衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術(shù)

1、第七章：衛(wèi)星通信系統(tǒng)與第七章：衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術(shù)技術(shù)組長(zhǎng)：孫亞偉組長(zhǎng)：孫亞偉成員成員:宋宇、史寶通、王錦程、宋宇、史寶通、王錦程、李博、韓莉、劉海英、徐晨、王燦、李博、韓莉、劉海英、徐晨、王燦、第七章第七章 衛(wèi)星蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)衛(wèi)星蜂窩移動(dòng)系統(tǒng) 72.1 衛(wèi)星蜂窩的概念衛(wèi)星蜂窩的概念7.2頻率復(fù)用頻率復(fù)用7.3同信道干擾同信道干擾7.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.5網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)控制7.6切換切換7.7業(yè)務(wù)容量業(yè)務(wù)容量 7.1 衛(wèi)星蜂窩的概念衛(wèi)星蜂窩的概念采用多波束進(jìn)行頻率復(fù)用就形成了衛(wèi)星蜂窩覆蓋的概念，如圖7-1所示。 圖7-1 衛(wèi)星蜂窩覆蓋 在一個(gè)衛(wèi)星波束所覆蓋的地球表面上，將信號(hào)接收強(qiáng)度相同的點(diǎn)連起來(lái)

2、就構(gòu)成了一個(gè)電平等高線，小區(qū)的邊界就是一個(gè)電平等高線，不同電平的等高線將形成不同半徑的同心圓。 圖7-2 不同信號(hào)電平構(gòu)成的等高線 圖7-3 小區(qū)的形狀不一定是圓的 圖7-4 正六邊形蜂窩小區(qū)模型 7.2 頻率復(fù)用頻率復(fù)用 7.2.1星內(nèi)的頻率復(fù)用星內(nèi)的頻率復(fù)用 小區(qū)頻率復(fù)用的意思就是說(shuō)，在某個(gè)小區(qū)內(nèi)使用的頻率資源也可以被其它小區(qū)同時(shí)使用。FDMA系統(tǒng)進(jìn)行頻率復(fù)用的方法一般是把總的頻率資源分割為K組，在覆蓋范圍內(nèi)每K個(gè)鄰近的小區(qū)組合成一個(gè)簇。 圖7-5 頻率復(fù)用模式 假設(shè)某一顆衛(wèi)星所覆蓋的總面積為Ssat，衛(wèi)星可用的總帶寬是Bsat，每個(gè)載波占用的帶寬是Sc，每個(gè)載波可以提供N個(gè)業(yè)務(wù)信道，那么

3、整個(gè)衛(wèi)星只用一個(gè)波束覆蓋時(shí)總共可以提供的信道數(shù)為csatBBNN單區(qū)制采用多個(gè)點(diǎn)波束時(shí)，若每個(gè)小區(qū)的面積為 ，則總共有個(gè)小區(qū) ， 個(gè)簇，每個(gè)簇都有 個(gè)業(yè)務(wù)信道，每個(gè)小區(qū)中的信道數(shù)是 ，此時(shí)總共能提供的業(yè)務(wù)信道數(shù)是 cellScellsatcellSSNKSSNcellsatclustNBBNcsatchKNNchcKBSNBSNNNccellsatsatchclust蜂窩制與單波束情形相比，采用蜂窩頻率復(fù)用使信道數(shù)增加了G倍 KSSNNGcellsat單區(qū)制蜂窩制如果相鄰簇中的干擾小區(qū)到被干擾小區(qū)距離相同，則稱(chēng)為規(guī)則的小區(qū)頻率復(fù)用，此時(shí)K不可能是任意的，它一定滿足下式 22nmnmK圖7-6

4、規(guī)則的頻率復(fù)用模式（K=7,m=2,n=1） 如果PO是某個(gè)小區(qū)內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)，其坐標(biāo)可用復(fù)數(shù)標(biāo)記為 ，則相鄰6個(gè)簇內(nèi)與PO對(duì)應(yīng)的6個(gè)同頻小區(qū)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)是： jyxP06 ,1,2, 333kenemRjyxPjkjk使用相同頻率的兩個(gè)小區(qū)的中心距離叫做同頻復(fù)用距離。在規(guī)則復(fù)用模式下，最小的同頻復(fù)用距離是 RKmnnmRD3322圖7-7 不規(guī)則的頻率復(fù)用模式（K5） 7.2.2星間頻率復(fù)用星間頻率復(fù)用 對(duì)于FDMA/TDMA系統(tǒng)，在這兩個(gè)波束內(nèi)使用相同的頻率就會(huì)造成嚴(yán)重的同信道干擾。因此，有必要在頻率上對(duì)兩顆衛(wèi)星的波束進(jìn)行分隔。圖7-8 相鄰的衛(wèi)星使用不同的頻率 圖7-9 每顆衛(wèi)星的前半部分

5、和后半部分使用不同的頻率 圖7-10 奇數(shù)極軌時(shí)的頻率復(fù)用，1軌道自北向南 圖7-11 奇數(shù)極軌時(shí)的頻率復(fù)用，1軌道自南向北 7.2.3 CDMA的頻率復(fù)用的頻率復(fù)用 CDMA系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)是擴(kuò)頻，由于擴(kuò)頻固有的強(qiáng)抗干擾能力，所有頻率資源可以在所有小區(qū)中重復(fù)使用，因此CDMA的頻率復(fù)用因子是K=1。7.3 7.3 同信道干擾同信道干擾 對(duì)于FDMA/TDMA系統(tǒng)，同信道干擾決定了復(fù)用因子K的設(shè)計(jì)。對(duì)于CDMA系統(tǒng)，雖然頻率復(fù)用的問(wèn)題存在，但同信道干擾與其容量密切相關(guān)。7.3.1 FDMA/TDMA系統(tǒng)系統(tǒng)中的同信道干擾中的同信道干擾干擾源主要來(lái)自同一衛(wèi)星的其它同頻波束，也有可能來(lái)自其它衛(wèi)星。

6、圖7-12 上行鏈路的同信道干擾 點(diǎn)波束天線的一種典型方向圖 2331max362uuJuuJGGdBu3sinsin07123. 2圖7-6 點(diǎn)波束天線的方向增益 -60-40-200204060-80-70-60-50-40-30-20-100偏 離 軸 線 方 向 的 度 數(shù)相對(duì)軸線方向的天線增益（dB）如果第i個(gè)干擾用戶的發(fā)射功率是Pi，自干擾用戶到被干擾衛(wèi)星的路徑損耗是Li，干擾用戶的位置偏離被干擾波束軸線方向的角度是 ，那么這個(gè)干擾用戶產(chǎn)生的干擾功率是 i iiiiGLPI于是總的信號(hào)干擾功率比，或簡(jiǎn)稱(chēng)信擾比為 iiiiccciiGLPGLPICIC圖7-14 上行C/I的典型分布

7、特性 -100102030405000.10.20.30.40.50.60.70.80.91C/I (dB)累積分布K=3 K=4 K=7 圖7-15 下行鏈路的同信道干擾 圖7-16 下行C/I的典型分布特性 -100102030405000.10.20.30.40.50.60.70.80.91C/I (dB)累積分布K=3 K=4 K=7 7.3.2 CDMA系統(tǒng)中的同信道干擾系統(tǒng)中的同信道干擾在CDMA系統(tǒng)中，不同的用戶可以同時(shí)使用相同的頻率發(fā)送信號(hào)。 為了提高系統(tǒng)容量，CDMA系統(tǒng)一般采用了發(fā)送功率控制技術(shù)和語(yǔ)音激活發(fā)送技術(shù)。 圖7-17 CDMA上行鏈路 如果已知f，則小區(qū)1內(nèi)某個(gè)用

8、戶的信擾比近似為 fNIICICucea11圖7-18 鄰小區(qū)干擾因子 33.23.43.63.844.24.44.64.8500.511.52小 區(qū) 邊 緣 的 衰 減 量 (dB)鄰小區(qū)干擾因子 圖7-19 增加小區(qū)邊緣的衰減設(shè)計(jì)值可以降低鄰小區(qū)干擾因子 7.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖7-20示出了衛(wèi)星蜂窩系統(tǒng)典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它和地面蜂窩系統(tǒng)基本相仿。 圖7-20 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 7.4.17.4.1空間段空間段 衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)的空間段由空中的所有衛(wèi)星構(gòu)成。這些衛(wèi)星分布在多個(gè)軌道面上，形成一種特定的衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)。衛(wèi)星軌道的高低直接決定了覆蓋區(qū)的大小，同時(shí)也決定了需要多少顆衛(wèi)星才能實(shí)現(xiàn)

9、全球覆蓋。 7.4.2 7.4.2 地面段地面段 地面段最重要的組成部分是衛(wèi)星關(guān)口站（Gateway），它相當(dāng)于地面蜂窩系統(tǒng)中的移動(dòng)交換中心（MSC）。 圖7-21 銥系統(tǒng)的關(guān)口站框圖 7.5 7.5 網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)控制 7.5.1網(wǎng)絡(luò)控制概述網(wǎng)絡(luò)控制概述 1.1.網(wǎng)絡(luò)控制的功能網(wǎng)絡(luò)控制的功能 移動(dòng)性管理（MM）無(wú)線資源管理（RR）連接管理（CM） 圖7-22 類(lèi)似GSM的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議棧 3. 信令信道信令信道網(wǎng)絡(luò)控制的功能是通過(guò)移動(dòng)終端和關(guān)口站之間的信息交互完成的，這些控制信息一般稱(chēng)作信令。 不管是業(yè)務(wù)信道還是信令信道，它們最終自然要在物理層上傳輸。 圖7-23 邏輯信道是對(duì)物理信道的映射 控

10、制信道控制信道 1.BCCH（廣播控制信道）2.CCCH（公用控制信道）3.DCCH（專(zhuān)用控制信道） 7.5.2 7.5.2 移動(dòng)性管理移動(dòng)性管理 移動(dòng)性管理中最核心的問(wèn)題是如何讓系統(tǒng)知道用戶當(dāng)前所處的位置。在衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)中，特定的位置被歸屬到某個(gè)關(guān)口站的服務(wù)區(qū)中的某個(gè)位置區(qū)中。用戶通過(guò)位置登記向系統(tǒng)報(bào)告自己的位置區(qū)。 1.1.關(guān)口站的服務(wù)區(qū)關(guān)口站的服務(wù)區(qū) 在衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)中，所有用戶的通信都必須經(jīng)過(guò)關(guān)口站進(jìn)行。 在沒(méi)有星際鏈路的系統(tǒng)中，用戶只有和關(guān)口站處在同一衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，才能得到通信服務(wù)。 2.2.位置登記位置登記 位置登記就是要求用戶定期或不定期地向系統(tǒng)報(bào)告它的位置信息。 用戶通過(guò)位

11、置登記向系統(tǒng)發(fā)送的是其所在地的位置區(qū)識(shí)別碼LAC。 3.3.尋呼尋呼 當(dāng)有電話呼叫打到衛(wèi)星移動(dòng)用戶時(shí)，系統(tǒng)首先要對(duì)這個(gè)用戶發(fā)起呼叫，這個(gè)過(guò)程叫尋呼。 7.5.3 呼叫控制呼叫控制 呼叫控制是連接管理（CM）的一個(gè)子集，它負(fù)責(zé)呼叫的建立、維持、釋放等功能。這里“呼叫”含義是指一個(gè)電話話路連接，包括話音業(yè)務(wù)以及基于電路交換的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 圖7-25 衛(wèi)星用戶主叫的情形 圖7-26 衛(wèi)星用戶被叫的情形 7.5.47.5.4無(wú)線資源管理無(wú)線資源管理 無(wú)線資源管理（RR）的問(wèn)題發(fā)生在呼叫建立的時(shí)候，它的功能是為需要通信的用戶決定一個(gè)合適的衛(wèi)星、波束，在這個(gè)波束內(nèi)分配一個(gè)信道，并規(guī)定用戶以及衛(wèi)星以什么樣的功

12、率發(fā)送信號(hào)。 1.FCA 在FCA中，每個(gè)波束有固定的資源，因而一個(gè)波束能提供的信道數(shù)是固定的。 在FCA系統(tǒng)中有可能出現(xiàn)這樣的情形，即某個(gè)波束上的信道已經(jīng)被占滿，使新發(fā)生的呼叫被阻塞，但在同一時(shí)間內(nèi)其它波束上還有許多空閑的信道。 2.CB CB是信道借用（Channel Borrowing）的縮寫(xiě)。采用CB的系統(tǒng)首先按FCA的方式工作，每個(gè)波束都有預(yù)先分配好的固定數(shù)目的信道數(shù)。 圖7-27 CB的概念 3.DCA在完全的DCA中，不再有簇的概念，每個(gè)波束也沒(méi)有事先分配的固有信道。每當(dāng)發(fā)生一個(gè)呼叫系統(tǒng)就為這個(gè)呼叫分配一個(gè)信道，呼叫結(jié)束后這個(gè)信道資源將交還系統(tǒng)，以備下一個(gè)發(fā)生的呼叫使用。 7.6

13、7.6切換切換 切換工作的宗旨是為了保證用戶在通話過(guò)程中系統(tǒng)能持續(xù)性地提供信道連接。在地面蜂窩系統(tǒng)如GSM或者IS95中，一個(gè)正在通話的用戶從一個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍移動(dòng)到另外一個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍時(shí)，就產(chǎn)生了切換的問(wèn)題。 7.6.17.6.1不同的切換情形不同的切換情形 信道切換信道切換波束間切換波束間切換星間切換星間切換關(guān)口切換關(guān)口切換網(wǎng)絡(luò)切換網(wǎng)絡(luò)切換7.6.27.6.2切換的操作切換的操作 在切換操作中，首先需要決定的問(wèn)題是否該切換以及何時(shí)切換；其次是應(yīng)該切換到哪個(gè)波束（或者衛(wèi)星等）上；再就是切換的過(guò)程如何進(jìn)行。 圖7-32 后向切換 圖7-33 前向切換 7.6.3 切換引起的資源分配問(wèn)題切換引

14、起的資源分配問(wèn)題視同新呼叫視同新呼叫預(yù)留資源預(yù)留資源切換排隊(duì)切換排隊(duì)DCA 7.6.4CDMA系統(tǒng)中的軟切換系統(tǒng)中的軟切換 由于CDMA的頻率復(fù)用因子是1，相鄰波束使用相同的頻率，于是當(dāng)用戶處在波束交疊區(qū)時(shí)，完全可以同時(shí)在兩個(gè)波束內(nèi)建立鏈路，這種做法叫宏分集。 圖7-28 軟切換示意圖 7.77.7業(yè)務(wù)容量業(yè)務(wù)容量 7.7.1單小區(qū)的愛(ài)爾蘭容量單小區(qū)的愛(ài)爾蘭容量 1愛(ài)爾蘭表示一小時(shí)時(shí)間段內(nèi)用戶所產(chǎn)生的總呼叫時(shí)間為一小時(shí)。 若所有用戶有相同的統(tǒng)計(jì)特性，阻塞率是 ，則有關(guān)系 BpApABc 1當(dāng)用戶數(shù)足夠多時(shí)，通?？梢约僭O(shè)單位時(shí)間（一小時(shí)）內(nèi)發(fā)生的呼叫次數(shù)n服從Poisson分布，即 enpnn!0n用戶每次的通話時(shí)長(zhǎng)t服從指數(shù)分布 0 tetf在這種模型下，阻塞率和信道數(shù)、系統(tǒng)負(fù)荷的關(guān)系由Erlang-B公式確定： ccNiicNBiNAp0!定義信道的愛(ài)爾蘭效率為： cNAErl假設(shè)系統(tǒng)的愛(ài)爾蘭容量是A，信道效率為 ，忙時(shí)（即最忙的那個(gè)小時(shí)）平均每個(gè)用戶產(chǎn)生的話務(wù)量為 ，那么單小區(qū)可支持的用戶數(shù)為ErluAucucelluANAANErl,7.7.2 系統(tǒng)的容量及頻譜效率系統(tǒng)的容量及頻譜