新建-多址技术及其应用

多址通信技术及其应用摘要：新一代无线通信系统要求大容量、高速率、综合业务、适用于各种环境。在大、中型通信网中，众多的通信台、站利用同一颗卫星（或几颗卫星）的一个（或几个）信道的转发器复用方式，实现相互之间的长距离、大范围的多址通信。这种通信方式，既不受地域的限制，又不受气候的影响，十分方便、灵活，又便于通信保密。关键词：频分多址时分多址码分多址空分多址多址通信，就是通信网中各个通信台、站利用同一指定射频信道，进行相互间的多址通信。最典型的多址通信方式是卫星通信。在卫星通信中，多址通信技术就是指通信网中每个地面站利用同一颗卫星的信道（譬如一个转发器的信道）进行多边通信。所以多址通信实质上就是各地面站对一个转发器的复用方式。多址通信，按分配方式分，粗分有预分配制多址（PreassignedMultipleAcces.简称PMA）和按需分配制多址（DemandassignmentMultipleAccess,简称DAMA）两种。预分配制多址方式，是将有关两站间需要的线路，预先分配成固定的（也是相对的）专用线路，只供该两地面站间使用，又分为固定预分配多址和时间预分配多址等几种方式。按需分配制多址方式，是有关地面站需要通信时，临时分配给线路进行通信，当通信结束，此线路立即撤销。显然，按需分配制可以充分地发挥线路的利用率。按需分配多址又分为接收站可变多址、发送站可变多址、全可变多址等多种方式。转载于无忧论文网多址通信，按复用方式分，主要有频分多址、时分多址、码分多址和空分多址等四种。上述这些多址技术的实现都是基于对信号的某种参量（从广义上讲），例如频率、时间、波型（或码型）和空间，进行一定的分割和识别，以达到多址通信的目的，下面将上述四种多址方式分别进行介绍。一、频分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess.简称FDMA）各地面使用不同的载频（即将卫星转发器分成互不重叠的若干个频带）所构成的多址通信信道，称之为频分多址。又分为简单的频分多址和数字式的频分多址。简单的频分多址方式是由n个地面站组成卫星通信网。其中，每站的多路信号按频分复用方式组成群频，然后对射频进行频率调制。各站所用的载波频率互不相同，分别在一个转发器的指定频带内占有相应的位置，使各站信号的频谱互不重叠地共用一个转发器的频带W。这种通信方式在卫星通信中得到了比较多地使用，因为它的优点是技术成熟，设备非常简单。它的主要缺点有两点：1．行波管用作射频功率放大器时，在饱和工作点附近，它的射频效率最高。因此实际运用时，常常让它在饱和点附近工作，它成了一个非线性器件，输入的是各载频分量f1、f2……fn之和的信号，输出的信号中却产生了mfi+mj形成的许多新频率，既造成了交扰调制干扰，形成了高调噪波和串音干扰，又浪费了卫星电源的功率。为了避开比较严重的干扰频率，有些频带就不得不禁用，这又造成卫星频带的浪费，同时也会发生强者抑制弱者的现象。为了防止强者抑制弱者的现象，就要求各地面站对发射信号的功率进行严格控制，而这在实际操作时是不方便的，这种通信方式特别不适合发射功率不同的大小地面站的兼容。由于存在交调问题，在系统设计时，频率的分配往往比较麻烦。2．在多载频同时工作的情况下，由于存在交调干扰问题，转发器的有效信道数量急剧下降。有时甚至使信道的利用率仅达50%，当全是小容量地面站进行通信时，这个效率还会进一步降低。数字式的频分多址又分为斯派德（SPADE方式和每载波单信道（SCPC）方式。斯派德方式，是“每话路一个载波——脉码调制——按需分配——频分多址方式”的简称。它是在国际范围内投入商用的第一种全数字按需分配话音通信网络。斯派德系统是解决小容量线路充分利用卫星功率和线路利用率的一种有效方式。以36MHz宽波束转发器为例，斯派德方式具有以下特点：每个载波的容量只有一路话音信号；整个转发器等间隔地安排了800个载频，即800个单话路信道，这些信道是各站公用的，采用按需分配方式；对话路进行脉码调制（PCM），并用移相键控发射，因而抗干扰性能强；采用话音控制技术，仅在有话音信号时才发射载波，提高了卫星发射功率的利用率；线路的分配是由地面站自行安排的。由于斯派德方式具有以上特点，从而可以看出这种方式具有下列优点：线路的选择不是由主控站去控制，而是自己选择，因此当一个地面站出故障时，不会对整个通信系统造成影响；由于各地面站的时差，使电话通话的峰值分散了，提高了卫星线路的实际利用率；即使对通的地面站增加了，也不必增加现有站的设备；增设本站的线路时，只需增设信道装置的部分设备，不必更换本站设备。每载波单信道（SCPC）的全称是脉码调制/移相键控每载波单信道（PCM/PSKSCPC），它实质上是SPADE方式的一种预分配制的应用，它具有提供优良质量的高速数据传输和话音线路的能力。SCPC的设备基本上与SPADE设备相同，只要从SPADE终端机中将按需分配信号的转换装置及中频分配系统和联络线路拆掉，并把它们重新装配成一个完备面独立的终端机即可。SCPC可以采用和SPADE相同的转发器，因为两者都采用同样的通道间隔、每载波功率和调制方法。但是SCPC需要增加一个前向纠错编译码器和一个错乱器/反错乱器。已广泛使用过的PCM/PSK，SCPC可传输48、50和56kbit/s的数据速率。此外，还有一种△M/PSKSCPC，它采用3/4码率的卷积码，速率为32kbit/s，在C/N值低时能传输相当好的语言。二、时分多址（TimeDivisionMultipleAccess，简称TDMA）时分多址就是各站发射的信号在转发器内在时间上是互不重重叠的，即每个时刻始终只有一个地面站的信号通过转发器。与频分多址方式相比，这种技术主要具有下列几个方面的优点：避免了交调的产生，充分利用了卫星功率和卫星频带；各地面站的发射功率无需精确调整到相等同，不会产生强信号抑制弱信号的现象，因而大小站易于兼容；易于根据业务量的变化重新划定时隙或分帧长度来改变地面站的容量，因而更适应按需分配的工作方式；采用数字化话音插空技术可进一步提高系统容量；地面站的容量可以很简单地适应瞬时业务量的大小。时分多址通信也存在一些缺点，其中最主要的是这种系统要求各站之间在时间上保持严格的同步，包括载波同步、定时同步以及子帧同步。实现这些同步的技术比较复杂。TDMA的工作流程是这样的：各站的话音信号首先经过数字化处理，然后在群频信道上按时分方式复用起来，再对载频f作移相键控，最后，受同步系统的控制分别在△Tk’时段内发射给卫星。T是各站信号发射时间的总和，称为帧周期，或简称为帧，每帧内含K个子帧。帧周期通常取为125μS（对应于8KHz的取样频率）或125μS的某个倍数。在时分卫星通信中，各站的载频可以相同。任何站的时分多路复用信号，按其所需送往的站名的不同，以一定的分配信道的规律，分用△Tk’中不同的时段。例如，按最简单的分配规律，以第1#站为例：1#→2#，1#→3#……1#→K#的信号依次安排在一个子帧的时间之内，其它各站也作类似的相应安排。这种规律称为卫星信道的预分配。对于某一站来说，如要与其他任何站通信，就一方面在本站子帧的某个时段发出给对方的信号，另一方面可在对方站的子帧内相应的时段接收对方发给自己的信号，从而建立了双向通信。为了提高TDMA系统效率，增加容量，在工作过程中，对各站子帧进行缩短或加长，把不需要的通信能力暂时用到需要的地方。每一个帧都有一个报头，其后安排该站至其它各站的数字化话音信息。报头一般由以下几部分组成：1．保护时间——它是一段时间空隙，用以作为各子帧同步不准确时的保护段，以免各子帧互相重叠；2．载波和定时恢复时间——用作供收方恢复载波和定时同步信息的时间，载波和定时同步信息是移相键控信号解调所必须的；3．独特码——独特码时间的作用有二个：一是作为本子帧数字化话音信息起始时间的标志；二是作为本站站名的标志；4．测量控制——用来进行接收信道的测量，并标明信道分配的规律和指令；5．勤务时间——是各站机务人员的通信时间。时分方式的一切同步功能和动作指令都在报头中作了规定，因此，收信时首先就要收译报头，根据报头指令才能正确解调信号，并正确地选出与本站有关的信号。时分多址的具体方式很多，它们各有其优缺点，各有其用途。三、码分多址（CodeDivisionMultipleAccess,简称CDMA）码分多址的特征是：各站所发的信号往往使用整个转发器频带，而发射的时间任意。因此，各站所发信号，在时间上、频率上都可能互相重叠，信号的分割是根据它的在码型（波型）结构上的正交性来实现。对某站发出的某个信号，只有与之相匹配的接收机能够检测到它，而其它接收机将对它不起任何反应。码分多址方式的基本调制方法是频谱展宽调制，即发射信号所占带宽比基带信息大几十倍甚至上百倍，所以码分多址又称频谱展宽多址。码分多址的主要优点是：由于信号在编码变换后其频带展宽了，抗干扰能力加强了；恢复信号的设备比较简单，通信的接续相当机动灵活，只要同时通信的用户不超过界限（这个界限由互干扰决定），任一通信站的加入或退出都十分方便；当同时通信的站数减少时，通信质量会自动提高；保密性能好。码分多址也有其缺点：传输数据速率较低，不能充分利用频带；需要对上行功率进行控制，否则某些站会过多地使用卫星输出功率；收发方之间需要同步。码分多址的频谱展宽调制主要有两种方式，一种是噪声展宽频谱，另一种是跳频展宽频谱。码分多址方式在军事通仪中应用较多。四、空分多址（SpaceDivisionMultipleAccess简称SDMA）空分多址就是多个地面站利用天线的方向性来分割信号。各站发出的射频信号在时间上、频带上都可以相同，但它们在卫星上不会混淆。这是因为不同站的信号将瞄准不同的卫星点波束天线，利用多个点波束天线对信号的空间参量作正交分割，即信号在卫星转发器天线阵空间内位于不同的方位。在卫星上，则根据各站的要发往的方向，即时地把这些信号分别转接至相应的卫星发射天线，地面站通过方位选择方窄波束天线就可只收对方站的信号。在这种空分系统中，卫星具有类似于自动交换机的作用，所以有“空中交换站”之称。由于各站的射频信号在空间上互不重叠，因此各站射频信号的频率和时间即使相同也不会互相干扰。这样，同样的频带就可以容纳更多的用户，起到了“频率再用”（即多次运用同一频率）的效果。这在卫星频带严重不足而卫星功率富裕的场合，可以成倍地扩展通信容量。SDMA制有FDMA——SDMA与TDMA-SDMA两种。采用FDMA-SDMA时，卫星必须准备为各种规格的、数量很多的多址载波进行滤波和频率交换，这样，卫星转发器的重量和功率消耗就成了一个难题，并且由于行波管效率的损失，频分多址比时分多址的效率还要差。TDMA-SDMA的基本类型有两种，一种叫“转发器转换”式（TransponderSwitching），另一种叫“波束转换”式（BeamSwitching）。还有一种叫“混合的卫星转换时分多址”（Hybrid-SS-TDMA），它是上述两种基本类型的混合形式。这种型式通信的基本原理是：来自多个地面站的上行线路的TDMA帧，在卫星上按时间转换，重新编成发向各地面站的下行线路的帧，这样就实现了多址通信。在卫星内，通过时分开关矩阵回路把各地面站发来的时分多址信号重新编排。把所有上行线路中发向同一地面站的时分多址信号编成一个新的下行线路的时分多址的一帧，然后用控制信号去控制卫星转发的信道的转换开关，使它接通对应于指定地面站的窄波束天线和放大器，这样，下行的时分多址信号就经下变频和放大后转分下来。在地面站内，把时分多址信号解调，取出信号和同步信号，再通过控制单元，使在指定分帧内把信号送到对应用户的脉码调制译码器。空分多址方式必须有好几个同步过程：首先是每个地区站发到其它各站去的上行线路时分多址信号，进入卫星时必须保持各分帧之间的同步。其次是卫星转换开关必须分别与上行时分多址及下行时分多址帧保持严格同步。具体方法是选择某一天线波束内的一个地面站作为整个系