4.2 多址接入与调制编码
4.2 多址接入与调制编码
链路预算证明"一根棒抛得过去"，本节解决"几千根棒同时抛怎么办"：多址接入负责把同一波束的共享资源切片分给用户，调制编码决定每片资源上跑多快、多稳。而低轨给这两件事都加了一个高轨没有的变量——卫星在以每秒七公里运动。
多普勒：第一棒的"移动靶"
卫星朝你飞来时，收到的频率被抬高；飞离时被压低。这就是多普勒频移，量级由相对径向速度除以光速乘载频决定。低轨场景它是绕不开的大数，先算出来：
C = 299792458.0 def doppler(freq_hz, v_radial_kms): return freq_hz * v_radial_kms * 1000 / C # 一阶近似，Hz for f, name in [(12e9, "Ku 下行 12 吉赫"), (20e9, "Ka 上行 20 吉赫"), (2e9, "S 频直连 2 吉赫")]: for v, vname in [(7.0, "过顶掠过"), (3.0, "斜向接近"), (0.5, "地面车载")]: print(f"{name} · {vname} {v} 公里每秒 → 频移约 {doppler(f, v)/1000:7.1f} 千赫") # 典型输出： # Ku 下行 12 吉赫 · 过顶掠过 7.0 公里每秒 → 频移约 280.1 千赫 # Ka 上行 20 吉赫 · 过顶掠过 7.0 公里每秒 → 频移约 466.8 千赫 # S 频直连 2 吉赫 · 地面车载 0.5 公里每秒 → 频移约 3.3 千赫
读数的要点：Ka 频段单星过境期间频移扫描近一兆赫兹量级（从正最大到负最大），而一个用户信道的带宽可能只有几十兆赫兹里的一个子带——若不补偿，信号会"漂出"滤波器。补偿分两半：终端侧用星历预测卫星速度做开环频率校正（星历由网络周期广播），残余的几百赫兹由锁相环闭环追踪。这一套"预测加追踪"的组合拳，就是调度台说的"接棒人提前伸手"：等频移发生了再反应，永远慢一拍。顺带一提，5G 新空口从设计之初就内置了比 4G 强得多的频偏补偿能力，这正是它能被"搬上天"做直连手机的技术伏笔（第 11 章）。
还要补一个常被漏掉的效应：多普勒不仅搬移载波，还会压缩或展扩符号本身（多普勒展宽），高阶调制对相位噪声敏感，残余频偏直接吃掉调制余量。工程上给的余量口诀是"残余频偏不超过子载波间隔的百分之几"——数字通信的每个设计数字，背后都有这样一条容差线。
四种多址：分蛋糕的四种刀法
同一波束内的用户怎么共享？历史上四种刀法各有分工。频分（FDMA）给每个用户一个子频段，简单但碎片化，适合窄带语音遗产系统；时分（TDMA）给每个用户一个时隙，卫星一点多站时代的主力，需要严格的全网同步，而星地距离快速变化使时隙边界漂移，低轨下同步开销不小；码分（CDMA）给每个用户一个扩频码，抗干扰、软容量，代价是功率控制必须极准，否则近端强信号压住远端弱信号（远近效应）；空分（SDMA）用点波束把同一频率在不同地域复用——这是低轨真正的王牌，一颗星上百个点波束，同一块频谱在地面上"烙"出一百张饼。现代低轨系统几乎都是"空分打底、时分频分细分、跳波束调度"的混合体：波束之间靠空间隔离复用频率（4.3 节），波束之内用户按需分配时频资源块，调度器以毫秒粒度在波束间搬运资源——哪里排队长，下一毫秒的时隙就砸向哪里。随机接入值得一提：新用户第一次"敲门"用竞争式的时频机会（类似地面网的随机接入信道），冲突就退避重试，接入成功的用户才转入按需调度的轨道——第 1 章时延账本里的"接入时延"一栏，主要就花在这段敲门过程上，这就是为什么拥塞小区的首包时延呈长尾。
调制编码：会换挡的变速箱
调制阶数与信道编码码率共同决定频谱效率（比特每赫兹），但高效率对应高门限——账本（4.1 节）里余量被雨衰吃掉时，必须降挡。自适应调制编码（AMC）就是自动变速箱：终端持续上报信道质量，网络侧在数十档调制编码组合中切换，从稳健的低阶扩频挡（效率低于 1 比特每赫兹）一直到 64APSK 配高码率挡（效率 4 比特每赫兹以上）。换挡策略是一门平衡艺术：挡位升得太急，误码率跳升、重传反噬吞吐；太保守，晴空余量白白闲置。低轨还叠加了快衰落——波束扫过、多径、多普勒残余都在毫秒级起伏，实测有效的做法是按"短期最差"原则保守选挡，用少量频谱效率换取重传减少。粗算一笔账：平均效率每提升 1 比特每赫兹，同等带宽容量翻一倍，这比多发射一颗卫星便宜得多——物理层工程师的一分优化，抵得上运营预算的一成支出。
多址切片资源，调制编码决定每片的速率上限，多普勒补偿保证切片本身对得上焦——三者合起来，第一棒才真正"抛得稳、接得住"。下一节把视野放大到整块频谱：波束之间的染色复用与星座之间的频谱共存。
一次接入的完整时间线
把随机接入展开成时间线，能看到"接入时延"到底花在哪。终端开机后先收广播信道（星历、系统信息、可用随机接入时隙），这一步几十毫秒；然后选前导码在随机接入机会里敲门，若无冲突，星上回复响应并给出上行授权，一来一回一个星地往返（几十毫秒）；若冲突（同前导码同机会撞车），按退避算法等待随机时长重试，每多一轮重试多几十至上百毫秒。拥塞小区里大量终端反复碰撞，首包时延的长尾由此而来——第 1 章账本里的"接入五到三十毫秒"是顺利情况，长尾情况下这个数字乘以十。优化的抓手也在这条时间线上：把随机接入机会配得更多（代价是开销时频资源）、前导码分组（优先级与业务分池）、以及接入预测（终端用星历算好最佳接入时机，避免在波束边缘浪费轮次）。
调制编码的选型速查
工程文档里翻到的名词对应关系备查：QPSK 是低阶稳健挡，十六与 64 状态的正交幅度调制是中挡主力，更高阶的幅度相位联合调制用于馈电链路等干净信道；编码从卷积码、涡轮码到低密度奇偶校验码（LDPC），现代系统统一到 LDPC（性能逼近香农限、并行译码适合星载实现）；叠加扩频的挡位用于恶劣信道与低速率物联网。读规格表时把"调制阶数 × 码率"心算成频谱效率，再乘波束带宽就是单用户理论峰值——三个乘法做完，营销数字的成色立刻可验。
一道综合演算题：接入时延的构成分解
把本节与 4.1、4.3 串起来的综合题。某小区（一个点波束）内有五万台物联网终端，每台每小时上报一条百字节消息。第一步算负载：五万条每小时约等于每秒十四条，负载本身极轻；第二步算接入开销：每条消息若都走完整随机接入流程（敲门、冲突退避、授权、发送），每条占用的信令开销是数据本身的十几倍；第三步算拥塞：若终端上报集中在整点（典型的定时采集行为），每秒瞬时接入请求骤增百倍，冲突率飙升，长尾出现。解法分层：数据面用免调度接入（预分配上报时隙，跳过竞争）；控制面给采集任务加整点抖动（错峰）；网络面按 6.2 节的调度预测提前给该波束扩容。这道题演示了多址设计的真实复杂度不在"分蛋糕"而在"蛋糕的到达模式"——突发性与公平性的斗争贯穿所有多址协议的演化史。