兼容TD-SCDMA的GEO卫星移动通信系统上行容量分析.

兼容TD-SCDMA的GEO卫星移动通信系统上行容量分析郭健，任术波，徐晓燕，吴建军（北京大学信息科学技术学院卫星与无线通信实验室 100871）摘要：本文对兼容TD-SCDMA帧结构的同步卫星移动通信系统的干扰情况及系统容量，采用理论推导与仿真结合的方法，进行了分析研究。

为波束小区的频率复用和波束隔离等影响整个系统容量的因素提供容量分析上的理论基础。

为兼容TD-SCDMA的卫星移动通信系统的规划设计提供参考。

关键词：GEO，TD-SCDMA，上行干扰，系统容量1. 引言卫星通信是重要的现代通信技术，采用GEO轨道方式建立的卫星移动通信系统，具有技术成熟、覆盖范围大、组网简便、成本相对较低的特点，特别适合卫星移动通信领域。

采用3G通信体制的卫星移动通信系统是卫星通信领域当前研究的热点之一。

很多文献考虑到GEO卫星系统的大延迟，更适合FDD的双工模式，采用的3G通信体制多为WCDMA体制，如文献[1]；TD-SCDMA是有着中国自主知识产权的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准，TD-SCDMA使用上行同步、联合检测等技术，使得其在频谱利用率、对业务支持的灵活性、频率灵活性及成本等方面有独特优势，将TD-SCDMA技术应用在卫星移动系统中对于发挥这些优势有着重要意义。

对卫星移动通信系统的容量研究大都是对FDD双工方式进行的分析，并且多是针对FDMA体制的研究，针对TDD双工方式或HFDD双工方式的CDMA体制的容量研究较少。

本文介绍了一种基于TD-SCDMA帧结构的GEO卫星移动通信系统的容量分析思路和结果，该系统为了使TD-SCDMA 系统的上行同步技术适应卫星信道的长时延情况，使用一种基于HFDD模式的双工方式，在这种双工方式下的同波束小区干扰及不同波束小区干扰情况均与WCDMA体制下不同，相应的影响了小区容量及系统容量。

本文首先介绍了兼容TD-SCDMA帧结构的同步卫星移动通信系统的通信体制；其次，介绍了系统的双工方式及其影响下的同波束小区干扰及不同波束小区干扰的特点；接着，根据干扰特点及分析，对多波束系统中单个波束小区的容量进行了分析和仿真，得到了本系统的链路性能和容量间的关系。

3883892. 系统描述根据卫星通信系统的通用典型组成结构，GEO 卫星移动通信系统组成架构设计可以划分为空间段、地面段和用户段三个段。

本文重点考虑用户段与空间段通信时采用TD-SCDMA 帧结构的系统容量问题。

基于TD-SCDMA 帧结构的GEO 卫星移动通信系统，使用TD-SCDMA 标准，进行适当的空中接口的修改，具体表现为，保持原来TD-SCDMA 帧结构不变，下行和上行同步等物理层过程不变，但是上下行时隙分别采用不同的频率，即采用了HFDD 的双工方式，这样，既结合了TD-SCDMA 的同步解调及联合检测等优点，又克服了使用上下行同频时由于不同波束小区的上下行链路均由卫星调度导致的上下行时隙间的干扰问题。

考虑到路径损耗大、传输时延长，在当前的GEO 卫星通信中普遍采用多波束天线，改变了以往使用单个波束大面积覆盖地球的方法，用几个窄波束实现小区域覆盖，从而增加了卫星向地球的辐射功率通量密度。

对于卫星移动通信系统，要求卫星向地面提供较高的等效全向辐射功率（EIRP），以使地面终端简化，为此必须在星上使用多波束天线。

对于GEO 系统，需要采用高增益的点波束天线。

采用多个点波束，每一波束覆盖的面积变小，使得EIRP 增大；采用多波束实现频率复用还可提高频率的利用率。

如同地面蜂窝网一样，每个点波束仅覆盖一个小的区域，采用频率复用技术以提高频谱的使用效率，并减少用户终端天线和发射机的尺寸。

同频组网是研究其他组网方式的基础，本文的容量分析基于同频组网方式，即各波束小区间的频率复用因子为1。

3. 上行干扰及容量分析TD-SCDMA 上行用户的E b /N 0为：0int int ()(1)b i i i i i ra er NE WS P N v R I I P β=•−++，式中，W 为码片速率，在TD-SCDMA 系统中，W=1.28Mchip/s；P i 为卫星端来自第i 个用户的接收功率；v i 为用户i 的话音激活因子；R i 为第i 个用户的数据传输比特率；S i 为R i 下需要占用的时隙比率，对于TD-SCDMA，S i =1/7.4074；P N 为接收机热噪声；I intra 为来自本小区内用户的接收功率；I inter 为来自其他小区的接收功率，β为联合检测系数。

390图1 卫星波束小区上行链路干扰示意卫星波束小区的上行链路干扰如图1所示。

上行链路的本小区干扰来自于本小区的其他用户，在理想功率控制的条件下，我们有以下假设：在所考虑的通信终端（被干扰终端）的同一小区内，不同位置（包括干扰和被干扰终端）用户信号的链路损耗（包括阴影衰落）与天线增益的差异能通过设计和功率控制得到补偿，也就是说在卫星处接收到的本小区所有用户信号功率均相同，令该接收的上行功率为P i ；与WCDMA 系统不同，TD-SCDMA 体制的系统在上行同步条件下，本小区的信号同步到达，同一波束小区的不同用户的信息采用不同的OVSF （Orthogonal Variable Spreading Factor，正交可变扩频因子）码进行扩频，理想上行同步条件下波束内所有用户是正交的，解扩将完全分离各个用户的信号，从而不存在波束内的多址干扰。

但是由于多径效应的存在，存在码间干扰。

根据文献[2]提供的信道模型，可得到如表1的参数。

表1 卫星信道DLR 模型的参数 #多径编号 延迟(ns) 幅度的概率分布函数对应参数 对应参数值(dB) 10 LOS: Rice c 6.3 2100 Rayleigh 22σ -24.1 3 250 Rayleigh 22σ-25.2 相应可以计算得到，本小区干扰比例k 为：24.1/1025.2/106.3/1010100.0056110k −−−+==+，则int (1)ra i I k P =+•391该比例表示了多径分量占主径分量的百分比，也直接表现了兼容TD-SCDMA 的GEO 卫星移动通信系统上行链路一个时隙内的本小区干扰比例。

与地面蜂窝系统相比，卫星系统中相邻小区（点波束小区）用户的（多址）干扰要严重很多。

这是因为地面信号传播损耗与距离的四次方成反比，加上适当的频率重用方案就能有效地减少来自相邻蜂窝小区用户的干扰。

而卫星系统中上行链路的终点是同一颗卫星，对于GEO 卫星，不同位置用户的传播损耗差别非常小（不到0.5dB），点波束之间的隔离完全依赖天线的方向性，其效果不佳。

在工程设计中，对于其他小区干扰，一般使用“相邻小区干扰因子”j 来估算，_int int _()()i i i other cells i erc c ra c own cell c PG L I j P G I L ψθ∈∈==∑∑为其他小区对本小区的干扰，其中，天线增益可以按照21()()(spot J u G uθ=，其中sin (u D θπλ=来计算。

考虑到兼容TD-SCDMA 帧结构的GEO 卫星移动通信系统采用了上下行时隙分用不同频率的HFDD 双工方式，结合文献[4]，可以认为如下两点结论：第一，认为其他小区的用户信号到达卫星是异步方式的；第二，不存在如地面TD-SCDMA 系统中的上下行时隙间相互干扰。

文献[3]对j 进行了计算，结果表示用户所在小区的外面三层小区造成的干扰占总干扰的96%以上。

在波束间隔离度S=3dB 时，计算中取值j=1.342，其中，'int int er ra I j I =，'int ra I 为异步方式下小区内部干扰，即'int (1)i ra I N P =−。

综上，0()(1)(1)(1)b i i i i i i i NE WS P N v R k P j N P P β=•−++−+。

为了完成一个呼叫，在系统的上行链路中，移动用户必须有足够的发射功率以克服同频带内所有其它用户产生的干扰。

移动用户的瞬时发射功率取决于当时的移动台到卫星的路径衰耗和总体的上行链路干扰电平。

小区中每新增加一个用户，则对于其他用户而言，相当于增加了干扰电平，特别是在基于TD-SCDMA 帧结构的系统中，相当于增加了对其他波束小区用户的干扰，每个用户都必须提高发射功率以克服干扰，而提高了的发射功率又增大了干扰电平，因此该过程需重复进行直至达到新的平衡。

当存在用户的发射功率达到了最大的发射功率限制时，则小区容量达到最大，无法再加入新的用户。

在理想功率控制条件下的上行容量分析中，可以假定每个用户发射的信号功率能够使其刚好满足卫星端接收解调所需的最小E b /N 0值。

假定用户到卫星的路径损耗包括上行链路自由空间损耗L f ，阴影损耗L s ，极化及大气损耗L o ，同时忽略不同位置用户的接收天线增益特性差异，认为卫星天线392对所有用户的增益G a 是相同的，则用户所需的发射功率（经发射天线增益后）为：()send i a f s o P dB P G L L L =−+++。

上行链路的自由空间损耗L f 为：()92.4420lg ()20lg ()f L dB d km f GHz =++，式中，d 为传播距离，f 为上行链路载波频率1990Mhz。

卫星的传播距离与卫星仰角相关，不同卫星仰角下的传播距离d为：sin d R α=。

其中，R 为地球半径6378km，h 为卫星轨道高度，GEO 卫星为35786.3km，α为卫星仰角。

对于一颗定点合适的GEO 卫星，中国地区用户的仰角都可以保证在o30以上。

4. 仿真及结果分析仿真参数依据第2节和第3节中描述，采用MATLAB 作为仿真工具，计算上行链路12.2k 业务时可以支持的最大用户数。

文献[4]中给出了基于C.Loo 模型的不同卫星仰角（2080°°−）对应的阴影遮蔽效应造成的路径损耗，如下表 不同卫星仰角下的阴影衰落所示：表2 不同卫星仰角下的阴影衰落 卫星仰角（度）阴影衰落（dB） 20-8.810 30-3.902 40-1.812 50-0.722 60-0.194 70-0.057 80 -0.007 仿真中，阴影损耗的值参照表1 不同卫星仰角下的阴影衰落中设置。

由于总波束数目为109，根据覆盖面积（中国）粗略计算，可知单波束小区的仰角变化范围不超过1度，也即点波束小区内的阴影损耗可以取同一个值。

其他仿真参数：■ 用户链路上行1980～2010MHz，下行2170～2200MHz，馈电链路C/Ku 频段，用户链路兼容393TD-SCDMA 帧结构，频带宽度1.6M，上下行各支持18个频点。