卫星通信系统与技术

第七章：卫星通信系统与技术

组长：孙亚伟

成员:宋宇、史宝通、王锦程、李博、韩莉、刘海英、徐晨、王灿、

第七章卫星蜂窝移动系统72.1 卫星蜂窝的概念7.2 频率复用7.3 同信道干扰7.4 系统结构7.5 网络控制7.6 切换7.7 业务容量7.1 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，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

7.2.1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 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： 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图7-7不规则的频率复用模式（K＝5）

7.2.2星间频率复用

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

7.2.3CDMA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同信道干扰

对于FDMA/TDMA系统，同信道干扰决定了复用因子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

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 图7-6点波束天线的方向增益

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 于是总的信号干扰功率比，或简称信扰比为 图7-14上行C/I的典型分布特性

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

7.3.2

CDMA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7-17CDMA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 图7-18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

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

7.4.1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（MSC）。

图7-21铱系统的关口站框图

7.5网络控制

7.5.1网络控制概述

1.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

BCCH（广播控制信道）CCCH（公用控制信道）DCCH（专用控制信道）

7.5.2移动性管理

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.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.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.寻呼当有电话呼叫打到卫星移动用户时，系统首先要对这个用户发起呼叫，这个过程叫寻呼。

7.5.3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

7.5.4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。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.CBCB是信道借用（ChannelBorrowing）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7-27CB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。

7.6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。

7.6.1不同的切换情形

信道切换波束间切换星间切换关口切换网络切换7.6.2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视同新呼叫预留资源切换排队DCA7.6.4CDMA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

7.7业务容量

7.7.1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 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

用户每次的通话时长t服从指数分布

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： 定义信道的爱尔兰效率为： 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7.7.2