TDMA和CDMA第三代移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要技術(shù)比較<1>

TDMA和CDMA第三代移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要技術(shù)比較<1>（周林風、王東進）
    摘要討論了TDMA和CDMA第三代移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)（即第三代移動通信系統(tǒng)中的衛(wèi)星
移動通信網(wǎng)）一些主要技術(shù)，并考慮了其面臨的一些主要問題及可能的解決方案。
    關(guān)鍵調(diào)  第三代移動通信系統(tǒng)  移動衛(wèi)星通信系統(tǒng) TDMA CDMA
1概述
    第三代移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是接入技術(shù)的選擇，在有限的頻譜內(nèi)增加
系統(tǒng)容量。主要有兩種候選方案：TDMA技術(shù)和CDMA技術(shù)。而FDMA技術(shù)隨著數(shù)字通信技術(shù)
的發(fā)展早已不單獨使用，經(jīng)常與TDMA或CDMA技術(shù)混合使用。在第二代移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)
中，接入技術(shù)的不同已導致了兩類不同的相互競爭的移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展：Iridium、
ICO（TDMA）；Globalstar、Odyssey（CDMA）。ITU提出的在2000年建設第三代移動通信
系統(tǒng)IMT－2000的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)部分現(xiàn)已收到的6個提案中，既有TDMA的，也有CDMA
的，還有TDMA和CDMA以及FDMA綜合的，如：由ICO Global Communications公司主持的
 ICOGlobal Communications系統(tǒng)（TDMA）；由ESA提出的SW－CDMA系統(tǒng)（空中接口基于
地面的WCDMA技術(shù)）；由Iridium Operating LLC主持的INX系統(tǒng)（TDMA/CDMA／FDMA混合
方式）；由ESA提出的SW—C/TDMA系統(tǒng)（DS－CDMA與TDMA混合方案）等。各種提案的共同
特點是：①全球覆蓋；②小區(qū)切換；③支持多媒體業(yè)務，一般業(yè)務速率可達到144 kb/s；
④支持電路數(shù)據(jù)業(yè)務和分組數(shù)據(jù)業(yè)務（接入Internet）等。
    當然，這種對比并不是絕對的，有些方面對兩者都適用。另外，由于篇幅所限，
TDMA和CDMA系統(tǒng)的一些重要的共性技術(shù)本作探討，如星間鏈路、對寬帶業(yè)務的支持。名
普勒頻移抵消等。
2TDMA技術(shù)
2.1 PRMA（分組預約多址接入）
    現(xiàn)有的第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)大多已經(jīng)采用了TDMA多址訪問方式（如著名的GSM系
統(tǒng)），如何在現(xiàn)有設備和技術(shù)上實現(xiàn)系統(tǒng)容量的增加和業(yè)務的綜合是目前面臨的現(xiàn)實而具
體的問題。 1989年美國Bell實驗室的D．J．Goodman等人為未來的蜂窩移動通信系統(tǒng)提出
了一種多址協(xié)議一PRMA，該協(xié)議較成功地解決了基于TDMA方式的蜂窩移動通信系統(tǒng)的容量
增加和業(yè)務綜合等問題，因此它一經(jīng)提出就受到了高度的重視，世界上許多的組織和機構(gòu)
都對它進行了深入的研究。
    PRMA協(xié)議類似R－ALOHA，是TDMA和分槽  ALOHA協(xié)議的結(jié)合。采用   PRMA協(xié)議的蜂窩
移動通信系統(tǒng)主要優(yōu)點有：采用話音激活技術(shù)，性能較TDMA有較大的改善；具有軟容量，
即系統(tǒng)中用戶數(shù)的增加超過設計值時僅造成性能的惡化；終端訪問信道延遲時間��；可實
現(xiàn)無縫隙的越區(qū)切換接續(xù)；具有分布式控制功能；可方便地與基于ATM的固定網(wǎng)互連。
    在PRMA中，各載波有一幀結(jié)構(gòu)，由若干個TS（時隙）組成，每個TS能承載一分組。
TS和信道不是—一對應的，任何TS能承載任何信道的分組。各接收終端通過讀取分組頭識
別出分組是否是傳送給自己的。PRMA技術(shù)的目標是利用大多數(shù)業(yè)務內(nèi)在的空閑時間。各TS
并不像傳統(tǒng)TDMA系統(tǒng)那樣由某呼叫的全部時間所占用，而是可以被任何呼叫占用。
    在前向信道（BSS至MS），BSS（Base StationSystem）將分組復用以TDM方式發(fā)送出
去；各MS（MobileStation）讀取分組頭且只保留標記給自己的分組。
    在反向信道（MS至BSS），采用與分槽ALOHA技術(shù)類似的方法，有新信息要發(fā)送的MS隨
機接入某可用TSn；MS通過讀取由BSS廣播的業(yè)務控制分組（其中有當前各TS的預約情況）
知道該TS的可用性。如果MS a在可用TSn中發(fā)送的分組成功到達BSS而沒有與其它分組發(fā)生
碰撞，則BSS將TSn分配給MS a使用，直到在TSn上收到空閑信號為止。因此，從所有MS由業(yè)
務控制分組告知TSn被分配的時刻起，MS a發(fā)送的分組不會碰撞。
    在衛(wèi)星環(huán)境下，由于衛(wèi)星傳播時延較大，PRMA有一較大缺陷。設Td為往返時延，則從
MS發(fā)送分組時刻起，到所有MS被告知TS分配情況，需要2Td的時間［如，在GEO（靜止軌道）
中，約有540m］。因此，MS必須至少等待2Td的時間才能開始無碰撞的分組傳送。
    PRMA在衛(wèi)星環(huán)境的應用取決于Td、業(yè)務最大時延容限和業(yè)務差錯率容限。因此，在某
衛(wèi)星環(huán)境下，可以將業(yè)務分為兩類：PRMA兼容的業(yè)務和不兼容的業(yè)務。如，若使用GEO則語
音業(yè)務不是PRMA兼容的；而若使用LEO（低軌道），則是PRMA兼容的。
    實際上，在某衛(wèi)星系統(tǒng)中，以上兩種業(yè)務可以共存，此時PRMA技術(shù)僅用于PRMA兼容的
呼叫，而PRMA不兼容的呼叫仍可用傳統(tǒng)TDMA技術(shù)來處理，即在整個呼叫期間TS一直為其所
用。而且，PRMA不兼容呼叫的MS可以利用呼叫中的空閑時間來傳送其他PRMA兼容的呼叫
（如，在GEO環(huán)境下，低速數(shù)據(jù)傳送可以利用話音呼叫的空閑時間完成）。即使兩者的目標
FES（Fixed Earth Station）不同，也是可行的。
    假設備載波每幀有S個TS，則傳統(tǒng)TDMA每幀可提供S個信道，而PRMA可提供?ηS（η＞1）。
其中η被稱為PRMA效率因子。對的大小取決于分組丟失率容限、每幀TS數(shù)和幀長等參數(shù)。
通過合理選擇這些參數(shù)，η達1.5～1.7。因此，若假定各點波束業(yè)務量相同，則式（1）成
立。其中河是衛(wèi)星系統(tǒng)能提供的信道總數(shù)（假定無限可用功率）；C是可用載波教，等于可
用帶寬W與各載波帶寬Wc之比； NC是非交疊的點波束簇數(shù)（點波束簇是為避免同信道干擾
太大時同種載波不能再用的一組點波束的集合）。
              N’＝ηsCNc（1）
    式（1）表示出了帶寬對系統(tǒng)容量的限制。功率對系統(tǒng)容量也有限制（此處不多作討論）。
假定無限可用帶寬時衛(wèi)星系統(tǒng)可提供的可用信道數(shù)為N”，則衛(wèi)星系統(tǒng)實際可提供的信道總
數(shù)N＝min（N'，N''）。
2.2DCA（動態(tài)信道分配）
    信道分配要解決的核心是如何將有限的信道資源高效地分配給用戶，使系統(tǒng)達到最大
的容量和最好的服務質(zhì)量。信道分配方案分為兩大類：FCA（固定信道分配）和DCA。
    在傳統(tǒng)FCA策略中，根據(jù)業(yè)務量預測載波半永久地分配給衛(wèi)星小區(qū)。由于點波束半徑的
減小和非GEO衛(wèi)星的快速運動，衛(wèi)星小區(qū)業(yè)務密度不可預知地隨時間和地理位置而變化。因
此，為了充分利用衛(wèi)星資源，載波一衛(wèi)星小區(qū)分配需實時重新調(diào)整。另一方面，如果由一
中央實體［如NCS（NetworkControlStation）］負責載波重分配，則需要大量的信令信息
交換。
    此時可采用分布控制的DCA策略來解決以上問題：一方面，為了滿足快速變化的通信信
道需求，載波到不同小區(qū)的分配進行實時動態(tài)調(diào)整，另一方面，由FES而不是NCS進行重分
配，因而減少了控制信息交換，增加了系統(tǒng)的魯律性。這樣，系統(tǒng)根據(jù)當前的業(yè)務負載和
干擾情況，動態(tài)地將信道分配給所需的用戶，達到最大的系統(tǒng)容量和最佳的通信質(zhì)量。
    實行DCA策略后，一旦某衛(wèi)星小區(qū)的可用信道數(shù)小于某一給定閾值Ta，則FES為該衛(wèi)星
小區(qū)啟動載波捕獲過程；一旦可用信道數(shù)大于另一閾值Tr，則FES從該衛(wèi)星小區(qū)釋放載波。
    為了避免載波捕獲時發(fā)生碰撞，每個FES在一時長為T的決策幀中分配到一個不同的決
策TS，各FES僅允許在自己決策TS的開始進行載波捕獲，即每T秒一次。決策TS的時長必須
足夠長，以便允許該FES將結(jié)果告知其他所有的FES。FES可采用不同的策略從一組可用載波
中或從所擁有的一組載波中的將要釋放的載波中捕獲載波。
2.3 TDMA中的無縫切換
    第三代移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要問題之一是需要大量的信令信息。特別是由于點波束
半徑的減小和非GEO衛(wèi)星的采用，切換和小區(qū)更新次數(shù)增加，為了節(jié)約寶貴的衛(wèi)星資源，相
應的信令信息應最少化。
    此時無縫切換是一明智選擇。它不中斷現(xiàn)行呼叫，而所需的信令交換最少。無縫切換
可通過MS的幾個控制功能分布化來實現(xiàn)。
    GSM中的小區(qū)更新（當空閑MS改變廣播控制信道時，發(fā)生小區(qū)更新）幾乎完全由MS負責，
某小區(qū)。的各空閑MS一旦發(fā)現(xiàn)小區(qū)b參考載波的接收功率電平大于小區(qū)a參考載波功率電平，
則自主選擇新小區(qū)b。MS甚至不將其更新的小區(qū)通知固定網(wǎng)，除非其位置區(qū)改變。
    而GSM中的越區(qū)切換（當忙MS改變通信信道時，發(fā)生小區(qū)切換。習慣上有時切換包括小
區(qū)更新和小區(qū)切換兩種情況）與此不同，它由固定網(wǎng)負責［BSS和 MSC（MobileSwitching
 Center）］。這是基于以下考慮：一方面，呼叫進行中的MS大部分處理能力用于呼叫處理
（因而不能用于處理各參考載波的接收功率電平），另一方面，每次切換均需查詢服務于
新小區(qū)的BSS中存放的信道一TS分配圖；而且，切換過程要求與新BSS達到幀同步。
    以上切換難題在第三代環(huán)境下可得以解決：一方面，MS將有更大的處理能力，另一方
面，由BSS廣播適當?shù)目刂仆话l(fā)信號可告知MS當前小區(qū)負荷。可采用與前述GSM小區(qū)更新過
程類似的方法來實現(xiàn)切換過程：將大部分控制功能分布到MS中，以使信令交換最少化，并
與前述PRMA技術(shù)相適應。在這種情況下，MS必須檢查服務于新待選小區(qū)b的BSS（FES）發(fā)送
的業(yè)務控制分組，以便檢查分配到小區(qū)b的載波的可用TS比例。如果其中某載波c的比例大
于相應的閾值，則MS被授權(quán)切換至小區(qū)b。因此，其發(fā)生器切換至載波c,而同時仍接收舊小
區(qū)a的信號；直到固定網(wǎng)已獲知發(fā)生了切換，并通過新小區(qū)b傳送前向業(yè)務流。