冯少栋，吕晶，张更新，李广侠
解放军理工大学通信工程学院卫星重点实验室
摘 要：由于篇幅关系，“宽带多媒体卫星通信系统中的多址接入技术”分为上下两个篇次。上篇主要是明确多址接入体制在宽带多媒体卫星通信系统中的地位和作用，在简述基本多址接入方式的基础上，对几种多址方式应用在宽带多媒体卫星通信系统中的可行性进行简要分析和比较。本篇主要对当前宽带多媒体卫星通信主流技术体制—MF-TDMA进行详述，并对在将来宽带多媒体卫星通信系统中十分具有应用前景的对称载波多址接入(PCMA)技术进行介绍。
关键词：宽带多媒体卫星，多址接入，多频时分多址接入
3 MF－TDMA
多频时分多址接入(MF-TDMA)是将FDMA和TDMA体制相结合的一种混合多址接入方式。作为目前宽带多媒体卫星通信系统所采用的主流体制，MF-TDMA允许众多用户终端共享一系列不同速率的载波，每个载波进行时隙划分，通过综合调度时频二维资源，达到资源的灵活分配。图2给出了MF-TDMA原理示意图。从图中可以看出，在MF－TDMA系统中，每个载波是时分使用的，每个载波的TDMA速率可以相同也可以不同，甚至同一载波不同时隙的载波速率也可以不同。同传统单载波TDMA系统相比，由于载波速率降低，大大降低了用户终端的发送能力要求，通过使用不同速率载波的组合可构成一个能够同时兼容大、小用户终端且具有灵活组网能力的宽带多媒体卫星通信系统。当MF-TDMA系统的空中速率逐步提高，载波数逐渐变小，当空中速率高到一定程度载波数为1时，对应的就是传统的高速TDMA体制。当MF-TDMA系统的空中速率逐步降低，载波数逐渐增多，当空中速率低到用户终端的速率时，对应的就是FDMA(SCPC)体制。
图 2 MF－TDMA示意
根据用户终端的跳频能力，MF－TDMA可分为静态MF－TDMA和动态MF－TDMA[2] 两种。静态MF-TDMA[2] (如图3所示)是指一个终端在连续发送信号的过程中，载波的速率、时隙的宽度及突发的配置(调制编码方式等)都保持不变，即静态MF-TDMA不能在不同速率载波上连续跳频，只能在速率相同、频点不同的载波上进行跳频，而且载波时隙的大小、突发的配置也必须是一样的，如果用户终端需到不同速率的载波，则需要网控中心进行配置，终端将通信中断，调整过后继续工作；而动态MF-TDMA[2] (如图4所示)在连续发送信号过程中，载波的速率、时隙的宽度、突发的配置都可以实时灵活改变。即动态MF－TDMA可以在不同速率的载波上连续跳频，动态MF－TDMA的优点是可以更有效的适应多媒体业务的通信需求。
根据用户终端的频率切换速度，MF-TDMA可分为快速跳频(fast hop)和慢速跳频(slow hop)两种[3] ，快速跳频是指终端可以在连续的时隙上“跳频”，利用时隙突发中的保护时间进行频率的切换，保护时间通常根据实际情况为几个到十几个符号长度。“慢速跳频”指终端无法在连续的时隙“跳频”，频率之间的切换需要至少1个时隙的时间，但通常切换时间不超过1s。慢速跳频终端在实现代价上相对较低，快速跳频终端则更加灵活，可以更好的适应多媒体业务需求。在设计资源分配算法时需要考虑到终端的跳频能力，对于“慢速跳频”终端，一帧内的时隙通常连续分配在同一个载波内，即“慢速跳频”终端在帧内不跳频。
MF-TDMA的优点：具备一点到多点通信能力，可灵活组成各种网络结构，具有中高速数据通信能力，可对信道资源进行动态分配，实现对IP多媒体业务的灵活支持。
MF-TDMA的缺点：需要多个载波上实现全网同步，资源分配算法更复杂，由于是多载波工作，因此会带来互调噪声的影响。
图3 静态MF-TDMA示意
图 4动态MF－TDMA示意
3.1 MF－TDMA体制分类
MF-TDMA体制的实现需要解决时间基准的提供、初始捕获、同步保持、功率和频率控制、突发发送和接收、资源申请和分配以及综合业务接入等诸多关键技术。MF-TDMA技术体制既可应用于基于透明转发器又可应用于再生转发器，但需要根据不同的卫星转发方式及应用情况对MF-TDMA技术体制进行合理设计。根据MF-TDMA体制应用的转发器类型可分为透明转发体制和再生转发体制两大类[4] 。
3.1.1透明转发体制
透明转发即卫星不对信号进行再生，也称弯管式转发，可进一步分为单波束内透明转发和多波束间透明转发，多波束间透明转发需要通过微波交换矩阵或波束交链实现。
(a)单波束内透明转发体制
单波束透明转发体制较为简单，它一般由一个中心站和若干个远端站组成。中心站发送参考信号作为全网的时间基准，其它远端站以该信号为基准在分配给本站的时隙内发送突发数据。
单波束透明转发MF-TDMA系统组网以及系统功能的实现全部由地面终端来完成，因此它的帧结构及参数、捕获与同步等可以根据具体应用情况灵活设计。跳载波设计也可以根据需要设计为发跳收不跳、发不跳收跳或收发全可跳方式。典型系统有德国诺达公司的SkyWAN系统等。
(b)星上微波交换矩阵多波束体制
微波矩阵交换方式下，对于需要与其他波束内用户终端进行通信的某个用户终端来说，其上行链路的突发发射时间必须要处在某个特定的时隙上，以便转发器能够根据其时隙位置选路到相应的下行链路波束上。与透明转发TDMA系统相比，资源分配的灵活性降低。另外由于星上采用多波束交换方式，处于某个波束内的用户终端发射的信号可能被选路到其他波束，用户终端无法通过信号收发自环实现定时。解决办法有两种：一是将所有站同步到参考突发上；二是在每帧中设置一个同步时隙，在此时隙内，星上交换矩阵都把每个上行链路波束的信号回送到同一波束的下行链路。
该体制下的MF-TDMA系统的网络初始捕获时间一般较长，另外需要针对TDMA体制对转发器进行复杂和特殊设计，如微波矩阵的切换方式等，日本于2008年发射的宽带多媒体通信卫星“WINDS”就配置了这种微波交换矩阵。
(c)静态交链频段转发多波束体制
静态交链频段转发多波束体制可与多波束FDMA等体制兼容，主要通过帧结构的特殊设计以及用户终端功能的合理配置来实现MF-TDMA系统的组网，对星上设备的要求较低，只需具备波束间的交链功能即可。实现方式可分为两类：一类是单参考站系统；另一类是多参考站系统。单参考站设计主要用于波束数目较少的场合；在多参考站体制下，所有参考站需要标校在一个主参考站。目前Viasat公司的LinkwayS2可基于MF-TDMA实现多波束交链组网，如图5所示。
图 5 LinkwayS2多波束交链组网示意
3.1.2再生转发体制
对于再生转发体制，MF-TDMA信号在星上经过下变频和数字采样后，还要进行解调和译码的再生处理，比较有代表性的是MF-TDMA/TDM体制；基于MF-TDMA/TDM 体制，星上实现信号再生后送入交换机，由交换机选路到合适的下行波束进行调制转发，典型代表有美国休斯网络系统公司的Spaceway3系统。
MF-TDMA/TDM系统具有以下优点：可以增大卫星的EIRP(有效全向辐射功率)，并降低对终端用户的EIRP要求，允许用户终端采用小口径天线；上行链路可以灵活地支持综合业务传输和大小用户终端的同时工作，下行可以更有效地利用卫星宝贵的EIRP资源。MF－TDMA/TDM系统的设计需要解决以下几个主要关键技术：
MF-TDMA帧结构设计
MF-TDMA带宽动态分配技术
用户终端初始捕获、同步保持、功率和频率控制技术
星载高速交换技术
星载多载波群路解调技术
星载高速调制技术
3.2带宽资源划分方式
在MF-TDMA系统中，带宽资源主要是指“时-频”二维资源，为了实现带宽资源的高效灵活分配，MF－TDMA系统通过超帧、帧、时隙、突发等多个层次在“时-频”二维空间进行划分。
(1)超帧
超帧是无线资源分配的基本单元，由于卫星覆盖区内通常会有多个相对独立的网络，这些网络分属不同的服务提供商，为便于管理，通常将一个服务提供商网络分为一个或若干组，每组用户共同使用一组不同速率的载波，这样组内的用户可以以统计复用的方式共享上行链路资源，这一组载波所占用的时频资源就称为一个超帧，用一个超帧ID来表示，如图6所示。每个超帧ID都通过超帧计数器(Superframe counter)进行计数，一般来说，超帧长度决定系统资源分配的最小单位，一般来说，超帧的长度就是系统分配资源的周期。
图 6 MF-TDMA中的无线资源分割
(2)帧
超帧由若干帧组成，帧是界于超帧和时隙中间的一个单位，它的引入是为了信令的高效传输(主要指前向信道的信令)和缩短最小分配时延。超帧内的帧通常按照先频率后时间的规则进行编号，如图7所示，编号从0开始，最大不超过31，也就是一个超帧内最多有32个帧，超帧内的各个帧在时长、带宽、时隙的分配上可能会有所不同，当然也有可能超帧长度和帧长度相同，这种情况下各个帧只是在频率上对一个超帧进行了划分(比如一个超帧中有三个载波，每个载波就相当于一个帧)。帧也有ID号，主要用于标识帧内时隙的排列方式，例如：ID=0表明一帧内有10个业务时隙，ID=1表明前一帧内前5个是业务时隙，后5个是信令时隙。
图 7 超帧结构示意图
(3)时隙
帧由若干时隙组成，通常情况下一帧内的时隙都在一个载波上，但个别情况下这些时隙也可以在不同的载波上即一个帧也有可能包含多个载波(如图8所示)。一帧内时隙按照先频率后时间的规则进行编号，一般情况下，一帧中时隙的个数不得超过2048个。每一个时隙可以由超帧_ID(Superframe_ID)， 超帧计数器(Superframe_counter)，帧计数器(Frame_number)和时隙计数器( Timeslot_number)进行标识，这也就是TBTP(时隙突发计划表)中所要表述清楚的。对于终端来说，从收到TBTP到发送之间的准备时间需在90ms以内。
图 8 帧结构示意图
(4)突发
终端在时隙内以突发(burst)的形式发送上行链路数据，即一个时隙内发送一个突发，突发一般由前导(由导频序列和独特字构成)和实际有效数据净荷组成，如图9所示。考虑到终端同步存在一定的误差以及突发调制存在功率上升和下降时间，因此每个时隙的突发前后分别都留有一定的保护时间，以防止相邻时隙内突发之间出现交错。
图 9 时隙结构示意图
4 PCMA技术
随着大型移动载体(火车、轮船、飞机)的需求越来载迫切，为了降低小型“动中通”天线旁瓣功率谱密度，基于扩频的MF-TDMA成为一种新的解决方案，但与此同时带来转发器频谱利用率不高的问题，载波成对多址接入(PCMA Paired Carrier Multiple Access)技术可以有效提高频谱资源利用率，在宽带“动中通”中具有良好的应用前景。
PCMA是由美国ViaSat 公司的Mark Dankberg 在1998 年首次提出[5] 。对于PCMA 系统，通信双方用户终端可以同时使用完全相同的频率/时隙/扩频码，采用PCMA技术可以使得大大节省空间段资源，同时还可以有效防止第三方对双方通信信号的截获，使安全保密性更强。
PCMA 主要针对的是采用透明转发器并且信号可自环(每一个终端发出的信号可以被包括它本身在内的任何一个终端接收到)的双向卫星通信系统。每一个卫星终端发送一个上行信号，同时从另一个终端接收一个下行信号。因此每一方收到的下行信号是双方通信信号的叠加。由于每个终端都可以确切地知道自身所发送的上行信号，而且也确切地知道该信号的转发、处理过程，所以该终端完全可以对自己发送转发回的下行信号进行估计，并从叠加的信号中抵消滤除，从而正确恢复出对方发来的信号数据。其原理如2所示。从图10可以看出，在采用PCMA 技术的卫星通信系统中，每个终端都接收到一个复合的下行链路信号。它包括对端发来的有用信号和该终端本身上行信号经过卫星转发后的无用信号。并且这两个信号在频率或时间或码字上(取决于多址方式)是重叠的。为了将无用的自发信号从复合信号内除去，必须准确估计链路参数。这些参数主要包括信号的幅度、频率漂移、多普勒频移、传播时延、未知的载波相位和定时等。但是，任何一个终端的下行链路参数都不可能估计得非常准确。因而，实际上不可能完全从复合信号中去除其本身下行信号的影响，但通过信道参数估计，可以把影响减小。
图 10 PCMA原理示意
在实现方式上，PCMA调制解调器是核心，与常规的卫星调制解调器相比，PCMA调制解调器需要几个额外的处理单元[6] ，包括：
(1)自我信号估计模块：作用是从混合的下行链路信号中提取自我信号的参数；
(2)时延、频率、相位和增益调整模块：用来校准本地产生的删除信号的参数，使之与下行链路的信号参数相一致；
(3)调制与滤波模块：作用是补偿上行与下行链路的滤波器效应。这些功能模块的物理实现取决于实际所使用的卫星调制解调器。基于DSP，PCMA 技术可以完全用软件实现。
PCMA 可结合基本多址方式(FDMA、TDMA和CDMA)，也可以采用多种组网模式如DVB-S2/TDMA系统(如11所示)，TDM/SCPC系统(如图12所示)，点对点SCPC系统(如图13所示)等。
此外PCMA 分为对称和非对称两类：对于PCMA 通信双方信号所占带宽和信号功率近似或者相同的，称为对称载波成对复用；对于PCMA通信双方的带宽和功率相差很大的情况，称为非对称载波成对复用APCMA(Asymmetric Paired Carrier Multiple Access)。PCMA 适用于网状网络结构，APCMA适用于星状网络结构。
目前支持“动中通”PCMA的典型代表是Viasat 公司推出的ArcLight 系统，该系统将PCMA与CDMA相结合，提高了数据传输的安全性和带宽利用率，同时也节约了运营成本。
从以上分析中可以看出，PCMA 技术通过使收发双方使用相同的信道来提高双向通信卫星的频带利用率，可以灵活地应用于多种卫星通信系统中并有效增加系统的容量，因此在未来的宽带多媒体卫星通信中具有很大的应用潜力。
