第 6 章多址接入 / Multiple Access

6.1 概述

多址接入（Multiple Access）是卫星通信系统实现多个地球站共享同一转发器（Transponder）资源的核心技术。与复用（Multiplexing）不同，多址接入强调的是地理位置分散的多个用户如何协同使用有限的卫星资源，而非单一节点内部的信号合并。

工程实践中，多址方案的选择直接影响系统的：

频谱效率（Spectral Efficiency）——单位带宽承载的业务量
功率效率（Power Efficiency）——转发器功放的利用程度
灵活性（Flexibility）——适应动态业务变化的能力
实现复杂度（Complexity）——终端和地面站的成本

mindmap
  root((多址接入))
    固定分配
      FDMA 频分多址
      TDMA 时分多址
      CDMA 码分多址
      SDMA 空分多址
    按需分配
      DAMA
      MF-TDMA
    随机接入
      纯 ALOHA
      时隙 ALOHA
      CDMA-ALOHA
    正交频分
      OFDMA

6.2 四种经典多址方式对比

graph LR
  subgraph "多址维度"
    A[FDMA
频率维度] --- B[TDMA
时间维度]
    B --- C[CDMA
码字维度]
    C --- D[SDMA
空间维度]
  end
  style A fill:#4a86c8,stroke:#fff,color:#fff
  style B fill:#c84a4a,stroke:#fff,color:#fff
  style C fill:#4ac878,stroke:#fff,color:#fff
  style D fill:#c8a84a,stroke:#fff,color:#fff

特性	FDMA	TDMA	CDMA	SDMA
划分维度	频率	时间	码字	空间（波束）
资源正交性	频率正交	时隙正交	码字正交/准正交	波束隔离
功放效率	较低（多载波回退）	高（单载波满功率）	中等	取决于波束数
同步要求	低	高（时隙同步）	中（码同步）	低
抗干扰	一般	一般	强（处理增益）	一般
典型应用	早期固定业务	VSAT、移动卫星	GPS、军用	多波束卫星
代表系统	INTELSAT	Iridium	Globalstar	Inmarsat-4

实际系统往往组合使用多种多址方式。例如，Inmarsat-4 的宽带全球局域网（BGAN）同时采用 TDMA + SDMA；Iridium 系统使用 TDMA/FDMA 混合方案。

6.3 FDMA：频分多址

6.3.1 基本原理

FDMA（Frequency Division Multiple Access）将转发器带宽划分为若干互不重叠的子频带，每个地球站分配一个固定的载波频率。

$$B_{\text{total}} = \sum_{i=1}^{N} B_i + B_{\text{guard}}$$

其中 $B_i$ 为第 $i$ 个用户的带宽，$B_{\text{guard}}$ 为保护带总开销。

6.3.2 转发器功率分配

FDMA 的核心工程问题是功率共享与互调干扰（Intermodulation, IM）。当多个载波同时经过行波管放大器（TWTA）时，非线性特性产生三阶互调产物：

$$f_{\text{IM}} = 2f_1 - f_2 \quad \text{或} \quad 2f_2 - f_1$$

为将互调产物压至可接受水平，TWTA 需要工作在回退（Back-off）状态：

$$\text{BO} = P_{\text{sat}} - P_{\text{oper}} \quad [\text{dB}]$$

典型输出回退（OBO）为 3~6 dB，意味着转发器功率利用率仅为饱和值的 25%~50%，这是 FDMA 最大的工程缺点。

graph TD
  A[转发器总功率 Psat] --> B["多载波输入"]
  B --> C["TWTA 非线性"]
  C --> D["输出回退 3-6 dB"]
  C --> E["互调产物 IM3"]
  D --> F["功率效率下降"]
  E --> G["C/IM 指标恶化"]
  style A fill:#4a86c8,stroke:#fff,color:#fff
  style C fill:#c84a4a,stroke:#fff,color:#fff
  style F fill:#c8a84a,stroke:#fff,color:#fff
  style G fill:#c8a84a,stroke:#fff,color:#fff

6.3.3 SCPC 与 MCPC

FDMA 的两种工程实现模式：

SCPC（Single Channel Per Carrier）：每路话音或数据独占一个载波。适用于稀路由（Thin Route）场景，如偏远地区话音通信。典型带宽为 30~45 kHz/路。
MCPC（Multiple Channels Per Carrier）：多个信道经 TDM 复用后调制到一个载波上。适用于大容量干线，如 INTELSAT 的 IDR（Intermediate Data Rate）业务。

6.4 TDMA：时分多址

6.4.1 基本原理

TDMA（Time Division Multiple Access）将时间划分为周期性重复的帧（Frame），每帧包含若干时隙（Time Slot），各地球站在分配的时隙内以突发（Burst）方式发送信号。

$$T_{\text{frame}} = N \cdot T_{\text{slot}} + N \cdot T_{\text{guard}}$$

卫星 TDMA 的典型帧长为 2 ms（Iridium）到 20 ms（一些 VSAT 系统）不等。

6.4.2 帧结构

graph LR
  subgraph "TDMA 帧结构"
    direction LR
    RB["参考突发
Reference Burst"]
    T1["站1 数据突发"]
    T2["站2 数据突发"]
    T3["站3 数据突发"]
    G["保护时间"]
  end
  RB --> T1 --> T2 --> T3 --> G
  style RB fill:#c84a4a,stroke:#fff,color:#fff
  style T1 fill:#4a86c8,stroke:#fff,color:#fff
  style T2 fill:#4ac878,stroke:#fff,color:#fff
  style T3 fill:#c8a84a,stroke:#fff,color:#fff
  style G fill:#666,stroke:#fff,color:#fff

每个 TDMA 帧由以下部分组成：

参考突发（Reference Burst）：由基准站发送，包含载波恢复（CR）、比特定时恢复（BTR）、独特码（UW）和勤务信道，用于全网同步。
数据突发（Data Burst）：各业务站的数据，前置报头（Preamble）包括 CR、BTR、UW 和站址识别码（SIC）。
保护时间（Guard Time）：补偿各站到卫星距离不同导致的传播时延差异。

6.4.3 同步与定时

TDMA 的工程难点在于全网精确定时。由于 GEO 卫星轨道漂移和地球站位置差异，传播时延 $R/c$ 不断变化（$R$ 为站-星距离，$c$ 为光速）。各站必须通过闭环同步或开环同步精确控制突发发送时刻：

$$t_{\text{tx},i} = t_{\text{ref}} - \frac{R_i}{c} + \Delta t_{\text{correction}}$$

其中 $\Delta t_{\text{correction}}$ 为根据反馈信息计算的校正量。

TDMA 的突出优势在于：转发器在任一时刻只放大一个载波，功放可工作在接近饱和点，功率效率接近 100%。

6.5 CDMA：码分多址

6.5.1 基本原理

CDMA（Code Division Multiple Access）利用正交或准正交的扩频码（Spreading Code）将窄带信号扩展到宽带发送，接收端通过相关解扩恢复原始信号。

$$s_i(t) = d_i(t) \cdot c_i(t) \cdot \cos(\omega_c t)$$

其中 $d_i(t)$ 为用户 $i$ 的数据，$c_i(t) \in {+1, -1}$ 为扩频码，码片速率 $R_c$ 远大于数据速率 $R_b$。

6.5.2 处理增益

处理增益（Processing Gain）是 CDMA 抗干扰和多址能力的核心度量：

$$G_p = \frac{R_c}{R_b} = \frac{B_{\text{spread}}}{B_{\text{data}}}$$

处理增益的意义：接收端相关解扩后，有用信号功率集中，而干扰和噪声功率被扩展到宽带上再被滤波器去除，等效信噪比改善 $G_p$ 倍：

$$\left(\frac{C}{N}\right){\text{out}} = G_p \cdot \left(\frac{C}{N}\right){\text{in}}$$

典型 GPS 系统 $G_p \approx 43$ dB（P 码），民用 C/A 码约 40 dB。

6.5.3 码的选择与多址干扰

CDMA 的多址干扰（Multiple Access Interference, MAI）取决于码的互相关特性：

$$R_{ij}(\tau) = \int_0^{T_c} c_i(t) \cdot c_j(t+\tau) , dt$$

理想正交码（如 Walsh-Hadamard 码）$R_{ij} = 0$，但仅在各用户精确同步时成立。异步系统中常用 Gold 码或 m 序列，其互相关值虽不为零但可控制在较低水平。

CDMA 的容量受限于多址干扰。在功率精确控制下，单小区 CDMA 容量近似为：

$$N_{\text{max}} \approx \frac{G_p}{(E_b/N_0)_{\text{req}}} \cdot \frac{1}{1+f} \cdot \alpha$$

其中 $f$ 为邻区干扰因子，$\alpha$ 为话音激活因子（典型值 0.35~0.5）。

6.6 SDMA：空分多址

SDMA（Space Division Multiple Access）利用卫星天线的空间方向性实现用户区分。现代多波束卫星（Multi-beam Satellite）通过馈源阵列产生多个窄波束，每个波束覆盖不同的地理区域，波束间通过频率复用进一步提升容量。

波束隔离度（Beam Isolation）是 SDMA 的关键指标：

$$\text{CIR} = \frac{G_{\text{main}}(\theta_0)}{G_{\text{adjacent}}(\theta_0)}$$

典型四色频率复用方案下，同频波束间隔大于 2.5 个波束宽度时，CIR 可达 20 dB 以上。

SDMA 通常与其他多址方式组合使用。例如，Inmarsat-4 的全球波束用于信令和低速率业务，区域点波束（Spot Beam）用于高速数据业务，形成 SDMA + FDMA/TDMA 的混合架构。

6.7 DAMA：按需分配多址

6.7.1 固定分配 vs 按需分配

固定分配（Pre-assigned, PA）方式下，各站无论是否有业务都占用固定资源，造成浪费。DAMA（Demand Assigned Multiple Access）仅在用户有业务请求时动态分配资源。

$$\eta_{\text{DAMA}} = \frac{\text{实际业务量}}{\text{总分配带宽}} \gg \eta_{\text{PA}}$$

对于突发性数据业务，DAMA 可将资源利用率从 PA 方式的 10%~30% 提升至 60%~80%。

6.7.2 DAMA 工作流程

sequenceDiagram
  participant A as 地球站 A
  participant C as 网控中心 NCC
  participant S as 卫星
  participant B as 地球站 B
  A->>C: 信道请求（信令信道）
  C->>C: 资源分配决策
  C->>A: 分配确认（频率/时隙）
  C->>B: 被叫通知
  A->>S: 业务数据（分配的资源）
  S->>B: 转发业务数据
  A->>C: 通信结束，释放资源
  C->>C: 回收资源池

DAMA 的信令开销（Signaling Overhead）通常占总带宽的 2%~~5%，典型的信道建立时间为 1~~5 秒。

6.8 ALOHA 随机接入

6.8.1 纯 ALOHA

纯 ALOHA（Pure ALOHA）是最简单的随机接入协议：用户有数据就发，发生碰撞则随机等待后重传。

纯 ALOHA 的最大吞吐量：

$$S_{\max} = \frac{1}{2e} \approx 0.184 \quad (18.4%)$$

其中归一化吞吐量 $S = G \cdot e^{-2G}$，$G$ 为归一化总业务量（Offered Load）。

6.8.2 时隙 ALOHA

时隙 ALOHA（Slotted ALOHA）将时间划分为等长时隙，用户仅在时隙起始点发送，碰撞窗口减半：

$$S_{\max} = \frac{1}{e} \approx 0.368 \quad (36.8%)$$

$$S = G \cdot e^{-G}$$

graph LR
  subgraph "纯 ALOHA：碰撞窗口 = 2T"
    P1["用户1"] -->|"发送"| X1["碰撞"]
    P2["用户2"] -->|"发送"| X1
  end
  subgraph "时隙 ALOHA：碰撞窗口 = T"
    S1["用户1"] -->|"时隙对齐"| OK["成功"]
    S2["用户2"] -->|"下一时隙"| OK2["成功"]
  end
  style X1 fill:#c84a4a,stroke:#fff,color:#fff
  style OK fill:#4ac878,stroke:#fff,color:#fff
  style OK2 fill:#4ac878,stroke:#fff,color:#fff

ALOHA 在卫星环境中的主要问题是由 540 ms（GEO 双跳）往返时延导致的长反馈延迟，使得碰撞检测和重传效率远低于地面网络。

6.8.3 工程改进

实际卫星系统中，ALOHA 常与以下机制结合：

DAMA/ALOHA 混合：信令信道用 Slotted ALOHA，业务信道用 DAMA 分配
CDMA-ALOHA：扩频降低碰撞概率
选择性重传 ARQ：提高有效吞吐量

6.9 OFDMA 在卫星中的应用

6.9.1 基本原理

OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）将宽带划分为大量正交子载波（Subcarrier），将不同子载波组分配给不同用户。

$$x(t) = \sum_{k=0}^{N-1} X_k \cdot e^{j2\pi k \Delta f t}$$

其中 $\Delta f = 1/T_{\text{symbol}}$ 保证子载波正交性。循环前缀（Cyclic Prefix, CP）长度需大于信道最大多径时延扩展。

6.9.2 卫星 OFDMA 的特殊考虑

卫星信道的多普勒频移对 OFDMA 子载波正交性构成严重威胁。LEO 卫星相对地面站的径向速度可达 7 km/s，产生多普勒频移：

$$f_d = \frac{v_r}{c} \cdot f_c$$

Ka 频段（20 GHz）下，$f_d$ 可达数百 kHz，远大于典型子载波间隔（几 kHz 至几十 kHz）。解决手段包括：

发端预补偿：根据星历预报预先校正频率
收端频偏估计与补偿：利用导频子载波估计残余频偏
增大子载波间隔：牺牲循环前缀效率换取鲁棒性

DVB-S2X 标准已将 OFDM 作为可选波形纳入，支持自适应编码调制（ACM）与 OFDMA 的灵活资源分配相结合。

6.10 VSAT 网络实例

6.10.1 典型 VSAT 星形网络

VSAT（Very Small Aperture Terminal）网络是多址接入技术的综合应用场景。以典型星形（Star）网络为例：

graph TD
  H["主站 Hub
口径 5-11m"]
  S["GEO 卫星"]
  V1["VSAT 1
口径 0.6-1.2m"]
  V2["VSAT 2"]
  V3["VSAT 3"]
  V4["VSAT N"]
  H <-->|" outbound: TDM
~2-20 Mbps "| S
  S <-->|" outbound "| V1
  S <-->|" outbound "| V2
  S <-->|" outbound "| V3
  S <-->|" outbound "| V4
  V1 -->|"inbound: MF-TDMA
~64-512 kbps"| S
  V2 -->|"inbound"| S
  V3 -->|"inbound"| S
  V4 -->|"inbound"| S
  S -->|"inbound 汇聚"| H
  style H fill:#4a86c8,stroke:#fff,color:#fff
  style S fill:#c8a84a,stroke:#fff,color:#fff
  style V1 fill:#4ac878,stroke:#fff,color:#fff
  style V2 fill:#4ac878,stroke:#fff,color:#fff
  style V3 fill:#4ac878,stroke:#fff,color:#fff
  style V4 fill:#4ac878,stroke:#fff,color:#fff

6.10.2 前向链路（Outbound）：TDM

主站到 VSAT 的前向链路通常采用连续 TDM 载波：

DVB-S2/S2X 标准波形
ACM（自适应编码调制）根据各 VSAT 链路质量动态调整
典型速率 2~100 Mbps
所有 VSAT 共享同一载波，通过分组头地址区分接收方

6.10.3 返向链路（Inbound）：MF-TDMA

VSAT 到主站的返向链路是工程设计的重点，广泛采用 MF-TDMA（多频 TDMA）：

将带宽划分为多个频率槽（Frequency Slot），每个频率槽内再划分时隙
VSAT 根据业务量和网控中心分配，灵活选择频率和时隙发送
典型单载波速率 64~512 kbps，可根据需求升级至 2 Mbps
支持 DAMA 按需分配，空闲时释放资源

MF-TDMA 的优势在于：兼具 FDMA 的灵活性和 TDMA 的高效性，且终端只需发送突发载波，对功放的线性度要求较低。

6.10.4 容量规划实例

假设一个 VSAT 网络包含 500 个终端，共享 36 MHz 转发器：

参数	前向链路	返向链路
多址方式	TDM	MF-TDMA
调制/编码	DVB-S2 8PSK 3/4	QPSK 1/2
符号速率	20 Msps	256 ksps × 10 载波
净速率	~45 Mbps	~10 × 230 = 2.3 Mbps
平均每站带宽	共享	~4.6 kbps（可突发至 256 kbps）

返向链路的容量瓶颈通过 DAMA 和统计复用（Statistical Multiplexing）缓解——并非所有 VSAT 同时发送，实际并发率通常为 5%~15%。

6.11 小结

多址接入方案的选择是卫星通信系统设计的核心决策之一，需综合考虑业务类型、用户规模、功率预算和成本约束：

大容量干线：TDMA 或 OFDMA，追求功率效率
稀路由话音/数据：SCPC/FDMA 或 DAMA，实现简单
军事/抗干扰：CDMA，利用处理增益
海量 VSAT 网络：MF-TDMA + DAMA，兼顾灵活性与效率
下一代宽带卫星：OFDMA + SDMA，支持高谱效多波束

实际工程中，没有"最优"的多址方式，只有最适合特定场景的方案。理解各技术的物理本质和工程折衷，是系统设计的关键。

下一章：第 7 章卫星链路预算 / Link Budget Design

第 6 章 多址接入 / Multiple Access#

6.1 概述#

6.2 四种经典多址方式对比#

6.3 FDMA：频分多址#

6.3.1 基本原理#

6.3.2 转发器功率分配#

6.3.3 SCPC 与 MCPC#

6.4 TDMA：时分多址#

6.4.1 基本原理#

6.4.2 帧结构#

6.4.3 同步与定时#

6.5 CDMA：码分多址#

6.5.1 基本原理#

6.5.2 处理增益#

6.5.3 码的选择与多址干扰#

6.6 SDMA：空分多址#

6.7 DAMA：按需分配多址#

6.7.1 固定分配 vs 按需分配#

6.7.2 DAMA 工作流程#

6.8 ALOHA 随机接入#

6.8.1 纯 ALOHA#

6.8.2 时隙 ALOHA#

6.8.3 工程改进#

6.9 OFDMA 在卫星中的应用#

6.9.1 基本原理#

6.9.2 卫星 OFDMA 的特殊考虑#

6.10 VSAT 网络实例#

6.10.1 典型 VSAT 星形网络#

6.10.2 前向链路（Outbound）：TDM#

6.10.3 返向链路（Inbound）：MF-TDMA#

6.10.4 容量规划实例#

6.11 小结#