地面空中接口在衛(wèi)星移動通信的適用性研究

張曼倩，劉 健，李昌華

（航天恒星科技有限公司 北京100086）

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)對地面通信系統(tǒng)有著補(bǔ)充的作用，使地理覆蓋范圍更廣泛。在災(zāi)害、戰(zhàn)爭等緊急情況下，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)被視為完全獨立的地面基礎(chǔ)設(shè)施。衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)在過去的十年與地面移動通信系統(tǒng)共同發(fā)展，已有顯著的進(jìn)步。因此，分析地面3G、4G空中接口在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的適用性對未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定起到指導(dǎo)性的作用，而WCDMA和LTE標(biāo)準(zhǔn)分別是地面3G、4G空中接口的典型代表。

3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）的LTE（Long Term Evolution，長期演進(jìn)）標(biāo)準(zhǔn)是4G移動通信的主要技術(shù)方案之一。文獻(xiàn)[1-2]針對星上功率放大器引起的非線性失真、大時延特性和時間分集對LTE空中接口進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[3]通過分析衛(wèi)星信道物理特性，并將信道物理特性作為依據(jù)對LTE的空中接口進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)了衛(wèi)星信道傳輸?shù)目煽啃浴Ｉ鲜鑫墨I(xiàn)都提出了LTE空中接口適應(yīng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)可能會遇到的典型問題，并給出了主流的改進(jìn)策略，但并沒有在理論上詳細(xì)探究LTE空中接口在衛(wèi)星系統(tǒng)上的可行性，并且沒有將WCDMA與OFDMA兩種空中接口在衛(wèi)星信道下對比分析。

文中首先系統(tǒng)性的闡述了以WCDMA和OFDMA為典型代表的地面3G、4G移動通信空中接口，研究了衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的架構(gòu)和特點，然后從信噪比門限、誤碼率、功放非線性影響這3個方面對比了WCDMA和OFDMA作為衛(wèi)星系統(tǒng)空中接口的可行性，最后總結(jié)了現(xiàn)有文獻(xiàn)基于LTE在衛(wèi)星系統(tǒng)中使用的改進(jìn)方案，為未來衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)空中接口的制定起到了一定的指導(dǎo)作用。

1 地面空中接口概述

WCDMA和OFDMA分別是地面3G、4G標(biāo)準(zhǔn)的空中接口，本節(jié)分別對兩種空中接口的特點、信道、調(diào)制編碼方式等方面進(jìn)行了概述。

1.1 WCDMA空中接口

WCDMA是通用移動通信系統(tǒng) （Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，而UMTS是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP制定的全球3G標(biāo)準(zhǔn)之一。WCDMA基于直擴(kuò)序列碼分多址（DS-CDMA）技術(shù)，采用QPSK調(diào)制，載波帶寬為5 MHz，工作模式是FDD雙工，并且支持不同數(shù)據(jù)速率的業(yè)務(wù)傳輸，最高可達(dá)2 Mbps。在UMTS標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)版本引入新的鏈路層技術(shù)，支持更高的數(shù)據(jù)速率服務(wù)，具有更好的功率/帶寬效率，如增強(qiáng)版本是高速分組接入（High Speed Packet Access，HSPA），HSPA 包括高速下行分組接入（HSDPA）和高速上行分組接入（HSUPA）。

HSDPA引入高速下行鏈路共享信道 （High Speed Downlink Shared Channel，HS-DSCH），支持突發(fā)性、非對稱和高速率的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。它支持QPSK/16QAM的調(diào)制方式，使用基本速率為1/3的并行級聯(lián)卷積Turbo碼（Parallel Concatenated Convolutional Code，PCCC），速率匹配通過打孔或重傳實現(xiàn)。HSUPA引入增強(qiáng)型專用信道（Enhanced Dedicated Channel，E-DCH），支持更高的上行數(shù)據(jù)傳輸速率。該信道使用BPSK調(diào)制和正交可變擴(kuò)頻因子（Orthogonal Variable Spreading Factor，OVSF）碼。

1.2 OFDMA空中接口

4G移動通信比較成熟的標(biāo)準(zhǔn)有3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)和IEEE移動WiMAX標(biāo)準(zhǔn)，兩者均為基于正交頻分多址接入（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access， OFDMA）技術(shù)的空中接口，具有抗頻率衰落和靈活分配子載波的特點。

LTE和移動WiMAX的每個用戶需要進(jìn)行時間-頻率子載波分配，支持可擴(kuò)展的帶寬，F(xiàn)DD/TDD雙工，提供高數(shù)據(jù)傳輸速率和高頻譜利用率的業(yè)務(wù)。

LTE和WiMAX標(biāo)準(zhǔn)之間存在差異。LTE標(biāo)準(zhǔn)與HSPA標(biāo)準(zhǔn)類似，使用了基本速率為1/3、可進(jìn)行速率匹配的并行級聯(lián)卷積Turbo碼 （PCCC），而移動WiMAX標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各種FEC碼，如雙二進(jìn)制卷積Turbo碼。另外，它們具有不同的幀結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)參數(shù)和子載波復(fù)用方式。LTE的上行鏈路采用了DFT擴(kuò)頻OFDMA，而WiMAX的上行鏈路和下行鏈路直接采用OFDMA。圖1描述了HSPA、LTE和移動WiMAX這3個地面移動通信標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)過程。

圖1 HSPA，LTE和移動WiMAX標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)圖Fig.1 Evolution of HSPA,LTE and mobile WiMAX

2 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)架構(gòu)及特點

從上世紀(jì)90年代開始，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)已經(jīng)取得了的長足的發(fā)展。衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)與地面移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵優(yōu)勢是其大的覆蓋面積，而固有的大衰落、長時延、高成本又給衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)。

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)可以支持單個或多個衛(wèi)星，且每一顆衛(wèi)星可以提供單點波束或多點波束的覆蓋。用戶終端通過衛(wèi)星連接到網(wǎng)絡(luò)，無線信號被指向發(fā)往或來自某個網(wǎng)關(guān)，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)營商的要求制定一個集中分布或分散分布的網(wǎng)關(guān)。衛(wèi)星環(huán)境下，信號由于傳輸途中受到建筑物或地勢遮擋而衰弱。為了確保覆蓋的連續(xù)性，利用地面補(bǔ)充部分（Complementary Ground Components，CGC）進(jìn)行信號重傳。 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，用戶終端可以直接與衛(wèi)星之間收發(fā)信號，也可以通過CGC進(jìn)行信號重傳。

圖2 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture ofsatellite mobilecommunication systems

由于衛(wèi)星信道與地面移動信道在物理特性有較大差異，在對衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的設(shè)計過程需要關(guān)注傳輸特性的改進(jìn)，需要充分考慮衛(wèi)星信道的影響，衛(wèi)星信道主要有以下幾個特點：

1)大衰落

隨著收發(fā)端之間環(huán)境的變化，信號在長的傳播途中緩慢變化，除了自由空間傳播損耗外，雨衰的影響也很大。除了考慮來自衛(wèi)星的直射信號之外，還需要考慮多徑衰落的影響，多徑衰落能使接收信號在短距離或短時間內(nèi)的快速變化。

2)長時延

大傳輸時延是衛(wèi)星通信的固有缺陷，主要是由于星地距離較大造成的，這對時間同步造成一定的挑戰(zhàn)。另外，由于OFDM系統(tǒng)對頻偏非常敏感，而衛(wèi)星鏈路還會產(chǎn)生較大的頻率偏差，這都將對系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3)多普勒頻移

由于多普勒頻移的存在會降低信號傳輸?shù)目煽慷龋瑢πl(wèi)星系統(tǒng)性能造成較大影響，因此在編碼、調(diào)制、信道估計等多個環(huán)節(jié)都需要檢測估計出多普勒頻移信息，對其進(jìn)行補(bǔ)償。

3 可行性對比

在針對WCDMA和OFDMA兩種空中接口可行性研究的基礎(chǔ)上，本章從信噪比門限、誤碼率性能、功放非線性容限三個方面對上述接口進(jìn)行了分析和對比，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)OFDMA空中接口在衛(wèi)星系統(tǒng)中具有更好的鏈路性能。

WCDMA作為衛(wèi)星空中接口的可行性研究主要包括：1）MSS系統(tǒng)采用WCDMA可擴(kuò)充 UMTS容量。2)允許與地面UMTS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上的協(xié)同性。3)啟用所有波束和衛(wèi)星的全頻率復(fù)用。4)支持大區(qū)域廣播/組播服務(wù)。5)對由于商業(yè)原因未部署網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)、需擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量的地區(qū)、由于自然災(zāi)害造成地面網(wǎng)絡(luò)被損壞的地區(qū)提供了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[4]。

OFDM作為衛(wèi)星空中接口的可行性研究主要包括：1)盡管具有大的峰均功率比（PAPR），OFDM信號還是能夠在非線性衛(wèi)星鏈路上有效傳輸。2)預(yù)失真設(shè)計和前向糾錯編碼是互補(bǔ)的。3)衛(wèi)星視距（LOS）傳播條件下可以實現(xiàn)正確接收；衛(wèi)星非視距（NLOS）傳播條件下，由于存在負(fù)的鏈路余量，手持終端無法實現(xiàn)正確的業(yè)務(wù)接收[5]。

兩種空中接口均有其應(yīng)用優(yōu)勢，但在多徑信道下，OFDM的頻譜利用率較WCDMA更高；而WCDMA接收機(jī)的載噪比高于OFDM[5]。為了完善兩種空中接口可行性研究，下面從信噪比門限、誤碼率性能、功放非線性容限三個角度比較了兩者在衛(wèi)星信道下的鏈路性能[6]。

1)信噪比門限

衛(wèi)星寬帶衰落信道存在穩(wěn)定的傳播時延，HSPA與LTE/WiMAX的Eb/N0門限值是可比的。然而，HSDPA采用了地面中繼，對微弱衛(wèi)星信號進(jìn)行增強(qiáng)，因此比LTE/WiMAX需要的Eb/N0門限低。

2)誤碼率

衛(wèi)星信道的大時延會造成碼正交性的顯著降低，成為HSDPA高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膰?yán)重制約因素。當(dāng)HSDPA傳輸速率為2.4 Mbps時，誤碼率在Eb/N0為4～5 dB時達(dá)到最低，卻仍達(dá)不到 10－3。

3)功放非線性影響

功放非線性會使鏈路性能受到一定程度的降級。其中，HSDPA在單碼傳輸時功放非線性對鏈路性能影響非常小，而多碼傳輸則會使PAPR增加，性能降低；LTE的上行鏈路使用SC－FDMA，這種調(diào)制方式對功放非線性的敏感性較小；WiMAX的上行鏈路則直接使用OFDMA，對功放非線性的敏感性較大。另外，文獻(xiàn)[7]證明了回退和數(shù)字預(yù)失真結(jié)合的方法可以減小放大器非線性的影響。

綜上，可以得出以下結(jié)論：

①衛(wèi)星寬帶衰落信道環(huán)境下，HSDPA與LTE/WiMAX的Eb/N0門限是可比的。

②大傳播時延的衛(wèi)星信道環(huán)境下，HSDPA比LTE/WiMAX的Eb/N0門限低。

③大傳播時延的衛(wèi)星信道環(huán)境下，碼正交性的損失構(gòu)成了HSDPA高速數(shù)據(jù)傳輸正確性的嚴(yán)重限制因素。

④所有空中接口的鏈路性能都會因為放大器的非線性受到一定程度的降低。其中：

－HSPA：在多碼傳輸時PAPR增加。

－LTE/WiMAX：OFDM的IFFT處理導(dǎo)致PAPR增加。其中，LTE上行鏈路使用SC－FDMA，受影響小；而WiMAX上行鏈路直接使用OFDMA，受影響大。

因此，LTE和WiMAX空中接口在衛(wèi)星信道下表現(xiàn)的鏈路性能比HSPA更可靠。然而，不論是WCDMA或是OFDMA空中接口都缺少TTI的有效時間分集，從而缺少了時間交織增益，使性能至少損失了5 dB。同時，由于衛(wèi)星系統(tǒng)的功率受限和大時延的存在會使短TTI失去優(yōu)勢。

4 基于LTE的改進(jìn)方案

前文已對衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)特點以及兩種地面空中接口在衛(wèi)星系統(tǒng)下的可行性對比進(jìn)行了研究，得出LTE空中接口在衛(wèi)星信道下表現(xiàn)出更好的鏈路性能的結(jié)論。

由于LTE標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的傳輸時間間隔(TTI)較小，因此在大時延的衛(wèi)星鏈路下無法得到好的時間分集。另外，衛(wèi)星鏈路產(chǎn)生的大頻偏和衰落，對OFDM產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，而傳統(tǒng)OFDM技術(shù)的峰均比(PAPR)較大，會導(dǎo)致嚴(yán)重失真。因此，要想將LTE空中接口應(yīng)用到衛(wèi)星系統(tǒng)，則需要針對衛(wèi)星信道環(huán)境的大時延、大衰落特性帶來的約束，對LTE空中接口進(jìn)行改進(jìn)。

針對這些問題，需要調(diào)整接口以補(bǔ)償衛(wèi)星系統(tǒng)的大往返時延和大衰落，目前已有幾種主流的改進(jìn)方法，如頻率復(fù)用技術(shù)、衛(wèi)星鏈路同步技術(shù)、PAPR降低技術(shù)和自適應(yīng)編碼調(diào)制與交織技術(shù)。

4.1 頻率復(fù)用技術(shù)

由于頻譜資源有限，在衛(wèi)星系統(tǒng)中需要提高衛(wèi)地信道的頻譜利用率，頻率復(fù)用是一種較好的解決方案，可以很好的促進(jìn)地面網(wǎng)與衛(wèi)星網(wǎng)的融合。

對于采用WCDMA的多點波束衛(wèi)星系統(tǒng)，可通過給相鄰波束分配不同的擴(kuò)展碼來實現(xiàn)頻率復(fù)用。而對于OFDMA，則一般采用小數(shù)倍頻率復(fù)用 （fractional frequency reuse，F(xiàn)FR），采用該技術(shù)可以改善基于OFDMA的多點波束衛(wèi)星系統(tǒng)的頻譜利用率，有效復(fù)用衛(wèi)星頻率。

圖3顯示了基于OFDMA的多波束衛(wèi)星系統(tǒng)的頻率復(fù)用模式。每一波束分為中心和邊緣區(qū)域，每一幀分為兩個時段T1和T2。時段T1被分配給波束半徑為R1的點波束中心的終端，該時間段能被多有子載波利用。時段T2被分配給波束邊緣的終端，該時間段只能被單個子載波利用。然而，為防止相鄰點波束之間的干擾，兩個區(qū)域的用戶信號不能同時傳輸。頻譜利用率與點波束中心區(qū)域大小有關(guān)，如果設(shè)置點波束中心區(qū)域的半徑比點波束半徑的一半還要大時，即R1＞R2/2，則可以獲得比傳統(tǒng)方案更高的頻譜利用率。

4.2 衛(wèi)星鏈路同步接收技術(shù)

圖3 頻率復(fù)用示意圖Fig.3 Schematic diagram of frequency reusing

從物理層角度出發(fā)，衛(wèi)星鏈路中存在大時延會造成嚴(yán)重的載波間干擾(ICI)和符號間干擾(ISI)，其中以頻偏影響更為嚴(yán)重。一些傳統(tǒng)的同步算法可以應(yīng)用到衛(wèi)星系統(tǒng)，但效率不高。目前相關(guān)研究組提出了一種基于萊斯信道模型的頻偏估計算法，該算法利用時域恒包絡(luò)零自相關(guān)(CAZAC)序列進(jìn)行符號同步和整數(shù)頻偏估計，相對現(xiàn)有算法更加快速可靠。

在地面OFDMA系統(tǒng)，上行鏈路幀同步可由隨機(jī)接入過程獲得。由于小區(qū)內(nèi)的用戶之間的延遲差比子幀長短，子幀長相當(dāng)于LTE系統(tǒng)的傳輸時間間隔（TTI）。在這種情形下，用戶傳輸一個前導(dǎo)告知基站自己的位置，然后基站在一個TTI內(nèi)給用戶分配資源。然而，衛(wèi)星系統(tǒng)一個波束內(nèi)用戶之間的時延差比1個TTI長，這需要修改LTE系統(tǒng)的上行鏈路定時同步或資源分配方案，使適用于衛(wèi)星環(huán)境。

如果考慮只修改LTE系統(tǒng)中的上行鏈路定時同步方案，資源分配方案不變，這表示上行鏈路信號應(yīng)在衛(wèi)星端同時接收。因此，同一波束內(nèi)的所有用戶都將利用一定的延遲，在同一時刻到達(dá)衛(wèi)星。該方案會造成有效時間資源的浪費(fèi)，達(dá)到了數(shù)十毫秒，并直接影響系統(tǒng)吞吐量和延遲敏感業(yè)務(wù)的QoS。為了解決該問題，需要將上行鏈路定時同步與修改的資源分配方案相結(jié)合，上行鏈路定時同步方案與傳統(tǒng)LTE一致，以保留與LTE系統(tǒng)物理層的最大兼容性[8]。例如，UE1和UE2分別代表了位于點波束邊緣和點波束中心的終端，即UE1和UE2分別具有最大和最小的往返時延 （RTD）。設(shè)定UE1延遲時間為參照，即UE1一旦接收到下行鏈路的資源分配信息，就會立即傳輸上行鏈路信號，等待時間D1=0。那么其余UEj的Dj可以通過修改的資源分配方案計算。實際上，衛(wèi)星事先通過隨機(jī)接入方案可以得到每一個UE的位置信息，并根據(jù)位置信息分配資源。該方案中，可以保證最大的時延Dj不超過一個子幀時間，從而增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的吞吐量，降低了時延。

4.3 PAPR降低技術(shù)

OFDM因具有較高的頻譜利用率和較好的抗多徑衰落能力而被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，但其較大的PAPR使得信號非線性容抗較差，要求系統(tǒng)內(nèi)的部件具有很大的線性動態(tài)范圍，否則出現(xiàn)非線性產(chǎn)生多載波互調(diào)噪聲干擾，所以，降低PAPR是提高衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸性能的一個重要研究方向。目前已經(jīng)有很多降低PAPR的方法，如限幅濾波、編碼、有效星座擴(kuò)展（ACE）、多信號表示法等，其中較為常用的有：LTE上行鏈路采用SC-FDMA調(diào)制，通過增加DFT和IDFT提高傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，降低傳輸時延；部分格狀成形技術(shù)不僅能有效降低OFDM信號的PAPR，而且在保持較高信息率的情況下靈活地與糾錯編碼相結(jié)合，大大改善OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)的誤碼率性能[3]；分?jǐn)?shù)階傅里葉變換（FRFT）代替?zhèn)鹘y(tǒng)OFDM系統(tǒng)中的FFT，在改善OFDM系統(tǒng)誤碼率性能的同時有效降低了PAPR[3]。

4.4 自適應(yīng)編碼調(diào)制與TTI交織技術(shù)

自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)（AMC）是一種對抗信道衰減的技術(shù)，其使用受限是由于衛(wèi)星系統(tǒng)的大往返時延造成的。文獻(xiàn)[8]提到了一種有效的功率控制和符號卷積結(jié)合的AMC方案，適用于基于LTE的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，該方案相對傳統(tǒng)AMC方案有高達(dá)10.2%的頻譜效率增益和高達(dá)8 dB的功率增益。

當(dāng)終端移動速度降低到一定程度時，信道編碼抵抗衰落效果將會不明顯。衛(wèi)星鏈路具有大的環(huán)路延遲和緩慢的長衰落[9]，LTE標(biāo)準(zhǔn)中的TTI機(jī)制無法產(chǎn)生較好的時間分集效果。利用現(xiàn)有混合自動重傳請求(HARQ)的靈活性降低信道的相關(guān)性，把LTE發(fā)射機(jī)同一環(huán)路緩存中的數(shù)據(jù)映射到不同TTI中，達(dá)到時間分集的目的。

5 結(jié)束語

衛(wèi)星通信是地面移動通信技術(shù)的一種延伸，將先進(jìn)的移動通信技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星通信中，并結(jié)合衛(wèi)星通信系統(tǒng)本身的特點進(jìn)行融合和改進(jìn)，是實現(xiàn)星地一體化的重要發(fā)展方向。兩者的結(jié)合重點在于空中接口的兼容和適應(yīng)，而衛(wèi)星環(huán)境本身的特殊性會給地面空中接口在衛(wèi)星上的應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)。本文調(diào)研了已有文獻(xiàn)對于適用性的評估與改進(jìn)思路，研究比較了WCDMA和OFDM空中接口在衛(wèi)星信道下的鏈路性能，使各地面空口適用到星上的改進(jìn)方向更具針對性，并為未來衛(wèi)星移動通信標(biāo)準(zhǔn)的研制提供了很好的借鑒與參考。

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