超高頻衛星移動通信系統通信體制研究

杜　妍　李亞秋（中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094）

超高頻衛星移動通信系統通信體制研究

杜妍李亞秋
（中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094）

對地面蜂窩系統通信體制進行了研究，選擇寬帶碼分多址（WCDMA）作為地球靜止軌道衛星通信系統的參考技術體制，并利用線性預測法和燕尾交織法解決了該體制應用于衛星通信系統存在的功率控制非實時性和時間分集技術的不適應性問題。仿真結果表明，改進后的WCDMA體制能夠用于地球靜止軌道衛星通信系統。

超高頻；衛星移動通信系統；通信體制

1　引言

進入21世紀以后，隨著互聯網和數字多媒體通信以及視頻、音頻廣播業務的快速增長，信息的全球化、通信的個體化以及對終端的機動性、無縫覆蓋的需求不斷增多，衛星通信尤其是衛星移動通信發揮著越來越重要的作用。超高頻（UHF）電波良好的穿透和繞射特性［1］、星載天線的寬波束覆蓋，使其在全球衛星移動通信領域中有著優越的地位，但是其頻帶窄、易受干擾等缺點也限制了性能的發揮。

通信體制作為通信系統建立的基礎，在衛星移動通信系統中舉足輕重，直接影響衛星系統的性能。傳統的衛星系統通信體制多為頻分多址（FDMA）［2］，適用于頻帶較寬且通帶干擾較小的系統，難以適應我國規劃中的超高頻衛星移動通信系統。

地面移動蜂窩系統與超高頻衛星移動通信系統網絡架構的相似性表明，地面蜂窩系統的通信體制可以作為衛星移動通信系統的參考體制，但由于兩系統信道傳輸特性的差異，地面蜂窩系統通信體制必須做出適應性修改才能應用于衛星通信系統。因此，本文針對我國規劃中的超高頻衛星移動通信系統的通信體制進行了研究，為超高頻衛星移動通信系統選擇和改進出一個能夠發揮系統性能、保障通信質量的通信體制。

2　超高頻衛星移動通信系統

2.1超高頻衛星移動通信系統與地面蜂窩系統網絡架構分析

在超高頻地球靜止軌道（GEO）衛星移動通信系統中，衛星的覆蓋范圍通常由一個或多個波束組成［3］，波束覆蓋范圍中的移動用戶可以借助衛星中繼或經地面接入站處理實現波束中和波束間用戶終端通信。地面接入站由衛星網關、網絡控制中心組成，完成對信號的處理與轉發。GEO衛星移動通信系統的網絡組成如圖1所示。

圖1　地球靜止軌道衛星移動通信系統網絡組成Fig.1　Components of GEO system network

地面蜂窩移動通信網主要由移動交換子系統（SS）、操作管理子系統（OMS）和基站子系統（BSS，包括移動臺）組成。在移動通信網的蜂窩小區中，移動臺之間借助BSS或SS實現小區中和小區間終端的通信。BSS提供并管理通信中的無線傳輸通道，SS負責呼叫控制功能，所有的呼叫都是經由SS建立連接的［4］。移動通信網的基本組成如圖2所示。

圖2　移動通信網的基本組成Fig.2　Basic components of mobile communication network

從上述兩系統網絡架構可以看出，兩系統的架構具有相似性:衛星等價于地面蜂窩網的基站，衛星波束的覆蓋區域則等價于地面蜂窩網的蜂窩小區。只不過這個基站被放置到高36000km的GEO上，而一個“蜂窩”的直徑也遠遠大于地面蜂窩網通常的幾千米范圍。因此地面蜂窩系統通信體制可以作為超高頻衛星移動通信系統的參考體制。

但是超高頻衛星移動通信系統的GEO衛星軌道高度決定了該系統與地面蜂窩系統的信道傳輸特性有很大差異，所以，地面蜂窩網的通信體制如果要在衛星移動通信系統中得到應用，須要解決傳輸信道特殊性對信號傳輸質量有較大影響的一些問題。

2.2超高頻衛星移動通信系統的信道傳輸特性

相較于地面移動通信系統的信道傳輸特性，GEO衛星移動通信系統主要存在以下問題:

（1）信號傳輸的時延長。地面移動網信號的傳播時延約為亞毫秒級，而GEO衛星移動通信系統信號的往返傳播時延可達到600ms（不包括星上處理時延）。

（2）多徑時延擴展小。由于GEO衛星移動通信系統的大仰角，導致電波傳播的多徑時延擴展（2或3個碼片）明顯小于地面移動網（8～20個WCDMA碼片），其多徑效應弱于地面通信系統。

（3）相關時間長。相關時間（Tc）由多普勒頻譜擴展（FD）的倒數度量［1］，即Tc≈1/FD。FD產生于多徑密集區域，但GEO衛星系統多徑效應較弱，因此FD較小。GEO衛星系統的Tc至少可以達到100ms，而地面移動網的相關時間只有GEO衛星系統的1/6［5］左右。

所以，超高頻GEO衛星移動通信系統在使用地面移動通信系統的體制時，須要研究上述問題，克服其對信號傳輸產生的影響。

3　超高頻衛星移動通信系統的體制研究

目前，我國廣泛應用的移動通信體制主要有3 種:頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）。其中，FDMA和TDMA均存在通信容量小的缺點。CDMA以碼字區分終端用戶，不同終端分配正交的隨機碼，所有終端可共享頻率和時間資源，在節約了頻率資源的同時通信容量也得到極大提高，這對于頻率資源有限的超高頻衛星通信系統來說具有很大優勢。

因此，針對我國規劃中的超高頻衛星移動通信系統，CDMA體制是最優的參考體制。目前我國的主流CDMA體制有3種:寬帶碼分多址（WCDMA）、碼分多址2000（CDMA2000）和時分同步碼分多址（TD-SCDMA）。3種體制均為我國第三代地面蜂窩系統（3G）的通信體制。下面針對超高頻衛星移動通信系統的特點，從3種體制中選擇最適用該系統的參考體制。

3.1超高頻衛星移動通信系統通信體制的選擇

針對我國規劃中的超高頻移動通信系統的特點，將3種3G體制綜合分析。

TD-SCDMA體制獨特的時分雙工（TDD）模式和物理層幀結構設計使得該體制比較適合通信覆蓋范圍較小的系統，若將其應用于GEO衛星等覆蓋范圍較大的通信，為保證下行支路之間不產生干擾須留出較大的保護時隙，會導致系統效率急劇下降，這對于頻率資源非常緊張的超高頻頻段是不合理的。因此，超高頻衛星移動通信系統的體制僅考慮WCDMA與CDMA2000。

針對WCDMA與CDMA2000兩種體制，首先，從具體技術考慮，WCDMA與CDMA2000兩種體制在多徑效應抑制和功率控制等技術方面，前者占有優勢，現具體分析如下:

（1）WCDMA使用的碼片速率和帶寬是CDMA2000的3倍以上，其固有的高碼片速率可提供更大的多徑分集，進而改善接收機解決多徑效應的能力；此外，還可提供更高的中繼增益以及更小的信號功率開銷，這對于功率資源有限的超高頻衛星移動通信系統非常適用。

（2）WCDMA使用異步基站，而CDMA2000使用同步基站。無須同步的WCDMA基站不必使用一個具有全局時間參考量的GPS接收機，因此降低了超高頻衛星移動通信系統地面接入站的復雜度，且地面接入站選址更加靈活。

（3）WCDMA功率控制頻率（1.5kHz）約為CDMA2000（800Hz）的2倍。WCDMA的快速功率控制能夠在短時間內迅速調節移動臺的功率，從而保證了移動終端的接收質量。同時功率的迅速調整也減少了對其他移動終端的干擾，極大提高了超高頻衛星移動通信系統的性能。

（4）WCDMA的導頻信道開銷大約需要下行鏈路總傳輸功率的10%，相比之下CDMA2000需要20%［6］。因而WCDMA可以節省更多的公用信道資源開銷，進一步提高超高頻衛星移動通信系統的數據承載量，擴大系統容量。

其次，從實踐經驗考慮，基于WCDMA的地面通用移動通信系統（UMTS）在設計之初就考慮了針對衛星通信的接入模式S-UMTS，具有一套相關的標準和協議，并且經過多年發展，S-UMTS模式在具體技術方面也已非常成熟，對于建立全球衛星移動通信系統的通信體制具有較好的參考和借鑒價值。因此可以看出，WCDMA相較CDMA2000具有更多的作為基本技術體制的實踐經驗，技術成熟度較高。

總結上述對WCDMA與CDMA2000兩種體制的分析，其結果見表1。

表1　WCDMA和CDMA2000兩種體制分析結果Table1　Result of the analysis of WCDMA and CDMA2000

綜上所述，對于衛星移動通信系統來說，WCDMA體制無論從技術的適應性、成熟度還是實用性方面都明顯優于其他兩種體制。因此，將WCDMA作為參考技術體制有利于建立清晰、明確的衛星移動通信發展技術路線，也能更好地與地面公眾網結合。

3.2應用WCDMA體制的適應性研究

由2.2節中的超高頻衛星移動通信系統的信道特性可知，超高頻衛星移動通信系統具有信號傳輸時延大、相干時間長等特點。大的傳輸時延導致傳統WCDMA體制中的功率控制技術在超高頻衛星移動通信系統中失去時效性；長的相干時間導致傳統WCDMA體制中的時間分集技術在超高頻衛星移動通信系統中無法實現。因此，傳統WCDMA體制在超高頻衛星移動通信系統中的應用須要在功率控制和時間分集兩個方面進行研究，依據信道特點，設計解決方法如下。

3.2.1功率控制方法

功率控制技術可以在保證用戶要求的服務質量前提下，最大程度地降低用戶終端的發射功率，減少系統干擾，增加系統容量［3］。移動衛星系統中信號傳播的長時延影響了功率控制的時效性。

傳統的地面WCDMA系統功率控制為閉環控制，其過程如圖3（a）所示，接收端的功率控制由內環控制與外環控制構成，內環估計接收端的信噪比（SNR）值，外環設置目標SNR值，通過比較估計值與目標值的大小發出功率控制命令。接收端功率控制信號的發送周期為2～3ms，且信號的傳輸時延為亞毫秒量級，因此在發射端從發出信號到接收功率控制反饋信號的時間段內，對于大多數的時變信道（本文中，“大多數”指相關時間大于1ms的信道），信道衰落狀態不發生變化［7］，功率控制時效性好。

對于GEO衛星系統，信號的往返傳輸時延為600ms。如此長的傳輸時延導致用戶終端在接收到功率控制信號時，信道狀態大多已經發生變化，功率控制的時效性降低。因此為了提高GEO衛星系統功率控制的時效性，本文提出一種新的方法，即在內環控制中，增加線性預測器以估計未來600ms的信道狀態。改進后的功率控制如圖3（b）所示。

圖3　功率控制框圖Fig.3　Diagram of power control

對于數字擴頻系統，接收端信噪比的分貝表達式為

式中:n為時間采樣點；S為接收端信號功率；N為接收端噪聲功率；Rb為比特速率；Eb為比特能量；N0為噪聲的功率譜密度；W為信號帶寬；Eb/N0為歸一化信噪比；W/Rb為處理增益；G為時變信道的信道系數包絡；P為發射端的發射功率。

由式（1）可得

將 ［h（n）］設為虛擬信道

則

內環控制中的線性預測器就是用來估計［h（n）］的。該線性預測器通過以往［h（n）］的真值估計未來600ms的［h（n）］的值，具體的信道估計算法如下。

首先，計算［h（n—M）］的加權平均值:

式中:M為600（采樣間隔為1ms）；［μ（n—M）］為虛擬信道的加權平均值；τ為信道的遺忘因子［8］。

其次，根據去除加權平均值的虛擬信道的相關系數以及虛擬信道的加權平均值，計算虛擬信道的估計值:

式中:［h′（n—M）］=［h（n—M）］—［μ（n—M）］，為去除［μ（n—M）］的虛擬信道真值；ρ（M）為［h′（n—M）］的相關系數，服從不同隨機分布的信道的相關系數公式不同，但取值范圍都為0至1，用來表征相鄰600ms的信道的相關性，當相關性較強時，該值趨于1，反之，該值趨于0。

從上述算法中可知，當信道的相關時間非常小，遠小于信號的傳輸時延（600ms），此時ρ（M）≈0，則虛擬信道的估計值約為信道的加權平均值:

反之，當信道的相關時間很大，遠大于信號的傳輸時延，即ρ（M）趨于1，則虛擬信道的估計值就接近于信道的真實值:

對于超高頻衛星移動通信系統，GEO衛星軌道高度（約為36000km）決定了該系統的信號在傳輸過程中主要受到電離層閃爍與地面多徑效應的影響，并沿多個路徑、不同時間到達目的接收端。由參考文獻［9］可知，兩種衰落效應最終導致系統信道系數的包絡呈瑞利分布或萊斯分布。不同信道條件下，萊斯因子（K）不同，當信道條件惡劣，接收端不存在直射信號，則K=0，信道系數包絡呈瑞利分布；反之，K≠0，則信道系數包絡呈萊斯分布。本文討論最差情況，即瑞利分布情況。

當信道系數包絡服從瑞利分布，由參考文獻［4］可知，信道的相關系數為ρ（τ）≈J20（2πfmτ）（9）式中:τ為信道的相隔時間；ρ（τ）為相隔時間為τ的信道相關系數；J0為第一類零階貝塞爾函數；fm為系統最大多普勒頻移。

在現代數字通信中，信道的相關時間定義為［4］

由式（7）、式（8）可得

針對超高頻衛星移動通信系統，τ為600ms。由式（11）可得相隔600ms的信道的相關系數。

此外，針對超高頻衛星移動通信系統，處理增益、多址干擾和噪聲的平均功率都可作為已知量，因此由式（3）可知，虛擬信道h（n）也服從瑞利分布。在求出h（n）的相關系數后，由式（6）可對虛擬信道進行預測。

將線性預測算法在Matlab軟件中進行仿真驗證，本文將瑞利衰落信道作為仿真信道模型。為了對比效果明顯，本文在仿真時選取最大多普勒頻移為0.25Hz（相關時間約為1.69s）的瑞利衰落信道、最大多普勒頻移為1Hz（相關時間約為0.42s）的瑞利衰落信道、最大多普勒頻移為4Hz（相關時間約為0.11s）的瑞利衰落信道以及最大多普勒頻移為16Hz（相關時間約為0.026s）的瑞利衰落信道進行估計，4種信道的遺忘因子均取為0.5，相隔時間τ為600ms。兩種情況下的估計效果如圖4所示。

圖4　信道估計效果Fig.4　Result of channel estimation

從圖4中可以看出，首先，在相同時間內，衰落信道的相關時間越短，信道的衰落速度越快。其次，用式（4）確定發射端的發射功率時，當信道的相關時間較大時（大于600ms的信號傳輸時延），信道狀態在600ms的傳輸時延內波動較小，此時信道的估計值隨著相關時間的增大越來越接近于真實值；而當信道的相關時間較小（小于600ms）時，信道狀態在600ms的傳輸時延內波動較大，此時的估計值隨著相關時間的減小越來越接近于真實值的加權平均值。再次，衰落信道的相關時間越長，信道估計的效果越好。

綜上所述，信道估計算法可以在信道相關時間大于信號傳輸時延時精準的估計信道、在相關時間小于信號傳輸時延時使估計誤差盡量小，為GEO衛星移動系統提供具有時效性的功率控制。

3.2.2時間分集方法

在衰落信道中，若兩個時刻的間隔超過信道的相關時間，則信道的衰落特性不同。時間分集技術可以充分利用這一特性，對移動用戶發送間隔大于相關時間的、在信道中具有不同衰落狀態的信號依次接收，綜合利用各信號分量，改善接收信號的質量，提高通信的可靠性。

WCDMA標準中常用的傳輸時間間隔（TTI）為tTTI=40ms［10］，明顯小于超高頻移動通信系統的相關時間（大于100ms），因此，系統中一個TTI內的信號在傳輸過程中信號的衰落狀態相同，無法實現TTI內信號的時間分集。

為了實現超高頻移動通信系統的時間分集，文獻［11］采用了燕尾交織（DTI）方法，此方法在無線接入承載的物理層中增加DTI交織器，通過幀交織將TTI內信號的持續時間擴展至大于信道的相關時間，則信號在傳輸過程中衰落狀態不同，可以實現時間分集。DTI交織器的插入位置如圖5所示。從圖5中可以看出，WCDMA的物理層分為2個子層:編碼合成傳輸信道（CCTrCH）和調制子層。燕尾交織器插在2個子層之間。

圖5　燕尾交織器的插入位置Fig.5　Location of DTI

圖6　DTI按幀操作方式Fig.6　DTI operation by frames

DTI的運行過程見圖6，連續tTTI時間段的傳輸塊數據在CCTrCH中編碼并被標記為1，2，…，n（n為TTI個數）。在本例中，每個DTI中包含4個DPDCH幀。每個tTTI時間內，DTI交織器將編碼后的4個DPDCH幀存儲起來，并在該tTTI時間結束時將第一幀讀取出來，此后每隔一段時間讀取一個數據幀，直到將該tTTI時間內的數據幀全部讀取完畢。在每個TTI數據幀的讀取間隔內，會有其他TTI數據幀完成讀取過程，所有TTI數據幀的讀取時間均不發生沖突，讀取后的數據以“銜接”方式發送到調制子層。從交織過程可以看出，一個TTI時間內的數據傳輸時間變為:fDTM× tTTI，其中，fDTM為銜接乘數因子。圖6中的fDTM=4。

針對我國規劃中的GEO衛星移動通信系統，tTTI取為地面WCDMA標準中常用的40ms，對fDTM的選取做如下考慮:當系統的信號傳輸時延大于600ms時，從上文的功率控制可知，此時功率控制效果理想，因此系統可以通過功率控制技術降低干擾的影響；當系統的相關時延小于600ms，此時功率控制的效果不理想，因此可以通過時間分集技術降低干擾的影響，也即，交織時間至少為600ms，fDTM大于或等于15。由圖6可知，系統的交織時間越長，信號傳輸時間增加的越多，與未交織相比，在相同時間里系統傳輸的完整TTI信號的數量越少，系統傳輸效率越低。因此在允許的范圍內，系統的交織時間越短越好，綜上考慮，本文將超高頻GEO衛星通信系統的fDTM改進為15，交織時間改進為600ms。

在Matlab軟件中對時間分集方法的效果進行仿真驗證。仿真中信道模型選為最大多普勒頻移為4Hz（相關時間約為105.75ms）的瑞利衰落信道，交織長度為一個TTI時間內的數據幀（每幀10ms［10］，一個TTI中包含4個幀），fDTM=15，數據傳輸速度為9600 bit/s。為了突出時間分集技術對系統性能的改善效果，假設一個TTI中的每個數據幀傳送相同數據。圖7為fDTM=15以及fDTM=1（未交織）條件下，不同信噪比的系統誤碼率。

由圖7可知，系統在使用時間分集方法后，一個TTI（40ms）時間內的數據幀變為600ms，遠大于105.75ms的相關時間，因此，接收端可以充分利用一個TTI中具有不同衰落狀態的4個數據幀。此時，系統的誤碼率明顯降低，系統性能約有6dB的提升，時間分集方法達到了預期的效果。

圖7　時間分集方法對系統性能的改善效果Fig.7　Improvement of system performance with time diversity

由3.2.1節和3.2.2節可知，功率控制技術與時間分集技術聯合作用，為GEO衛星系統提供了不同相關時間下的抗干擾技術，仿真結果表明，兩種技術均達到了預期效果。在解決了關鍵的功率控制和時間分集之后，WCDMA體制能夠在GEO衛星移動通信系統中發揮體制的優勢。此外，GEO衛星移動通信系統的多徑時延擴展較小，相關帶寬較大，系統理論上可以在不發生碼間串擾的前提下，支持比地面系統更高的傳輸速率。GEO衛星系統與地面移動通信系統在不同多徑時延擴展時最高傳輸速率如圖8所示。從圖8中可以看出，GEO衛星系統的最高傳輸速率（約為多徑時延擴展的倒數）約為地面系統的4倍。

圖8　不同系統下的最高傳輸速率Fig.8　Highest transmission rate of different systems

4　結束語

超高頻衛星移動通信系統與地面蜂窩系統的網絡拓撲類似，但是由于超高頻衛星移動通信系統傳輸信道的特殊性帶來的功率控制和時間分集問題，使得WCDMA體制在衛星上的應用必須解決這兩個問題。研究表明，采用本文提出的線性預測方法和改進的燕尾交織方法在解決了這些問題以后，地球靜止軌道超高頻衛星移動通信系統能夠發揮良好的性能，對充分繼承成熟技術、提高超高頻頻段的頻譜利用率、滿足我國未來該領域的技術發展和應用有著重要的意義。

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（編輯：李多）

Research on Communication Mechanism of UHF Mobile Communication Satellite System

DU Yan LI Yaqiu
（Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

The article selects Wideband Code Division Multiple Access（WCDMA）as the reference mechanism of GEO satellite communication system by researching on the communication mechanism of terrestrial cellular system and resolves the problems about the timeliness of power control and inadaptability of time diversity by using the linear predictor and dovetail interleaving.The simulation result proves that the modified WCDMA can be applied to GEO satellite.

UHF；satellite mobile communication system；communication mechanism

TN927

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.002

2015-10-13；

2016-03-08

杜妍，女，碩士研究生，從事航天通信技術研究工作。Email：duyan1120@163.com。