CDMA在衛(wèi)星移動(dòng)通信中的應(yīng)用

摘要：該文分析了CDMA技術(shù)優(yōu)勢(shì)，介紹了衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展,簡(jiǎn)單描述了我國(guó)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)通信刖言當(dāng)今的信息時(shí)代對(duì)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(guó)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(wú)線頻譜。眾所周知，可利用的無(wú)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(duì)已被占用的頻帶進(jìn)行重復(fù)利用。在CDMA系統(tǒng)中，通過(guò)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(lái)，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(guó)際上形成熱潮。所以，對(duì)CDMA在衛(wèi)星移動(dòng)通信中的應(yīng)用探討，對(duì)我國(guó)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(shì)CDMA是基于擴(kuò)頻通信中的一種多址方式。很多CDMA信號(hào)共用一個(gè)頻譜，每個(gè)信號(hào)由不同的PN序列組成，它對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制擴(kuò)展其頻譜。信號(hào)在接收機(jī)中進(jìn)行相關(guān)處理。只對(duì)所選的PN序列的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，并將其能量重新集中起來(lái)，其他用戶的信號(hào)，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)：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(lái)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)。頻率利用率高。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(wú)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。具有軟切換特點(diǎn)。FDMA和TDMA的過(guò)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(jué)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。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(duì)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。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)：抗干擾能力強(qiáng)。CDMA采用寬帶傳輸，將有用信號(hào)和干擾信號(hào)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(duì)有用信號(hào)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?？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(hào)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(guò)使用交織和糾錯(cuò)編碼來(lái)達(dá)到最大效果；空間（路徑）分集可通過(guò)軟切換、rake接收機(jī)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(hào)功率比干擾信號(hào)功率低得多,信號(hào)仿佛淹沒(méi)在噪聲之中，不易被對(duì)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(hào)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(kāi)發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)有：JetPropulsionLaboratory建議的PASS（PersonalAccessSatelliteSystem）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（AdvancedCommunicationTechnologySatellite）衛(wèi)星系統(tǒng)，日本空間開(kāi)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(guó)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)(DigitalAudioBroadcast)o德國(guó)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(guó)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(guó)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(guò)各種各樣的星座來(lái)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(guó)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)(GlobalMobileSatelliteInformationSystem 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2X21.80,波束覆蓋區(qū)地心角為2X35o,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2X6o。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：O=arcsin[sin(i)sin(u)]入=arctan[cos(i)tan(u)]-T?E+入N其中，u=u0+?satT衛(wèi)星的相角，i是衛(wèi)星軌道的傾角，入N是衛(wèi)星的右升節(jié)點(diǎn)的經(jīng)度，3E是地球自轉(zhuǎn)的速度，3sat=(GM)1/2(RE+H)-1/3為衛(wèi)星運(yùn)行的角速度，G=6.6684627X10-11m3/Kg/s2為萬(wàn)有引力常數(shù)，M=5.977414X1024Kg為地球的質(zhì)量，RE=6378.5X103Km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(tái)所接收到的信號(hào)不僅有直射信號(hào)，還有經(jīng)過(guò)多次路徑反射和散射的信號(hào)，即在空間任意接收點(diǎn)上的信號(hào)強(qiáng)度是由多徑信號(hào)矢量合成。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在駐波場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)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(shù)木和山區(qū)等障礙物的遮擋，用戶接收到的信號(hào)呈現(xiàn)慢的起伏變化，即慢衰落。此外用戶接收到的信號(hào)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(duì)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(hào)進(jìn)行解調(diào)，并且信號(hào)受到的遮擋概率和受到的遮擋后信號(hào)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(kāi)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(wèn)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(hào)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(duì)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(duì)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(lái)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(lái)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(jiǎn)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(méi)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(wú)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?jiàn)，功率控制對(duì)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(duì)星上功率的要求從而增加系統(tǒng)的容量。此外，對(duì)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(duì)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(shuō)任何條件下，無(wú)論處于蜂窩中心還是蜂窩邊緣，無(wú)論信道有沒(méi)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(hào)，根據(jù)解調(diào)門(mén)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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)（DiversityTechniques）就是研究如何利用多徑信號(hào)來(lái)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(hào)強(qiáng)度和相互獨(dú)立衰落特性的信號(hào)路徑，并在接收端對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜ⅲ–ombining）,以便大大降低多徑衰落的影響,從而改善傳輸?shù)目煽啃?。移?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(duì)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(duì)于CDMA系統(tǒng)有三種分集接收的方法。用戶始終跟蹤最高仰角衛(wèi)星及其最高波束；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