卫星通信第6章宽带卫星通信

用户终端接收到的信号能量为C，干扰总 能量为I，则信噪比为
6.3.1 FDMA和TDMA系统下行链路中的同 信道干扰
我们作如下假定： 1. 点波束天线服从高斯特性 2. 理想信道 3. 只考虑同一颗卫星上的点波束天线的干 扰。此时有用信号和干扰信号传输路径 相同，因此信号衰减等大 4. 不同点波束天线的发送的传输功率相等。 用户接到的信号增益为
BACK
我们假定： 1. 在每一个无线小区内，CDMA载波的频 段相同。 2. 小区是理想的正六边形 3. 每个小区内有N个用户，用户密度为
4. 用户信号非同步 5. 高斯信道（没有遮蔽signal shadowing和 多径衰落） 6. 进行功率控制后，卫星接收到的信号功 率相同。 7. 通话的间歇期不发送信号（平均通话活 跃度=α）
如果卫星系统中有两个不同倾角的倾斜轨道， 则每个轨道上的每颗卫星在其运动过程中有 可能与另一轨道上的任意一颗星构成相邻关 系，因此，需要用不同的频率来分隔这两个 轨道面。如果系统中有多个不同倾角的倾斜 轨道，那么，每一个轨道必须独用一组频率。 在此情况下，频率复用因子Ko就是轨道面的 个数。包括了同一轨道上邻星的复用因子、 星内的小区复用因子后，总的复用因子是 2KKo。
6.3.2 CDMA系统下行链路中的同信道干扰
在CDMA系统的下行线路中，所有的信号 是被同一个源（一颗卫星）发出的，因而 可以很容易的实现同步，信号之间完全正 交。所以一颗卫星的所有用户之间不存在 同信道干扰（但是相邻卫星之间可能还是 存在干扰）。 而且，通过插入导频音的方法，在终端处 可以使用相干检测，所以允许终端在较低 的信噪比条件下工作。 综上，如同TDMA系统一样。CDMA系统 下行链路的同信道干扰比上行链路要小得 多
使用点波束天线带来的不利影响为： 1. 对于非地球同步轨道卫星构成的系统， 需要进行小区切换。 2. 相邻小区的同频之间会产生同信道干扰 (CCI) 本章讨论的主要问题是： 1. 小区间如何进行有效的频率复用 2. 小区间干扰的影响 3. 系统中的业务容量
图中所示的小区边界 并不是信号有无的分 界，而是信号电平 （或信噪比）降低到 一定程度上的边界 除卫星星下点的小 区外，卫星波束一 般是斜向的锥形， 而地球表面是一个球面，因此卫星波束在地球 表面按一定电平等高线围成的区域不一定是圆 形，处于卫星覆盖区域边缘的小区被拉长。
所以其他小区的干扰信号在天底小区天线 处的增益（用距离d作为参数）为
其中S为点波束天线的隔离度，因为 h>>d,h>>R，上式可以化简为
由于使用了功率补偿技术，干扰信号的功 率的增加量为
所以其他小区的干扰因子f为
(x0,y0)是指干扰信号所在小区的中心坐标
S=3时，积分 项的结果为
所以
根据(6-31)和(6-32)可知，f与卫星的高度h 和电波束天线的幅角θS无关 下图是不同情况下f的取值
1 2
1
2
1 2 1
1 2
2 2
6.4.2 无线小区的系统容量 为了计算系统容量，做以下假设： 1. 每个小区的呼叫统计独立，总的呼叫率服 从泊松分布，单位时间内的呼叫次数为λ 2. 每次呼叫的持续时间服从指数分布，平均 持续时间为1/μ 所以小区的负荷或话务量为
天线波束的轮廓通常被定义为天线接收增 益下降3-dB的等高线
同信道干扰还受到以下因素的影响
信号和干扰的遮蔽和衰落会影响信号干扰 比 对用户进行功率控制也会影响信号干扰比
6.2.1 FDMA和TDMA上行链路中的同信道 干扰 对于FDMA和TDMA系统小区簇内使用多 个不同载频，一个载频同一时间内在小区 簇内只能被一个用户使用。下图显示了同 信道干扰最强的情况
则频率复用因子为
在铱星系统中，Z=2150，K=12，所以频率复 用因子为W=179
6.2 上行链路的同信道干扰
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，同信 道干扰决定了其系统容量。
令卫星接收到的用户信号功率为C 接受到的总干扰功率为I
天线的主瓣服从高斯特性
如果卫星系统中所有的卫星都是极轨道卫星， 即所有的轨道面都垂直于赤道面，那么每个 轨道左右各有一个轨道。当轨道数是偶数时， 可以让相邻轨道交替使用两组频率。
如果轨道数是奇数，也可以只用两组频率， 方法是让每颗卫星前进方向左侧的波束使用 一组频率，右侧的波束使用另一组频率，但 在卫星飞过极点时，左右两侧的频率交换一 下。
对于陆上CDMA系统，f一般为0.44，这说 明卫星系统中其他小区的干扰更为严重
无线小区的用户数量
根据上述分析，总的信道干扰为：
CDMA系统的带宽为 ，信号功率 为 ，所以干扰信号功率谱密度为
如果考虑热噪声，总的功率谱密度为： ，根据(5.74)可得单个 CDMA载波可容纳的用户数为
假定每一个点波束天线使用相同的频段 (K=1)，并且CDMA载波的个数T也相同 （MF-CDMA：多频CDMA）。也就是说， 每一个小区占据着同样的带宽，具有相同 的容量。如果卫星带宽Bsat（等于小区带宽 Bc）给定，根据(5-81)(5-82)每个小区的用 户数量为
同信道干扰对误码率的影响 当码元持续时间为TS时，码元能量为 ，同信道干扰的功率谱密度为 ，又因为 ，所以信噪 比为 ，考虑热噪声的存在
如果根据误码率的要求需要 当K=4时，C/I=9.5dB，则有
可见为了补偿同信道干扰，传输功率比只 存在热噪声时要高。在这个例子中差了 1.9dB MF-TDMA系统的容量和带宽需求 假定小区簇的复用因子为K，每个小区中 TDMA载波的个数T相同，则卫星的带宽 为
每个小区的带宽为 每个小区的信道数量为
，根据(5-32),
6.2.2 异步DS-CDMA系统上行链路中的同 信道干扰
在使用CDMA技术的卫星蜂窝系统中所有 的小区使用相同的频段（K=1）。因而同 一小区和其他小区内同时通信的所有用户 间会产生同信道干扰。 对于同步CDMA系统，同一小区内的用户 信号相互正交，不会产生干扰，但是其他 小区内非正交的用户信号会产生干扰。而 且其他卫星用户的信号通常也是非正交的。 在卫星覆盖区域的重叠部分产生干扰。
若所有小区大小相同， 能实现无缝覆盖同时 又能节约波束的个数， 有效的方法是每个圆 周围有6个圆，圆与 圆之间的相交弦把地 理区域分割成许多正 六边形。 如果规定用户始终连接到信号最强的波束， 那么每个波束所服务的区域就是一个正六边 形。这就形成了正六边形小区概念。
6.1.1 正六边形小区的概念 如图所示小区的面积为：
f与点波束天线的隔离度S的关系 点波束天线的隔离度S（单位：dB）： 在小区边缘的电平等高线处，天线增益的 下降量。 考虑两种不同的天线类型：
锥形孔径天线(tapered-aperture antenna)
高斯特性的天线
f的下限 首先给出以下假定条件： 1. 点波束天线服从高斯特性 2. 地球表面的曲率忽略不计 3. 理想信道，不计衰落 4. 终端采用功率控制技术 如图6-7所示 天底小区的角度为
如果一个轨道面上的卫星数为偶数个，则 可将总的频率资源分成两部分，轨道上相 邻的卫星交替使用这总频 率资源分成两部分，此时，每颗卫星的前 半部分波束使用第一组频率，而后半部分 使用另一组频率。如图6.6所示。
在此两种情况下，每颗卫星都可使用一半的 总带宽，每一组频率被使用的次数也相同。 复用因子均为Ks=2，考虑到卫星内的小区频 率复用因子K后，总的复用因子为K*Ks=2K。
而对于FDMA/TDMA系统，信号要想在同一 频率上进行传输，使用相同频率的小区必须 距离足够远，否则两小区会相互影响，即同 信道干扰(CCI, co-channel interference)
图中K为小区 簇内小区的 数目，D为频 率复用距离
频率复用因子W描述了某一频率在卫星的覆 盖区内被使用的次数 令卫星覆盖面积为AS，一个小区的面积为AC， 则整个服务区内小区的数量为
接收信号位于小区边缘，天线的接收增益 为 干扰信号所在位置与中心(nadir)小区的距 离为
则干扰信号与卫星的夹角为
根据(6.9)式，当存在六个干扰信号时，有
下表给出了小区簇大小不同时的信噪比
BACK
根据(6.7)式可知，系统容量与1/K成正比， K越小，系统容量越大。但从同信道干扰 的角度看，K越大越好。从这个角度看， 同信道干扰限制了FDMA和TDMA系统的 容量 在模拟FDMA系统中，由于存在多径衰落， 要求C/I达到18dB，需要K=7； 在数字FDMA和TDMA系统中， C/I可以 较小，K=4即可。
在上式中，如果信号功率与热噪声功率相 等(Li=N0) ，并且忽略保护频带Bg，令 α=0.5
与TDMA相比，CDMA的带宽利用率更高。 CDMA可以在所有的小区利用相同的频带， 但是相邻的小区之间不能够使用相同的PN 码。因而需要具有良好的互相关特性的码 组。
6.3 下行链路的同信道干扰
下行链路中的同信道干扰是由本卫星或其 他卫星中同时传输的点波束天线的同频信 号引起的
每个小区直接同6个小区相邻，这6个小区称 为第一层相邻小区，在第一层小区外，同第 一层小区直接相邻的称为第二层相邻小区。
则n层之内(包括第n层)小区数为 1+6+2*6+3*6+…+n*6=1+3n(n+1)
6.1.2 小区簇和频率复用 为提高系统的频谱效率，卫星蜂窝系统采用 了小区频率复用技术
对于CDMA，由于信号可被正交的扩展码区 分，故在所有的小区中可使用相同的载波频 率
忽略地球表面的曲率，干扰信号的增益 取决于用户到干扰点波束天线对应小区的 中心的距离。下表给出了K=3和K=4时， 该距离的大小
根据(6-12)，得到干扰信号相对于自身点波 束信号中心的角度
根据(6-9)，得到干扰信号的增益
如果只考虑最强的干扰信号，则K=3时的 信噪比为 K=4时的信噪比为 在TDMA和FDMA系统中，与上行链路的 信噪比相比，下行链路同信道干扰对有用 信号的影响要小得多。因而在TDMA系统 中，可以选择K=4，在FDMA系统中，可 以选择K=7