衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計講解

1、衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計方案班級：011241學號：01姓名：、背景及研究目標1.1衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信簡單地說就是地球上（包括地面和低層大氣中）的無線電通信站間利用衛(wèi)星作 為中繼而進行的通信衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星和地球站兩部分組成。衛(wèi)星通信的特點是：通信范圍大，只要在衛(wèi)星發(fā)射的電波所覆蓋的范圍內(nèi)，從任何兩點之間都可進行通信，不易受陸地災害的影響（可靠性高）;只要設置地球站電路即可開通（開通電路迅速），同時可在多處接收，能經(jīng)濟地實現(xiàn)廣播！多址通信（多址特點）；電路設置非常靈活，可隨時分散過于集中的話務量，同一信道可用于不同方向或不同區(qū)間（多址聯(lián)接）。衛(wèi)星在空中起中繼站的作用，即把地球站發(fā)上來的電磁波放大后再反

2、送回另一地球站地球站則是衛(wèi)星系統(tǒng)形成的鏈路由于靜止衛(wèi)星在赤道上空3.6萬千米，它繞地球一周時間恰好與地球自轉(zhuǎn)一周（23小時56分4秒）一致，從地面看上去如同靜止不動一樣三顆相距120度的衛(wèi)星就能覆蓋整個赤道圓周”故衛(wèi)星通信易于實現(xiàn)越洋和洲際通信。通信衛(wèi)星的最大特點就是可以為移動用戶之間提供通信服務，具有覆蓋區(qū)域更廣，不受地理障礙約束和用戶運動限制等優(yōu)勢，從移動通信衛(wèi)星的軌道看，目前移動通信衛(wèi)星的軌道主 要有三種：GEO衛(wèi)星位于地球赤道上空高度為35 786 km的軌道上，其角速度與地球表面旋轉(zhuǎn)的角速度相同，因此相對地面靜止，單顆GEO衛(wèi)星覆蓋范圍較廣約占地球總面積的1/3），最大可覆蓋緯度土

3、70以內(nèi)的區(qū)域1。在三種衛(wèi)星中,GEO衛(wèi)星距離地球最遠，導致其與地面終端之間 的通信延時最大，約為250 ms,鏈路損耗也較大。對于 GEO軌道，利用三顆衛(wèi)星可構(gòu)成覆蓋 除地球南、北極區(qū)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。MEO衛(wèi)星通常位于距離地面高度為10 000 km20 000 km之間的圓形軌道上，其與地面終端之間的通信延時約為120 ms,鏈路損耗也相對較小。LEO星座系統(tǒng)中的LEO衛(wèi)星通常位于距離地面高度為500 km2 000 km之間的圓形軌道上,其與地面終端之間的通信延時最短，約為25 ms,鏈路損耗也最小。1.2目標本文中所設計的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)覆蓋目標區(qū)域為中國大陸和沿海地區(qū)，為便于討論

4、，將目標區(qū)域抽象成圓心在東經(jīng)105。、北緯30 、地心角為26的一個圓內(nèi)，其范圍基本包括了中國大陸、領(lǐng)海以及部分周邊地區(qū)。通信衛(wèi)星為 GEO同步軌道衛(wèi)星，采用 QPSK調(diào)制方式，上行鏈路為衛(wèi)星交換的 FDMA 每載波單路信號的 FDMA （ SDMA-SCPC-FDMA ），下行鏈路為衛(wèi)星交換的 TDMA每載波 單路信號的 FDMA （SDMA-FDMA-MCPC-TDMA ）。.LTE隨機接入策略為 ALOHA 協(xié)議。 信道分配為按需分配（DA ）方式。傳輸協(xié)議為IP協(xié)議。該系統(tǒng)設計思路為：用戶終端T信息編碼T調(diào)制器T上變頻器T功率放大器T衛(wèi)星接收、下變頻T解調(diào)、路由T上變頻、發(fā)射T接收機與

5、解調(diào)器T用戶終端。二、星座設計2.1星座的覆蓋形式衛(wèi)星星座的覆蓋要求是由星座所要完成的任務來決定的。根據(jù)不同的任務確定不同的覆蓋方式，一般說來，星座的覆蓋形式可以分為以下四種。第一種是持續(xù)性全球覆蓋(Continuous Global Coverage)，指對全球不間斷連續(xù)覆蓋；第二種是持續(xù)性地帶覆蓋(Continuous Zonal Coverage)，指對特定緯度范圍之間的地帶進行不間斷的連續(xù)覆蓋；第三 種是持續(xù)性區(qū)域覆蓋(Continuous Regional Coverage)，指對某些區(qū)域(如一個國家的版圖) 進行連續(xù)的覆蓋；第四種是部分覆蓋( Partial or Revisit

6、Coverage )，既指覆蓋區(qū)域為局部區(qū) 域，同時覆蓋的時間也是間斷的，這四種覆蓋方式見圖2-2。持續(xù)性全球鞭蓋(b)持續(xù)性地帶覆蓋持續(xù)性區(qū)域覆蓋(部分覆盃Global coverage (b)Zonal coverage (c)Regi2fl-2+ 1（勺通過計算可得，對中國區(qū)域提供連續(xù)覆蓋的區(qū)域性系統(tǒng) ，取26,在最小仰角大于5條 件下,高度為10 000km時，所需最少衛(wèi)星數(shù)分別為 &為了覆蓋整個中國區(qū)域，要適當調(diào)整衛(wèi)星 參數(shù)，使得整個星座的所有衛(wèi)星的星下點軌跡重合，當所有衛(wèi)星的星下點軌跡重合且服務區(qū)中心在軌跡上時，服務區(qū)能夠被很好地覆蓋，這時相鄰衛(wèi)星間的配合就可以達到最佳，每顆衛(wèi)星所

7、在的軌道面的交升點的赤經(jīng)均勻分布 ，星座為8軌道面，此星座存在軌道面多機動性不強的 問題。通過仿真研究發(fā)現(xiàn)覆蓋性能較好的傾斜圓軌道星座，軌道面為2個，軌道傾角為55，兩個軌道平面右旋升節(jié)點相對于參考子午線的經(jīng)度分別為210。及300，每個軌道平面內(nèi)4顆衛(wèi)星均勻分布，初始相角為90 ;兩軌道平面間衛(wèi)星初始相差為 0，此星座軌道面少機動性 較好。三、通信體制所謂衛(wèi)星通信體制，是指一個衛(wèi)星通信網(wǎng)，為了獲得最佳效率及最小的信息傳輸失真所采 用的一定信號傳輸方式及一定的信號交換方式。衛(wèi)星通信體制的確定，關(guān)系到全網(wǎng)的具體組成和全網(wǎng)的使用效率與性能。在衛(wèi)星通信體制中，傳輸摸擬信號的稱為模擬衛(wèi)星通信系統(tǒng)；傳輸

8、數(shù)字信號的稱為數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)；既傳輸模擬信號，又傳輸數(shù)字信號的稱為數(shù)模兼容衛(wèi)星通信系統(tǒng)。不管是哪 一種體制，為了提高衛(wèi)星通信網(wǎng)效率、減少信號傳輸所產(chǎn)生的失真或差錯于都要對信號作一 番處理安排。這一般包括下述幾方面內(nèi)容：1.1. 多路復用基帶處理衛(wèi)星基帶信道的多路復用是在低頻上進行的。它把許多正交分隔的信號合并成個單一的基帶信號。正交分隔復用通常采用頻分復用（FDM）、時分復用（TDM）和碼分復用（CDM）等方式。一般在基帶狀態(tài)，還要對基帶信號進行某些加工 ，如預（去）加重、加（解）密、差錯控制編 （解）碼及加數(shù)字話音內(nèi)插措施等，以提高傳輸性能和抗干擾能力。2.2. 調(diào)制與解調(diào)調(diào)機是把待傳送的

9、基帶信號的頻帶設法搬移到射頻信道上，以便進行有效的傳輸；解調(diào)是從射頻、信道中提取基帶信號 ，作與調(diào)制相反的變換。調(diào)制解調(diào)一般是在中頻上進行的。衛(wèi) 星通信最早使用調(diào)頻制（FM）;1972年前后開始在SPADE申.系統(tǒng)中采用調(diào)相制（PM），從此衛(wèi) 星通信進人了數(shù)字化時代。3.3. 多址聯(lián)接與信道分配多址聯(lián)接是衛(wèi)星通信的一大特色，也是衛(wèi)星通信體制一中的重點問題之一。它是在衛(wèi)星 射頻信道上解決信號的合與分的一種多路復用技術(shù)。它使衛(wèi)星網(wǎng)中的許多地球站，可以通過共用的通信衛(wèi)星信道，同時建立各自所需的雙工通信信道，同時實現(xiàn)多址之間的直接的雙工井聯(lián)而無需中間轉(zhuǎn)接。它的信號來自不同的站址,在每個站只發(fā)一個射頻載

10、波的情況下，它的區(qū)分信號和區(qū)分地址是一致的。若一個站發(fā)送幾個射頻載波，則區(qū)分信號與區(qū)分地址并不完全一致。這時把發(fā)射一個載波資源看成一個單元，又稱多址聯(lián)接為多元鏈接或多元續(xù)借。多址聯(lián)接一般有頻分多址、碼分多址、時分多址、空分多址方式。多址聯(lián)接技術(shù)顯著提高了衛(wèi)星通信的效用和靈活的自適應能力。3.1衛(wèi)星通信中調(diào)制解調(diào)方式 （QPSK）衛(wèi)星；4倍徉弄悄號損型呈帶方制方式蘿址方丸井配方式SCPCPADAMA樓Kt倩專FDMCFM ACSBFMFDMASDMAFASCPCPA.DAMA賀字衛(wèi)區(qū)連信覆和信號獨 字優(yōu) PCMTDMPSK 翠翳FDMA TDMA CDMA SDMAPA調(diào)頻制的衛(wèi)星電路一定要保證

11、其解調(diào)器工作在門限點以上34dB,以保證正常接收。為了降低解調(diào)器的門限點，提高衛(wèi)星功率利用率，采用了門限擴展解調(diào)器。 事實證明，門限擴展解 調(diào)器在窄帶時的門限擴展比寬帶時有效、明顯。例如，24路電話門限擴展解調(diào)器的門限比普通的解調(diào)器的低 46dB。寬帶的電視門限擴展解調(diào)器最多能擴展23dB。若擴展3dB,衛(wèi)星功率利用率就可提高一倍。因此，調(diào)頻解調(diào)器性能對衛(wèi)星系統(tǒng)的影響很大。在衛(wèi)星數(shù)字通信中，最常用的是PSK。其中又以QPSK占主導地位。因為在同樣信道情 況下，QPSK的比特傳輸速率比 2PsK的高一倍。由于 QPSK是兩個彼此正交的 2PSK信 號組成的，此兩個2QPSK中噪聲是獨立的，因此Q

12、PSK與2PSK性能近似相同，在相同的誤碼 率下，所需的Eb/No近似相同，而 QPSK所需的帶寬僅為2PSK的一半；且實現(xiàn)也不難。當PSK 的相位數(shù)大于 8以后，在同一誤碼率下，帶寬雖可進一步節(jié)約，但所需衛(wèi)星功率急劇增加，且實 現(xiàn)的難度也增加。已不適于衛(wèi)星電路傳輸。3.2衛(wèi)星通信的多址聯(lián)接方式多址聯(lián)接方式的種類繁多，各有各的特性和用途。下面對本系統(tǒng)所需的3種多址聯(lián)接方式作-簡介。3.2.13.2.1頻分多址聯(lián)接頻分多址是把衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的頻帶按射頻信號所需的帶寬，分割成許多具有一定寬度而又互不重疊的頻隙，各地球站上行線可預先分配一個頻隙，也可按需要臨時申請頻隙來發(fā)送信號 接收地球站擠收衛(wèi)星所有須

13、隙，并用射須或中頻濾波器選出所需要的頻隙。頻分多址聯(lián)接示意圖如圖1所示。衛(wèi)星頻帶收、發(fā)各占 500MHz:，各分成N個大小不同的頻隙給 N個地球站使用，如 A地球站分到fA頻隙，它發(fā)給其他地球站的信號，所組成的基帶就載在 fA上,發(fā)向衛(wèi)星;衛(wèi)星將fA，轉(zhuǎn)換成下行線頻隙fA，其他地球站都接收到fA信號,各從fA信號中取出發(fā)給本站的信號。以此類推就實現(xiàn)了多址聯(lián)接通信。衛(wèi)星頻帶的分割一般是先按一定的帶寬(如80、40MHz等)劃分成轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬；然后根據(jù)需要把每個轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬再分割成不同的載波帶寬。對4/6GH:z頻段的500MHz衛(wèi)星帶寬，一般是分割成12個轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬。采用極化頻率再用技術(shù)的衛(wèi)星,4/

14、6GHz頻段的兩個正交極化波各占500MHz帶寬，共可分為24個轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬。按上述分割，每個轉(zhuǎn)發(fā)器約有如 40MHz,扣 除保護帶寬后，可用帶寬約為36MHz。每個轉(zhuǎn)發(fā)器有兩種分割方法，一是按群路信號所需要的 帶寬來分割；一是按單個話路所需要的載波帶寬來分割。3.2.2.3.2.2.時分多址時分多址方式，是用不同的時隙來區(qū)分各地球站的地址、其聯(lián)接示意圖如圖4(a)所示。把衛(wèi)星的通信時間分隔成互不重疊的周期相同的時隙，稱為幀；將每個幀分為互不重疊的一個個小時隙，稱為分幀。幀結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(b)所示。由圖可見，每個地球站上行線指配以一個小時隙，各地球站載波信號采用相同的頻率，在定時同步系統(tǒng)的控制

15、下，按照所 指配的小時隙，依次地進人衛(wèi)星；接收地球站接收所有的時隙信號，用選通器選出所需要的脈沖群信號。時分多址方式，在任何一個瞬間，只有一個地球站的載波通過衛(wèi)星，衛(wèi)星行波管可工作于接近飽和狀態(tài)不致產(chǎn)生交調(diào)這不但能充分利用衛(wèi)星功率，還可利用行波管的硬限幅特性，使各下行載波強度相等，因此對各地球站發(fā)射信號電平穩(wěn)定度要求并不如FDMA嚴格。時分多址方式的關(guān)鍵問題，是如何充分利用時間?，F(xiàn)分兩點來說明：(1)各個地球站所占有的時隙，既不能重疊，又不能間隔太大。時隙排得一個緊挨一個，可以 減少時間損朱；但可能會引起前后時隙的重疊。因為從地球站到衛(wèi)星之間距離很遠，而且各站與衛(wèi)星的距離各不相等，所以各分幀到

16、達衛(wèi)星的時間也不一樣，可有17.2us的差別。如不采取措施，有可能前后兩個分幀相互重疊、進而產(chǎn)生干擾。因此，時分多址方式分幀之間必須有一定的保護時隙，另外，每個分幀均有一個不直接用于通信的報頭時隙，系統(tǒng)中地球站越多，一幀中保護時隙和報頭時隙所占的時間也越多，這些時隙的存在，不但使幀效率降低，而且會使衛(wèi)fl星功率得不到利用，造成衛(wèi)星功率損失。(2)為了防止分幀進入衛(wèi)星時重疊，時分多址方式必須采取嚴格的網(wǎng)定時和比特同步的技術(shù)措施。這樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較復雜，技術(shù)難度也較大。同時，由于定時同步脈沖占有一定的時隙和衛(wèi)星的功率也降低了 TDMA方式的系統(tǒng)效率。時分多址方式適用于數(shù)字衛(wèi)星通信 系統(tǒng)。3.2.

17、33.2.3、空分多址空分多址聯(lián)接是以空間正交性來分割地球站信號的。每一個地球站上行線分配一個空 隙,以相同的頻率在任何時間向同一顆衛(wèi)星發(fā)射信號；衛(wèi)星用不同的天線和轉(zhuǎn)發(fā)器接收放大和轉(zhuǎn)發(fā)這些信號；各接收地球站則接收各自的空隙信號?？辗侄嘀分辉谟刑卮髽I(yè)務量的地球站 之間使用。但它與頻分多址或時分多址及星上交換(ss),可組成非常靈活有效的衛(wèi)星通信多址聯(lián)接方式。3.2.43.2.4基于上述描述，我們采用如下多址方式。1) 上行鏈路：衛(wèi)星交換的FDMA每載波單路信號的FDMA(SDMA-SCPC-FDMA )在終端每路信號進行調(diào)制變頻放大后以一條獨立載波發(fā)送出去，衛(wèi)星接收信號進行處理交換，直接發(fā)送信息

18、給被呼叫用戶。在SS-FDMA系統(tǒng)中，通常存在多個上行鏈路波束和多個下行鏈路波束，沒個波束內(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的下行鏈路波束上，即在SS-FDMA方式中，載波頻率與需要去往的上下行鏈路波束之間有特定的對應關(guān)系，轉(zhuǎn)發(fā)器可以根據(jù)對應關(guān)系實現(xiàn)不同波束內(nèi)FDMA載波之間的轉(zhuǎn)換。J:h h hJZZLEZLM-応 E rniiri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波束為例。對于SS-FDMA來說，每個上行鏈

19、路載波在星上都有一個濾波器與之對應。去往某個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候都可以連接到任一波束中任何下行鏈路。除了可以實現(xiàn)空分頻率復用外，SS-FDMA通過在星上增加增益調(diào)整，還可以對同一波束內(nèi)所有的下行鏈路進行功率控制，從而避免大波束抑制小波束現(xiàn)象。2) 下行鏈路：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使用FDMA的話，由于衛(wèi)星非線性的增益放大，系統(tǒng)之lrIATWTN -間會產(chǎn)生非常嚴重的交調(diào)干擾，極端情況下會使得系統(tǒng)崩潰。所以在下行鏈路，

20、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 隙，而不是特定的頻帶，因而每個地球站必須在分配給自己的時隙中用相同的載波頻率向衛(wèi) 星發(fā)射信號，而不同時隙進入衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的信號，按時間順序排列起來，時隙的排列既緊湊又不重疊。覆蓋在衛(wèi)星波束中的每個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的業(yè)務脈沖列。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。四、信道的申請及信道分配目前，基于衛(wèi)星的空間段通信部分和日益完善的地面段通信部分組成了一個完整的復 雜混和體系

21、結(jié)構(gòu)，如圖 4所示。圖！衛(wèi)星我動通信網(wǎng)絡體系架構(gòu)圖！衛(wèi)星我動通信網(wǎng)絡體系架構(gòu)從圖可以看出，衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)較為復雜，直接將LTE技術(shù)用于整個系統(tǒng)架構(gòu)并不切合實際，考慮到終端與衛(wèi)星之間通信的特殊性，本節(jié)的研究為圖 4中紅色框圖部分。由于衛(wèi)星通信環(huán)境和地面通信環(huán)境的差異，將LTE技術(shù)引入到衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中必須要考慮到新系統(tǒng)的上行接入技術(shù)的適應性問題，例如衛(wèi)星信道的大延遲和各種衰落。首先，在衛(wèi)星軌道選擇方面，我們主要考慮GEO衛(wèi)星信道，GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)具備系統(tǒng)構(gòu)成簡單而且易于建設等優(yōu)點。其次，考慮到衛(wèi)星鏈路傳播時延、自由空間損耗、附 加衰減等問題，采用 Ka波段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，最后結(jié)合LTE

22、系統(tǒng)討論將LTE技術(shù)引入到衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的適應性：如GEO信道的大時延特性、自由空間損耗、附加衰減等，需要對隨機接入幀的導頻、保護間隔、上行同步技術(shù)以及功率控制技術(shù)作相應的解決方案。以上衛(wèi)星通信的特征是約束衛(wèi)星通信中引入LTE技術(shù)主要因素，在此基礎上參考衛(wèi)星通信系統(tǒng)中引入 3G技術(shù)所采用的系統(tǒng)模型和LTE網(wǎng)絡架構(gòu)，給出本文的基于LTE的GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)模型，如圖5所示。UESAE GWEg -MME si SGSNUESECSatellit fieNodeBUEv接入網(wǎng) -嚴桟心網(wǎng)閤5華于LTE的GEO幟*捋創(chuàng)適信系繪網(wǎng)舒結(jié)構(gòu)其中，GeNB 為信關(guān)節(jié)點 B(GeNB, Gate

23、way-station eNode B)。由圖可以看出，該網(wǎng)絡 架構(gòu)主要由核心網(wǎng)和接入網(wǎng)組成。核心網(wǎng)中有較多節(jié)點連接，而接入網(wǎng)只有終端一個接入 節(jié)點。本文研究是基于接入網(wǎng)中的終端和衛(wèi)星之間的接口，繼而對其上行接入技術(shù)展開研 究。下面討論衛(wèi)星信道特性及LTE系統(tǒng)下的隨機接入技術(shù)、上行同步技術(shù)和功率控制技術(shù)的理論基礎。4.1上下行接入相關(guān)技術(shù)分析4.1.14.1.1上下行隨機接入接入技術(shù)實質(zhì)上是一種信道共享技術(shù)，它規(guī)定了用戶按照一定的協(xié)議來發(fā)送數(shù)據(jù)，使網(wǎng)絡內(nèi)的所有用戶均可自由接入網(wǎng)絡，但同時不可避免的引入了網(wǎng)絡內(nèi)不同用戶的信息碰撞， 繼而導致信息的丟失和重發(fā)，因此碰撞是導致性能下降的主要因素。隨機

24、接入過程需要基站和終端的協(xié)作下共同完成，基站的主要工作就是接收來自不同終端的前導信息和接入信息， 終端的主要工作就是發(fā)送前導信息和隨機接入信息。終端需要不斷的發(fā)送前導直到收到基站的確認信息為止，在發(fā)送前導的過程中， 終端需要定時增加發(fā)送功率來提高接入成功的可能 性?；緦碜越K端的在目標信號干擾比(SIR, Signal to Interferenee Ratio)門限以上的接收信號發(fā)送確認信息給終端。目標SIR主要通過系統(tǒng)消息獲得。通?？疾祀S機接入性能的主要指標是吞吐量、時延和接入成功概率。常用的隨機接入?yún)f(xié)議包括：ALOHA、樹形多址和預約時隙協(xié)議等，LTE系統(tǒng)的隨機接入?yún)f(xié)議是采用基于資源預

25、留的時隙 ALOHA 協(xié)議，下面對 LTE系統(tǒng)的隨機接入和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的多址接入進行 探討，并分析了 LTE系統(tǒng)的隨機接入引入到衛(wèi)星通信系統(tǒng)中存在的問題及難點。4.1.2LTE4.1.2LTE隨機接入策略分析(基于資源預留的時隙ALOHAALOHA方式協(xié)議)LTE是傳統(tǒng)3G系統(tǒng)的演進系統(tǒng)，LTE的隨機接入繼承了傳統(tǒng)3G系統(tǒng)的部分功能，同時也存在一些區(qū)別。LTE的上行采用的是基于單載波頻分多址(SDMA-SCPC-FDMA )的傳輸技術(shù)，下行采用的是TDMA每載波單路信號的FDMA TDMA每載波單路信號的FDMA ( SDMA-FDMA-MCPC-TDMA )的傳輸技術(shù)：而傳統(tǒng)的3G 系統(tǒng)都是

26、基于碼分多址(CDMA, Code Division Multiple Access) 的傳輸技術(shù)。在 LTE系統(tǒng)中，隨機 接入是一個基本功能，終端用戶只有通過隨機接入過程，與系統(tǒng)的上行同步以后，才能夠 被系統(tǒng)調(diào)度來進行上行的傳輸。具體的功能是實現(xiàn)用戶設備(UE, User Equipment)和網(wǎng)絡的同步，解決沖突，分配資源和上行通信資源的分配。LTE系統(tǒng)的隨機接入?yún)f(xié)議采用基于資源預留的時隙 ALOHA方式協(xié)議，即用戶是先申請后調(diào)度接入。ALOHA（Additive LinkOn-line Hawaii system）是最早提出的隨機接入?yún)f(xié)議，其工作原理如圖6所示。每個站均可以自由地發(fā)送數(shù)據(jù)

27、幀， 如果不同站之間的數(shù)據(jù)幀有部分的重復， 則沖突發(fā)生, 所有沖突的數(shù)據(jù)需要重新發(fā)送。 重發(fā)的策略是讓各站等待一段隨機的時間后，再重新發(fā)送數(shù)據(jù)。ALOHA的吞吐率和負載的關(guān)系為：用戶11_用戶2 羽E撞重耨料f琲撞車.慣川戶3-IF-南戶44覽送城功TrTTTTr任6 燉ALOHA 4丈煉理巴如圖6所示：當負載 G =0.5時，可達到理論最大吞吐率S =0.184。當G =0.5時，吞吐率隨著網(wǎng)絡負載增加而減小，這段區(qū)域稱為不穩(wěn)定區(qū)域。當用戶1發(fā)送幀1時，其他用戶都未發(fā)送數(shù)據(jù)，所以用戶1的發(fā)送必定成功。這里不考慮由信道不良而產(chǎn)生的誤碼。但隨后用戶2和用戶3發(fā)送的幀2和幀3在時間上重疊了一些，也

28、就是產(chǎn)生了“碰撞”。碰撞的結(jié)果是使碰撞的雙方（有時也有可能是多方）所發(fā)送的數(shù)據(jù)都出現(xiàn)差錯，因而都必須進行 重傳。但是發(fā)生碰撞的各方不能馬上進行重傳，因為這樣做就必然會繼續(xù)產(chǎn)生碰撞。ALOHA系統(tǒng)采用的差錯策略是讓各用戶等待一段隨機的時間，然后再進行重傳。如果再發(fā)生碰撞，則需要再等待一段隨機的時間，直到重傳成功為止。從圖中可以看出，一個幀如欲發(fā)送成功，必須在該幀發(fā)送時刻之前和之后各一段時間（長度為幀的時長）內(nèi)，沒有其他幀的發(fā)送，否則就必產(chǎn)生碰撞而導致發(fā)送失敗。ALOHA的吞4G嚴吐率和負載的關(guān)系為_ ，當負載 G=0.5時，S=0.5e-1=0.184。這是吞吐量 S可能達 到的極大值。純 AL

29、OHA 協(xié)議的效率比較低，由于可能發(fā)生碰撞的時期為兩個幀長，碰撞 很容易發(fā)生。為提高ALOHA 系統(tǒng)的吞吐量，可以將所有用戶在時間上都同步起來，并將時間劃分 為一段段等長的時隙（slot）T0,同時規(guī)定，只能在每個時隙開始時才能發(fā)送一個幀。這樣 的ALOHA 系統(tǒng)叫做時隙 ALOHA 或S-ALOHA。其工作原理如圖 7所示。用門1幀到達；刈到達I堿撞崩傳耐i到達幀到達圖7 時醐ALOHA刃址原理圖從圖7可以看出，每一個幀在到達后，一般都要在緩存中等待一段時間（這時間小于 Tslot），然后才能發(fā)送出去。當在一個時隙內(nèi)有兩個或兩個以上的幀到達時，則在下一個時 隙將產(chǎn)生碰撞。碰撞后重傳的策略與純

30、 ALOHA的情況相似。時隙ALOHA的吞吐率和負 載的關(guān)系為S = Ge-G，當負載為 N=1時，時隙 ALOHA 可以達到理論最大吞吐率S=0.36。LTE隨機接入可分為基于競爭的隨機接入和基于非競爭的隨機接入。LTE中初始的隨機接入過程，是一種基于競爭的接入過程?；诟偁幍碾S接入流程可分為4個步驟：（1）:前導序列傳輸（2）:隨機接入響應（3）: MSG3 發(fā)送（4）:沖突解決消息所謂MSG3，其實就是第三條消息，因為在隨機接入過程中，這些消息的內(nèi)容不固定， 有時候可能攜帶的是 RRC的連接請求，有時候可能會帶一些控制信息甚至是業(yè)務數(shù)據(jù)包， 因此簡稱為 MSG3?；诜歉偁幍碾S機接入過程

31、中，UE發(fā)送的前導碼與廣播消息中用于競爭隨機接入的前導碼集合不同，并由 eNode B事先分配好，因此 eNode B接收到此類隨機接入前導碼時 可以唯一確定發(fā)送此前導碼的UE，而不會與其他 UE產(chǎn)生沖突。因而非競爭隨機接入過程增加了 eNode B為UE指定隨機接入前導碼的準備步驟，減少了在基于競爭的隨機接入過程中為碰撞解決而進行的第三步和第四步。4.2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，這個可變是按申請進行信比較靈活，各站之間可以通過協(xié)商進行通道調(diào)劑， 因而可以用較少的通道為較多的地球站服務，同時還可避免出現(xiàn)忙閑不均的現(xiàn)象，提高通道利用率。但為了實現(xiàn)按需分配方式

32、，則必須在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上單獨 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行申請和完成通道分配工作。 根據(jù)信道分配可變的程度不同，與電話蜂窩系統(tǒng)一樣，多個用戶共享相同的可用頻率，每個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)恢復信息進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 呼叫分配頻率進行通信。通信結(jié)束后頻率被釋放，成為新的可用頻率。五、組網(wǎng)及傳輸協(xié)議早期衛(wèi)星網(wǎng)絡主要是由具有簡單的透明轉(zhuǎn)發(fā)器的靜止軌道衛(wèi)星組成。隨著無線資源管理的需要，越來越復雜的 MAC層協(xié)議被運用來保證信道的利用率和服務質(zhì)量（QoS）。在衛(wèi)星通信

33、網(wǎng)絡中常用的 MAC協(xié)議是時隙ALOHA及其變型。多波束衛(wèi)星的出現(xiàn)，使星上交換成 為提高系統(tǒng)性能的有效手段。通過電路和邏輯鏈路控制子層來進行容量分配的機制也開始應 用到衛(wèi)星通信網(wǎng)中，由于采用星間鏈路組成網(wǎng)狀的拓撲結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星網(wǎng)絡的太空部分涉及到網(wǎng)絡層，并產(chǎn)生路由管理問題。正是由于具備了星上路由和星上交換功能，衛(wèi)星通信系統(tǒng)構(gòu)成了一個真正的自治系統(tǒng)。地商線瞻地術(shù)錚頃用I通訂星閭惟幣第冏的是機農(nóng)型IP技術(shù)現(xiàn)已成為網(wǎng)絡互聯(lián)事實上的標準，衛(wèi)星組網(wǎng)也不例外，衛(wèi)星IP技術(shù)就是將各種衛(wèi)星業(yè)務搭載在 TCP/IP協(xié)議棧上的技術(shù)。5.1 OSI上層OSI上層包括傳送層、會話層、表示層和應用層。傳送層將消息分成大小可

34、接收的分組， 并在目的地重新組合，可以把多路低速傳輸復用在一個虛電路上，或者把一個高速傳輸分解到多個并行的虛電路。傳送層控制傳輸差錯，并能請求重發(fā)出現(xiàn)差錯的分組，另外，為避免發(fā)送數(shù)據(jù)端的主機的發(fā)送速率快于目的地主機的處理速度?？梢酝ㄟ^一些機制進行控制。 會話層建立呼叫，并且負責用戶鑒權(quán)， 會話層監(jiān)視同步分組編號和失敗情況下的恢復。當傳輸結(jié)束時關(guān)閉會話層， 表示層請求會話層建立呼叫。它規(guī)定目的地名稱和傳輸類型，例如數(shù)據(jù)報、優(yōu)先權(quán)。表示層負責用于應用處理的本地語法和傳送語法之間的轉(zhuǎn)換。并且完成必需的加密和數(shù)據(jù)壓縮。應用層為用戶應用程序提供信息傳遞業(yè)務。用戶通過一個用戶接口與應用層交互作用，應用層由

35、特定的應用服務單元 （SASE）組成SASE使用通用應用服務單元 SASE的業(yè)務CASE建立了多個SASE之間的關(guān)聯(lián)，它還可以包 括關(guān)聯(lián)控制服務單元 ACSE遠程作業(yè)服務單元 ROSE及委托合作和恢復單元 CCR。 OSI上 層在衛(wèi)星網(wǎng)絡協(xié)議模型中分為應用接口層和傳送層。罔2 卩吊網(wǎng)惜IP賈強備忙協(xié)說5.2網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層在通信實體之間尋找、建立和維持邏輯通路，主要實現(xiàn)路由選擇、尋址和拓撲控 制。所謂路由選擇就是選擇一條從作為源用戶的網(wǎng)絡訪問點的網(wǎng)絡節(jié)點到能把信息送到目的 用戶的網(wǎng)絡節(jié)點之間的網(wǎng)絡通路；尋址則是在信息到達網(wǎng)絡節(jié)點后確定信息的目的地。而拓撲控制則是指從一組能與某衛(wèi)星進行視距通信的物理鄰近衛(wèi)星中選擇一部分作為該網(wǎng)絡 節(jié)點的邏輯鄰近節(jié)點的過程。在移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，一個用戶可能被不止一顆衛(wèi)星覆蓋。 因此存在多個能與被呼叫用戶通信的網(wǎng)絡節(jié)點。網(wǎng)絡層負責從運動著的衛(wèi)星中尋找一個有到達被叫用戶的鏈路的衛(wèi)星， 并在此衛(wèi)星因運動而不再覆蓋被叫用戶時立即切換到另一顆覆蓋 該被叫用戶的衛(wèi)星。5.3數(shù)據(jù)鏈路層鏈路層負責通信的計劃、容量的分配和鏈路的建立等過程