1、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、主要技術(shù)指標(biāo)1）主要覆蓋東南亞地區(qū)（92E140E ,10S2326N），地面終端為手持機(jī)。2）地球同步軌道，衛(wèi)星軌道的高度為36000km。3）波束：衛(wèi)星天線有140 個(gè)點(diǎn)波束，EIRP：73dBW，G/T：15.3dB/K。4）支持?jǐn)?shù)據(jù)速率9.6kbps, 至少能提供10,000路雙向信道。5）頻段：L波段，上行16261660MHz，下行15251559MHz。二、總體技術(shù)方案1.系統(tǒng)組成衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由衛(wèi)星星載轉(zhuǎn)發(fā)器、地球站接收和發(fā)送設(shè)備組成。系統(tǒng)組成如圖（1）所示，從圖中可以看出這些設(shè)備是如何構(gòu)成系統(tǒng)，以提供端到端的鏈路的（用戶終端信息編碼調(diào)制器上變頻器功率

2、放大器衛(wèi)星接收、下變頻解調(diào)、路由上變頻、發(fā)射接收機(jī)與解調(diào)器用戶終端）。發(fā)送端輸入的信息經(jīng)過處理和編碼后，進(jìn)入調(diào)制器對載波進(jìn)行調(diào)制；已調(diào)的中頻信號經(jīng)上變頻器將頻率搬移到所需的上行射頻頻率，最后經(jīng)過高功率放大器放大后，饋送到發(fā)送天線發(fā)往衛(wèi)星。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器除了對所接收的上行信號提供足夠的增益外，還進(jìn)行必要的處理（頻率變換、譯碼、編碼等）。衛(wèi)星發(fā)射天線將信號經(jīng)下行鏈路送至接收地球站。地球站首先將接收的微弱信號送人低噪聲放大模塊和下變頻器。低噪聲放大模塊的前端是具有低噪聲溫度的放大器，以保證接收信號的質(zhì)量。下變頻器、解調(diào)和解碼與發(fā)送端的編碼、調(diào)制和上變頻對應(yīng)。圖（1）星載和地球站設(shè)備2.系統(tǒng)的傳輸技術(shù)體制

3、（1）信號調(diào)制方式（2-PSK）二相相移鍵控(BPSK)是相移鍵控中最簡單的一種形式，相移大小為 180，又可稱為2-PSK。簡單來說，就是二進(jìn)制信號的0和1，分別用載波相位0和或/2和-/2 來表示。表達(dá)式為SBPSKt=kakgt-kTbcos(0t)式中ak為二進(jìn)制數(shù)字，ak為+1的概率為P，ak為-1的概率為（1-P）采用BPSK調(diào)制方式時(shí)，發(fā)送端以某個(gè)相位作為基準(zhǔn)，因而在接收端也必須有一個(gè)固定的基準(zhǔn)相位作參考。如果參考相位發(fā)生變化，則接收端恢復(fù)的信息就會出錯，即存在“倒”現(xiàn)象。因此在實(shí)際應(yīng)用中一般采用差分相移鍵控（DBPSK）。DBPSK是利用前后相鄰碼元的相對載波相位來表示數(shù)字信息

4、的一種表示方法。DBPSK只是比BPSK多了一個(gè)差分編碼器。DBPSK和BPSK只是對信源數(shù)據(jù)的編碼不同。在實(shí)現(xiàn)DBPSK調(diào)制時(shí)，只要將碼序列變成差分編碼，將原信息序列（絕對碼）變換成相對碼，其他操作與BPSK完全相同。由于在DBPSK中，數(shù)字信息是用前后碼元以調(diào)信號的相位變化來表示的，因此，用有相位模糊的載波進(jìn)行相干解調(diào)時(shí)并不影響相對關(guān)系。雖然解調(diào)得到的相對碼完全是0、1倒置，但經(jīng)差分譯碼不會發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而克服了載波相位的模糊問題。手機(jī)的接收和發(fā)送均采用二項(xiàng)項(xiàng)移鍵（BPSK）調(diào)制，數(shù)字信號允許的最大比特誤碼率為10-4,從而導(dǎo)致語音信道的S/N為34dB,當(dāng)誤碼率為10-4時(shí)語音信道

5、的C/N的理論值等于8.4dB。實(shí)現(xiàn)裕量設(shè)定為0.6dB，則最小的C/N設(shè)定為9dB。（2）多址接入方式上行鏈路: 衛(wèi)星交換的FDMA每載波單路信號的FDMA（SDMA-SCPC-FDMA）在終端每路信號進(jìn)行調(diào)制變頻放大后以一條獨(dú)立載波發(fā)送出去，衛(wèi)星接收信號進(jìn)行處理交換，直接發(fā)送信息給被呼叫用戶。圖2 衛(wèi)星交換FDMA系統(tǒng)模型在SS-FDMA系統(tǒng)中，通常存在多個(gè)上行鏈路波束和多個(gè)下行鏈路波束，沒個(gè)波束內(nèi)均采用FDMA方式，各波束使用相同的頻帶（空分多址）。在衛(wèi)星通信過程中，其上行鏈路載波必須處于某個(gè)特定的頻率上，以便轉(zhuǎn)發(fā)器能根據(jù)其載波頻率選路到相應(yīng)的下行鏈路波束上，即在SS-FDMA方式中，載

6、波頻率與需要去往的上下行鏈路波束之間有特定的對應(yīng)關(guān)系，轉(zhuǎn)發(fā)器可以根據(jù)對應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)不同波束內(nèi)FDMA載波之間的轉(zhuǎn)換。 圖3 SS-FDMA衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器框圖上圖給出了SS-FDMA衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器框圖，圖中上行鏈路下行鏈路均只有三個(gè)波束為例。對于SS-FDMA來說，每個(gè)上行鏈路載波在星上都有一個(gè)濾波器與之對應(yīng)。去往某個(gè)下行鏈路的上行鏈路載波都必須在星上被選路到覆蓋該接收地球站的下行鏈路波束。在任一波束中的每條上行鏈路在任何時(shí)候都可以連接到任一波束中任何下行鏈路。除了可以實(shí)現(xiàn)空分頻率復(fù)用外，SS-FDMA通過在星上增加增益調(diào)整，還可以對同一波束內(nèi)所有的下行鏈路進(jìn)行功率控制，從而避免大波束抑制小波束現(xiàn)象。下行

7、鏈路: 衛(wèi)星交換的TDMA每載波單路信號的FDMA（SDMA-FDMA-MCPC-TDMA）如果上行鏈路和下行鏈路同時(shí)使用FDMA的話，由于衛(wèi)星非線性的增益放大，系統(tǒng)之間會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的交調(diào)干擾，極端情況下會使得系統(tǒng)崩潰。所以在下行鏈路，我們采用多載波的TDMA。這樣就可以極大地減少載波之間的交調(diào)干擾。配給各地球站的是特定的時(shí)隙，而不是特定的頻帶，因而每個(gè)地球站必須在分配給自己的時(shí)隙中用相同的載波頻率向衛(wèi)星發(fā)射信號，而不同時(shí)隙進(jìn)入衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的信號，按時(shí)間順序排列起來，時(shí)隙的排列既緊湊又不重疊。覆蓋在衛(wèi)星波束中的每個(gè)地球站都能接收到由轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)來的全部射頻脈沖（或突發(fā)）信號，并從中提取出各站所需

8、的業(yè)務(wù)脈沖列。TDMA決不會出現(xiàn)互調(diào)和大載波抑制小載波的現(xiàn)象，從而可使衛(wèi)星的功放工作在飽和區(qū)，能夠獲得到最大的衛(wèi)星輸出功率。不過TDMA要考慮到幀的同步問題。3.信道編碼在信道中增加一些特殊的并且有序的比特流，可以大大的提高系統(tǒng)的傳輸增益。在這里我們使用了分組編碼和半速率卷積碼。使得系統(tǒng)的傳輸增益提高7dB。4.信道的申請及信道分配（1）信道的申請：用戶接入時(shí)采用隨機(jī)多址訪問的方式。在以隨機(jī)多址訪問方式工作的系統(tǒng)中，每個(gè)用戶都可以訪問一條共享信道，而無需事先與系統(tǒng)中的其他用戶進(jìn)行協(xié)商。圖5 衛(wèi)星分組通信原理在ALOHA方式中對用戶發(fā)送數(shù)據(jù)分組的時(shí)間未加以任何限制，因此對任一分組而言，只要有其他

9、站發(fā)射分組，便會在信道上發(fā)生碰撞現(xiàn)象。 ALOHA的特點(diǎn)： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，用戶入網(wǎng)方便，無需協(xié)調(diào)。 當(dāng)業(yè)務(wù)量較小時(shí)具有良好的通信性能。 存在碰撞現(xiàn)象，其吞吐量（即某段時(shí)間內(nèi)成功接收信息的比特平均數(shù)與所發(fā)送的總比特?cái)?shù)之比）較低，最高吞吐量也只能達(dá)到18.4%。 存在信道不穩(wěn)定性。即當(dāng)信道業(yè)務(wù)量增大到一定的程度時(shí)，分組在信道上發(fā)生碰撞的概率也隨之增加，此時(shí)信道上的吞吐量不再隨業(yè)務(wù)量的增加而增加，反之減小，此時(shí)要求重發(fā)的分組數(shù)也隨之增多，信道的利用率（信道上有信息傳輸?shù)臅r(shí)間占總的可用時(shí)間之比）加大。極限情況下，信道內(nèi)充斥的都是重發(fā)分組，此時(shí)的吞吐量降為零?？梢娦诺劳掏铝康秃筒环€(wěn)定性是ALOHA的主要

10、缺點(diǎn)。在雙方通信開始之前，用戶需要向衛(wèi)星發(fā)送一段信令，要求衛(wèi)星呼叫被請求的用戶。信令接入的方式采用隨機(jī)多址接入的方式。當(dāng)雙方接通后，衛(wèi)星隨機(jī)分配一段空閑的頻率來支持雙方的正常通信。（2）信道分配：按需分配（DA）方式按需分配方式是一種分配可變的制度，這個(gè)可變是按申請進(jìn)行信道分配變化的，通話完畢之后，系統(tǒng)信道又收歸公有。這種分配方式比較靈活，各站之間可以通過協(xié)商進(jìn)行通道調(diào)劑，因而可以用較少的通道為較多的地球站服務(wù)，同時(shí)還可避免出現(xiàn)忙閑不均的現(xiàn)象，提高通道利用率。但為了實(shí)現(xiàn)按需分配方式，則必須在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上單獨(dú)劃出一頻段，專門作為公用信道，各地球站可通過此公用信道進(jìn)行申請和完成通道分配工作。根據(jù)信

11、道分配可變的程度不同，與電話蜂窩系統(tǒng)一樣，多個(gè)用戶共享相同的可用頻率，每個(gè)呼叫都要遵守一定的建立順序，向衛(wèi)星發(fā)射呼叫信息，衛(wèi)星把消息接收經(jīng)過解調(diào)恢復(fù)信息進(jìn)行判斷并且找到呼叫對象，把信令發(fā)送給呼叫用戶，開始建立連接。建立連接后，衛(wèi)星為呼叫分配頻率進(jìn)行通信。通信結(jié)束后頻率被釋放，成為新的可用頻率。二、關(guān)鍵技術(shù)解決途徑（1）互調(diào)干擾：多波束衛(wèi)星之間產(chǎn)生互調(diào)干擾解決方法：圖6 七波束頻率復(fù)用二相相移鍵（BPSK）調(diào)制，的帶寬與碼元傳輸速率相等，為9.6kHz。而衛(wèi)星天線有140個(gè)波束，提供10000路雙向信道，利用空分復(fù)用,相當(dāng)于每七個(gè)小區(qū)共享34M帶寬，假設(shè)每個(gè)小區(qū)有80個(gè)用戶,系統(tǒng)總的帶寬為680

12、M,頻分復(fù)用的話每個(gè)用戶最多可以分到60Kb的帶寬。（2）非線性失真： 通信系統(tǒng)中，信道非線形失真會對信號造成損害，非線性失真主要由功率放大器（特別是 載功率放大器）產(chǎn)生，有幅度非線性失真和相位非線性失真。幅度非線性失真即信號輸入輸出幅度變化特性(AM-AM)是非線性的。相位非線性失真將輸入信號的幅度變換轉(zhuǎn)換為輸出信號相位的變化。解決方法：為減少信道的非線性失真，主要是減少放大器帶來的非線性失真，一般可采用非線性補(bǔ)償技術(shù)或放大器功率回退技術(shù)。非線性補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ皇歉鶕?jù)已知的功率放大器非線性特性用互補(bǔ)的特性進(jìn)行語補(bǔ)償。預(yù)補(bǔ)償可以在中頻以模擬電路實(shí)現(xiàn)，也可以在基帶以數(shù)字方式進(jìn)行補(bǔ)償，本系統(tǒng)采用后者

13、。采用自適應(yīng)非線性補(bǔ)償，這樣可以在未知功放非線性特性的情況下進(jìn)行預(yù)失真補(bǔ)償，適應(yīng)性強(qiáng)，補(bǔ)償效果好。輸入輸出補(bǔ)償能有效地減少多載波信號的互調(diào)失真，但是降低了功率放大器的功率效率，對于多載波傳輸?shù)男l(wèi)星通信系統(tǒng)，由于功放的非線性將引起互調(diào)失真，產(chǎn)生互調(diào)干擾噪聲，使系統(tǒng)的C/N值下降。當(dāng)星載TWTA的輸入功率增加時(shí)，會產(chǎn)生兩個(gè)結(jié)果：一方面，由于輸出功率隨之增加，衛(wèi)星EIRP增大，下行鏈路的C/N值將增加，但增加不是完全線性的，隨著TWTA進(jìn)入飽和，下行C/N的增加更加緩慢。另一方面，隨著TWTA輸入功率的增加，放大器趨于飽和，互調(diào)噪聲增大，使C/IM（載波互調(diào)比，IM為互調(diào)干擾功率）下降。在考慮上下行

14、鏈路C/N和互調(diào)C/IM的情況下，星載TWT功放輸入功率顯然存在一個(gè)最佳值，此時(shí)全鏈路具有最大的C/N值。三、鏈路工程預(yù)算1.衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)的步驟（1）確定系統(tǒng)的工作頻段。（2）確定衛(wèi)星通信的參數(shù)。（3）確定發(fā)射地面站和接受地面站的參數(shù)。（4）從發(fā)射地面站開始，建立上行鏈路預(yù)算和轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲功率預(yù)算，從而確定轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)的（C/N）up。（5）根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器增益或輸出補(bǔ)償，確定轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出功率。（6）建立接收地面站的下行鏈路功率和噪聲預(yù)算。計(jì)算位于覆蓋區(qū)邊緣的地面站的（C/N）dn和（C/N)0。（7）計(jì)算基帶信道的S/N。確定鏈路裕量。（8）估計(jì)計(jì)算結(jié)果，并于規(guī)定性能進(jìn)行比較。根據(jù)需要調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)直

15、到獲得合理的（C/N)0。該過程可能要反復(fù)進(jìn)行多次。（9）確定鏈路工作所要求的傳輸條件。分別計(jì)算上行鏈路和下行鏈路的中斷時(shí)間。（10）若鏈路裕量不夠，可以通過調(diào)整某些參數(shù)，對系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)。最后檢驗(yàn)所有的參數(shù)是否符合要求，以及設(shè)計(jì)是否可以按照預(yù)算正常工作。2.衛(wèi)星通信系統(tǒng)的參數(shù)衛(wèi)星參數(shù)EIRP73dBW轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬34*20MHz移動終端上行鏈路頻率1650MHz移動終端下行鏈路頻率1550MHz接收天線G/T15.3dB/K移動終端參數(shù)發(fā)射機(jī)輸出功率0.5W天線增益-23dB規(guī)定最大的比特誤碼率10-3（1）上行鏈路的計(jì)算上行鏈路輸出端接收功率：Pr=EIRP+Gr-Lp-LmdBW其中EIRP

16、是發(fā)射機(jī)輸出功率和發(fā)射天線增益的乘積，Gr表示衛(wèi)星天線增益Lp；表示鏈路路徑損耗；Lm表示其它損耗。衛(wèi)星接收系統(tǒng)輸入的噪聲功率 N=Pn=KTsBn=K+Ts+Bn。路徑損耗Lp=4R/2=187.9dB假定1550MHz鏈路上的其它損耗（極化未對準(zhǔn)、大氣層中的大氣吸收等）為0.5dB，位于衛(wèi)星天線圖-3dB等高線上地面站的增益要減小3dB，所以總的損耗為3.5dB。首先,類比地面移動通信系統(tǒng)的的區(qū)群,我們可以把衛(wèi)星的40個(gè)點(diǎn)波束所覆蓋的140個(gè)小區(qū)劃分成以7個(gè)小區(qū)為一個(gè)區(qū)群的20個(gè)區(qū)群。這樣就利用空分多址的原理把34MHz的帶寬復(fù)用了20次。若把每個(gè)區(qū)群的帶寬平均分配到每個(gè)小區(qū)，則每個(gè)小區(qū)可

17、以分配到34/7=4.857MHz帶寬。信號的調(diào)制方式是BPSK,所以數(shù)據(jù)的傳輸帶寬為9.6KHz,因?yàn)橄到y(tǒng)的濾波器并不是理想的矩形濾波器,考慮到信號成形,所以每個(gè)信道之間我們分配4KHz的帶寬作為保護(hù)帶寬.所以每個(gè)用戶正常所需要的帶寬為9.6 KHz +4 KHz =13.6KHz?？紤]到在信息的傳輸過程中為了提高信號傳輸?shù)脑鲆妫覀冃枰獙π诺肋M(jìn)行編碼，經(jīng)過我們查詢資料可知，對信號增加冗余可以很大程度的提高信號的增益。在這里我們每個(gè)用戶分配54.4KHz的帶寬。信道經(jīng)過分組編碼和半卷積碼，使得系統(tǒng)的增益提高7dB。即現(xiàn)在用戶發(fā)送帶寬為54.4KHz,實(shí)際信號傳輸?shù)乃俾蕿?.6*4=38.6K

18、Hz。則信號的噪聲功率為10log（38600）=45.84dB。我們給每個(gè)小區(qū)分配80個(gè)用戶，即每個(gè)小區(qū)傳輸信號所需要的總的帶寬為80*54.5=4.352MHz。信道的申請與分配的過程中需要占據(jù)一定的信道。我們信道的分配我們采用按需分配的方式進(jìn)行。剩余于帶寬為0.505MHz，全部用來進(jìn)行信道的申請與分配。在這里我們?yōu)槊總€(gè)用戶的號碼設(shè)置3.4KHz的帶寬，帶寬的間隔為2.5KHz，則80個(gè)用戶所需要的帶寬為0.48MHz?；旧夏軌驖M足信道分配所需要的帶寬。由以上分析可知，我們?yōu)槊總€(gè)小區(qū)分配80個(gè)用戶，一共有140個(gè)小區(qū)，所以可以滿足的總的用戶數(shù)為，80*140=11200?？梢詽M足題目的

19、要求。上行功率鏈路預(yù)算參數(shù)手機(jī)單元的EIRB-3dB發(fā)射天線增益0dB接收天線增益15.3dB信道編碼增益7dB1650MHz路徑損耗-187.9dB其它損耗-3.5dB衛(wèi)星端接收功率-172.1dB轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲功率預(yù)算參數(shù)玻爾茲曼常數(shù)-228.6dBW/K/Hz噪聲帶寬45.84dB噪聲功率-182.76dB上行鏈路的C/N為（C/N）up=Pr/N=10.66 dB注：BPSK調(diào)制信號的傳輸速率為9.6KHz，經(jīng)過信道編碼，為信號增加冗余后的傳輸速率為9.6*4=38.4KHz。所以噪聲功率為10log（38400）=45.84dB。在BPSK調(diào)制時(shí)當(dāng)誤碼率為10-3時(shí)，查詢通原課本知，信號

20、需要滿足的EbN0=6.8dB。轉(zhuǎn)化為載噪比為CN=EbN0log（M）=6.8dB。這里M=2（BPSK調(diào)制）。所以，由鏈路預(yù)算知：上行鏈路滿足用戶的需求。并且有3.86dB的裕量?？梢詽M足通信。（2）下行鏈路的計(jì)算如上圖，在一個(gè)特定的頻帶中，一個(gè)“信道”對應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)時(shí)隙。在圖中有M個(gè)頻帶每個(gè)具有不同的載波頻率，每幀包含N個(gè)時(shí)隙，分配到一個(gè)指定的載波上。圖中表示了分配到一個(gè)頻帶上的特定時(shí)隙所對應(yīng)的用戶信道的例子，因此，這個(gè)系統(tǒng)中共有NM個(gè)信道。在這里跟上行鏈路相似,我們首先采用空分多址SDMA,將140個(gè)小區(qū)分成以七個(gè)小區(qū)為一個(gè)區(qū)群,總共有20個(gè)區(qū)群的分區(qū)結(jié)構(gòu).這樣我們每個(gè)小區(qū)可以分配到

21、的帶寬為3420140=4.857MHz。與上行鏈路相同，信道的申請與分配的過程中需要占據(jù)一定的信道。我們信道的分配我們采用按需分配的方式進(jìn)行。我們?yōu)槊總€(gè)用戶的號碼設(shè)置3.4KHz的帶寬，帶寬的間隔為2.5KHz，則80個(gè)用戶所需要的帶寬為0.48MHz。我們?yōu)橛脩舴峙?.5MHz的呼叫帶寬。我們用0.357MHz的帶寬用來做保護(hù)間隔，以及一些其他的損耗所需要的帶寬。每個(gè)4MHz的頻帶依次分割成400KHz帶寬的子頻帶，其中一個(gè)子頻帶用作保護(hù)頻帶，因此一個(gè)方向中實(shí)際上有124個(gè)可用頻率。每個(gè)200KHz頻帶傳送8分片的TDMA幀結(jié)構(gòu)，幀以4.615ms的間隔重復(fù)。如上所述，每個(gè)用戶分配到每幀一

22、個(gè)分片，所以整個(gè)系統(tǒng)有98=72個(gè)可用信道。這個(gè)數(shù)量與上圖中的數(shù)量NM相對應(yīng)。如上圖，每個(gè)時(shí)隙長度是576.92s，包含296比特。時(shí)隙被長度為30.46s的保護(hù)時(shí)間分隔開，相當(dāng)于16.5比特。每個(gè)時(shí)隙的296比特中，有228比特是數(shù)據(jù)比特，分成兩個(gè)各有104比特的分組。6個(gè)比特定義了時(shí)隙的開始和結(jié)束。一個(gè)52比特的訓(xùn)練序列提供了必需的時(shí)間同步信息，還有兩個(gè)2比特的標(biāo)志位，這就是整個(gè)時(shí)隙的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)率是308.5比特/576.92s=541.666kbps。這個(gè)合成的比特傳輸對應(yīng)于利用在400KHz寬度頻道上的1.35比特/Hz的信道。400KHz的信道帶寬是頻帶中點(diǎn)與之以下大約13dB點(diǎn)之間的帶寬。每個(gè)用戶傳輸每幀228比特，然而數(shù)據(jù)信道占有每26幀的24個(gè)時(shí)隙。剩下的兩個(gè)時(shí)隙用來傳輸控制信息。有效的用戶比特率是22