（通信与信息系统专业论文）cdma卫星移动通信系统的多用户检测研究.pdf

南京i h g i 乜学院顾：l 学位论文 摘要 摘要 c d m p 是第三代移动通信系统的关键技术，也是现代卫星移动通信中的关键 技术，而多用户检测是c d c a 系统中抗干扰的关键技术。实际c d ) l i a 系统中多址干 扰( d a i ) 是主要的干扰来源。 多用户检测技术在传统检测技术的基础之上，充分利用造成m a i 干扰的所有 用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了 远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，从而可以更有效地利用频谱 资源，显著提高系统容量。 本文主要研究非线性调制c d m a 系统中的多用户检测技术，首先介绍了卫星 移动通信系统的概念以及c d m a 技术在卫星移动通信系统中的应用。第二章介绍 了二元调制的c d m a 系统中的多用户检测技术的基本概念以及常用算法，研究了 最优检测、解相关多用户检测以及删s e 多用户检测的性能，并介绍了一种非线 性多用户检测方法，即干扰对消多用户检测。第三章提出了多元调制的c d 姒系 统的概念及系统模型，并研究了多元调制c d m a 系统中的几种常用多用户检测方 法。最后本工：提出了一种应用于卫星移动通信系统中的新型的盲自适应解相关多 用户检测技术，通过数值分析表明，该算法同已有的同类型自适应多用户检测相 比具有更好的性能。 查皇业生兰堕堡圭堂生堡兰 垒壁翌坠! ! a b s t r a c t c d m ai so n eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e s f o rt h et h i r d g e n e r a t i o n m o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ，a sf a ra st h em o d e m s a t e l l i t em o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ，a n dt h e m u r i - u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) i st h em o s ti m p o r t a n ta n t i i n t e r f e r e n c et e c h n o l o g yf o r c d m a s y s t e m s ，b e c a u s ei nt h ep r a c t i c a lc d m as y s t e m sm o s to f t h ei n t e r f e r e n c e c o m e sf r o mm u l t i - a c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) b a s e do nt h et r a d i t i o n a ld e t e c t i o nt e c h n o l o g y , m u dm a k e sg r e a tu s eo ft h e i n f o r m a t i o no fa l lt h ei n t e r f e r i n gu s e r sw h o p r o d u c em a i ，s oi t i so ft h ea b i l i t yo f a n t i - i n t e r f e r e n c ea n dc a ns o l v et h en e a r - f a re f f e c t ，s ot h a ti tc a nm a k et h ew h o l e s y s t e m u s et h ef r e q u e n c ym o r e e f f e c t i v e l ya n di m p r o v et h es y s t e m sc a p a c i t y i nt h i sd i s s e r t a t i o nw em a i n l yc o n s i d e rt h em u di nt h en o n l i n e a rc d m a s y s t e m s ，a tf i r s tw ei n t r o d u c et h es a t e l l i t em o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o na n dt h eu s eo f t h ec d m a ，t h e nt h em u d t h e o r yo ft h eb i n a r ym o d u l a t i o nc d m a i ss t u d i e d ，a f t e r t h a tw ei n t r o d u c et h ec o n c e p t i o - 1o fn o n l i n e a rc d m aa n ds t u d ys o m eo ft h et y p i c a l m u d t e c h n i q u e si ni t a tl a s tw ep r o p o s e dan e wb l i n da d a p t i v em u d u s e di nt h e s a t e l l i t em o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ，a n db ys i m u l a t i o n sw ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o n t h a tt h en e wm u dc a n g r e a t l yi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m 南京邮电学院学位论文独创性声明 y ，6 2 8 8 二6 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 含为获得南京邮电学院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：幺羹睦箍日期：型! 鲤鞋! 口 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 他复制手段保存论文。本人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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：避铷魏拖丝给期：兰兰丝 堕皇! ! ! ! ! ! ! 兰堕竺圭兰垡笙兰一j 苎二童! i 鱼 第一章绪论 1 1 第三代移动通信系统 移动通信飞速发展，新的系统和标准不断出现，移动用户的数量快速增长。 移动通信起源于上个世纪2 0 年代，最早的移动通信系统是美国警察部门使用的 车载无线电通信系统。上个世纪4 0 年代美国开始建立公众移动通信系统。最初 的移动通信系统采用大区制，每个城市只有一部收发信机和相应的天线，因此系 统的容量很小，只能给少数用户同时提供移动话音业务。上世纪7 0 年代蜂窝移 动通信系统开始出现，是美国贝尔公司研发的模拟制的先进移动电话系统a v i p s 。 8 0 年代数字蜂窝移动通信系统开始发展，欧洲制定了泛欧数字移动通信系统g s m 标准，采用该标准的数字移动通信系统在9 1 年开始投入商业运营，目前在全世 界有很多国家的运营商采用g s m 移动通信系统。美国于1 9 9 0 年批准通过了数字 移动通信系统标准i s 一5 4 ，匕就是数字的a m p s ( d - a p m s ) 。1 9 9 3 年美国又通过了 采用码分多址技术的标准i s 一9 j 。采用i s 一9 j 标准的数字移动通信系统先后在香 港、韩国、美国和中国等国家和地区投入商业运营，目前为规模仅次于g s m 的数 字移动通信系统。日本也在1 9 9 3 年通过了个人数字蜂窝通信系统p d c 。 所谓第一代移动通信系统，是采用频分多址( f d m a ) 方式的模拟蜂窝系统， 它的缺点是容量小，不能满足飞速发展的移动通信业务的需求。 第二代移动通信系统是采用时分多址( t d 凇) 或码分多址( c d 姒) 为主的数 字蜂窝系统，它的容量和功能都比模拟蜂窝系统有了很大的提高。但是其业务种 类主要限于话音和低速数据。随着对通信业务种类和数量需求的剧增，人们已不 再满足于第二代移动通信系统所能提供的业务和容量。 移动通信的最终目标是实现任何人，可以在任何地点、任何时| 日j 与其它任何 人进行任何方式的无线电通信。它是实现未来理想的个人通信服务的必由之路。 移动通信技术的发展趋势是；网络业务数据化与分组化、网络技术宽带化、网络 技术智能化、向更高频段发展、频谱的有效利用、各种网络趋于融合。目前移 动通信系统已经从第一代发展到了第二代，很快将进入到第三代。 国际电信联盟( i l u ，简称国际电联) 早在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 系统的概念，当时称为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，后来在1 9 9 6 年改 为i m t 一2 0 0 0 。国际电联还在1 9 9 2 年世界行政无线电大会( w a r c 一9 2 ) 上为i m t 一2 0 0 0 分配了共2 3 0 m h z 带宽的频谱，上行频段为1 8 8 5 2 0 2 5 m h z ，下行频段为 2 11 0 2 2 0 0 m h z 。其中1 9 8 0 - 2 0 1 0 m h z 和2 1 7 0 2 2 0 0 m h z 用于卫星移动业务。 第三代移动通信系统( i m t 一2 0 0 0 ) 主要目标是要将包括卫星通信系统在内的 所有网络融合为可以替代众多网络功能的统一系统。其目的在于形成全球统一的 频率、统一的标准、实现全球漫游和提供多业务的服务。i l t 一2 0 0 0 主要有三个 特点，即全球化、综合化和个人化。 1 全球化：i m t 一2 0 0 0 是一个全球性的系统，各个地区多种系统组成了一个 m t 一2 0 0 0 家庭，各个系统间设计上有高度的互通性，能够提供全球漫游。 与固定网的业务可以兼容。 2 综合化：提供多种业务，特别是宽带多媒体业务。有能力容纳新类型的 业务。 3 个人化：全球唯一的个人电信号码，足够的系统容量，高保密性，高服 务重量。 第三代移动通信系统可支持的速率为： 1 ) 室内静止环境，最高速率达2 m b i t s ： 2 ) 室外到室内或步行移动环境，最高速率达3 8 4 k b i t s ； 3 ) 快速移动环境最高速率达1 4 4 k b i t s ： 4 ) 卫星移动环境，最高速率达9 6 k b i t s 。 第三代移动通信系统的引入将经历一个渐进的过程，并充分考虑向后发展兼 容的原则。第三代与第二代移动通信系统将在较长时问内处于共存状态。目前已 有同本和韩国的运营商提供第三代移动通信系统业务。 第三代移动通信系统，最终将是一个提供全球无缝覆盖并能实现全球漫游通 信的系统。卫星移动通信系统，虽然只是地面蜂窝移动通信系统和地面固定网的 补充和延伸，而且用户数量远比后者的量少，但它却是实现无通信盲区，全面覆 盖地域、空域、海域，达到全球无缝覆盖的关键手段。因此，为了真正实现全球 通信，卫星通信系统是第三代移动通信系统不可替代的重要组成部分。 对于卫星移动通信系统而言，与地面移动通信系统的互通是非常重要的，与 塑塞些! ! 兰堕堕主兰些丝兰一翌二蔓l ! i 堡 地面移动通信系统的兼容性好，有利于节省成本，减少经费投入，提高系统的通 信容量和效率，真正实现全球的无缝覆盖。 1 2 卫星移动通信系统介绍 随着社会的进步和经济的发展，人们对移动通信的要求越来越高，个人通信 系统( p c s ) 的提出了就反映了这种愿望。就移动通信而言，单纯依靠地面蜂窝 移动通信系统已显得不够。因为，要实现移动通信，除了要移动通信终端，还需 要基站，基站覆盖区半径通常都小于几十公里，这样，要使移动中的人们能随时 随地得到通信服务，必须建立足够多的基站，而由于经济方面的原因，基站一般 建立在人口稠密业务繁忙的市区，在业务量稀少的农村地区、偏远地区和海岛等 区域一般不可能建立綦站；而且，在沙漠、海洋、湖泊和空中等区域根本不可能 建立基站，因此，地面蜂窝移动通信系统一般只能为城市及其附近地区提供服务。 要解决地面蜂窝系统不能覆盖的区域的移动通信的问题，比较可行的方法就是利 用卫星移动通信系统。 卫星移动通信系统是指提供卫星移动业务( m s s ) 的通信系统，其典型特征 是利用卫星作中继站向用户提供移动业务。所利用的的卫星既可以是对地静止轨 道( g s o ) 的卫星，又可以是非对地静止轨道( n o n - g s o ) 的卫星，例如中等高度地 球轨道( m e o ) 、低高度地球轨道( l e o ) 和高椭圆轨道( h e o ) 卫星等。因此卫星 移动通信实际上是传统的固定卫星通信与移动通信交叉结合的产物。从表现形式 来看，它既是一个提供移动业务的卫星通信系统，又是一个采用卫星作中继站的 移动通信系统。 地面移动系统移动卫星系统 覆盖面移：随着基础通信设施的的部署稳能够迅速和完全地部署覆盖广大地区 定地增长 由于标准不兼容，尚不能全球使用所有全球用户 小的无线电蜂窝，带宽效率高带宽效率低 地面无线链路有足够地链路余量，可以信号的阻挡会使卫星链路性能恶化 南京邮u 学院硕上学位论文 第一章绪论 用来补偿阻挡信号的影响 适用于城市环境适用于广大农村环境 高用户密度、高业务密度小区，性能价低用户密度、有限业务密度的广大地 格比高区，性能价格比高 表1 1 地面和卫星移动通信系统比较 个人通信网( p c n ) 和个人通信业务( p c s ) 的新概念相继被提出，促进了移 动卫星通信的发展。基于地面移动通信的飞速发展及个人通信概念的提出，移动 卫星通信已在通信领域引起强烈反响，并相继提出了许多相同或不相同的系统。 其中比较著名的有m o t o r o l a 公司的i r i d u m ( 铱) 系统、q u a l c o m m 等公司的 g l o b a l s t a r ( 全球星) 系统。t r w 公司的o d y s s e y ( 奥得赛) 系统、t e l e d e s i c 等公司提出的t e l e d e s i c 系统，以及i n m a r s a t 和其他公司联合提出的i c o ( 中 轨道) 系统。移动卫星通信系统尽管多种多样，但若从卫星轨道来看，一般可分 为静止轨道、中轨道以及低轨道三类移动卫星通信系统。 1 ) 静止轨道移动卫星通信系统 利用静止轨道卫星建立的移动卫星通信系统是移动卫星通信系统中最早出 现并投入商用的系统，i n m a r s a t 系统就是一个典型的代表。此后，又相继出现澳 大利亚的m s a t ( m o b i l e s a t ) 系统、北美的m s s 系统，以及亚太地区的a p m t 系统。由于静上轨道高，传输路径长，信号时延和衰减都非常大，所以多用于船 舶、飞机、车辆等移动体，极少考虑到个人通信的需求。事实上，静止轨道系统 对个人通信的实现，也存在着巨大的困难，其中最大的问题就是个人终端问题。 众所周知，个人终端与车载终端的性能参数相差很大，以至于对卫星性能的要求 也相差很大。 值得一提的是，a p m t 系统虽然采用静止轨道卫星，但却期望系统能支持个 人手持机的工作。当然，要实现这一目标，对通信卫星的性能要求就会提高。例 如a p m t 为了支持手持机工作，其星体l 波段的天线直径将为1 3 m 1 6 m 。卫 星性能的提高，意味着投资费用的增加。对于a p m t 的运营商而言，系统的经 济测算、市场调研、效益分析等都是一系列必须予以正视的关键问题。 2 ) 低轨道移动卫星通信系统 4 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 低轨道移动卫星通信系统是8 0 年代后期提出的，也是目前移动卫星通信发 展的一大热点，竞争十分激烈。低轨道系统的轨道很低，一般为5 0 0 k m 2 0 0 0 k m ， 因而信号的路径衰耗极小，信号时延极短，同时还能获得最有效的频率复用。卫 星研制周期短，费用低，能一箭多星发射，实现全球覆盖。因此，低轨道系统一 经提出，立即反响巨大，并提出了许多不同的系统。 1 、i r i d i u m 系统：i r i d i u m 系统是最早提出的低轨道系统，它采用近极地 轨道，轨道高度为7 8 0 k m ，轨道倾角为8 6 4 度。经优化后，整个系统的卫星数 已由原设计的7 7 颗减少到现在的6 6 颗、这些卫星被均匀分布在6 个轨道面上 系统的主要特点是：( 1 ) 有星际电路；( 2 ) 具有星上处理和星上交换功能。这些 特点使性能极为先进，同时也增加了系统的复杂性，提高了成本。i r i d i u m 系统 所需的工作卫星和备用卫星均已陆续发射完毕。除了提供电话业务外，还提供传 真、全球定位( g p s ) 、无线电定位，以及全球寻呼业务。其手机价格较贵。通 信费用较高，因而对市场的开拓极为不利。 2 、 g l o b a l s t a r 系统：g l o b a l s t a r 与i r i d i u m 一样都是低轨道系统，但系统 结构与采用技术却很不同。g l o b a l s t a r 系统设计简单，既没有星际电路，也没有 星上处理和星上交换，仅仅作为地面蜂窝系统的延伸，从而扩大了移动通信系统 的覆盖。因此降低了系统投资，而且也减少了技术风险。g l o b a l s t a r 由4 8 颗卫星 组成，均匀分布在8 个轨道面上。轨道高度为1 3 8 9 k m 。主要特点：( 1 ) 系统设 计简单，可降低卫星成本和通信费用：( 2 ) 移动用户可利用多径和多颗卫星的双 重分集接 叟，提高接收质量；( 3 ) 频谱利用率高；( 4 ) 地面关口站数量较多。 3 、t e l e d e s i c 系统：t e l e d e s i c 是一个着眼于宽带业务发展的低轨道移动卫 星通信系统。系统由8 4 0 颗卫星组成，均匀分布在2 1 个轨道平面二。由于每个 轨道面上另有4 颗备用卫星，实际卫星数为4 4 颗，所以整个系统的卫星数达到 9 2 4 颗。据称，经设计简化后，t e l e d e i s c 系统已将卫星数降至2 8 8 颗。t e l e d e s i c 系统的每颗卫星可提供1 0 万个1 6 k b s 的话音信道，整个系统峰值负荷时，可 提供超出1 0 0 万个同步全双工e 1 速率的连接。因此，该系统不仅可提供高质量 的话音通信，同时还能支持电视会议、交互式多媒体通信，以及实时双向高速数 据通信等宽带通信业务。t e l e d e s i c 系统主要特点：( 1 ) 系统用户终端最小仰角均 大于4 0 度：( 2 ) 采用太阳同步轨道，轨道倾角设计为9 8 2 度：( 3 ) 具有快速分 塑皇! ! ! ! ! 皇兰堕堕：! 兰垡笙苎一一j 三! 蔓! i 鱼 组交换功能，吞吐量高达5 g b s ( 4 ) 具有自适应路由分配能力。 3 ) 中轨道移动卫星通信系统 中轨道移动卫星通信系统也是近几年来提出的，由于它兼有静止轨道和低轨 道的优点，并能克服相应轨道的不足，所以颇具吸引力。比较典型的中轨系统 是i c o 系统和o d y s s e y 系统。二者具有许多相同或相近的性能，如轨道高度、 系统卫星数、用户终端工作仰角等。但由于系统设计不同，仍有许多差别。中轨 系统与静止轨道系统、低轨道系统相比，具有其独特的优点。 1 3 多用户检测的引入 c d m a 最早的标准是由美q u a l c o r n n l 公司提出来的，二十世纪9 0 年代初，高通 公司推出第一套实用化c d m a 商用扩频蜂窝移动电话通信系统，c d m a 以技术和性 能上的明显优势受到人们日益重视。并于1 9 9 3 年美国t i a e i a 正式通过和颁布 了以高通公司c d m a 技术为基础的c d m a 数字蜂窝通信空中接口标准i s - 9 5 ，此 后，c d 、4 a 技术在数字蜂窝移动通信、无线本地环路、卫星移动通信等许多领域得 到广泛的应用。 在第一代卫星移动个人通信中，部分采用了c d m a 技术，如正在运营的卫星 移动通信系统，众多文献探讨了c d i a 技术的应用，包括上下行链路性能、系统 容量、信道编码、网格编码调制、卫星多径、功率控制、软切换等。 c d y l a 系统的成功运行依赖于一些关键技术的实现，如功率控制技术、扩频 码的选择与同步技术等。在c d m a 通信系统中，制约其系统性能的主要因素包括了 c c i ( 同信道干扰) ，i s i ( 码问干扰) 等。c c i 制约着系统的容量，i s i 制约着通信 的速率。对i s i 的抑制可以采用均衡或分集技术。而抑制c o l 需采用多用户检测 m u d ( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ) 技术。c c l 的产生是由于用户之间的相互干扰，也 称为多址干扰( m a i ) 。多址干扰来源包括同小区外的移动台，相邻小区的同频基站 或移动台，或其他无线电通信系统。其中主要的两种干扰，即使用同一组频率的小 区内信号之间的同频干扰和来自相邻小区信号的邻频干扰。c d m a 系统的主要缺 陷就是由多址干扰带来的容量限制。由于用户信号在时间和频谱上是重合的，m a i ( m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e ) 可能出现在任意两个用户之问，所以c d , a 系统 南京邮i u 学院硕土= 学位论文 第一章绪论 是自干扰系统。而干扰强弱决定了系统容量，所以与以前系统最大的不同点在于： c d m a 系统是个干扰受限系统，其容量受到用户间多址干扰的限制。为了保证 系统的性能，必须采取一定的抗多址干扰的方法，传统的多址干扰抑制方法有： 设计正交性优良的签名序列，由于正交序列数量有限，故常采用6 0 l d 序 列作为签名序列，g o l d 序列具有低互相关峰值并且数量也较大。 采用功率控制的方法使所有用户信号的到达功率相等，避免增大某一用 户并降低其他用户信号功率导致其他用户的等效背景噪声增大而相应 地误码率上升。 采用前向纠错f e c 技术，f e c 可以降低达到一定b e r 所需的信噪比，进而 增加系统对m a i 的容忍度。 利用智能天线实现空间分集、小区扇区化以及波束形成。空间分集可以 削弱并利用多径带来的影响，扇区化可以削弱其他扇区用户带来的 m a i ，而波束形成则可以通过在所需信号的方向上形成主瓣而将抑制其 他方向的m a i 。 采用r a k e 接收机，利用r a k e 接收实现时间分集也可带来额外的信噪比， 相当于削弱了m a i 的影响。以上提出的几种方法均未考虑m a i 的结构特 征，因此这些方法可以削弱却不能从根本上消除m a i 。 有别于上述方法的是综合考虑各个用户的信息( 包括签名序列，幅度，相位) 对所有用户的信号进行联合检测的方法，即多用户检测。多用户检测在传统检测 技术的基础上，充分利用造成m a i 干扰的所有用户信号的信息进行检测，从而具 有优良的抗干扰性能，降低了系统对功率控制精度的要求，显著提高系统容量。 是圈际上最新发展起来的一项用以消除多址干扰的技术。 1 4 本文的工作和论文的组织 本文首先介绍卫星移动通信的概况，主要研究了二进制调制的c d m a 系统中 的多用户检测，对二进制调制的c d m a 系统中的多用户检测的方法进行了比较分 析，然后又对非线性调制的c d m a 系统中的多用户检测进行了详尽的分析，主要 包括非相干解相关、m m s e 、决策反馈的多用户检测，并在此基础上提出了一种新 型的应用于卫星移动通信系统中的盲自适应多用户检测技术。本文组织结构如 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 f ： 第一章是绪论，主要介绍了移动通信的发展尤其是卫星移动通信的发展及其 关键技术； 第二章详细地介绍了基于c d m a 的卫星移动通信地概念； 第三章主要介绍高斯白噪声信道( a w g n ) 下的二元调制的c d m a 系统的多用 户检测； 第四章引入非线性调制的c d m a 的概念并详细分析比较了非线性调制的c d m a 系统中的多用户检测技术； 第五章在前面理论的基础上提出了一种应用于卫星移动通信系统中的新型 的盲自适应多用户检测技术。 第六章对全文进行了总结。 南京邮电学院硕i j 学位论文 笫二章卫星移动通信系统介绍 第二章卫星移动通信系统介绍 随着现代通信的发展，卫星通信也将进入个人通信时代，这个时代的最大特 点就是卫星通信终端达到手持化，个人通信实现全球化。个人通信的最终目标是 在任何时间、任何地点可与任何对象( 人或计算机) 互通任何信息( 语言、图像、 文字和数据) 。只有利用卫星通信覆盖全球的特点，通过卫星通信系统与地面通 信系统的结合，才能实现名符其实的全球个人通信。 卫星移动通信系统的最大特点是利用卫星通信的多址传输方式为全球用户 提供大范围、机动灵活的移动通信服务，是陆地蜂窝移动通信系统的扩张和延伸。 2 1 卫星移动通信系统基本概念 2 1 1 卫星通信定义及特点 卫星通信是指利用人造卫星作为中继站转发和反射无线电波，在两个或多个 地球站之间进行的通信。由于作为中继站的卫星处于外层空间，所以卫星通信方 式属于宇宙无线电通信的范畴。通信卫星按其结构可分为有源卫星和无源卫星。 按其运转轨道可分为运动卫星( 非同步卫星) 和静止卫星( 同步卫星) 。目前通 信中应用广泛的是有源静止卫星。静止卫星就是发射到赤道上空的3 5 8 0 0 k m 附近 圆形轨道上的卫星，运行方向与地球自转方向相同，绕地球周时间，即公转周 期为2 4 小时，相对于地球，如同静止。由静止卫星作中继站组称的通信系统成 为静止卫星通信系统和称同步卫星通信系统。 与其他通信方式相比，卫星通信的主要优点是： 1 通信距离远，且费用和通信距离无关； 2 工作频段宽，通信容量大，适用于多种传输业务： 3 通信线路稳定可靠，通信质量高； 4 以广播方式工作，具有大面积覆盖能力，可以实现多址通信和信道的按 需分配，因而通信灵活机动； 5 可以自发自收进行检测。 9 南京邮 u 学院硕：学位论文 第二荦卫星移动通信系统舟绍 卫星通信系统由处在地球上空一定高度的通信卫星及设在地面的地球站( 或 地面终端) 组成。通信卫星通常由星体和通信系统组成，用来接受地球站送来的信 号，并进行处理、交换、放大等，然后再将信号按规定的方向传回地面或其它卫 星系统。依照卫星在地球上空与地球相对位置的不同，分为地球同步轨道通信卫 星( g s o ) 和移动通信卫星( n g s o ) 两类。 2 1 2 卫星移动通信基本概念 卫星移动通信是指利用卫星转接实现移动用户间、或移动用户与固定用户间 的相互通信。为了确保处于地面、空中、海上不同区域的移动用户进行不问断的 通信和较高的系统容量，卫星移动通信系统不仅具有复杂的网络结构，所使用技 术也相当复杂。 卫星移动通信系统的一般构造如下： 1 卫星星座 一个卫星移动通信系统的所有按一定规则分布的卫星构成该系统的卫星星 座。不同卫星移动通信系统的卫星星座结构各异，但他们的作用基本相同，都是 提供地面端各设备收发信号之间的转接或交换处理。 2 网络操作中心 网络操作中心的作用是管理卫星移动通信系统的通信业务。如路由选择表更 新、计费，各链路和节点工作状态的监视等。 3 卫星测控中心 卫星测控中心完成卫星星座的管理，如卫星轨道修j 下，卫星工作状态的故障 诊断等。 4 关口站 作用之是提供卫星移动通信系统和地面固定专用公用网、地面移动通信 网的接口，实现互连。作用之二是控制卫星移动终端接入卫星移动通信系统，并 保障移动终端在通信的过程中通信信号不中断。 5 卫星移动终端 1 0 塑皇苎! ! 兰堕堡主兰垡堡苎 一! 坚主里堡垫望堕墨! i ! ! ! 堡 卫星移动终端是移动用户通过卫星移动通信系统进行移动通信的直接使用 终端。通过这个终端，移动用户可以在移动环境中，如空中、海上、陆上获得语 音或数据等各种服务业务。 2 1 3 卫星移动通信系统的分类 卫星移动通信系统的分类方法有多种，我们这里仅按其应用及所采用的技术 手段来分，见参考文献 4 9 】： 1 按其业务应用可分以下几类： 海事卫星移动通信系统( 埘s s ) ，海事卫星移动系统主要用于改善海上救援 工作，提高船舶使用的效率和管理水平，增强海上通信业务和无线定位能力。 航空卫星移动通信系统( a s s ) ，航空卫星移动系统主要用于飞机和地面之 间为机组人员和乘客提高话音和数据通信。 陆地卫星移动系统( l m s s ) ，陆地卫星移动系统主要用于为行驶的车辆提供 通信。 2 按通信卫星的运行轨道可分为以下几种： 静止轨道卫星移动通信系统，轨道是高达3 6 0 0 0 公里的同步定点轨道，即在 赤道平面内的圆形轨道，卫星的运行周期与地球自转一圈的时间相同，在地面上 看这种卫星好似静止不动，称为同步定点卫星。它的特点是覆盖照射面大，3 颗 卫星就可以覆盖地球的几乎全部面积，可以进行2 4 小时的全天候通信。 中轨道卫星移动通信系统，卫星距地面1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 k m 。 低轨道卫星通信系统，卫星距地面1 0 0 0 k m 左右。 中低轨上运行的卫星相对于地面是运动的。它能够用于通信的时间短，卫星 天线覆盖的区域也小，并且地面天线还必须随时跟踪卫星。 此外，还可以按通信服务地区域以及工作频率等划分。 2 1 4 通信卫星的组成 通信卫星是提供通信业务的一种卫星，首要任务就是完成通信任务。 一颗通信卫星主要包括两大部分：卫星公用舱和有效载荷( 或者叫通信子系 统) 。装载于卫星上的所有用于完成通信任务的仪器、设备和系统等统称为通信 塑皇! ! ! ! ! ! ! 兰堕堡主兰垡堡兰 篓三童里呈壁垫望笪墨! ! ! ! ! 旦 卫星的有效载荷，即真正能对地面应用( 即用户通信) 发挥作用的部分。卫星公 用舱是为了安装、固定有效载荷和服务支持系统及把卫星发射到空间所需要的有 关结构体和辅助设备。其中有效载荷可分为转发器和天线两部分，见参考文献 【4 9 】。 转发器可以采用透明转发器或处理转发器；天线可以是常用的抛物面天线或 相控阵天线。 透明转发器也叫非再生转发器或弯管转发器，它在收到地面发来的信号后， 除了进行低噪声放大、变频及功率放大外，不作任何加工处理，只是单纯地完成 转发任务。处理转发器根据使用环境和采用的星上处理和交换技术的不同，可以 有处理转发器、再生转发器或r f 处理和交换转发器等多种形式。除了具有信号 转发功能外，还具有信号处理功能。 目前在用的大部分卫星通信系统都使用透明转发器，只有极少数的系统采用 了星上处理和交换技术。 2 2 码分多址( c d m a ) 在卫星移动通信系统中的应用 2 2 1 卫星移动通信系统中的多址访问方式概述 卫星通信的一个基本特点是：处在一颗通信卫星波束覆盖区内的所有地球站 都能从卫星接收信号，也都能向卫星发射信号，即具有多址访问能力或者多点对 多点通信能力。多址访问能力是卫星通信的一个独特的优点，但如果对地球站访 问卫星的能力不加任何限制，则可能会使优点变成缺点。因为，多个地球站同时 以相同方式访问卫星，则会在卫星上发生信号碰撞，造成这些信号都不能被正确 接收，因此必须控制地球站对卫星的访问，使得不同地球站发射信号不会在卫星 上完全重叠( 包括时阳j 、空间、频率荷编码等方面) ，同时，又能让接收地球站 从卫星转发来的所有信号中识别出发给本站的信号。不同的控制策略构成了不同 的多址访问方式。 卫星通信中的多址方式类似于地面移动通信中的多址方式，主要有时分多址 ( t d m a ) 、频分多址( f d i a ) 、码分多址( c d m a ) 以及空分多址( s d m a ) 。 时分多址：时分多址是按各关口站发射信号占用卫星转发器的不同时隙来相 南京邮电学院甑 学位论文 第二章卫星移动通信系统介绍 互区分的。各关1 3 站在规定的时间间隔内向卫星发射信号。 频分多址：频分多址是根据各关口站发射信号的频率来区分各不同关口站地 址，它们互不重叠地占用卫星转发器地带宽。 空分多址：根据各关口站所处的空间区域的不同而加以区分的。它的基本特 征是卫星天线有多个窄波束( 又称点波束) ，它们分别指向不同的区域关口站， 利用波束在空间指向的差异来区分不同的地球站。 2 2 2 c d m a 在卫星移动通信系统中的应用 c d m a 应用在通信系统中，主要有如下优点： 宽带传输，抗多径衰落性能好； 信号频谱的扩展和相关接收，具有较好的信号隐蔽性和保护性，抗干扰 能力强； 允许共覆盖的多系统多卫星同频操作，无需系统间协调，能抗地面同 频通信系统的干扰； 有扩频增益，允许相邻波束使用相同频率，频率复用能力强； 容量没有硬限制，增加用户会影响性能，但不会遭到拒绝； 能充分利用话音激活提高容量和具有软切换功能。 由于c d m a 的独特优点，在移动通信中得到了日益广泛的应用。主要有两种： 窄带c d m a ，信道带宽通常在1 5 m h z ，美国高通公司提出的窄带c d m a 亨式的信道带宽为1 2 5 m h z ，i s 9 5 采用的就是这种窄带c d m a 技术。 宽带c d m a ，信道通常占用较宽频带，比如i o m h z ，美国金桥公司( g b t ) 等提倡这种方式。 由于c d m a 方式，多普勒频移问题不是很严重，信道保护带对频带利用率的 影响也不很突出。在g s o 、m e o 和l e o 系统均可使用c d m a 方式。 使用c d m a 方式的最典型的例子就是l o r a l 和q u a l c o m m 公司联合提出的 g l o b a l s t a r 系统。其它提出的几个系统如o d y s s e y ( 已合并到i c o ) 、e l l i p s o 等 也采用c d m a 方式。 堕室业皇兰堕竺主兰堡丝兰 兰三里羔呈壁垫望笪墨! ! 塑竺 2 3 卫尾移动通信系统s im t - 2 0 0 0 方案 第三代渗动通信系统( i m t 一2 0 0 0 ) 是国际电信联盟( i t u ) 提出的工作在2 g h z 频段的商用移动通信系统。卫星移动通信系统作为第三代移动通信系统的重要组 成部分，其地位和作用已无庸置疑。因此i m t 一2 0 0 0 明确规定了要支持卫星通信 环境，并声明它是一个综合的卫星地面通信网络，可以共同协作满足全球范围 内不同用户密度地域的广泛业务需求，在所提供的业务上也相互补充，并且实现 起来更经济。在一个综合网络中，卫星移动通信系统的特有优势在于： 可以实现全球完整、连续的覆盖； 可以作为地面蜂窝网业务覆盖区域的扩展； 固有的动态信道分配技术可以解决突发的呼叫拥塞问题； 固有的抗毁性可以在地震洪水等特殊场合起到不可取代的应急通信作 ，弓； 系统的建立对于军民结合、平战结合、满足军事通信特殊需要等具有战 略意义。 所以，对卫星移动通信系统如何与i m t 一2 0 0 0 中的地面通信部分相结合进行 研究，以及尽快制定综合的卫星地面移动通信系统的有关框架和标准显得十分 必要。 从第二代移动通信系统向i m t 一2 0 0 0 的过渡应是一个长期共存、不断演进的 过程。而卫星移动通信系统和i m t 一2 0 0 0 的结合，也应是一个分阶段、分层次的 长期过程。i t u r 关于地面和卫星移动通信系统的综合建议m 11 8 2 中对综合的 卫星地面移动通信系统定义了五个层次的综合，分别为：地理综合、业务综合、 网络综合、设备综合和系统综合。i t u r 关于i m t 一2 0 0 0 中卫星部分的框架结构 建议m 1 6 7 中，针对不同层次、阶段的综合情况，定义了三种具体的综合网络 结构，分别为：( 1 ) 卫星段自成系统的结构：( 2 ) 综合的i m t 一2 0 0 0 网络结构： ( 3 ) 卫星段作为地面固定网( 有线网和蜂窝网) 的延伸。因此，对于综合的卫 星地面移动通信系统，总体思路应该是以i m t 一2 0 0 0 建议为蓝本，立足已有系统， 着眼即将建设系统，设计和构思新一代系统，制定全面、发展、经济可行的技术 方案。 i m t 一2 0 0 0 的卫星部分( s i m t 一2 0 0 0 ) 将实现户外环境的全球无缝覆盖，同时保 1 4 南京邮电学院硕【：学位论文 第二章卫星移动通信系统介绍 持用户终端的兼容性和业务的可移植性。具体来讲，s i m t 一2 0 0 0 的主要目标是： 实现第三代移动通信系统用户的全球漫游。 以合理的价格实现与地面系统可比的业务的q o s 。 便于在广大地区范围内快速、廉价地提供第三代业务，加强发展中国家 的电信业。 i m t 一2 o 的卫星移动通信系统部分现己收到的6 个提案中，既有t d m a 的， 也有c d m a 的，还有t d 淞和c d m a 以及f d m a 综合的，如：由i c og l o b a l c o m m u n i c a t i o n s 公司主持的i c og l o b a lc o m m u n i c a t i o n s 系统( t d m a ) ：由e s a 提出的s w c d m a 系统( 空中接口基于地面的w c d m a 技术) ；由i r i d i u mo p e r a t i n g l l c 主持的i n x 系统( t d m a c d m a f d m a 混合方式) ；由e s a 提出的s w c t d 姒系 统( d s c d m a 与t d m a 混合方案) 等。这里我们主要介绍s w c d m a 建议。因为 s w c d m a 是i m t 一2 0 0 0 星地网相结合的较好途径，主要原因如下： w c d m a 技术将是i m t 一2 0 0 0 在全球无缝通信中的主要技术： i m 2 0 0 0 地面部分和卫星部分采用相似的传输技术是可取的。卫星部分 的标准尚未确定，但w c d m a 以其强劲的发展潜力为人们广泛关注。w c d m a 丁以同时满足卫星和地面的i m t 一2 0 0 0 的数据传输要求，从而实现较好 的星地结合。欧洲和韩国已向i t u 提出了各自基于w c d m a 的i m t 一2 0 0 0 卫星部分的r t t 建议。 可以利用地面关于w c d m a 的研究成果，以加快s w c d m a 技术的开发进程 和减少研究投资。 s w c d m a 的实现目前尚处于探索阶段。w c d m a 在卫星系统中的应用有一些与 在地面应用不同的限制和特点： 星上功率受限，功率余量较小，特别是在前向链路。因此，通信系统性 能也受限于噪音，而不是象地面系统那样主要受限于多址干扰； 长的传播时延，使c d m a 的功控效率降低： 在频谱使用上，s i m t 一2 0 0 0 可以存在分离的收发信道； 毒普勒频移较大，造成频率误差大，特别是在l e o 系统中。这就使初始 码字和频率的确认十分关键： 反问链路在采用相干接收时的信道特征与地面不同； 南京邮电学院硕：学直论文 第一二章卫星移动通信系统介绍 存在遮蔽效应，故要卫星分集技术，并需要相应的接入方案的支持； 为消除多余的卫星功率干扰以提高业务质量，需要引入干扰消除技术， 特别是在移动终端一端； 由于卫星用户的数量一般很大，更容易出现大负载的情况，从而造成出 现c d m a 系统因负载过重而容量急剧下降的问题。 通常，卫星信道存在直射分量，传播环境较地面好，为莱斯信道( c m 一般 大于l o d b ) ，而在地面环境中常常没有直射分量，为瑞利信道。由于以上限制和 信道特点，s w c d m a 有其自身的技术特点，相应的关键技术如下： 1 最座选择与多星覆盖 星座的选择受很多因素的制约，如地球人口分布、卫星重量和质量、发射费 用、地面段的复杂度和费用、网络拓扑和切换率等。其中与第三代移动通信要求 有关的两个重要因素是数据率与移动性的关系、多星覆盖与遮蔽概率的关系。混 合星座：全球n o n g e o 卫星加上地区性的g e o 卫星也许是一种较好的选择。卫星 信道中直射分量的存在有利于信号的正确接收，但直射分量可能遇到不同程度的 遮蔽( 特别是仰角较低时) 。为了减小系统链路电平预算的功率余量，采用卫星 分集技术是可取的。然而卫星分集是以多星覆盖( 用户同时为多颗卫星覆盖) 为 前提的，因此，多星覆盖也是星座选择应考虑问题之一。 2 ， 功率通量密度对系统容量的影响 基于w c d m a 的s i m t 一2 0 0 0 系统的前向链路由于星上r f 功率受限成为容量“瓶 颈”( 这正好与地面相反) 。而反向链路因为在信关站一侧采用路径分集，降低了 信号功率要求，其容量超过了前向链路。当系统负载( 以激活的同频信道数量来 表示) 很大时，c d 姒功率通量密度低的优势便消失了，这时累积的功率通量密 度几乎达到了窄带系统的水平，而支持大容量是卫星系统的优势所在。目前已提 出了基于c d m a 的移动终端干扰消除技术。这种干扰消除技术可以提高至少5 0 的系统容量。 3 调制和扩频 扩频序列良好的相关特性和随机性对码分多址通信系统的性能具有决定性 的作用，它直接关系到系统的抗干扰、抗多径衰落、抗截获、保密、多址能力、 南京邮电学院硕士学位论文 第一二章卫星移动通信