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1、引 言
單路單載波(SCPC)是頻分多址(FDMA)的一種，即每一話路使用一個載波。信道的按需分配方式(DAMA)是指所有的信道歸各站所公有，信道的分配是根據(jù)各地面站提出的申請而臨時決定。SCPC／DAMA因為是在每一載波上只傳輸一路話（或相當于一路話的報或數(shù)據(jù)業(yè)務），當沒有話音信號時，可以利用話音開關，關閉所有載波，有話音信號時才發(fā)射載波，從而可以大大節(jié)約衛(wèi)星功率。：又由于DAMA可以提高信道利用率，使用比較靈活。所以，在每站的通信容量較小，通信地址數(shù)較多的移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，使用這種方式是非常有利的。
但是，這種SCPC／DAMA方式有一個重要缺點是產生互調干擾。產生互調干擾的主要原因是：衛(wèi)星轉發(fā)器的行波管放大器在同時放大多個不同頻率的信號時，由于它的輸入輸出特性的非線性，使輸出信號中出現(xiàn)各種組合頻率成分。這種現(xiàn)象不但影響了通信質量，而且浪費了衛(wèi)星的功率。為了避開這些干擾頻率，有些頻帶便不得不禁止使用，因而又造成了衛(wèi)星頻帶的浪費。另外，如果被放大的各個載波信號強度不同時，還會發(fā)生強信號抑制弱信號的現(xiàn)象，使弱信號大大削弱，以致無法為對方地面站所接收。由此可見，為了有利于發(fā)射功率不同的大小站兼容，需要確定出系統(tǒng)的最佳或準最佳信道分配方案。
本文首先利用SCPC的特點，推導出SCPC移動衛(wèi)星系統(tǒng)中互調干擾功率譜的一種快速計算方法；然后通過對四種信道分配方法的比較，給出了SCPC／DAMA移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道最佳分配方法；最后對一個具體的移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，確定出其最佳的信道分配方案。
2、三階互調功率譜的快速計算
為了簡化分析計算的過程，必須運用如下三個重要結論：第一，對等幅互調的分析表明，三階互調顯著地大于五階互調，因而五階互調可以忽略不計；對于 不等幅載波的情況，只要它們之間幅度相差不大(例如不超過一個數(shù)量級)，此結論仍然成立。第二，有兩種三階互調物： (fi+fj+ fk)型和(2 fi- fk)型，前者的功率電平比后者高6dB。第三，如果載波中沒有主載波，即沒有一個載波的功率超過總輸入功率的10％，那么互調產物的功率同各載波的電平成比例。
通過采用快速付立葉（FFT）計算，避免了計算單個互調載波的功率，使得運算速度大為加快，并且得出計算時間與載波數(shù)幾乎無關，一次計算就能得到所有信道上的互調功率。
3、四種信道分配方法的比較
在計算出三階互調功率之后，需要在此基礎上確定出信道分配的具體方法，使得被分配的信道無三階互調干擾或所受的三階互調干擾影響最小。下面通過對四種信道分配方法的比較，得出SCPC／DAMA移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)信道分配的最佳方法。
3．1 無三階互調信道排列法
尋求無三階互調信道分配方案的問題，相當于尋求具有不同元素的一個簡單的差分三角形。
定理：設有L個連續(xù)信道N個載波的SCPC衛(wèi)星通信系統(tǒng)，載波被分配在信道的中間位置(N＜L)。那么在分配的信道上消除三階互調產物的充要條件是：這些分配信道的差分三角形具有不同的元素。
推論：如前所述，對于SCPC衛(wèi)星通信系統(tǒng)尋求無三階互調信道分配方案的問題，相當于尋求一個具有不同元素的唯一的差分三角形的數(shù)學問題。
3.2 最小互調信道排列法
(1)單電平載波的基本刪除／插入法
定義最差載波為受到互調干擾最大的具體載波。在基本刪除／插入法中，首先要給出初始信道分配，然后再對它進行刪除運算和所得插入運算。進行刪除運算時，刪除一個載波，使所得信道分配的最差載波的互調干擾下降最大。進行插入運算時，在當時信道分配的末使用頻隙中插入一個附加的載波，使所得信道分配的最差載波的互調干擾量增加最少。不斷地進行刪除／插入運算和插入／刪除運算，直到最差載波中的互調干擾不能進一步減少為止。
顯然，假定的初始信道分配對最終獲得的準最佳方案影響很大。為了減小其影響，可以在經(jīng)過最佳化試驗后，對所得的信道分配進行修改，把最差的兩個或三個載波移到受到互調干擾量較小的未使用頻隙中去；再用經(jīng)過修改的信道分配作為初始信道分配，進行另一次最佳化試驗。通常經(jīng)過幾次最佳化步驟運算之后，便可得到最佳分配方案。
這種方法的一次刪除和一次插入運算流程分別如圖1和圖2所示。
(2)單電平載波的改進刪除／插入法
在改進刪除／插入法中，基本工作方式仍然是載波的刪除和插入。但刪除運算改為刪除最差占用信道中的載波，即最劣載波。插入運算改為在受互調干擾最小的空閑信道直接插入載波。在給定的初始分配基礎上，交替進行刪除和插入運算，直到分配結果不再改變，便得到準最佳方案。
(3)多電平載波的刪除／插入法
在多電平系統(tǒng)中，盡量增大載波的最劣C／IM(載波互調功率比)比盡量減小最劣載波中的互調干擾量還要重要。因而，對此系統(tǒng)要導出C／IM最大的信道分配方案。這種方法首先根據(jù)載波的電平，將載波分組，然后通過禁用頻帶分離各組，再重復調整帶寬大小，最后得到準最佳方案。
在置初始分配時，將高電平載波放在轉發(fā)器頻帶的兩側，而低電平載波放在頻帶中間。這種安排方式將會使一些互調干擾落到轉發(fā)器頻帶之外，那么最小的C／IM將增加。
3．3 信道的動態(tài)最佳分配
動態(tài)分配是指能夠根據(jù)用戶的申請，實時地搜索出最佳信道分配給用戶。因而動態(tài)最佳分配的原則是：分配給新載波的信道，應使得系統(tǒng)原有使用載波上增加的互調干擾量最小。
(1)單電平系統(tǒng)的信道動態(tài)分配
對于單電平系統(tǒng)首先根據(jù)系統(tǒng)設計時最多的載波數(shù)和信道數(shù)，利用改進的刪除／插入法，進行準最佳排列，將得到的最佳化分配方案中的信道作為動態(tài)分配的許用信道。然后計算這些許用信道上的互調量，將最劣載波所在的信道作為刪除信道，并記錄其序號和信道號。反復進行上述過程，直到許用信道全部刪除或剩余的許用信道上不再有互調干擾為止。在獲得許用信道的序號后，信道分配的算法為最先刪除的信道最后分配。
(2)多電平系統(tǒng)的信道動態(tài)分配
多電平系統(tǒng)首先根據(jù)系統(tǒng)設計時確定的電平數(shù)和每種電平的載波數(shù)，利用刪除／插入法進行準最佳排列，將準最佳排列方案中的信道作為許用信道。然后從最低電平開始，尋找每種電平載波的最劣信道，將其刪除，并記錄信道號和序號。反復進行上述過程，直到許用信道全部刪除或剩余的許用信道上不再有互調干擾為止。．在獲得每種電平載波的許用信道分配次序后，信道分配的算法為最先刪除的信道最后分配。
3．4 四種信道分配方案的比較結果
無互調信道分配方案所需要的帶寬比需要的最小帶寬要寬得多。例如，20載波時約為14倍的帶寬，30載波時約為23倍的帶寬。因而，這種方法對帶寬利用率來講，效率很低，不能在實際中進行廣泛應用。
基本的刪除／插入法，其基本思想是交替刪除和插入載波，直到分配方案的質量沒有更大的改進為止。雖然這種方法對于載波數(shù)和信道比較少的情況是實用的，但是對于載波數(shù)和信道數(shù)比較多的情況，由于在刪除和插入過程中，需要大范圍搜索，因此需要太長的計算時間。所以這種方法不適用于具有大數(shù)目的載波和信道的系統(tǒng)。
改進的刪除／插入法，即使對于大數(shù)目的載波和信道，也只需很短的計算時間。我們可以對基本的和改進的刪除／插入法作一個粗略的比較估算。假設這兩種方法為了得到一個分配方案需要相同數(shù)目的重復。在改進的刪除／插入法中，每次重復互調量只計算兩次，一次是刪除，一次是插入。而在基本的刪除／插入法中，每次重復互調量需計算(N—1)次，刪除過程中互調量需計算(K—2)次，插入過程中互調量需計算(N—K十1)次。其中，N為信道數(shù)，K為載波數(shù)。那么在所有其他的因素都相同的情況下，改進的刪除／插入法所需的計算時間只是基本的刪除／插入法所需計算時間的2／(N—1)。因此，對于具有大數(shù)目載波和信道的系統(tǒng)，改進的刪除／插入法是適用的。
但是，對于SCPC／DAMA移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，因為工作的載波數(shù)目是經(jīng)常變化的，所以這種動態(tài)變化的情況，不能使用以上三種方法。對于SCPC／DAMA移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，只能使用動態(tài)的信道最佳分配方法，才能得到實時的信道最佳分配方案。
4、一個具體的SCPC／DAMA移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的最佳信道分配方案
現(xiàn)有一個工作于特高頻段(UHF)的SCPC／DAMA移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，星上共有4個帶寬為1．2MHz的轉發(fā)器，那么以5kHz作為信道的基本間隔，共可以提供：1200／5Х4＝960個單向信道。
本衛(wèi)星通信系統(tǒng)配置了中央站、固定站、車載站、船載站、機載站和背負站等6種站型共240個。各站按照接收時的品質因素G／T分為：1類站(G／T≥一12dB／K)，2類站(一12dB／≥G／T≥-21dB／K)，3類站(-21dB／K＞G／T)。經(jīng)過鏈路計算得出：給一類站發(fā)射信號的發(fā)送站的輸出功率為10．3dBW，二類站其發(fā)送站的輸出功率為18．5dBW，三類站其發(fā)送站的輸出功率為22dBW。因此本系統(tǒng)具有三種功率電平。
在這個SCPC／DAMA移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)上，對于各站的隨機申請，4個轉發(fā)器的信道是順序分配的，即假設有K個用戶進行信道申請，則在4個轉發(fā)器中各分配給用戶K／4個信道。在每一個轉發(fā)器中，則又是隨機地分配空閑的信道。仿真結果顯示4個轉發(fā)器的960個單向信道最多只利用了40至45個，信道利用率非常低。因此，提出合理的信道分配方案，具有重要的實際意義。
在對幾種信道分配方法比較的基礎上，確定運用信道動態(tài)最佳分配方法，來得到本系統(tǒng)的信道最佳分配方案。但還有一個問題需要解決，即在單個轉發(fā)器中使用等電平排列還是混合電平排列。
對本系統(tǒng)而言，單個轉發(fā)器中采用混合電平排列的方案更為合適。因此，可采用多電平系統(tǒng)信道動態(tài)最佳分配方法。本系統(tǒng)有240個載波，3種電平，每種電平80個載波。采用混合電平排列，滿負荷情況下在4個轉發(fā)器中平均分配，則在每個轉發(fā)器中有3種電平，每種電平有20個載波。三種電平的相對值分別為0dB、4dB和6dB。我們運用上述方法編制了一個實用的程序FASTSC。表3給出了本系統(tǒng)信道分配的最佳方案。
5、結 論
本文從研究SCPC／DAMA移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)信道分配的基礎——三階互調功率譜的計算著手，推導出三階互調功率譜的快速算法。在對四種信道分配法進行比較之后，確定了適合于SCPC／DAMA移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道動態(tài)最佳分配方法，并運用這種方法得到一個具體的SCPC／DAMA移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道動態(tài)最佳分配方案。本文所使用的信道動態(tài)最佳分配方法具有如下特點：1)能夠比較充分地利用轉發(fā)器的帶寬，提高了頻帶利用率。2)提高了計算速度，對于具有大數(shù)目載波和信道的系統(tǒng)，節(jié)省了相當大的計算時間。3)對于按需分配的系統(tǒng)能夠實時地提供信道最佳分配方案，從而有效地利用衛(wèi)星的信道資源。
----《移動通信在線》
