CDMA技術在衛星移動通信中的應用

2019-11-05 02:40:23

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　　一、前言
　　當今的信息時代對通信的容量、方便程度、業務種類等方面的要求日益迫切。因此,美國提出了意義深遠的個人通信業務(PCS)的概念,它指的是可在任何時間、任何地點、任何個人之間實現任何業務的通信。要實現這個理想目標,要耗費的最重要資源之一是無線頻譜。眾所周知,可利用的無線頻譜帶寬是有限的,如何利用有限的帶寬高效地實現PCS,出路只有兩條:一是改造原系統,采用頻譜效率高的數字方式;二是對已被占用的頻帶進行重復利用。在CDMA系統中,通過采用話音激活技術、前向糾錯技術、功率控制技術、頻率復用技術、扇區技術等,其系統容量可擴到FDMA的20倍左右、TDMA的3倍以上及GSM的4倍以上。同時,它還具有抗多徑干擾能力、更好的話音質量和更低的功耗以及軟區切換等特點。CDMA以其本身所具有的特點及優越性而廣泛應用于數字移動通信和個人通信系統中。非凡是近年來,小衛星技術的發展為實現全球移動通信和個人通信提供了條件,利用分布在中、低軌道的許多小衛星實現全球個人通信,已在國際上形成熱潮。所以,對CDMA在衛星移動通信中的應用探討,對我國中心衛星通信和移動通信的發展具有十分重要的現實意義。
　　
　　二、CDMA技術優勢
　　CDMA是基于擴頻通信中的一種多址方式。很多CDMA信號共用一個頻譜,每個信號由不同的PN序列組成,它對載波進行調制擴展其頻譜。信號在接收機中進行相關處理。只對所選的PN序列的信號進行解擴,并將其能量重新集中起來,其他用戶的信號,因其所用的PN序列不匹配,其頻譜都被擴展,相當于噪聲。CDMA具有許多優點：
　　
　　(1)系統容量大。為采用不同多址方式的蜂窩移動通信系統的容量比較。從比較中可以看出CDMA方式容量最高,NCDMA=4NTDMA=20NFDMA(N為系統容量)。CDMA系統之所以大,并不是由于其技術本身,而是由于在CDMA系統中可更有效地采用許多新技術來增加系統容量,如：話音激活或可變速率話音編碼、糾錯編碼、分集接收、功率控制、高效頻率復用、扇區劃分等技術。
　　
　　(2)頻率利用率高。表2為采用不同多址方式的頻譜利用率,從表中可見CDMA的頻譜利用率最高。
　　
　　(3)具有軟容量。在FDMA 和TDMA系統中,當全部頻道或時隙被占滿后,再也不能增加一個用戶。而 CDMA系統是干擾受限系統,在指定的干擾電平下,即使用戶已達到限定數目,也答應增加個別用戶,系統性能并無明顯下降,因為在CDMA系統中用戶數和容量之間存在一種“軟”的關系,在業務高峰期,答應誤碼率增加一個小的數值,以增加忙時的可用信道數,這是話音質量只是略為下降,而不會出現阻塞現象。
　　
　　(4)具有軟切換特點。FDMA和TDMA的過區切換都是在中斷后切換,CDMA則是在中斷前切換,并且這種切換不易被用戶覺察,大大降低了呼叫中斷的可能性。軟切換只改變擴頻碼,不改變頻率,也便于治理和控制。
　　
　　(5)擴容方便。CDMA各小區使用相同頻率,不必向FDMA那樣進行頻率配置,當系統擴展時,不用為適應新的頻率安排而對現有系統進行改造,很大程度上方便了系統的擴容。
　　
　　(6)CDMA以擴頻技術為基礎,因此它具有擴頻通信所固有的優點：
　　
　?、倏垢蓴_能力強。CDMA采用寬帶傳輸,將有用信號和干擾信號頻譜能量都加以擴散,在接收端利用PN序列的相關特性進行相關處理,對有用信號頻譜能量壓縮集中,干擾和噪聲因與PN序列不匹配而被抑制,因此大大提高了信噪比,具有很強的抗干擾能力。
　　
　　②抗多徑衰落。CDMA可提供多種形式的分集接收[時間分集、頻率分集、空間(路徑)分集等],大大降低了多徑衰落。CDMA將信號能量擴展到很寬的頻帶中,從而得到頻率分集；時間分集可通過使用交織和糾錯編碼來達到最大效果；空間(路徑)分集可通過軟切換、rake接收機等來實現。
　　
　?、郯踩Ｃ苄浴DMA采用了擴頻解調后,在信道中傳輸所需要的載波與(噪聲+干擾)的功率比很低(約-20dB左右),即在低功率譜密度下傳輸,有用信號功率比干擾信號功率低得多,信號仿佛沉沒在噪聲之中,不易被對方發現,有較強的防截獲能力。另外,CDMA采用PN碼調制,不把握發射信號的規律,要進行解擴是很困難的。這些都體現了CDMA安全、保密的特點。
　　
　　三、移動衛星通信系統
　　移動衛星通信系統主要分為兩大類,第一類是同步軌道移動衛星系統,主要系統有：Inmarsat-M、Inmarsat-B、MOBILESAT(澳大利亞)、MSAT(USA)等。其它一些面向個人通信的實驗系統和正在開發的衛星系統有：Jet PRopulsion Laboratory建議的PASS(Personal access Satellite System)實驗系統,歐洲空間局發射的Olympus衛星系統,NASA的ACTS(Advanced Communication Technology Satellite)衛星系統,日本空間開發局的ETSVI衛星系統,歐洲的PRODAT和MSBN移動衛星系統。
　　
　　第二類是中低軌道的移動衛星系統,美國的主要系統有：ORBCOMM(Orbital)、STARNET(Starsys)、LOESAT(Marcor)、VITASAT(VITA)和即將投入使用的“銥”系統等。前蘇聯COSCON公司提出了一個全球空間通信系統-Kochon系統,該系統采用四個極地軌道,共32顆衛星覆蓋全球,提出雙向電話、數據傳輸、定位業務、采用L頻段和UHF頻段。歐洲提出了采用高橢圓軌道(HEO)的ARCHIMEDES系統,為歐洲提供移動話音通信和高質量的數字音頻廣播業務(Digital Audio Broadcast)。德國MBB航空公司1990年提出一個叫Loopus的系統,用工作在三個橢圓軌道上的9顆衛星覆蓋北半球,為歐、美、亞洲所共用,使用Ku頻段。此外還有墨西哥提出了發射低軌道的衛星計劃,共計12顆衛星,用于拉丁美洲,初期僅提供數據業務,最終支持話音的傳輸。法國也提出了發射低軌道的衛星計劃,共發射5～6顆衛星,僅用于數據業務。
　　
　　四、我國移動衛星通信系統模型和信道模型
　　4.1 系統模型
　　
　　衛星移動通信可以通過各種各樣的星座來實現。按軌道高度可以分為同步軌道(GSO)、中軌道(MEO)、低軌道(LEO)以及高橢圓軌道(HEO)。目前我國采用的移動衛星通信系統模型就是全球移動衛星通信系統(Global Mobile Satellite Information System---GMSIS)。GMSIS系統是由18顆高度為8034Km的衛星構成的中軌道衛星系統,衛星通信天線的波束張角為2×21.8o,波束覆蓋區地心角為2×35o,每顆衛星共有19個子波束組成,每個波束的天線張角為2×6o。一個系統的軌道參數給定之后,我們可以計算出衛星系統在任何時刻照射在地球表面形成星下點的經度和緯度,以及每個衛星及其波束的覆蓋范圍。
　　
　　衛星下點的緯度和經度分別表示為：
　　
　　Φ=arcsin[sin(i)sin(μ)]
　　
　　λ=arctan[cos(i)tan(μ)]-TωE +λN
　　
　　其中,μ=μ0+ωsat T衛星的相角,i是衛星軌道的傾角,λN是衛星的右升節點的經度,ωE是地球自轉的速度,ωsat=(GM)1/2(RE +H)-1/3為衛星運行的角速度,G=6.6684627×10-11m3/Kg/s2為萬有引力常數,M=5.977414×1024Kg為地球的質量,RE=6378.5×103Km為地球的半徑,H為衛星的軌道高度,T為衛星自初始時刻的運行時間。
　　
　　我們假設用戶均勻分布在地球表面,每個衛星的一個波束照射范圍的地球表面有100個同時工作的用戶,即每個衛星覆蓋范圍有1900個同時工作的用戶。
　　
　　4.2 信道模型
　　
　　在移動衛星通信系統中,移動臺所接收到的信號不僅有直射信號,還有經過多次路徑反射和散射的信號,即在空間任意接收點上的信號強度是由多徑信號矢量合成。當移動臺在駐波場運動時,接收信號的強度就會出現急劇的隨即起伏,及多徑衰落。除了受到多徑衰落的快衰落外,還因樓群、樹木和山區等障礙物的遮擋,用戶接收到的信號呈現慢的起伏變化,即慢衰落。此外,用戶接收到的信號還與衛星星上天線有關。由于星上天線指向增益不同,在經歷相同遮擋和衰落情況下,用戶終端處于波束照射中心和邊緣時接收到的衛星功率不同,相差3dB。對于移動衛星通信信道許多文獻已做了廣泛的研究,我們認為用戶終端主要跟蹤移動衛星通信中的直射路徑信號進行解調,并且信號受到的遮擋概率和受到的遮擋后信號衰落都與用戶終端的仰角有關,星上天線采用拋物天線模型。
　　
　　五、CDMA在衛星移動通信多址方式中的應用
　　同地面蜂窩移動通信的情況一樣,衛星移動通信的多址技術也有頻分、時分、碼分等幾種形式。使用FDMA技術,由于衛星轉發器的非線性而形成的交調干擾,就要避開一部分頻帶不用,還要用衛星功率進行“補償”以進一步降低交調干擾,這樣就浪費了衛星功率和頻帶等寶貴資源；TDMA可以克服交調現象,但又面臨著同步問題,由于衛星地面通信站安裝在運動物體上,運動物體迅速移動,要實現移動地面站往衛星同步地發射信號顯然很困難；CDMA使用不同擴頻序列,相互間影響較小,頻帶重復利用率高。與傳統的點對點定向傳輸的衛星通信不一樣,衛星移動通信是一點對多點的全向性傳輸,必須采用擴頻技術提高抗多徑干擾能力。在CDMA中還可采用諸如話音激活、頻率復用、扇區劃分等來增強系統容量,而在FDMA和TDMA中擴容技術實現起來難度較大。在全球衛星移動通信系統中,若采用CDMA技術,則具有組網簡單、靈活、抗干擾能力強,系統容量潛力大,成本低等一系列優點。所以,在衛星移動通信系統中采用CDMA技術是適宜的。
　　
　　六、CDMA在移動衛星通信系統功率控制中的應用
　　用戶終端處于星上天線波束形成蜂窩的不同位置時,星上天線方向增益不同。用戶和衛星之間信道受到衰落和遮擋的狀況與用戶的位置有關,并且是時變的。所以,假如每個用戶的裕量按最惡劣條件設計又沒有功率控制,不管用戶處在什么位置,信道特性如何,衛星都要發射比實際需要多得多的功率,這無疑是以犧牲衛星功率從而降低系統容量為代價的?？梢?功率控制對移動衛星通信系統是十分必要的,功率控制可以減少用戶對星上功率的要求從而增加系統的容量。此外,對于CDMA系統,減少功率還能減少多址干擾。
　　
　　為實現功率控制,我們認為,CDMA系統的衛星與用戶之間通信信道有四種：(1)衛星到用戶的導頻信道；(2)衛星到用戶的業務信道；(3)

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