話(huà)說(shuō)衛(wèi)星通信多址技術(shù)

+　周珊 沈永言　中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)有限公司

話(huà)說(shuō)衛(wèi)星通信多址技術(shù)

+周珊 沈永言中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)有限公司

多址技術(shù)又稱(chēng)為多址接入技術(shù)，是無(wú)線(xiàn)通信的核心技術(shù)之一，主要用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同地址的用戶(hù)終端共享有限的射頻信道。衛(wèi)星通信是一種重要的無(wú)線(xiàn)通信方式，衛(wèi)星通信多址技術(shù)就是用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)地球站共享指定的、有限的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬資源。

多址技術(shù)的本質(zhì)是通信信道復(fù)用，其理論基礎(chǔ)是信號(hào)的正交分割原理。常見(jiàn)的多址技術(shù)有頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）和空分多址（SDMA），它們是不同維度的信道復(fù)用方式，如圖1所示。其中，F(xiàn)DMA、TDMA、SDMA已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信之中。

圖1：不同維度的多址方式

FDMA

FDMA是無(wú)線(xiàn)和衛(wèi)星通信中最早使用一種多址技術(shù)。FDMA系統(tǒng)中不同的終端用戶(hù)占用不同的頻率，它們?cè)跁r(shí)間和空間維度上是重合的。這與在同一場(chǎng)合中男中音和女高音可以同時(shí)唱歌，聽(tīng)眾可以同時(shí)分辨有點(diǎn)類(lèi)似，如圖2所示。

圖2：FDMA基本原理

在衛(wèi)星通信中，F(xiàn)DMA可以分為單路單載波（SCPC）和多路單載波（MCPC）兩種類(lèi)型。SCPC是每一路話(huà)音或數(shù)據(jù)占用一個(gè)載波，MCPC是多路語(yǔ)音或數(shù)據(jù)占用一個(gè)載波。MCPC按所采用的基帶信號(hào)類(lèi)型又可分為FDM-FM-FDMA和TDM-PSK-FDMA方式。FDM-FM-FDMA中的基帶模擬信號(hào)首先以頻分方式復(fù)用在一起，然后調(diào)制到一個(gè)載波上，最后再以FDMA方式發(fā)射和接收。TDM-PSK-FDMA首先將多路數(shù)字基帶信號(hào)用時(shí)分方式復(fù)用在一起，然后以PSK方式調(diào)制到一個(gè)載波上，最后再以FDMA方式發(fā)射和接收。相對(duì)來(lái)講，MCPC信道利用率更高，而SCPC可靠性更好，因而常用于應(yīng)急于通信。

TDMA

TDMA系統(tǒng)中不同的終端用戶(hù)在不同的時(shí)隙發(fā)射和接收信號(hào)，但在頻率、空間等維度上是重合的。這好比在同一個(gè)會(huì)場(chǎng)中，大家交替說(shuō)話(huà)，以到達(dá)互不干擾之目的，如圖3所示。

圖3：TDMA基本原理

在TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，每個(gè)地球站需要在在TDMA特定的子幀時(shí)隙內(nèi)發(fā)送和接收突發(fā)信號(hào)。不同地球站在時(shí)間上是嚴(yán)格依次排列、互不重疊的。為此，系統(tǒng)對(duì)定時(shí)和信號(hào)格式有嚴(yán)格的要求。

在實(shí)際應(yīng)用中，TDMA還可以與其它多址方式結(jié)合使用，以擴(kuò)大帶寬容量，提高應(yīng)用靈活性和抗雨衰等能力。如MF-TDMA（多頻時(shí)分多址）就是FDMA與TDMA的結(jié)合，這已廣泛應(yīng)用于寬帶接入等業(yè)務(wù)之中。

CDMA

CDMA系統(tǒng)利用自相關(guān)性非常強(qiáng)而互相關(guān)性比較弱的一組地址碼對(duì)不同用戶(hù)的基帶信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻，然后再用擴(kuò)頻后的信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。CDMA系統(tǒng)中不同的終端用戶(hù)使用不同的正交碼，它們?cè)陬l率、時(shí)間和空間上是重合的。這如同說(shuō)不同語(yǔ)言的人可以在一起同時(shí)說(shuō)話(huà)，如圖4所示。

圖4：CDMA基本原理

CDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)適用于用戶(hù)終端眾多，而鏈路傳輸速率又較低的場(chǎng)合，比如衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)或稀路由的VSAT系統(tǒng)。

SDMA

SDMA系統(tǒng)中不同用戶(hù)可以同時(shí)在不同的空間中使用相同的頻率或碼子。地面移動(dòng)通信系統(tǒng)之中蜂窩小區(qū)就是典型的SDMA，后來(lái)逐步被應(yīng)用到衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)之中。近年來(lái)，為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的帶寬需要，SDMA又被應(yīng)用到Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)之中。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，SDMA主要是以多點(diǎn)波束的形式出現(xiàn)的，它利用衛(wèi)星天線(xiàn)的方向性和用戶(hù)的地區(qū)隔離性實(shí)現(xiàn)信道的復(fù)用。

SDMA應(yīng)該算是最原始的信道復(fù)用方式，它與人們?cè)诓煌臅?huì)場(chǎng)可以同時(shí)開(kāi)會(huì)道理是一樣的，如圖5所示。

圖5：SDMA基本原理

實(shí)際案例

在實(shí)際通信衛(wèi)星系統(tǒng)中，SDMA是以多點(diǎn)波束形式出現(xiàn)的，它常常與FDMA、TDMA、CDMA組合使用的，這樣頻率資源利用率才能達(dá)到最大化。例如，多點(diǎn)波束已廣泛應(yīng)用于以前的Iridium、InmarsatⅢ-Ⅳ、Globalstar、ACeS、Thuraya等衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，以及現(xiàn)今的Ka-Sat、Viasat 1、Jupiter 1、InmarsatⅤ、O3b等衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)之中。至于FDMA、TDMA和CDMA，它們則是以不同的組合形式應(yīng)用相關(guān)衛(wèi)星通信系統(tǒng)之中。如FDMA/TDMA應(yīng)用于Iridium、ACeS和Thuraya，F(xiàn)DMA/CDMA應(yīng)用于Inmarsat Ⅳ和Globalstar。

未來(lái)方向

由于用戶(hù)數(shù)量和數(shù)據(jù)量的不斷增長(zhǎng)以及現(xiàn)有可用頻率的有限性，無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量很大程度上要通過(guò)SDMA來(lái)解決，如微蜂窩和多輸入多輸出（MIMO）等。由于衛(wèi)星通信軌位和頻率資源的有限性，多點(diǎn)波束必將越來(lái)越多地應(yīng)用于C和Ku頻段等常規(guī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)之中，其擴(kuò)容的潛力和應(yīng)用的意義是顯而易見(jiàn)的。實(shí)際上，Ipstar和Intelsat EPIC等衛(wèi)星系統(tǒng)已率先在一般C、Ku通信衛(wèi)星上應(yīng)用了多點(diǎn)波束技術(shù)。