衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術

第七章：衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術

組長：孫亞偉

成員:宋宇、史寶通、王錦程、李博、韓莉、劉海英、徐晨、王燦、

第七章衛(wèi)星蜂窩移動系統(tǒng)72.1 衛(wèi)星蜂窩的概念7.2 頻率復用7.3 同信道干擾7.4 系統(tǒng)結構7.5 網絡控制7.6 切換7.7 業(yè)務容量7.1 衛(wèi)星蜂窩的概念采用多波束進行頻率復用就形成了衛(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

在一個衛(wèi)星波束所覆蓋的地球表面上，將信號接收強度相同的點連起來就構成了一個電平等高線，小區(qū)的邊界就是一個電平等高線，不同電平的等高線將形成不同半徑的同心圓。

圖7-2不同信號電平構成的等高線

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頻率復用

7.2.1星內的頻率復用

小區(qū)頻率復用的意思就是說，在某個小區(qū)內使用的頻率資源也可以被其它小區(qū)同時使用。FDMA系統(tǒng)進行頻率復用的方法一般是把總的頻率資源分割為K組，在覆蓋范圍內每K個鄰近的小區(qū)組合成一個簇。

圖7-5頻率復用模式

假設某一顆衛(wèi)星所覆蓋的總面積為Ssat，衛(wèi)星可用的總帶寬是Bsat，每個載波占用的帶寬是Sc，每個載波可以提供N個業(yè)務信道，那么整個衛(wèi)星只用一個波束覆蓋時總共可以提供的信道數(shù)為采用多個點波束時，若每個小區(qū)的面積為，則總共有個小區(qū)，個簇，每個簇都有個業(yè)務信道，每個小區(qū)中的信道數(shù)是，此時總共能提供的業(yè)務信道數(shù)是與單波束情形相比，采用蜂窩頻率復用使信道數(shù)增加了G倍如果相鄰簇中的干擾小區(qū)到被干擾小區(qū)距離相同，則稱為規(guī)則的小區(qū)頻率復用，此時K不可能是任意的，它一定滿足下式 圖7-6規(guī)則的頻率復用模式（K=7,m=2,n=1）

如果PO是某個小區(qū)內的一個點，其坐標可用復數(shù)標記為，則相鄰6個簇內與PO對應的6個同頻小區(qū)中對應點的坐標是： 使用相同頻率的兩個小區(qū)的中心距離叫做同頻復用距離。在規(guī)則復用模式下，最小的同頻復用距離是圖7-7不規(guī)則的頻率復用模式（K＝5）

7.2.2星間頻率復用

對于FDMA/TDMA系統(tǒng)，在這兩個波束內使用相同的頻率就會造成嚴重的同信道干擾。因此，有必要在頻率上對兩顆衛(wèi)星的波束進行分隔。圖7-8相鄰的衛(wèi)星使用不同的頻率

圖7-9每顆衛(wèi)星的前半部分和后半部分使用不同的頻率

圖7-10奇數(shù)極軌時的頻率復用，1軌道自北向南

圖7-11奇數(shù)極軌時的頻率復用，1軌道自南向北

7.2.3CDMA的頻率復用

CDMA系統(tǒng)的技術基礎是擴頻，由于擴頻固有的強抗干擾能力，所有頻率資源可以在所有小區(qū)中重復使用，因此CDMA的頻率復用因子是K=1。7.3同信道干擾

對于FDMA/TDMA系統(tǒng)，同信道干擾決定了復用因子K的設計。對于CDMA系統(tǒng)，雖然頻率復用的問題存在，但同信道干擾與其容量密切相關。7.3.1

FDMA/TDMA系統(tǒng)

中的同信道干擾干擾源主要來自同一衛(wèi)星的其它同頻波束，也有可能來自其它衛(wèi)星。

圖7-12上行鏈路的同信道干擾

點波束天線的一種典型方向圖 圖7-6點波束天線的方向增益

如果第i個干擾用戶的發(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，那么這個干擾用戶產生的干擾功率是 于是總的信號干擾功率比，或簡稱信擾比為 圖7-14上行C/I的典型分布特性

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

7.3.2

CDMA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使用相同的頻率發(fā)送信號。為了提高系統(tǒng)容量，CDMA系統(tǒng)一般采用了發(fā)送功率控制技術和語音激活發(fā)送技術。

圖7-17CDMA上行鏈路

如果已知f，則小區(qū)1內某個用戶的信擾比近似為 圖7-18鄰小區(qū)干擾因子

圖7-19增加小區(qū)邊緣的衰減設計值可以降低鄰小區(qū)干擾因子

7.4系統(tǒng)結構

圖7-20示出了衛(wèi)星蜂窩系統(tǒng)典型的系統(tǒng)結構，它和地面蜂窩系統(tǒng)基本相仿。

圖7-20衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的網絡結構

7.4.1空間段

衛(wèi)星移動系統(tǒng)的空間段由空中的所有衛(wèi)星構成。這些衛(wèi)星分布在多個軌道面上，形成一種特定的衛(wèi)星星座結構。衛(wèi)星軌道的高低直接決定了覆蓋區(qū)的大小，同時也決定了需要多少顆衛(wèi)星才能實現(xiàn)全球覆蓋。

7.4.2地面段地面段最重要的組成部分是衛(wèi)星關口站（Gateway），它相當于地面蜂窩系統(tǒng)中的移動交換中心（MSC）。

圖7-21銥系統(tǒng)的關口站框圖

7.5網絡控制

7.5.1網絡控制概述

1.網絡控制的功能

移動性管理（MM）無線資源管理（RR）連接管理（CM）

圖7-22類似GSM的網絡控制協(xié)議棧

3.

信令信道網絡控制的功能是通過移動終端和關口站之間的信息交互完成的，這些控制信息一般稱作信令。不管是業(yè)務信道還是信令信道，它們最終自然要在物理層上傳輸。

圖7-23邏輯信道是對物理信道的映射

控制信道

BCCH（廣播控制信道）CCCH（公用控制信道）DCCH（專用控制信道）

7.5.2移動性管理

移動性管理中最核心的問題是如何讓系統(tǒng)知道用戶當前所處的位置。在衛(wèi)星移動系統(tǒng)中，特定的位置被歸屬到某個關口站的服務區(qū)中的某個位置區(qū)中。用戶通過位置登記向系統(tǒng)報告自己的位置區(qū)。

1.關口站的服務區(qū)

在衛(wèi)星移動系統(tǒng)中，所有用戶的通信都必須經過關口站進行。在沒有星際鏈路的系統(tǒng)中，用戶只有和關口站處在同一衛(wèi)星的覆蓋范圍內時，才能得到通信服務。

2.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)報告它的位置信息。用戶通過位置登記向系統(tǒng)發(fā)送的是其所在地的位置區(qū)識別碼LAC。

3.尋呼當有電話呼叫打到衛(wèi)星移動用戶時，系統(tǒng)首先要對這個用戶發(fā)起呼叫，這個過程叫尋呼。

7.5.3呼叫控制

呼叫控制是連接管理（CM）的一個子集，它負責呼叫的建立、維持、釋放等功能。這里“呼叫”含義是指一個電話話路連接，包括話音業(yè)務以及基于電路交換的數(shù)據業(yè)務。

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

7.5.4無線資源管理

無線資源管理（RR）的問題發(fā)生在呼叫建立的時候，它的功能是為需要通信的用戶決定一個合適的衛(wèi)星、波束，在這個波束內分配一個信道，并規(guī)定用戶以及衛(wèi)星以什么樣的功率發(fā)送信號。

1.FCA在FCA中，每個波束有固定的資源，因而一個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，即某個波束上的信道已經被占滿，使新發(fā)生的呼叫被阻塞，但在同一時間內其它波束上還有許多空閑的信道。

2.CBCB是信道借用（ChannelBorrowing）的縮寫。采用CB的系統(tǒng)首先按FCA的方式工作，每個波束都有預先分配好的固定數(shù)目的信道數(shù)。

圖7-27CB的概念

3.DCA在完全的DCA中，不再有簇的概念，每個波束也沒有事先分配的固有信道。每當發(fā)生一個呼叫系統(tǒng)就為這個呼叫分配一個信道，呼叫結束后這個信道資源將交還系統(tǒng)，以備下一個發(fā)生的呼叫使用。

7.6切換

切換工作的宗旨是為了保證用戶在通話過程中系統(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，一個正在通話的用戶從一個小區(qū)的覆蓋范圍移動到另外一個小區(qū)的覆蓋范圍時，就產生了切換的問題。

7.6.1不同的切換情形

信道切換波束間切換星間切換關口切換網絡切換7.6.2切換的操作

在切換操作中，首先需要決定的問題是否該切換以及何時切換；其次是應該切換到哪個波束（或者衛(wèi)星等）上；再就是切換的過程如何進行。

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題視同新呼叫預留資源切換排隊DCA7.6.4CDMA系統(tǒng)中的軟切換

由于CDMA的頻率復用因子是1，相鄰波束使用相同的頻率，于是當用戶處在波束交疊區(qū)時，完全可以同時在兩個波束內建立鏈路，這種做法叫宏分集。

圖7-28軟切換示意圖

7.7業(yè)務容量

7.7.1單小區(qū)的愛爾蘭容量

1愛爾蘭表示一小時時間段內用戶所產生的總呼叫時間為一小時。

若所有用戶有相同的統(tǒng)計特性，阻塞率是，則有關系 當用戶數(shù)足夠多時，通常可以假設單位時間（一小時）內發(fā)生的呼叫次數(shù)n服從Poisson分布，即

用戶每次的通話時長t服從指數(shù)分布

在這種模型下，阻塞率和信道數(shù)、系統(tǒng)負荷的關系由Erlang-B公式確定： 定義信道的愛爾蘭效率為： 假設系統(tǒng)的愛爾蘭容量是A，信道效率為，忙時（即最忙的那個小時）平均每個用戶產生的話務量為，那么單小區(qū)可支持的用戶數(shù)為7.7.2