衛(wèi)星重疊通信系統(tǒng)功率控制策略研究

高　琳，張永池，潘申富

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

?

衛(wèi)星重疊通信系統(tǒng)功率控制策略研究

高琳，張永池，潘申富

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要：針對衛(wèi)星重疊通信系統(tǒng)中擴(kuò)頻信號與原業(yè)務(wù)信號相互干擾的問題，提出了一種功率控制的策略。該策略分析了原業(yè)務(wù)信號對擴(kuò)頻信號的影響，給出了一種預(yù)測原業(yè)務(wù)信號功率的方法，來計算單用戶的發(fā)射功率；并且推導(dǎo)出擴(kuò)頻信號總的發(fā)射功率與原業(yè)務(wù)性能惡化的關(guān)系，來限制擴(kuò)頻信號的發(fā)射功率。在上述理論分析的基礎(chǔ)上，對一種典型的衛(wèi)星重疊通信系統(tǒng)進(jìn)行分析，評估出在原業(yè)務(wù)信號允許的惡化量為1 dB時，可接入用戶數(shù)為22個。

關(guān)鍵詞：重疊通信；原業(yè)務(wù)信號；擴(kuò)頻信號；功率控制

0引言

重疊通信最早出現(xiàn)在地面移動通信系統(tǒng)中，主要是為了解決第3代移動通信系統(tǒng)如何與GSM移動通信系統(tǒng)在同一頻帶下的共存問題，此后該項技術(shù)逐步引入到衛(wèi)星通信領(lǐng)域內(nèi)并有許多研究[1-4]。

衛(wèi)星重疊通信將寬帶擴(kuò)頻信號與轉(zhuǎn)發(fā)器上已有的業(yè)務(wù)載波在同一段頻帶上傳輸，可以在不需要任何空間段投入的情況下臨時使用現(xiàn)有的衛(wèi)星資源。但在這種通信系統(tǒng)中，原業(yè)務(wù)信號和寬帶擴(kuò)頻信號互相干擾，為了保證系統(tǒng)的正常通信，控制各個地球站的發(fā)射功率是十分必要的。一方面，需要限制疊加的擴(kuò)頻信號總的發(fā)射功率，不能明顯影響衛(wèi)星原業(yè)務(wù)的性能。另一方面，在保證自身通信質(zhì)量的前提下，盡可能地減少每個用戶站的發(fā)射功率，以便接入更多的用戶。因此，本文提出了一種系統(tǒng)的功率控制的策略，在保證不影響原業(yè)務(wù)信號通信的前提下，使系統(tǒng)的容量最大。

1擴(kuò)頻信號與原業(yè)務(wù)信號的相互影響

1.1　擴(kuò)頻信號對原業(yè)務(wù)信號的影響

利用擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行重疊通信時，擴(kuò)頻信號和衛(wèi)星原業(yè)務(wù)信號互為干擾，疊加的擴(kuò)頻信號對原業(yè)務(wù)信號來說可以看作是與信道加性噪聲統(tǒng)計獨(dú)立的白噪聲，相當(dāng)于使信道的白噪聲功率譜密度有所增加[5]。

總的擴(kuò)頻信號導(dǎo)致的原業(yè)務(wù)系統(tǒng)某一用戶站接收的信噪比惡化量λ為：

(1)

(2)

實(shí)際上，由于接收站的站型不同，不同接收站接收到的擴(kuò)頻信號的信噪比是不一樣的，從而導(dǎo)致的惡化量也不同。由于難以知道原業(yè)務(wù)系統(tǒng)接收站的站型，為了有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來評價，可以等效到星上來研究。

因為：

(3)

所以：

(4)

可以看到非重疊通信系統(tǒng)接收站接收到的擴(kuò)頻信號總的信噪比小于上行信噪比，有了比原來更嚴(yán)格的上限，所以將總的信噪比換為上行信噪比來研究，只要擴(kuò)頻信號的上行信噪比導(dǎo)致的惡化量小于原信號允許的惡化量門限μ，則在接收站的惡化量一定也小于門限值μ。因此有：

(5)

這樣評估擴(kuò)頻信號對原系統(tǒng)的干擾時，就不需要考慮原系統(tǒng)接收站型的大小。只需考慮所有的用戶站到衛(wèi)星的總的上行信噪比不要超過門限值即可。

總的擴(kuò)頻信號的上行信噪比對原業(yè)務(wù)信號的信噪比的惡化量如圖1所示。

圖1　原業(yè)務(wù)信號信噪比的惡化量

1.2　原業(yè)務(wù)信號對擴(kuò)頻信號的影響

對疊加的擴(kuò)頻信號來說，星上的業(yè)務(wù)可能是TDMA或FDMA信號。此時，為了分析的簡單化，假定在帶寬內(nèi)存在N個頻分的業(yè)務(wù)載波，這些載波會對重疊通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻信號造成干擾。這些業(yè)務(wù)載波在解擴(kuò)過程中被白化，對擴(kuò)頻信號的影響可等效為等功率的高斯白噪聲的影響。很顯然，原業(yè)務(wù)載波對擴(kuò)頻信號的定量影響與用戶站接收到的業(yè)務(wù)載波的載噪比相關(guān)[6,7]。

(6)

2系統(tǒng)的功率控制策略

2.1　策略描述

① 確定好衛(wèi)星原業(yè)務(wù)信號允許的惡化量門限，例如0.5 dB或1 dB；

② 根據(jù)式(4)可確定擴(kuò)頻信號上行信噪比的上限；

③ 根據(jù)2.2節(jié)估計衛(wèi)星上原業(yè)務(wù)信號的功率，得到重疊通信的用戶站接收原業(yè)務(wù)信號的信噪比，進(jìn)一步求得導(dǎo)致的擴(kuò)頻信號的惡化量，從而確定單用戶站的發(fā)射功率；

④ 網(wǎng)管中心收集正在通信的每個用戶站的發(fā)射功率及各地衛(wèi)星的G/T值，計算此時總的上行信噪比，若有新用戶請求通信，給其分配一定的功率，計算其通信后總的上行信噪比是否超過了允許的上限。若超過了上限，則禁止新的用戶通信。

2.2　原業(yè)務(wù)信號功率的預(yù)測

在重疊通信系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)發(fā)射功率的一個很大的因素為原業(yè)務(wù)載波功率的大小，預(yù)測出原業(yè)務(wù)信號的功率是非常必要的，從而求解出原業(yè)務(wù)信號對擴(kuò)頻信號的惡化值[8]。

① 自發(fā)自收，測量接收擴(kuò)頻信號信噪比；

(7)

② 可以利用下式求解原業(yè)務(wù)功率PJ的大小。

(8)

(9)

(10)

2.3　各用戶站的發(fā)射功率

當(dāng)已知原業(yè)務(wù)信號對擴(kuò)頻信號的惡化值以及擴(kuò)頻信號的解調(diào)門限值時，有助于準(zhǔn)確地計算擴(kuò)頻信號的發(fā)射功率[9]。

某一擴(kuò)頻信號的用戶站接收時，接收端含擴(kuò)頻信號和原業(yè)務(wù)信號，其總的信噪比表示為：

(11)

擴(kuò)頻信號的上行信噪比為：

(12)

下行信噪比為：

(13)

總的信噪比可表示為：

(14)

EIRPDS為用戶站的發(fā)射功率，LU為上行鏈路損耗，Mth為鏈路余量。

聯(lián)立式(12)、式(13)、式(14)，可求解出用戶站的發(fā)射功率。

2.4　總的發(fā)射功率的限制

由1.1節(jié)可知，原業(yè)務(wù)系統(tǒng)接收站接收到的擴(kuò)頻信號的總信噪比小于上行信噪比，且擴(kuò)頻信號總的上行信噪比是各用戶站的發(fā)射功率共同貢獻(xiàn)的結(jié)果。

(15)

當(dāng)已知原業(yè)務(wù)信號所能允許的最大惡化量時，即可知道擴(kuò)頻信號總的上行信噪比的上限。

3典型系統(tǒng)分析

依據(jù)上節(jié)提出的功率控制策略，以一個典型的衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行分析[13]。

假設(shè)重疊通信系統(tǒng)工作于Ku頻段，使用亞太6號衛(wèi)星進(jìn)行通信，采用星狀網(wǎng)組網(wǎng)。上下行載波頻率f為14/12 GHz，信息速率2.4 kbps，擴(kuò)頻信號帶寬為36 M,(Eb/N0)th=6dB，Pe=1×10-6，Mth=3.5dB。假設(shè)有N個相同類型的用戶站，天線口徑均為1.2m。LU=206.9dB，(G/T)S=4.45dB/K，LD=205.6dB，(G/T)E=20dB/K，GS=189.67dB，PJ=-145dBW。

根據(jù)2.3節(jié)可以求解出每個用戶站的發(fā)射功率EIRPDS=30.1dBW，此時每個用戶站的上行信噪比為：

30.1-206.9+4.45+228.6-75.6=

-19.35 dB；

(16)

則所有用戶站的總的上行信噪比為：

(17)

原系統(tǒng)允許的惡化量和可接入的用戶數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

圖2　用戶數(shù)和原信號允許惡化量的關(guān)系

從圖2中可以看出衛(wèi)星原業(yè)務(wù)信號允許的惡化量為0.5 dB時，可以接入10個用戶站，當(dāng)允許的惡化量為0.7 dB時，可接入15個用戶站，當(dāng)允許的惡化量為1 dB時，可接入22個用戶站。

4結(jié)束語

本文提出了應(yīng)用擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行衛(wèi)星重疊通信的方案，并對系統(tǒng)中的功率控制策略進(jìn)行了分析研究，在保證不明顯影響原業(yè)務(wù)通信的前提下保證自身通信的正常運(yùn)行。對一個典型系統(tǒng)進(jìn)行了分析，確定在此系統(tǒng)中可以接入的用戶數(shù)，驗證了該策略的可行性，為工程應(yīng)用提供了幫助。然而此種功率控制的算法較為理想化，實(shí)際上由于各種測量參數(shù)的不準(zhǔn)確，計算出的功率會存在誤差，以后將針對誤差方面進(jìn)行重點(diǎn)研究。

參考文獻(xiàn)

[1]汪春霆,張俊祥,潘申富.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社.2012.

[2]張冬英,田紅心.一種衛(wèi)星信道疊加通信的方法及設(shè)計[J].空間電子技術(shù),2007,2(1):57-65.

[3]Sabel L P,McCarthy J R.An Investigation of CDMA Overlays for FDMA Satellite Communications Systems[J].IEEEE Universal Personal Commun.1994,6(1):252-256.

[4]Still R M,McCarthy J R,Rice M.A Performance Analysis of an Overlay of CDMA and FDMA Satellite Communications Systems[C]∥Third Annual Internat ional Conference on Universal Personal Communications,1994:221-225.

[5]張邦寧,張健,郭道省.應(yīng)用DS擴(kuò)頻信號的衛(wèi)星重疊通信研究[J].通信學(xué)報.2005,26(5):57-62.

[6]胡波,胡修林,余曉園.不同頻率位置的窄帶干擾對DSSS通信性能的影響分析[J].信號處理,2005,21(5):548-550.

[7]王波.直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的窄帶干擾抑制技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2009：35-41.

[8]王立功.DS-CDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008：38-45.

[9]顧璟.CDMA體質(zhì)衛(wèi)星通信的研究[D].南京:南京郵電大學(xué),2009:51-56.

[10]付衛(wèi)東.衛(wèi)星通信鏈路預(yù)算和干擾分析[C]∥ 2008年全國電磁兼容學(xué)術(shù)會議(EMC’08),2009:62-66.

[11]張玉雙.WCDMA系統(tǒng)無線資源管理中功率控制的研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2008:43-47.

[12]辜方林,張航,崔志富.CDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)最優(yōu)上行鏈路功率控制[J].計算機(jī)應(yīng)用,2010,30(9)：2512-2514,2518.

[13]王愛華,羅偉雄.Ka頻段衛(wèi)星通信信道建模及系統(tǒng)性能仿真[J].通信學(xué)報,2001,22(9):61-69.

Research on Power Control Strategy in Satellite Overlap
Communication System

GAO Lin,ZHANG Yong-chi,PAN Shen-fu

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：In view of mutual effects of spread spectrum signal and original service signal in satellite overlap communication system,a power control strategy is proposed.This strategy analyzes the influence of original service signal on original service signal,and gives a method of forecasting the original service signal power to calculate the transmitting power of each station;and deduces the relationship between the power of spread spectrum signal and the deterioration of the original service performance to limit the transmitting power of spread spectrum signal.On the basis of the above theoretical analysis,the number of users that can be accessed is 22 for a typical satellite overlap communication system when the deterioration of the original service signal is 1dB.

Key words：overlap communication;original service signal;spread spectrum signal;power control

作者簡介：高琳 (1991—),女，碩士研究生，主要研究方向；衛(wèi)星通信。潘申富 (1975—),男，博士，高級工程師，主要研究方向：衛(wèi)星通信傳輸安全。

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2015-09-08

中圖分類號：TN911

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)01-21-3

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.05

引用格式：高琳，張永池，潘申富.衛(wèi)星重疊通信系統(tǒng)功率控制策略研究[J].無線電通信技術(shù),2016,42(1):21-23，27.