WCDMA體制衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗衰落技術(shù)研究

莊云勝，王力男，孫 凱

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081;2.中國人民解放軍63756部隊，山東青島 266114)

0 引言

GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有相對簡單的地面段和空間段結(jié)構(gòu)，不需要復(fù)雜的地面跟蹤設(shè)施和星際網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍廣，衛(wèi)星仰角和傳播時延相對穩(wěn)定，與低軌衛(wèi)星星座相比，設(shè)計簡單，投資風(fēng)險小，工作壽命長。WCDMA是一個寬帶直接序列擴頻碼分多址系統(tǒng)，具有同步支持多速率服務(wù)、有效利用多徑傳播、減少干擾和頻率復(fù)用系數(shù)大等優(yōu)點，使之成為衛(wèi)星通信中很具有吸引力的體制。

1 抗信衰落技術(shù)分析

1.1 WCDMA抗衰落技術(shù)分析

陸地移動信道的主要特征是多徑傳播。無線電信號的傳播經(jīng)地面和周圍環(huán)境物體的反射、散射、繞射，到達接收機的信號往往是多個信號的疊加。這種多徑傳播引起接收信號的幅度、相位和到達時間的隨機變化，會產(chǎn)生多徑衰落，嚴重影響信號的傳輸質(zhì)量。在這樣惡劣的傳播條件下，要保持可以接受的傳輸質(zhì)量，就必須采用各種抗衰落技術(shù)。

WCDMA采用了信道估計、交織和糾錯碼等抗衰落技術(shù)。WCDMA是擴頻通信系統(tǒng)，具備較好的抗干擾和抗多徑衰落性能;而且通過使用RAKE接收技術(shù)可以充分利用多徑信號，使得接收效果增強;此外，WCDMA的功率控制也可以有效地對抗慢衰落［1］。

1.2 GEO衛(wèi)星抗衰落技術(shù)分析

衛(wèi)星信道與地面移動信道物理特性差異較大，為適應(yīng)衛(wèi)星信道的特點，WCDMA的抗衰落技術(shù)必須經(jīng)過改進才能應(yīng)用在衛(wèi)星上。

GEO衛(wèi)星信道的條件比陸地移動信道要好。影響GEO衛(wèi)星信道的因素一般有對流層閃爍、降雨衰減、云吸收和大氣吸收衰減，這些衰落大部分為慢衰落。衛(wèi)星系統(tǒng)的接收信號主要由直達信號所組成，多徑時延擴展對信號的影響較地面移動通信小［2］，因此可以簡化信道估計的設(shè)計。WCDMA系統(tǒng)通過使用CPICH(公共導(dǎo)頻信道)和時隙中的Pilot部分完成信道估計，由于GEO衛(wèi)星信道中的衰落大部分為慢衰落，單獨通過CPICH(公共導(dǎo)頻信道)就可以完成信道估計功能。

GEO衛(wèi)星信道的相干時間長。相干時間等于多普勒頻展寬度的倒數(shù)，而多普勒頻展與使用的頻率、相對運動速度和所處的多徑環(huán)境有關(guān)。對于地面移動終端，其接收信號中存在地面多徑信號，但它與衛(wèi)星的相對運動速度不快，因此多普勒頻展寬度不大;對于高速飛行器，雖然其多普勒頻移大，但由于空中多徑信號很少，因此多普勒頻展寬度也不大。在不考慮頻率的影響時，GEO衛(wèi)星信道的相干時間大于地面移動信道。WCDMA的交織方式不適用于大相干時間的衰落信道，為了獲得交織增益需要增大交織深度。

GEO衛(wèi)星通信時延大。衛(wèi)星鏈路的雙跳傳播時延近540 ms，再考慮處理時延，則鏈路的往返時間(Round Trip Time，RRT)接近 600 ms。這導(dǎo)致WCDMA的功率控制方法不適用于GEO衛(wèi)星通信。

2 功率控制改進

WCDMA系統(tǒng)采用了內(nèi)環(huán)和外環(huán)功率控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。外環(huán)控制通過調(diào)節(jié)無線鏈路的信干比(SIR)目標值來使鏈路的誤塊率(BLER)維持在一個可以接受的水平。BLER由前向糾錯解碼器輸出的CRC信息計算得到。內(nèi)環(huán)控制是通過估計當前信道的SIR，并把它與SIR目標值相比較，通過比較結(jié)構(gòu)來設(shè)置功率控制反饋是上調(diào)命令還是下調(diào)命令。

圖1 WCDMA功率控制結(jié)構(gòu)

地面蜂窩系統(tǒng)的基站和用戶之間的往返時間延遲小于1 ms，因此WCDMA系統(tǒng)的功率控制反饋頻率可以實現(xiàn)每2/3 ms一次，對大多數(shù)快衰落信道可以精確跟蹤，從而保證接收端有近似恒定的SIR。而GEO衛(wèi)星通信的往返時延接近600 ms，接收端將不能及時響應(yīng)功率控制命令。因此設(shè)計一種線性預(yù)測器，用于預(yù)測信道在接下來的600 ms的衰落狀態(tài)。以80 ms的間隔計算和發(fā)送功率控制命令，預(yù)測器就可以很好地跟蹤相關(guān)時間大于600 ms的慢衰落信道，但是不能跟蹤快速衰落信道［3］。

3 交織方式改進

WCDMA系統(tǒng)的最大交織深度為80 ms，不能對抗衛(wèi)星信道中相干時間大于80 ms的慢衰落。因此在不改變WCDMA原有處理流程的情況下，設(shè)計添加一種新的交織方式，稱為TTI間交織方式。把TTI間交織處理插入物理層的2個子層之間。信道編碼復(fù)用子層生成的DPDCH幀先經(jīng)過TTI間交織，再把交織后的DPDCH幀與DPCCH幀組合構(gòu)成CCTrCH幀，最后把它送入擴頻調(diào)制子層［4］。

TTI間交織過程如圖2所示。連續(xù)TTI的數(shù)據(jù)經(jīng)過信道編碼和復(fù)用后，標記為TTI A，TTI B，TTI C，……;TTI A內(nèi)的8個無線幀標記為 A0，A1，A2，……A7;其他TTI的標記方法依次類推。TTI間交織器把接收到的一個TTI內(nèi)的8幀數(shù)據(jù)存儲起來，然后把各個幀同其他TTI的幀交錯排序，最后按照時序發(fā)送幀數(shù)據(jù)。一個TTI數(shù)據(jù)的交織時間間隔為KTTI×TTI，KTTI為交織系數(shù)。通過改變KTTI的取值，可以設(shè)置TTI間交織的深度。當為1時，相當于不使用TTI間交織。

圖2 TTI間交織

TTI的最大值為80 ms，當交織系數(shù) KTTI為8時，交織時間間隔為640 ms。考慮到前面介紹的衛(wèi)星功率控制預(yù)測時間為600 ms，這時TTI間交織可以作為功率控制的補充，快于600 ms的衰落由TTI間交織克服，慢于600 ms的衰落由功率控制克服［5］。文獻［5］仿真計算得出在理想信道條件下，衛(wèi)星模擬系統(tǒng)接收性能提高約1.5 dB;其他信道條件下，衛(wèi)星模擬系統(tǒng)接收性能會提高2～2.5 dB。

4 幀結(jié)構(gòu)改進

4.1 WCDMA 幀結(jié)構(gòu)

WCDMA的處理以無線幀為結(jié)構(gòu)單位，每個無線幀長10 ms，包含38400個碼片。每個無線幀從時間上再等分為15個時隙。下行DPCH(專用物理信道)的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中Data1和Data2部分是DPDCH(專用數(shù)據(jù)物理信道)的內(nèi)容，承載了要傳輸?shù)臄?shù)據(jù);而TPC(發(fā)送功率控制)、TFCI(傳輸格式指示)和Pilot(導(dǎo)頻)3個部分是DPCCH(專用控制物理信道)的內(nèi)容，它雖然沒有承載數(shù)據(jù)，但是承載了DPDCH信道正常工作所必須的控制信息［6］。

圖3 WCDMA下行DPCH的幀結(jié)構(gòu)

4.2 幀結(jié)構(gòu)改進分析

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于功率受限，因而設(shè)計時需要充分考慮信道資源的利用率。WCDMA系統(tǒng)的每個時隙都包含DPCCH數(shù)據(jù)，這對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說DPCCH占用了過多的信道資源，特別是在傳輸?shù)退贅I(yè)務(wù)的時候。例如，WCDMA采用比特率為15 kbps的 DPCH信道時，實際數(shù)據(jù)的比特率為6 kbps，而控制數(shù)據(jù)的比特率為8 kbps。

首先，簡化TFCI設(shè)計。由于CCTrCH(編碼組合傳輸信道)中各個傳輸信道的TTI不同，WCDMA的幀格式需要支持每個無線幀(時間長度為10 ms)傳輸格式變化。如果限定CCTrCH中各個傳輸信道的TTI都相同，就可以保證在一個TTI內(nèi)的TFCI不變;這時，一個TTI內(nèi)只要發(fā)送一次TFCI數(shù)據(jù)，從而減少了TFCI數(shù)據(jù)的發(fā)送次數(shù)。

其次，由前面的功率控制分析得知，改進后的功率控制反饋周期為80 ms，因此TPC數(shù)據(jù)只需以80 ms間隔發(fā)送。由于GEO衛(wèi)星信道的慢衰落特性，可以簡化信道估計的設(shè)計，去掉Pilot數(shù)據(jù)。這樣可以減少DPCCH承載的數(shù)據(jù)。

4.3 適應(yīng)衛(wèi)星的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合以上幾個方面的分析，重新設(shè)計DPCH的時隙結(jié)構(gòu)。采用3種時隙格式:T、P和D。T時隙包含TFCI比特和專用物理數(shù)據(jù)信道比特，P時隙包含TPC比特和專用物理數(shù)據(jù)信道比特率，D時隙只包含專用物理數(shù)據(jù)信道比特。3種時隙的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 適應(yīng)衛(wèi)星的時隙結(jié)構(gòu)

重新設(shè)計DPCH的幀結(jié)構(gòu)。圖5給出了無線幀的傳送示意圖。在一個10 ms無線幀中包含2個T時隙、4個P時隙和9個D時隙。TFCI數(shù)據(jù)經(jīng)過里德－穆勒碼的(32，10)子碼編碼，產(chǎn)生的編碼數(shù)據(jù)被平均分配到各個T時隙中傳輸，每個T時隙包含4 bit數(shù)據(jù)。WCDMA系統(tǒng)中TPC為全1或全0的數(shù)據(jù)，其傳輸可靠性差，因此對TPC數(shù)據(jù)采用了(16，5)雙正交碼進行編碼。TPC編碼信息被平均分配到各個P時隙中傳輸，每個P時隙傳TPC=2 bit，圖5中TPC編碼信息在80 ms內(nèi)重復(fù)發(fā)送，使得接收端可以通過累加來提高處理增益。

圖5 適應(yīng)衛(wèi)星的無線幀傳輸

通過采用改進的時隙結(jié)構(gòu)和幀結(jié)構(gòu)，使得DPCCH數(shù)據(jù)只在前幾個時隙中發(fā)送，減小了DPCCH信道的開銷，同時也滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)長時延情況下對功率控制的要求。

5 結(jié)束語

介紹了WCDMA抗衰落技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星通信時的適應(yīng)性問題，根據(jù)衛(wèi)星信道的特點提出了相應(yīng)的改進方案。但是要真正將WCDMA系統(tǒng)應(yīng)用到實際情況中依然有很多問題需要解決，例如，WCDMA的隨機接入方式不適用于大時延的衛(wèi)星通信系統(tǒng);針對WCDMA的上層改進及跨層設(shè)計等。 ■

［1］楊家瑋，盛 敏，劉 勤.移動通信基礎(chǔ)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:107－132.

［2］張更新，劉愛軍.衛(wèi)星通信［M］.北京:人民郵電出版社，2002:210－231.

［3］BROWN W A，BUTTS N，SADOWSKY J S，et al.MUOS Point to Point Power Control［C］∥Military Commnincations Conference，MILCOM，2009:1 －5.

［4］3GPP TS25.212.Multiplexing and Channel Coding(FDD)［S］.

［5］LEE D K，SADOWSKY J S.The MUOS WCDMA Air Interface［C］∥Military Commnincations Conference，Orlando FL，USA，MILCOM，2007:11 －16.

［6］3GPP TS25.211.Physical Channels and Mapping of Transport Channels［S］.