低轨卫星CDMA传输系统的原理.docx

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低轨卫星CDMA传输系统的原理

论文题目：

低轨卫星CDMA传输系统的原理

专业：

通信技术

学生：

签名：

___________

指导教师：

签名：

___________

摘要

近年来地面移动通信发展十分迅速，蜂窝移动电话、无绳电话、寻呼机及相关技术在工业化国家普及率已相当高，但它仅能覆盖业务密集的城市地区，距离十分有限。

而卫星通信具有通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖面积大、不受地理条件限制、通信频带宽、传输容量大、适于多种业务传输、可进行多址通信、通信质量高等一系列特点，几十年来获得了迅速的发展，成为现代强有力的通信手段之一。

低轨道卫星是一种运行于1000公里左右的高空中的人造卫星，利用LEO卫星实现个人通信的优点在于：

一方面卫星的轨道高度低，使得传输延时短、路径损耗小，多个卫星组成的星座可实现真正的全球覆盖，频率复用更有效；另一方面蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术的发展也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。

因此，LEO系统被认为是最新最有前途的卫星移动通信系统。

本文讨论低轨卫星CDMA传输系统的原理和实现。

【关键词】低轨道卫星码分多址扩频码

【论文类型】理论型

Title:

LEOsatelliteCDMAtransmissionsystemprinciple

Major:

communicationtechnology

Name:

Signature:

__________

Supervisor:

Signature:

__________

ABSTRACT

Theland-mobile-telecommunicationgetsarapidprogressinrecentyears,thepopularizationrateofcellmobiletelephone,wirelesstelephone,Beep-Pagerandtherelativetechnologyisveryhighinthedevelopedcountry,butitcanonlycoversthecityarea,itsdistanceislimited.Thesatellite-telecommunicationhasaserialofcharacteristicsuchaslongdistance,largecoveragearea.widecommunicationband,bigtransmissioncapacity,highquality,ithasmadearapidprogressinthelastdecadesandbecomeoneofthemostpowerfulcommunicationmethodstoday.

TheadvantagesofusingLEOsatelliteareasfollowing:

ontheonehandthesatelliteorbitislow,sothetransmissiondelayisshort,thepowerlossissmall;ontheotherhandthedevelopmentofcellcommunication,mufti-access,frequencymultiplexandetcalsoprovideatechniqueguaranteetotheLEOsatellite-mobile-telecommunication.SotheLEOsystemisconsideredtobeasatellite-mobile-communicationsystemwithagreatfuture.InthistextwewilldiscusstheprincipleandimplementationofaLEOsatelliteCDMAtransmissionsystem.

【Keywords】LEOsatellite,CDMA,Spreadingcode

【TypeofThesis】Theoretical

1绪论

1.1卫星通信和卫星移动通信

1.1.1国际卫星通信系统

由于卫星通信具有通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖面积大、不受地理条件限制、通信频带宽、传输容量大、适于多种业务传输、可进行多址通信、通信线路稳定可靠、通信质量高，以及既可为固定终端又可为车载、船载、机载和个人终端提供通信等一系列特点，几十年来获得了迅速的发展，成为现代强有力的通信手段之一。

利用卫星进行通信的设想最早是英国空军雷达专家阿瑟G.克拉克在1954年10月提出的。

他在《无线电世界》杂志上发表的一篇题名为《地球外的中继站》的文章中，提出了在静止轨道上放置3颗卫星来实现全球通信的设想，但这一设想直至1957年10月4日前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星SPUTNIK，才使人们看到真正实现卫星通信的希望。

1962年7月美国成功地发射了第一颗通信卫星Telstar，试验了横跨大西洋的电话和电视传输。

但它是椭圆轨道上运行的卫星，每157分钟绕地球一周。

第一颗静止轨道卫星则是1963年2月美国发射的SYNCOM试验卫星，它成功地转播了1964年东京奥运会的情况。

同年8月20日以美国通信卫星公司（COMSAT）为首的国际性组织宣告成立，先称“国际通信卫星集团”，次年更名为“国际通信卫星组织”，即著名的INTELSAT。

该组织于1965年4月6日发射了世界上第一颗商用静止轨道卫星“晨鸟”号（后称INTELSATI）。

两周以后，前苏联也成功地发射了第一颗非静止轨道卫星“闪电-1”，进行电视、电话传输。

这样，经过20年的探索和试验，卫星通信终于跨入了适用阶段。

80年代以来，卫星通信技术发展很快，1980年发射的Intelsat-V卫星，采用了多波束以及频率再用技术，工作频段不仅利用了C波段，而且还用了Ku波段。

此外，在原有的FDMA方式的基础上，又引用了TDMA方式，从而满足了不断增长的通信需求量。

特别是1989年发射Intelsat-VI以来，卫星星体技术从此跃上了一个新台阶，它是目前最大最复杂的商用通信卫星，其重量达4吨，有38个C频段转发器和10个Ku频段转发器，可传输3～4路电视和3.3万路双向电话；采用了星上交换/时分多址（SS/TDMA）技术，速率为120Mb/s增加Ku频段功率和采用了数字电路倍增设备（DCME）后，总容量可达12万话路，设计寿命为13年。

1992年发射的Intelsat-

卫星，与Intelsat-VI卫星相比，除了采用了SS/TDMA,其转发器减为36个（26个C频段，10个Ku频段），容量下降30%，但Ku频段采用了TWTA线性电路，C频段采用了SSPA，从而达到了提高G/T和EIRP以及工作最佳化的目的，设计寿命为15年。

Intelsat-VI主要设计用于大型地面站之间的大容量干线电话通路，而Intelsat-VII主要设计用于为广泛分布的小型终端提供业务。

1.1.2卫星移动通信

在人类历史跨世纪转折之际，卫星通信历史也将发生一次转折，随着21世纪的到来，卫星通信将进入个人通信时代，这个时代的最大特点就是卫星通信终端达到手持化，个人通信实现全球化，这一业务上的飞跃可与计算机工业中由大型机进入个人计算机、电子工业中由真空管进入固态相提并论。

所谓个人通信，它是移动通信的进一步发展，是面向个人的通信，国际电联称之为通用个人通信（UPT），在北美则称为个人通信业务（PCS）。

其实质有多种说法，美国专家认为，它是对任何地方（Anywhere）、任何时候（Anytime）、通过任何媒介（AnyMedium）都能提供各种通信服务的通信。

欧洲专家认为，它是对每个地方（Everywhere）和每个人（Everybody）都能提供各种通信服务（EveryService）的通信；日本专家认为，它是能同时利用移动通信（mobileCommunication）、公共通信（PublicCommunication）、智能通信（IntellingCommunication）方式来提供各种通信服务的通信；我国专家认为，它是指无论在任何地方，无论在任何时候，都能向任何人提供各种通信服务的通信。

个人通信网（PCN）的关键技术是与个人通信的实际内容密切相关的，近一二十年来，现有的模拟移动通信技术和ISDN技术相结合，形成了数字移动通信，现有的公共通信技术与移动通信技术相结合，形成了无绳电话通信，现有的公共通信技术与ISDN技术相结合，形成了综合业务公共通信。

个人通信网也就是这3种通信技术相互渗透与结合的产物。

近年来地面移动通信发展十分迅速，蜂窝移动电话、无绳电话、寻呼机及相关技术在工业化国家普及率已相当高。

但是地面网仅能覆盖业务密集的城市地区，距离十分有限。

由此，只有利用卫星通信可以覆盖全球的特点，通过卫星系统与地面移动通信系统的结合才能实现上述名副其实的全球个人通信。

1.1.3低轨道（LEO）卫星移动通信系统

卫星移动通信系统按其轨道高度基本上可分为高轨道（GEO）、中轨道（MEO）、低轨道（LEO）三种。

铱卫星系统（Iridium）和全球星系统（Globalstar）是LEO系统发展最快的范例；奥迪赛系统（Odyssey），InmarsatP-21是MEO系统的范例；Inmarsat系统、亚洲卫星移动通信系统（ASMTS）是GEO系统的范例。

这二种系统都要用手持机进行个人通信，它们除了具有话音通信功能外，还应具有传送数据、传真、寻呼、静态图像和定位等功能。

下面简单介绍LEO卫星移动通信系统。

利用LEO卫星实现手持个人通信的优点在于：

一方面卫星的轨道高度低，使得传输延时短、路径损耗小，多个卫星组成的星座可实现真正的全球覆盖，频率复用更有效；另一方面蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术的发展也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。

因此，LEO系统被认为是最新最有前途的卫星移动通信系统。

低轨道卫星移动通信系统由卫星星座、关口地球站、系统控制中心、网络控制中心和用户单元等组成。

在若干个轨道平面上布置多颗卫星，由通信链路将多个平面上的卫星联结起来。

整个星座如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区内用户至少被一颗卫星覆盖，用户可随时接入系统。

1.1.4卫星移动通信系统中的多址技术

多个地球站，不论相互距离多么远，只要位于一颗卫星天线波束的覆盖区内，它们都可以同时利用这颗卫星的信道进行双边或多边的通信。

多址技术是指系统内多个地球站以何种方式各自占用信道接入卫星和从卫星接收信号。

目前实用的多址技术主要有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。

CDMA在后面会有讨论，下面简单介绍一下FDMA和TDMA。

FDMA作为一种经典的多接入方式，目前广泛应用于卫星、电缆和无线网络中模拟和数字信号的复用。

其基本原理是为每个用户分配独立的载波。

为使各用户信号之间无干扰，即使其止交，各划分的子频带应该无交叠。

在位于前端的接收机中，首先用通带互不交叠的滤波器组将不同用户信号分离，再对各用户信号进行解调。

传统FDMA的主要问题是在前端必须存在N个不同的解调器。

这样的结构对于一个需要为成百甚至上千个用户提供服务的宽带接入系统来说实现复杂度太高。

与其他接入技术比较，FDMA的优越性表现在每个子频带的带宽较窄，对频率选择性衰落不敏感，接收机的信道估计较简单或者不需要。

TDMA作为一种常用的多接入技术广泛用于各种国际标准当中，例如占据大部分移动通信市场的GSM，数字视频广播DVB等许多宽带接入网络的规范也采用了TDMA技术，如数字音频视频委员会（DAVIC）的电缆传输规范，微波多点分布服务（MMDS），本地多点分布服务（LMDS）等。

TDMA的主要思想是为各用户按时隙占据整个信道带宽。

这里“时隙”的概念比较宽泛，可以是等长的时间段，如在传统电话网中固定分配的时隙；也可以是某个定长时间段的倍数，如在某些数据报服务系统中那样，甚至可以是小于某时间长度但不确定长度的时间，如局域网CSMA/CD系统中的时隙。

TDMA系统的问题在于对抗干扰和衰落的能力较差，这是由于各用户信号在分配时隙占据整个信道带宽造成的。

1.2低轨卫星CDMA传输系统简介

1.2.1研究内容和目标简介

低轨道卫星是一种运行于1000公里左右的高空中的人造卫星，一般是小卫星，即其重量通常小于1000Kg，实际上大约为几十到200Kg之间。

就单独一颗卫星来说，由于其飞行速度很高，约有24000Km/h，并且轨道低，故地面观测者能够看到卫星的时间是非常短的，通常持续观测时间约为5到9分钟左右，每1到2小时观测到一次。

要实现不间断的通信，只能采取星座技术，即在空中按照特定的轨道仰角分布若干颗协同运行的星体（由地面站控制其运行的速度和方向），构成一个倒置于天空中的网络。

这样就可以在这颗星下落时，立即看到另外一颗星，通过软切换技术，就可以将通信过程切换到令一颗星上继续下去。

一般情况下，星座中的各颗卫星之间并不存在星间链路。

因此，所有的控制都来自于卫星控制地球站。

此外，卫星本身并不一定携带星上处理器，即没有复杂的再生收发机，而只有信号转发器，即将信号从一个频率转发到另外一个频率再发送出去。

此时，卫星只是充当用户台同地面站之间通信链路的中间环节。

如图1-1所示，用户台同地面站之间进行通信，包括两个链路。

一是用户台与卫星之间的链路，包括上行和下行两个子链路；二是卫星与地面站之间的链路，也包括上行和下行两个子链路。

这四个链路的工作频率必须是不一样的。

用户台到卫星的上行链路以及卫星到地面站的下行链路构成反向链路，而地面站到卫星的上行链路以及卫星到用户台的下行链路构成前向或正向链路。

很显然，前向链路是一种广播信道，而反向链路则是一种多接入信道。

通常传输的难点集中在反向链路上。

图1-1卫星链路

我们的研究工作主要针对反向链路的接入问题，主要应用于低速短数据业务的无线移动接入。

具体任务就是在用户移动台端实现一个CDMA发送器，在卫星地面站端实现一个CDMA接收机，二者之间能够经由卫星对接。

为了实现和调试方便，首先不考虑卫星转发器的存在，即假定卫星没有频率变换的过程，亦即用户台到卫星的上行链路的工作频率，与卫星到地面站的下行链路的工作频率是一致的，都是398Mhz。

在实际卫星通信中是不允许这样的。

我们的目标是：

最终使得两个独立的用户台能够同时与一个卫星地面站通信。

1.2.2系统结构和关键问题

我们实际要实现的系统如图1-2所示。

主要是两个CDMA发送机，代表两个用户移动台。

通过串行口与测试计算机相连。

测试计算机可以发送测试数据给用户台，由用户台通过无线方式经由卫星信道发送到卫星地面站。

卫星地面站进行两个独立信道的CDMA接收，同时将解调数据送至服务器串行口。

图1-2系统结构

该系统所包含关键问题主要有以下几点。

1）功率控制问题：

主要采用前向开环功率控制技术，这样可以避免样机演示时需要在地面站接收机同用户台发送机之间连线以交换功率控制信息，缺点是这样的功率控制技术不够精确；2）射频技术：

主要包括天线、LNA/PA、低噪声上下变频、带通滤波、射频中频AGC等程；3）多普勒频移问题：

主要采用扫频和快速大频偏估计算法相结合；4）卷积编码和Viterbi译码；5）测距过程：

不需要周期测距。

1.2.3功能框图

发送机主要功能模块如图1-3所示：

图1-3发送终端功能模块

其中异步同步转换完成2.4kbps异步数据到同步数据的转换，即去掉异步数据传输中的起始位和结束位，8位纯数据放入FIFO。

FIFO模块完成数据的存储、发送功能，FIFO一般可直接采用FPGA内部带的RAM单元完成，组帧则根据协议要求，将发送数据按一定长度打包，数据不足补零，发送时增加帧头、帧尾比特，帧头数据包括发送地址、接收地址、独特字等等，帧尾包括CRC纠错等，卷积编码完成K=7、R=lit的卷积编码。

另外，串并转换将串行数据转化为I、Q两路并行信号，扩频采用511GOLD码序列，匹配滤波采用升余弦FIR滤波器，D/A转换器采用双极型电压直接输出型D/A，低通滤波器的作用是平滑D/A变换后的模拟信号，可采用简单的Butterworth或Chebyshev滤波器。

1.3本章小结

本章介绍了卫星通信和卫星移动通信，以及卫星移动通信中的几种接入技术，讨论了CDMA的发展概况。

对低轨卫星CDMA传输系统作了简单的介绍，包括它的应用背景、实现框图。

2系统原理

2.1多址接入技术

信道共享技术在很多网络中都存在，以太网就一种典型的共享信道。

多个用户通过一个共用的信道相连，这样做的好处是显而易见的，无需为每个用户之间建立独立的连接，大大降低了网络建设的费用。

但要设法避免不同的用户同时使用公用信道，否则就会产生互相干扰的问题。

图2-1（a）为多点线路，主机对公用信道的共享进行集中控制。

图2-1（b）和（c）分别称为总线网和环形网，其特点是所有用户都是平等地连接在网上，信道的共享采用分散式控制。

各用户之间的通信必须要有一个彼此都遵循的协议，这就是多址接入协议。

图2-1用户共享一个公用信道（a）多点线路；（b）总线型；（c）环形网

多址接入协议可以分为两大类：

受控接入和随机接入。

受控接入的特点是各个用户不能任意接入信道而必须服从一定的控制。

这又分为两种，即集中式控制和分散式控制。

属于集中式控制的有多点线路轮询（polling），即主机按一定顺序逐个询问各用户有无信息发送。

如有，则被询问的用户立即将信息发给主机；如无，则再询问下一站。

属于分散式控制的有令牌环形网。

在环路中有一个特殊的帧，叫令牌或权标（token）。

令牌沿环路逐站传递，只有获得令牌的站才有权发送信息。

当信息发送完毕后，即将令牌传递给下一个站口在协议的控制下，连接到环路上的许多站就可以有条不紊地发送数据。

随机接入的特点是所有的用户都可以根据自己的意愿随机地发送信息。

像图2-1（b）所示的总线网就属于这种类型。

在总线网中，当两个或更多的用户同时发送信息时，就产生了帧的冲突（collision），它导致冲突用户的发送都告失败。

随机接入实际就是竞争接入，竞争胜利者才可以获得总线（即信道），从而获得信息的发送权。

目前己经有多种解决冲突的网络协议。

最早的是70年代初期在夏威夷大学试验成功的ALOHA系统。

在ALOHA系统出现以后，很多性能更好的协议也相继问世，例如CSMA/CD,即载波监听多点接入/冲突检测，己经成为总线式局域网的标准。

同时，在原有ALOHA基础上，人们又研究出时隙ALOHA（S-ALOHA）和预约ALOHA（R-ALOHA），它们和纯ALOHA相比有更好的性能。

2.2接入模式

2.2.1随机接入

最简单的上行信道接入模式是立即接入模式，也就是随机接入（ALOHA）。

对纯ALOHA的研究已经很充分，己经证明纯ALOHA的吞吐量的极限值是0.184。

为了提高随机接入系统的吞吐量，可以将所有站点在时间上都同步起来，并将时间划分为一段段等长的时隙（slot），记为

。

同时规定，不论帧何时产生，它只能在每个时隙的开始时才能发送出去。

这样的ALOHA系统叫做时隙ALOHA（S-ALOHA）。

图2-2为两个站点的时隙ALOHA工作原理图。

图中的一些向上的垂直箭头代表帧的到达。

假设每个帧都正好能在一个时隙内发送完毕。

从图中可以看出，每一个帧到达后，一般都要在缓冲区中等待一段时间〔这时间小于

），然后才能发送出去。

当一个时隙内有两个或是两个以上的帧到达时，则在下一个时隙将产生冲突，冲突双方都必须进行重发。

为减少重发冲突的概率，各站点等待一段随机的时间后再进行重发。

图2-2时隙ALOHA的工作

图2-3时隙ALOHA与纯ALOHA的吞吐量厂网络负载曲线

图2-3是时隙ALOHA与纯ALOHA的吞吐量厂网络负载曲线，可以看出当G=1时，时隙ALOHA的最大吞吐量

，是纯ALOHA的2倍。

需要指出的是：

系统吞吐量的提高是以帧平均传输时延为代价的。

这是因为在时隙ALOHA系统里帧到达后并不能立即发送，而是要等待下一个时隙的开始，这样平均要等待

，所以增加了传输时延，有关ALOHA的平均传输时延，与所选的退避算法有关。

如果用户端的数据包大小都是固定的，假设为100字节，加上其它开销，我们可以以128字节传输所需的时间为一个slot，这样不仅可以大大简化MAC层协议，而且可以省去很多数据开销。

2.2.2预约接入

预约接入是从时隙ALOHA基础上发展而来的，各个站点以某种方式预约了某个帧的发送时隙，从而保证所发送的帧不会与别的站点的帧发送冲突，称之为预约ALOHA。

典型的预约ALOHA方案有以下一些。

Binder提出的方案是以TDM为基础的。

如图2-4（a）所示，在这个例子中8个时隙组成一个复用帧，每个站点分配一个时隙，如前7个时隙分配给A,B,…，G等7个站点，剩下的时隙由各站点竞争（如E站点获得此时隙）。

协议规定：

属于自己的时隙在无数据可传时就让它空着，其他站点检测到某个时隙为空闲时，就可以在下一个复用帧该时隙出现时发送自己的数据（按ALOHA）方式。

图2-4（a）中画出了4个复用帧，其中阴影的时隙表示发生了冲突。

当某个站点有数据要发送时，它可以随时在自己的时隙上发送。

如果发生冲突，则自己有优先权，其他站点在下一个复用帧的该时隙必须停止发送。

这种预约ALOHA的性能在轻载时不如时隙ALOHA好，这是因为在争用时隙空闲时隙发生冲突时，争胜的站（不是拥有该时隙的站）必须在下一个复用帧的这一时隙停止发送，以观察是否拥有此时隙的站点有数据要发送。

图2一4预约ALOHA：

（a）Binder；（b）Crothers；（c）Roberts

Crothers提出的方案可适用于站数未知而且还是不断变化的情况。

所有站点对任何时隙都可以竞争使用，一旦成功就可以一直占用。

如时隙使用完毕，则下一复用帧的该时隙将空着，各站就可以在下次该时隙出现时争用。

图2-4（b）是这一方案的工作原理。

不难看出，数据较多的站有可能会较长时间地垄断一些时隙。

第三种方案是Roberts提出的，它要求每个站点在发送数据之前必须进行预约。

每一个复帧的前面各时隙用于发送数据，而最后一个时隙再分成许多小的子时隙，专门用于预约，见图2-4（c）。

当一个站点想发送数据时，可向任何一个子时隙发出请求，预约一个或若干个时隙。

各站点发出的请求是按时隙ALOHA方式进行的。

若预约成功（即未发生冲突），则下一个复用帧中所预约的时隙就归此站点用于发送数据。

任何一个站点必须随时监测目前总的预约队列长，通过适当计算，每个站点就知道它应当在何时将自己的数据发送出去。

当大家都没有数据发送时，整个的复用帧都可用于预约（如图2-4（c）和第二个复用帧），以加速预约过程。

由于预约时可能产生冲突的只是在较短的子时隙范围，而较长的数据时隙中不会产生冲突，这就大大提高了信道的利用率，但它需要全网的同步。

如果用户的数据包长度不是固定的，比喻说在100个字节内随机变动，则我们可以以1个字节传输所需的时间为一个slot，采用下面形式的预约ALOHA。

我们知道在低轨卫星CDMA系统中，正、反向链路是分开的，并且有一个中G端可以管理本网中所有的用户站点。

我们在正向链路上定时广播一些定时消息来实现全网同步，所有用户站点的预约请求汇总到中心端，由中心端根据目前的网络情况进行综合分析后分配时