提高卫星通信系统容量的一种新技术PCMA.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除提高卫星通信系统容量的一种新技术PCMA通信与信息系统关键词：卫星通信，对称载波复用，系统容量摘要本文介绍了在双向卫星通信领域的一种崭新的技术即对称载波复用（PCMA Paired Carrier MultiPle Acces）技术。对称载波复用是一种全新的卫星系统的频率复用方式，利用它可将现有的卫星通信系统的容量提高1倍。文章分析了 PCMA的基本原理，实现方案，最后给出了性能分析以及应用前景。1.研究目的与意义卫星通信系统经历了半个世纪的发展，在人民生活及国防上扮演着愈加重要的角色。当今由数百颗卫星及数千个转发器构成的卫星星座提供了 90%以上的国际通信业务和几乎全部的电视转播业务。卫星通信系统对于国防和民生具有重大意义。现代化的国防以及民用领域日益增长的多媒体信息交换的需求促使卫星通信系统向着更高的系统容量，更安全，更稳定的方向发展。受限于有限的频带宽度，如何提高卫星信道的利用率关系到卫星系统的容量，直接影响着对日益增长的需求的满足。成对载波多址系统(Paired Carrier MultipleAccess, PCMA)通过使两个终端的通信信道占用相同的频带，使得频带利用率理论上提高了一倍，从而大大提升了系统容量。2.卫星通信网概述卫星通信最早由美国国防部进行开发研究的，最初主要用于国防领域的宽带通信。首颗静止国际通信卫星由国际通信卫星组织(INTELSAT)于 1965 年发射升空，开始开展卫星通信业务。我国的卫星通信布局始于 70 年代的 331 卫星通信工程。1984 年 4 月我国发射升空第一颗同步通信卫星，标志着我国的卫星通信发展步入实用阶段。卫星通信网是信息高速公路的重要组成部分，具有大覆盖范围，无缝覆盖的能力，广播和多播的优势，不受地理环境限制等特点，承载着导航定位、气象服务、资源探测、军事侦察、远程教育、远程医疗、灾害防护、应急通信、电视广播、环境监测等广泛的应用模式。卫星可分为静止地球轨道卫星和非静止地球轨道卫星。对于静止地球轨道卫星，轨道高度约为 35 786km，卫星绕地球一周的时间正好和地球自转一周的时间相等。从地球上看，静止地球轨道卫星就像始终固定于天空中的某一位置。合理配置的三颗静止地球轨道卫星组成的星座即可达到对全球的覆盖。卫星系统依据轨道高度不同，可分为低轨道(LEO)系统，中轨道(MEO)系统和椭圆轨道(HEO)系统。低轨道系统轨道高度为 700-2000km，中轨道系统轨道高度10000-20000km。依据覆盖的范围不同，可分为全球覆盖通信系统和区域覆盖通信系统。依据系统容量不同，可分为小容量系统，大容量系统和超大容量系统。根据传输速率的不同，又可分为窄带系统和宽带系统。3.传统容量扩增技术与PCMA容量扩增技术比较卫星通信系统一般是带宽受限或者功率受限的。对于功率受限系统，可采用多种方式提高链路功率，比如采用更有效的功率放大器，使用更高增益的天线，设计更有效的编码方式等。有效功率得到提升后，带宽成为了限制系统容量提升的瓶颈。对于带宽受限系统，传统的容量扩增技术一般采用多址接入技术，如频分多址(FDMA)，时分多址(TDMA)，码分多址(CDMA)以及基于以上多址方式的混合多址方式，如多频时分多址(MF-TDMA)，多频码分多址等(MF-CDMA)，有效提高了频谱的利用率，从而增大系统容量。成对载波多址技术(Paired Carrier Multiple Access, PCMA)是提升卫星带宽使用效率的一种全新的方法，由 ViaSat 公司的 Mark Dankberg 于 1998 年提出。它允许两个不同的卫星通信地球站使用相同的频率，时隙或扩频码字，可将带宽的需求减少 50%，也就是说在现有的带宽基础上将通信系统的容量提升 1 倍。PCMA 系统适用于采用透明转发器的双向卫星通信系统，典型应用包括应用单路载波(SCPC)和多路单载波(MCPC)模式的系统、TDMA 网络、VSAT 网络和提供话音和数据传输业务的 DAMA 系统等。PCMA 技术与现有的卫星通信系统设备兼容，可以与各种类型的多址技术(FDMA、TDMA、CDMA)结合使用，而且 PCMA技术的使用独立于调制方式和纠错方式，可适用于不同的链路调制与纠错编码方案。因为 PCMA 技术本身不能代替任何一种编码、调制技术，因此必须结合各种调制、纠错编码方案共同使用。4.PCMA技术的基本原理迄今为止，所有的卫星链路都是通过通常的多址接入技术（如TDMA、FDMA或CDMA）实现2路上行信号的分离。例如，FDMA技术是通过不同的载波频率实现上行信号的分离；而在TDMA接入方式中，2路上行信号利用不同的时隙来划分信道；对于CDMA接入方式，信号占用相同的频带和时隙，但可以通过其特定的CDMA扩频码实现区分。混合系统（例如多载波TDMA系统）将不同的多址接入技术混合使用，接收机通过不同终端的上行信号在频率、时间和码字各方面的不同特性将信号检测出来。PCMA则是通过充分利用卫星通信的独有特点，使相互双向通信的2个终端之间进行频率重用，以此来实现系统容量加倍。在采用PCMA技术的系统中，首先需要对卫星错路作以下的假设：（1）卫星系统中的任何一个终端发出的信号可以被包括它本身的任何一个终端接收到；（2）卫星采用透明转发器。也就是说，卫星转发器只对上行信号进行带通滤波、频率转换和信号放大，然后转发至各地面站。对大多数现有的以及计划中行将建设的固定卫星地面站系统而言，都符合该假设。反之若系统不满足以上假设，则不可以使用PCMA技术。在使用PCMA技术的卫星系统中，将系统中处于相互通信的终端两两分组，对同一组内的个不同终端使用完全相同的上、下行链路。也就是说，这2个终端可以同时使用完全相同的频率、时隙或扩频码字。而利用卫星传输中的自发自收特性（即任何一个卫星终端发出的信号均可被包括它本身的任何一个卫星终端接收到），每个终端都可以非常可靠地将该组另一个终端的信号从混合的下行信号中分离。由于卫星系统中每个终端都可以确切地知道该终端本身所发射的上行信号，而且也确切地知道该信号在卫星转发器中经过的处理过程。因此，该终端完全可以对其上行信号经卫星转发后的下行信号进行估计。5.PCMA技术中的信号抑制技术由上述讨论可以看出，在使用PCMA技术的卫星通信系统中，每个终端都接收到一个复合的下行链路信号。由于将正在相互通信的2个终端分为一组，占用同一信道：根据系统多址方式的不同，可能是同一频段（FDMA）或同一时隙（TDM）或同一扩频码（CDMA），因此对这2个终端而言，该复合信号内既包括有用信号，也包括该终端本身上行信号经过卫星转发后的下行信号（对该终端而言也就是因采用PCMA而引入的无用信号）。并且这2个信号在频率或是时间或是码字上（取决于多址方式）是重叠的。为了将无用信号从复合信号内除去，必须准确估计下行键路参数。当然，任何一个终端的下行键路参数都不可能估计得非常准确。因而，实际上不可能完全从复合信号中去除其本身下行信号的影响，但通过信道参数估计，可以把影响减小。6.PCMA技术的实现 PCMA与常规的卫星调制解调器相比，PCMA需要几个额外的处理单元，其中包括：（1）自我信号估计模块：作用是从混合的下行链路信号中提取自我信号的参量；（2）时延、频率、相位和增益调整模块：用来校准本地产生的删除信号的参数，使之与下行链路的信号参数相一致；（3）调制与滤波模块：作用是补偿上行与下行链路的滤波器效应。这些功能模块的物理实现取决于实际所使用的卫星调制解调器。对于最新的基于DSP的调制解调器，PCMA技术的功能可以完全用软件予以实现。7.PCMA技术的应用与性能分析在各种现存的卫星通信网络中，若采用PCMA技术可获得很大的性能提高。通过频率复用，PCMA能够有效地提高频谱利用率。通常有几种不同的应用方案：（1）在同样的带宽上利用PCMA在每个链路上达到更高的数据率；（2）在维持同样的数据率情况下，应用PCMA可以使每个链路连接占用更少的带宽。这样就能使得每个网络能支持更多的用户；（3）在维持同样的数据率和同样的带宽下，在每个链路上应用PCMA后可使信道编码速率降低。这样将带宽增益转换为编码增益，以提高链路的抗干扰容限，或者减少维持同等的通信质量的情况下所需的功率。这些方案或者能够获得更大的网络的吞吐量，或者能减少功率需求。方案具体的选择依赖于用户的实际需要以及所采用的卫星网络的物理特性及经济条件，重要的是在功率需要和带宽需要中保持一种平衡。在通常情况下，PCMA技术与别的技术结合在一起使用，如采用纠错能力很强的码（如级连码或Turbo codes）。PCMA技术的一个最有希望的应用是在DAMA语音和数据网络中，通常这种终端采用低数据率的语音压缩。语音通信一般采用全双工的链路，它在数据速率上是对称的。在各种情况下，PCMA所需的带宽只是正常FDMA所需带宽的一半。例如，对8 kbps的 ITUG.729声码器，对每条双工链路，PCMA所需带宽不到8 kHZ，而通常的 FDMA需要 16kHZ，这样就使得卫星的容量增加一倍。最新的为家庭和商业提供的双向固定站卫星通信服务包括从最基本的电话眼务到高速的INTERNET网络接人服务。在这些系统中，整体的吞吐率是一个重要的衡量指标。而PCMA技术为卫星通信系统容量的扩展粮供了一个很好的解决方案。8.结论PCMA技术通过将卫星通信双向链路上2个方向的信道相重叠（根据多址方式的不同，可能是同一频段或是同一时隙或是同一扩频码字）来有效地提高卫星通信系统的容量。收方利用卫星通信独具的自发自收的特点，将因信道叠加而带来的干扰减少至最小。从上面的分析可以看出，PCMA技术可以灵活地应用于多种卫星通信系统中，以增加系统的容量，或者获得额外的信噪比增益或者减小所需的发送功率。卫星通信网络一般可能是带宽受限或是功率受限的；在现代卫星系统系统中，可以采用多种方式来增加链路功率（如采用更有效的功率放大器或是使用效率更好的卫星天线）。这样，在有效的功率增加后，带宽就更多地成为了一个瓶颈。所以，我们可以预测PCMA技术将成为双向卫星通信网络增加容量的有力工具。参考文献1 He, Fei, et al. A low overhead pilot-aided parameter estimation scheme forasymmetric PCMA systems. 5th International Conference on Communications andNetworking in China (CHINACOM). 2010.2 Li, W. A. N. G., and H. U. A. N. G. Yan. Joint Estimation of Symbol and Timing inPCMA System. Electronic Information Warfare Technology. 2011, 4:007.3 ZHANG, Dongling, et al. A Blind Data Recovery of PCMA Signals Based on theTurbo Iterative Processing. Journal of Wuhan University (Natural ScienceEdition). 2011, 5: 004.4 CHEN, Shao-he, et al. Novel Algorithm of Interference Time Delay Estimation inPCMA System. Journal of System Simulation. 2008, 21: 012.5 GONG, Bo, and Qing GUO. A Novel Self-Interference Frequency EstimationAlgorithm in PCMA Systems. Communications Technology. 2010, 11: 017.6 Tian, Wen-Ke, Jian Wang, and Xiu-Ming Shan. Adaptive Interference Cancellationfor Paired Carrier Multiple Access. Telecommunication Engineering. 2011, 9: 021.7 靳鹏, 孙红涛, 徐健. 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