DS-CDMA卫星移动通信系统容量分析

唐述强，黄伦文

（安徽四创电子股份有限公司，合肥 230088）

DS-CDMA卫星移动通信系统容量分析

唐述强，黄伦文

（安徽四创电子股份有限公司，合肥 230088）

本文针对短帧的突发业务情形，采用里所码（Reed-solomoncodes，RS）加卷积码的编码方式，对业务容量进行了详细的分析，在高斯信道模型下，推导出不同功率条件下的容量表达式，并在不同的干扰功率下对理论结果进行仿真，将仿真结果和理论分析进行对照，证明了理论分析的正确性。理论分析结果可以进行用户容量和信噪比的一定范围内的定量估计，得到系统能够容纳的用户数量，从而做到通信资源的有效分配和供给，达到提高通信效率的目的。

DS-CDMA；卫星移动通信；系统容量

1 引言

地球同步轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）移动通信卫星位于赤道上方36,000千米处，机动性非常强，应用范围广阔；覆盖范围广，3颗星即可覆盖全球，卫星不受自然灾害影响，成为了应急通信的重要形式。基于众多的优点，卫星通信的应用范围越来越广。由于卫星通信中的空间电磁环境复杂，需要较强的抗干扰能力。扩频通信[1]的基本特点是传输信息所用的信号带宽远大于信息本身的带宽，由香农的信道容量理论计算公式可知，在信道容量相同的条件下，宽带系统比窄带系统的抗干扰能力好，所以扩频系统具有极强的抗干扰性能。另外，扩频通信也可以很容易实现码分多址，提高频带的利用率。由于扩频通信中存在扩频序列的扩频调制，利用不同码型的扩频码序列之间的自相关性和互相关性，对不同用户分配不同的码型，使多个用户公用同一个时频资源，提高系统的容量，所以扩频通信和CDMA结合具有重要意义。常见的扩频通信系统可分为直接序列扩频系统（DS-SS），调频扩频系统（FH-SS）和跳时扩频系统（TH-SS）等。本文基于卫星移动通信中的突发业务模型，采用直接序列扩频通信方式，使得DS-CDMA系统不仅具有高处理增益，相比于其他的通信系统也具有更大的系统容量。当一个基站为其全部用户正常的运行而发送的总功率超过了基站的额定功率时，链路就达到了受功率限制的容量。容量分析可以获得系统在预定的信噪比和误码率下所能容纳的用户数，对于控制用户的接入和提高通信效率有着重要意义。文献[2]对多载波CDMA容量进行了研究，推导出多载波CDMA上下行链路的容量的表达式，利用拉格朗日乘数求极值的方法，分别得到多载波CDMA话音和数据业务上下行链路最大容量。文中分析的多载波CDMA模型只有当基站最大发射功率平均分配给每个子载波时，系统才能获得最大的容量。文献[3]提出了一种多业务蜂窝CDMA系统上行链路的干扰特性与容量一般分析方法。文中采用了高斯分布与对数正态分布两种方法来近似干扰的统计特性，进而分析系统的用户容量。文章给出了仿真结果，但没有进行数值上的理论分析。本文给出了在高斯信道下通信系统的用户容量的理论推导，并结合仿真验证结果的正确性。

2 系统模型

整个DS-CDMA通信系统模型如图1所示。用户发送的信息比特序列经过RS编码和卷积编码后，再经过BPSK调制即得到发送符号序列，发送符号采用扩频序列进行扩频以增加抗干扰性。由于扩频序列具有良好的自相关特性和互相关特性，在接收端，待检测用户采用自己的扩频序列与接收到的信号进行相关运算即可解出符号序列，再进行与发送端相应的解调方法最终得到估计的发送信息比特序列。

图1 CDMA系统模型

在该系统模型中，有K个用户，每个用户经过编码调制后，再经扩频后加入载波发送出去，每个用户到达接收端的时延不同，在接收端得到的信号为

3 理论分析

3.1 多址接入干扰

CDMA系统中，所有用户在同一信道中发射信号，占有相同的时频资源，区别各个用户是依据每个用户不同的扩频码，因此CDMA系统在理论上可以有效的提高编码增益。但由于各个用户之间的扩频序列不可能做到严格的正交，使得用户间的信号存在一定的相关性，干扰用户信号与待检测用户的扩频序列的互相关结果不为零，这就带来了多址接入干扰问题。由式（1）可以看出，在接收端设备接收到的信号中，除了有用信号外，还有信道的噪声及其他用户的发送信号，假设用户1为待检测用户，即式（1）可分解为

3.2 DS-CDMA系统容量分析

DS-CDMA系统中，各用户信号、时延和相移是相互独立的随机变量，当用户数足够多时，根据中心极限定理可将MAI近似为一个高斯干扰模型来估算系统性能，这就是标准高斯近似法[5]。采用标准高斯近似法，可得突发用户系统等效信噪比为

由式（13）可估计出在不同信号功率下的用户容量。为简化分析，在两种干扰功率下，高功率干扰用户的发送信号功率为待检测检测用户信号的n倍，低功率干扰用户的发送信号功率和待检测用户信号的功率相等，高功率干扰用户数为J，则估计出的用户容量为

4 仿真分析

4.1 仿真参数

本文仿真的场景为突发业务下分组用户对分组用户干扰的容量分析。待检测用户与干扰用户均发送突发帧，帧长为384bit，分组到达率认定在单帧时间内为1，即在待检测用户帧到达的一帧时间内所有干扰用户帧均到达且随机到达。突发业务帧使用m序列扩频，所有的分组用户使用同一个扩频码。仿真条件如下表所示。

表1 仿真参数

4.2 仿真结果分析

图2 分组业务多用户对单用户等功率干扰

图3和图4显示了分组业务下不同信号功率的干扰用户对待检测用户译码性能的影响，图3中的干扰用户的信号功率比待检测用户信号功率高1.5dB，图4中的干扰用户的信号功率比待检测用户信号功率高6dB。从图3中可以得到，单用户在取10-5误比特率量级时，信号的信噪比门限是3.8dB；在多用户干扰场景下，100个干扰用户时误比特率达到10-5数量级时信号的信噪比门限为4.2dB；200个干扰用户的信噪比门限是4.6dB。根据式（14），可以得出理论上误比特率达到此门限时容纳的干扰用户数（功率比待检测用户的信号功率高1.5dB）分别为100个和191个。从图4中可以得到，单用户在取10-5误比特率量级时，信号的信噪比门限是3.8dB；在多用户干扰场景下，100个干扰用户时误比特率达到10-5数量级时信号的信噪比门限为5.2dB。根据式（14），可以得出理论上误比特率达到此门限时容纳的干扰用户数（功率比待检测用户的信号功率高6dB）为111个。仿真结果和理论结果都比较相近。

从图3中可以看出，在干扰用户的功率相等的情况下，干扰用户数越多时，接收信号的译码性能越差，比较图3和图4，可以看出，当干扰用户数相同时，干扰用户信号功率越大时，接收信号的译码性能越差。这两种情况影响的是式（13）中的K和Pk两个参数，可由式（13）分析出原因：这两个参数变大时都会增加干扰用户的等效噪声。

图3 分组业务多用户对单用户功率1.5dB干扰

图4 分组业务多用户对单用户功率6dB干扰

5 结束语

本文分析了DS-CDMA通信系统突发业务下的用户容量，在得到了理论结果的同时，进行仿真分析加以验证。由于突发业务帧长比较短，系统采用RS码和卷积码级联的方式进行信道编码。文中推导了高斯信道下干扰用户功率与待检测用户功率相等和不相等两种情况下的用户容量计算公式，通过理论分析和仿真结果可以得到，用户容量的大小与干扰用户的数量和干扰用户的功率两个因素有关，随着用户数目和干扰信号功率的增加，多址接入干扰会加大，从而导致用户容量的下降。本文的理论分析结果可以进行用户容量和信噪比的定量估计，根据系统的信噪比，可以估计系统能够容纳的用户数量，做到通信资源的有效分配从而提高通信效率。

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

[2] 王鹏，赵宇，曹达仲．多载波CDMA容量的研究[J]．电子与信息学报，2007年1月第29卷第1期169-173

[3] 王宇，李少谦，李乐民．多业务蜂窝CDMA系统的干扰与容量分析[J].电子与信息学报，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认证合作伙伴计划

NVIDIA公司近日宣布推出全新NVIDIA VCA认证合作伙伴计划，助力企业更加轻松地部署经NVIDIA认证的视觉计算设备（VCA）解决方案。NVIDIA VCA认证解决方案能够加速工作流程，助力艺术家通过使用NVIDIA Mental Ray、NVIDIA Iray和Chaos V-Ray RT等GPU加速渲染器对模型进行实时探索、操作和确认。该平台支持可扩展型、交互式渲染，全部可在数据中心设备中便利地完成。

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文章编码：1672-7274（2017）05-0004-05

唐述强，男，现任安徽四创电子股份有限公司总经理助理，高级工程师。

黄伦文，男，现任安徽四创电子股份有限公司高级工程师。