卫星通信组网控制和管理技术
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1.1.6 卫星通信的多址接入方式

卫星通信中,多个地球站要通过共同的通信卫星转发器与其他地球站进行通信。这些地球站如何互不干扰地共享某个卫星转发器的全部射频带宽,并且使接收站能够准确地接收自己该接收的卫星转发信号,这就是卫星通信中的多址问题。卫星通信的多址接入方式是指卫星通信系统内多个地球站以何种方式共用卫星转发器进行信号收发,一般分为传统多址接入方式和随机多址接入方式。

1.1.6.1 传统多址接入方式

卫星通信中常用的多址接入方式主要有频分多址、时分多址、码分多址、空分多址及它们的混合形式。

频分多址(Frequency Division Multiple Access, FDMA):把可用频带分割成多个子频带,把每个子频带分配给一对地球站,使一个地球站在此子频带上发送,另一个地球站在此子频带上接收。两个地球站双向互通要占用2个子频带。这里的子频带可以是等带宽的,也可以是不等带宽的。

时分多址(Time Division Multiple Access, TDMA):各地球站都以同一个载频、相同的数据速率发送和接收(因此发送的信号占用相同的射频频带),为了避免各地球站发送的信号互相干扰,需要将各地球站的发送时间错开(以电磁波信号到达卫星的时刻为准),为此,可以将整个发送时间分为周期重复的帧,再将帧分为若干时隙,把每个时隙分配给一对地球站,一个地球站在此时隙内发送,另一个地球站在此时隙内接收。每个帧内都有一个这样的时隙,周期重复。两个地球站双向互通要占用2个时隙。

码分多址(Code Division Multiple Access, CDMA):各地球站都以同一个载频、相同的数据速率发送和接收,并且可以一直发送而不必在时间上错开。这要利用正交编码原理,为每个地球站分配一个各不相同的正交码,也称地址码,所有地球站的地址码相互正交。每个地球站发送的载波既受基带数字信号(用户数据)调制,又受地址码调制。对于这样的调制信号,只有用相同的地址码才能正确解调出相应的基带信号,而其他地球站因地址码不同且正交,无法正确解调出基带信号。

空分多址(Space Division Multiple Access, SDMA):利用卫星天线波束覆盖区的不同来隔离地球站之间的射频信号。如果卫星天线有多个点波束,且它们各自的覆盖区没有重叠,那么一个波束内地球站发送的射频信号就不会与其他波束内地球站发送的信号互相干扰,本质上就是利用空间的分割构成不同的信道。由于在一个通信区域内往往有多个地球站,空分多址往往要和其他多址方式结合,从而实现混合多址技术,如空分码分多址(SD-CDMA)等。

1.1.6.2 随机多址接入方式

在传统的FDMA和TDMA方式中,每个地球站都固定占用分配的频带和时隙,这对于持续时间长的语音通信和连续数据流业务来说,能得到较高的信道利用率。但是,大多数数据业务具有较强的突发性,如交互型数据传输、询问/应答类数据传输及信道申请和分配等管控信息的传输等,都只需要间歇地利用传输信道。如果采用传统多址接入方式传输这些间歇信号,固定占用的信道(频带、时隙等)就会经常出现空闲,其信道利用率比较低。为此,更适合数据业务传输的随机多址接入方式应运而生。

随机多址接入方式也叫争用多址接入方式,所有地球站共用一条共享信道(以相同的载频、相同的数据速率发送),但自主决定何时发送,无须与系统内其他地球站预先协调。由于每个地球站都可以随机地在信道上发送,就存在与其他地球站同时发送的可能。我们把两个或更多个地球站发送的信号同时在信道上出现的现象称为碰撞,发生了碰撞的信号是无法被正确接收的,这些数据需要重发。目前常用的随机多址接入方式主要有如下几种。

(1)纯ALOHA(P-ALOHA):每个地球站一旦有数据需要发送,随时就可以发送。其主要优点是实现简单,系统业务量较小时时延较小(发送前无须等待);主要缺点是由于存在碰撞(遭遇碰撞的发送都发送失败,浪费了信道)且需要重发,吞吐率(单位时间内成功发送的数据量与信道全时传输时可传数据总量之比)较低,理论上的最高吞吐率只有0.184,并且存在信道不稳定性。

(2)时隙ALOHA(S-ALOHA):基本思想是在以卫星转发器入口为参考点的时间轴上等间隔地分出许多时隙(也叫时槽、时间片),各地球站只能在时隙的起始处开始发送,时隙结束就必须停止发送,每次发送占用一个时隙。由于在哪个时隙发送是完全随机的,碰撞仍然不可避免,但S-ALOHA比P-ALOHA的碰撞会少一些。S-ALOHA的优点是吞吐率比P-ALOHA增大一倍,理论上最高吞吐率可以达到0.368。

(3)具有捕获效应的ALOHA(C-ALOHA):基本思想是各地球站以不同的功率发送信号,即使发生碰撞,其中功率最大的信号也能够被正确地接收。通过合理设计各地球站的发射功率电平,可以改善系统的吞吐率(最高可达P-ALOHA的3倍)。

(4)选择拒绝ALOHA(SREJ-ALOHA):基本思想是对整个数据分组仍以P-ALOHA方式发送,但将每个分组分成若干个小分组,每个小分组插入各自的报头和前置码,这样接收端可以独立地接收每个小分组。如果发生碰撞,其中未遭遇碰撞的小分组能够被正确接收,只需要重发遭遇碰撞的小分组。SREJ-ALOHA具有P-ALOHA方式无须全网定时和同步、适合可变长度分组这两个重要优点,同时克服了P-ALOHA方式吞吐率低的缺点,其吞吐率可达0.2~0.3,但其实现要比P-ALOHA方式复杂。