一种作为抗雨衰对策的自适应CDMA方案

1、一种作为抗雨衰对策的自适应CDMA方案        摘 要 为提高Ka-波段静止同步卫星通信链路的可用度，提出了一种自适应CDMA方案作为抗雨衰对策。在此方案中，预留一定的正交序列作为雨衰发生时各个卫星小站共享的资源。由中心控制站给每个小站分配一组正交序列， 每组中正交序列的个数取决于发生降雨衰减的量。另外，码元重复传输技术也用来弥补雨衰引起的信号能量损耗。   关键词 Ka-波段静止卫星通信系统 雨衰 抗雨衰对策 自适应CDMA        

2、;   随着信息高速公路的提出和发展，要实现真正意义上无缝隙覆盖连接的信息高速公路，Ka-波段卫星通信的前景更为广阔，将成为未来卫星通信的主流和军事卫星通信发展的必然趋势。但是，随着卫星通信频段的增高，降雨衰减成为一个显著的问题，在Ka-波段，中雨和暴雨引起的雨衰将超过10 dB。因此，Ka-波段卫星通信的抗雨衰技术成为系统成败的关键因素之一。为克服雨衰对Ka-波段卫星通信严重影响，Ka-波段的抗雨衰对策研究是近年来开发高频段卫星通信系统研究的主题之一。熟知的抗雨衰对策有诸如位置分集、功率控制、自适应纠错和自适应调制等。另外，若考虑到卫星通信系统的具体制式，自适应TDMA和

3、自适应CDMA也是一种有效的抗雨衰对策。  关于自适应TDMA抗雨衰的方案早已被提出并且研究多年。然而，由于卫星通信系统中使用CDMA方案来提高信道容量已经成为现实，本文将介绍一种作为抗雨衰对策的自适应CDMA方案。此方案中，由中心控制站给每个小站分配一组大小不同的正交序列，每组所含正交序列的个数根据每个小站发生雨衰的程度来决定，预留一定的正交序列作为共享资源并将信息位映射到每组所选的正交码上。1 自适应CDMA方案    对于反向信道采用CDMA多址方式的Ka-波段静止卫星通信系统，自适应CDMA方案是一种行之有效的抗雨衰对策。在此方案中，每个地球站根

4、据接收到的卫星信标信号（或信干比）测量信道发生降雨衰减的程度并将测量结果报告给中心控制站。根据报告，中心控制站给每个地球站分配一组相对应数量的正交序列。然后，地球站将所分配的正交序列用于反向链路的传输。本文中提到的正交序列主要是指沃尔什函数序列。同时，为了克服正交序列数量的不足，也考虑到采用准正交函数。  当雨衰量低于系统预留的衰减余量时，如同常规的CDMA多址方式一样，各个小站用中心控制站分配的一个正交序列作为地址码进行传输；当雨衰量超出系统预留的衰减余量时，中心控制站就给小站分配一组Mr个正交序列。一般方法是以Mr个正交序列进行Mr进制的信息传输，从Mr个正交序列中每选出一个正交

5、序列用来传输log2Mr比特的信息，共有Mr种选择。替之而行的方法就是像多码CDMA系统一样，由小站从Mr选择Mc个正交序列。前者指的是进行M-ary正交码扩频，而后面是指一种并行组合扩频的方法。    自适应CDMA的调制、解调原理图如图1所示。图1（a）中，并行组合处理器将k映射为Mc个正交序列，并且用所对应的正交序列传输附加的一个比特。BPSK系统中的参数k由式（1）计算：    式（1）中，MrCMC是指从Mr中选MC个的组合，而x表示x的整数部分。BPSK系统中的k参数与不同的Mr和MC值的关系如表1所示。  &#

6、160; 为了使经过串并变换后的基带信号数据速率保持不变，一个码元必须重复传输k+1次，并以此补偿了由雨衰引起的信号能量衰减。这就意味着基带数据速率并不随着参量k的变化而变化。相互独立的I,Q序列的组合扩频适用于抵消非理想状态因素的影响，并可以减小I-Q之间的相互干扰。    自适应CDMA的解调基于FHT滤波器的使用，这种滤波器是一种用于沃尔什函数的最佳接收机。如图1（b）所示。部分表示FHT滤波器k+1倍输出的总和，并以此来判断在自适应CDMA调制中码元的重复。所得判断结果反馈于并行组合解调器从而判决所获k个信息比特位传输的正交序列，而附加的一个比特则用常规的

7、CDMA方式来确定。2 性能分析    对于Ka-波段静止同步卫星通信系统来说，信道的统计特性很大程度依赖于天气状况。根据有关实验测量和理论分析，Ka-波段静止卫星信道的包络与相位的统计特性均为高斯分布，  其中，p(r)是信号包络的概率分布函数，p()为信号相位的概率密度函数，分别为信号包络和相位的方差，m1和m2分别为相应的均值。并且，在各种天气条件下的概率分布参数也在相关资料中给出。  要分析自适应CDMA抗雨衰方案的性能，必须获得并行组合解调器错误检测所传正交序列的概率Pe。在FHT滤波器的Mr个输出中，M个输出是信号能量与高斯噪声的混

8、合，因此可以建立相互独立的模型，其均值与方差公式如下：    这里TS是码元周期，N0是单边频谱噪声密度，PL和分别表示第L个小站的功率和第L个小站第j个数据；剩余的Mr-MC个输出不包括任何信号成份，也是相互独立、相同分布的零均值高斯变量，其方差如式（6）。测定的变量由平方FHT滤波器的输出而求得，因此MC变量的概率密度分布函数如式（7）所示：    我们用一个新的变量y定义MC个分布不确定变量的最小值，并求出其概率密度分布函数。并行组合解调器正确检测传输的正交序列的概率（PC=1-Pe）,通过计算任意可变y大于所有中心分布Mr-M

9、C确定变量的概率，最后得出信噪比的函数，正确检测概率PC为： 误比特率    这里，Pe(MC,r)是MC个正交序列中有r个不能被正确检测正交序列的概率，PBPSK是BPSK系统中的误比特率。括号内的第一项用于M-ary系统中从码元错误概率到比特错误概率的换算，第二项是附加那1 B的误比特率，为了简化运算，我们用    上限值在考虑最坏情况下求得，例如当并行组合解调器错检测所传正交序列任何一个时，附加一比特判决总是错误的情况。正交序列的判决错误概率如图2所示。    当Mr增加、MC减小时，系统

10、表现出良好的特性。这就表示，尽管自适应CDMA抗雨衰方案不需要采用多码CDMA传输（即MC=1）；但是雨衰变得严重的时候，仍然需要分配更多的正交序列作为预留资源。  如图3给出了，当MC=1时，与常规的同步CDMA相比较，自适应CDMA的误比特率，虚线表示常规的沃尔什/PN复合扩频CDMA系统的误比特率，实线表示自适应CDMA系统的。假设误比特率的指标为10-6，当Mr分别是8，16，32，64，128时，与常规的CDMA相比，自适应CDMA所需的信噪比值分别降低了2.3dB，3.1 dB，3.7dB，4.2dB，4.5dB。当工作信噪比非常低的情况下，自适应CDMA抗雨衰所获得的增

11、益比较少，这就意味着自适应CDMA抗雨衰方案应该与其他抗雨衰对策共同使用，从而使系统的工作信噪比满足需要。  通过下面的算法，可以进一步说明这种自适应CDMA的具体应用，此方案也适用于其他任何慢衰落的信道。假设中心站按照以下规则给每一用户分配正交序列的数目。（Fm表示衰减余量，    表示报告的雨衰量）3 结论    基于M-ary正交码系统的自适应CDMA方案是一种有效的抗雨衰对策，根据雨衰量，中心站分配给每一地球站一组数目不同的正交序列。另外，单码元重复技术用于补偿雨衰所引起的信号能量衰减。据有关资料表明，当中心站有64

12、个空闲正交码时，自适应CDMA可以比传统的CDMA系统节约4.2 dB。参考文献1孙立新，邢宁霞.CDMA移动通信技术.北京：人民邮电出版社2孙文江，等.正交序列扩频多码CDMA系统在AWGN信道的信能分析.通信学报，1998，103王爱华，罗雄伟.Ka频段卫星通信信道建模及系统性能仿真4Dong Hee KIM,Seung Hoon HWANG,Ui YoungPAK, Keum Chan WHANGAdaptiveCDMA Scheme as a Rain Fade Countermeasure in Ka-Band Geosychoronous SatelliteCommunications,  IEICE TRANS COMMUN Vol E83-B,20005PER ENGE K, DILIP SARWATE V Spread Spectrum Multiple-Access Performance of  Orthogonal Code