地面空中接口卫星移动通信论文

卫星移动通信系统对地面通信系统有着补充的作用，使地理覆盖范围更广泛。在灾害、战争等紧急情况下，卫星移动通信系统被视为完全独立的地面基础设施。卫星移动通信系统在过去的十年与地面移动通信系统共同发展，已有显著的进步。因此，分析地面3G、4G空中接口在卫星通信系统的适用性对未来卫星通信系统标准的制定起到指导性的作用，而WCDMA和LTE标准分别是地面3G、4G空中接口的典型代表。

3GPP（The3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴计划）的LTE（LongTermEvolution，长期演进）标准是4G移动通信的主要技术方案之一。文献[1-2]针对星上功率放大器引起的非线性失真、大时延特性和时间分集对LTE空中接口进行改进。文献[3]通过分析卫星信道物理特性，并将信道物理特性作为依据对LTE的空中接口进行改进，增强了卫星信道传输的可靠性。上述文献都提出了LTE空中接口适应卫星通信系统可能会遇到的典型问题，并给出了主流的改进策略，但并没有在理论上详细探究LTE空中接口在卫星系统上的可行性，并且没有将WCDMA与OFDMA两种空中接口在卫星信道下对比分析。

文中首先系统性的阐述了以WCDMA和OFDMA为典型代表的地面3G、4G移动通信空中接口，研究了卫星移动通信系统的架构和特点，然后从信噪比门限、误码率、功放非线性影响这3个方面对比了WCDMA和OFDMA作为卫星系统空中接口的可行性，最后总结了现有文献基于LTE在卫星系统中使用的改进方案，为未来卫星移动通信系统空中接口的制定起到了一定的指导作用。

1地面空中接口概述

WCDMA和OFDMA分别是地面3G、4G标准的空中接口，本节分别对两种空中接口的特点、信道、调制编码方式等方面进行了概述。

1.1WCDMA空中接口

WCDMA是通用移动通信系统（UniversalMobileTelecommunicationsSystem，UMTS）的空中接口标准，而UMTS是国际标准化组织3GPP制定的全球3G标准之一。WCDMA基于直扩序列码分多址（DS-CDMA）技术，采用QPSK调制，载波带宽为5MHz，工作模式是FDD双工，并且支持不同数据速率的业务传输，最高可达2Mbps。在UMTS标准的后续版本引入新的链路层技术，支持更高的数据速率服务，具有更好的功率/带宽效率，如增强版本是高速分组接入（HighSpeedPacketAccess，HSPA），HSPA包括高速下行分组接入（HSDPA）和高速上行分组接入（HSUPA）。HSDPA引入高速下行链路共享信道（HighSpeedDownlinkSharedChannel，HS-DSCH），支持突发性、非对称和高速率的分组数据业务。它支持QPSK/16QAM的调制方式，使用基本速率为1/3的并行级联卷积Turbo码（ParallelConcatenatedConvolutionalCode，PCCC），速率匹配通过打孔或重传实现。HSUPA引入增强型专用信道（EnhancedDedicatedChannel，E-DCH），支持更高的上行数据传输速率。该信道使用BPSK调制和正交可变扩频因子（OrthogonalVariableSpreadingFactor，OVSF）码。

1.2OFDMA空中接口

4G移动通信比较成熟的标准有3GPPLTE标准和IEEE移动WiMAX标准，两者均为基于正交频分多址接入（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingAccess，OFDMA）技术的空中接口，具有抗频率衰落和灵活分配子载波的特点。LTE和移动WiMAX的每个用户需要进行时间-频率子载波分配，支持可扩展的带宽，FDD/TDD双工，提供高数据传输速率和高频谱利用率的业务。

LTE和WiMAX标准之间存在差异。LTE标准与HSPA标准类似，使用了基本速率为1/3、可进行速率匹配的并行级联卷积Turbo码（PCCC），而移动WiMAX标准规定了各种FEC码，如双二进制卷积Turbo码。另外，它们具有不同的帧结构、系统参数和子载波复用方式。LTE的上行链路采用了DFT扩频OFDMA，而WiMAX的上行链路和下行链路直接采用OFDMA。图1描述了HSPA、LTE和移动WiMAX这3个地面移动通信标准的演进过程。

2卫星移动通信系统架构及特点

从上世纪90年代开始，卫星移动通信系统已经取得了的长足的发展。卫星移动通信系统与地面移动通信系统的关键优势是其大的覆盖面积，而固有的大衰落、长时延、高成本又给卫星移动通信系统带来了挑战。卫星移动通信系统可以支持单个或多个卫星，且每一颗卫星可以提供单点波束或多点波束的覆盖。用户终端通过卫星连接到网络，无线信号被指向发往或来自某个网关，系统根据运营商的要求制定一个集中分布或分散分布的网关。卫星环境下，信号由于传输途中受到建筑物或地势遮挡而衰弱。为了确保覆盖的连续性，利用地面补充部分（ComplementaryGroundComponents，CGC）进行信号重传。卫星移动通信系统架构如图2所示，用户终端可以直接与卫星之间收发信号，也可以通过CGC进行信号重传。由于卫星信道与地面移动信道在物理特性有较大差异，在对卫星移动通信系统的设计过程需要关注传输特性的改进，需要充分考虑卫星信道的影响，卫星信道主要有以下几个特点：

1)大衰落

随着收发端之间环境的变化，信号在长的传播途中缓慢变化，除了自由空间传播损耗外，雨衰的影响也很大。除了考虑来自卫星的直射信号之外，还需要考虑多径衰落的影响，多径衰落能使接收信号在短距离或短时间内的快速变化。

2)长时延

大传输时延是卫星通信的固有缺陷，主要是由于星地距离较大造成的，这对时间同步造成一定的挑战。另外，由于OFDM系统对频偏非常敏感，而卫星链路还会产生较大的频率偏差，这都将对系统产生严重影响。

3)多普勒频移

由于多普勒频移的存在会降低信号传输的可靠度，对卫星系统性能造成较大影响，因此在编码、调制、信道估计等多个环节都需要检测估计出多普勒频移信息，对其进行补偿。

3可行性对比

在针对WCDMA和OFDMA两种空中接口可行性研究的基础上，本章从信噪比门限、误码率性能、功放非线性容限三个方面对上述接口进行了分析和对比，研究结果发现OFDMA空中接口在卫星系统中具有更好的链路性能。WCDMA作为卫星空中接口的可行性研究主要包括：1）MSS系统采用WCDMA可扩充UMTS容量。2)允许与地面UMTS网络技术上的协同性。3)启用所有波束和卫星的全频率复用。4)支持大区域广播/组播服务。5)对由于商业原因未部署网络覆盖的地区、需扩展网络容量的地区、由于自然灾害造成地面网络被损坏的地区提供了网络服务[4]。OFDM作为卫星空中接口的可行性研究主要包括：1)尽管具有大的峰均功率比（PAPR），OFDM信号还是能够在非线性卫星链路上有效传输。2)预失真设计和前向纠错编码是互补的。3)卫星视距（LOS）传播条件下可以实现正确接收；卫星非视距（NLOS）传播条件下，由于存在负的链路余量，手持终端无法实现正确的业务接收[5]。

两种空中接口均有其应用优势，但在多径信道下，OFDM的频谱利用率较WCDMA更高；而WCDMA接收机的载噪比高于OFDM[5]。为了完善两种空中接口可行性研究，下面从信噪比门限、误码率性能、功放非线性容限三个角度比较了两者在卫星信道下的链路性能[6]。

1)信噪比门限

卫星宽带衰落信道存在稳定的传播时延，HSPA与LTE/WiMAX的Eb/N0门限值是可比的。然而，HSDPA采用了地面中继，对微弱卫星信号进行增强，因此比LTE/WiMAX需要的Eb/N0门限低。

2)误码率

卫星信道的大时延会造成码正交性的显著降低，成为HSDPA高速数据传输的严重制约因素。当HSDPA传输速率为2.4Mbps时，误码率在Eb/N0为4~5dB时达到最低，却仍达不到10-3。3)功放非线性影响功放非线性会使链路性能受到一定程度的降级。其中，HSDPA在单码传输时功放非线性对链路性能影响非常小，而多码传输则会使PAPR增加，性能降低；LTE的上行链路使用SC-FDMA，这种调制方式对功放非线性的敏感性较小；WiMAX的上行链路则直接使用OFDMA，对功放非线性的敏感性较大。另外，文献[7]证明了回退和数字预失真结合的方法可以减小放大器非线性的影响。综上，可以得出以下结论：①卫星宽带衰落信道环境下，HSDPA与LTE/WiMAX的Eb/N0门限是可比的。②大传播时延的卫星信道环境下，HSDPA比LTE/WiMAX的Eb/N0门限低。③大传播时延的卫星信道环境下，码正交性的损失构成了HSDPA高速数据传输正确性的严重限制因素。④所有空中接口的链路性能都会因为放大器的非线性受到一定程度的降低。其中：-HSPA：在多码传输时PAPR增加。-LTE/WiMAX：OFDM的IFFT处理导致PAPR增加。其中，LTE上行链路使用SC-FDMA，受影响小；而WiMAX上行链路直接使用OFDMA，受影响大。因此，LTE和WiMAX空中接口在卫星信道下表现的链路性能比HSPA更可靠。然而，不论是WCDMA或是OFDMA空中接口都缺少TTI的有效时间分集，从而缺少了时间交织增益，使性能至少损失了5dB。同时，由于卫星系统的功率受限和大时延的存在会使短TTI失去优势。

4基于LTE的改进方案

前文已对卫星移动通信系统特点以及两种地面空中接口在卫星系统下的可行性对比进行了研究，得出LTE空中接口在卫星信道下表现出更好的链路性能的结论。由于LTE标准中所规定的传输时间间隔(TTI)较小，因此在大时延的卫星链路下无法得到好的时间分集。另外，卫星链路产生的大频偏和衰落，对OFDM产生严重的影响，而传统OFDM技术的峰均比(PAPR)较大，会导致严重失真。因此，要想将LTE空中接口应用到卫星系统，则需要针对卫星信道环境的大时延、大衰落特性带来的约束，对LTE空中接口进行改进。针对这些问题，需要调整接口以补偿卫星系统的大往返时延和大衰落，目前已有几种主流的改进方法，如频率复用技术、卫星链路同步技术、PAPR降低技术和自适应编码调制与交织技术。

4.1频率复用技术

由于频谱资源有限，在卫星系统中需要提高卫地信道的频谱利用率，频率复用是一种较好的解决方案，可以很好的促进地面网与卫星网的融合。

对于采用WCDMA的多点波束卫星系统，可通过给相邻波束分配不同的扩展码来实现频率复用。而对于OFDMA，则一般采用小数倍频率复用（fractionalfrequencyreuse，FFR），采用该技术可以改善基于OFDMA的多点波束卫星系统的频谱利用率，有效复用卫星频率。

图3显示了基于OFDMA的多波束卫星系统的频率复用模式。每一波束分为中心和边缘区域，每一帧分为两个时段T1和T2。时段T1被分配给波束半径为R1的点波束中心的终端，该时间段能被多有子载波利用。时段T2被分配给波束边缘的终端，该时间段只能被单个子载波利用。然而，为防止相邻点波束之间的干扰，两个区域的用户信号不能同时传输。频谱利用率与点波束中心区域大小有关，如果设置点波束中心区域的半径比点波束半径的一半还要大时，即R1>R2/2，则可以获得比传统方案更高的频谱利用率。

4.2卫星链路同步接收技术

从物理层角度出发，卫星链路中存在大时延会造成严重张曼倩，等地面空中接口在卫星移动通信的适用性研究的载波间干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)，其中以频偏影响更为严重。一些传统的同步算法可以应用到卫星系统，但效率不高。目前相关研究组提出了一种基于莱斯信道模型的频偏估计算法，该算法利用时域恒包络零自相关(CAZAC)序列进行符号同步和整数频偏估计，相对现有算法更加快速可靠。在地面OFDMA系统，上行链路帧同步可由随机接入过程获得。由于小区内的用户之间的延迟差比子帧长短，子帧长相当于LTE系统的传输时间间隔（TTI）。在这种情形下，用户传输一个前导告知基站自己的位置，然后基站在一个TTI内给用户分配资源。然而，卫星系统一个波束内用户之间的时延差比1个TTI长，这需要修改LTE系统的上行链路定时同步或资源分配方案，使适用于卫星环境。

如果考虑只修改LTE系统中的上行链路定时同步方案，资源分配方案不变，这表示上行链路信号应在卫星端同时接收。因此，同一波束内的所有用户都将利用一定的延迟，在同一时刻到达卫星。该方案会造成有效时间资源的浪费，达到了数十毫秒，并直接影响系统吞吐量和延迟敏感业务的QoS。为了解决该问题，需要将上行链路定时同步与修改的资源分配方案相结合，上行链路定时同步方案与传统LTE一致，以保留与LTE系统物理层的最大兼容性[8]。例如，UE1和UE2分别代表了位于点波束边缘和点波束中心的终端，即UE1和UE2分别具有最大和最小的往返时延（RTD）。设定UE1延迟时间为参照，即UE1一旦接收到下行链路的资源分配信息，就会立即传输上行链路信号，等待时间D1=0。那么其余UEj的Dj可以通过修改的资源分配方案计算。实际上，卫星事先通过随机接入方案可以得到每一个UE的位置信息，并根据位置信息分配资源。该方案中，可以保证最大的时延Dj不超过一个子帧时间，从而增强了整个系统的吞吐量，降低了时延。

4.3PAPR降低技术

OFDM因具有较高的频谱利用率和较好的抗多径衰落能力而被广泛应用于卫星通信系统中，但其较大的PAPR使得信号非线性容抗较差，要求系统内的部件具有很大的线性动态范围，否则出现非线性产生多载波互调噪声干扰，所以，降低PAPR是提高卫星系统传输性能的一个重要研究方向。目前已经有很多降低PAPR的方法，如限幅滤波、编码、有效星座扩展（ACE）、多信号表示法等，其中较为常用的有：LTE上行链路采用SC-FDMA调制，通过增加DFT和IDFT提高传输的准确性，降低传输时延；部分格状成形技术不仅能有效降低OFDM信号的PAPR，而且在保持较高信息率的情况下灵活地与纠错编码相结合，大大改善OFDM卫星通信系统的误码率性能[3]；分数阶傅里叶变换（FRFT）代替传统OFDM系统中的FFT，在改善OFDM系统误码率性能的同时有效降低了PAPR[3]。

4.4自适应编码调制与TTI交织技术

自适应编码调制技术（AMC）是一种对抗信道衰减的技术，其使用受限是由于卫星系统的大往返时延造成的。文献[8]提到了一种有效的功率控制和符号卷积结合的AMC方案，适用于基于LTE的卫星移动通信系统，该方案相对传统AMC方案有高达10.2%的频谱效率增益和高达8dB的功率增益。

当终端移动速度降低到一定程度时，信道编码抵抗衰落效果将会不明显。卫星链路具有大的环路延迟和缓慢的长衰落[9]，LTE标准中的TTI机制无法产生较好的时间分集效果。利用现有混合自动重传请求(HARQ)的灵活性降低信道的相关性，把LTE发射机同一环路缓存中的数据映射到不同TTI中，达到时间分集的目的。

5结束语

卫星通信是地面移动通信技术的一种延伸，将先进的移动通信技术应用于卫星通信中，并结合卫星通信系统本身的特点进行融合和改进，是实现星地一体化的重要发展方向。两者的结合重点在于空中接口的兼容和适应，而卫星环境本身的特殊性会给地面空中接口在卫星上的应用带来挑战。本文调研了已有文献对于适用性的评估与改进思路，研究比较了WCDMA和OFDM空中接口在卫星信道下的链路性能，使各地面空口适用到星上的改进方向更具针对性，并为未来卫星移动通信标准的研制提供了很好的借鉴与参考。

作者:张曼倩 刘健 李昌华 单位:航天恒星科技有限公司