《多址技术》课件.ppt

1,第4章多址技术,2,第4章 多址技术,4.1 引言4.2 频分多址(FDMA)技术4.3 时分多址(TDMA)技术4.4 码分多址(CDMA)技术4.5 空分多址(SDMA)技术4.6 四种多址技术的比较4.7 ALOHA协议,3,4.1 引言,多路复用：将来自不同信息源的各路信息，按某种方式合并成一个多路信号，然后通过同一个信道传送给接收端。接收端再从该多路信号中按相应方式分离出各路信号，分送给不同的用户或终端。简而言之，多路复用是利用一条信道同时传输多路信号的一种技术，可以解决在同一信道内同时传送多个信号的问题,4,通过复用，可以把多路低速信号合并为一路高速信号进行传输，提高信道利用率。为了在接收端将不同路的信号区分开来，必须使不同路的信号具有不同的特征。常见的多路复用方式有频分复用FDM时分复用TDM码分复用CDM波分复用WDM,5,多址技术是指多个地球站（用户终端）的射频信号在射频信道上的复用，以实现各个地球站（用户终端）之间的通信。卫星通信中指的是多个地球站发射的信号，通过公共的卫星转发器在射频信道上的复用，以实现各个地球站之间的通信。多址技术的目的是多个用户共享信道、动态分配网络资源。常见的多址技术有频分多址(FDMA)，时分多址(TDMA)，码分多址(CDMA)，空分多址(SDMA)。,6,多路复用和多址技术的相同点：都是为了共享通信资源。理论基础都是信号的正交分割原理。多路复用和多址技术的不同点：多路复用一般在中频或基带实现，多址技术通常在射频实现。多路复用中通信资源是预先分配给各用户。多址接入中通信资源通常是动态分配的，由用户在远端提出共享要求，在系统控制器控制下，按照用户对通信资源的需求，随时动态地改变通信资源的分配。,7,8,多址技术是指多个地球站(用户终端)发射的信号在射频信道上的复用，以达到各地球站(用户终端)之间同一时间、同一方向的用户间的多边通信；多路复用是指一个地球站(用户终端)内的多路低频信号在基带信道上的复用，以达到两个地球站(用户终端)之间双边点对点的通信。,9,多路复用,多址技术,10,信道分配技术,“信道”的含义：FDMA中是指各地球站占用的转发器频段。TDMA中是指各地球站占用的时隙。CDMA中是指各地球站使用的码型。常见的信道分配方式主要有三种,11,1预分配方式(PA)按事先规定半永久性地分配给每个地球站固定数量的信道，各地球站只能使用分配给它们的这些特定信道与有关地球站通信，其他地球站不得占用这些信道。优点：信道是专用的，实施联接简单，建立通信快，基本上不需要控制设备。缺点：使用不灵活，信道不能相互调剂，在业务量较轻时信道利用率低。适合大容量系统。,12,2按需分配方式(DAMA)按需分配方式是一种动态分配制度，是按申请进行信道分配变化的，通话完毕之后，系统信道又收归公有。优点：比较灵活，各站间可以相互调剂信道，因而可用较少的信道为较多的站服务。适合业务量较小且地球站较多的卫星通信网。缺点：控制设备比较复杂，并且一般要在转发器上单独开辟一专用频端作为公用传信通道，供各站申请分配通道之用。,13,3随机分配(RA)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。常用于数据交换业务。因为数据通信一般间断而不是连续地使用信道，且数据包发送的时间也是随机的，因而如果仍使用固定预分配甚至按需分配，则信道利用率就很低。采用随机占用方式则可大大提高信道的利用率。“碰撞”。,14,双工方式,双工是指通信双方能够同时进行双向传送消息的一种通信方式。频分双工(FDD)：收发频率分开，接收设备通过滤波器分离各路信号时分双工(TDD)：收发共用一个频率，收发信号通过开关来控制,15,4.2 频分多址(FDMA)技术,当多个地球站共用卫星转发器时，如果根据配置的载波频率的不同来区分地球站的地址，这种多址联接方式就为频分多址。各地球站配置不同的频率，这种频率配置可以是预先固定指配的，也可以是按需分配的。根据是否使用基带信号复用，可分为每载波多路(多路单载波)和每载波单路(单路单载波)方式。,16,17,4.2.1 MCPC和SCPC,多路单载波-频分多址(MCPC-FDMA)方式每个地球站分配一个专用载波，首先把所有要发射的基带信号复用在一起，然后调制、上变频，将频率变换到指定频率，最后再以FDMA方式发射和接收。因此，经卫星转发的每个载波所传送的是多路信号。一般采用预分配方式。,18,19,单路单载波-频分多址(SCPC-FDMA)方式在一路载波上只传送一路话音或数据。特点：可采用“话音激活”技术可减小互调干扰可实现数模兼容，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，业务量小的场合应用。,20,按照信道分配方式可分为预分配方式和按需分配方式。一般采用按需分配方式。1、预分配方式的SCPC信道固定分配给各个地球站。两地球站通话时各占一条卫星信道。一个转发器的36MHz带宽以45kHz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。,21,SCPC系统的频率配置,22,2、按需分配-频分多址(SPADE)方式单路单载波-脉码调制-按需分配-频分多址在采用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)。,23,SPADE系统的频率配置,24,4.2.2 FDMA的非线性效应和交调干扰,卫星转发器中采用了高功率放大器(HPA,High Power Amplifier)，FDMA的一个卫星转发器的功率放大器，可以同时放大多个载波信号(几个、十几个甚至几百个载波)。目前卫星转发器的功放级大都采用行波管放大器(TWTA)，作为功放级的TWTA，是一个非线性放大器，它的幅度特性是非线性的，交调干扰主要是由放大器的非线性特性引起的。,25,26,在功率放大器正常的工作范围内，功放的输出功率与输入功率间存在着线性关系。然而随着输入电压的不断增大，输出功率的增长会逐步降低。此时，意味这功率放大器已经开始进入饱和状态。输出功率与输入功率间的关系也逐步偏离线性关系，最终达到无论输入功率再增大多少，而输出功率将不在随之增大。功放在给定的频率点能够输出的最大的功率，我们称为饱和功率。行波管工作点越接近于饱和点，效率越高，多载波条件下的最大输出功率越高，但非线性失真也越严重。,27,转发器在多载波工作时，由于放大器的非线性，从而将产生各种组合频率成分，这些组合频率有时会恰好等于或接近有用信号频率而顺利通过接收机，就会产生干扰，称为互调干扰，从而使接收机的信噪比恶化，降低通信质量。为了避免交调干扰，所有载波的总功率应该不超过转发器的线性功率，以使转发器工作在线性条件下。因此，发射功率输出电平要比饱和点电平足够低(称电平“回退”补偿)，以保证HPA的线性，因此功率利用率不高。,28,保护频带,29,FDMA的优点技术成熟、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高，特别适用于站少而容量大的场合。,30,FDMA的缺点：任一地球站为了能接收其他地球站的信号，都必须设有除本站外的所有下行频率的接收电路；转发器要同时放大多个载波，容易形成互调干扰。为了减少互调干扰，必须进行电平“回退”补偿，功率利用率不高；需要保护频带，故频带利用率不高。各上行链路功率电平要求基本一致，否则容易引起强信号抑制弱信号现象，因此大小站不易兼容；,31,FDMA的地球站框图,32,4.3 时分多址(TDMA)技术,4.3.1 TDMA的基本原理用不同时隙来区分地球站的地址，只允许各地球站在规定的时隙内发射信号，这些射频信号通过卫星转发器时，在时间上是严格依次排列、互不重叠的。,33,TDMA系统模型,34,将时间上连续的模拟信号变为时间上离散样值的过程称为抽样。抽样定理说，要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。时分多址是建立在抽样定理之上,35,抽样时间离散化,36,37,38,由此，可利用各信号的抽样值在时间上不相互重叠来达到在同一信道中传输多路信号的目的。,39,t,40,在TDMA系统中，卫星将在一个TDMA帧内的不同时隙接收并转发来自各地球站（它们都采用相同的载波）的突发脉冲串。也就是说，每一地球站只在TDMA帧的一个时隙内接收和发送突发脉冲。为了保证每一地面终端的突发（子帧）能在所指定的时隙到达卫星，对系统定时和信号格式将有严格的要求。为此，每帧内的第一个时隙将由基准站发出“基准”子帧以作为同步和网控之用。TDMA的帧长一般都取125s的整数倍。,41,TDMA网络定时的示意图,42,TDMA系统发送数据格式和框图,43,TDMA系统接收数据格式和框图,44,TDMA帧结构,45,TDMA帧的基本组成基准站相继两次发射基准信号的时间间隔叫做一帧，TDMA帧由一个基准分帧和若干信息分帧组成，每个分帧占据一个时隙。基准分帧(同步分帧)：TDMA帧内的第一个时隙，不含任何业务信息，仅用作同步和网络控制。数据分帧：除基准地球站外其他地球站占据的时隙。为了保证各子帧之间不相互重叠，在它们之间留有一定的保护时间。,46,TDMA系统帧结构,47,TDMA的效率,系统效率：在发射数据中信息所占的百分比，不包括系统开销；帧效率：发送数据比特在一帧中所占的百分比；,48,例：INTELSAT卫星的每帧符号数为120,832。帧周期为2ms，帧效率0.949，话音信道比特率64kb/s，采用QPSK调制。求话音信道容量。,解：符号率=120,832/2ms=60.416M symbol/sQPSK调制每符号表示2比特信息，所以总的信息速率为RT=60.4162=120.832 Mbit/s帧效率0.949，每路话音64kbit/s，话音信道数 N=(0.949120.832106)/(64103)=1792,49,4.3.2 TDMA系统的同步,在卫星通信系统中，有一个基准站，基准站的时钟是独立的，并作为全网的基准时钟。系统中所有业务站都以这个基准时钟来进行工作。TDMA系统的同步内容包括载波同步、时钟同步和分帧同步。,50,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。,51,4.3.3 数字话音内插,统计结果表明，在话音通信系统中，每条通信线路上实际传送的话音信号只占总线路时间的40%左右。利用话路的空闲时间传输其他路的话音信号就可以提高信道利用率。数字话音内插(DSI)就是利用话音通信的这个特点，将路数较多的话音信号压缩到路数较少的信道上进行传输的技术。在TDMA系统中由于采用了DSI技术，使通信容量增大了一倍。,52,TDMA的优点(1)对于TDMA方式，卫星转发器上任何时刻都只有一个载波工作，不会产生交调干扰，行波管可以工作在饱和状态，能充分利用转发器的功率；(2)TDMA方式对地球站等效全向辐射功率变化的限制，没有FDMA方式那样严格；(3)TDMA方式可根据各站业务量的大小来调整各站时隙的大小，大小站可以兼容，易于实现按需分配；,53,(4)TDMA方式是对各地球站和转发器进行时间分隔，无需FDMA方式的多次变频，简化了电路结构；(5)数字通信系统，与地面数字系统的接口方便，信号传输质量高，有利于综合业务的接入。同时也便于做星上处理；(6)容量大。TDMA方式可以与数字话音内插(DSI)和自适应差分编码(ADPCM)技术配合，形成数字电路倍增设备，使转发器容量大大提高（达5倍）；,54,TDMA系统的不足必须保持各地球站之间的精确同步，才能让所有用户实现共享卫星资源的目的。TDMA系统的网同步复杂。,55,4.4 码分多址(CDMA)技术,各地球站使用相同的频率，任意时间发射。利用正交（或准正交）的伪随机码作为地址信息，对已调信号进行扩频调制，使频谱大大展宽。在接收端以本地产生的地址码为参考，根据相关性的差异对接收到的所有信号进行鉴别，从中将地址码与本地地址码完全一致的宽带信号还原为窄带信号而选出。,56,4.4.1 直接序列码分多址系统,扩频：直接用具有高码率的扩频码序列(伪随机序列)在发端去扩展信号的频谱。解扩：在收端用相同的扩频码序列去解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。,57,58,59,码分多址（CDMA）,60,(a)用户信号的功率谱曲线,直接序列扩频通信的频谱变换,61,(b)扩频,62,(c)经信道传输，接收到的信号,干扰信号,发送信号,噪声,63,(d)解扩,有用信号,干扰信号,噪声,64,65,序列的相关性,自相关：长度(周期)为P的码序列x的自相关系数互相关：周期均为P的两个码序列x和y的互相关系数,66,=0 时的自相关系数,例：码序列的自相关系数,67,15位码序列0时的自相关系数(a)=4Tc(b)=Tc,68,n=4,P=15码序列的自相关系数曲线,69,两个序列(P=31)互相关函数曲线,70,在码分多址中，希望采用互相关小的码序列，理想情况是希望x,y()=0，即两个码序列完全正交。下图是码长为 4 的 4 组正交码的波形，它们之中任两个码都是正交的，因为在一个周期中，两个码之间相同位的与不同位的数目均相等，故=0。,码长为4的4组正交码的波形,71,例 在CDMA系统中，系统为用户1分配的扩频码为-1 1-1 1，用户1的话音信号数据为1-1-1 1-1-1，速率为13kbps，则在发射机端，该话音数据经过扩频后(每个语音信号比特与扩频码相乘)，扩频信号速率为13*4=52kchips/s。-11-11 1-11-1 1-11-1-11-11 1-11-1 1-11-1 在接收机端，用同样的扩频码-1 1-1 1进行解扩(对扩频信号做逐码片相乘，然后每四个码片求和)4-4-4 4-4-4如果用系统分配给用户2的扩频码-1-1 1 1对用户1的接收信号进行解扩处理，得到的是 0 0 0 0 0,72,4.4.2 跳频码分多址系统,跳频(FH，Frequency Hopping)。在发送端，利用PN码控制频率合成器，使频率在一个宽范围内伪随机地跳变，跳频系统占用了比信息带宽要宽得多的频带。在接收端，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，和接收信号混频获得已调信号。,73,跳频图案,74,卫星通信中CDMA的优点：用户共享一个频率，无需频率规划。保密性好，抗干扰、抗截获能力强。利用多径，采用RAKE技术提高系统性能。卫星通信中CDMA的不足：频谱利用率较低，不适合大容量干线使用，目前除用于军用卫星通信系统外，主要用于卫星移动性通信系统和少数小容量VSAT系统。,75,三种多址技术的射频利用方式,FDMA、TDMA和CDMA的RF利用,76,4.5 空分多址(SDMA)技术,如果通信卫星采用多波束天线，各波束指向不同区域的地球站，那么同一信道可以被所有波束同时使用，这就是空分多址(SDMA)。实际应用中，一般不单独使用SDMA方式，而将其与其它多址方式结合使用。适合站数多、业务量大、卫星频带严重不足的场合。,77,星上交换-频分多址(SS-FDMA)方式,SDMA-SS-FDMA系统，简称SS-FDMA。在卫星上设置若干点波束天线，通过波束的指向不同区分不同区域的地球站，各波束使用相同的频率。一个波束内的地球站所发信号采用FDMA方式区分。卫星上有一组滤波器和一个交换矩阵，将从不同上行波束到达的FDMA信号按需要分别送到不同的下行波束去。,78,星上交换SS-FDMA,79,SS-FDMA卫星转发器方框图,80,星上交换-时分多址(SS-TDMA)方式,SDMA-SS-TDMA系统，简称SS-TDMA。在卫星上设置若干点波束天线，通过波束的指向不同区分不同区域的地球站。一个波束内的地球站所发信号采用TDMA方式区分。卫星上有一个可编程快速交换矩阵(MSM)，将从不同上行波束到达的TDMA突发按需要分别送到不同的下行波束去。地球站需要准确知道卫星上交换矩阵的切换时间，从而控制本站的发射时间，以保证在准确的时间里通过交换，建立严格的同步。,81,星上交换SS-TDMA,82,SS-TDMA系统原理图,83,4.6 四种多址技术的比较,频分多址FDMA特点：各站发射的载波信号在转发器内所占的频带互不重叠(所发信号频率正交)各载波的包络恒定转发器工作于多载波识别方式：滤波器,84,主要优点：可沿用地面微波通信的成熟技术和设备，设备比较简单；不需要网同步主要缺点：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；为防止邻道干扰，在各载频间设置适当的保护频带，频谱利用率不高；大、小站不易兼容。适用场合：FDM/FM/FDMA方式适合站少，中、大容量的场合；TDM/PSK/FDMA方式适合站少、中等容量的场合；SCPC系统适合站少、小容量的场合。,85,时分多址TDMA特点：各站发射的载波信号在转发器内所占的时间互不重叠(所发信号时间正交)转发器工作于单载波识别方式：时间选通门,86,主要优点：没有互调问题，卫星功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，通信容量仍较大主要缺点：需要精确的同步系统；低业务量用户也需要相同的等效全向辐射功率EIRP适用场合：中、大容量线路,87,码分多址CDMA特点：各站使用不同的码型进行扩展频谱调制(所发载波信号码型准正交)各载波包络恒定，在时域和频域互相混合识别方式：相关器,88,主要优点：抗干扰能力较强；信号功率谱密度较低，隐蔽性好；不需要网定时；使用灵活主要缺点：频带利用率低，通信容量小，不适合大规模通信网络；地址码选择较难；接收时地址码的捕获时间较长适用场合：军事通信；小容量线路广播系统,89,空分多址SDMA特点：各站发射的载波信号只进入该站所属通信区域的窄波束中(所发信号空间正交)可实现频率重复使用转发器成为空中交换机识别方式：窄波束天线,90,主要优点：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主要缺点：对卫星控制技术要求严格，对卫星的稳定和姿态控制提出很高的要求；星上设备较复杂，需用交换设备适用场合：大容量线路，结合其它多址技术使用,91,4.7 ALOHA协议,ALOHA是一种随机多址访问方式，用于数据传输，是卫星数据网采用的主要多址方式。这种系统中，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，适合突发型业务。当数据量很大时，卫星信道的传输效率就会急剧下降。因此，它只适合于容量小、地球站却很多的情形。,92,4.7.1 纯ALOHA(P-ALOHA)方式,纯ALOHA是一种完全随机多址方式。每个地球站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。在纯ALOHA系统中，任何站只要有数据要发射，随时都可以发射，然后等待一段时间(电波往返传播时间)，如果该站在这段时间内收到对方应答信号，就认为发射成功，否则必须重发。,93,卫星分组通信原理,94,由于在纯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。,95,ALOHA方式的应用特点 系统结构简单，全网不需要定时和同步，用户入网方便，无需协调。当业务量较小时具有良好的通信性能。吞吐量低。由于存在碰撞现象，其吞吐量(即有效传输的数据率)较低，最高吞吐量也只能达到网络容量的18.4%。存在信道不稳定性。即当信道业务量较小时，信道利用率随业务量增加而增加，但当业务量增大到一定的程度时，吞吐量反而减小，信道利用率下降，极端情况吞吐量降为零。,96,例：ALOHA网络采用9600kbit/s的数据率，则总的最大吞吐量为 0.1849600kbit/s=1766kbit/s 且这1766kbit/s的容量必须由所有用户共享,97,时隙ALOHA(S-ALOHA)方式,时隙ALOHA是一种时分随机多址方式。它是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，完全碰撞。最大信道利用率可达36.8%，相比纯ALOHA方式增加一倍，但全网需要定时和同步，设备比较复杂，且仍存在信道不稳定性问题。,98,99,业务量,吞吐量,100,4.7.3 预约ALOHA(R-ALOHA)方式,为了解决长、短报文传输的兼容问题，提出了R-ALOHA方式。当各站要发长报文时，发一个预约申请，分配一段时隙，让其一次发射一批数据。对于短报文则利用非预约的S-ALOHA方式传输。R-ALOHA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。这种方式可用于数据量变化较大的用户，最大信道利用率可达83.3，但设备更趋复杂，且平均传输时延较长。,101,4.7.4 捕获效应ALOHA(C-ALOHA)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。在C-ALOHA方式中，每个用户以略微不同的功率电平发射，当两个分组发生碰撞时，其中较强的信号可能会被接收机正确接收(强信号捕获接收机)。相比纯ALOHA，系统吞吐量可提高3倍，但输入电平的幅度起伏会导致比特差错率增大。,102,选择拒绝ALOHA(SREJ-ALOHA)方式,SREJ-ALOHA是一种非时隙随机多址技术。规定对信息分组仍以ALOHA方式发射，但对每个分组再进一步分成若干个小分组，每个小分组都有各自的报头和前置码。这样在接收端对每个小分组可以独立地进行检测。如果发生信息包碰撞，其中未遭碰撞的小分组被对方站正确接收，只需要重新发射遭到碰撞的小分组。,103,优点，由于SREJ-ALOHA既具有不需要定时同步和适合于信息包长度可变的重要优点，又克服了由于碰撞使信道利用率低的缺点。是目前既适合可变长度业务又非同步系统中容量最高的随机多址协议，具有广阔的应用前景。相比比ALOHA增加了一些复杂性和开销。,104,4.7.6 自适应TDMA(AA-TDMA)方式,AA-TDMA称为自适应TDMA，也是一种预约协议。这是一种自适应调整TDMA方式。每个地球站按需使用时隙，并根据通信量的大小调整时隙的宽度。也可根据用户的业务情况，自动变换接入方式，如ALOHA、S-ALOHA和R-ALOHA。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。在VSAT卫星通信中有一些应用。,