（通信与信息系统专业论文）cdma体制卫星通信的研究.pdf

南京邮l 乜人学坝i j 学位论义 摘要 摘要 卫星通信是重要的现代通信技术，c d m a 体制下的卫星通信系统是卫星通信和地面移动 通信发展的结晶，也是当前卫星通信界的研究热点之一。 本文首先对c d m a 卫星通信系统的链路性能进行研究。在研究国内外有关移动卫星通信 信道的代表性文献的基础上，建立了卫星移动通信信道模型，搭建了卫星c d m a 链路性能 仿真平台，给出了理想状态和基于i s 9 5 的c d m a 卫星通信系统在不同卫星仰角下的前向和 反向链路性能仿真结果。 接着本文研究了空时发射分集技术，为了改善基本发射分集方案的性能，利用信道编码 来获得额外时间分集，我们采用y 多 i - 部卷积编码器与空时编码器级联的编码方法，并对编码 系统的性能与未编码系统的各项性能进行了仿真比较。 然后本文对c d m a 低轨卫星通信系统的伪码捕获进行了分析，在简要介绍常用伪码捕获 技术的基础上，分析了反复循环累加码捕获方法的原理和性能，它能有效地对付多普勒频移 以及提高捕获速度，在低轨卫星通信中具有广阔的应用前景。 最后本文对c d m a 系统的地址码扩充问题进行了研究。提出的基于m 序列、g o l d 序列 的三种扩址方案，为今后c d m a 系统中的地址码的扩充提供了理论依据。 关键词：c d m a 卫星通信系统，链路一1 1 4 土p 台日匕p , ，空时发射分集，反复循环累加环路，地址码扩 充 a b s t r a c t r e s e a r c 。h f i e l d so fs a t e l l i t ec o m m u n i c n a e t = 竺：a 一一眦f i r 咖t h e ? p a p e ra n a l y z e s t h e l i n k 弘：三f = ：m s a t e l l i t es y 油s t e 。m r e m u , - 。mc h 一- s 呼1 ：耋裟竺m o 川d e 撕l i sd e s c r i b k e 兰竺= z t h es i m u ? l a t i o n u ：i m = o u v j = 赫删c e m o 出3 撒v e r i 骶”i m u 瞰i o n = = = l a t i 。n m 。d e li sb 呲，a n dt h ef o 州a r da n d 如埘o na sg o o da sp o s s i b l e l i n k 睥= ：= ：= 三二= t s 硝缸e 妒s e n t e d r e v e r s el i n kp e r f o r r n a n c eo f c d m as a t e l l i t es y s t e mb a s e ao n 姒1 。恤。“”一 r e s p e c t i v e l y , c o n s i d e r i n g t h ei n f l u e n c e so f d e i f f t r e a r n e n s 瑚ts i a t t d i e l v l i e t e re 1 e v a t i o n s e s , i no r d e r t oi m p r o v et h e t h e nt h i sp a p e rs t u d i e st h es p a e e - t i m 啪= = s m i t y 疵t e c u s e r m l q o f c u e s , h m 黝e l u l uc o d i n gt o o b t a i n p 幽一c e o ft h eb a s i c t r a n s m i t 幽d i v 咖e r s i t yp r ：= m n 1 誓：r 篡淼。c o a e r a d d i t i o n a l t i m ed i v e r s i t y , w e h a v e 幽昨d 恤菩兰州n a t i o 撕n 。o n t ，嚣孟= e 疵。a i n g s y s t e m w i t l lt h es p a c e t i m ee n c o d e r c o d i n gm e t h o d t h r d e 。曲s l m u l a t l o n ，u l e 叫u i 儿“一一一 a n dt h es y s t e mw i t h o u t c o m 蚪e ：舞0 n s c h e m e s o fc d m al e o s a t e l l i t ec o m m u n i 矾o n t h e nt h ep a p e ra n a l y s e sth；。e。三芝：r三=瑚屺一。一，；t。一tr、rnma s y s t e ma n d i n t r o d u c e st h e p r i n c 徊k 枷：淼o f m e u c l t i p l er e c t r c u t a u o n t o u r 3 , , j , 一晒“忡 s a t e ，l l i t e ，s y s t e m , b a s e d o nt h ec o m m o n 三_ = 莒h 印n e e d o f o l o g y , c 1 椰l a e i e c n n n n o m a s g y w 。m , a x j 聃灿a n d e a lw i t hd o p p l e rf r e q u e n c ys h i f t ，a sw e u a s1 m p r o v e 眦s p 洲w - 叫一“一 一 p r 。s p e 醴i n l e os a t e l l i t ec o 姗蝴螂 s 一 ；c l n e t h ec d m as y s t e m f i n a l l yt h e p a p 小e rs t u d i e s t h ec d m a s y s t 渊e r n 哪e x p a n s i o na d d r e s s s e 叩s c h e 训m e 焉雠d ，赫 e x p a n ? s i o a d d r e s ss c k m eb a s e do nt h em s ：i 也a n e d m u o l a e r = ：( ：淼龇o a e i n 慨 d r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rs o l v i n g t h ep t o b l e mu l a u 灿u u i u u 泓u 6 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：再垦噩 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： p 乒谛、 导师签名： ，v 日期：一7 牛、- 南京邮1 乜人学硕i ：学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 低轨移动卫星通信的概况 在人类己经进入2 l 世纪的今天，人们谈论得最多的话题之一是信息化和信息社会。作为 信息系统组成部分之一的通信系统是信息系统的主要通信平台，而卫星通信又是通信平台的 重要组成部分。卫星通信系统由处在地球上空一定高度的通信卫星、地球站和地面终端组成。 通信卫星通常由星体和通信组件构成，用来接收地球站送来的信号，进行处理、交换、放大 等，再将信号传回地面或传至其它卫星系统。依照卫星在地球上空与地球相对位置的不同， 分为地球静止轨道卫星( g e o ) 和非静止轨道卫星( n g e o ) n 类 1 】【2 】。 当前，全世界通信领域的一个发展重点是实现全球移动通信，而全球移动通信的重要组 成部分是卫星移动通信。由于非静止轨道卫星移动通信系统宜于支持手持终端实现个人通信 全球化，已成为全球通信领域的一个发展热点。卫星移动通信系统是由按照一定的轨道平面 ( 或者与赤道平面有一定夹角的极地轨道，或者是与赤道平面有一定夹角的大椭圆轨道平面， 或者是两者混合组成的几个轨道平面) 运行的不同数量的通信卫星组成。卫星移动通信系统分 为低轨道( l e o ) 系统，轨道高度7 0 0 - - - 2 0 0 0 k n ) 中轨道 系统，轨道高度为 椭圆轨道系统。低轨道移动卫星。通信系统( m 按e 其o ) 功能又分为小 系10统000(仅-20000km；(heo)leo 支持数据业务) 、大l e o 系统( 支持语音通信) 和超大型l e o 系统，按所提供业务可分为窄带 系统和宽带系统。按覆盖区域可分为全球覆盖，称之为全球卫星移动通信系统，覆盖地球部 分地区称之为区域性卫星移动通信系统。 目前，卫星移动通信系统无论在服务质量还是服务费用方面都无法与地面蜂窝网竞争。 然而，卫星移动通信系统可以在解决发展中国家的基础通信方面发挥重要作用。不少的发展 中国家幅员辽阔而经济发展不平衡，一些偏远地区和农村地区还缺乏基本的通信手段。对于 其中某些地区，利用地面通信网的延伸和扩展来覆盖还比较困难。 低轨道卫星移动通信系统【1 1 ( l e 0 ) 由卫星星座、关口地球站、系统控制中心、网络控制 中心和用户单元等组成。在若干个轨道平面上布置多颗卫星，由通信链路将多个平面上的卫 星联结起来。整个星座如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区， 服务区内用户至少被一颗卫星覆盖，用户可随时接入系统。 利用l e o 卫星实现手持个人通信的优点i l 】【2 】在于：一方面卫星的轨道高度低，使得传输 延时短、路径损耗小，多个卫星组成的星座可实现真正的全球覆盖，频率复用更有效：另一 l 南京邮i 【1 人学顾i ：学位论义第一章绪论 方面蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术的发展也为低轨道卫星移动通信提供了技术 保障。因此，l e o 系统被认为是很有前途的卫星移动通信系统。 提供全球实时个人数据和语音通信业务的l e o 和m e o 卫星移动通信系统被称为大l e o 系统，如i r i d i u m 、g l o b a l s t a r 等；利用l e o 卫星提供宽带业务的系统被称作宽带l e o ，如 t e l e d e s i c 等：我们将其余以短数据通信为主的l e o 系统称为小l e o 系统，如o r b c o m m 等。 通常所讲的小卫星都属于l e o 轨道，它可采用椭圆轨道或圆轨道，轨道周期为2 0 分钟至2 小时不等。由于卫星与地面终端之间的相对运动，多普勒频移多达几十k h z 。 1 2 低轨道卫星系统的码分多址接入方式 在卫星移动通信中常采用的多址技术【3 】有f d m a ，t d m a 和c d m a 等几种方式。使用 f d m a 技术，卫星转发器的非线性将会导致交调干扰，因此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。t d m a 可以克服交调现象，但又面临同步问题，由于卫星地面便携通信设备安装在运动 物体上，运动物体迅速移动时要实现移动地面站往卫星同步地发射信号就很困难。 c d m a 是基于扩频通信的一种多址方式。多个用户的c d m a - 信号同时共用一段频谱， 每个信号由不同的正交p n 序列加以区别，p n 序列对基带数据流进行调制扩展其频谱。接收 信号在接收机中进行相关处理，只对所选的p n 序列的信号进行解扩，还原为窄带信号，其 他用户的信号，因其所用的p n 序列不匹配，仍保持宽带信号而被滤去。相对f d m a 和t d m a 方式来说，在l e o 系统中采用c d m a 技术更具有优势：它允许用户随机地访问卫星，通信 保密性好，抗干扰能力强，用户使用相同的频率，简化了频率规划，具有平滑的越区软切换 和宏分集能力，可采用分集接收技术，以获得抗阴影遮蔽效果。c d m a 容量具有软特性，在 过负载情形下，多增加一个用户只会使通信质量有下降，不会出现硬阻塞现象，使有限的频 谱资源得到更充分的使用。对于具有广大覆盖范围的卫星移动通信系统，这点尤为重要。 所以，c d m a 多址方式在l e o 卫星移动通信中具有较强的技术优势。在卫星移动通信系统 中采用c d m a 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 系列优点例。 1 3 本文工作以及章节安排 本文在深入研究了国内外相关成果的基础上，探讨了c d m a 体制下低轨卫星通信的相关 技术，本文主要研究内容和章节安排如下： 2 南京邮f 乜人学坝，l 学位论义 第一帚绪论 第一章为绪论，简单介绍了低轨卫星移动通信系统及低轨卫星通信系统的码分多址接入 技术。 第二章研究了c d m a 低轨卫星通信系统的链路性能。首先在研究国内外相关低轨卫星信 道的重要文献，建立了卫星移动通信信道模型，参考i s - 9 5 标准搭建了卫星c d m a 链路性 能仿真平台。链路性能仿真给出了前向链路和反向链路在不同卫星仰角下的仿真结果。 第三章介绍了c d m a 低轨卫星通信中的空时发射分集技术。引入信道编码获得额外时间 分集，在未编码系统和编码系统中，分别分析比较了几种常用空时发射分集技术的性能。 第四章系统地研究了d s c d m a 卫星通信系统的伪码捕获技术，分析了多普勒频移对捕 获的影响，介绍了适用于小卫星通信的捕获方法反复循环累加环路捕获法。 第五章研究了c d m a 系统的地址码扩充方案。在对c d m a 系统的地址码和常见伪随机 序列进行了简单介绍的基础上，提出了基于m 序列、g o l d 序列的三种扩址方案，为今后c d m a 系统中的地址码的扩充提供了理论依据。 3 南京邮j 乜人学烦l j 研究生学位论文第一二章c d m a 链路性能的分析 第二章c d m a 链路性能的分析 2 1 引言 卫星移动通信由于具有覆盖面广、通信距离远、通信频带宽、传输容量大、适用于多种 业务传输、可进行多址通信、传输质量高等一系列的突出特点而成为现代军用和民用通信 中的重要手段。而卫星通信属于空间通信范畴，信号传输距离长，同时由于信号传播时受到 多径和遮蔽效应等因素的影响，使得卫星移动通信信道具有时变特性，从而直接影响卫星移 动通信系统所能提供的业务的质量和可靠性。 信道的传播特性是一个必须研究和解决的首要问题，由于在实际的卫星移动通信过程中， 用户与卫星之间存在着相对位移、多径效应和阴影遮蔽等因素的影响，使得卫星移动通信信 道具有复杂的时变特性，从而引起信号电平的深度衰落和码间串扰，导致接收端的误码率增 大，使通信质量恶化甚至使通信中断。尽管研究信道传播特性对卫星移动通信系统可靠性和 有效性影响的最好办法是在实际的通信环境下对信道进行测试和分析，但由于各种现实条件 的限制要随时随地的对实际的卫星移动通信信道进行测试常常是不可能实现的。所以为了能 够很好反映卫星移动通信信道传播特性的模型，通常使用的解决方法是使用信道传播特性分 析模型。 目前，在对卫星移动通信信道的传播特性的研究中有3 类分析模型被用来描述卫星移动 通信信道的传播特性，即：经验模型、几何分析模型、概率分布模型。其中，经验模型可以 描述出对重要参数的敏感度，但不能揭示传播过程的物理本质：几何分析模型采用几何分析 的方法，能预测单个或多个散射源的作用，解释衰落机制，但需将结果进行扩展且分析过程 比较复杂；国内外通常采用概率分布模型来分析和研究卫星移动通信信道传播特性，这是因 为概率模型通过利用概率分布函数来建立对传播过程的理解，对实际情况作了简化假设，其 物理意义比较直观分析过程比较简单仿真实现。概率分布模型建立了对传播过程的理解。其 分析过程比较简单，物理意义比较直观。因此，在对卫星移动通信信道传播特性的研究中， 通常采用概率分布模型来研究信道的传播特性。 在卫星移动通信中，通常使用的多址技术【3 j 【4 】有f d m a 、t d m a 和c d m a 等几种方式。 与传统的点对点定向传输的卫星通信不同，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址干扰能力。c d m a 体制下的卫星移动通信系统具有组网相对简单、 灵活、抗干扰能力强、系统容量潜力大、成本低等一系列优点。由于卫星c d m a 通信系统中 4 南京邮i u 人学硕f ：研究生学位论文第二币c d m a 链路十牛能的分析 的链路性能对进步分析系统容量、服务质量保证以及无线资源管理等具有较大参考价值， 本章在国内外有关移动卫星通信信道的代表性文献的基础上，建立了卫星移动通信信道模型， 对理想状态下的系统模型的性能进行了仿真分析，接着参考i s 一9 5 模型【i 引，对不同卫星仰角 下的c d m a 卫星通信系统的前向下行链路和反向上行链路的链路性能进行仿真分析。以期与 真实的卫星移动通信系统接近。 2 2 常用经典卫星移动通信信道模型 信道模型是为了能够较准确地跟踪和反映信道特性。国内外通常采用概率模型来分析和 研究卫星移动通信信道传播特性的，这是因为通过利用概率分布函数来建立对传播过程的理 解，其物理意义比较直观、分析过程比较简单、仿真实现都比较容易。目前，在国内外研究 中常用的卫星移动通信信道传播特性的概率分布模型有：l u t z 模型【5 1 、c l o o 模型【6 1 和c o r a z z a 模型【7 1 。它们常用于选择高效的调制解调方式、多址访问方式、信道编码方式和预测接收端 的误码率。这些模型建立的区别主要在于对阴影作用的不同处理方法，下面将详细讨论这几 种模型。 2 2 1l u t z 模型 l u t z 模型根据接收信号中直射信号分量的存在与否，将卫星与地面终端之间的信道环境 分为两种状态“好状态和“坏状态”，并根据地理环境的状态及受遮蔽的程度在这两种状 态z l s j 不停切换，从而模拟实时环境，故适用于所有的卫星移动通信信道环境( 公路、乡村、 郊区和城市) 5 1 。在“好状态 的信道中，假定l o s 分量和多径分量不存在阴影遮蔽效应， 此时接收信号的包络：服从尉c i a n 分布，其概率密度函数 ，一一c 加毒e 即c 一等，厶( 睾) c 2 山 令s 为接收信号的功率，即s = ，2 ，那么j 的概率密度函数 ，一加z ( 以) j _ 击e 卅等，厶f ，坐 1 2 p 2 ， 为了分析方便，将黜c i a i l 因子k 归一化( 即令z ：1 ) 为c2 瓦1 了，那么在“好状态下接收 信号功率s 的归一化概率密度函数为 l - r i c t a n ( s ) = ce x p 一c ( 州) 厶( 2 f 石)( 2 - 3 ) 南京邮i b 人学颀j j 研究生学位论义 第二荦c d m a 链蹈阵能的分析 s 的归化n 阶原点矩为 易s ”) = e ( r 2 n ) = c - n e x p ( 一c ) r ( 1 + 疗) 。f j ( 1 + n ；1 ；c ) ，胛l ( 2 4 ) 在无遮蔽“好状态”条件下的总平均接收功率 e h 无阴影 = 1 + 1 c ( 2 5 ) 在矗坏状念”的信道中，假设接收信号的完全没有l o s 分量，只有多径分量，而且还要 受到阴影遮蔽的作用，故其包络r 服从r a y l e i g h l o g n o r m a l 分布。在阴影遮蔽一定的条件下， 包络r 服从r a y l e i g h 分布，其概率密度函数为 f r a y l ( ，i 阴影一定) = i re x p ( 一2 r _ 霹l ) ( 2 6 ) 令s 为接收信号的功率，s 。为短时平均接收功率，则有s = ，2 ，s 。= 呸2 又因为“阴影一定” 等效于“s 。不变”。所以在阴影遮蔽一定的条件下，s 的概率密度函数为 州，一膨一定) = z ( j l 而) = z ( 石i ) 。丽12 去唧s j ( 2 _ 7 ) s 。受到阴影遮蔽的作用，服从l o g n o r m a l 分布，其概率密度函数为 厶( s 。) = l o1 ( 一逝2 掣o - 8 ， i 2 j 卜叫 所以在“坏状态”下接收信号的功率s 的概率密度函数为 f s r a y ll n ( s ) = j c o z ( j l & 阢( ) 如 = 杀1 0 r + e x 忙唑乒卜 q 力 s 的n 阶原点矩为 一删( 州1 。睁粼 2 ( 2 - 1 0 ) 为了反映在通信过程中用户所处的信道状态时好时坏，则令为阴影遮蔽的时间百分比， 则由公式和可得出总的接收信号的功率的概率密度函数为 z ( s ) = ( 1 一彳) f sr i d s ) + a f sr 掣| 一l n ( s ) ( 2 一ii ) 式( 2 1 1 ) 视为模型的理论公式。总的接收信号的功率的阶原点矩为 s 。 = ( 1 一彳) c 叮( ) 。聃州；c ) 胁f l o 睁判胡( 2 1 2 ) 6 南京邮l 乜人学硕l ：研究生学位论文 第二幸c d m a 链路性能的分析 2 2 2c l o o 模型 该模型又称为部分阴影模型，与l u z z 信道的两种极端状态的假设不同，c l o o 假设阴影遮 蔽只作用接收信号l o s 分量而不影响纯多径分量，故适用于乡村、旷野等较为开阔的量占主 要成分的信道环埘6 1 。在此，接收信号可表示为 ，i ( ，) = z ( ，) s ( f ) + 孑( ，) ( 2 一l3 ) 其中，r ( t ) 表示接收信号，z ( t ) 表示直射波信号，d ( f ) 表示纯多径信号，s ( t ) 表示阴影衰 落。 在直射信号分量的幅度z 暂时保持不变的条件下，接收信号的包络服从r i c i a n 分布，即 晰皆rp _ 掣旧 亿 其中，6 0 是平均散射多径功率，z o ( ) 是第一类零阶修f 贝塞函数。 由于受到阴影遮蔽的作用，直射信号分量的幅度z 服从l o g n o r m a l 分布，即 觯，= 壶e x p 一警 p m 式中，a 和d o 分别是i nz 的均值和方差。由式( 2 - 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 全概率公式可以得到接收信 号的包络r 概率密度函数为 ，( ，) = f ，( ，1 z ) 正( z ) 出 = 赢脚 - 掣一掣胪 q 1 6 式( 2 1 6 ) 可视为模型的理论公式。 接收信号的包络的残余累积概率分布函数为 g ( ，) = p ( ， 尺) = e ，( ，) d r = 1 一r ，( ，- ) d r ( 2 - 1 7 ) 式( 2 一1 7 ) 中，r 为某一确定的值。 c 。l o o 模型用直升机模拟卫星，在乡村非经常性轻阴影和经常性重阴影坏境中通过仰角为 1 5 。时的实测数据得出该模型的参数，如表2 1 所示。 表2 - 1c l o o 模型的参数 环境 l o l 0 9 1 0 x d o1 0 l o g ，o 扛1 0 l 0 9 1 q 、3 d b 非经常性轻阴影 0 50 58 7 3 510 7 01 2 i 经常性轻阴影li 一 i 信号的平均电平通过率l c r ( 1 e v e lc r o s s i n gr a t e ) 为 = 厨硒等糯小) ( 2 - 1 8 ) 信号的平均电平衰落时间a f d ( a v e r a g ef a d ed u r a t i o n ) 为 = 志r ，( r ) d r ( 2 - 1 9 ) 2 2 3o o r a z z a 模型 c o r a z z a 模型又称为全阴影模型，它假设接收信号中的l o s 分量和多径信号分量都受到了 阴影遮蔽的作用。这样的假设和实际情况较为相符，因此该模型适用于所有的卫星移动通信 信道环境( 旷野开阔地、郊区和城市) 【7 】。该模型是一个单一模型，将r i c e j 睦程, 和l o g n o r m a l 过程综合考虑。原理上，通过调整模型参数，该模型可适用于各种环境，包括l e o 和m e o 信 道。该模型可以预测非同步轨道系统的性能，在很宽的范围内与实测数据吻合，其模型参数 用经验公式给出。 这一假设下的接收信号，( f ) 可表示为 ，( f ) = z ( f ) + d ( 伽5 ( f ) = r ( ，) 了( f ) ( 2 2 0 ) 式( 2 2 0 ) q b ，( ，) 是接收到的信号，z ( f ) 是直射波分量，d ( f ) 是多径分量，s ( t ) 表示阴影 衰落。 在实际信道中，r ( f ) 反映了信道的快衰落特征，5 ( ，) 反映的是则阴影慢衰落效应，它们 是两个相互独立的随机过程。根据随机过程理论，可以用厶( f ) 和z ( f ) 来表示接收信号包络， 的概率密度函数。 接收信号的包络，的概率密度函数可表示为： 肌) = f ( ；) 肌) 凼 ( 2 2 - ) 则由全概率公式可得接收信号包络，的概率密度函数为： ，( ，) = f z ( ，卜阢( s ) 出 ( 2 2 2 ) 而震( ) 服从r i c i a n 分布的，所以可知； 8 南京邮i 乜人学硕【j 研究生学位论文 第一二章c d m a 链路。降能的分析 斛) = 喜厶( ；) = 寿e 冲( - 南一番m 蚤 p 2 3 ， 其中，k 是直射分量与杂散分量的功率比，即莱斯因子( 砒c i a l lf a c t o r ) 忌= 砉，所以 川：掣 p 2 4 ， 令z 2 + 2 0 a 2 = 1 ，即对总的接收功率进行归一化处理，男l v z , = k - i - 1( 2 - 2 5 ) 2 t r a 2 、。7 肿= 竽e 坤 _ 学州挈2 r x k ( k + 1 ) p 2 6 ， s ( t ) 是阴影衰落，服从l o g n o 咖a 1 分布，其概率密度函数 坤，= 丽1 e x p - 噼 协2 7 ， 式中，h = l n l o 2 0 ，和仃分别为l n s 的均值和方差。由上述讨论可以得到接收信号包 a _ r a y ll n ( j ) = f z ( j i 阢( ) 氐 ：等 ( 2 2 8 ) = ；= i z z 6 l 盯i n l o 2 刀 f 扣h 掣卜 式( 2 2 8 ) 可视为c o r a z z a 模型的理论公式。 若令r = r s ，则有 ，( ，) = j i o 厶( ，1 s ) z ( s ) 西( 2 - 2 9 ) 紫2 ( k + l 刚) r e x p 兰- k - 班( 1 + k ) r ： 1 0 ( 2 r 4 卿k ( k + 1 ) 亿3 。， = 2 i() 从式中( 2 3 0 ) 可以看出，五( r ) 的表达式与s 无关，r 与s 相互独立。这样接收信号i 塑皇坚! ! 叁兰堡! ：型! 塑兰兰垡堡兰笙= 三童兰里竺垒壁堕堡堂堕坌塑 模型的优点之一，它将多径衰落和阴影效应的作用分离丌来，方便研究和讨论。 根据式( 2 3 0 ) 可以看出，当仃专0 时，信道衰落变成莱斯衰落，只( 曲- , o 玎s 一矿) ：当k 寸o o 且o r 0 时，信道衰落就变成对数正态衰落。当k 寸0 0 且盯= 0 时，信道无衰落。由此可见， 适当调节k ，u ，仃的取值，就可以得到各种常见传输环境下的信道模型。 c o r a z z a 根掘e s a ( e u r o p e a ns p a c e a g e n c y ) 在乡村环境下对l 波段的信号进行测量而得的 数据，在最小误差平方和准则下采用最d , - 乘曲线拟合，得到在乡村有阴影遮蔽的环境下、 卫星仰角口l2 0 9 ，8 0 。l 之间的模型参数k ，叮的拟合公式 k ( 口) = 岛+ 毛口+ 毛口2 ( 口) = 心+ “饼+ 2 t 1 2 - i - , d , 3 a 3 ( 2 3 1 ) 仃( 口) = o o + q 口 表2 - 2c o r a z z a 模型的参数 k盯 5 2 7 3 1, u 0 2 - 2 3 3 12 4 5 墨一1 0 7 4 1 0 1“= 1 。1 4 2 1 0 。1呸2 - 0 。0 5 k 2 = 2 7 7 4 1 0 3, g 2 1 9 3 9 1 0 。3 鸬= 1 0 9 4 1 0 5 图2 1 分别是模型参数k ，仃关于卫星仰角口的拟合公式曲线。 y 蠢 剥 辎 卫星仰角 ( a ) 莱斯因子k 的拟合曲线 l o 南京邮l u 人学坝i j 研究生学位论义 第二章c d m a 链路件能的分析 b 鬈 副 辎 卫星仰角 ( b ) l n s 的均值肛的拟合曲线 卫星仰角。 ( c ) i n j 的方差o r 的拟合曲线 图2 1 模型参数k ，仃关于卫星仰角口的拟合公式曲线 从图中可以看出：随着口的增大，k 值越来越大，而盯却越来越小，也就是既，随着口的 增大，阴影作用越来越小，该模型的分和趋于莱斯分布。 图2 2c o r a z z a 模型中概率分布函数的组合示意图 南京邮i u 人学颁 j j f 究生学位论文 第二章c d m a 链路性能的分析 2 3 卫星移动信道模型的搭建及仿真 由于c o r a z z a 模型适用于所有的卫星移动通信信道环境( 旷野丌阔地、郊区和城市) ， 所以我们将本文研究的卫星c d m a 通信系统的相关技术建立在该信道模型上。c o r a z z a 模型 假设接收信号中的l o s 分量和多径信号分量都受到了阴影遮蔽的作用。 2 3 1 卫星移动信道模型的建立 根据上一节讨论，我们很容易搭建低轨移动信道c o r a z z a 模型，如下图2 3 所示 一一土一一一 均值为零方差为 1 ( 2 k + 2 ) 的复高斯过 程 ， 一 i j h 。 l 一 常数焉i 图2 3 低轨移动卫星信道c o r a z z a 模型仿真流稃图 2 3 2 卫星移动信道模型的计算机仿真以及结果分析 我们对仰角口= 2 0 。，阴影衰落的衰落率六= 3 h z 、莱斯衰落的衰落率厶= 1 5 0 h z 的低轨移 动卫星信道的乘性干扰因子f ( t ) 进行了计算机仿真研究，画出抽样后前2 s 内的包络时问波形， 如图2 - 4 所示。 1 2 南京邮i u 人学颂i j 研究生学位论义 第一二章c d m a 链路忡能的分析 乘| 生干扰因子f ( t ) 的包络时间波形固 图2 4 乘性干扰因子f ( t ) 包络时间波形图 c o r a z z a 信道模型中，在多径衰落和阴影效应的作用下，相当于引人一个乘性干扰因子， 它使信号幅度产生了4 d b 左右的衰减。 另外，我们对抽样信号进行快速傅里叶变换( f f t ) ，滤除直流以及部分低频分量之后，可 得其包络频谱特性如图2 5 所示。 图2 - 5c o r a z z a 信道模型包络频谱特性 从图2 5 中可以看出，从频域上看，抽样信号产生了频率弥散，带宽从几到几百赫兹。 南京邮i u 人学硕l j 研究生学位论义 第，二章c d m a 链路件能的分析 2 4 卫星c d m a 链路性能仿真结果及分析 2 4 1 理想状态的c d m a 链路性能仿真 首先我们通过建立理想d s - c d m a 系统，利用上述建立的信道模型，研究理想状态下d s c d m a 系统的下行链路的误码性能。 引蒙惮h 摹。j ) j 厂 、 一 、 一 j 一 一 高 e 干扰斯 ( t )白 噪 驴 p j n l 码 型，0 2 图2 - 6 理想d s - c d m a 系统下行链路仿真模型 第一步，我们考虑单个用户( n = 1 ) 的情况，乘性干扰因子f ( t ) = l ，接收信号仅受到加性高斯 白噪声的影响，改变信噪i ：l c n 的大小，研究误码性能。可得到误码率与信噪比的关系曲线如 下图2 7 ： ill ；| 弋! ii 誉。 ix i |x ii i | 。、 ； 弋 ；、 e l 们q oc d b ) 图2 - 7 高斯白噪声条件下，d s c d m a 系统下行链路误码率 1 羽2 - 7 表明，在d s c d m a 方式下，信号对抗外来干扰和噪声的能力较强，在c n d 于8 d b 时， 1 4 南京邮i 【i 人学硕，i i j f ：j t 生学位论文第- 二帝c d m a 链路性能的分析 误码性能迅速恶化。在实际系统中，加性噪声和干扰对接收机性能影响一般较小。 第二步，我们仍考虑单个用户情况，引人乘性干扰( 即厂( f ) 1 ) ，改变卫星角度口2 3 0 6 4 0 。、5 0 。、6 0 。、7 0 。和8 0 。的情况。画出误码率曲线如下图2 8 。 _ 一3 0 。 1 】一4 0 。 一t - 5 0 。 毒蠹基：二! 一6 0 。 t 鼙蠡蔷、 一o 7 0 。 、躐：h 、 、它亡一、 、 豫n 、 弋媾j 瓣? 兰 鼍 ： t _ 镰、，t _ 心；一 | 善 、l | k 、 i 乒9 删4c a 辫， 图2 8 引入乘性干扰时，理想状态的d s - c d m a 系统的下行链路性能 由图可以看出，由信道衰落产生的乘性干扰对接收机性能的影响则取决于卫星仰角，仰 角越大则误码越小。当仰角较小( 女h a = 3 0 。) 时，接收机误码率比无信道衰落的情况要高一个 数量级。 第三步，令c n = 8 d b ，改变用户数，给出用户数和误码率的关系曲线如下图2 9 所示。 图2 9 理想状态下，c d m a 系统用户数与误码率的关系图 南京邮l u 人学顺i 研究生学位论文 第一：皋c d m a 链路忡能的分析 图2 9 结果显示，用户数是影响接收机性能的重要因素，在多用户条件下，接收机的误码 率比单一用户大约要增加一个数量级。用户数( 或称多址干扰) 对误码影响较大。 2 4 2 基于is 一9 5 的c d m a 链路的性能仿真 图2 1 0 给出了基于i s 一9 5 系统1 1 2 】1 1 3 i 拘c d m a 链路的仿真框图。 帧恢复卜一 维 _。 - q p 游凋 l 。一 i 。lj i ! 1 分，柏 _ - i i ；, i l , 4 z p j jf _ 图2 1 0 系统仿真框图 图2 1 l 和图2 1 2 给出在不同卫星仰角下的前向和反向链路性能。 比 山 图2 一1 1 不同卫星仰角下的前向链路性能曲线 1 6 赢一 一 南京邮i i ：1 人学硕卜研究生学位论义 第二章c o m a 链路性能的分析 图2 1 2 不同卫星仰角下的反向链路性能曲线 由图2 1 l 和图2 1 2 ，我们可以得到无论是前向链路还是反向链路，仰角越高，直射分量逐 渐起主导作用，阴影效应和多径效应减弱，链路性能越好，相同b e r 要求下所需的e b n 0 越小。 2 5 本章小结 为了研究卫星移动通信信道传播特性对c d m a 体制下卫星移动通信系统所能提供的业务 的质量和可靠性的影响，最好的办法是在实际的通信环境下对信道进行测试和分析，但对于 信道传输特性随着时间和地点而不停随机变化的卫星通信系统而言，测试常常是不可能实现 的。能够很好反映卫星移动通信信道传播特性的统计概率模型是通常使用的办法。本章主要 研究了c d m a 体制下卫星通信系统的链路性能。首先，对常用的经典卫星移动通信信道模型 中进行了分析，在此基础上，建立了卫星移动通信信道模型，然后搭建了c d m a 卫星通信系 统链路性能仿真平台。在对卫星c d m a 链路的仿真研究中，我们首先对理想状态的d s c d m a 系统的下行链路进行了一系列仿真，得出了外来噪声和干扰不是影响误码的主要原因，而用 户数( 即多址干扰) 和信道固有的衰落特性则对误码影响较大的结论。接着我们根据i s 9 5 系统 模型，给出了c d m a 卫星系统的前向链路和反向链路在不同卫星仰角下的链路性能仿真结果。 另外，本章卫星移动通信信道模型的研究为下面章节研究分集和同步等技术的提供了基础。 1 7 南京邮i 也人学颂i ：研究生学位论义第三章c d m a 低轨i ! 星通f 吉中的窄时发射分集披术 第三章c d m a 低轨卫星通信中的空时发射分集技术 3 1 引言 在c d m a 低轨卫星通信中存在阴影遮蔽和多径衰落，信号经过阴影遮蔽和多径衰落的信 道，通信性能严重下降甚至不能接收和检测，分集是补偿信道衰落的一种有效方式，由于无 需增加发射功率或带宽，分集技术能以较低的成本改善无线通信的性能 m 1 【姗。一般来说，无 线通信系统往往采用时间、频率和空间等多种分集技术来对抗时变多径衰落i 】。然而卫星信 道由于相干带宽大，无法提供很好的频率分集。因此，近年来在卫星通用移动电信系统 ( s - u m t s ) 中从覆盖参考蜂窝的两个或多个卫星上同时发射以实现空间发射分集的方案引起 了广泛的关注。欧洲电讯标准协会( e a s i ) 于2 0 0 0 年底提出了第1 个s u m t s 技术规范i m 】。其 中，提高容量和低复杂度移动终端是两个尚待解决的关键技术。在后3 g 移动通信和未来卫 星通信中，基于多路输入多路输出( m i m o ) 和空时码 l s l 结合的发射分集技术将具有重要意义。 本章主要研究了在多卫星条件下，c d m a 低轨卫星通信中的空时发射分集技术。为了改善基 本发射分集方案的性能，利用信道编码来获得额外时间分集，我们采用了外部卷积编码器与 空时编码器级联的编码方法，并对编码系统的性能与未编码系统的各项性能进行了仿真比较。 3 2 分集接收 分集是对抗信道衰落的有效方法，分集技术( d i v e r s i t yt e c h n i q u e s ) 就是研究如何利用多径 信号来改善系统的性能。分集接收技术利用多条传输相同信息、且具有近似相等的平均信号 强度和相互独立衰落特性的信号路径，并在接收端对这些信号进行适当的合并( c o m b i n i n g ) ， 以便大大降低多径衰落的影响，从而改善传输的可靠性。即若每一路信号衰落到阂值以下的 概率为p ，那么l 路信号同时衰落到阂值以下的概率就为p 。将多路信号采用一定的准则合 并后，接收机的瞬时信噪比和平均信噪比可以得到很大改善。这些拷贝可以通过在同一天线 中通过不同的时f b j f b j 隔、频率、天线的极化或者是不同的天线来实现，以这些方式便得到时 间分集、频率分集、极化分集、空间分集等不同的分集方式【1 6 l 。 3 2 1 分集接收的分类 ( 1 ) 空间分集 空间分集1 1 6 】也被称为天线分集，是无线通信中使用最多的分集形式，作为- 种成熟的抗 1 8 南京邮il 1 人学坝l ? 研究生学位论义 第三章c d m a 低轨l i 星通f 弃中的守时发自t 分集技术 衰落技术以应用于第二代蜂窝系统( 如g s m ) 的上行链路。它是指在接收端利用两个或多个 空间上分立的天线，以获得同一发射信号的多个拷贝。 空间分集的基本结构为：发端一副天线发送，收端n 部天线接收，如图3 1 ： 1分集接收 基自6 图3 - 1 空间分集示意图 一般来说，分集天线数n 越大，分集效果越好，但是工程上在性能与复杂性间作一折中， 一般取n = 2 4 。 空间分集中由于接收端有n 副天线，若n 副天线尺寸、增益相同，则空间分集除了可获 得抗衰落的分集增益以外，还可获得每副天线3 d b 的设备增益。 空间分集还有两类变化形式： 1 ) 极化分集：它利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号，可呈现出不 相关的衰落特性进行分集接收，即在收发端天线上安装水平与垂直极化天线，就可以把得到 的两路衰落特性不相关的信号进行极化分集。其优点是：结构紧凑、节省空间；缺点是：由 于发射功率要分配到两副天线上，因此有3 d b 损失。 2 ) 角度分集：由于地形、地貌和建筑物等接收环境的不同，使到达接收端的不同路径信 号可能来自不同的方向，这样在接收端可采用方向性天线，分别指向不同的到达方向。而每 个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。 ( 2 ) 时间分集【1 6 】 时间分集是利用随机衰落的信号，如果取样时间问隔足够大，两个样点l 白j 的衰落是互不 相关的特点，重复发送信号产生分集效果。在时间分集中，待发送的信号将每隔一定时间