DS-CDMA衛星移動通信系統容量分析

唐述強，黃倫文

（安徽四創電子股份有限公司，合肥 230088）

DS-CDMA衛星移動通信系統容量分析

唐述強，黃倫文

（安徽四創電子股份有限公司，合肥 230088）

本文針對短幀的突發業務情形，采用里所碼（Reed-solomoncodes，RS）加卷積碼的編碼方式，對業務容量進行了詳細的分析，在高斯信道模型下，推導出不同功率條件下的容量表達式，并在不同的干擾功率下對理論結果進行仿真，將仿真結果和理論分析進行對照，證明了理論分析的正確性。理論分析結果可以進行用戶容量和信噪比的一定范圍內的定量估計，得到系統能夠容納的用戶數量，從而做到通信資源的有效分配和供給，達到提高通信效率的目的。

DS-CDMA；衛星移動通信；系統容量

1 引言

地球同步軌道（Geostationary Earth Orbit，GEO）移動通信衛星位于赤道上方36,000千米處，機動性非常強，應用范圍廣闊；覆蓋范圍廣，3顆星即可覆蓋全球，衛星不受自然災害影響，成為了應急通信的重要形式。基于眾多的優點，衛星通信的應用范圍越來越廣。由于衛星通信中的空間電磁環境復雜，需要較強的抗干擾能力。擴頻通信[1]的基本特點是傳輸信息所用的信號帶寬遠大于信息本身的帶寬，由香農的信道容量理論計算公式可知，在信道容量相同的條件下，寬帶系統比窄帶系統的抗干擾能力好，所以擴頻系統具有極強的抗干擾性能。另外，擴頻通信也可以很容易實現碼分多址，提高頻帶的利用率。由于擴頻通信中存在擴頻序列的擴頻調制，利用不同碼型的擴頻碼序列之間的自相關性和互相關性，對不同用戶分配不同的碼型，使多個用戶公用同一個時頻資源，提高系統的容量，所以擴頻通信和CDMA結合具有重要意義。常見的擴頻通信系統可分為直接序列擴頻系統（DS-SS），調頻擴頻系統（FH-SS）和跳時擴頻系統（TH-SS）等。本文基于衛星移動通信中的突發業務模型，采用直接序列擴頻通信方式，使得DS-CDMA系統不僅具有高處理增益，相比于其他的通信系統也具有更大的系統容量。當一個基站為其全部用戶正常的運行而發送的總功率超過了基站的額定功率時，鏈路就達到了受功率限制的容量。容量分析可以獲得系統在預定的信噪比和誤碼率下所能容納的用戶數，對于控制用戶的接入和提高通信效率有著重要意義。文獻[2]對多載波CDMA容量進行了研究，推導出多載波CDMA上下行鏈路的容量的表達式，利用拉格朗日乘數求極值的方法，分別得到多載波CDMA話音和數據業務上下行鏈路最大容量。文中分析的多載波CDMA模型只有當基站最大發射功率平均分配給每個子載波時，系統才能獲得最大的容量。文獻[3]提出了一種多業務蜂窩CDMA系統上行鏈路的干擾特性與容量一般分析方法。文中采用了高斯分布與對數正態分布兩種方法來近似干擾的統計特性，進而分析系統的用戶容量。文章給出了仿真結果，但沒有進行數值上的理論分析。本文給出了在高斯信道下通信系統的用戶容量的理論推導，并結合仿真驗證結果的正確性。

2 系統模型

整個DS-CDMA通信系統模型如圖1所示。用戶發送的信息比特序列經過RS編碼和卷積編碼后，再經過BPSK調制即得到發送符號序列，發送符號采用擴頻序列進行擴頻以增加抗干擾性。由于擴頻序列具有良好的自相關特性和互相關特性，在接收端，待檢測用戶采用自己的擴頻序列與接收到的信號進行相關運算即可解出符號序列，再進行與發送端相應的解調方法最終得到估計的發送信息比特序列。

圖1 CDMA系統模型

在該系統模型中，有K個用戶，每個用戶經過編碼調制后，再經擴頻后加入載波發送出去，每個用戶到達接收端的時延不同，在接收端得到的信號為

3 理論分析

3.1 多址接入干擾

CDMA系統中，所有用戶在同一信道中發射信號，占有相同的時頻資源，區別各個用戶是依據每個用戶不同的擴頻碼，因此CDMA系統在理論上可以有效的提高編碼增益。但由于各個用戶之間的擴頻序列不可能做到嚴格的正交，使得用戶間的信號存在一定的相關性，干擾用戶信號與待檢測用戶的擴頻序列的互相關結果不為零，這就帶來了多址接入干擾問題。由式（1）可以看出，在接收端設備接收到的信號中，除了有用信號外，還有信道的噪聲及其他用戶的發送信號，假設用戶1為待檢測用戶，即式（1）可分解為

3.2 DS-CDMA系統容量分析

DS-CDMA系統中，各用戶信號、時延和相移是相互獨立的隨機變量，當用戶數足夠多時，根據中心極限定理可將MAI近似為一個高斯干擾模型來估算系統性能，這就是標準高斯近似法[5]。采用標準高斯近似法，可得突發用戶系統等效信噪比為

由式（13）可估計出在不同信號功率下的用戶容量。為簡化分析，在兩種干擾功率下，高功率干擾用戶的發送信號功率為待檢測檢測用戶信號的n倍，低功率干擾用戶的發送信號功率和待檢測用戶信號的功率相等，高功率干擾用戶數為J，則估計出的用戶容量為

4 仿真分析

4.1 仿真參數

本文仿真的場景為突發業務下分組用戶對分組用戶干擾的容量分析。待檢測用戶與干擾用戶均發送突發幀，幀長為384bit，分組到達率認定在單幀時間內為1，即在待檢測用戶幀到達的一幀時間內所有干擾用戶幀均到達且隨機到達。突發業務幀使用m序列擴頻，所有的分組用戶使用同一個擴頻碼。仿真條件如下表所示。

表1 仿真參數

4.2 仿真結果分析

圖2 分組業務多用戶對單用戶等功率干擾

圖3和圖4顯示了分組業務下不同信號功率的干擾用戶對待檢測用戶譯碼性能的影響，圖3中的干擾用戶的信號功率比待檢測用戶信號功率高1.5dB，圖4中的干擾用戶的信號功率比待檢測用戶信號功率高6dB。從圖3中可以得到，單用戶在取10-5誤比特率量級時，信號的信噪比門限是3.8dB；在多用戶干擾場景下，100個干擾用戶時誤比特率達到10-5數量級時信號的信噪比門限為4.2dB；200個干擾用戶的信噪比門限是4.6dB。根據式（14），可以得出理論上誤比特率達到此門限時容納的干擾用戶數（功率比待檢測用戶的信號功率高1.5dB）分別為100個和191個。從圖4中可以得到，單用戶在取10-5誤比特率量級時，信號的信噪比門限是3.8dB；在多用戶干擾場景下，100個干擾用戶時誤比特率達到10-5數量級時信號的信噪比門限為5.2dB。根據式（14），可以得出理論上誤比特率達到此門限時容納的干擾用戶數（功率比待檢測用戶的信號功率高6dB）為111個。仿真結果和理論結果都比較相近。

從圖3中可以看出，在干擾用戶的功率相等的情況下，干擾用戶數越多時，接收信號的譯碼性能越差，比較圖3和圖4，可以看出，當干擾用戶數相同時，干擾用戶信號功率越大時，接收信號的譯碼性能越差。這兩種情況影響的是式（13）中的K和Pk兩個參數，可由式（13）分析出原因：這兩個參數變大時都會增加干擾用戶的等效噪聲。

圖3 分組業務多用戶對單用戶功率1.5dB干擾

圖4 分組業務多用戶對單用戶功率6dB干擾

5 結束語

本文分析了DS-CDMA通信系統突發業務下的用戶容量，在得到了理論結果的同時，進行仿真分析加以驗證。由于突發業務幀長比較短，系統采用RS碼和卷積碼級聯的方式進行信道編碼。文中推導了高斯信道下干擾用戶功率與待檢測用戶功率相等和不相等兩種情況下的用戶容量計算公式，通過理論分析和仿真結果可以得到，用戶容量的大小與干擾用戶的數量和干擾用戶的功率兩個因素有關，隨著用戶數目和干擾信號功率的增加，多址接入干擾會加大，從而導致用戶容量的下降。本文的理論分析結果可以進行用戶容量和信噪比的定量估計，根據系統的信噪比，可以估計系統能夠容納的用戶數量，做到通信資源的有效分配從而提高通信效率。

[1] Xiao-qun Zhao, Xia Kang, The Study Of The Spread SpectrumCommunication System Based on Sequence Pairs [J]. IEEE Proceedings ofISCIT2005.530-533.

[2] 王鵬，趙宇，曹達仲．多載波CDMA容量的研究[J]．電子與信息學報，2007年1月第29卷第1期169-173

[3] 王宇，李少謙，李樂民．多業務蜂窩CDMA系統的干擾與容量分析[J].電子與信息學報，2002年12月第24卷12期1785-1792

[4] G. Karmani, K. N. Sivarajan. Capacity Evaluation for CDMA Cellular Systems[J].IEEE Proc. of Infocom’2001, Anchorage, Alaska, 2001, 601 一610.

[5] Pursley M. B. Performance Evaluation for Phase-Coded Spread-Spectrum Multiple-Access Communication--Part I: System Analysis[J]. IEEE Transactions on Communications, 1977, 25(8):795 - 799.

[6] Lehnert J.S., Pursley M.B. Error Probabilities for Binary Direct-Sequence Spread-Spectrum Communications with Random Signature Sequences[J]. IEEE Transactions on Communications, 1987, 35(1):87-98.

[7 Roefs H.F.A., Pursley M.B. Correlation parameters of random binary sequences[J]. Electronics Letters, 1977, 13(16):488-489

NVIDIA公布全新VCA認證合作伙伴計劃

NVIDIA公司近日宣布推出全新NVIDIA VCA認證合作伙伴計劃，助力企業更加輕松地部署經NVIDIA認證的視覺計算設備（VCA）解決方案。NVIDIA VCA認證解決方案能夠加速工作流程，助力藝術家通過使用NVIDIA Mental Ray、NVIDIA Iray和Chaos V-Ray RT等GPU加速渲染器對模型進行實時探索、操作和確認。該平臺支持可擴展型、交互式渲染，全部可在數據中心設備中便利地完成。

Capacity Analysis of DS-CDMA Satellite Mobile Communication System

Tang Shuqiang, Huang Lunwen
(Anhui SunCreate Electronics Co., Ltd., Hefei, 230088)

This paper bases on gaussian channel model and short frames of packet service,using the coding method of RS and convolutional codes, to conduct a detailed analysis of traffic capacity, obtain the capacity of expression deduced under different power conditions. At the end of the paper it’s the simulation of theoretical results,compare the simulation results with the theoretical results, it proves the correctness of the theoretical results.The theoretical analysis results can be quantitatively estimate capacity within a certain range to obtain the number of users the system can accommodate, and thereby efficient allocation of communication resources to improve the supply of communication efficiency.

GEO; satellite mobile communication; capacity; different power

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.05.002

U675.75

A文章編碼：1672-7274（2017）05-0004-05

唐述強，男，現任安徽四創電子股份有限公司總經理助理，高級工程師。

黃倫文，男，現任安徽四創電子股份有限公司高級工程師。