TDMA和CDMA第三代移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要技術(shù)比較

1、TDMA和CDMA第三代移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要技術(shù)比較周林風(fēng)、王東進【摘要】本文討論了TDMA和CDMA第三代移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)（即第三代移動通信系統(tǒng)中的衛(wèi)星移動通信網(wǎng)）一些主要技術(shù)，并考慮了其面臨的一些主要問題及可能的解決方案。【關(guān)鍵調(diào)】 第三代移動通信系統(tǒng)  移動衛(wèi)星通信系統(tǒng) TDMA CDMA1概述    第三代移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是接入技術(shù)的選擇，在有限的頻譜內(nèi)增加系統(tǒng)容量。主要有兩種候選方案：TDMA技術(shù)和CDMA技術(shù)。而FDMA技術(shù)隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展早已不單獨使用，經(jīng)常與TDMA或CDMA技術(shù)混合使用。在第二代移動衛(wèi)星通信

2、系統(tǒng)中，接入技術(shù)的不同已導(dǎo)致了兩類不同的相互競爭的移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展：Iridium、ICO（TDMA）；Globalstar、Odyssey（CDMA）。ITU提出的在2000年建設(shè)第三代移動通信系統(tǒng)IMT2000的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)部分現(xiàn)已收到的6個提案中，既有TDMA的，也有CDMA的，還有TDMA和CDMA以及FDMA綜合的，如：由ICO Global Communications公司主持的 ICOGlobal Communications系統(tǒng)（TDMA）；由ESA提出的SWCDMA系統(tǒng)（空中接口基于地面的WCDMA技術(shù)）；由Iridium Operating LLC主持的

3、INX系統(tǒng)（TDMA/CDMAFDMA混合方式）；由ESA提出的SWC/TDMA系統(tǒng)（DSCDMA與TDMA混合方案）等。各種提案的共同特點是：全球覆蓋；小區(qū)切換；支持多媒體業(yè)務(wù)，一般業(yè)務(wù)速率可達到144 kb/s；支持電路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（接入Internet）等。    當然，這種對比并不是絕對的，有些方面對兩者都適用。另外，由于篇幅所限，TDMA和CDMA系統(tǒng)的一些重要的共性技術(shù)本作探討，如星間鏈路、對寬帶業(yè)務(wù)的支持。名普勒頻移抵消等。2 TDMA技術(shù)2.1 PRMA（分組預(yù)約多址接入）    現(xiàn)有的第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)

4、大多已經(jīng)采用了TDMA多址訪問方式（如著名的GSM系統(tǒng)），如何在現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)上實現(xiàn)系統(tǒng)容量的增加和業(yè)務(wù)的綜合是目前面臨的現(xiàn)實而具體的問題。 1989年美國Bell實驗室的DJGoodman等人為未來的蜂窩移動通信系統(tǒng)提出了一種多址協(xié)議一PRMA，該協(xié)議較成功地解決了基于TDMA方式的蜂窩移動通信系統(tǒng)的容量增加和業(yè)務(wù)綜合等問題，因此它一經(jīng)提出就受到了高度的重視，世界上許多的組織和機構(gòu)都對它進行了深入的研究。    PRMA協(xié)議類似RALOHA，是TDMA和分槽  ALOHA協(xié)議的結(jié)合。采用   PRMA協(xié)議的蜂窩移動通信系統(tǒng)主要優(yōu)點有

5、：采用話音激活技術(shù)，性能較TDMA有較大的改善；具有軟容量，即系統(tǒng)中用戶數(shù)的增加超過設(shè)計值時僅造成性能的惡化；終端訪問信道延遲時間?。豢蓪崿F(xiàn)無縫隙的越區(qū)切換接續(xù)；具有分布式控制功能；可方便地與基于ATM的固定網(wǎng)互連。    在PRMA中，各載波有一幀結(jié)構(gòu)，由若干個TS（時隙）組成，每個TS能承載一分組。TS和信道不是一對應(yīng)的，任何TS能承載任何信道的分組。各接收終端通過讀取分組頭識別出分組是否是傳送給自己的。PRMA技術(shù)的目標是利用大多數(shù)業(yè)務(wù)內(nèi)在的空閑時間。各TS并不像傳統(tǒng)TDMA系統(tǒng)那樣由某呼叫的全部時間所占用，而是可以被任何呼叫占用。  &

6、#160; 在前向信道（BSS至MS），BSS（Base StationSystem）將分組復(fù)用以TDM方式發(fā)送出去；各MS（MobileStation）讀取分組頭且只保留標記給自己的分組。    在反向信道（MS至BSS），采用與分槽ALOHA技術(shù)類似的方法，有新信息要發(fā)送的MS隨機接入某可用TSn；MS通過讀取由BSS廣播的業(yè)務(wù)控制分組（其中有當前各TS的預(yù)約情況）知道該TS的可用性。如果MS a在可用TSn中發(fā)送的分組成功到達BSS而沒有與其它分組發(fā)生碰撞，則BSS將TSn分配給MS a使用，直到在TSn上收到空閑信號為止。因此，從所有MS由業(yè)務(wù)控制分組告知

7、TSn被分配的時刻起，MS a發(fā)送的分組不會碰撞。    在衛(wèi)星環(huán)境下，由于衛(wèi)星傳播時延較大，PRMA有一較大缺陷。設(shè)Td為往返時延，則從MS發(fā)送分組時刻起，到所有MS被告知TS分配情況，需要2Td的時間如，在GEO（靜止軌道）中，約有540m。因此，MS必須至少等待2Td的時間才能開始無碰撞的分組傳送。    PRMA在衛(wèi)星環(huán)境的應(yīng)用取決于Td、業(yè)務(wù)最大時延容限和業(yè)務(wù)差錯率容限。因此，在某衛(wèi)星環(huán)境下，可以將業(yè)務(wù)分為兩類：PRMA兼容的業(yè)務(wù)和不兼容的業(yè)務(wù)。如，若使用GEO則語音業(yè)務(wù)不是PRMA兼容的；而若使用LEO（低軌道），則是PR

8、MA兼容的。    實際上，在某衛(wèi)星系統(tǒng)中，以上兩種業(yè)務(wù)可以共存，此時PRMA技術(shù)僅用于PRMA兼容的呼叫，而PRMA不兼容的呼叫仍可用傳統(tǒng)TDMA技術(shù)來處理，即在整個呼叫期間TS一直為其所用。而且，PRMA不兼容呼叫的MS可以利用呼叫中的空閑時間來傳送其他PRMA兼容的呼叫（如，在GEO環(huán)境下，低速數(shù)據(jù)傳送可以利用話音呼叫的空閑時間完成）。即使兩者的目標FES（Fixed Earth Station）不同，也是可行的。    假設(shè)備載波每幀有S個TS，則傳統(tǒng)TDMA每幀可提供S個信道，而PRMA可提供?S（1）。其中被稱為PRMA效

9、率因子。對的大小取決于分組丟失率容限、每幀TS數(shù)和幀長等參數(shù)。通過合理選擇這些參數(shù)，達1.51.7。因此，若假定各點波束業(yè)務(wù)量相同，則式（1）成立。其中河是衛(wèi)星系統(tǒng)能提供的信道總數(shù)（假定無限可用功率）；C是可用載波教，等于可用帶寬W與各載波帶寬Wc之比； NC是非交疊的點波束簇數(shù)（點波束簇是為避免同信道干擾太大時同種載波不能再用的一組點波束的集合）。              NsCNc（1）    式（1）表示出了帶寬對系統(tǒng)容量的限制

10、。功率對系統(tǒng)容量也有限制（此處不多作討論）。    假定無限可用帶寬時衛(wèi)星系統(tǒng)可提供的可用信道數(shù)為N”，則衛(wèi)星系統(tǒng)實際可提供的信道總數(shù)Nmin（N'，N''）。2.2DCA（動態(tài)信道分配）    信道分配要解決的核心是如何將有限的信道資源高效地分配給用戶，使系統(tǒng)達到最大的容量和最好的服務(wù)質(zhì)量。信道分配方案分為兩大類：FCA（固定信道分配）和DCA。    在傳統(tǒng)FCA策略中，根據(jù)業(yè)務(wù)量預(yù)測載波半永久地分配給衛(wèi)星小區(qū)。由于點波束半徑的減小和非GEO衛(wèi)星的快速運動，衛(wèi)星小區(qū)業(yè)務(wù)密度不可

11、預(yù)知地隨時間和地理位置而變化。因此，為了充分利用衛(wèi)星資源，載波一衛(wèi)星小區(qū)分配需實時重新調(diào)整。另一方面，如果由一中央實體如NCS（NetworkControlStation）負責載波重分配，則需要大量的信令信息交換。    此時可采用分布控制的DCA策略來解決以上問題：一方面，為了滿足快速變化的通信信道需求，載波到不同小區(qū)的分配進行實時動態(tài)調(diào)整，另一方面，由FES而不是NCS進行重分配，因而減少了控制信息交換，增加了系統(tǒng)的魯律性。這樣，系統(tǒng)根據(jù)當前的業(yè)務(wù)負載和干擾情況，動態(tài)地將信道分配給所需的用戶，達到最大的系統(tǒng)容量和最佳的通信質(zhì)量。  

12、0; 實行DCA策略后，一旦某衛(wèi)星小區(qū)的可用信道數(shù)小于某一給定閾值Ta，則FES為該衛(wèi)星小區(qū)啟動載波捕獲過程；一旦可用信道數(shù)大于另一閾值Tr，則FES從該衛(wèi)星小區(qū)釋放載波。    為了避免載波捕獲時發(fā)生碰撞，每個FES在一時長為T的決策幀中分配到一個不同的決策TS，各FES僅允許在自己決策TS的開始進行載波捕獲，即每T秒一次。決策TS的時長必須足夠長，以便允許該FES將結(jié)果告知其他所有的FES。FES可采用不同的策略從一組可用載波中或從所擁有的一組載波中的將要釋放的載波中捕獲載波。2.3 TDMA中的無縫切換    第三代移動衛(wèi)星通信

13、系統(tǒng)的主要問題之一是需要大量的信令信息。特別是由于點波束半徑的減小和非GEO衛(wèi)星的采用，切換和小區(qū)更新次數(shù)增加，為了節(jié)約寶貴的衛(wèi)星資源，相應(yīng)的信令信息應(yīng)最少化。    此時無縫切換是一明智選擇。它不中斷現(xiàn)行呼叫，而所需的信令交換最少。無縫切換可通過MS的幾個控制功能分布化來實現(xiàn)。    GSM中的小區(qū)更新（當空閑MS改變廣播控制信道時，發(fā)生小區(qū)更新）幾乎完全由MS負責，某小區(qū)。的各空閑MS一旦發(fā)現(xiàn)小區(qū)b參考載波的接收功率電平大于小區(qū)a參考載波功率電平，則自主選擇新小區(qū)b。MS甚至不將其更新的小區(qū)通知固定網(wǎng)，除非其位置區(qū)改變。 

14、;   而GSM中的越區(qū)切換（當忙MS改變通信信道時，發(fā)生小區(qū)切換。習(xí)慣上有時切換包括小區(qū)更新和小區(qū)切換兩種情況）與此不同，它由固定網(wǎng)負責BSS和 MSC（MobileSwitching Center）。這是基于以下考慮：一方面，呼叫進行中的MS大部分處理能力用于呼叫處理（因而不能用于處理各參考載波的接收功率電平），另一方面，每次切換均需查詢服務(wù)于新小區(qū)的BSS中存放的信道一TS分配圖；而且，切換過程要求與新BSS達到幀同步。    以上切換難題在第三代環(huán)境下可得以解決：一方面，MS將有更大的處理能力，另一方面，由BSS廣播適當?shù)目刂?/p>

15、突發(fā)信號可告知MS當前小區(qū)負荷?？刹捎门c前述GSM小區(qū)更新過程類似的方法來實現(xiàn)切換過程：將大部分控制功能分布到MS中，以使信令交換最少化，并與前述PRMA技術(shù)相適應(yīng)。在這種情況下，MS必須檢查服務(wù)于新待選小區(qū)b的BSS（FES）發(fā)送的業(yè)務(wù)控制分組，以便檢查分配到小區(qū)b的載波的可用TS比例。如果其中某載波c的比例大于相應(yīng)的閾值，則MS被授權(quán)切換至小區(qū)b。因此，其發(fā)生器切換至載波c,而同時仍接收舊小區(qū)a的信號；直到固定網(wǎng)已獲知發(fā)生了切換，并通過新小區(qū)b傳送前向業(yè)務(wù)流。2.4 TDMA中的同步    實現(xiàn)上述無縫切換需解決的主要問題之一是返回鍵路與新BSS（FES）同步

16、的初始捕獲。     GSM中，在跟蹤階段，發(fā)送和接收有3TSTA（時間提前量，Timing Advnance）的時間參差。其中3TS參差避免了MS的同時發(fā)送和接收，因此不需雙工器；TA為MS發(fā)送提供正確的BSS時鐘同步。某MS的合適TA值由相應(yīng)的BSS根據(jù)接收的突發(fā)信號與TS邊緣的時間偏移計算，并每隔一定時間發(fā)送至MS。顯然TA介于2dmin/c和2dmax/c之間，其中d是MS與BSS間的距離，c是光速。在初始捕獲階段（即呼叫建立或發(fā)生切換時），BSS必須根據(jù)MS發(fā)送的第一個突發(fā)信號（呼叫建立情況下的隨機接入突發(fā)信號，切換情況下的切換接入突發(fā)信號）確

17、定TA的初始值。對于這些突發(fā)信號，要求長的護衛(wèi)時間來允許MS在不知其與BSS距離時接入BSS，顯然為了使MS可處于任意位置，這些護衛(wèi)時間必須大于2（dmax一dmi）/c。在GSM中是0.252ms。    在衛(wèi)星環(huán)境下，dmin，dmax范圍（其中d是MS與FES的距離）大于地面蜂窩網(wǎng)中的值。因此，在跟蹤階段，更不可能去避免同時發(fā)送和接收，因此接收MS中須有雙工器。同樣地，在初始捕獲階段，由于2（dmax-dmin)/c大于0.252m，第一個接人突發(fā)信號不再能在GSM TS內(nèi)提供。一種可能的解決辦法是使用一個。ad hoc衛(wèi)星隨機接八載波，完全用于承載隨機接入

18、突發(fā)信號，以非分槽ALOFLA方式由MS接入。同一隨機接八載波可以由幾個FES共享。    不幸的是，采用此種與GSM同步過程類似的方法以及對衛(wèi)星系統(tǒng)的改進與無縫切換概念抵觸。因為為了進行返回鏈路與新BSS（FES）同步的初始捕獲，返回鏈路業(yè)務(wù)流有兩個往返時延的中斷（第一個往返時延用于將切換接入突發(fā)信號發(fā)送至BSS（FES），第二個用于接收初始TA值）。這一問題的一種解決方案（與PRMA環(huán)境相適應(yīng)）是，以非分槽ALOHA而不是分槽ALOHA方式發(fā)送第一個信息突發(fā)信號至新FES。顯然，這種方案使得碰撞概率增加；另一種解決方案（適合于GEO衛(wèi)星系統(tǒng)）是，將MS和GPS

19、終端綜合在一起，以便各MS基于其實際位置來計算其與BSS（FES）的實際距離。其距離偏差可由短護衛(wèi)時間來補償。3 CDMA技術(shù)3.1CDMA的改進3.2 CDMA的CI監(jiān)控技術(shù)    CI。是參考信號功率與干擾譜密度（即熱噪聲密度和固有噪聲密度等之和）的比值。每個MS（FES）對所有的CDMA模塊依次測量其當前CI。值，尋找CI。最高的模塊。如果其大于相應(yīng)閾值（以下稱之為CI。門限），則MS（FES）認為在相應(yīng)的CDMA模塊中前向（返回）業(yè)務(wù)信道是可用的；否則MS認為無CDMA模塊有可用業(yè)務(wù)信道，呼叫建立過程失敗。    由于眾所周知

20、的異步CDMA技術(shù)的故障弱化性能（即個別部件發(fā)生故障時，仍能工作，迫性能下降），CI。暫時低于CI。門限是允許的。一定的傳播時延引起的碰撞裁決就可引起這種情況的發(fā)生。如，假定某CDMA模塊當前的CI。僅稍大于CI。門限，僅能支持一個額外呼叫；若此時有兩個幾乎同時的呼叫建立嘗試，則在該CDMA模塊中建立此兩呼叫，導(dǎo)致以上情況的發(fā)生。3.3 CDMA中的軟切換    由于CDMA的各小區(qū)均采用同一載頻的天線系統(tǒng)，其間的區(qū)別僅僅是碼序列不同，所以當NS從一小區(qū)跨入另一小區(qū)時，不會發(fā)生頻率切換，即不是硬切換而是軟切換，因此在越區(qū)切換時，通話者不會有任何感覺，對于數(shù)據(jù)傳輸也

21、不會造成任何損害。    很顯然，此種切換的實現(xiàn)需在相鄰點波束中再用同一CDMA模塊。    在負荷透明傳輸?shù)那闆r下，某CDMA模塊中的所有信號必須作為一個整體進行路由選擇；因此，該CDMA模塊中的所有信號均選路至與該模塊相對應(yīng)的那一點波束。呼叫某MS（FES）的各FES（MS）必須在與該點波束相對應(yīng)的CDMA模塊中發(fā)送，而其目的地 MS正處于漫游之中（而目的地 FES是固定的）。必須清楚，這種安排不允許軟切換，因為相鄰點波束與不同的CDMA模塊相聯(lián)系。    在負荷再生傳輸且具有星上處理器的情況下，某C

22、DMA模塊中的各信號可選路至與同一模塊的其他信號相獨立的任一點波束。因此同一CDMA模塊在所有相鄰點波束中可有效再用，這是因為，由于合理的星上選路，同一CDMA模塊在不同的點波束上承載不同的信號（即，在某點波束中，它只承載實際尋址至該點波束的信號）。此種安然允許實現(xiàn)軟切換。事實上CDMA模塊的選擇僅可在呼叫建立時進行；某CDMA模塊中建立的呼叫在整個呼叫期間均保持在該模塊中，而不管呼叫中MS是否跨越該點波束。    在軟切換可行的情況下，可引入宏分集概念。當呼叫進行中的MS想改變衛(wèi)星小區(qū)時，該MS可同時連到多個衛(wèi)星小區(qū)上；該多個衛(wèi)星小區(qū)的集合稱為活動集。一般從一點波束轉(zhuǎn)到另一點波束的MS可與兩個小區(qū)連接。在前向鍵路，由于使用Rake接收機，MS可將來自活動集中的所有FES信號綜合起來；同樣地，在返回鍵路，與某MS的活動集中的衛(wèi)星小區(qū)相關(guān)的不同F(xiàn)ES接收的信號也可以綜合起來。3.4與CDMA技術(shù)有關(guān)的其它直要問題    Rake接收機和干擾抑制器用于提高CDMA系統(tǒng)性能。Rake接收機可放在MS和FES中。多徑分量（其可代化組合）的數(shù)目等于Rake接收機中接收鍵的數(shù)目；而且，若使用軟切換，Rake可像上述那