分配如图3-6所示。
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图3-6 SCPC系统的频率配置
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② SCPC终端设备结构 图3-7给出了在SCPC方式下工作的各地球站的终端设备结构图。 地面接口单元：负责话音业务和数据业务的输入与输出功能。
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图3-7 SCPC终端设备结构图
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信道单元包含话音接口、数据接口、话音编码/译码器、数据编码/译码器、话音检测器、信道同步器、频率合成器和相位调制/解调器等用来完成语音信号和数据信号的编码、调制功能的设备。
公用单元 公用单元主要包括中频单元和定时与频率单元等。
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③ 话音信号的传输过程 话音的传输与话音信号的传输格式是分不开的，因而我们首先对话音信号的传输格式进行介绍。 a. 话音信号的传输格式 载波恢复和位定时恢复码 为了提高卫星系统的信道利用率，在PCM-PSK-SCPC系统中采用了话音激活技术。
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SOM的作用 由于在PCM-PSK-SCPC系统中使用的是绝对QPSK调制方式，对这种已调制信号进行相干解调时，在其所恢复的载波中会出现“0°”或“180°”的相位不确定的现象，这就是相位模糊现象。 b. 话音信号的传输过程 如图3-7所示，话音信号首先通过话音接口被送入PCM编码/译码器进行编码。
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④ 数据信号的传输过程 在SCPC系统中，也可以传输数据信息。但由于数据信号是以连续发送的形式进行的，因而在接收端不存在相位模糊问题，因此无需为恢复载波和相位定时而增加附加字头。
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⑤ 导频和导频校正技术（AFC） 导频是指在已调信号谱中额外地插入一个低功率的载波频率或其有关的频率信号谱线，其对应的正弦波就称为导频信号。 在SCPC系统中需要引入导频的原因 导频的插入与校正
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（2）DM-PSK-SCPC 与PCM-PSK-SCPC系统结构相比，在DM-PSK-SCPC中进行了如下调整。
① 用DM编码/译码器代替PCM编码/译码器 ② 采用BPSK调制/解调 在PCM-PSK-SCPC系统中使用的是QPSK调制解调技术，而在DM-PSK-SCPC系统中，一般使用的是BPSK调制解调器。
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2.按需分配的SCPC系统（SPADE） （1）SPADE的频率配置
SPADE是Single Channel Per Carrier PCM Multiple Access Demand Assignment Equipment 的英文缩写。 （1）SPADE的频率配置 如图3-10所示，在采用SPADE方式工作的卫星通信系统中，通常将一个卫星转发器的一部分频率配置为公用传输信道（CSC），而另一部分频率配置为话音通道（CH）。
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图3-10 SPADE系统的频率配置
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（2）终端设备结构 公共控制部分包括地面接口单元（TIU）、按需分配传信和交换单元（DASS）、定时和频率单元（TFU）、中频单元（IF）和运行监控单元（CMC）。 ① 地面接口单元 通过地面接口单元可实现电话交换中心（长途台）和SPADE终端之间的接口以及SPADE终端之间的电话信号的连接。
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② 按需分配传信与交换单元（DASS） 如图3-11所示，DASS单元是由传信和交换处理机（SSP）、公用信号信道同步器和公用信号信道调制解调器组成，所完成的功能如下： 监视和处理长途电话局来的电话信号； 建立系统载频忙闲表； 控制SPADE终端发出申请信息； 对呼叫本站用户的信息进行检测处理； 自动完成对公共信号通道上用于广播的本站分帧的差错检测编码； 自动故障检测和指示。
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图3-11 SPADE终端设备组成图
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（3）按需分配方式下的信息传递过程 如图3-11所示，各地球站设置有按TDMA方式（在后面将详细介绍）工作的公用信令信道和话音传输信道。 ① 公共信令信道的信令格式 为了实现按需分配，各地球站是按TDMA方式工作的，即按时分多址方式工作的。
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② 公共信道工作特性 由上面的分析可知，SPADE系统可为48个地球站提供397条双向通路（如图4-10所示），这就是说，每个地球站可以每隔50ms向信道申请一次。
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③ 按需分配方式下的通信过程 在SPADE系统中，当某用户通过长途台将呼叫通信请求送至SPADE终端时，SPADE终端为其从397条卫星线路中选择任意一条空闲信道，并进行连通，同时通过此信道将呼叫请求帧送到对方用户所在的地球站，并由该站与对方局连通。
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3.3 时分多址技术 3.3.1 时分多址的概念及其应用特点 1．TDMA的基本概念
3.3 时分多址技术 时分多址的概念及其应用特点 1．TDMA的基本概念 如图3-14所示的是TDMA系统模型。从中可以清楚地看出，在按时分多址方式工作的系统中，由于分配给各地球站的是特定的时隙，而不是特定的频带，因而每个地球站必须在分配给自己的时隙中用相同的载波频率向卫星发射信号，并经放大后沿下行链路重新发回地面。
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图3-14 TDMA系统模型
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2． TDMA技术的应用特点 TDMA技术有如下优点。 （1）不存在FDMA中的互调问题。 （2）系统容量大，卫星功率利用率高。
（3）提高信号传输质量，有利于综合业务的接入。 （4）使用灵活。
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虽然存在如上优点，但也存在以下不足。 （1）必须保持各地球站之间的同步，才能让所有用户实现共享卫星资源的目的。 （2）要求采用突发解调器（系统中各站在规定的时隙内以突发的形式发射其已调信号）。 （3）模拟信号需转换成数字信号才能在网络中传输。 （4）初期的投资较大，系统实现复杂。
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TDMA地球站设备 如图3-15所示为一个TDMA地球站设备组成示意图。 图3-15 TDMA地球站设备
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1． TDMA帧结构 如图3-16所示，TDMA系统的帧结构主要包括同步分帧（也称为基准分帧）（RB）和数据（业务）分帧（DB）。
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图3-16 TDMA系统帧结构
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（1）同步分帧 同步分帧中包括载波、位定时恢复（CR和BTR）、独特码（UW）、站址识别码（SIC）和指令信号（CW）。 （2）数据分帧 一个数据分帧包含了若干个业务分帧，并且每个业务分帧由分帧报头和多个PCM数据信道构成。
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（3）帧效率 若帧长为Tf ，从图3-16中可以看出，每一帧包含一个同步分帧和m个业务分帧，这说明该系统可以与m个地球站实现互通。
① 系统传输速率Rb
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② 帧长 这就要求在KTs时间内能够存入的KS比特与Tf时间内读出的比特数L相等，即L=KS，故
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【例3-1】 已知一个TDMA系统，采用QPSK调制方式。设帧长Tf=250μs，系统中所包含的站数m=5，各站所包含的通道数n = 4相同，保护时间Tg = 0.1μs，基准分帧的比特数Br与各报头的比特数Bp均为90比特，每个通道传输24路（PCM编码，每取样值编8比特码，一群加一位同步比特）。求PCM编码器输出速率Rs，系统传输的比特率Rb、分帧长度Tb、帧效率ηf及传输线路要求带宽B。
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解：Ts =125μs，S=8×24+1=193（bit），又一个码符含两比特K=2，L=2S=386（bit），所以
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2.地面接口 地面接口是与用户进行信息交互的输入、输出接口。 克服这种时钟频差的方法有跳帧法和码速调整法。
码速调整法是指在信号中插入（或扣除）一定比例的不含信息的脉冲，这样可通过调控所插入（或扣除）的脉冲比例来调节地面线路所送入的信号与卫星系统时钟之间的频差。
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3．TDMA终端 （1）TDMA终端功能 ① 完成帧发送和接收。 ② 实现网络同步，即完成系统的初始捕获和分帧同步。
③ 实现对卫星线路的分配与控制。
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（2）帧的发送与接收 在TDMA系统中，不同性质的信号，其发送和接收过程不同。 ① 话音信号的传送 ② 数据传送
① 话音信号的传送 ② 数据传送 数据传送原理与话音信号的传送原理相同，所不同的是用异步合路器和异步分路器取代PCM编码和解码器。
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（3）系统的定时与同步 就目前的卫星发射技术而言，如果使卫星的位置保持在精度±0.1°范围，高度变化在0.1%以内，那么卫星可在75km×75km×75km的立体空间内漂移。
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① TDMA系统定时 通常TDMA帧周期（Tf）是话音取样周期（125μs）的整数倍，它与频率为f0的高稳定度（10-11）的时钟周期一致。 ② TDMA系统的同步 TDMA系统的同步内容包括载波同步、时钟同步和分帧同步。其中要求在极短的时间内从各接收分帧报头中完成基准载波和时钟信号的提取工作。
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分帧同步包括两方面的内容，其一是指在地球站开始发射数据时，如何使其进入指定的时隙，而不会对其他分帧构成干扰，这就是分帧的初始捕获。其二是指如何使进入指定时隙的分帧信号处于稳定的工作状态，即使该分帧与其他分帧维持正确的时间关系，不致出现相互重叠的现象，这就是分帧同步技术。
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分帧的初始捕获 在TDMA系统中，各地球站是以基准站所发射的独特码（UW）作为基准信号来确定自己的发射时间的。其捕获的具体步骤，如图3-19所示。
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图3-19 捕获过程及所用时间（实验）的示意图
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图3-20 报头结构
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分帧同步 分帧同步是指在完成初始捕获之后，为使所发射的业务分帧稳定在指定的时隙之内，而对分帧进行的定时控制。
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图3-21 分帧同步原理图
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（4）独特码（UW）的检测 由前面的分析可知，独特码的检测是非常重要的一个环节，它直接决定整个系统是否能够正常工作。
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SDMA-SS-TDMA方式 SDMA-SS-TDMA系统称为卫星交换TDMA系统，简称SS-TDMA。由于在卫星交换TDMA系统中，多采用多波束来实现空分多址（SDMA），这可以改善系统性能，但使处于某波束中的地球站无法与其他波束管辖下的地球站进行直接通信。
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1．多波束卫星 多波束卫星是指具有多波束天线的卫星。这种卫星通常使用在两种环境之下。其一，将原一个单一业务区分成若干小区，用高增益天线所发射的点波束分别覆盖这些小区，这样可以减小地球站天线的尺寸。其二，用多个不同的波束分别覆盖彼此分开的几个业务区域，这样在卫星功率充裕的情况下，可以实现对频率的重复利用，从而使卫星转发器的容量成倍地增加。
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2．工作原理 （1）控制电路部分 （2）信号接收和发送电路部分
如图3-23所示的是SDMA-SS-TDMA系统的基本原理图。由图可以看出该系统共包含控制电路部分和信号接收与发送电路部分。 （1）控制电路部分 （2）信号接收和发送电路部分
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图 SDMA-SS-TDMA系统原理图
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3．分帧排列 进行分帧的排列的主要目的是为了便于在DSM中进行帧交换，因此在介绍分帧的排列之前，我们首先要介绍帧交换矩阵的概念。 （1）帧交换矩阵 帧交换矩阵又称为业务交换矩阵，它表示SDMA-SS-TDMA系统中各波束之间的通信交换量。
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（2）分帧的编排 分帧的编排是指把已知系统的交换矩阵分解为若干分帧矩阵，而每个分帧矩阵中的各波束区域之间的交换具有一对一的关系，因此各分帧矩阵能够用各行各列中最多只有一个非零元素表示。
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4．SS-TDMA帧同步 在SDMA-SS-TDMA系统中，由于要求通信卫星能够提供定时切换功能，因而该系统与普通的TDMA系统不同，要求地面上能够检测出卫星切换器的切换定时，从而使DSM能够按分帧编排顺序进行切换。
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控制帧同步的方法有两种：一种是星载定时，另一种是地球定时。下面分别进行介绍。
（1）星载定时是以卫星上切换电路所提供的定时为基准的一种帧同步方法，这就要求地面上的各地球站以此为基准，随时保持同步。 （2）地球定时是由基准地球站控制星上的切换电路，而其他地球站受基准站的控制，从而实现帧同步。
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多载波TDMA 多载波TDMA（MC-TDMA）方式是指在一个TDMA系统中采用多载波，而在每条载波上以TDMA方式工作，可以传送相对较低（几十kbit/s到20Mbit/s）的信号速率。
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从图3-26可以看出，当MC-TDMA系统中仅使用一条载波时，就是传统的单载波的TDMA方式；当使用多条载波，并且每条载波只有一路信号时，就是SCPC方式；当采用多条载波，而且每条载波传送同一个地球站发送的多路信号时，则工作于MCPC方式。
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图 TDMA，SCPC 和MC-TDMA使用转发器频带对比
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3.4 随机多址和可控多址访问方式 3.4.1 随机多址访问方式
3.4 随机多址和可控多址访问方式 随机多址访问方式 在以随机多址访问方式工作的系统中，每个用户都可以访问一条共享信道，而无需事先与系统中的其他用户进行协商。 常用的随机多址方式有：ALOHA，S-ALOHA等，下面逐一进行介绍。
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1．ALOHA （1）工作过程 （2）受损时间 ALOHA是最早的随机多址访问方式。
如图3-27所示的是一个数据卫星通信系统的结构示意图。 （2）受损时间 由于在ALOHA方式中对用户发送数据分组的时间未加以任何限制，因此对任一分组而言，只要有其他站发射分组，便会在信道上发生碰撞现象。
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图3-27 卫星分组通信原理
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（3）ALOHA方式的应用特点 从上面的介绍可以清楚地看到，ALOHA系统具有以下特点。 ① 系统结构简单，用户入网方便，无需协调。
② 当业务量较小时具有良好的通信性能。 ③ 存在碰撞现象，其吞吐量（即某段时间内成功接收信息的比特平均数与所发送的总比特数之比）较低，最高吞吐量也只能达到18.4%。
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④ 存在信道不稳定性。即当信道业务量增大到一定的程度时，分组在信道上发生碰撞的概率也随之增加，此时信道上的吞吐量不再随业务量的增加而增加，反之减小，此时要求重发的分组数也随之增多，信道的利用率（信道上有信息传输的时间占总的可用时间之比）加大。极限情况下，信道内充斥的都是重发分组，此时的吞吐量降为零。可见信道吞吐量低和不稳定性是ALOHA的主要缺点。
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2．S-ALOHA 由上面的分析可以看出，在ALOHA系统中，由于各站可以随时发送信息。因而在一个分组的受损时间内，如果其他站也正随机地发送信息的话，那么很容易出现碰撞，导致分组丢失。
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3．SREJ-ALOHA 4．C-ALOHA
SREJ（Selective Reject）—ALOHA称为选择拒绝ALOHA方式，它是提高ALOHA方式吞吐量的另一种方法。 4．C-ALOHA C-ALOHA称为具有捕获效应的ALOHA，它是改善系统吞吐量的一种方式。在ALOHA方式中，由于卫星转发器所接收的两个分组功率相同，因而发生碰撞情况下，接收端无法正常接收分组。
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3.4.2 可控多址访问方式 1．R-ALOHA 可控多址访问方式又称为预约（reservation）协议。
可控多址访问方式 可控多址访问方式又称为预约（reservation）协议。 1．R-ALOHA R-ALOHA被称为预约ALOHA方式。在卫星通信网中可接入的用户类型有多种，总的来说，不同时间、不同的地球站的通信业务类型不同，通信业务量也不同。
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2．AA-TDMA AA-TDMA称为自适应TDMA，也是一种预约协议。它可以看成TDMA方式的改进型，其性能优于R-ALOHA方式，工作原理与R-ALOHA方式相似。
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