第2章 卫星通信的通信体制.ppt

第2章 卫星通信的通信体制,2.1 卫星通信体制概述 2.2 频分多址(FDMA)方式 2.3 时分多址(TDMA)方式 2.4 频分多址时分多址(FDMA-TDMA)方式2.5 卫星交换时分多址(SS-TDMA)方式2.6 码分多址(CDMA)方式2.7 ALOHA方式,2.1 卫星通信体制概述,2.1.1 基带信号和复用方式,1.频分多路(FDM)方式 模拟制信号一般采用频分多路(FDM)方式。它将各路用户信号采用单边带(SSB)调制，将其频谱分别搬移到互不重叠的频率上，形成多路复用信号，然后在一个信道中同时传输。接收端用滤波器将各路信号分离。由于是用频率区分的，故称频分多路复用。,2.时分多路(TDM)方式 对数字制信号而言，通常采用时分多路复用方式。它将一条通信线路的工作时间周期性地分割成若干个互不重叠的时隙，分配给若干个用户，每个用户分别使用指定的时隙。因此在接收端可以利用适当的选通门电路在各时隙中选出各路用户的信号，然后再恢复成原来的信号。此外，基带信号为了某种目的通常还要进行某种加工和处理，例如预加重、加密、差错控制编码、数字话音内插、扩频编码等。,2.1.2 卫星通信调制方式,在数字卫星通信中，选择调制方式时，应综合考虑多方面的因素。一般而言，由于卫星信道基本上可视为恒参信道，因此，可以考虑采用最佳的调制和检测方式，如PSK(移相键控)方式。同时，由于转发器功率、效率和非线性等因素的限制，以及对互调干扰等方面的考虑，ASK(振幅键控)及含有ASK的混合调制一般不宜采用，而宜采用恒包络调制方式。除此之外，还应考虑卫星频带和功率的有效利用，带限与延迟失真、邻近信道干扰和同信道干扰等的影响，卫星工作点的选择，同步电路设计，调制解调设备实现的难易程度等等。概括起来，我们可以把数字卫星通信的调制方式分成如下两大类：一是充分利用功率的调制方式，二是充分利用(射频)带宽的调制方式。,功率利用率(即功率效率)用误比特率Pe达到某一规定值所需的最低归一化信噪比(即每比特信息能量Eb与单边噪声功率谱密度no之比Eb/no)来表示。误比特率一定时，若所需信噪比越低，则功率利用率就越高；若所需信噪比越高，则功率利用率就越低。,频带利用率(即频谱效率)是指单位频带内允许传输的最高比特速率，单位为b/(sHz)。频带一定时，若能传输的比特速率越高，频带利用率就越高；比特速率越低，频带利用率就越低。理论上，各种调制方式的频带利用率都有一个极限。就一般情况而言，二相调制的频带利用率理论值为1 b/(sHz)，四相调制的频带利用率理论值为2 b/(sHz),M进制PSK的频带利用率理论值为lbM b/(sHz)。但是，考虑到实际滤波器的影响，实际频率利用率与Eb/no都会低于上述理论值。为了提高频带利用率和减少对邻近信道的干扰程度，人们一直围绕着控制已调波的频谱特性问题做了许多研究，提出了很多新的调制方式。其目的是使在码元转换时刻已调波的相位不发生大的跃变或甚至能连续变化，从而使已调波的频谱更加集中，旁瓣更低。,图 2.1 示出了QPSK(四相移相键控)、OQPSK(交错四相移相键控)、MSK(最小移频键控)、SFSK(正弦移频键控)、IJF-OQPSK(无码间串扰、无抖动的交错四相移相键控)和TFM(平滑调频)的功率谱曲线。可以看出，TFM曲线最佳，其主瓣下降快，几乎无旁瓣，但实现较困难。IJF-OQPSK实现则较容易，但旁瓣特性要稍差于TFM。,图 2.1 几种已调波功率谱密度曲线,2.1.3 卫星通信数字话音编码方式 语音编码技术可划分为两大类：第一类为波形编码，第二类为参量编码。前者是将时间域信号直接变为数字代码，其特点是重建信号的质量，即信号的信噪比高，而其变换的比特率为1664 kb/s,依所采用的编码方法而异。脉冲编码调制(PCM)和自适应增量调制(ADM)都属于这一类。后者是在信源信号的频率域中或其它正交变换域中抽取其特征参量，将其变换为数字代码来进行传输的，在接收端则从数字代码中恢复特征参量，再从参量中重建语音信号。这种方法的特点是质量较前者低，但其传输比特率低，在几百比特每秒到16 kb/s 范围，多用于窄带信道传输，表 2.1 列出了卫星通信中常用的几种语音编码方式的性能。,表 2.1 几种语音编码方式性能的比较,波形编码是现代通信系统中广泛采用的数字化方法。通用的PCM系统的数码率为 64 kb/s，语音质量达到了长途电话通信网的标准要求，广泛应用于大、中容量民用数字卫星通信系统。自适应差分脉码调制(ADPCM)在数码率为32 kb/s的情况下，达到了64 kb/s的PCM系统的质量，同时压缩了数码率。由于它具有良好的性能，且信道利用率高，因此CCITT(现ITU-T)推荐使用这种系统，目前在国内外均已得到应用。如在INTELSAT中，速率数据业务(IDR)和以话音为主的VSAT系统中均采用了32 kb/s的ADPCM编码技术，用来提高话音质量和信道利用率。M(DM)系统虽然也压缩了数码率，可以在32 kb/s或16 kb/s工作,但其话音质量不如PCM和ADPCM。目前，连续可变斜率M(CVSD)得到了广泛应用。它又称为音节压扩自适应M方式，电路比较简单(已集成化)。在Pe=10-3时仍能保持良好的性能，在Pe=10-2时性能也可以接受，甚至Pe高达10-1时仍能得到可懂的话音，只是噪声较大。,采用上述语音编码方法，理论和实验研究证明，如果进一步降低数码率，语音质量会明显下降，达不到电话通信的质量要求，甚至在数码率很低时，根本无法通信。为了进一步压缩编码速率，在卫星通信系统中，尤其在以传输数据为主兼传话音的小型地球站卫星通信系统中，广泛采用了语音分析/合成编码技术，如线性预测声码器(LPC)，但LPC声码器在合成时所用的激励信号简单地划分为浊音和清音会使合成语音质量下降，故出现了许多语音编码新体制，如多脉冲激励线性预测编码(MPC)、残余激励线性预测声码器(RELPC)和码激励线性预测编码(CELPC)。它们能将传输数码率降低到 2.44.8 kb/s范围，此时收端的语音仍能保证相当程度的可懂度。但其语音质量较差，尤其是自然度较差，较难从声音辨认出讲话人的特点；同时，其语音质量和语音特点有关，不同讲话人的质量不同。MPC和RELPC可以改善LPC声码器的质量，MPC一般工作在9.616 kb/s，RELPC一般工作在 4.816 kb/s，它们能保证较好的自然度。,2.1.4 卫星通信中的差错控制与扰码 1.差错控制,1)循环冗余校验(CRC)CRC是数据通信中最简单的一种检测传输错误的方法，由于容易实现，因此应用广泛而久远。它是在发端应用一种数学算法，产生一种特殊的CRC码，随同数据一起发射。在收端也用同样算法，产生CRC码，并将其与发射的码进行比较，若一致，则认为接收的数据与发射的数据是完全相同的。,2)前向纠错(FEC)技术 卫星信道基本上是高斯白噪声信道，差错主要是随机出现的，也有少量突发性差错。因此，使用纠错技术时所设计的抗干扰编码一般以纠随机错误为主。由于卫星通信传输时延大，因此大都采用前向纠错。FEC技术可用于卫星信道的数据传输、数字电话和数字伴音传输等。误比特率为 10-310-6的通信系统使用FEC技术后，差错率会明显改善，例如可以从 10-4下降到10-7。通常，数字电话M方式的门限误比特率为 10-3，PCM方式为 10-4；数据传输则一般要求误比特率低于 10-7。,FEC有分组码和卷积码两大类，以及它们的级联使用，它们在卫星通信中均有应用。分组码是指将信息序列分成每k个信息元为一段，在这k个信息元后按一定规则产生r个监督元，以构成一个长为n=k+r的码组。每个码组中的监督元只依赖于本组信息元，而与别组无关。而卷积码的本组监督元除与本组信息元有关外，还与前面m个组信息元有关，形成了前后约束关系。,3)重传技术 如果一个地球站检测到它不能校正的CRC或BFEC(分组码前向纠错)错误，则它必须拒收该帧并发出一个要求重发的请求信息。由于卫星通信传输时延太大，因此请求重发技术不适宜实时数字电话传输，而主要用于数据传输。传统的ARQ(自动要求重发)技术要求在数据块传输结束时发射系统停止并等待应答。若收到NAK(否定应答)分组，则重传该数据块；若收到ACK(肯定应答)分组，则发射下一个数据块。这种重传控制形式在卫星网中不是很有效的，因为卫星往返传输延迟时间大。一种较好的传输协议叫做返回N(或N-ARQ),它是当没有任何应答时表示正确接收，只有发现CRC或BFEC差错时，接收站拒绝接收，并向发射站返回一个重发请求。,在这种方法中，发射机连续性地发送数据块。假设接收机正确地接收到数据块 1、2、3,但数据块 4 是错的。接收端可能在数据块 5 7 之间向发端返回一个有错误的通知。这时，发端从其缓冲器中收回数据块 47,并重发它们。收端收到 47 后，接收站继续工作。此外，在双向网中还可采用滑动窗口协议的帧重发技术。这种系统可使卫星延迟的影响减到最小，并且没有与标准ARQ相关联的业务量开销。,2.扰码 在数字卫星通信中广泛使用扰码技术，通常是用PN(伪随机码)序列与数字基带信号序列进行模 2 加，以改变原信号的统计特性再进行传输；在接收站，则用相同的PN序列与解调出的数字基带信号序列按发端相同的规律进行模 2 加，从而恢复原数字基带信号。卫星通信中使用扰码技术的主要目的是：(1)便于提取比特定时信息。(2)起能量扩散作用。,2.1.5 卫星通信多址联接方式和信道分配技术,1.预分配方式(PA)在FDMA系统中，卫星信道事先分配给各个地球站。业务量大的地球站，分的信道多些，反之少些。在TDMA系统中，事先把转发器的时隙分成若干分帧，并分配给各地球站，业务量大的站分的分帧长度长，反之分的分帧长度短。为了减少固定分配制度的不灵活性，还可采用按时预分配制。它是一种修正型的、基本上仍是固定预分配的制度。它可根据网中各站业务量的重大变化规律，事先约定作几次站间信道重分。,2.按需分配方式(DAMA)按需分配方式是指所有信道归各站共用，当某地球站需要与另一地球站通信时，首先提出申请，通过控制系统分配一对空闲信道供其使用。一旦通信结束，这对信道又归共用。由于各站之间可以互相调剂使用信道，因而可用较少的信道为较多的站服务，信道利用率高，但控制系统较复杂。,3.随机分配方式(RA)随机分配是面向用户需要而选取信道的方法，通信网中的每个用户可以随机地选取(占用)信道。因数据通信一般发送数据的时间是随机的、间断的，通常传送数据的时间很短促，对于这种“突发式”的业务，如果仍使用预分配甚至按需分配，则信道利用率就很低。采用随机占用信道方式可大大提高信道利用率。当然，这时每逢两个以上用户同时争用信道时，势必发生“碰撞”。因此，必须采取措施减少或避免“碰撞”，并重发已遭“碰撞”的数据。多址通信是卫星通信的基本特点，所以卫星通信的技术体制往往以多址方式为代表。,2.2 频分多址(FDMA)方式,2.2.1 预分配-频分多址方式,FDMA方式的主要优点是：技术成熟、设备简单、不需网同步、工作可靠、可直接与地面频分制线路接口、工作于大容量线路时效率较高，特别适用于站少而容量大的场合。但它有一些不可忽视的缺点：转发器要同时放大多个载波，容易形成互调干扰，为了减少互调产物，转发器要降低功率运用，因而降低了卫星通信容量；各上行功率电平要求基本一致，否则会引起强信号抑制弱信号的现象，因此大小站不易兼容；由于需要保护频带，故频带利用率不充分。,2.2.2 单路单载波-频分多址(SCPC/FDMA)方式 SCPC/FDMA方式是一种比较好的卫星通信体制。它在每一载波上只传送一路电话，或相当于一路话的数据或电报，并且可以采用“话音激活”(又称“话音开关”)技术，不讲话时关闭所用载波，有话音时才发射载波，从而节省卫星功率，增加卫星通信容量。因为对大量通话系统的统计研究表明，同一时间只有 25%40%的话路处于工作状态，也即每路话只有 25%40%的工作概率。因此采用“话音激活”后，可使转发器容量提高 2.54 倍。此外，由于载波时通时断，转发器内载波排列具有某种随机性，可减小互调影响。,单路单载波系统可以采用数字调制SCPC-PCM(或M)-PSK-FDMA方式，也可以采用模拟调制SCPC-FM-FDMA方式。而且由于各载波独立工作，可以在一部分载波用模拟调制，另一部分载波用数字调制，实现数模兼容，提高使用的机动性和灵活性。由于这种系统设备简单、经济灵活、线路易于改动，特别适用于站址多、业务量少(轻路由)的场合应用。因此，在国际和国内卫星通信系统中得到广泛应用，特别是在稀路由卫星通信系统、小站卫星通信系统和船舶、飞机等移动卫星通信系统中应用很广泛。,2.2.3 按需分配-频分多址(SPADE)方式 目前，人们已研究出多种按需分配多址(DAMA)方案，最典型的是SPADE系统。SPADE的全称是“单路单载波脉码调制按需分配频分多址”，其频率配置如图2.2 所示。它把一个转发器的 36 MHz带宽以 45 kHz的等间隔划分为 800 个信道。这些信道以导频为中心在其两侧对称配置，导频左右两个间隔 18045 MHz的信道配对使用构成一条双向线路。这样配对的结果在地球站设备中收、发可共用一个频率源。其中，1-1，2-2和 400-400三对信道闲置不用，余下的 794 个信道提供 397 条双向线路。通信采用 64 kb/s PCM，载波调制采用QPSK，每信道带宽为 38 kHz。各地球站均以某个地球站发射的导频为基准进行自动频率控制。,图 2.2 SPADE方式的频率配置,SPADE系统采用分散控制。按需分配控制信号和各站的交换信号(如信道的分配信息)通过一个公用信号信道(CSC)来传送。CSC安排在转发器频带的低端，其载频距导频为 18045 MHz,带宽为 160 kHz。CSC采用BPSK，速率 128 kb/s,误码率 10-7。由于所有地球站的申请和信道分配都通过CSC来完成，因此CSC本身也存在多址问题。在SPADE系统中CSC采用时分多址。TDMA时隙长度为 50 ms,1 ms为一分帧，每个地球站分配一个分帧。除第一分帧作基准分帧外，可供 49 个地球站参与多址联接。任意两站之间建立联接是通过各站按需分配信号和转接单元(DASS)来完成的。假设A站要与B站建立联接，则A站的DASS单元就检查本站载频忙闲表，从中任选一对空闲载频，如f6-f6,并通过CSC的A分帧发出对f6-f6的申请信号。,2.2.4 数字制多路复用频分多址方式 和FM制群路系统相对应的，还有一种数字制频分多址方式TDM-PSK-FDMA。在这种方式中，PCM话音和数据采用时分复用方法，然后对载波进行移相键控，并根据载波频率不同区分站址。其中特别需要提出的是IDR，它是一种数字群路制(MCPC)卫星通信系统，采用TDM-QPSK-FDMA体制，是性能优越、价格低廉的卫星通信体制。对于业务量大的干线通信，它比SCPC更为适宜。,INTELSAT系统中的数字业务，最早有SCPC，后来又发展了TDMA。SCPC的速率较低，为56 kb/s,满足不了多种业务的需要，而且当话路较多时，SCPC的设备价格就显得太高。TDMA的速率甚高，为 120 Mb/s，它需要全网定时和同步提取。它的技术复杂，设备昂贵，因此发展较为缓慢。为了满足介于这两种速率之间的各种业务的需求，1978年提出了IDR数字群路制方式，而且发展十分迅速，其信息码率范围为 6444.736 Mb/s,中速率数据的名称即由此而来。,IDR采用相干QPSK调制，射频部分仍用频分多址方式。因而可认为它是FDM/FM的数字化，也可理解为SCPC/PSK的扩展。IDR能提供符合ISDN要求的通信质量，用IDR方式建立的电路可通过国际通信卫星系统中的各种路由，与国际公众电话网相连接，并可用作各种专用电路，建立专用的数字通信网，也可以与ISDN相连接。采用IDR方式工作时，可加上数字电路倍增设备(DCME)，以提高电路的利用率。DCME的电路倍增是通过低速编码(LRE)和数字话音插空(DSI)来实现的。采用ADPCM低速编码技术，可将每路的信息码率由一般的 64 kb/s压缩到 32 kb/s,倍增增益为 2，DSI增益可达 2.5。因此，总的电路倍增增益可达 5，所以这是一种新的、经济而有效的卫星通信方式。而且由于IDR与TDMA相比，不需要全网同步，系统较为简单，设备也较便宜，并能满足用户传输各种数字信息的要求，因此，IDR方式获得了迅速的发展。INTELSAT要求各国尽快将FDM/FM方式转为IDR方式工作，并建议凡是FDM电路超过 30 条的通信双方，均要改为IDR方式工作。,2.2.5 频分多址方式的互调干扰与能量扩散,1.输入输出特性非线性引起的互调干扰 为了充分和高效率地利用转发器的功率，总是希望行波管(TWT)在饱和点附近工作。但是这时TWT具有非线性特性。当TWTA同时放大f1，f2，多个不同频率的信号时，就会因输入输出特性的非线性，使输出信号中出现nf1mf2(n,m为整数)形式的许多组合频率成分，并干扰被放大的信号。这种现象的存在，不但影响了通信质量，还浪费了卫星功率。有些频带便不得不因之被禁用，这又造成了频带的浪费。因而在系统设计时，频率的分配是个很麻烦的问题。另外，如果被放大的各载波信号强度不同(如大、小站的信号同时被放大)，还会产生强信号抑制弱信号的现象，不利于大小站兼容。同时，为了减小互调噪声，通信容量也会降低。,分析结果表明，因TWTA输入输出特性非线性引起的互调产物，在三阶互调中(2f1-f2)和(f1+f2-f3)形式会落入频带内，形成严重的互调干扰，产生波形失真或误码。同时，互调产物的幅度随载波数的增加而减小。当载波数n4时，载波数n增加一倍，三阶互调干扰将减小 9 dB左右。而且，三阶互调干扰中(f1+f2-f3)形式的干扰比(2f1-f2)形式的干扰约大 6 dB。五阶互调干扰与三阶互调干扰相比，当载波数目增加时将会显著减弱，故可忽略不计。,2.调幅调相(AM/PM)转换引起的互调干扰 载波通过TWT慢波系统时要产生相移。注入的信号功率不同，所产生的射频相移也不同。测试结果表明，射频相移是包络功率的函数。而当输入多载波时，其合成信号包络必定会有幅度变化。这样，必然在每个载波中产生一附加相移，它随总输入功率变化而变化。在一定条件下，相位变化转化为频率变化，即产生新的频率分量，这就是所谓的AM/PM 转换。与幅度非线性的影响一样，它可能形成对有用信号的干扰，其中主要是三阶互调干扰。三阶互调的大小与输出有用信号之比和输入载波数n成正比，如n增加一倍，则载波与互调干扰之比改善 6 dB。通常，由幅度非线性和AM/PM转换引起的总互调，可用幅度非线性产生的互调乘上一个大于1的系数来计算，该系数只与行波管放大器的工作点有关。,3.减小互调干扰的方法(1)载波不等间隔排列。当载波等间隔配置时，互调产物会落在各个载波上形成严重干扰。因此，有人提出，在频带富裕的条件下，可以不等间隔地配置载波，让互调干扰产物落在有用载波带外。(2)对上行载波功率进行控制，合理选择行波管的工作点。为了避免出现强信号抑制弱信号的现象，必须严格控制地球站发射的各载波功率，使其限制在允许范围内。为了使互调影响降到允许的程度，多载波工作的TWTA的工作点要从饱和点退回一定数值。,(3)加能量扩散信号。在FDMA方式中，当FM多路电话线路负荷很轻(不通话或通话路数很少)时，它们的载波频谱就会出现能量集中分布的高峰。这样，地球站和卫星转发器发射的调频载波就会对工作在相同频段的地面微波线路形成干扰。同时，在卫星转发器内会形成高电平的三阶和五阶互调干扰。所以当通话路数减少，接近未调波时，用适当的调制信号对载波予以附加调制，就能使互调干扰噪声广为扩散，从而防止互调干扰噪声的增加。为此目的所加的调制信号就称为能量扩散信号。,2.3 时分多址(TDMA)方式,2.3.1 TDMA系统的工作原理和帧结构,在TDMA方式中，分配给各地球站的不再是一特定频率的载波，而是一个特定的时间间隔(简称时隙)。各地球站在定时同步系统的控制下，只能在指定的时隙内向卫星发射信号，而且时间上应互不重叠。在任何时刻转发器转发的仅是某一个地球站的信号，这就允许各站使用相同的载波频率，并且都可以利用转发器的整个带宽。由于是单载波工作，不存在FDMA方式中的互调问题，因此允许TWTA工作在饱和状态，更有效地利用卫星功率和容量。,图 2.3 TDMA系统(a)TDMA系统工作示意图；(b)一种典型的帧结构,2.3.2 TDMA方式的系统效率 在TDMA方式中，通常把PCM数据信号占用的时间与帧周期之比值定义为系统的帧效率。设各站分帧均等，则由图 2.3(b)可知,(2.1),式中，m为地球站(分帧)数，Tr为基准分帧长度。可见，Tr、Tp、Tg、m一定时，Tf越长，效率越高。但分析表明,Tf增大到一定程度后，帧效率的改善不会超过10%。,2.3.3 TDMA方式的系统同步,1.初始捕捉 所谓初始捕捉，是指地球站开始发射时，使其射频分帧准确地进入指定时隙的过程。对其要求是速度快、精度高、不干扰其它分帧、设备简单等。其实现方法有好几种，现仅以轨道预测法为例简单说明初始捕捉的一般概念。当地球站开始入网发射时，它以基准站发射的独特码为基准，再根据监控站提供的卫星轨道信息和本站的位置信息，利用计算机预测卫星的位置时间关系，并根据基准分帧与本站分帧的相对关系，定出发射时间。开始，先在本站分帧的中央位置只发射前置码，通过对基准时基与本站时基脉冲的比较，调整本站发射时间，逐步将本站分帧前置码移到预定的位置，进入锁定状态，然后即进入通信阶段。上述过程也适用于临时失锁的重新捕捉。,2.分帧同步 所谓分帧同步，是指完成初始捕捉，进入锁定后，保证稳态情况下分帧之间的正确时间关系，而不致造成相互重叠。图 2.4所示为一种分帧同步方案的简化框图。它采用锁相方法使本站时基跟踪基准站时基。其中，本站B不断接收基准站时基信号，同时也向卫星发射本站时基信号，并将经卫星转发下来的本站分帧时基信号接收下来，然后两者在锁相环内进行比相。若相位正确(即分帧位置正确)，就通过定时脉冲产生器产生本站发射系统的定时脉冲信号，同时启动PCM编码器和前置码产生器，并立即向卫星发射分帧信号。否则，若分帧位置不正确，则由误差信号去校正VCO的频率，从而改变定时脉冲产生器输出脉冲的频率和相位，直到两者频率相同、相位符合要求为止。其它站也是同样情况。,图 2.4 闭环分帧同步系统原理方框图,2.3.4 数字话音插空(DSI)前已指出，在电话系统中，每个话路实际传送话音的平均时间百分率A(话音激活率)大约只有40%。DSI利用这个特点，用空闲时的信道穿插传送其它话路的信息，从而提高信道利用率。理论和实践都表明，这可使通信容量增加一倍左右。设输入信道数为N，采用DSI后传输信道数为M，由于采用DSI技术，则MN，比值N/M称为DSI的增益G。理论上，当话路数较多时，DSI增益上限值趋于平均激活率A的倒数(1/A)。一般在M38时，G就可超过2。DSI有两种基本类型：一种是时分话音插空(TASI)，另一种是话音预测编码通信(SPEC)。,图 2.5 TASI系统(a)方框图；(b)信号流程图,图 2.5 TASI系统(a)方框图；(b)信号流程图,2.4 频分多址时分多址(FDMA-TDMA)方式,频分多址时分多址是指若干个以窄带TDMA方式工作的地球站，以频分多址方式共用一个转发器的一种技术。单纯的TDMA系统传输时一般所用比特率是 60120 Mb/s，它需占用转发器的全部带宽。而TDMA-FDMA系统则采用 10 Mb/s以下的比特率，只占用部分转发器带宽。这种多址技术要求功率放大器有输出补偿，所以卫星转发器效率低于单纯的TDMA。但是该技术的优点是改变业务样式灵活，特别适合于传输数据。另一优点是，每个TDMA帧内的信道都可以采用按需分配方式。,2.5 卫星交换时分多址(SS-TDMA)方式,图2.6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。,图 2.6 SS-TDMA系统工作示意图,2.6 码分多址(CDMA)方式,1.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 2.7(a)所示的方案。在发端，原始信号(信码)与PN码进行模2加，然后对载波进行PSK调制，由于PN码速率远大于信码速率，故形成的PSK信号频谱被展宽。已调信号在发射机中经上变频后发射出去。在接收端，先用与发端码型相同、严格同步的PN码和本振信号及接收信号进行混频与解扩，就得到窄带的仅受信码调制的中频信号。该信号经中放、滤波后就可进入普通PSK信号解调器恢复原信码。上述过程用图解法示于图 2.7(b)中。可以看出，只要收发两端PN序列码结构相同并同步，就可正确恢复原始信号。,图 2.7 CDMA/DS系统(a)方框图；(b)扩谱信号传输图解,图 2.7 CDMA/DS系统(a)方框图；(b)扩谱信号传输图解,2.跳频码分多址系统 与CDMA/DS相比，跳频码分多址系统(CDMA/FH)的主要差别是发射频谱的产生方式不同，如图 2.8 所示。在发端，利用PN码去控制频率合成器，使之在一个宽范围内的规定频率上伪随机地跳动，然后再与信码调制过的中频混频，从而达到扩展频谱的目的。跳频图案和跳频速率分别由PN序列及其速率决定。在收端，本地PN码产生器提供一个和发端相同的PN码，驱动本地频率合成器产生同样规律的频率跳变，和接收信号混频后获得固定中频的已调信号，通过解调器还原出原始信号。,图 2.8 CDMA/FH系统方框图(a)FH发射机；(b)FH接收机,2.7 ALOHA方式,1.P-ALOHA(纯ALOHA)纯ALOHA是一种完全随机多址方式。其特点是全网不需要定时和同步。每个地球站均设有一个发射控制单元，它将数据分成若干段，每段加上报头和报尾，构成一个数据分组，每次以分组的形式高速发射数据。在初期的ALOHA中，其分组总长度为 704 bit,报头占 32 bit，其中包含收、发方的地址和其它控制比特；数据长度为 640 bit;其余 32 bit为检错码。在纯ALOHA系统中，任何站只要有数据要发射，随时可以发射。然后等待一段时间(等于电波往返传播时间)，如果该站在这段时间内收到对方的应答信号，就认为发射成功；否则，如果由于用户间发射的信号发生碰撞(部分或全部重叠)，或因信道噪声产生误码，接收端均不能正确接收，发端收不到应答信号，则该站必须重发。但为了避免连续碰撞，各站应该经过随机的延迟分散重发，如图 2.9所示。,图 2.9 纯ALOHA方式发生碰撞与重发情况示意图,可以看出，这种系统非常简单，但由于碰撞与信道空闲时间多，故信道利用率低。为了导出这种系统的性能，我们假设：(1)有无限多个站，每个站产生一无限小的分组率，因而单位时间产生的分组数是有限的。(2)所有分组长度固定。(3)不考虑信道噪声。(4)分组不会堆积在一些个别站。,(5)提供给网络的负载(G)是泊松分布。假设采用如下符号：S网络吞吐量，代表有效传输的实际总数据率，通常归一化，以网络容量的百分数来表示；G提供负载，提供给网络的总数据率等于S加上因碰撞而单位时间重发的分组数之和，通常也归一化。已设G为泊松分布，对于速率为的泊松过程，在时间t内的传输概率Pr=1-e-t。由图 2.9 可以看出，易受碰撞的时间 t=2,而速率=G，于是有,G=S+GPr=S+G(1-e-2G),故,S=Ge-2G,(2.2),如果将式(2.2)对G求导数，并令其等于零，则得到最大值存在于G=0.5处，而S=1/2e=0.184，即最大吞吐量仅为容量的 18.4%。例如，设ALOHA网采用 9600b/s的数据率，则总的最大吞吐量仅为 0.1849600=1766 b/s，且这个 1766b/s的容量必须由所有用户共享。,需要指出，S与报文长度分布有关，对于固定长度报文为 0.184，而当报文长度为指数分布时只有0.13。各种ALOHA方案的S与G的一般关系如图 2.10 所示。可以看出，除了信道利用率较低外，ALOHA方式还存在不稳定性。即当业务量较小时，信道利用率随业务量的增加而增加，但到一定程度后，业务量再增加，由于碰撞机会增加，信道利用率反而下降。极端情况下甚至无法正常通信。,图 2.10 ALOHA方式吞吐量(S)曲线,2.S-ALOHA(时隙ALOHA)S-ALOHA是一种时分随机多址方式。它将信道分成许多时隙，每个时隙正好传送一个分组。时隙的定时由系统时钟决定，各站控制单元必须与此时钟同步。各站只允许在时隙始端开始发射。因此，一旦发生碰撞就是完全重叠。所以，易遭受碰撞的时间t=1，单个分组遭受碰撞的概率为1-e-G。与式(2.2)相应得到,S=Ge-G,(2.3),将式(2.3)对G求导数，令其等于零，求得S的最大值为1/e=0.368=36.8%。因此，由于这一简单的改进，可使信道利用率增加一倍。和纯ALOHA一样，发生碰撞后，各站仍是经过随机时延后分散重发的，如图2.11所示。并且S-ALOHA仍存在不稳定性问题。,图 2.11 S-ALOHA方式发生碰撞与重发情况示意图,3.C-ALOHA(捕获效应ALOHA)在ALOHA系统中，如果每个用户以略为不同的功率电平发射，则容量可以得到改善。若具有不同电平的两个分组发生碰撞时，则其中较强信号可能会被接收机(所谓的强信号捕获接收机)正确接收。如果设计合理，C-ALOHA信道的容量可以达到P-ALOHA信道容量的三倍。但是，在一个非线性卫星转发器上，由于处理大量C-ALOHA信道的AM/PM效应，可能因转发器输入电平的随机起伏(AM)会在整个转发器频带上产生调制转移效应。,4.R-ALOHA(预约ALOHA)为了解决长、短报文传输的兼容问题，人们还提出了R-ALOHA方式。即各站要发长报文时，为了避免分成许多数据分组传输会造成时延过长，它可以申请预约，分配它一段时隙(连续数个时隙)，让其一次发射一批数据。对于短报文，则利用非预约S-ALOHA方式传输。这既解决了长报文的传输时延问题，又保留了S-ALOHA传输短报文信道利用率高的优点。如ARPA网，发成批数据采用预约方式，发短数据或申请消息采用S-ALOHA 方式，其最大信道利用率可达 833%。,5.SREJ-ALOHA(选择拒绝ALOHA)SREJ-ALOHA是一种较好的非时隙随机多址技术。它具有ALOHA系统不用定时同步和适于可变长度报文这两个重要的优点，而又克服了ALOHA吞吐量低的缺点。它是目前既适合可变长度业务，又非同步操作系统中容量最高的随机多址协议。其中，报文分组仍以ALOHA方式发射，但是，每个分组再细分成有限数量的小分组(Subpacket),而且每个小分组也有自己的报头和前同步码，如图 2.12 所示。它们可以独立地进行检测。考虑到在一个非同步的信道中大部分碰撞是部分碰撞，因此未遭碰撞的小分组仍可被接收机恢复。所以，如果采用类似选择拒绝ARQ重发协议方式，则只需要重发遭到碰撞的小分组。,图 2.12 SREJ重发策略(a)SREJ-ALOHA报文格式；(b)SREJ重发策略,