卫星通信系统与技术

1、第七章：卫星通信系统与第七章：卫星通信系统与 技术技术 组长：孙亚伟组长：孙亚伟 成员成员:宋宇、史宝通、王锦程、宋宇、史宝通、王锦程、 李博、韩莉、刘海英、徐晨、王灿、李博、韩莉、刘海英、徐晨、王灿、 第七章第七章 卫星蜂窝移动系统卫星蜂窝移动系统 72.1 卫星蜂窝的概念卫星蜂窝的概念 7.2频率复用频率复用 7.3同信道干扰同信道干扰 7.4系统结构系统结构 7.5网络控制网络控制 7.6切换切换 7.7业务容量业务容量 7.1 卫星蜂窝的概念卫星蜂窝的概念 采用多波束进行频率复用就形成了 卫星蜂窝覆盖的概念，如图7-1所示。 图7-1 卫星蜂窝覆盖 在一个卫星波束所覆盖的地球表面上，

2、将信号接收强度相同的点连起来就构成 了一个电平等高线，小区的边界就是一 个电平等高线，不同电平的等高线将形 成不同半径的同心圆。 图7-2 不同信号电平构成的等高线 图7-3 小区的形状不一定是圆的 图7-4 正六边形蜂窝小区模型 7.2 频率复用频率复用 7.2.1星内的频率复用星内的频率复用 小区频率复用的意思就是说，在某个小区 内使用的频率资源也可以被其它小区同时 使用。 FDMA系统进行频率复用的方法一 般是把总的频率资源分割为K组，在 覆盖范围内每K个邻近的小区组合成 一个簇。 图7-5 频率复用模式 假设某一颗卫星所覆盖的总面积为Ssat， 卫星可用的总带宽是Bsat，每个载波占用

3、 的带宽是Sc，每个载波可以提供N个业务 信道，那么整个卫星只用一个波束覆盖 时总共可以提供的信道数为 c sat B B NN 单区制 采用多个点波束时，若每个小区的面积为 ， 则总共有个小区 ， 个簇， 每个簇都有 个业务信道，每个小区中 的信道数是 ，此时总共能提供的业务信 道数是 cell S cell sat cell S S N KS S N cell sat clust N B B N c sat ch K N N ch c KBS NBS NNN ccell satsat chclust 蜂窝制 与单波束情形相比，采用蜂窝频率复用 使信道数增加了G倍 KS S N N G ce

4、ll sat 单区制 蜂窝制 如果相邻簇中的干扰小区到被干扰 小区距离相同，则称为规则的小区 频率复用，此时K不可能是任意的， 它一定满足下式 22 nmnmK 图7-6 规则的频率复用模式（K=7,m=2,n=1） 如果PO是某个小区内的一个点，其坐标 可用复数标记为 ，则相邻6 个簇内与PO对应的6个同频小区中对应点 的坐标是： jyxP 0 6 ,1,2, 3 33 kenemRjyxP jkj k 使用相同频率的两个小区的中心距离叫 做同频复用距离。在规则复用模式下， 最小的同频复用距离是 RKmnnmRD33 22 图7-7 不规则的频率复用模式（K5） 7.2.2星间频率复用星间频

5、率复用 对于FDMA/TDMA系统，在这两个波束 内使用相同的频率就会造成严重的同信 道干扰。因此，有必要在频率上对两颗 卫星的波束进行分隔。 图7-8 相邻的卫星使用不同的频率 图7-9 每颗卫星的前半部分和后半部分使用不同的频率 图7-10 奇数极轨时的频率复用，1轨道自北向南 图7-11 奇数极轨时的频率复用，1轨道自南向北 7.2.3 CDMA的频率复用的频率复用 CDMA系统的技术基础是扩频，由于 扩频固有的强抗干扰能力，所有频率 资源可以在所有小区中重复使用，因 此CDMA的频率复用因子是K=1。 7.3 7.3 同信道干扰同信道干扰 对于FDMA/TDMA系统，同信道干扰决 定了

6、复用因子K的设计。对于CDMA系统， 虽然频率复用的问题存在，但同信道干 扰与其容量密切相关。 7.3.1 FDMA/TDMA系统系统 中的同信道干扰中的同信道干扰 干扰源主要来自同一卫星的其它同频 波束，也有可能来自其它卫星。 图7-12 上行链路的同信道干扰 点波束天线的一种典型方向图 2 3 31 max 36 2 u uJ u uJ GG dB u 3 sin sin 07123. 2 图7-6 点波束天线的方向增益 -60-40-200204060 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 偏 离 轴 线 方 向 的 度 数 相对轴线方向的天线增益（dB）

7、如果第i个干扰用户的发射功率是Pi，自 干扰用户到被干扰卫星的路径损耗是Li， 干扰用户的位置偏离被干扰波束轴线方 向的角度是 ，那么这个干扰用户产生 的干扰功率是 i i i i i G L P I 于是总的信号干扰功率比，或简称信扰 比为 i i i i c c c i i G L P G L P I C IC 图7-14 上行C/I的典型分布特性 -1001020304050 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 C/I (dB) 累积分布 K=3 K=4 K=7 图7-15 下行链路的同信道干扰 图7-16 下行C/I的典型分布特性 -1001

8、020304050 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 C/I (dB) 累积分布 K=3 K=4 K=7 7.3.2 CDMA系统中的同信道干扰系统中的同信道干扰 在CDMA系统中，不同的用户可以同时 使用相同的频率发送信号。 为了提高系统容量，CDMA系统一般采 用了发送功率控制技术和语音激活发送 技术。 图7-17 CDMA上行链路 如果已知f，则小区1内某个用户的信扰比 近似为 fNII C IC ucea 1 1 图7-18 邻小区干扰因子 33.23.43.63.844.24.44.64.85 0 0.5 1 1.5 2 小 区 边 缘

9、的 衰 减 量 (dB) 邻小区干扰因子 图7-19 增加小区边缘的衰减设计值可以降低邻小区干扰因子 7.4系统结构系统结构 图7-20示出了卫星蜂窝系统典型的系统结 构，它和地面蜂窝系统基本相仿。 图7-20 卫星移动通信系统的网络结构 7.4.17.4.1空间段空间段 卫星移动系统的空间段由空中的所有卫 星构成。这些卫星分布在多个轨道面上， 形成一种特定的卫星星座结构。卫星轨 道的高低直接决定了覆盖区的大小，同 时也决定了需要多少颗卫星才能实现全 球覆盖。 7.4.2 7.4.2 地面段地面段 地面段最重要的组成部分是卫星关口站 （Gateway），它相当于地面蜂窝系统中 的移动交换中心（

10、MSC）。 图7-21 铱系统的关口站框图 7.5 7.5 网络控制网络控制 7.5.1网络控制概述网络控制概述 1.1.网络控制的功能网络控制的功能 移动性管理（MM） 无线资源管理（RR） 连接管理（CM） 图7-22 类似GSM的网络控制协议栈 3. 信令信道信令信道 网络控制的功能是通过移动终端和关口 站之间的信息交互完成的，这些控制信 息一般称作信令。 不管是业务信道还是信令信道，它们最 终自然要在物理层上传输。 图7-23 逻辑信道是对物理信道的映射 控制信道控制信道 BCCH（广播控制信道） CCCH（公用控制信道） DCCH（专用控制信道） 7.5.2 7.5.2 移动性管理移

11、动性管理 移动性管理中最核心的问题是如何让系 统知道用户当前所处的位置。在卫星移 动系统中，特定的位置被归属到某个关 口站的服务区中的某个位置区中。用户 通过位置登记向系统报告自己的位置区。 1.1.关口站的服务区关口站的服务区 在卫星移动系统中，所有用户的通信都 必须经过关口站进行。 在没有星际链路的系统中，用户只有和 关口站处在同一卫星的覆盖范围内时， 才能得到通信服务。 2.2.位置登记位置登记 位置登记就是要求用户定期或不定期地 向系统报告它的位置信息。 用户通过位置登记向系统发送的是其所 在地的位置区识别码LAC。 3.3.寻呼寻呼 当有电话呼叫打到卫星移动用户时，系 统首先要对这个

12、用户发起呼叫，这个过 程叫寻呼。 7.5.3 呼叫控制呼叫控制 呼叫控制是连接管理（CM）的一个子集， 它负责呼叫的建立、维持、释放等功能。 这里“呼叫”含义是指一个电话话路连 接，包括话音业务以及基于电路交换的 数据业务。 图7-25 卫星用户主叫的情形 图7-26 卫星用户被叫的情形 7.5.47.5.4无线资源管理无线资源管理 无线资源管理（RR）的问题发生在呼叫 建立的时候，它的功能是为需要通信的 用户决定一个合适的卫星、波束，在这 个波束内分配一个信道，并规定用户以 及卫星以什么样的功率发送信号。 1.FCA 在FCA中，每个波束有固定的资源，因 而一个波束能提供的信道数是固定的。

13、在FCA系统中有可能出现这样的情形， 即某个波束上的信道已经被占满，使新 发生的呼叫被阻塞，但在同一时间内其 它波束上还有许多空闲的信道。 2.CB CB是信道借用（Channel Borrowing）的 缩写。采用CB的系统首先按FCA的方式 工作，每个波束都有预先分配好的固定 数目的信道数。 图7-27 CB的概念 3.DCA 在完全的DCA中，不再有簇的概念，每 个波束也没有事先分配的固有信道。每 当发生一个呼叫系统就为这个呼叫分配 一个信道，呼叫结束后这个信道资源将 交还系统，以备下一个发生的呼叫使用。 7.67.6切换切换 切换工作的宗旨是为了保证用户在通话 过程中系统能持续性地提供

14、信道连接。 在地面蜂窝系统如GSM或者IS95中，一 个正在通话的用户从一个小区的覆盖范 围移动到另外一个小区的覆盖范围时， 就产生了切换的问题。 7.6.17.6.1不同的切换情形不同的切换情形 信道切换信道切换 波束间切换波束间切换 星间切换星间切换 关口切换关口切换 网络切换网络切换 7.6.27.6.2切换的操作切换的操作 在切换操作中，首先需要决定的问题是 否该切换以及何时切换；其次是应该切 换到哪个波束（或者卫星等）上；再就 是切换的过程如何进行。 图7-32 后向切换 图7-33 前向切换 7.6.3 切换引起的资源分配问题切换引起的资源分配问题 视同新呼叫视同新呼叫 预留资源预

15、留资源 切换排队切换排队 DCA 7.6.4CDMA系统中的软切换系统中的软切换 由于CDMA的频率复用因子是1，相邻波 束使用相同的频率，于是当用户处在波 束交叠区时，完全可以同时在两个波束 内建立链路，这种做法叫宏分集。 图7-28 软切换示意图 7.77.7业务容量业务容量 7.7.1单小区的爱尔兰容量单小区的爱尔兰容量 1爱尔兰表示一小时时间段内用户所产生 的总呼叫时间为一小时。 若所有用户有相同的统计特性，阻塞率 是 ，则有关系 B p ApA Bc 1 当用户数足够多时，通常可以假设单位 时间（一小时）内发生的呼叫次数n服从 Poisson分布，即 e n p n n ! 0n 用户每次的通话时长t服从指数分布 0 t etf 在这种模型下，阻塞率和信道数、系统 负荷的关系由Erlang-B公式确定： c c N i i c N B i N A p 0 ! ! 定义信道的爱尔兰效率为： c N A Erl 假设系统的爱尔兰容量是A，信道效率 为 ，忙时（即最忙的那个小时）平均 每个用户产生的话务量为 ，那么单小 区可支持的用户数为 Erl u A u c u cellu A N A A N Erl , 7.7.2 系统的容量及频谱效率系统的容量及频谱效率 考虑FDMA/TDMA系统