卫星通信系统传输体制

卫星通信基本知识卫星通信系统传输体制分析与比较目录一、前言二、卫星通信体制基本概念三、卫星通信多址方式四、卫星通信多址方式的类别五、常用的卫星通信体制六、传输体制特点及优缺点一、前言在卫星通信传输体制中，由于数据VSAT网是个不对称网，上行和下行传输应选择不同的体制，主要考虑的原则是：上行传输：-主站发射信息量大，因此转发器的频带和功率利用率必须很高；-小站接收信息量小，要求的设备尽可能简单。下行传输：-小站发射信息量小，要充分利用小站的发射功率，尽量降低其发射功率，以使小站实用、经济；-主站接收来自多个小站的突发性业务，要求其信道解调设备能在足够短的时间内获得载波同步及位定时同步。对于数据VSAT网来说，不同的产品、不同的系统主要表现在采用不同的上/下行信道多址方式。二、卫星通信体制基本概念在数据VSAT网中上行信道的基带复用一般采用统计复用的TDM方式，而下行信道一般采用分组复用方式。目前，卫星系统的上行信道一般采用的方式有：TDM方式，功率和频带利用率最高，TDM方式有一些区别如：采用统计复用，采用扩频技术；DVB方式，主要用于需要高速率（10M以上）上行信道时使用。上行信道的多址访问是通过帧格式中的地址域来完成的，一般讨论的卫星体制主要是对上行信道回传方式的体制问题，即卫星通信多址连接方式。三、卫星通信多址方式对于下行信道可采用固定分配、按申请分配和随机争用（指ALOHA一类）等几种多址访问方式；多址方式是无线通信特有的术语。相对于有线通信使用各种电缆或者光缆作为传输介质而言，无线通信使用的是电磁波作为其传输信号的载体。由于电磁波传输是在一个开放的空间中进行的，无法象有线通信一样通过介质隔离信道，尤其由于卫星信道使用费用相当昂贵的原因，造成卫星通信网中的登记用户数常常远大于同一时刻实际请求服务的用户数的现状，因此，利用多址方式区别各小站下行信道的标示，以确实现卫星信道的介质隔离。三、卫星通信多址方式多址技术要解决问题是：将有限的通信资源在多个用户之间进行有效的切割与分配；在保证多用户之间通信质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得较高系统容量；通过对多维无线信号空间的划分，实现通信资源的切割与分配；不同的维（时域、频域和空域）的不同划分就对应着不同的多址技术。多址方式所要完成的任务：将信号空间划分，使得各用户的无线信号之间在所划分的维上达到正交，用户共享有限的通信资源而不相互干扰。具体到卫星通信系统中，在同一颗通信卫星覆盖的区域里，地面站是通过通信卫星的中继与其他地面站进行通信的，这个过程需要地面站分别与通信卫星建立连接。那么，如何在各个地面站不相互干扰的情况下，识别接收到的信号是谁发的，又是发给谁的，所有用户如何合理的利用系统公用信道等等。四、卫星通信多址方式的类别我们可以把多址方式理解为卫星通信在链路层的协议。多址方式分为以下几大类：ALOHA方式：随机征用方式FDMA方式：频分多址方式TDMA方式：时分多址方式CDMA方式：码分多址方式4.1多址方式-ALOHA方式ALOHA方式又有纯ALOHA（P-ALOHA）以及时隙ALOHA、选择拒绝－ALOHA等几种变种；P-ALOHA是最早出现的多址方式，纯ALOHA又叫异步ALOHA，各站使用共享信道是通过争用的方式实现的，其信道不设置时隙，也没有网络同步信号，各个端站可以随时向信道发送信息；当发生碰撞时，解决的办法是随机的延迟重发受碰撞的分组数据，如下图所示：站1站2tt冲突重发4.2多址方式-FDMA方式FDMA频分多址方式是：各站在工作的时候分配一个固定的，频率位置、带宽不变载波，载波频率不同，以此确定各站的发射和接收频谱；各站利用基带的频分多路复用或时分多路复用将发往不同站的信号安排在不同的群路上，以识别并取出发到该站的信号；复用后的信号调制到分配给该站的载波上发往卫星；各站接收卫星信号，解调后各站由滤波器取出只属于本站应收的基群，便完成了两站的信号传送。4.2多址方式-FDMA方式FDMA可分为单址载波方式和多址载波方式。单址载波方式是指一个载波仅包含发给一个地球站的信号。一个地球站同多个地球站通信时则发多个载波，即为SCPC单路单载波方式；多址载波方式是指一个地球站只发一个载波，利用基带中的频分多路复用或时分多路复用区分将发往不同地球站的信号。单址载波改变线路容量比较容易，而地球站数量较多的频分多址卫星通信系统中，多址载波可以减少转发器上载波的个数，从而降低互调对系统的影响。下图是频分多址的两种载波方式系统示意图：4.2.1FDMA-单址载波4.2.1FDMA-多址载波4.3多址方式-TDMA方式TDMA时分多址：各端站共享一个大的载波，将载波按时间分配给各端站使用，也即每个端站在同一带宽以同一频率按时间的先后顺序发送自己的载波脉冲串。卫星链路的容量等于单位时间内发送的比特数TDMA方式中，如果某端站想获得与采用FDMA相同的射频链路容量，则该站必须发送较高的比特率。而载波所需功率与其比特率成正比，再考虑到端站突发之间的保护时隙，对端站的功放而言，TDMA方式要比FDMA方式所需的功率大很多。4.3.1TDMA/DAMA/FH方式纯TDMA方式要求的大功率阻碍了技术的应用，为降低TDMA方式所需的功率，加入了DAMA以及跳频FH(FrequencyHopping)技术：DAMA技术：端站的分配时隙按业务量的大小改变；FH技术：将大载波分成几个小载波，必要可变换不同载波工作。多载波TDMA/DAMA/FH方式避免了使用大的TDMA载波，降低了小站发射功率和成本，但引入了卫星转发器和端站功放的多载波功率回退问题，所以必须在设计时找到一个最佳的折衷点。下图为TDMA方式示意图：4.3.2TDMA方式示意图4.4多址方式-CDMA方式CDMA码分多址：各端站使用不通的识别码实现站点之间业务信息传输区别；CDMA方式结合扩频技术，可有效的增加信号识别率（解调门限值），提高信息传输的抗干扰能力，降低了站点发射功率需求，同时也造成了卫星频带占用的增加。目前来说，CDMA方式主要为各国军方使用，民用系统还没有采用此种方式的卫星通信系统。五、常用的卫星通信体制目前国际上主流的VSAT系统传输体制有以下几种：TDM（DVB）/TDMA；TDM/SCPC/DAMA；MF-TDMA；DVB-S25.1TDM（DVB）/TDMA传输体制TDM（DVB）/TDMA系统为典型的星状网络系统:出境信道为TDM或DVB载波，入境信道为TDMA载波；5.2TDM/SCPC/DAMA传输体制TDM/SCPC/DAMA系统为系统,可组成星状、网状网:主站出向为TDM广播信道，小站回传为频率DAMA池，根据小站业务需求，主站分配频率，小站在DAMA池内指定频点上发射载波。5.3MF-TDMA传输体制MF-TDMA体制又称纯TMDA体制，典型网状网结构，同组各站均发射相同带宽卫星载波，同时接受此载波，实现站与站之间双跳连接。多业务情况下，以跳频方式实现业务大带宽需求。六、传输体制特点及优缺点根据不同的用户需求的不同，选择适合体制卫星通信系统：TDM/TDMA：初期投资较大、业务灵活、带宽利用率较高、运营成本一般，扩容成本较低；DVB/TDMA：初期投资最大，最高速率出向载波最高，适合高出境低回传不对称业务，初期投资最高，扩容成本较低，运营成本最高；TDM/SCPC/DAMA：初期投资较低，业务灵活，带宽利用率高，运营成本低，扩容成本较低；MF-TDMA：小网状网络中，建设成本低，业务灵活，带宽利用率一般、运营成本较低，扩容成本最高；DVB-S2：新的传输体制，双向DVB载波，建设成本高，终端设备昂贵，运营成本最高；6.1TDM（DVB）/TDMA传输体制TDM/TDMA系统为典型的星状网络系统,可以分为两种:一是以休斯PES和Gilat的SkyBlaster为代表的低速TDM/TDMA（Aloha）系统，主要特点是出/入境速率较低，仅为几百Kbps，而且该体制系统产品也仅能支持星状网络应用，已不能满足当前市场的需求，逐渐退出市场；二是以ViaSat的Linkstar、iDrecit、休斯的Directway7000以及Gilat的SkyEdge系统为代表的新一代的TDM（DVB）/TDMA系统。新一代的系统具有出入境速率高（出境2Mbps～45Mbps，入境最高2～4Mbps），支持星状网络。6.1TDM（DVB）/TDMA传输体制（续）出境载波使用带宽不灵活，采用DVB出向信道的话最小必须占用2M以上带宽；TDM/TDMA体制只支持星状网络，远端小站的业务通信只能通过主站转发，网络灵活度差；远端小站目前最高只支持4M回传速率，不利于用户需要的大数据视频传输；TDM(DVB)/TDMA传输体制由于共享载波，时分争用信道，所以建链时间长、传输时延大。典型的TCP传输时延在卫星“单跳”连接时，信道时延一般为750毫秒，在卫星“双跳”的情况下，传输时延可达1500毫秒，不能满足实时要求性高的信息传输要求。6.2TDM/SCPC/DAMA传输体制TDM/SCPC/DAMA体制具有体制简单、理解容易、便于安装使用等特点。目前最新的SCPC系统由于采用新的网络管理技术，而且集成最新的调制、解调、IP等技术，也发展成为带宽利用率高、网络支持能力强、系统配置简单、终端价格低的高性价比产品:支持星状、网状、树状和混合状网络拓扑，可以支持中心站和多级节点站网状连接；带宽使用的灵活，根据用户的需求，可以使用非常少的带宽（几百KHz）就可以使系统处于正常运转状态,同时可以迅速转换到高速传输状态；远端小站支持最高为5-8M的回传速率；6.3MF-TDMA传输体制MF-TDMA体制是一个较为复杂的技术体制，但经过近十年的应用和完善，在VSAT系统中已成为一个成熟和可靠的系统体制，可以在一个卫星平台实现综合实现高速同步/异步数据、话音、视频会议、多协议数据等业务的全网状应用;具有支持混合网络结构、支持多种业务传输、设备配置简单、接口丰富、抗干扰能力强等优点;传统的MF-TDMA系统对IP协议支持较弱，与目前地面网络普遍使用的TCP/IP网络互联互通效率较低、业务使用不便。创新，保障，共赢航天恒星空间技术应用有限公司作为专业的卫星通信产品制造商和系统集成商，应充分理解和分析用户实际业务需求，选择正确的、适合用户使用要求和业务特点的卫星通信体制。提供完整的、满足用户使用要求的卫星通信系统，既是航天恒星的优势，也是航天恒星为用户全心全意服务的职责所在。航天恒星坚持“用户至上、优质服务”理念，竭诚为用户建设安全、稳定、可靠的综合业务传输卫星通信系统。谢谢