卫星通信第6章宽带卫星通信

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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
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
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
6.4 卫星蜂窝系统的带宽需求和业务 容量
6.4.1 总系统带宽 固定信道分配的系统
对于FDMA或TDMA系统来说,即对每一 小区分配一固定的载波,对CDMA,即分 配固定的扩展码给每个小区。带宽需求可 以Bsat=K*Bc表达。
对于LEO/MEO卫星系统,为了达到无逢覆 盖的要求,相邻的覆盖区通常都存在一定 程度上的重叠。在两颗卫星相互重叠的覆 盖区域内,分属两颗卫星的两个波束在地 球表面的地理位置区域有可能完全相同。 在这两个波束内使用相同的频率会造成严 重的同信道干扰。因此,必须在频率上对 两颗卫星的波束进行分割。 假如卫星系统只有一个轨道平面,多颗卫 星在该轨道上运行,那么只需要对前后相 邻的卫星进行分割,不相邻的卫星虽然也 有可能形成同信道干扰,但一般比较小。
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
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
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)
1 2
1
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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
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
小区内的干扰
由于使用了功率控制技术,天线特性和信 道衰落得到补偿,接受信号功率保持为C, 则同小区内的干扰功率为 其他小区的干扰 由于使用了功率控制技术,其他小区内的 干扰信号的功率为
假设用户均匀分布在小区内各处,其他小 区的干扰为:
其他小区的干扰因子f 其他小区的干扰因子:其他小区的干扰功 率与有用信号所在小区的干扰功率之比
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
第六章 卫星蜂窝系统
6.1 系统介绍 6.2 上行链路的同信道干扰 6.3 下行链路的同信道干扰 6.4 带宽需求和业务容量
6.1 系统介绍
现代的卫星通信系统大多采用多波束卫星, 采用多个点波束不仅能够降低对移动终端的 EIRP和G/T,更重要的是可以在不同波束上 进行频率复用,用有限的频带为大量用户提 供服务。每个波束所覆盖的范围称为一个 “小区”。
更远距离的小区簇的影响忽略不计。
为了便于分析,给出以下假定条件
1. 用户与卫星之间不同倾斜角(slant ranges)造成的接收功率的不同可以被 忽略,或者是通过传输功率控制被补 偿。 2. 理想信道,不考虑衰落。 3. 点波束天线服从高斯特性 4. 地球表面曲率的影响忽略不计、 5. 不考虑其他卫星的用户的干扰
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
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
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
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。
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
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。
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
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两套频率。如图6.5所 示。
如轨道上的卫星数目为奇数,也可将总频 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。
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。
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。
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