Iridium,Globalstar,Orbcomm卫星系统多址方式的研究

选择周期足够长的地址码；而为了便于实现则应选择产 生与捕获容易和同步建立时间较短的地址码。人们的通 常选择就是各种伪随机（PN）码。 2.1 卫星移动通信系统特点 卫星移动通信系统特点的最大特点是利用卫星通 信的多址传输方式，为全球用户提供大跨度、大范围、 远距离的漫游和机动、灵活的移动通信服务，是陆地蜂 窝移动通信系统的扩展和延伸，在偏远的地区、山区、 海岛、受灾区、远洋船只及远航飞机等通信方面更具独 特的优越性。卫星移动通信系统，按所用轨道分，可分 为静止轨道(GEO)和中轨道(MEO)、 低轨道(LEO)卫星移动 通信系统。GEO 系统技术成熟、成本相对较低，目前可 提供业务的 GEO 系统有 INMARSAT 系统、北美卫星移动 系统 MSAT、 澳大利亚卫星移动通信系统 Mobilesat 系统； LEO 系统具有传输时延短、路径损耗小、易实现全球覆 盖及避开了静止轨道的拥挤等优点，目前典型的系统有 Iridium、Globalstar、Teldest 等系统；MEO 则兼有 GEO、 LEO 两种系统的优缺点， 典型的系统有 Odyssey、 AMSC、 INMARSMT-P 系统等。另外，还有区域性的卫星移动系 统，如亚洲的 AMPT、日本的 N-STAR、巴西的 ECO-8 系 统等。 2.2 多址联接技术 目前， 卫星移动通信主要采用 TDMA 和 CDMA 多址 联接技术，不过 CDMA 技术被认为是更有发展前途的技 术，只是还处于试验开发阶段。WARC-92 为卫星移动业 务划分了频率，其中空到地链路 84.2MHz 带宽 (1525-1530MHz、2170-2200MHz、2483.5-2500MHz、 2500-2520MHz、1613.8-1626.5MHz)，地到空链路 66.5MHz 带宽(1610-1626.5MHz、1980-2010MHz、 2670-2690MHz)。由于卫星移动通信系统繁多，相互竞 争十分激烈，许多系统要到 21 世纪才能商用，而且我 国最需要卫星移动通信的地区，往往是不发达地区，作 为陆地蜂窝移动通信市场潜力巨大，但涉及我国频率使 用权益、通信主权、经营管理等诸多方面问题，目前不
式中：RB 是数据突发速率，Ri 是输入的数据速率，τ f 是时帧，τ i 是分帧长度 2、 TDMA 是一种无交调多址联接方式，这种方式 在任何时刻，只有一个载波信号通过转发器，并分时占 用转发器的全部带宽。转发器行波管(TWTA)可以工作在 饱和状态，因而能充分利用卫星功率的转发器带宽，无 交调，不会出现强信号对弱信号的抑制现象，组网通信 个大、小站可以兼容。 3、 TDMA 通信是一种数字通信，它具有数字通信 的许多优点，比如：便于保密；易于实现按需分配使用 新道；对各种业务适应性强且灵活，信息传输能力比 FDMA 方式大——如果采用“话音内插(DSI)”技术。传 输能力大致还可以增加一倍。还应指出，数字卫星通信 采用 TDMA 方式后，可以使用小口径天线的低成本地球 站来提供高速数据业务。这对目前任在发展的国内卫星 系统和采用卫星系统的大量用户要求传送数据及实现 数据交换业务是非常有利的。这种类型的典型例子就是 讨算机通信。目前研究表明，用地面的分组数据交换网 实现计算机通信是有效的，但网络控制比较复杂，如果 利用卫星的广播性能，就可简化这种系统的网络控制。 在采用时分多址技术的系统中，卫星转发器将在一 个 TDMA 帧内的不同子帧时隙接收井转发来自不同地球 站(它们都采用相同的载波)的突发脉冲(子帧)。也就是 说，每个地球站只在 TDMA 帧的一个子帧内接收和发送 突发脉冲。为了保证每个地面终端的突发(子帧)能在所 指定的子帧时隙到达卫星，对系统定时和信号格式将有 严格的要求。为此，每帧内的第一个子帧将由基准站发 出“基准”子帧，以作为同步和网控之用。TDMA 的帧 长一般都取 125µs 的整倍数。 Interlsat 系统通常采用 2ms 的帧长。 1.4 扩频多址技术（ SSMA）和码分多址技术 （ CDMA） 扩频多址（SSMA）系统的共同特点之一是扩频， 也就是说用于传输信息的信号带宽远大于信息带宽；共
同特点之二是在扩频的实现上，不论通过什么途径扩 频，但基本都是用一组优选的扩频码进行控制，正因为 此， 扩频多址又称为码分多址 （ CDMA） 。 或者说， CDMA 是在信号的扩展维——编码维上对无线信号空间进行 划分。顾名思义，码分多址就是给每个用户分配一个唯 一的扩频码（或称地址码） ，通过该扩频码的不同来识 别用户。对于扩频码的选择要求比较苛刻：在正交性上 当然要求它满足式 1，但实际中通常是准正交性，即自 相关性很强，而互相关性很弱；出于系统容量的考虑， 对于特定长度的地址码集还要求其能够提供足够多的 地址码；在统计特性上要求地址码类似白噪声以增强隐 蔽性，这在军事通信中尤为重要；为了提高处理增益应
1.1 多址联接的种类 目前，卫星通信中常用的多址联接人式是：频分多 址(FDMA， Frequency Division Multiple Access) 、 时分多址 (TDMA，Timc Division Multiple Access) 、空分多址也称卫 星交换—时分多址(SDMA or SS-TDMA，Spsce Division Multiple Access))、码分多址(CDMA， Code Division Multiple Access))和 ALOHA（Additive Links on-line Hawaii Area）方式。而一些混合多址技术，即上述四种多址技 术结合起来的研究，始终是发展中的新技术问题，其研 究成果有的已应用，如频分多址—时分(FDMA-TDMA)。 1.2 频分多址技术（ FDMA） 频分多址是最基本、最“古老”的一种多址方式， 其突出的优点是简单、可靠、便于实现。因此，在卫星 通信发展的初期，几乎都采用这种多址方式，至今也仍 然是一种主要的多址方式。 ， 使用 FDMA 方式无须对各载波间实施同步控制，因 而与 TDMA 方式相比设备结构比较简单。 尽管 FDMA 简单，易于实现，但系统小存在的一些关被问题必须妥 善解决就形成了 FDMA 若干特点。 首先，要求系统进行严格的功率控制。这个问题， 在功率受限时尤为突出。因为系统中某一地球站发射的 功率大于额定值，就会侵占卫星上发给其他地球站的功 率；反之，发射功率过小，又会影响通信质量。 其次，要设置适当的保护频带。这是因为，当相邻 频道的频谱成分落入本频道内时，就会引起“邻道十 扰” 。为了避免因载波漂移致使各载波频谱重叠，在各 载波占用的频带之间，要留有一定的间隙作为保炉频 带。 保护频带过宽， 则频带利用率降低； 保护频带过窄， 则要对卫星和地球站的频率资源和滤波器等提出苛刻 的要求。 第三，FDMA 的最突出问题是出于转发器工作在多 载波状态而引起的交调问题，所以要尽量减少交调的影 响。 对于频分多址卫星通信系统，转发器的带宽由多个 地球站共用。 常用转发器带宽为 27MHz、 36MHz、 54MHz 和 72MHz。 根据地球站业务要求的不同， FDMA 可以分为 SCPC/FDMA 和 MAPC/FDMA 两种类型。 SCPC 是单路单载 波，每个载波只传一路语言或数据。由于一个转发器包 含多个载波，则一个转发器通道可以承载数百路语言或 数据信道。一个地球站可以同时支持一个或多个 SCPC 载波。根据需要，每个通信方向可分配多个载波。MCPC 是多路单载波，即每个载波可以传送多路语言或数据。 对于 SCPC 方案，信道可以是预分配的，也可以是动态 分配的。
1/3
Iridium，Globalstar，Orbcomm 卫星系统的多址方式研究
陈ห้องสมุดไป่ตู้ 20100020
摘要：一个通信系统的基本任务是传输和交换含有信息的信号，信道条件不 同，通信要求不同，斤采用的信号传输方式和信号交换方式也不同。一般的无线 通信要涉及到基本的信号形式、 调制方式等问题。 卫星通信由于具有广播和大面 积覆盖的特点，特别适于多个站之间同时通信，又有其特殊的问题，即多址通信 的问题。 本文就卫星通信中常用的几种多址联接方式进行详细的分析比较，并将 Iridium， Globalstar， Orbcomm 卫星系统的多址方式进行整理。 关键词 ：卫星通信 多址联接 Iridium Globalstar Orbcomm
3/3
能操之过急。国家无线电委员会已对我国的“无线电频 率划分表”进行修改，相信对卫星移动业务的使用频率 的规划和分配会有所考虑。非对地静止卫星的使用，增 加了卫星间协调的难度，不仅非静止卫星之间需要进行 频率协调，非静止卫星与静止卫星之间、与地面无线电 业务之间都需要频率协调。 3.1 铱星（ Iridium）系统 铱星系统属于低轨道卫星移动通信系统，由 Motorola 提出并主导建设，由分布在 6 个轨道平面上的 66 颗卫星组成，这些卫星均匀的分布在 6 个轨道面上， 轨道高度为 780 km。 主要为个人用户提供全球范围内的 移动通信，采用地面集中控制方式，具有星际链路、星 上处理和星上交换功能。铱星系统除了提供电话业务 外，还提供传真、全球定位(GPS)、无线电定位以及全球 寻呼业务。从技术上来说，这一系统是极为先进的，但 从商业上来说，它是极为失败的，存在着目标用户不明 确、成本高昂等缺点。目前该系统基本上已复活，由新 的铱星公司代替旧铱星公司，重新定位，再次引领卫星 通信的新时代。 铱星（ Iridium）系统采用的是 TDMA/FDMA 多址方式 3.2 全球星 (Globalstar)系统 Globalstar 系统设计简单， 既没有星际电路， 也没有 星上处理和星上交换功能，仅仅定位为地面蜂窝系统的 延伸，从而扩大了地面移动通信系统的覆盖，因此降低 了系统投资，也减少了技术风险。 GIobalstar 系统由 48 颗卫星组成，均匀分布在 8 个轨道面上，轨道高度为 1389 km。它有 4 个主要特点：一是系统设计简单，可 降低卫星成本和通信费用；二是移动用户可利用多径和 多颗卫星的双重分集接收，提高接收质量；三是频谱利 用率高；四是地面关口站数量较多。 Globalstar 系统采用的是 CDMA 多址通信方式，相 同的一组频率在每颗卫星的 16 个点波束中再用。在每
一个频分子信道中，采用不同的伪随机码 (PN)来区别不 同的逻辑信道。 3.3、轨道通信 (Orbcomm)系统 Orbcomm 卫星通信系统是由美国轨道科学公司和 加拿大全球通信公司共同组建的全球卫星通信星座。 该系统具有投资小、 周期短、 兼备通信和定位能力、 卫星质量轻、用户终端为手机、系统运行自动化水平高 和自主功能强等优点。Orbcomm 系统由 36 颗小卫星及 地面部分(含地面信关站、 网络控制中心和地面终端设施) 组成，其中 28 颗卫星在补轨道平面上：第 l 轨道平面为 2 颗卫星，轨道高度为 736／749 km；第 2 至第 4 轨道 平面的每个轨道平面布置 8 颗卫星， 轨道高度为 775 km； 第 5 轨道平面有 2 颗卫星，轨道高度为 700km，主要为 增强高纬度地区的通信覆盖；另外 8 颗卫星为备份。 Orbcomm 系统可提供数据报告、信息报文、 全球数 据报和指令等基本业务。 Orbcomm 系统在设计阶段定位的应用领域主要包 括车辆、船只、飞机的跟踪定位；工业设备、输油气管 道、海洋与河流水位状态的远程监测；防汛抗旱、森林 火灾、环境污染的监测；气象资料、地震情报的收集， 商业信息、 金融证券、 股票期货市场的信息交流； 船队、 车队及个人之间的通信；公安、消防、银行等部门的专 业应用；配置 ORBCOM—MPCMCIA 卡，收发电子邮件。 目前，ORBCOMM 系统开展的业务主要有 3 类：一 是交通工具的跟踪定位、搜索目标、抢险救灾服务；二 是仪表的自动监测。广泛应用在水利、电力、油田、天 然气等行业， 完成数据的自动采集以及车辆、 管道运输、 环境的监控等功能； 三是信息传递， 包括收发电子邮件、 股票金融等信息。它直接连人 Intemet，以电子邮件的 形式为用户服务。可以说 Orbcomm 通信卫星系统是一 个太空中的电子邮件发送网，由于数据传输速率只 2400bit／s，Orbcomm 系统只能提供近实时的速率双向 数据通信业务，而不能提供话音，视频等业务。 Orbcomm 系统采用的是 TDMA 多址通信方式
s
s
f
t
s
f
t
f
t
(a) FDMA
(b) TDMA
(c) SDMA
多址方式
2/3
1.3 时分多址技术（ TDMA） TDMA 方式有以下特点。 1、 这种通信方式属于“间歇”通信形式，而不同 于一般的连续通信。各站的基带信号低速连续输入并存 储存缓冲器里，而在分配的时隙，以高速突发形式的脉 冲串调制裁波后发向卫星。接收到的分帧，在解调后也 先存入缓冲器，然后由高速突发变成低速连续输出。因 此，为了保证用户信息传输的连续件，对输入的数据率 需要按以下关系作“变速”处理：