无冲突的集中式分配多址接入方式简介

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：在基于无冲突的集中式分配的多址方式情况下，接入控制卫星通过集中式资源调度的方式为每个航天器用户分配相应的固定资源，实现多用户的无冲突接入。以TDMA协议为基础发展而来的多种时分多址接入方式的灵活性和扩展性还亟待提高。2）CDMA多址接入方式已有研究比较了CDMA多址技术下Walsh码和Gold码两种伪随机码性能。目前CDMA主要运用于对导航定位精度要求较高的动态拓扑飞行编队的多址接入。以上4种固定多址方式实现较为简单，运行成本较低。

在基于无冲突的集中式分配的多址方式情况下，接入控制卫星通过集中式资源调度的方式为每个航天器用户分配相应的固定资源，实现多用户的无冲突接入。包括基于TDMA，CDMA，FDMA的固定多址方式，研究者分别介绍了TDMA，CDMA，FDMA方式在卫星通信场景上的运用、相关特点与优势。

1）TDMA多址接入方式

TDMA方式需要在所有的收发端中进行时间上的网络同步，使每个接入用户都能在指定的时间段内发送数据。采用TDMA方式时，若系统的负载越小，则信道利用率越低、延迟越高，因为空闲时隙很多，并且对于大时空尺度的星间通信来说，还需要设置一定的保护间隙，以解决因距离差异产生的同步时延差。这种方式更进一步降低了信道的利用率。可以看出TDMA方式并不满足需高效利用资源的卫星通信。

TDMA经过一定的发展，现主要运用于星地相对运动较小的卫星移动通信系统，如VSAT移动通信系统。与此发展来的扩展时分多址（ETDMA）尝试通过分配时间来克服这个问题，可适用于站点数较少且需传输语音、视频等多类业务，以可扩展的方式找到有效的时间表是不容易的。作为未来TDMA运用在卫星通信的主要形式之一的自适应时隙分配TDMA方式，根据通信量的大小调整时隙的宽度并按需使用时隙的方法在一定程度上提升了信道利用率。

以TDMA协议为基础发展而来的多种时分多址接入方式的灵活性和扩展性还亟待提高。如何实现网络中各终端严格同步，保证资源高效利用，是采用TDMA方式时亟待解决的关键问题。

2）CDMA多址接入方式

已有研究比较了CDMA多址技术下Walsh码和Gold码两种伪随机码性能。对于Gold码，其正交性较差，多址干扰严重（MAI），增加了误码率。但其扩频序列码字长度较长，带宽使用率较高，可以抵消因自相关性而产生多径串扰（ISI）影响。从正交性来看，Walsh码正交性强，码字较短，多径串扰影响严重。但由于实际卫星的分布范围较广，信道完全分离，一定程度上降低了不同用户间多址干扰带来的影响。因此，Walsh码的性能较为优越。

CDMA的主要优点在于采用码分多址时传输带宽高，抗多径衰落性能和抗干扰性能较好，具有良好的信号隐蔽性和保护性，且允许相邻波束使用相同的频率。但运行的过程中码同步时间较长且需要进行功率控制来解决远近效应，因而也限制了星间结构的多样性和卫星的数量。此外，由于受到扩频码片速率的限制，CDMA主要应用在低速数据业务中。在星地通信时，由于环境噪声，MAI等因素，对其捕获也较为困难。目前CDMA主要运用于对导航定位精度要求较高的动态拓扑飞行编队的多址接入。

3）FDMA多址接入方式

FDMA方式为每个用户分配了一个固定频段。为保证滤波过程中在既不损伤相应终端本该接收的信号，又能够准确地排除相邻信道干扰，通常在相邻的信道载波之间都设有一定的保护频带，保护频带一般与终端载波频率的准确度、稳定度和最大多普勒频移之差有关。FDMA实现方式简单且成本较低，不需要像TDMA方式或时隙ALOHA方式进行全网络同步。但FDMA方式的带宽利用率会受到由非线性效应产生的互调噪声的影响，同时设置保护带宽会降低信道利用率。

4）SDMA多址接入方法

空分多址接入方式是一种通过卫星的波束指向不同来区分不同客户信息的多址方式，不同的波束利用空间进行区别。SDMA的优点是更加高效地利用了卫星的带宽，增大了系统的有效容量。缺点是其系统控制更加复杂，且存在同道干扰（CCI）问题。

以上4种固定多址方式实现较为简单，运行成本较低。但由于固定方式的灵活性较差，使其难以适应大量的突发业务（数据、实时图像传输、定位等，并且QoS需求能力多样），并且基于传统的固定分配多址接入技术会极大地降低网络的带宽利用率，浪费昂贵的卫星信道资源。基于卫星控制网络（SCN）从频谱利用率、串扰影响、实现复杂度等方面对比了FDMA与CDMA技术，从总体来看，CDMA更适用于卫星控制网络。

5）非正交多址接入方式

地面移动通信系统由4G迈向5G的过程中，系统将提供更多的频率，为更多的用户提供高速移动通信服务。高效的多址接入将是系统必须解决的关键技术问题。非正交多址接入（NOMA）日益受到重视。NOMA技术不仅能提高频谱效率，也是逼近多用户信道容量界的有效手段，还可增加有限资源下的用户连接数。NOMA技术是一个集频域、时域、功率域为一体的多址技术，可在同一子载波、同一OFDM符号对应的资源单元上，同时承载信号功率不同的多个用户，如图7-4所示。

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图7-4　NOMA的时、频、功率域示意

NOMA的基本思想是在发送端主动引入干扰信息，在接收端通过SIC接收机消除干扰，实现正确解调。NOMA技术在时域以OFDM符号为最小单位，符号间插入CP防止符号间干扰；在频域以子信道为最小单位，各子信道间采用OFDM技术，保持子信道间互为正交、互不干扰；每个子信道和OFDM符号对应的功率不再只给一个用户，而是由多个用户共享，但这种同一子信道和OFDM符号上的不同用户的信号功率是非正交的，因而产生共享信道的多址干扰，为了克服干扰，NOMA在接收端采用了串行干扰消除技术进行多用户干扰检测和删除，以保证系统的正常通信。

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图7-5　NOMA工作原理

NOMA技术原理如图7-5所示，在发送端进行IFFT变换后端增加了用户信号功率复用模块，接收端FFT之前增加了串行干扰消除模块。以两个接入用户为例，NOMA为信道条件差的用户分配的功率比对信道条件好的用户分配的功率大。然后将两个用户的信息通过叠加编码，占用相同的时频资源进行发送。因为接收机对功率大的用户更为敏感，所以对于信道条件差、功率大的用户，可将功率小的另外一个用户信息直接当作干扰进行解调获得相应信息。而对于信道条件较好的用户，分配功率较小，此时，在接收端采用干扰消除接收机，首先对功率较大的信息进行解调译码，然后重构消除该用户的信息，之后再解调得到所需用户的信息。因此，NOMA技术研究的重点在于对用户进行合理的功率分配以及高效的接收端干扰消除方法。

空间信息网络的典型特点之一为资源受限，包括频率资源和功率资源，NOMA将功率域由单用户独占改为由多用户共享，使接入容量提高了50%，从而极大地提高了系统的资源利用率。因此，可将NOMA技术运用到空间信息网络中，实现高速移动下、高通信速率、宽带宽的多用户接入。因为NOMA技术在发射端和接收端采用的技术增加了整个系统的处理延时，其能否满足空间信息网络在大传输延时下QoS的要求，还值得继续深入研究。另一方面，SIC干扰消除技术增加了接收机的复杂性，设计星上简单高效的SCI干扰消除算法也是值得研究的方向。

无冲突的集中式分配多址接入方式简介

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