CDMA在衛(wèi)星移動(dòng)通信中的應(yīng)用

梅里格 胡紹海

　　摘 要：分析了CDMA技術(shù)優(yōu)勢，介紹了衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展, 簡單描述了我國衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)模型和信道模型，重點(diǎn)探討了CDMA在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)多址方式、功率控制和分集接收中的應(yīng)用。


　　關(guān)鍵詞：CDMA 衛(wèi)星移動(dòng)通信


　　一、前言


　　當(dāng)今的信息時(shí)代對通信的容量、方便程度、業(yè)務(wù)種類等方面的要求日益迫切。因此,美國提出了意義深遠(yuǎn)的個(gè)人通信業(yè)務(wù)(PCS)的概念,它指的是可在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何個(gè)人之間實(shí)現(xiàn)任何業(yè)務(wù)的通信。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)理想目標(biāo),要耗費(fèi)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(shí)現(xiàn)PCS,出路只有兩條:一是改造原系統(tǒng),采用頻譜效率高的數(shù)字方式;二是對已被占用的頻帶進(jìn)行重復(fù)利用。在CDMA系統(tǒng)中,通過采用話音激活技術(shù)、前向糾錯(cuò)技術(shù)、功率控制技術(shù)、頻率復(fù)用技術(shù)、扇區(qū)技術(shù)等,其系統(tǒng)容量可擴(kuò)到FDMA的20倍左右、TDMA的3倍以上及GSM的4倍以上。同時(shí),它還具有抗多徑干擾能力、更好的話音質(zhì)量和更低的功耗以及軟區(qū)切換等特點(diǎn)。CDMA以其本身所具有的特點(diǎn)及優(yōu)越性而廣泛應(yīng)用于數(shù)字移動(dòng)通信和個(gè)人通信系統(tǒng)中。特別是近年來,小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)全球移動(dòng)通信和個(gè)人通信提供了條件,利用分布在中、低軌道的許多小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球個(gè)人通信,已在國際上形成熱潮。所以,對CDMA在衛(wèi)星移動(dòng)通信中的應(yīng)用探討,對我國中心衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。


　　二、CDMA技術(shù)優(yōu)勢


　　CDMA是基于擴(kuò)頻通信中的一種多址方式。很多CDMA信號共用一個(gè)頻譜,每個(gè)信號由不同的PN序列組成,它對載波進(jìn)行調(diào)制擴(kuò)展其頻譜。信號在接收機(jī)中進(jìn)行相關(guān)處理。只對所選的PN序列的信號進(jìn)行解擴(kuò),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(kuò)展,相當(dāng)于噪聲。CDMA具有許多優(yōu)點(diǎn)：


　　(1)系統(tǒng)容量大。為采用不同多址方式的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)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(tǒng)容量)。CDMA系統(tǒng)之所以大,并不是由于其技術(shù)本身,而是由于在CDMA系統(tǒng)中可更有效地采用許多新技術(shù)來增加系統(tǒng)容量,如：話音激活或可變速率話音編碼、糾錯(cuò)編碼、分集接收、功率控制、高效頻率復(fù)用、扇區(qū)劃分等技術(shù)。


　　(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(tǒng)中,當(dāng)全部頻道或時(shí)隙被占滿后,再也不能增加一個(gè)用戶。而 CDMA系統(tǒng)是干擾受限系統(tǒng),在指定的干擾電平下,即使用戶已達(dá)到限定數(shù)目,也允許增加個(gè)別用戶,系統(tǒng)性能并無明顯下降,因?yàn)樵贑DMA系統(tǒng)中用戶數(shù)和容量之間存在一種“軟”的關(guān)系,在業(yè)務(wù)高峰期,允許誤碼率增加一個(gè)小的數(shù)值,以增加忙時(shí)的可用信道數(shù),這是話音質(zhì)量只是略為下降,而不會(huì)出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。



　　(4)具有軟切換特點(diǎn)。FDMA和TDMA的過區(qū)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(kuò)頻碼,不改變頻率,也便于管理和控制。


　　(5)擴(kuò)容方便。CDMA各小區(qū)使用相同頻率,不必向FDMA那樣進(jìn)行頻率配置,當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí),不用為適應(yīng)新的頻率安排而對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造,很大程度上方便了系統(tǒng)的擴(kuò)容。


　　(6)CDMA以擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ),因此它具有擴(kuò)頻通信所固有的優(yōu)點(diǎn)：


　�、倏垢蓴_能力強(qiáng)。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(kuò)散,在接收端利用PN序列的相關(guān)特性進(jìn)行相關(guān)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(qiáng)的抗干擾能力。


　�、诳苟鄰剿ヂ�。CDMA可提供多種形式的分集接收[時(shí)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(kuò)展到很寬的頻帶中,從而得到頻率分集；時(shí)間分集可通過使用交織和糾錯(cuò)編碼來達(dá)到最大效果；空間(路徑)分集可通過軟切換、rake接收機(jī)等來實(shí)現(xiàn)。


　　③安全保密性。CDMA采用了擴(kuò)頻解調(diào)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,信號仿佛淹沒在噪聲之中,不易被對方發(fā)現(xiàn),有較強(qiáng)的防截獲能力。另外,CDMA采用PN碼調(diào)制,不掌握發(fā)射信號的規(guī)律,要進(jìn)行解擴(kuò)是很困難的。這些都體現(xiàn)了CDMA安全、保密的特點(diǎn)。


　　三、移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)


　　移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要分為兩大類,第一類是同步軌道移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng),主要系統(tǒng)有：Inmarsat-M、Inmarsat-B、MOBILESAT(澳大利亞)、MSAT(USA)等。其它一些面向個(gè)人通信的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和正在開發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)有：Jet Propulsion Laboratory建議的PASS(Personal Access Satellite System)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),歐洲空間局發(fā)射的Olympus衛(wèi)星系統(tǒng),NASA的ACTS(Advanced Communication Technology Satellite)衛(wèi)星系統(tǒng),日本空間開發(fā)局的ETSVI衛(wèi)星系統(tǒng),歐洲的PRODAT和MSBN移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)。


　　第二類是中低軌道的移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng),美國的主要系統(tǒng)有：ORBCOMM(Orbital)、STARNET(Starsys)、LOESAT(Marcor)、VITASAT(VITA)和即將投入使用的“銥”系統(tǒng)等。前蘇聯(lián)COSCON公司提出了一個(gè)全球空間通信系統(tǒng)-Kochon系統(tǒng),該系統(tǒng)采用四個(gè)極地軌道,共32顆衛(wèi)星覆蓋全球,提出雙向電話、數(shù)據(jù)傳輸、定位業(yè)務(wù)、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(tǒng),為歐洲提供移動(dòng)話音通信和高質(zhì)量的數(shù)字音頻廣播業(yè)務(wù)(Digital Audio Broadcast)。德國MBB航空公司1990年提出一個(gè)叫Loopus的系統(tǒng),用工作在三個(gè)橢圓軌道上的9顆衛(wèi)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(fā)射低軌道的衛(wèi)星計(jì)劃,共計(jì)12顆衛(wèi)星,用于拉丁美洲,初期僅提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),最終支持話音的傳輸。法國也提出了發(fā)射低軌道的衛(wèi)星計(jì)劃,共發(fā)射5～6顆衛(wèi)星,僅用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。


　　四、我國移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)模型和信道模型


　　4.1 系統(tǒng)模型


　　衛(wèi)星移動(dòng)通信可以通過各種各樣的星座來實(shí)現(xiàn)。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(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)模型就是全球移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)(Global Mobile Satellite Information System---GMSIS)。GMSIS系統(tǒng)是由18顆高度為8034Km的衛(wèi)星構(gòu)成的中軌道衛(wèi)星系統(tǒng),衛(wèi)星通信天線的波束張角為2×21.8o,波束覆蓋區(qū)地心角為2×35o,每顆衛(wèi)星共有19個(gè)子波束組成,每個(gè)波束的天線張角為2×6o。一個(gè)系統(tǒng)的軌道參數(shù)給定之后,我們可以計(jì)算出衛(wèi)星系統(tǒng)在任何時(shí)刻照射在地球表面形成星下點(diǎn)的經(jīng)度和緯度,以及每個(gè)衛(wèi)星及其波束的覆蓋范圍。


　　衛(wèi)星下點(diǎn)的緯度和經(jīng)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(wèi)星的相角,i是衛(wèi)星軌道的傾角,λN是衛(wèi)星的右升節(jié)點(diǎn)的經(jīng)度,ωE是地球自轉(zhuǎn)的速度,ωsat=(GM)1/2(RE +H)-1/3為衛(wèi)星運(yùn)行的角速度,G=6.6684627×10-11m3/Kg/s2為萬有引力常數(shù),M=5.977414×1024Kg為地球的質(zhì)量,RE=6378.5×103Km為地球的半徑,H為衛(wèi)星的軌道高度,T為衛(wèi)星自初始時(shí)刻的運(yùn)行時(shí)間。


　　我們假設(shè)用戶均勻分布在地球表面,每個(gè)衛(wèi)星的一個(gè)波束照射范圍的地球表面有100個(gè)同時(shí)工作的用戶,即每個(gè)衛(wèi)星覆蓋范圍有1900個(gè)同時(shí)工作的用戶。


　　4.2 信道模型


　　在移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,移動(dòng)臺所接收到的信號不僅有直射信號,還有經(jīng)過多次路徑反射和散射的信號,即在空間任意接收點(diǎn)上的信號強(qiáng)度是由多徑信號矢量合成。當(dāng)移動(dòng)臺在駐波場運(yùn)動(dòng)時(shí),接收信號的強(qiáng)度就會(huì)出現(xiàn)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(qū)等障礙物的遮擋,用戶接收到的信號呈現(xiàn)慢的起伏變化,即慢衰落。此外,用戶接收到的信號還與衛(wèi)星星上天線有關(guān)。由于星上天線指向增益不同,在經(jīng)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(shí)接收到的衛(wèi)星功率不同,相差3dB。對于移動(dòng)衛(wèi)星通信信道許多文獻(xiàn)已做了廣泛的研究,我們認(rèn)為用戶終端主要跟蹤移動(dòng)衛(wèi)星通信中的直射路徑信號進(jìn)行解調(diào),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(guān),星上天線采用拋物天線模型。


　　五、CDMA在衛(wèi)星移動(dòng)通信多址方式中的應(yīng)用


　　同地面蜂窩移動(dòng)通信的情況一樣,衛(wèi)星移動(dòng)通信的多址技術(shù)也有頻分、時(shí)分、碼分等幾種形式。使用FDMA技術(shù),由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的非線性而形成的交調(diào)干擾,就要避開一部分頻帶不用,還要用衛(wèi)星功率進(jìn)行“補(bǔ)償”以進(jìn)一步降低交調(diào)干擾,這樣就浪費(fèi)了衛(wèi)星功率和頻帶等寶貴資源；TDMA可以克服交調(diào)現(xiàn)象,但又面臨著同步問題,由于衛(wèi)星地面通信站安裝在運(yùn)動(dòng)物體上,運(yùn)動(dòng)物體迅速移動(dòng),要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)地面站往衛(wèi)星同步地發(fā)射信號顯然很困難；CDMA使用不同擴(kuò)頻序列,相互間影響較小,頻帶重復(fù)利用率高。與傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)定向傳輸?shù)男l(wèi)星通信不一樣,衛(wèi)星移動(dòng)通信是一點(diǎn)對多點(diǎn)的全向性傳輸,必須采用擴(kuò)頻技術(shù)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(fù)用、扇區(qū)劃分等來增強(qiáng)系統(tǒng)容量,而在FDMA和TDMA中擴(kuò)容技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來難度較大。在全球衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中,若采用CDMA技術(shù),則具有組網(wǎng)簡單、靈活、抗干擾能力強(qiáng),系統(tǒng)容量潛力大,成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。所以,在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用CDMA技術(shù)是適宜的。


　　六、CDMA在移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)功率控制中的應(yīng)用


　　用戶終端處于星上天線波束形成蜂窩的不同位置時(shí),星上天線方向增益不同。用戶和衛(wèi)星之間信道受到衰落和遮擋的狀況與用戶的位置有關(guān),并且是時(shí)變的。所以,如果每個(gè)用戶的裕量按最惡劣條件設(shè)計(jì)又沒有功率控制,不管用戶處在什么位置,信道特性如何,衛(wèi)星都要發(fā)射比實(shí)際需要多得多的功率,這無疑是以犧牲衛(wèi)星功率從而降低系統(tǒng)容量為代價(jià)的�？梢�,功率控制對移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(tǒng)的容量。此外,對于CDMA系統(tǒng),減少功率還能減少多址干擾。


　　為實(shí)現(xiàn)功率控制,我們認(rèn)為,CDMA系統(tǒng)的衛(wèi)星與用戶之間通信信道有四種：(1)衛(wèi)星到用戶的導(dǎo)頻信道；(2)衛(wèi)星到用戶的業(yè)務(wù)信道；(3)用戶到衛(wèi)星的信令信道；(4)用戶到衛(wèi)星的業(yè)務(wù)信道。


　　每個(gè)蜂窩只對應(yīng)一個(gè)導(dǎo)頻信道。在導(dǎo)頻信道上不加功率控制,這是因?yàn)閷?dǎo)頻信道是按最惡劣條件設(shè)計(jì)的,也就是說任何條件下,無論處于蜂窩中心還是蜂窩邊緣,無論信道有沒有被遮擋,還是信道受到深度遮擋,用戶都能跟蹤和解調(diào)導(dǎo)頻信號,根據(jù)解調(diào)門限的電平可以判斷出信道的衰落特性。其余三種信道都占用了系統(tǒng)的絕大部分資源(包括功率),需要功率控制。用戶根據(jù)導(dǎo)頻信號的幅度估計(jì)出當(dāng)前通信信道的特性,調(diào)整其發(fā)射業(yè)務(wù)和信令信號的功率,并且把調(diào)整的方向和幅度以信令形式發(fā)送給衛(wèi)星(或相應(yīng)關(guān)口站),衛(wèi)星(或相應(yīng)關(guān)口站)接收功率調(diào)整后的信令信道根據(jù)信令信息和信令信號衰減程度估計(jì)出當(dāng)前信道特性,從而調(diào)整衛(wèi)星發(fā)射給該用戶業(yè)務(wù)信號的功率電平。


　　七、CDMA在移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)分集接收中的應(yīng)用


　　分集技術(shù)(Diversity Techniques)就是研究如何利用多徑信號來改善系統(tǒng)的性能。分集接收技術(shù)利用多條傳輸相同信息、且具有近似相等的平均信號強(qiáng)度和相互獨(dú)立衰落特性的信號路徑,并在接收端對這些信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜?Combining),以便大大降低多徑衰落的影響,從而改善傳輸?shù)目煽啃浴?br>

　　移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常是由多個(gè)衛(wèi)星組成,它們照射到地面形成的蜂窩彼此是相互交迭的,并且這種相互交迭的程度是隨時(shí)間和不同的經(jīng)緯度的變化而變化。地面上的用戶終端在同一個(gè)時(shí)刻有可能同時(shí)看到1～4顆衛(wèi)星的照射,如何最佳地利用這些衛(wèi)星是分集接收研究的課題。TDMA系統(tǒng)由于不同的蜂窩占用不同的頻率資源,所以它要求嚴(yán)格的蜂窩概念,用戶只能跟蹤最高仰角的衛(wèi)星并選擇其高仰角波束工作。對于CDMA系統(tǒng),由于所有蜂窩的用戶占用相同的頻帶,利用多個(gè)衛(wèi)星分集接收是CDMA移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點(diǎn)。對于CDMA系統(tǒng)有三種分集接收的方法。


　　(1)用戶始終跟蹤最高仰角衛(wèi)星及其最高波束；


　　(2)用戶同時(shí)跟蹤所有可視的M個(gè)衛(wèi)星以及各個(gè)衛(wèi)星最大仰角的天線波束；


　　(3)用戶實(shí)時(shí)跟蹤通信質(zhì)量最好的衛(wèi)星及其最高仰角波束。


　　八、結(jié)束語


　　由于CDMA與FDMA和TDMA相比具有很多技術(shù)優(yōu)勢,因而競爭力很強(qiáng)。資料表明,美國首批寬帶PCS頻譜拍賣,結(jié)果首期中標(biāo)的18家公司中就有7家決定采用CDMA,它們的頻率投資額占總額的56%;3家采用TDMA技術(shù)�？梢娫诿绹鴤�(gè)人通信市場上,CDMA已占上風(fēng)。近年來,隨著小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星移動(dòng)通信的出現(xiàn),它為實(shí)現(xiàn)全球移動(dòng)通信和個(gè)人通信提供了重要的條件,所以,把CDMA引入衛(wèi)星移動(dòng)通信中,使衛(wèi)星移動(dòng)通信產(chǎn)生質(zhì)的飛躍,并在全球移動(dòng)通信和個(gè)人通信中占有決定性的地位。


摘自《無線產(chǎn)品世界》