CDMA技术在卫星移动通信中的应用

  一、前言
  当今的信息时代对通信的容量、方便程度、业务种类等方面的要求日益迫切。因此,美国提出了意义深远的个人通信业务(PCS)的概念,它指的是可在任何时间、任何地点、任何个人之间实现任何业务的通信。要实现这个理想目标,要耗费的最重要资源之一是无线频谱。众所周知,可利用的无线频谱带宽是有限的,如何利用有限的带宽高效地实现PCS,出路只有两条:一是改造原系统,采用频谱效率高的数字方式;二是对已被占用的频带进行重复利用。在CDMA系统中,通过采用话音激活技术、前向纠错技术、功率控制技术、频率复用技术、扇区技术等,其系统容量可扩到FDMA的20倍左右、TDMA的3倍以上及GSM的4倍以上。同时,它还具有抗多径干扰能力、更好的话音质量和更低的功耗以及软区切换等特点。CDMA以其本身所具有的特点及优越性而广泛应用于数字移动通信和个人通信系统中。特别是近年来,小卫星技术的发展为实现全球移动通信和个人通信提供了条件,利用分布在中、低轨道的许多小卫星实现全球个人通信,已在国际上形成热潮。所以,对CDMA在卫星移动通信中的应用探讨,对我国中心卫星通信和移动通信的发展具有十分重要的现实意义。
  
  二、CDMA技术优势
  CDMA是基于扩频通信中的一种多址方式。很多CDMA信号共用一个频谱,每个信号由不同的PN序列组成,它对载波进行调制扩展其频谱。信号在接收机中进行相关处理。只对所选的PN序列的信号进行解扩,并将其能量重新集中起来,其他用户的信号,因其所用的PN序列不匹配,其频谱都被扩展,相当于噪声。CDMA具有许多优点:
  
  (1)系统容量大。为采用不同多址方式的蜂窝移动通信系统的容量比较。从比较中可以看出CDMA方式容量最高,NCDMA=4NTDMA=20NFDMA(N为系统容量)。CDMA系统之所以大,并不是由于其技术本身,而是由于在CDMA系统中可更有效地采用许多新技术来增加系统容量,如:话音激活或可变速率话音编码、纠错编码、分集接收、功率控制、高效频率复用、扇区划分等技术。
  
  (2)频率利用率高。表2为采用不同多址方式的频谱利用率,从表中可见CDMA的频谱利用率最高。
  
  (3)具有软容量。在FDMA 和TDMA系统中,当全部频道或时隙被占满后,再也不能增加一个用户。而 CDMA系统是干扰受限系统,在指定的干扰电平下,即使用户已达到限定数目,也允许增加个别用户,系统性能并无明显下降,因为在CDMA系统中用户数和容量之间存在一种“软”的关系,在业务高峰期,允许误码率增加一个小的数值,以增加忙时的可用信道数,这是话音质量只是略为下降,而不会出现阻塞现象。
  
  (4)具有软切换特点。FDMA和TDMA的过区切换都是在中断后切换,CDMA则是在中断前切换,并且这种切换不易被用户觉察,大大降低了呼叫中断的可能性。软切换只改变扩频码,不改变频率,也便于管理和控制。
  
  (5)扩容方便。CDMA各小区使用相同频率,不必向FDMA那样进行频率配置,当系统扩展时,不用为适应新的频率安排而对现有系统进行改造,很大程度上方便了系统的扩容。
  
  (6)CDMA以扩频技术为基础,因此它具有扩频通信所固有的优点:
  
  ①抗干扰能力强。CDMA采用宽带传输,将有用信号和干扰信号频谱能量都加以扩散,在接收端利用PN序列的相关特性进行相关处理,对有用信号频谱能量压缩集中,干扰和噪声因与PN序列不匹配而被抑制,因此大大提高了信噪比,具有很强的抗干扰能力。
  
  ②抗多径衰落。CDMA可提供多种形式的分集接收[时间分集、频率分集、空间(路径)分集等],大大降低了多径衰落。CDMA将信号能量扩展到很宽的频带中,从而得到频率分集;时间分集可通过使用交织和纠错编码来达到最大效果;空间(路径)分集可通过软切换、rake接收机等来实现。
  
  ③安全保密性。CDMA采用了扩频解调后,在信道中传输所需要的载波与(噪声+干扰)的功率比很低(约-20dB左右),即在低功率谱密度下传输,有用信号功率比干扰信号功率低得多,信号仿佛淹没在噪声之中,不易被对方发现,有较强的防截获能力。另外,CDMA采用PN码调制,不掌握发射信号的规律,要进行解扩是很困难的。这些都体现了CDMA安全、保密的特点。
  
  三、移动卫星通信系统
  移动卫星通信系统主要分为两大类,第一类是同步轨道移动卫星系统,主要系统有:Inmarsat-M、Inmarsat-B、MOBILESAT(澳大利亚)、MSAT(USA)等。其它一些面向个人通信的实验系统和正在开发的卫星系统有:Jet Propulsion Laboratory建议的PASS(Personal Access Satellite System)实验系统,欧洲空间局发射的Olympus卫星系统,NASA的ACTS(Advanced Communication Technology Satellite)卫星系统,日本空间开发局的ETSVI卫星系统,欧洲的PRODAT和MSBN移动卫星系统。
  
  第二类是中低轨道的移动卫星系统,美国的主要系统有:ORBCOMM(Orbital)、STARNET(Starsys)、LOESAT(Marcor)、VITASAT(VITA)和即将投入使用的“铱”系统等。前苏联COSCON公司提出了一个全球空间通信系统-Kochon系统,该系统采用四个极地轨道,共32颗卫星覆盖全球,提出双向电话、数据传输、定位业务、采用L频段和UHF频段。欧洲提出了采用高椭圆轨道(HEO)的ARCHIMEDES系统,为欧洲提供移动话音通信和高质量的数字音频广播业务(Digital Audio Broadcast)。德国MBB航空公司1990年提出一个叫Loopus的系统,用工作在三个椭圆轨道上的9颗卫星覆盖北半球,为欧、美、亚洲所共用,使用Ku频段。此外还有墨西哥提出了发射低轨道的卫星计划,共计12颗卫星,用于拉丁美洲,初期仅提供数据业务,最终支持话音的传输。法国也提出了发射低轨道的卫星计划,共发射5~6颗卫星,仅用于数据业务。
  
  四、我国移动卫星通信系统模型和信道模型
  4.1 系统模型
  
  卫星移动通信可以通过各种各样的星座来实现。按轨道高度可以分为同步轨道(GSO)、中轨道(MEO)、低轨道(LEO)以及高椭圆轨道(HEO)。目前我国采用的移动卫星通信系统模型就是全球移动卫星通信系统(Global Mobile Satellite Information System—GMSIS)。GMSIS系统是由18颗高度为8034Km的卫星构成的中轨道卫星系统,卫星通信天线的波束张角为2×21.8o,波束覆盖区地心角为2×35o,每颗卫星共有19个子波束组成,每个波束的天线张角为2×6o。一个系统的轨道参数给定之后,我们可以计算出卫星系统在任何时刻照射在地球表面形成星下点的经度和纬度,以及每个卫星及其波束的覆盖范围。
  
  卫星下点的纬度和经度分别表示为:
  
  Φ=arcsin[sin(i)sin(μ)]
  
  λ=arctan[cos(i)tan(μ)]-TωE +λN
  
  其中,μ=μ0+ωsat T卫星的相角,i是卫星轨道的倾角,λN是卫星的右升节点的经度,ωE是地球自转的速度,ωsat=(GM)1/2(RE +H)-1/3为卫星运行的角速度,G=6.6684627×10-11m3/Kg/s2为万有引力常数,M=5.977414×1024Kg为地球的质量,RE=6378.5×103Km为地球的半径,H为卫星的轨道高度,T为卫星自初始时刻的运行时间。
  
  我们假设用户均匀分布在地球表面,每个卫星的一个波束照射范围的地球表面有100个同时工作的用户,即每个卫星覆盖范围有1900个同时工作的用户。
  
  4.2 信道模型
  
  在移动卫星通信系统中,移动台所接收到的信号不仅有直射信号,还有经过多次路径反射和散射的信号,即在空间任意接收点上的信号强度是由多径信号矢量合成。当移动台在驻波场运动时,接收信号的强度就会出现急剧的随即起伏,及多径衰落。除了受到多径衰落的快衰落外,还因楼群、树木和山区等障碍物的遮挡,用户接收到的信号呈现慢的起伏变化,即慢衰落。此外,用户接收到的信号还与卫星星上天线有关。由于星上天线指向增益不同,在经历相同遮挡和衰落情况下,用户终端处于波束照射中心和边缘时接收到的卫星功率不同,相差3dB。对于移动卫星通信信道许多文献已做了广泛的研究,我们认为用户终端主要跟踪移动卫星通信中的直射路径信号进行解调,并且信号受到的遮挡概率和受到的遮挡后信号衰落都与用户终端的仰角有关,星上天线采用抛物天线模型。
  
  五、CDMA在卫星移动通信多址方式中的应用
  同地面蜂窝移动通信的情况一样,卫星移动通信的多址技术也有频分、时分、码分等几种形式。使用FDMA技术,由于卫星转发器的非线性而形成的交调干扰,就要避开一部分频带不用,还要用卫星功率进行“补偿”以进一步降低交调干扰,这样就浪费了卫星功率和频带等宝贵资源;TDMA可以克服交调现象,但又面临着同步问题,由于卫星地面通信站安装在运动物体上,运动物体迅速移动,要实现移动地面站往卫星同步地发射信号显然很困难;CDMA使用不同扩频序列,相互间影响较小,频带重复利用率高。与传统的点对点定向传输的卫星通信不一样,卫星移动通信是一点对多点的全向性传输,必须采用扩频技术提高抗多径干扰能力。在CDMA中还可采用诸如话音激活、频率复用、扇区划分等来增强系统容量,而在FDMA和TDMA中扩容技术实现起来难度较大。在全球卫星移动通信系统中,若采用CDMA技术,则具有组网简单、灵活、抗干扰能力强,系统容量潜力大,成本低等一系列优点。所以,在卫星移动通信系统中采用CDMA技术是适宜的。
  
  六、CDMA在移动卫星通信系统功率控制中的应用
  用户终端处于星上天线波束形成蜂窝的不同位置时,星上天线方向增益不同。用户和卫星之间信道受到衰落和遮挡的状况与用户的位置有关,并且是时变的。所以,如果每个用户的裕量按最恶劣条件设计又没有功率控制,不管用户处在什么位置,信道特性如何,卫星都要发射比实际需要多得多的功率,这无疑是以牺牲卫星功率从而降低系统容量为代价的。可见,功率控制对移动卫星通信系统是十分必要的,功率控制可以减少用户对星上功率的要求从而增加系统的容量。此外,对于CDMA系统,减少功率还能减少多址干扰。
  
  为实现功率控制,我们认为,CDMA系统的卫星与用户之间通信信道有四种:(1)卫星到用户的导频信道;(2)卫星到用户的业务信道;(3)