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1、卫星通信多址方式研究 1.1 引言 在卫星通信中， 卫星起到了类似基站的作用。通常，一颗卫星可以同时与多个地球站（用 户终端） 通信，因此从卫星到地球站（用户终端） 是多路的， 而用户终端到卫星则是单路的。 通过卫星转发器的中继，多个用户信号在射频信道上进行复用，建立各自的信道，以实现点 到多点的多边通信。这就是多址技术。多址技术是在通信信号复用的基础上，处理由不同地 球站信号发往共用卫星时，通信容量的分配和建立各用户之间通信链路的技术。 2.1 多址联接的种类 目前，卫星通信中常用的多址联接人式是：频分多址 (FDMA，Frequency Division Multiple Access)、
2、时分多址 (TDMA，Timc Division Multiple Access) 、空分多址也称卫星交换时分多 址(SDMA or SS-TDMA， Spsce Division Multiple Access)、 码分多址 (CDMA， Code Division Multiple Access) 和 ALOHA（Additive Links on-line Hawaii Area）方式。而一些混合多址技术，即上述 四种多址技术结合起来的研究，始终是发展中的新技术问题，其研究成果有的已应用，如频 分多址时分多址(FDMA-TDMA)。 s f t s f t s f t (a) FDMA(
3、b) TDMA(c) SDMA 多址方式 2.2 频分多址技术（FDMA） 频分多址是最基本、最“古老”的一种多址方式，其突出的优点是简单、可靠、便于实 现。因此， 在卫星通信发展的初期，几乎都采用这种多址方式，至今也仍然是一种主要的多 址方式。， 使用 FDMA 方式无须对各载波间实施同步控制，因而与 TDMA 方式相比设备结构比较简 单。 尽管 FDMA简单， 易于实现，但系统小存在的一些关被问题必须妥善解决就形成了FDMA 若干特点。 首先， 要求系统进行严格的功率控制。这个问题，在功率受限时尤为突出。因为系统中 某一地球站发射的功率大于额定值，就会侵占卫星上发给其他地球站的功率；反之，
4、 发射功 率过小，又会影响通信质量。 其次， 要设置适当的保护频带。这是因为，当相邻频道的频谱成分落入本频道内时，就 会引起 “邻道十扰”。为了避免因载波漂移致使各载波频谱重叠，在各载波占用的频带之间， 要留有一定的间隙作为保炉频带。保护频带过宽，则频带利用率降低；保护频带过窄， 则要 对卫星和地球站的频率资源和滤波器等提出苛刻的要求。 第三， FDMA 的最突出问题是出于转发器工作在多载波状态而引起的交调问题，所以要 尽量减少交调的影响。 对于频分多址卫星通信系统，转发器的带宽由多个地球站共用。常用转发器带宽为 27MHz、36MHz、54MHz 和 72MHz。 根据地球站业务要求的不同，
5、FDMA可以分为 SCPC/FDMA和 MAPC/FDMA 两种类型。SCPC 是单路单载波， 每个载波只传一路语言或数据。由于一个转发器包含多个载波，则一个转发 器通道可以承载数百路语言或数据信道。一个地球站可以同时支持一个或多个SCPC载波。 根据需要，每个通信方向可分配多个载波。MCPC是多路单载波，即每个载波可以传送多路 语言或数据。对于SCPC 方案，信道可以是预分配的，也可以是动态分配的。 2.3 时分多址技术（TDMA） TDMA 方式有以下特点。 1、 这种通信方式属于“间歇”通信形式，而不同于一般的连续通信。各站的基带信号 低速连续输入并存储存缓冲器里，而在分配的时隙，以高速
6、突发形式的脉冲串调制裁波后发 向卫星。接收到的分帧，在解调后也先存入缓冲器，然后由高速突发变成低速连续输出。因 此，为了保证用户信息传输的连续件，对输入的数据率需要按以下关系作“变速”处理： 式中： RB是数据突发速率，Ri是输入的数据速率，f是时帧， i是分帧长度 2、 TDMA 是一种无交调多址联接方式，这种方式在任何时刻，只有一个载波信号通过 转发器， 并分时占用转发器的全部带宽。转发器行波管 (TWTA)可以工作在饱和状态，因而能 充分利用卫星功率的转发器带宽，无交调， 不会出现强信号对弱信号的抑制现象，组网通信 个大、小站可以兼容。 3、 TDMA 通信是一种数字通信，它具有数字通信
7、的许多优点，比如：便于保密；易于 实现按需分配使用新道；对各种业务适应性强且灵活，信息传输能力比FDMA 方式大如 果采用“话音内插(DSI)”技术传输能力大致还可以增加一倍。还应指出，数字卫星通信采 用 TDMA 方式后， 可以使用小口径天线的低成本地球站来提供高速数据业务。这对目前任在 发展的国内卫星系统和采用卫星系统的大量用户要求传送数据及实现数据交换业务是非常 有利的。 这种类型的典型例子就是讨算机通信。目前研究表明， 用地面的分组数据交换网实 现计算机通信是有效的，但网络控制比较复杂，如果利用卫星的广播性能，就可简化这种系 统的网络控制。 在采用时分多址技术的系统中，卫星转发器将在一
8、个TDMA 帧内的不同子帧时隙接收井 转发来自不同地球站(它们都采用相同的载波)的突发脉冲 (子帧 )。也就是说，每个地球站只 在 TDMA 帧的一个子帧内接收和发送突发脉冲。为了保证每个地面终端的突发(子帧 )能在所 指定的子帧时隙到达卫星，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 子帧将由基准站发出“基准”子帧，以作为同步和网控之用。TDMA 的帧长一般都取125s 的整倍数。 Interlsat 系统通常采用2ms 的帧长。 2.4 扩频多址技术（SSMA ）和码分多址技术（CDMA） 扩频多址（ SSMA ）系统的共同特点之一是扩频，也就是说用于传输信息的信号带宽远
9、大于信息带宽； 共同特点之二是在扩频的实现上，不论通过什么途径扩频，但基本都是用一 组优选的扩频码进行控制，正因为此，扩频多址又称为码分多址（CDMA） 。或者说， CDMA 是在信号的扩展维编码维上对无线信号空间进行划分。顾名思义， 码分多址就是给每个 用户分配一个唯一的扩频码（或称地址码），通过该扩频码的不同来识别用户。对于扩频码 的选择要求比较苛刻：在正交性上当然要求它满足式1，但实际中通常是准正交性，即自相 关性很强， 而互相关性很弱；出于系统容量的考虑，对于特定长度的地址码集还要求其能够 提供足够多的地址码；在统计特性上要求地址码类似白噪声以增强隐蔽性，这在军事通信中 尤为重要； 为
10、了提高处理增益应选择周期足够长的地址码；而为了便于实现则应选择产生与 捕获容易和同步建立时间较短的地址码。人们的通常选择就是各种伪随机（PN）码。 3.1 卫星移动通信系统特点 卫星移动通信系统特点的最大特点是利用卫星通信的多址传输方式,为全球用户提供 大跨度、大范围、远距离的漫游和机动、灵活的移动通信服务,是陆地蜂窝移动通信系统的 扩展和延伸 ,在偏远的地区、山区、海岛、受灾区、远洋船只及远航飞机等通信方面更具独 特的优越性。卫星移动通信系统,按所用轨道分 ,可分为静止轨道(GEO) 和中轨道 (MEO)、低轨 道(LEO) 卫星移动通信系统。GEO系统技术成熟、成本相对较低,目前可提供业务
11、的GEO系统 有 INMARSAT系统、 北美卫星移动系统MSAT、 澳大利亚卫星移动通信系统Mobilesat 系统 ;LEO 系统具有传输时延短、路径损耗小、易实现全球覆盖及避开了静止轨道的拥挤等优点,目前 典型的系统有Iridium 、Globalstar、Teldest等系统 ;MEO 则兼有 GEO 、LEO两种系统的优缺点, 典型的系统有Odyssey、AMSC、INMARSMT-P 系统等。另外 ,还有区域性的卫星移动系统,如 亚洲的 AMPT、日本的N-STAR 、巴西的ECO-8系统等。 3.2 多址联接技术 目前 ,卫星移动通信主要采用TDMA 和 CDMA 多址联接技术
12、,不过 CDMA 技术被认为是更 有发展前途的技术,只是还处于试验开发阶段。WARC-92为卫星移动业务划分了频率,其中空 到地链路 84.2MHz 带宽 (1525-1530MHz、 2170-2200MHz、2483.5-2500MHz、2500-2520MHz、 1613.8-1626.5MHz), 地 到 空 链 路66.5MHz带 宽 (1610-1626.5MHz 、 1980-2010MHz 、 2670-2690MHz)。由于卫星移动通信系统繁多,相互竞争十分激烈,许多系统要到21 世纪才能 商用 ,而且我国最需要卫星移动通信的地区,往往是不发达地区,作为陆地蜂窝移动通信市场
13、潜力巨大 ,但涉及我国频率使用权益、通信主权、经营管理等诸多方面问题,目前不能操之过 急。国家无线电委员会已对我国的“无线电频率划分表”进行修改,相信对卫星移动业务的 使用频率的规划和分配会有所考虑。非对地静止卫星的使用,增加了卫星间协调的难度,不仅 非静止卫星之间需要进行频率协调,非静止卫星与静止卫星之间、与地面无线电业务之间都 需要频率协调。 4.1 铱星（ Iridium）系统 铱星系统属于低轨道卫星移动通信系统，由Motorola 提出并主导建设，由分布在6 个 轨道平面上的66 颗卫星组成，这些卫星均匀的分布在6 个轨道面上，轨道高度为780 km。 主要为个人用户提供全球范围内的移
14、动通信，采用地面集中控制方式，具有星际链路、 星上 处理和星上交换功能。铱星系统除了提供电话业务外，还提供传真、全球定位(GPS) 、无线 电定位以及全球寻呼业务。从技术上来说，这一系统是极为先进的，但从商业上来说，它是 极为失败的，存在着目标用户不明确、成本高昂等缺点。目前该系统基本上已复活，由新的 铱星公司代替旧铱星公司，重新定位，再次引领卫星通信的新时代。 铱星（ Iridium）系统采用的是TDMA/FDMA 多址方式 4.2 全球星 (Globalstar)系统 Globalstar 系统设计简单，既没有星际电路，也没有星上处理和星上交换功能，仅仅定 位为地面蜂窝系统的延伸，从而扩大
15、了地面移动通信系统的覆盖，因此降低了系统投资，也 减少了技术风险。GIobalstar 系统由 48 颗卫星组成， 均匀分布在8 个轨道面上， 轨道高度为 1389 km。它有 4 个主要特点：一是系统设计简单，可降低卫星成本和通信费用；二是移动 用户可利用多径和多颗卫星的双重分集接收，提高接收质量； 三是频谱利用率高；四是地面 关口站数量较多。 Globalstar系统采用的是CDMA 多址通信方式，相同的一组频率在每颗卫星的16 个点 波束中再用。在每一个频分子信道中，采用不同的伪随机码(PN)来区别不同的逻辑信道。 4.3、轨道通信 (Orbcomm)系统 Orbcomm 卫星通信系统是
16、由美国轨道科学公司和加拿大全球通信公司共同组建的全球 卫星通信星座。 该系统具有投资小、周期短、兼备通信和定位能力、卫星质量轻、用户终端为手机、系 统运行自动化水平高和自主功能强等优点。Orbcomm 系统由36 颗小卫星及地面部分(含地 面信关站、网络控制中心和地面终端设施)组成，其中28 颗卫星在补轨道平面上：第l 轨道 平面为 2 颗卫星，轨道高度为736749 km；第 2 至第 4轨道平面的每个轨道平面布置8 颗 卫星，轨道高度为775 km；第 5 轨道平面有2 颗卫星，轨道高度为700km，主要为增强高 纬度地区的通信覆盖；另外8 颗卫星为备份。 Orbcomm 系统可提供数据报
17、告、信息报文、全球数据报和指令等基本业务。 Orbcomm 系统在设计阶段定位的应用领域主要包括车辆、船只、飞机的跟踪定位；工 业设备、输油气管道、海洋与河流水位状态的远程监测；防汛抗旱、森林火灾、环境污染的 监测； 气象资料、 地震情报的收集，商业信息、 金融证券、 股票期货市场的信息交流；船队、 车队及个人之间的通信；公安、消防、银行等部门的专业应用；配置ORBCOMMPCMCIA 卡，收发电子邮件。 目前， ORBCOMM 系统开展的业务主要有3 类：一是交通工具的跟踪定位、搜索目标、 抢险救灾服务；二是仪表的自动监测。广泛应用在水利、电力、油田、天然气等行业，完成 数据的自动采集以及车
18、辆、管道运输、环境的监控等功能；三是信息传递，包括收发电子邮 件、股票金融等信息。 它直接连人Intemet ， 以电子邮件的形式为用户服务。可以说 Orbcomm 通信卫星系统是一个太空中的电子邮件发送网，由于数据传输速率只2400bit s，Orbcomm 系统只能提供近实时的速率双向数据通信业务，而不能提供话音，视频等业务。 Orbcomm 系统采用的是TDMA 多址通信方式。 三种卫星系统的比较 系统Orbcomm Iridium Globalstar 运营商美 Orbcomm 美摩托罗拉公司美国 LQSS公式 轨道类型圆轨道圆轨道圆轨道 轨道高度775/739 785 1414 卫星数目36 66+6 48 轨道面数3+2+1 6 8 轨道倾角45/70/0 86 52 覆盖区域全球全球70 卫星重量（kg）38.5 689 426 卫星功率160 1200 1000 建设成本155 7000 1800 寿命（年）4-6 7.5 8 用户频率VHF L L(上行)/S( 下行) 终端类型手持式手持、车载、固定式手持式、固定式 业务 短数据、定位追 踪、远端监测 语言、寻呼、无线定位、 数据 语言、传真、数据、寻 呼 服务时间1998 1998 1998 多址方式TDMA CDMA/FDMA CDMA