CDMA在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的應用

CDMA在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的應用(溫日紅)
    摘要  首先簡單介紹了移動通信系統(tǒng)和衛(wèi)星移動通信的發(fā)展，重點說明了CDMA適合于衛(wèi)
星移動通信的系統(tǒng)特性，最后對應用于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的幾種多址技術進行了比較，并簡
單介紹了CDMA在衛(wèi)星移動遷信系統(tǒng)中的應用情況。
    關鍵詞 CDMA TDMA FDMA  移動通信  衛(wèi)星通信
1移動通信系統(tǒng)的發(fā)展與衛(wèi)星移動通信
    移動通信系統(tǒng)誕生于本世紀70年代末期，當時出現(xiàn)了以美國的AMPS系統(tǒng)和英國的TACS系
統(tǒng)為代表的第一代移動通信系統(tǒng)。第一代移動通信系統(tǒng)屬于窄帶模擬系統(tǒng)，在容量和功能上
都很受限制。
    第二代移動通信系統(tǒng)以歐洲的GSM系統(tǒng)和美國的IS－95系統(tǒng)為代表。目前第二種數字蜂
窩系統(tǒng)已經發(fā)展成熟，在多址方式上主要采用TDMA和CDMA。九十年代初，美國提出了CDMA數
字蜂窩移動通信系統(tǒng)。1993年3月美國TLA通過了CDMA空中接目標準IS－95，成為與TDMA并駕
齊驅的數字蜂窩系統(tǒng)，并在香港、韓國、美國正式投入商用，取得了巨大的成功。我國的
CDMA ＃窩系統(tǒng)已在北京、廣州、上海、西安相繼開通實驗網，正準備向沿海城市推廣。與
第一代系統(tǒng)相比，第二代移動通信系統(tǒng)在容量、功能和傳輸速度上有了很大提高，但它們仍
是窄帶系統(tǒng)，由于受到傳輸頻帶的限制，不能真正發(fā)揮CDMA的特性，還遠遠不能滿足移動用
戶數量的迅猛增長和用戶對多媒體等定帶業(yè)務的需求。
    目前，以國際電聯(lián)（ITU）為主導的若干國際化組織正著手第三代移動通信系統(tǒng)（IMT－
2000）的標準化工作，IMT-2000是一個全球無縫覆蓋，全球漫游，包括無繩電話、蜂窩移動
通信、移動通信的大系統(tǒng)。第三代移動通信的特點是多媒體化和智能化，可提供多元傳輸速
率、高性能、高質量的服務。
    根據國際電聯(lián)對第三代移動通信系統(tǒng)的要求，目前各大電信公司聯(lián)盟均已提出了自己的
第三代移動通信系統(tǒng)方案，主要有以日本NTT DoCoMo公司為首的W-CDMA、美國朗訊、摩托羅
拉等公司提出的寬帶cdmaone、歐洲西門子、阿爾卡特等公司提出的TD－CDMA�？偟膩碚f，
在第三代移動通信系統(tǒng)中采用CDMA技術已經達成共識。
    第三代移動通信系統(tǒng)由陸地系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)組成，從而真正實現(xiàn)任何人在任何時間和地
點以任何方式與任何人的通信，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)將成為未來個人通信網的一個重要組成部
分。衛(wèi)星通信具有全球范圍的任蓋區(qū)域、信道穩(wěn)定、可靠性高、系統(tǒng)容量大等優(yōu)點，從誕生
至今，得到了迅猛的發(fā)展。通過衛(wèi)星為移動臺和手機提供通信眼務而構成移動衛(wèi)星通信
（MSS）。MSS是以VAST（Very Small ApetureTerminal）和地面蜂窩移動通信為基礎，結合
空間衛(wèi)星多波束技術及星上技術、計算機等高新技術構成的超越時空的全球個人通信網。
    由于同步衛(wèi)星軌道上已相當“擁擠”，為了滿足全球通信發(fā)展的需要，非靜止衛(wèi)星
（N-GSO）系統(tǒng)，包括低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)（LEOS）和中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)（MEOS）應運而生。近年
來，世界上不同的國家和組織紛紛推出了采用中、低軌道（MEO／LEO）的全球衛(wèi)星移動通信
系統(tǒng)或導航系統(tǒng)，改變了以往傳統(tǒng)上用地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星實現(xiàn)對地服務的局面，并
將極大地擴展人類相互交往和溝通的空間范圍。移動衛(wèi)星通信向全球個人通信的發(fā)展主要是
以低軌道通信衛(wèi)星（LEO）為主。在已提出的一系列的N－GSO系統(tǒng)中，影響最大的有同托羅
拉公司的欽（Iridium）系統(tǒng)，Loral－Qualcomm公司的全球星（Glotalstar）系統(tǒng)，TRW公
司的奧迪塞（odyssey）系統(tǒng)和國際海事衛(wèi)星組織的ICO系統(tǒng)等。其中前兩個系統(tǒng)為低軌道系
統(tǒng)，銥系統(tǒng)采用TDMA、FDMA體制，全球星系統(tǒng)采用CDMA、FDMA體制；后兩個系統(tǒng)屬中軌道系
統(tǒng)，奧迪塞系統(tǒng)采用TDMA、FDMA體制，ICO系統(tǒng)采用TDMA、FDMA體制。這些系統(tǒng)正在建設中，
有望在 2000年左右成為商用的全球性衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。
2 CDMA系統(tǒng)特性
    CDMA接人技術的基礎是使用一組正交（或準正交）的偽隨機噪聲序列通過相關處理實現(xiàn)
多用戶共享頻率資源和同時人網的接入功能。CDMA以擴頻技術為基礎，因此它具有擴頻通信
所固有的抗干擾能力強、抗多徑衰落、安全保密性好等優(yōu)點，而且CDMA通信還具有隱蔽性好、
多址訪問靈活、對非正交系統(tǒng)不需要系統(tǒng)的同步、與同額通信系統(tǒng)之間的相互干擾小、對多
普勒頻移不敏感等優(yōu)點，與其他的多址方式（TEMA、FDMA）相比，CDMA系統(tǒng)的以下特性更適
合于移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)：
    ①語音激活持續(xù)時間的利用。人類講話的特征對CDMA方式有利。人類話音激活持續(xù)期即
話音激活概率為35％。在CDMA中，所有用戶共用一個無線信道，當用戶分配的信道不在講話
時，在單一CDMA無線信道內的所有其他用戶信道會由于干擾減少而得益。因此利用話音作用
周期性的特點可降低相互干擾65％，增大系統(tǒng)容量近3倍。這種現(xiàn)象的利用是CDMA技術所獨
有的。
    ②用扇形天線來提高容量。在FDMA與TDMA中，每一小區(qū)可采用扇形化來降低干擾，提高
通信質量。但由于每一扇形區(qū)要平分原小區(qū)的信道，所以扇形化對系統(tǒng)容量增加所起的作用
很小。在CDMA中，采用扇形化降低干擾來提高系統(tǒng)容量，理論上無線容量的增長于扇區(qū)數增
長呈線性關系。那么通過在3個扇形區(qū)引入3個無線系統(tǒng)，與一個小區(qū)一個無線系統(tǒng)相比就可
以獲得3倍的系統(tǒng)容量。
    ③柔性容量。在CDMA中，當系統(tǒng)容量達到飽和時，還可以適當地增加少量用戶，不過這
是以通信質量稍有變壞作為代價而獲取的，在這種情況下增加的用戶容量稱為軟容量。如設
一個小區(qū)的容量為40信道，那么當一個小區(qū)增加一個用戶（信道）時．載干比只下降10lg41
/40=0.24dB通信質星劣化很少。而FDMA和TDMA系統(tǒng)卻沒有這種能力�？偟膩碚f，采用CDMA方
式的系統(tǒng)容量比采用FDMA和TDMA方式的系統(tǒng)容量要大得多。
    ④無需頻率管理或分配，擴容方便。在FDMA和TDMA中損率管理往往是一項關鍵性的工作，
甚至為了減少實時干擾，還需實行動態(tài)頻率管理。在CDMA中，由于只有一個公共無線信道，
不需要頻率管理，也無需動態(tài)頻率分配。
    由于CDMA各小區(qū)使用相同頻率，不必象FDMA那樣進行頻率配置，當系統(tǒng)擴展時，不用為
適應新的頻率安排而對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造，很大程度上方便了系統(tǒng)的擴容。
    ⑤軟越區(qū)切換。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，由
于每一小區(qū)采用同一CDMA無線系統(tǒng)，僅有的差別是代碼序列，因此當移動用戶從一個小區(qū)到
另一小區(qū)時不需要從一個頻率切換到另一個頻率，這被稱為軟越區(qū)切換。
    ⑥CDMA中沒有保護時間。在TDMA中，時隙間需要保護時間，保護時間占有一定比特的時
間周期，而在CDMA中不存在保護時間。因此在相同的速率下，CDMA傳送的信息量比TDMA高。
    ⑦更適合于衰落信道。多徑效應引起的快衰落嚴重地影響著移動通信無線信號傳輸的可
靠性。在CDMA系統(tǒng)中，由于應用了擴頻技術，就有了抗多徑效應的固有特性，當多徑延時大
于偽隨機噪聲序列的一個碼元竟應時，多徑信號間相關系數很小，從而多徑信號對系統(tǒng)性能
的影響就很小。因此CDMA系統(tǒng)具有抑制多徑干擾的能力。
    ⑧不需要均衡器。在FDMA和TDMA中，傳輸速率遠高于10kb/S時，需要一個均衡器以減少
由于時延擴展引起的碼間干擾。而在CDMA中只需要一個相關器代替接收機中的均衡器，以對
擴頻信號解擴，而相關器比均衡器簡單且可靠。
    ⑨與窄帶用戶共享用戶頻帶。寬帶CDMA信號的功率譜密度低，對同一頻帶內的其他窄帶
系統(tǒng)干擾很小。同樣，這些窄帶信號被CDMA系統(tǒng)中的用戶接收后，由于擴頻處理增益的作用
被抑制，也不會對CDMA用戶形成明顯干擾。當然，要真正實現(xiàn)共存，協(xié)調和周密的設計是必
需的，甚至需要采用干擾抑制技術。
    ⑩適合于微小區(qū)和建筑物內部的通信。由于CDMA蜂窩系統(tǒng)能有效地降低人為干擾、窄帶
干擾、多徑干擾的影響，能克服由時延擴展造成的碼元間干擾，可采用軟切換的越區(qū)切換及
無需頻率管理和分配等優(yōu)點，所以是一種極其適合于微小區(qū)和建筑物內部通信的技術體制。
   ⑾設備簡單。在CDMA 蜂窩系統(tǒng)中，所有用戶共享一個無線信道，每個基站或扇區(qū)只需要
一個無線電臺，因而既可降低成本又節(jié)省了設備空間，并且便于安裝。
    ⑿頻譜利用率高。
3基于 CDMA的衛(wèi)星移動通信
    衛(wèi)星移動通信的多址技術有FDMA、TDMA和CDMA等幾種方式。使用FDMA技術，衛(wèi)星轉發(fā)器
的非線性將會形成交調干擾，因此就要避開一部分頻帶不用，還要用衛(wèi)星功率進行“補償”
以進一步降低交調干擾，這樣就沒費了衛(wèi)星功率和頻帶等寶貴資源。TDMA可以克服交調現(xiàn)象，
但又面臨同步問題，由于衛(wèi)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(xiàn)移
動地面站往衛(wèi)星同步地發(fā)射信號就很困難。CDMA使用不同的擴頻序列，相互間影響小，頻帶
重復利用率高。與傳統(tǒng)的點對點定向傳輸的衛(wèi)星通信不同，衛(wèi)星移動通信是一點對多點的全
向性傳輸，必須采用擴額技術提高抗多任干擾能力。在CDMA中還可以采用諸如語音激活、頻
率復用、扇區(qū)劃分等技術來增加系統(tǒng)容量，而在FDMA和TDMA中擴容技術實現(xiàn)起來難度較大。
在全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中若采用CDMA技術，則具有組網簡單、靈活、抗干擾能力強、系統(tǒng)
容量潛力大、成本低等一系列優(yōu)點。所以，在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)采用CDMA技術是適宜的。
    由于CDMA系統(tǒng)所具有的經濟上和技術上的優(yōu)勢，在1993年要求美國FCC批準的6個移動衛(wèi)
星系統(tǒng)中只有Iridium系統(tǒng)一家采用TDMA體制，其余5家都選擇了CDMA。最近美國首批寬帶
PCS頻譜拍賣，結果中標的18家公司中有7家決定采用CDMA，他們的頻率投資額占總額的56％，
3家采用TDMA技術，還有8家尚未最后決定。可見在美國個人通信市場上，CDMA已占了上風。
    在近年來提出的一系列移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，采用CDMA技術的也已占了多數，而且還有
繼續(xù)增加的趨勢。毫無疑問，CDMA將在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

摘自《無線電通信技術》