话说卫星通信多址技术

+　周珊 沈永言　中国卫通集团有限公司

话说卫星通信多址技术

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多址技术又称为多址接入技术，是无线通信的核心技术之一，主要用于实现多个不同地址的用户终端共享有限的射频信道。卫星通信是一种重要的无线通信方式，卫星通信多址技术就是用于实现多个地球站共享指定的、有限的转发器带宽资源。

多址技术的本质是通信信道复用，其理论基础是信号的正交分割原理。常见的多址技术有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA），它们是不同维度的信道复用方式，如图1所示。其中，FDMA、TDMA、SDMA已广泛应用于卫星通信之中。

图1：不同维度的多址方式

FDMA

FDMA是无线和卫星通信中最早使用一种多址技术。FDMA系统中不同的终端用户占用不同的频率，它们在时间和空间维度上是重合的。这与在同一场合中男中音和女高音可以同时唱歌，听众可以同时分辨有点类似，如图2所示。

图2：FDMA基本原理

在卫星通信中，FDMA可以分为单路单载波（SCPC）和多路单载波（MCPC）两种类型。SCPC是每一路话音或数据占用一个载波，MCPC是多路语音或数据占用一个载波。MCPC按所采用的基带信号类型又可分为FDM-FM-FDMA和TDM-PSK-FDMA方式。FDM-FM-FDMA中的基带模拟信号首先以频分方式复用在一起，然后调制到一个载波上，最后再以FDMA方式发射和接收。TDM-PSK-FDMA首先将多路数字基带信号用时分方式复用在一起，然后以PSK方式调制到一个载波上，最后再以FDMA方式发射和接收。相对来讲，MCPC信道利用率更高，而SCPC可靠性更好，因而常用于应急于通信。

TDMA

TDMA系统中不同的终端用户在不同的时隙发射和接收信号，但在频率、空间等维度上是重合的。这好比在同一个会场中，大家交替说话，以到达互不干扰之目的，如图3所示。

图3：TDMA基本原理

在TDMA卫星通信系统中，每个地球站需要在在TDMA特定的子帧时隙内发送和接收突发信号。不同地球站在时间上是严格依次排列、互不重叠的。为此，系统对定时和信号格式有严格的要求。

在实际应用中，TDMA还可以与其它多址方式结合使用，以扩大带宽容量，提高应用灵活性和抗雨衰等能力。如MF-TDMA（多频时分多址）就是FDMA与TDMA的结合，这已广泛应用于宽带接入等业务之中。

CDMA

CDMA系统利用自相关性非常强而互相关性比较弱的一组地址码对不同用户的基带信号进行扩频，然后再用扩频后的信号对载波进行调制。CDMA系统中不同的终端用户使用不同的正交码，它们在频率、时间和空间上是重合的。这如同说不同语言的人可以在一起同时说话，如图4所示。

图4：CDMA基本原理

CDMA卫星通信系统适用于用户终端众多，而链路传输速率又较低的场合，比如卫星移动通信系统或稀路由的VSAT系统。

SDMA

SDMA系统中不同用户可以同时在不同的空间中使用相同的频率或码子。地面移动通信系统之中蜂窝小区就是典型的SDMA，后来逐步被应用到卫星移动通信系统之中。近年来，为了满足日益增长的带宽需要，SDMA又被应用到Ka频段宽带卫星通信系统之中。在卫星通信系统中，SDMA主要是以多点波束的形式出现的，它利用卫星天线的方向性和用户的地区隔离性实现信道的复用。

SDMA应该算是最原始的信道复用方式，它与人们在不同的会场可以同时开会道理是一样的，如图5所示。

图5：SDMA基本原理

实际案例

在实际通信卫星系统中，SDMA是以多点波束形式出现的，它常常与FDMA、TDMA、CDMA组合使用的，这样频率资源利用率才能达到最大化。例如，多点波束已广泛应用于以前的Iridium、InmarsatⅢ-Ⅳ、Globalstar、ACeS、Thuraya等卫星移动通信系统，以及现今的Ka-Sat、Viasat 1、Jupiter 1、InmarsatⅤ、O3b等卫星宽带通信系统之中。至于FDMA、TDMA和CDMA，它们则是以不同的组合形式应用相关卫星通信系统之中。如FDMA/TDMA应用于Iridium、ACeS和Thuraya，FDMA/CDMA应用于Inmarsat Ⅳ和Globalstar。

未来方向

由于用户数量和数据量的不断增长以及现有可用频率的有限性，无线通信系统的容量很大程度上要通过SDMA来解决，如微蜂窝和多输入多输出（MIMO）等。由于卫星通信轨位和频率资源的有限性，多点波束必将越来越多地应用于C和Ku频段等常规卫星通信系统之中，其扩容的潜力和应用的意义是显而易见的。实际上，Ipstar和Intelsat EPIC等卫星系统已率先在一般C、Ku通信卫星上应用了多点波束技术。