（通信与信息系统专业论文）高空平台宽带移动通信系统下行链路关键技术研究.pdf

摘要 高空平台通信系统覆盖范围广，组网灵活，具有广泛的应用前景。本文以高 空平台为背景，分析了高空平台宽带移动通信系统的系统结构、帧结构以及频率 规划，主要研究了下行链路传输系统的结构设计及其关键技术，主要工作包括以 下几个方面： 1 、提出了高空平台宽带移动通信系统的系统方案，并重点分析了帧结构，在 此基础上提出了一种高空平台宽带移动通信系统下行链路的设计方案。 2 、针对地面接收机同步精度，采用了基于多相滤波器组重新采样法的样点定 时同步方案，仿真结果表明可以得到很好的样点同步精度。 3 、通过分析频偏对系统性能的影响，给出了适合于高空平台宽带移动通信系 统的载波跟踪方案，仿真表明该方案能成功的实现载波跟踪。 4 、在下行链路信道均衡方面，采用基于l m s 算法的自适应信道均衡方案， 仿真结果表明能很好的消除码间干扰。 关键词：高空平台通信系统载波跟踪样点定时同步自适应均衡 a b s t r a c t h i g h - a l t i t u d ep l a t f o r mb a s e d ( h a pb a s e d ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sa9 0 0 d p r o s p e c to fa p p l i c a t i o nf o ri t s 谢d cc o v e r a g ea n dd e p l o y i n gf l e x i b l i t yt i l i st h e s i s a n a l y s e st h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，f l a m es t r u c t u r ea n df r e q u e n c yp l a no fh a pb a s e d b r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m , 、析me m p h a s i so nt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n d d o w n l i n kk e yt e c h n i q u e s 1 1 1 em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 1 1 圮s y s t e ma r c h i t e c t u r eo fh a p b a s e db r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i sd e s c r i b e d 、析t he m p h a s i so nt h ef l a m ef o r m a t t h e nt h ed o w n l i n kt r a n s m i t e ra n d r e c e i v e rf o rt h ea f o r e m e n t i o n e ds y s t e ma 陀d e s i g n e d 2 i no r d e rt om e e tt h es y n c h r o n i z a t i o np r e c i s i o nr e q u i r e m e n t , as a m p l et i m i n g s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eb a s e do nm u l t i p b _ a s ef i l t e rb a n k sr e s a m p l i n gt e c h n i q u ei s p r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ea c h i e v e sag o o d s y n c h r o n i z a t i o np r e c i s i o n 3 n 圮d e l e t e r i o u si m p a c to fc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ti s a n a l y z e d a n da c a r r i e r - t r a c k i n gs c h e m ei sg i v e n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wi t sg o o dp e r f o r m a n c e 4 a na d a p t i v ee q u a l i z a t i o ns c h e m eb a s e do nl m s a l g o r i t h mi sp r e s e n t e df o rt h e g r o u n dr e c e i v e r sa n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es c h e m ec a l le l i m i n a t e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ew e l l k e y w o r d s ：h a pb a s e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m c a r r i e rt r a c k i n g s a m p l et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na d a p t i v ee q u a l i z a t i o n 西安电子科技大学 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 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所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：召蓐日期杉竺亏： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：望氇 导师签名： b 匹 日期狸但：型 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究工作背景和意义 本世纪以来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展，为人类社会带 来了深刻的影响。随着用户对多媒体业务需求的增大和互联网技术的迅猛发展， 对无线通信系统提出了更高的要求，诸如高频谱利用率、更大的系统容量、更灵 活的网络覆盖和更低的建设成本等等。目前的无线通信平台主要有地面平台和卫 星平台，这些平台都存在各自的缺陷。例如地面平台实现大范围覆盖投资大、建 设成本高、配置不灵活，在城市建设密集区存在严重的信道衰落，而卫星平台则 存在着终端成本高、星载设备更新维修困难、系统容量有限等等问题。在这样的 背景下，对全新的高空通信平台的研究得到了日益广泛的关注，成为了无线通信 领域的一个研究热点i l j 。 基于高空平台的无线通信系统是目前国际上正处于研究阶段的新型通信系 统。高空平台的载体主要有系留气球和飞艇两种，前者的高度一般在1 0 k i n 以下， 后者一般位于2 0 k m - 5 0 k m 高空的平流层。平流层位于大气层中的对流层之上，这 个区域空气稀薄，其密度约为海平面的百分之几，浮力很小，但气流比较稳定，且 风切较小，是比较理想的部署高空悬停飞艇的空域【2 1 。 和通信卫星相比，平流层平台与地面的距离是同步卫星的1 1 8 0 0 ，自由空间 衰减和延迟时间大为减少，利于通信终端的小型化、宽带化，且成本低、建设快、 可回收、维护和维修方便。与地面蜂窝系统相比，平流层平台的覆盖范围远大于 地面蜂窝系统，而且信道条件( 按r i c e 衰减) 好于地面系统的信道条件( 按r a y l e i g h 衰减) 。平流层平台既适用于城市，成为地面移动通信系统的有效补充，也可用于 海洋、山区等地面移动通信系统不便部署的地区，还可以迅速转移，用于战场区 域或者发生自然灾害地区( 如洪水、山火) 的监测和通信。从长远来看高空平台通信 系统还有可能成为除地面移动通信系统和卫星通信系统之外的第三个无线通信系 统。 高空平台通信被普遍认为是继2 0 世纪6 0 年代卫星通信、7 0 年代光纤通信和 8 0 年代蜂窝通信发明以来通信技术的又一重大突破。它具有运营费用低、通信容 量大、使用范围广、提供业务快等优点，在国防、通讯中继平台建设、交通监控 与指挥、气象预报、自然灾害监控等很多领域具有广阔的发展和应用空间。加强 并快速推进该系统的研制工作对于我国的科技创新、国防和国民经济建设有着十 分重要的战略意义。 同时我们考虑了该高空平台移动通信系统与地面移动通信系统的兼容性。目 2 高空平台宽带移动通信系统下行链路关键技术研究 前我国已经大规模地启动了第三代移动通信系统( 3 g ) ，其中基于我国自主3 g 标准 t d - s c d m a l 4 1 1 5 】的通信网络也已在全国范围内开始运行。我们选择t d s c d m a 系 统作为本系统的兼容目标系统。通过设计，使高空平台系统终端的射频单元兼容 地面t d s c d m a 系统终端的射频单元，而基带处理部分采用双模结构，从而使得 高空平台系统的终端在地面t d s c d m a 网络存在的情况下可以选择性地接入高 空平台系统或者地面t d s c d m a 系统，这对于开拓市场、吸引更多用户来说是至 关重要的。 1 2 国内外研究现状和趋势 目前的高空平台移动通信研究一般以第三代移动通信( 3 g ) 技术为背景1 6 j ，主要 采用c d m a 技术。第三代移动通信在空中接口、系统架构、开放性等诸多问题上 仍然存在很多的不足。随着通信用户数的不断增多，业务量不断上升，以及对通 信质量的要求不断提高，使得制定更高速率、更大容量、系统更加完备和开放的 新一代移动通信体制已经迫在眉睫，一般称新代的移动通信系统为后三代( b 3 g ) 或四代( 4 g ) 。 平流层通信的概念提出于第二次世界大战期间，2 0 世纪七十年代开始引起广 大科技工作者的重视，随着若干关键技术的突破和科技水平的整体进步，近几年 形成了研究、开发热点。美国n a s a 、s k y t o w e r 等公司在政府的大力支持下， 计划部署平流层平台，用于安全等目的。日本以平流层通信平台开发协会为主导， 利用平流层平台进行数字高清晰度电视转播并进行i m t - - 2 0 0 0 的网络搭建。欧洲 的平流层通信项目受到了欧洲航天局和各国政府的资助，进行着平流层宽带通信 方面的研究。德国航空航天中心已于2 0 0 4 年成功实现从大气平流层中漂浮的气球 到地面之间的大数据量传输。韩国与和美国合作，将平流层通信的研究分三个阶 段，进展迅速。在我国，清华大学使用氦气飞艇在3 0 0 米高空持续飞行2 小时来 演示视频会议系统1 3 】。北京大学成立了专门研究太阳能飞行器的专业机构，迄今已 经完成开发具有独立知识产权的太阳能平流层悬浮平台系统。虽然在该领域的研 究已有不少成果，但目前尚未推出统一的国际标准。 同步是通信系统实现可靠信息传输的前提。在实际的通信系统中，发射端和 接收端的频率振荡器并不理想，在加上无线通信信道中的多普勒效应，导致了收 发两端存在载波频率偏差，因此需要进行载波同步。此外，由于接收端并不知道 样点符号的起止时刻，在加上信道中多径效应带来的延时，使得发射端信号的延 时也是未知的，因此为了正确解调接收信号，需要进行样点定时同步。 样点定时同步的方法一般分为反馈环法和插值法两种，无论哪种方法都需要 对过去m 个时刻的采样值进行计算，估计出符号定时误差。反馈环利用这一定时 第一章绪论 误差去控制a d 变换的采样时钟，使其在最佳时刻采样。采用插值法时，采样时 钟独立振荡，不受反馈控制，其工作原理是利用定时误差控制插值时刻，插值出 最佳时刻的采样值。反馈法存在多方面的缺陷，如v c o 的相位噪声引入同步误差、 同步反馈环路时延等，使之不能实时响应从而引入同步偏差或波动，并且这种方 法不适用于中频窄带采样的系统。插值法将信号的采样速率提高n 倍，要在每两 个样点之间插入n - 1 个零，并用相对带宽为t i n 的低通滤波器( 插值滤波器) 滤 波，计算量较大不利于实际应用。基于多相滤波器组的重新抽样法【1 3 】实现样点定 时同步的方法，直接根据估计出的符号定时误差，从一组多相滤波器中选取一个 滤波器作为信道匹配滤波器对信号进行匹配滤波，就可以完成原样点速率下对信 号的重新抽样处理，这种方法简单易行，且运算复杂度不高，避免了插值算法的 高复杂度运算。 数字方式实现载波频偏的纠正一般有两种方法，一种是开环频偏纠正方法， 其过程是直接从接收到的某段信号中进行频偏估计，然后再对这段数据进行有效 的补偿；另一种方法是闭环频偏纠正方法，常采用数字锁相环来实现。对于开环 方式，捕获时间短，结构简单，计算效率高，但是精度受限；而闭环方式虽然捕 获时间较长，但是它可以达到较高的精度，系统性能也比较好。本文中系统帧为 t d d 模式帧结构，相位不是连续的，因此，本文中采用锁频环来实现载波频率的 跟踪，在频偏纠正之后，对相偏进行开环纠正。 1 3 本文的主要研究内容及章节安排 本文以高空平台通信环境为背景，主要研究了下行链路关键技术，内容安排 包括以下几个方面： 第一章主要介绍了课题的研究背景和意义，以及相关研究工作的国内外发展 动态，概括的介绍了本文的研究内容。 第二章主要介绍了高空平台宽带移动通信系统的系统方案，并重点分析了帧 结构，在此基础上提出了一种实现高空平台宽带移动通信系统下行链路的设计方 案。 第三章主要介绍了高空平台宽带通信系统的同步技术。首先针对地面接收机 同步精度，提出了基于多相滤波器组重新采样法的样点定时同步方案，然后通过 分析频偏对系统性能的影响，给出了适合于高空平台宽带移动通信系统的载波跟 踪方案。 第四章给出了高空平台宽带移动通信系统地面接收端的信道均衡方案，并进 行了仿真验证。 第二章高空平台宽带移动通信系统的总体方案设计 5 第二章高空平台宽带移动通信系统的总体方案设计 2 1 系统组成 系统由高空平台、用户终端以及关口站等部分组成，如图2 1 所示。平台覆盖 区域内的某用户( 系统内用户) 可以通过高空平台与系统内其它用户实现通信；如果 系统内用户需要与高空平台系统外的某用户进行通信，则需要通过高空平台和关 口站的协调来实现，其信息经由路径为系统内用户一高空平台一关口站一地面核 心网一系统外用户。 图2 1 系统总体架构 用户终端的主要功能是实现高空平台和用户之间的信息交互，本系统中主要 指手持终端、车载移动台等设备。本系统方案既可用于平流层平台的系统，也可 用于其它高度较低的高空平台的系统。 平台上设备是本通信系统的核心，其总体结构如下图2 2 所示，主要负责用户 的接入控制、用户数据的收发和交换、用户计费等操作。本系统主要承担无线接 入网的功能，对于系统内部终端之间的通信业务，也体现了一种核心网的功能。 关口站主要实现信令转换、用户信号的解调译码、数据格式转换等功能，从而实 现高空平台系统和地面通信系统之间的互联互通。 半再生式信号处理是通信信号处理的一种思想，其特点是接收端对接收到的 信号进行部分处理而非进行解调译码，最典型的做法是对接收的扩频信号仅进行 解扩处理而不进行进一步的解调译码处理。一般来说，半再生式信号处理可以用 6 高空平台宽带移动通信系统下行链路关键技术研究 在具有中心站点协调的通信系统中。在这样的系统中，相互通信的用户需要将其 用户数据首先送至中心站点，然后由中心站点进行数据交换后再将用户数据送至 图2 2 半再生式高空平台移动通信系统 各自的目的用户端。目前广泛铺设的地面移动通信系统就是这样的系统，相互通 信的用户将自身用户数据送至基站，基站接收并进行解调译码后送至交换中心完 成数据交换，再由基站将交换后的数据送至各自目的终端。虽然基站需要完成对 用户数据的解调译码，但是实际上基站并不关心用户数据的实际内容，也就是说 基站对用户数据的解调译码并不是必需的。在这种情况下，基站完全可以对接收 到的用户数据不进行解调译码而仅进行部分处理。同时需要指出的是，用户终端 发送至基站的管理、控制等信令信息是需要被解调译码的，因为基站及移动交换 中心需要识别信令的具体内容，并据此进行相应的处理。正是由于基站对用户数 据和信令数据的具体含义的要求不同，所以对用户数据和信令数据区别对待，前 者进行半再生式处理而后者进行再生式处理是完全可行的。 地面系统由于不存在体积、重量、功耗等资源的限制，所以不用采用半再生 式信号处理，而在资源受限的高空平台通信系统中，半再生式信号处理就成为非 常适合的处理方式。如果使用再生式信号处理方式，则高空平台需要对接收到的 所有信号都进行解调译码处理，因此就会对平台处理设备的体积、质量和功耗提 出很高的要求。而在资源受限的高空平台系统中，往往无法有效地满足这些要求， 并因此而导致高空平台通信系统的实旌困难。而如果仅对信令信息进行再生式处 理，而对用户数据信号执行半再生式处理，则此时对平台处理设备的相应要求就 会大大降低。这样高空平台的有限资源就能够满足半再生式处理时的资源需求， 从而使得高空平台通信系统的实施障碍得以克服。使用半再生式信号处理方式， 由于平台不再生原始信号，因此存在噪声累积问题，会对系统性能产生影响，但 第二章高空平台宽带移动通信系统的总体方案设计7 是在满足一定条件下，这种噪声累积的影响可以被克服。 研究表明，如果希望采用平台上信号再生式处理转发代替非再生式透明转发， 以克服端到端中继传输时的噪声累积现象并改善误码特性，则只有当高空平台上 用于信号再生的解调译码器不劣于地面终端所用的解调译码器时才能实现；如果 平台上再生处理所用的解调译码器劣于地面终端的解调译码器，只要其误码特性 相差3 d b ，那么再生式处理转发的误码特性反而比非再生式透明转发的更差1 7 1 。基 于此结论，可以从提高地面终端的误码率特性入手，将复杂的处理部分从资源受 限的平台转移到地面部分，从而降低平台建设的复杂度和成本。这样，在地面终 端接收机的误码率特性得到保证的条件下，使用半再生式处理转发技术依然能够 保证系统性能。 在高空平台上使用半再生式信号处理方式之后，由于只进行解扩而不进行解 调译码，则平台接收端解扩输出的是用户数据调制符号的复样点。在高空平台的 电路交换系统中，交换机的输入信号就是上述复样点。对复样点执行的电路交换 过程和传统的电路交换过程类似，不同之处在于传统的电路交换参与交换的是解 调译码后再生的数据比特，而样点电路交换时参与交换的是解调复样点的数字化 比特。解扩器的输出是原始发送符号受到信道衰减和加性噪声影响的复样点，也 就是待解调译码的软信息，而对此软信息进行电路交换时，需要对其进行数字化 处理。对解扩输出软信息进行量化时会造成一定程度的失真，但是只要选择足够 的量化比特长度，则失真的影响可以忽略。 本系统中高空平台上使用半再生式处理转发方式，地面终端上行发送使用 c d m a 多址方式，而平台下行发送使用t d m 复用方式。首先，平台下行发送使 用t d m 方式，可以避免多路用户信号叠加传输时出现的峰平比过大问题，充分利 用平台的功放资源；其次，地面终端上行c d m a 多址方式下，是在整个上行帧持 续期间进行连续发送，因此不存在t d m a 多址方式中地面终端的峰平比问题，能 够充分利用地面终端的功放资源。因此，这种解扩不解调的半再生式处理转发方 式能够降低对平台和终端的器件要求，从而降低复杂度和成本。 2 2 系统频率规划 1 9 9 7 年世界无线电大会划分4 7 2 g h z - 4 7 5 g h z ( 下行) ，4 7 9 g h z - 4 8 2 g h z ( 上行) 共计6 0 0 m h z 可以使用的频率1 9 1 。2 0 0 0 年世界无线电通信大会进而规定 h a p s 可以用于第三代移动通信i m t - - 2 0 0 0 系统中( 根据w r c - - 2 0 0 0 第2 2 1 号决 议，在第一区和第三区的1 8 8 5 m h z 1 9 8 0 m h z 、2 0 1 0 m h z 2 0 2 5 m h z 和 2 1 1 0 m h z 2 1 7 0 m h z 频带，第二区的1 8 8 5 m h z 1 9 8 0 m h z 和2 1 1 0 m h z - - 2 1 6 0 m h z 频带，可以利用高空平流层电台提供i m t - - 2 0 0 0 业务) 。在表2 1 中给出了h a p s 8 高空平台宽带移动通信系统下行链路关键技术研究 可以使用的频段。 表2 1 l t u 分配给h a p s 通信的频段 频段地区链路方向业务共用业务 4 7 9 4 8 2g h z固定和移动业务 全球上行和下行固定业务固定卫星业务( 上行) 4 7 2 4 7 5g h z 临近射电望远镜频段 固定和移动业务某些 3 1 0 3 1 3g h z 1 2 个亚洲国家上行固定业务地区空间科学业务 临近空间科学业务频 段( 无源) 2 7 孓- 2 8 3 5 g h z1 2 个亚洲国家下行固定业务固定和移动业务 固定卫星业务( 上行) 1 8 8 5 1 9 8 0m h z第l 和3 区上行和下行m t - 2 0 0 0固定和移动业务( 特 2 0 1 0 2 0 2 5m h z 别是陆地i m t - 2 0 0 0 2 1 l o 2 1 7 0m h z和p c s ) 1 8 8 5 1 9 8 0 舭 第2 区固定和移动业务( 特 上行和下行m t - 2 0 0 0 别是陆地蹦t 2 0 0 0 2 1 1 0 2 1 6 0 z ( 北美和南美)和p c s ) 对于t d s c d m a 系统，国家划分了总计1 5 5 m h z 的非对称频段，分为主要工 作频段和补充工作频段：主要工作频段为1 8 8 0 1 9 2 0 m h z 和2 0 1 0 2 0 2 5 姗z ，补 充工作频段为2 3 0 0 2 4 0 0 m h z 。根据目前的发展趋势，商用网的最初阶段应该使 用2 0 lo 2 0 2 5 m h z 。 由于期望本系统的终端能够与地面t d s c d m a 系统终端的射频单元相兼容， 因此本系统中选用和地面t d s c d m a 系统相同的频段。具体频点要根据实际的应 用场合进行选取。例如，如果本高空平台系统与地面t d s c d m a 系统无重复覆盖 区域，则可以选用该频段内的任何频点；如果本高空平台系统与地面t d s c d m a 系统有重复覆盖区域，则应选用地面t d s c d m a 系统不用的频点以避免两系统的 相互干扰。 目前的移动通信网络是建立在蜂窝网的基础上，而蜂窝网式结构又是基于无 线电波传播特性而建立的。众所周知，无线电波是随着传播距离的增大而逐步衰 减的，正是利用这一空间衰耗特性进行空间隔离，对移动通信中的载波频率或者 导频相位进行重复性使用，并称它为频率规划和导频相位规划。基于上述原理， 如果两个小区分隔足够远，就可以使用相同的频率。 在移动通信中，相邻小区是不能用相同载频的，为了确保同一载频信道小区 第二章高空平台宽带移动通信系统的总体方案设计 9 间有足够的距离，小区附近的若干个小区都不能采用相同载频的信道，由这些不 同载频信道的小区组成个一区群，只有在不同区群间的小区才能进行载波频率的 复用。 本系统中的工作频段选用2 0 l o 2 0 2 5 m h z ，一共1 5 m h z 的带宽，分为9 个宽 度为1 6 m 的频带，其中心频率分别为：f l = 2 0 1 0 8 m h z 、亿= 2 0 1 2 4 m h z 、 t 3 = 2 0 1 4 0 z 、f 4 = 2 0 l5 8 m h z 、f 5 = - 2 0 1 7 4 m h z 、f 轳- 2 0 1 9 0 m z 、f 7 = 2 0 2 0 8 m h z 、 f 8 = 2 0 2 2 4 m h z 、t 9 = - 2 0 2 4 0 m h z ，使用这9 个频带实现1 5 m h z 异频组网，如图2 3 所示。 i 图2 3 高空平台系统1 5 m h z 异频组网方案 2 3 双工方式的选择 移动通信系统都采用双工方式，移动信道一般按发送路径分成下行通道( 基 站到终端，又称前向链路) 和上行通道( 终端到基站，又称反向链路) 两种。通 道的一方为发送方，对方自然就是接收方。根据收、发分离的方法，双工方式可 以分成f d d ( 频分双工) 和t d d ( 时分双工) 。f d d 的下行通道和上行通道频率 上是分离的，t d d 的下行通道和上行通道在时间上是分离的。f d d 与t d d 方式 比较如下： ( 1 ) 频带分配：f d d 需要一对对称的频带来支持上下行通信。而t d d 模式 由于上下行链路建立在同一频率上，则不需要对称的两段频带。而且f d d 上下行 链路之间需要设置保护频带，但t d d 只需要设置保护时间。因此t d d 模式占用 较少的频带资源，在频带分配上也更具灵活性。 ( 2 ) 功率控制：在f d d 模式中，上下行链路占用不同的频率，由于链路损 1 0 高空平台宽带移动通信系统下行链路关键技术研究 耗与频率有关，因此开环功率控制在f d d 模式中并不十分有效。在t d d 模式中， 由于上下行信号在同一频率上，它们所经历的路径损耗特性是相近的，因此开环 功率控制的使用是比较有效的。 ( 3 ) 支持的业务：f d d 模式的系统中，由于需要对工作在不同频率的发射、 接收设备进行配置，上下行的业务能力取决于硬件设计配置和带宽的分配。而在 t d d 模式的系统中，上下行业务流量分配于同一频率的不同时隙，因此通过调节 上下行转换点就可以灵活的调节两个方向的业务流量。 ( 4 ) 终端设计：由于t d d 模式的终端只工作在一个频率上，不需要双工滤 波器，这使得终端更为简单一些，也更为小巧一些。 通过上面的比较，同时考虑与地面t d s c d m a 系统的兼容，本系统选用t d d 的双工方式，即上行链路和下行链路占用同一频率上的不同时隙来实现双工通信。 2 4 系统帧结构设计 本系统帧结构的设计充分考虑了高空平台的环境因素以及平台上半再生式处 理的特殊要求，利用t d d 系统在资源分配方面的优势，形成了独特的帧结构。系 统帧为t d d 模式帧结构，分为上行帧和下行帧两部分。上行帧包含上行同步时隙 和上行数据时隙，上行同步时隙用于实现用户数据的上行同步，上行数据时隙用 于传输用户的扩频数据。下行帧分为下行同步时隙、下行信令时隙和下行数据时 隙，下行同步时隙用于实现下行同步和下行链路信道估计，下行信令时隙用于传 输下行广播信令，下行数据时隙用于传输下行数据样点。下行帧和上行帧之间有 一定长度的保护间隔，用于避免上下行数据之间的影响。帧结构如图2 4 所示。 卜一0 s s 1 2 8 0 0 t c 一 图2 4 系统帧结构示意图 在图2 4 中，上行部分使用码分多址共享信道，下行使用采用t d m 技术传输 用户样点数据。为了兼容地面t d s c d m a 的射频部分，本系统上行部分扩频后的 码片速率也是1 2 8 m c p s ，同样下行部分的符号速率也应该是1 2 8 ms y m b o l s s 。这 样下行的符号长度等于上行部分的码片长度，为方便起见，用乃表示这个基本的 符号长度，这样一个1 0 m s 的帧共持续1 2 8 0 0 个z 。 2 4 i 上下行保护时隙 在地面蜂窝移动通信系统中，同样是基于t d d 的t d s c d m a 标准的帧结构 第二章高空平台宽带移动通信系统的总体方案设计i i 中也有一个上下行保护间隔，此保护间隔为9 6 c h i p ，覆盖半径为1 1 2 5 k m 。 t d s c d m a 的一帧为l o i n s ，被分为两个长度为5 m s 的子帧，每个子帧长度为 6 4 0 0 c h i p 。这样保护间隔所占开销为1 5 。而从表2 2 可知，如果高空平台高度为 2 0 k m ，当边缘用户仰角分别5 。、1 0 。、1 5 。时，保护间隔所占开销分别为1 3 、7 4 、 5 ，比例过大，会造成不必要的浪费。因此考虑边缘用户仰角为3 0 0 ，则最远用户 距平台4 0 1 9 k i n ，一个平台的覆盖范围为3 7 8 1 1 3 o n 2 。取光速c = 3 1 0 3 m s ，对 于终端来说，双向时延为 f ：4 0 1 9 x 2 r x1 0 3 = 0 2 6 8 2 0 9 i n s( 2 1 ) f = = _ 一= i z ii 3 1 0 。 。 所以对于t d d 模式，上行与下行之间应该至少有2 6 8 1 t s 的保护间隔，此时所 需的保护间隔长度大约为3 4 5 z ，这个长度是满足条件的最小长度，大于等于此长 度的保护间隔才能满足系统要求，本系统选用3 6 6 t c 的_ e - f 行保护间隔。 表2 2 平流层平台通信覆盖范围 平台位于2 0 k i n 处 边缘用户仰角 5 。1 0 。1 5 。3 0 。 平台与边缘用户间距o ( r n ) 1 9 4 4 l1 1 1 1 67 5 8 24 0 1 9 平台覆盖范围( 砌2 ) l1 7 1 2 2 1 83 7 3 8 6 5 31 6 7 4 5 3 03 7 8 1 1 3 边缘用户双向延时( 岭) 1 2 9 6 9 67 4 1 2 85 0 5 8 l2 6 8 1 9 平台位于4 0 k i n 处 边缘用户仰角 5 。l o 。1 5 。3 0 。 平台与边缘用户间距( k m ) 5 9 7 3 9 0 3 9 2 4 71 4 8 9 77 9 6 3 平台覆盖范围( 枷2 ) l l o l1 8 4 7 54 6 3 9 0 6 8 36 4 2 5 0 9 51 4 7 5 6 4 0 边缘用户双向延时( 岭) 3 9 8 5 3 52 6 1 8 2 89 9 3 8 45 3 1 2 5 2 4 2 上行时隙 上行时隙由上行同步时隙、上行数据时隙组成。上行同步时隙用于用户的上 行同步：上行数据时隙用于传输用户数据和上行信令信息。 l 、上行同步时隙 上行同步时隙是长为5 1 1 的g o l d 序列，用于用户的上行同步。由于每个 频点要支持3 0 路的语音用户，因此需要区分3 0 个码道，同时再使用两个码道用 作上行信令信道，因此至少需要3 2 个不同的g o l d 序列用于3 2 个码道的上行同 步。而长为5 1 1 的可用于扩频通信的平衡g o l d 序列大约有2 5 6 个，因此完全够 用。上行同步序列不扩频。 1 2 高空平台宽带移动通信系统下行链路关键技术研究 用户终端入网并获得下行同步之后，可以估计出上行同步时隙的起始时刻并 在此时刻发送随机选择的上行同步序列。平台根据接收到的同步序列计算出该用 户的发送时刻偏差和功率水平并通过下行信令信道通知终端进行调整。 在上行同步序列之后插入长为1 6 0 r , 的保护间隔，以避免对后续的上行扩频数 据产生干扰。 这样上行同步时隙如图2 5 所示。 图2 5 上行同步时隙结构图 2 、上行数据时隙 上行数据时隙是一个共享的c d m a 时隙。该时隙可容纳3 0 路上行语音信道 和2 路上行信令信道。为了区分不同的信道，使用3 2 个长为6 3 的g o l d 序列作 为扩频码。 由于上行数据到达高空平台之后，平台不进行解调译码，而是解扩后获得数 据样点发送给地面接收终端。地面接收终端负责对接收到的数据样点进行解调译 码，因此接收终端必须知道所接收的数据所经历的上行链路信道状态信息 ( u l c s i ) 。为了能让地面接收终端获知所接收信号的u l c s i ，在上行数据发送之 前加上一定长度的已知训练序列( p r e a m b l e ) 。平台接收到上行信号后，经解扩获 得训练序列样点和上行数据样点，经交换后将训练序列样点和数据样点发给地面 接收终端。地面接收终端接收训练序列样点和数据样点后，通过训练序列样点估 计出u l c s i ，然后消除此c s i 对数据样点的影响从而恢复出原始数据。同时，为 了使上行训练序列不对实际的上行数据产生影响，在上行训练序列之后加入保护 间隔。每个用户的有效数据包括长为5 0 4 t 。的上行训练符号扩频序列和长为4 9 1 4 t , 的上行数据符号扩频序列。这样上行数据时隙的结构如图2 6 所示。 l 兰：! = = = ! ：i 竺! 三二：i竺! 兰竺i ：竺! 兰二j 图2 6e 行数据时隙结构图 2 4 3 下行时隙 下行时隙由下行同步时隙、下行信令时隙、下行t d m 复接样点时隙组成。下 行同步时隙用于提供用户终端的下行同步和下行链路信道状态信息( d l c s i ) 的获 取；下行信令时隙用于传输下行信令以及广播信息；下行用户数据时隙用于传输 下行数据符号样点。 1 、下行同步时隙 第二章高空平台宽带移动通信系统的总体方案设计 1 3 下行同步时隙用于提供用户终端的下行同步和下行链路信道状态信息 ( d l - c s i ) 的获取，使用2 个长为2 5 5 疋的m 序列作为下行同步序列。为了防止下行 同步序列对后续下行信令部分的影响，在下行同步序列之后加入长度为1 6 0 t 的保c 护间隔。这样得到的下行同步时隙结构如图2 7 所示。 图2 7 下行同步时隙结构图 2 、下行信令时隙 下行信令时隙用于传输下行信令以及广播信息，其结构如图2 8 所示。在每 1 0 m s 帧中传输2 5 9 个原始下行信令数据符号。信令数据符号是平台上生成的原始 信息符号，而接下来的下行用户数据部分是用户的数据符号样点，为了防止信令 符号对数据符号样点的影响，在信令符号之后加入长度为6 4 r 的保护间隔。, e 三珥 图2 8 下行信令时隙结构图 3 、下行t d m 复接样点时隙 下行用户数据时隙用于传输下行数据符号样点，其结构如图2 9 所示。由于上 行帧期间每个用户的有效数据包括长为5 0 4 乏的上行训练符号扩频序列和长为 4 9 1 4 t c 的上行数据符号扩频序列，解扩后得到8 个训练符号样点和7 8 个数据符号 样点，共计8 6 个符号样点。将3 0 个用户的数据依次排列，就组成2 5 8 0 个样点的 下行数据，为了充分利用下行帧的资源并提高传输性能，将这个长为2 5 8 0 的样点 序列重复一次就形成长为5 1 6 0 t e 下行数据样点部分。其中，样点序列的重复不是 必需的，如果不进行样点重复，则数据时隙剩余5 0 的资源也可以用来发送下行 广播信息。 图2 9 下行t d m 复接样点时隙 2 4 4 系统总体帧结构 本文中系统帧为t d d 模式帧结构，分为上行帧和下行帧两部分。上行帧包含 上行同步时隙和上行数据时隙，上行同步时隙用于实现用户数据的上行同步，上 行数据时隙用于传输用户的扩频数据。下行帧分为下行同步时隙、下行信令时隙 和下行数据时隙，下行同步时隙用于实现下行同步和下行链路信道估计，下行信 令时隙用于传输下行广播信令，下行数据时隙用于传输下行数据样点。下行帧和 1 4 高空平台宽带移动通信系统下行链路关键技术研究 上行帧之间有一定长度的保护间隔，用于避免上下行数据之间的影响。通过上面 的分析，我们可以得到系统总体帧结构，如图2 1 0 所示。 卜- 吲2 8 0 0t c 叫 卜- 6 7 0 呻3 2 3t c 1 卜5 2 2 4t c 斗3 6 6t c 杠6 7 1 t e _ 一5 缁t c - 4 3 下行1 d m 复接样点时篇详细组成 图2 1 0 系统帧结构示意图 2 5 下行链路总体结构 2 5 1 下行链路发送端的总体结构 高空平台接收到上行数据后，首先通过对接收到的同步时隙的处理，确定用 户的同步修正和功率修正信息并放在下行信令时隙待传输；接着平台对上行用户 数据时隙进行解扩，恢复出8 个训练符号样点和7 8 个用户数据符号样点并将训练 符号样点和数据符号样点送至交换模块进行交换。平台依次发送下行同步时隙、 下行信令时隙和下行t d m 复接样点时隙。下行同步时隙和下行信令时隙的内容都 是由平台产生的原始数据符号，其构造过程非常简单，而下行t d m 复接样点时隙 的内容是上行数据解扩后的数据样点经复接而生成的，则下行发射端结构如图2 1l 所示。 图2 1 l 下行发射端总体结构 第二章高空平台宽带移动通信系统的总体方案设计1 5 2 5 2 同步序列的设计 选择伪随机码的基本原则【lo 】如下： 1 ) 良好的相关特性：包括自相关特性和互相关特性。 2 ) 选择的伪随机码数量应足够多，以满足系统通信容量的需要。 3 ) 伪随机码的生成要求简单、快速。 4 ) 码序列的周期应足够长，以提供必要的处理增益。 5 ) 便于实现码同步：初始捕获快速、成功概率大，跟踪稳定时间长等。 以上原则中既存在相互联系，又存在矛盾，例如具有良好相关特性的伪随机 码容易实现码同步；而扩频码的周期增长，虽然有利于提高处理增益，但是必然 导致伪随机码的同步复杂度增加，初始捕获时间增长。因此，必须充分考虑系统 性能的要求和实现的复杂度问题等，合理地选择伪随机序列。 m 序列是最长线性移位寄存器序列，是伪随机序列中最重要的序列中的一种， 这种序列易于产生，有优良的自相关特性。n l 序列是最长线性移位寄存器序列， 是由移位寄存器加反馈后形成的，其结构如图2 1 2 所示，它由串联的k 个二元移 位寄存器及一个开关网络构成，可以通过一个多项式g ( 如式( 2 2 ) 所示) 来表 示。m 序列与其本原多项式是一一对应的，本原多项式也可以表示为 a o ，q ，a ：2 ，q ，或者对应的八进制数形式。 g ( 工) = a o + 口l x + 口2 工。+ + q x ( 2 2 ) 图2 1 2 反馈移位寄存器结构 本系统中选用2 5 5 长度的m 序列作为同步伪随机序列，其自相关特性如图2 1 3 所示。 图2 1 3 长为2 5 5 的m 序列自相关特性 1 6 高空平台宽带移动通信系统下行链路关键技术研究 2 5 3 发送端成形滤波器的设计 在数字基带传输系统中，为使基带数据传输获得足够小的误码率，必须使码 间干扰和噪声的综合影响最小。奈奎斯特第一准则指出了要消除码间干扰，系统 从发送滤波器经信道到接收滤波器总的传输特性所应满足的条件。根据这一传输 特性，实际系统一般采用具有升余弦滚降特性的滤波器作为发送滤波器。在第三 代移动通信中，信号的码片速率高，频谱旁瓣大，在传输时容易产生邻道干扰， 影响系统容量。如果在发送前，采用奈奎斯特( n y q u i s t ) f i r 滤波器将数字基带信号 进行成形滤波，压缩旁瓣，可以大大减小干扰的影响，从而降低误码率。 满足奈奎斯特准则的滤波器有许多种，最简单的是理想低通滤波器。但是这 种理想的滤波器是物理不可实现的，因为实际的滤波器不可能做到垂直截止，而 且时域拖尾过长，运算时要求很高的精度且容易产生偏差。在实际通信系统中广 泛应用的成形滤波器是升余弦滤波器，这是因为它具有以下的优点： ( 1 ) 可以消除理想低通滤波器设计的困难，有一平滑的过渡带； ( 2 ) 通过引入滚降系数，改变传输信号的成形波形，可以减小抽样定时脉冲 误差所带来的影响，即降低了码间干扰( i s l ) 。 频域升余弦滚降函数的时域和频域的表达式分别如式( 2 3 ) 、( 2 _ 4 ) 所示。 办( f ) ：s i n ( x t t ) c o s ( t t a 了t z t 了)( 2 3 ) 日佃) = 乃 喇半 争s m 。五t 【- i t 训半i 国i 半( 2 - 4 ) o ， 悱半 其中，a 是滚降系数，其取值范围为 0 ，l 】。t 是符号间隔，t = 1 置( 足是符 号速率) 。整个系统的基带带宽为 曰= 半r s ( 2 - 5 ) 由上式可以计算出，升余弦滚降信号在前后抽样处的串扰始终为零，因而满 足抽样值无失真的充要条件。滚降系数口愈小，传输频带愈小，但波形的起伏愈 大，对接收端定时精度的要求愈高。滚降系数口愈大，虽然波形的起伏愈小，但 传输频带就愈大。当a = 0 时，升余弦滚降信号变成了上面提到的理想低通滤波器， 此时信号的频带最窄；当口= 1 时，升余弦滚降信号的频带最宽，为理想低通滤波 器的2 倍。所以，升余弦滚降滤波器是以频带的扩大来换取码间干扰的减小。本 第二章高空平台宽带移动通信系统的总体方案设计1 7 系统考虑与地面t d s c d m a 的兼容，因而取a = 0 2 2 。图2 1 4 为a = 0 2 2 的升余 弦滤波器脉冲响应。 图2 1 4a = 0 2 2 的升余弦滤波器脉冲响应 在实际通信系统中，一般采用升余弦滚降特性作为系统总体频率特性