1、第七章：衛星通信系統與第七章：衛星通信系統與技術技術組長：孫亞偉組長：孫亞偉成員成員:宋宇、史寶通、王錦程、宋宇、史寶通、王錦程、李博、韓莉、劉海英、徐晨、王燦、李博、韓莉、劉海英、徐晨、王燦、第七章第七章 衛星蜂窩移動系統衛星蜂窩移動系統 72.1 衛星蜂窩的概念衛星蜂窩的概念7.2頻率復用頻率復用7.3同信道干擾同信道干擾7.4系統結構系統結構7.5網絡控制網絡控制7.6切換切換7.7業務容量業務容量 7.1 衛星蜂窩的概念衛星蜂窩的概念采用多波束進行頻率復用就形成了衛星蜂窩覆蓋的概念，如圖7-1所示。 圖7-1 衛星蜂窩覆蓋 在一個衛星波束所覆蓋的地球表面上，將信號接收強度相同的點連起來

2、就構成了一個電平等高線，小區的邊界就是一個電平等高線，不同電平的等高線將形成不同半徑的同心圓。 圖7-2 不同信號電平構成的等高線 圖7-3 小區的形狀不一定是圓的 圖7-4 正六邊形蜂窩小區模型 7.2 頻率復用頻率復用 7.2.1星內的頻率復用星內的頻率復用 小區頻率復用的意思就是說，在某個小區內使用的頻率資源也可以被其它小區同時使用。FDMA系統進行頻率復用的方法一般是把總的頻率資源分割為K組，在覆蓋范圍內每K個鄰近的小區組合成一個簇。 圖7-5 頻率復用模式 假設某一顆衛星所覆蓋的總面積為Ssat，衛星可用的總帶寬是Bsat，每個載波占用的帶寬是Sc，每個載波可以提供N個業務信道，那么

3、整個衛星只用一個波束覆蓋時總共可以提供的信道數為csatBBNN單區制采用多個點波束時，若每個小區的面積為 ，則總共有個小區 ， 個簇，每個簇都有 個業務信道，每個小區中的信道數是 ，此時總共能提供的業務信道數是 cellScellsatcellSSNKSSNcellsatclustNBBNcsatchKNNchcKBSNBSNNNccellsatsatchclust蜂窩制與單波束情形相比，采用蜂窩頻率復用使信道數增加了G倍 KSSNNGcellsat單區制蜂窩制如果相鄰簇中的干擾小區到被干擾小區距離相同，則稱為規則的小區頻率復用，此時K不可能是任意的，它一定滿足下式 22nmnmK圖7-6

4、規則的頻率復用模式（K=7,m=2,n=1） 如果PO是某個小區內的一個點，其坐標可用復數標記為 ，則相鄰6個簇內與PO對應的6個同頻小區中對應點的坐標是： jyxP06 ,1,2, 333kenemRjyxPjkjk使用相同頻率的兩個小區的中心距離叫做同頻復用距離。在規則復用模式下，最小的同頻復用距離是 RKmnnmRD3322圖7-7 不規則的頻率復用模式（K5） 7.2.2星間頻率復用星間頻率復用 對于FDMA/TDMA系統，在這兩個波束內使用相同的頻率就會造成嚴重的同信道干擾。因此，有必要在頻率上對兩顆衛星的波束進行分隔。圖7-8 相鄰的衛星使用不同的頻率 圖7-9 每顆衛星的前半部分

5、和后半部分使用不同的頻率 圖7-10 奇數極軌時的頻率復用，1軌道自北向南 圖7-11 奇數極軌時的頻率復用，1軌道自南向北 7.2.3 CDMA的頻率復用的頻率復用 CDMA系統的技術基礎是擴頻，由于擴頻固有的強抗干擾能力，所有頻率資源可以在所有小區中重復使用，因此CDMA的頻率復用因子是K=1。7.3 7.3 同信道干擾同信道干擾 對于FDMA/TDMA系統，同信道干擾決定了復用因子K的設計。對于CDMA系統，雖然頻率復用的問題存在，但同信道干擾與其容量密切相關。7.3.1 FDMA/TDMA系統系統中的同信道干擾中的同信道干擾干擾源主要來自同一衛星的其它同頻波束，也有可能來自其它衛星。

6、圖7-12 上行鏈路的同信道干擾 點波束天線的一種典型方向圖 2331max362uuJuuJGGdBu3sinsin07123. 2圖7-6 點波束天線的方向增益 -60-40-200204060-80-70-60-50-40-30-20-100偏 離 軸 線 方 向 的 度 數相對軸線方向的天線增益（dB）如果第i個干擾用戶的發射功率是Pi，自干擾用戶到被干擾衛星的路徑損耗是Li，干擾用戶的位置偏離被干擾波束軸線方向的角度是 ，那么這個干擾用戶產生的干擾功率是 i iiiiGLPI于是總的信號干擾功率比，或簡稱信擾比為 iiiiccciiGLPGLPICIC圖7-14 上行C/I的典型分布

7、特性 -100102030405000.10.20.30.40.50.60.70.80.91C/I (dB)累積分布K=3 K=4 K=7 圖7-15 下行鏈路的同信道干擾 圖7-16 下行C/I的典型分布特性 -100102030405000.10.20.30.40.50.60.70.80.91C/I (dB)累積分布K=3 K=4 K=7 7.3.2 CDMA系統中的同信道干擾系統中的同信道干擾在CDMA系統中，不同的用戶可以同時使用相同的頻率發送信號。 為了提高系統容量，CDMA系統一般采用了發送功率控制技術和語音激活發送技術。 圖7-17 CDMA上行鏈路 如果已知f，則小區1內某個用

8、戶的信擾比近似為 fNIICICucea11圖7-18 鄰小區干擾因子 33.23.43.63.844.24.44.64.8500.511.52小 區 邊 緣 的 衰 減 量 (dB)鄰小區干擾因子 圖7-19 增加小區邊緣的衰減設計值可以降低鄰小區干擾因子 7.4系統結構系統結構 圖7-20示出了衛星蜂窩系統典型的系統結構，它和地面蜂窩系統基本相仿。 圖7-20 衛星移動通信系統的網絡結構 7.4.17.4.1空間段空間段 衛星移動系統的空間段由空中的所有衛星構成。這些衛星分布在多個軌道面上，形成一種特定的衛星星座結構。衛星軌道的高低直接決定了覆蓋區的大小，同時也決定了需要多少顆衛星才能實現

9、全球覆蓋。 7.4.2 7.4.2 地面段地面段 地面段最重要的組成部分是衛星關口站（Gateway），它相當于地面蜂窩系統中的移動交換中心（MSC）。 圖7-21 銥系統的關口站框圖 7.5 7.5 網絡控制網絡控制 7.5.1網絡控制概述網絡控制概述 1.1.網絡控制的功能網絡控制的功能 移動性管理（MM）無線資源管理（RR）連接管理（CM） 圖7-22 類似GSM的網絡控制協議棧 3. 信令信道信令信道網絡控制的功能是通過移動終端和關口站之間的信息交互完成的，這些控制信息一般稱作信令。 不管是業務信道還是信令信道，它們最終自然要在物理層上傳輸。 圖7-23 邏輯信道是對物理信道的映射 控

10、制信道控制信道 BCCH（廣播控制信道）CCCH（公用控制信道）DCCH（專用控制信道） 7.5.2 7.5.2 移動性管理移動性管理 移動性管理中最核心的問題是如何讓系統知道用戶當前所處的位置。在衛星移動系統中，特定的位置被歸屬到某個關口站的服務區中的某個位置區中。用戶通過位置登記向系統報告自己的位置區。 1.1.關口站的服務區關口站的服務區 在衛星移動系統中，所有用戶的通信都必須經過關口站進行。 在沒有星際鏈路的系統中，用戶只有和關口站處在同一衛星的覆蓋范圍內時，才能得到通信服務。 2.2.位置登記位置登記 位置登記就是要求用戶定期或不定期地向系統報告它的位置信息。 用戶通過位置登記向系統

11、發送的是其所在地的位置區識別碼LAC。 3.3.尋呼尋呼 當有電話呼叫打到衛星移動用戶時，系統首先要對這個用戶發起呼叫，這個過程叫尋呼。 7.5.3 呼叫控制呼叫控制 呼叫控制是連接管理（CM）的一個子集，它負責呼叫的建立、維持、釋放等功能。這里“呼叫”含義是指一個電話話路連接，包括話音業務以及基于電路交換的數據業務。 圖7-25 衛星用戶主叫的情形 圖7-26 衛星用戶被叫的情形 7.5.47.5.4無線資源管理無線資源管理 無線資源管理（RR）的問題發生在呼叫建立的時候，它的功能是為需要通信的用戶決定一個合適的衛星、波束，在這個波束內分配一個信道，并規定用戶以及衛星以什么樣的功率發送信號。

12、 1.FCA 在FCA中，每個波束有固定的資源，因而一個波束能提供的信道數是固定的。 在FCA系統中有可能出現這樣的情形，即某個波束上的信道已經被占滿，使新發生的呼叫被阻塞，但在同一時間內其它波束上還有許多空閑的信道。 2.CB CB是信道借用（Channel Borrowing）的縮寫。采用CB的系統首先按FCA的方式工作，每個波束都有預先分配好的固定數目的信道數。 圖7-27 CB的概念 3.DCA在完全的DCA中，不再有簇的概念，每個波束也沒有事先分配的固有信道。每當發生一個呼叫系統就為這個呼叫分配一個信道，呼叫結束后這個信道資源將交還系統，以備下一個發生的呼叫使用。 7.67.6切換切

13、換 切換工作的宗旨是為了保證用戶在通話過程中系統能持續性地提供信道連接。在地面蜂窩系統如GSM或者IS95中，一個正在通話的用戶從一個小區的覆蓋范圍移動到另外一個小區的覆蓋范圍時，就產生了切換的問題。 7.6.17.6.1不同的切換情形不同的切換情形 信道切換信道切換波束間切換波束間切換星間切換星間切換關口切換關口切換網絡切換網絡切換7.6.27.6.2切換的操作切換的操作 在切換操作中，首先需要決定的問題是否該切換以及何時切換；其次是應該切換到哪個波束（或者衛星等）上；再就是切換的過程如何進行。 圖7-32 后向切換 圖7-33 前向切換 7.6.3 切換引起的資源分配問題切換引起的資源分配

14、問題視同新呼叫視同新呼叫預留資源預留資源切換排隊切換排隊DCA 7.6.4CDMA系統中的軟切換系統中的軟切換 由于CDMA的頻率復用因子是1，相鄰波束使用相同的頻率，于是當用戶處在波束交疊區時，完全可以同時在兩個波束內建立鏈路，這種做法叫宏分集。 圖7-28 軟切換示意圖 7.77.7業務容量業務容量 7.7.1單小區的愛爾蘭容量單小區的愛爾蘭容量 1愛爾蘭表示一小時時間段內用戶所產生的總呼叫時間為一小時。 若所有用戶有相同的統計特性，阻塞率是 ，則有關系 BpApABc 1當用戶數足夠多時，通常可以假設單位時間（一小時）內發生的呼叫次數n服從Poisson分布，即 enpnn!0n用戶每次的通話時長t服從指數分布 0 tetf在這種模型下，阻塞率和信道數、系統負荷的關系由Erlang-B公式確定： ccNiicNBiNAp0!定義信道的愛爾蘭效率為： cNAErl假設系統的愛爾蘭容量是A，信道效率為 ，忙時（即最忙的那個小時）平均每個用戶產生的話務量為 ，那么單小區可支持的用戶數為ErluAucucelluANAANErl,7.7.2 系統的容量及頻譜效率系統的容量及頻譜