超高频卫星移动通信系统通信体制研究

杜　妍　李亚秋（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

超高频卫星移动通信系统通信体制研究

杜妍李亚秋
（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

对地面蜂窝系统通信体制进行了研究，选择宽带码分多址（WCDMA）作为地球静止轨道卫星通信系统的参考技术体制，并利用线性预测法和燕尾交织法解决了该体制应用于卫星通信系统存在的功率控制非实时性和时间分集技术的不适应性问题。仿真结果表明，改进后的WCDMA体制能够用于地球静止轨道卫星通信系统。

超高频；卫星移动通信系统；通信体制

1　引言

进入21世纪以后，随着互联网和数字多媒体通信以及视频、音频广播业务的快速增长，信息的全球化、通信的个体化以及对终端的机动性、无缝覆盖的需求不断增多，卫星通信尤其是卫星移动通信发挥着越来越重要的作用。超高频（UHF）电波良好的穿透和绕射特性［1］、星载天线的宽波束覆盖，使其在全球卫星移动通信领域中有着优越的地位，但是其频带窄、易受干扰等缺点也限制了性能的发挥。

通信体制作为通信系统建立的基础，在卫星移动通信系统中举足轻重，直接影响卫星系统的性能。传统的卫星系统通信体制多为频分多址（FDMA）［2］，适用于频带较宽且通带干扰较小的系统，难以适应我国规划中的超高频卫星移动通信系统。

地面移动蜂窝系统与超高频卫星移动通信系统网络架构的相似性表明，地面蜂窝系统的通信体制可以作为卫星移动通信系统的参考体制，但由于两系统信道传输特性的差异，地面蜂窝系统通信体制必须做出适应性修改才能应用于卫星通信系统。因此，本文针对我国规划中的超高频卫星移动通信系统的通信体制进行了研究，为超高频卫星移动通信系统选择和改进出一个能够发挥系统性能、保障通信质量的通信体制。

2　超高频卫星移动通信系统

2.1超高频卫星移动通信系统与地面蜂窝系统网络架构分析

在超高频地球静止轨道（GEO）卫星移动通信系统中，卫星的覆盖范围通常由一个或多个波束组成［3］，波束覆盖范围中的移动用户可以借助卫星中继或经地面接入站处理实现波束中和波束间用户终端通信。地面接入站由卫星网关、网络控制中心组成，完成对信号的处理与转发。GEO卫星移动通信系统的网络组成如图1所示。

图1　地球静止轨道卫星移动通信系统网络组成Fig.1　Components of GEO system network

地面蜂窝移动通信网主要由移动交换子系统（SS）、操作管理子系统（OMS）和基站子系统（BSS，包括移动台）组成。在移动通信网的蜂窝小区中，移动台之间借助BSS或SS实现小区中和小区间终端的通信。BSS提供并管理通信中的无线传输通道，SS负责呼叫控制功能，所有的呼叫都是经由SS建立连接的［4］。移动通信网的基本组成如图2所示。

图2　移动通信网的基本组成Fig.2　Basic components of mobile communication network

从上述两系统网络架构可以看出，两系统的架构具有相似性:卫星等价于地面蜂窝网的基站，卫星波束的覆盖区域则等价于地面蜂窝网的蜂窝小区。只不过这个基站被放置到高36000km的GEO上，而一个“蜂窝”的直径也远远大于地面蜂窝网通常的几千米范围。因此地面蜂窝系统通信体制可以作为超高频卫星移动通信系统的参考体制。

但是超高频卫星移动通信系统的GEO卫星轨道高度决定了该系统与地面蜂窝系统的信道传输特性有很大差异，所以，地面蜂窝网的通信体制如果要在卫星移动通信系统中得到应用，须要解决传输信道特殊性对信号传输质量有较大影响的一些问题。

2.2超高频卫星移动通信系统的信道传输特性

相较于地面移动通信系统的信道传输特性，GEO卫星移动通信系统主要存在以下问题:

（1）信号传输的时延长。地面移动网信号的传播时延约为亚毫秒级，而GEO卫星移动通信系统信号的往返传播时延可达到600ms（不包括星上处理时延）。

（2）多径时延扩展小。由于GEO卫星移动通信系统的大仰角，导致电波传播的多径时延扩展（2或3个码片）明显小于地面移动网（8～20个WCDMA码片），其多径效应弱于地面通信系统。

（3）相关时间长。相关时间（Tc）由多普勒频谱扩展（FD）的倒数度量［1］，即Tc≈1/FD。FD产生于多径密集区域，但GEO卫星系统多径效应较弱，因此FD较小。GEO卫星系统的Tc至少可以达到100ms，而地面移动网的相关时间只有GEO卫星系统的1/6［5］左右。

所以，超高频GEO卫星移动通信系统在使用地面移动通信系统的体制时，须要研究上述问题，克服其对信号传输产生的影响。

3　超高频卫星移动通信系统的体制研究

目前，我国广泛应用的移动通信体制主要有3 种:频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。其中，FDMA和TDMA均存在通信容量小的缺点。CDMA以码字区分终端用户，不同终端分配正交的随机码，所有终端可共享频率和时间资源，在节约了频率资源的同时通信容量也得到极大提高，这对于频率资源有限的超高频卫星通信系统来说具有很大优势。

因此，针对我国规划中的超高频卫星移动通信系统，CDMA体制是最优的参考体制。目前我国的主流CDMA体制有3种:宽带码分多址（WCDMA）、码分多址2000（CDMA2000）和时分同步码分多址（TD-SCDMA）。3种体制均为我国第三代地面蜂窝系统（3G）的通信体制。下面针对超高频卫星移动通信系统的特点，从3种体制中选择最适用该系统的参考体制。

3.1超高频卫星移动通信系统通信体制的选择

针对我国规划中的超高频移动通信系统的特点，将3种3G体制综合分析。

TD-SCDMA体制独特的时分双工（TDD）模式和物理层帧结构设计使得该体制比较适合通信覆盖范围较小的系统，若将其应用于GEO卫星等覆盖范围较大的通信，为保证下行支路之间不产生干扰须留出较大的保护时隙，会导致系统效率急剧下降，这对于频率资源非常紧张的超高频频段是不合理的。因此，超高频卫星移动通信系统的体制仅考虑WCDMA与CDMA2000。

针对WCDMA与CDMA2000两种体制，首先，从具体技术考虑，WCDMA与CDMA2000两种体制在多径效应抑制和功率控制等技术方面，前者占有优势，现具体分析如下:

（1）WCDMA使用的码片速率和带宽是CDMA2000的3倍以上，其固有的高码片速率可提供更大的多径分集，进而改善接收机解决多径效应的能力；此外，还可提供更高的中继增益以及更小的信号功率开销，这对于功率资源有限的超高频卫星移动通信系统非常适用。

（2）WCDMA使用异步基站，而CDMA2000使用同步基站。无须同步的WCDMA基站不必使用一个具有全局时间参考量的GPS接收机，因此降低了超高频卫星移动通信系统地面接入站的复杂度，且地面接入站选址更加灵活。

（3）WCDMA功率控制频率（1.5kHz）约为CDMA2000（800Hz）的2倍。WCDMA的快速功率控制能够在短时间内迅速调节移动台的功率，从而保证了移动终端的接收质量。同时功率的迅速调整也减少了对其他移动终端的干扰，极大提高了超高频卫星移动通信系统的性能。

（4）WCDMA的导频信道开销大约需要下行链路总传输功率的10%，相比之下CDMA2000需要20%［6］。因而WCDMA可以节省更多的公用信道资源开销，进一步提高超高频卫星移动通信系统的数据承载量，扩大系统容量。

其次，从实践经验考虑，基于WCDMA的地面通用移动通信系统（UMTS）在设计之初就考虑了针对卫星通信的接入模式S-UMTS，具有一套相关的标准和协议，并且经过多年发展，S-UMTS模式在具体技术方面也已非常成熟，对于建立全球卫星移动通信系统的通信体制具有较好的参考和借鉴价值。因此可以看出，WCDMA相较CDMA2000具有更多的作为基本技术体制的实践经验，技术成熟度较高。

总结上述对WCDMA与CDMA2000两种体制的分析，其结果见表1。

表1　WCDMA和CDMA2000两种体制分析结果Table1　Result of the analysis of WCDMA and CDMA2000

综上所述，对于卫星移动通信系统来说，WCDMA体制无论从技术的适应性、成熟度还是实用性方面都明显优于其他两种体制。因此，将WCDMA作为参考技术体制有利于建立清晰、明确的卫星移动通信发展技术路线，也能更好地与地面公众网结合。

3.2应用WCDMA体制的适应性研究

由2.2节中的超高频卫星移动通信系统的信道特性可知，超高频卫星移动通信系统具有信号传输时延大、相干时间长等特点。大的传输时延导致传统WCDMA体制中的功率控制技术在超高频卫星移动通信系统中失去时效性；长的相干时间导致传统WCDMA体制中的时间分集技术在超高频卫星移动通信系统中无法实现。因此，传统WCDMA体制在超高频卫星移动通信系统中的应用须要在功率控制和时间分集两个方面进行研究，依据信道特点，设计解决方法如下。

3.2.1功率控制方法

功率控制技术可以在保证用户要求的服务质量前提下，最大程度地降低用户终端的发射功率，减少系统干扰，增加系统容量［3］。移动卫星系统中信号传播的长时延影响了功率控制的时效性。

传统的地面WCDMA系统功率控制为闭环控制，其过程如图3（a）所示，接收端的功率控制由内环控制与外环控制构成，内环估计接收端的信噪比（SNR）值，外环设置目标SNR值，通过比较估计值与目标值的大小发出功率控制命令。接收端功率控制信号的发送周期为2～3ms，且信号的传输时延为亚毫秒量级，因此在发射端从发出信号到接收功率控制反馈信号的时间段内，对于大多数的时变信道（本文中，“大多数”指相关时间大于1ms的信道），信道衰落状态不发生变化［7］，功率控制时效性好。

对于GEO卫星系统，信号的往返传输时延为600ms。如此长的传输时延导致用户终端在接收到功率控制信号时，信道状态大多已经发生变化，功率控制的时效性降低。因此为了提高GEO卫星系统功率控制的时效性，本文提出一种新的方法，即在内环控制中，增加线性预测器以估计未来600ms的信道状态。改进后的功率控制如图3（b）所示。

图3　功率控制框图Fig.3　Diagram of power control

对于数字扩频系统，接收端信噪比的分贝表达式为

式中:n为时间采样点；S为接收端信号功率；N为接收端噪声功率；Rb为比特速率；Eb为比特能量；N0为噪声的功率谱密度；W为信号带宽；Eb/N0为归一化信噪比；W/Rb为处理增益；G为时变信道的信道系数包络；P为发射端的发射功率。

由式（1）可得

将 ［h（n）］设为虚拟信道

则

内环控制中的线性预测器就是用来估计［h（n）］的。该线性预测器通过以往［h（n）］的真值估计未来600ms的［h（n）］的值，具体的信道估计算法如下。

首先，计算［h（n—M）］的加权平均值:

式中:M为600（采样间隔为1ms）；［μ（n—M）］为虚拟信道的加权平均值；τ为信道的遗忘因子［8］。

其次，根据去除加权平均值的虚拟信道的相关系数以及虚拟信道的加权平均值，计算虚拟信道的估计值:

式中:［h′（n—M）］=［h（n—M）］—［μ（n—M）］，为去除［μ（n—M）］的虚拟信道真值；ρ（M）为［h′（n—M）］的相关系数，服从不同随机分布的信道的相关系数公式不同，但取值范围都为0至1，用来表征相邻600ms的信道的相关性，当相关性较强时，该值趋于1，反之，该值趋于0。

从上述算法中可知，当信道的相关时间非常小，远小于信号的传输时延（600ms），此时ρ（M）≈0，则虚拟信道的估计值约为信道的加权平均值:

反之，当信道的相关时间很大，远大于信号的传输时延，即ρ（M）趋于1，则虚拟信道的估计值就接近于信道的真实值:

对于超高频卫星移动通信系统，GEO卫星轨道高度（约为36000km）决定了该系统的信号在传输过程中主要受到电离层闪烁与地面多径效应的影响，并沿多个路径、不同时间到达目的接收端。由参考文献［9］可知，两种衰落效应最终导致系统信道系数的包络呈瑞利分布或莱斯分布。不同信道条件下，莱斯因子（K）不同，当信道条件恶劣，接收端不存在直射信号，则K=0，信道系数包络呈瑞利分布；反之，K≠0，则信道系数包络呈莱斯分布。本文讨论最差情况，即瑞利分布情况。

当信道系数包络服从瑞利分布，由参考文献［4］可知，信道的相关系数为ρ（τ）≈J20（2πfmτ）（9）式中:τ为信道的相隔时间；ρ（τ）为相隔时间为τ的信道相关系数；J0为第一类零阶贝塞尔函数；fm为系统最大多普勒频移。

在现代数字通信中，信道的相关时间定义为［4］

由式（7）、式（8）可得

针对超高频卫星移动通信系统，τ为600ms。由式（11）可得相隔600ms的信道的相关系数。

此外，针对超高频卫星移动通信系统，处理增益、多址干扰和噪声的平均功率都可作为已知量，因此由式（3）可知，虚拟信道h（n）也服从瑞利分布。在求出h（n）的相关系数后，由式（6）可对虚拟信道进行预测。

将线性预测算法在Matlab软件中进行仿真验证，本文将瑞利衰落信道作为仿真信道模型。为了对比效果明显，本文在仿真时选取最大多普勒频移为0.25Hz（相关时间约为1.69s）的瑞利衰落信道、最大多普勒频移为1Hz（相关时间约为0.42s）的瑞利衰落信道、最大多普勒频移为4Hz（相关时间约为0.11s）的瑞利衰落信道以及最大多普勒频移为16Hz（相关时间约为0.026s）的瑞利衰落信道进行估计，4种信道的遗忘因子均取为0.5，相隔时间τ为600ms。两种情况下的估计效果如图4所示。

图4　信道估计效果Fig.4　Result of channel estimation

从图4中可以看出，首先，在相同时间内，衰落信道的相关时间越短，信道的衰落速度越快。其次，用式（4）确定发射端的发射功率时，当信道的相关时间较大时（大于600ms的信号传输时延），信道状态在600ms的传输时延内波动较小，此时信道的估计值随着相关时间的增大越来越接近于真实值；而当信道的相关时间较小（小于600ms）时，信道状态在600ms的传输时延内波动较大，此时的估计值随着相关时间的减小越来越接近于真实值的加权平均值。再次，衰落信道的相关时间越长，信道估计的效果越好。

综上所述，信道估计算法可以在信道相关时间大于信号传输时延时精准的估计信道、在相关时间小于信号传输时延时使估计误差尽量小，为GEO卫星移动系统提供具有时效性的功率控制。

3.2.2时间分集方法

在衰落信道中，若两个时刻的间隔超过信道的相关时间，则信道的衰落特性不同。时间分集技术可以充分利用这一特性，对移动用户发送间隔大于相关时间的、在信道中具有不同衰落状态的信号依次接收，综合利用各信号分量，改善接收信号的质量，提高通信的可靠性。

WCDMA标准中常用的传输时间间隔（TTI）为tTTI=40ms［10］，明显小于超高频移动通信系统的相关时间（大于100ms），因此，系统中一个TTI内的信号在传输过程中信号的衰落状态相同，无法实现TTI内信号的时间分集。

为了实现超高频移动通信系统的时间分集，文献［11］采用了燕尾交织（DTI）方法，此方法在无线接入承载的物理层中增加DTI交织器，通过帧交织将TTI内信号的持续时间扩展至大于信道的相关时间，则信号在传输过程中衰落状态不同，可以实现时间分集。DTI交织器的插入位置如图5所示。从图5中可以看出，WCDMA的物理层分为2个子层:编码合成传输信道（CCTrCH）和调制子层。燕尾交织器插在2个子层之间。

图5　燕尾交织器的插入位置Fig.5　Location of DTI

图6　DTI按帧操作方式Fig.6　DTI operation by frames

DTI的运行过程见图6，连续tTTI时间段的传输块数据在CCTrCH中编码并被标记为1，2，…，n（n为TTI个数）。在本例中，每个DTI中包含4个DPDCH帧。每个tTTI时间内，DTI交织器将编码后的4个DPDCH帧存储起来，并在该tTTI时间结束时将第一帧读取出来，此后每隔一段时间读取一个数据帧，直到将该tTTI时间内的数据帧全部读取完毕。在每个TTI数据帧的读取间隔内，会有其他TTI数据帧完成读取过程，所有TTI数据帧的读取时间均不发生冲突，读取后的数据以“衔接”方式发送到调制子层。从交织过程可以看出，一个TTI时间内的数据传输时间变为:fDTM× tTTI，其中，fDTM为衔接乘数因子。图6中的fDTM=4。

针对我国规划中的GEO卫星移动通信系统，tTTI取为地面WCDMA标准中常用的40ms，对fDTM的选取做如下考虑:当系统的信号传输时延大于600ms时，从上文的功率控制可知，此时功率控制效果理想，因此系统可以通过功率控制技术降低干扰的影响；当系统的相关时延小于600ms，此时功率控制的效果不理想，因此可以通过时间分集技术降低干扰的影响，也即，交织时间至少为600ms，fDTM大于或等于15。由图6可知，系统的交织时间越长，信号传输时间增加的越多，与未交织相比，在相同时间里系统传输的完整TTI信号的数量越少，系统传输效率越低。因此在允许的范围内，系统的交织时间越短越好，综上考虑，本文将超高频GEO卫星通信系统的fDTM改进为15，交织时间改进为600ms。

在Matlab软件中对时间分集方法的效果进行仿真验证。仿真中信道模型选为最大多普勒频移为4Hz（相关时间约为105.75ms）的瑞利衰落信道，交织长度为一个TTI时间内的数据帧（每帧10ms［10］，一个TTI中包含4个帧），fDTM=15，数据传输速度为9600 bit/s。为了突出时间分集技术对系统性能的改善效果，假设一个TTI中的每个数据帧传送相同数据。图7为fDTM=15以及fDTM=1（未交织）条件下，不同信噪比的系统误码率。

由图7可知，系统在使用时间分集方法后，一个TTI（40ms）时间内的数据帧变为600ms，远大于105.75ms的相关时间，因此，接收端可以充分利用一个TTI中具有不同衰落状态的4个数据帧。此时，系统的误码率明显降低，系统性能约有6dB的提升，时间分集方法达到了预期的效果。

图7　时间分集方法对系统性能的改善效果Fig.7　Improvement of system performance with time diversity

由3.2.1节和3.2.2节可知，功率控制技术与时间分集技术联合作用，为GEO卫星系统提供了不同相关时间下的抗干扰技术，仿真结果表明，两种技术均达到了预期效果。在解决了关键的功率控制和时间分集之后，WCDMA体制能够在GEO卫星移动通信系统中发挥体制的优势。此外，GEO卫星移动通信系统的多径时延扩展较小，相关带宽较大，系统理论上可以在不发生码间串扰的前提下，支持比地面系统更高的传输速率。GEO卫星系统与地面移动通信系统在不同多径时延扩展时最高传输速率如图8所示。从图8中可以看出，GEO卫星系统的最高传输速率（约为多径时延扩展的倒数）约为地面系统的4倍。

图8　不同系统下的最高传输速率Fig.8　Highest transmission rate of different systems

4　结束语

超高频卫星移动通信系统与地面蜂窝系统的网络拓扑类似，但是由于超高频卫星移动通信系统传输信道的特殊性带来的功率控制和时间分集问题，使得WCDMA体制在卫星上的应用必须解决这两个问题。研究表明，采用本文提出的线性预测方法和改进的燕尾交织方法在解决了这些问题以后，地球静止轨道超高频卫星移动通信系统能够发挥良好的性能，对充分继承成熟技术、提高超高频频段的频谱利用率、满足我国未来该领域的技术发展和应用有着重要的意义。

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（编辑：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，硕士研究生，从事航天通信技术研究工作。Email：duyan1120@163.com。