提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量的一種新技術(shù)

提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量的一種新技術(shù)
關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信，對稱載波復(fù)用，系統(tǒng)容量
[摘要]本文介紹了在雙向衛(wèi)星通信領(lǐng)域的一種嶄新的技術(shù)即對稱載波復(fù)用（PCMA 
Paired Carrier MultiPle Acces）技術(shù)。對稱載波復(fù)用是一種全新的衛(wèi)星系統(tǒng)
的頻率復(fù)用方式，利用它可將現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的容量提高1倍。文章分析了 
PCMA的基本原理，實現(xiàn)方案，最后給出了性能分析以及應(yīng)用前景。
          一、引言
    美國ViaSat公司的Mark Dankberg在1998年提出了用于雙向衛(wèi)星通信的一種
嶄新的技術(shù)對稱載波復(fù)用（PCMA Paired Carrier Multiple Access）技術(shù)。PC
MA是一種全新的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻率復(fù)用方式，它允許2個不同的衛(wèi)星地面站同
時使用完全相同的頻率、時隙或擴頻碼字。因此，在采用了PCMA技術(shù)后，可將現(xiàn)
有的衛(wèi)星系統(tǒng)的吞吐量提高1倍，而對系統(tǒng)的誤碼率性能僅有極小的影響。PCMA
技術(shù)可以與各種不同類型多址接入方式（CDMA、FDMA、TDMA或是混合接入方式）
結(jié)合使用，而且還可以適用于各種不同的錯路調(diào)制與編碼方案。PCMA本身不能替
代任何一種編碼、調(diào)制與多址技術(shù)，而必須結(jié)合各類錯路調(diào)制、編碼方案與各類
多址技術(shù)來使用。如果能夠合理使用，PCMA可以將現(xiàn)有的固定衛(wèi)星地面站衛(wèi)星服
務(wù)系統(tǒng)的容量提高1倍。
    二、PCMA技術(shù)的基本原理
    迄今為止，所有的衛(wèi)星鏈路都是通過通常的多址接入技術(shù)（如TDMA、FDMA或
CDMA）實現(xiàn)2路上行信號的分離。例如，F(xiàn)DMA技術(shù)是通過不同的載波頻率實現(xiàn)上
行信號的分離；而在TDMA接入方式中，2路上行信號利用不同的時隙來劃分信道；
對于CDMA接入方式，信號占用相同的頻帶和時隙，但可以通過其特定的CDMA擴頻
碼實現(xiàn)區(qū)分�；旌舷到y(tǒng)（例如多載波TDMA系統(tǒng)）將不同的多址接入技術(shù)混合使用，
接收機通過不同終端的上行信號在頻率、時間和碼字各方面的不同特性將信號檢
測出來。PCMA則是通過充分利用衛(wèi)星通信的獨有特點，使相互雙向通信的2個終
端之間進行頻率重用，以此來實現(xiàn)系統(tǒng)容量加倍。
    在采用PCMA技術(shù)的系統(tǒng)中，首先需要對衛(wèi)星錯路作以下的假設(shè)：
    （1）衛(wèi)星系統(tǒng)中的任何一個終端發(fā)出的信號可以被包括它本身的任何一個終
端接收到；
    （2）衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器。也就是說，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器只對上行信號進行帶通濾
波、頻率轉(zhuǎn)換和信號放大，然后轉(zhuǎn)發(fā)至各地面站。
    對大多數(shù)現(xiàn)有的以及計劃中行將建設(shè)的固定衛(wèi)星地面站系統(tǒng)而言，都符合該
假設(shè)。反之若系統(tǒng)不滿足以上假設(shè)，則不可以使用PCMA技術(shù)。
    在使用PCMA技術(shù)的衛(wèi)星系統(tǒng)中，將系統(tǒng)中處于相互通信的終端兩兩分組，對
同一組內(nèi)的個不同終端使用完全相同的上、下行鏈路。也就是說，這2個終端可以
同時使用完全相同的頻率、時隙或擴頻碼字。而利用衛(wèi)星傳輸中的自發(fā)自收特性
（即任何一個衛(wèi)星終端發(fā)出的信號均可被包括它本身的任何一個衛(wèi)星終端接收到），
每個終端都可以非�？煽康貙⒃摻M另一個終端的信號從混合的下行信號中分離。
    由于衛(wèi)星系統(tǒng)中每個終端都可以確切地知道該終端本身所發(fā)射的上行信號，
而且也確切地知道該信號在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中經(jīng)過的處理過程。因此，該終端完全可
以對其上行信號經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后的下行信號進行估計。
    三、PCMA技術(shù)中的信號抑制技術(shù)
    由上述討論可以看出，在使用PCMA技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，每個終端都接收
到一個復(fù)合的下行鏈路信號。由于將正在相互通信的2個終端分為一組，占用同一
信道：根據(jù)系統(tǒng)多址方式的不同，可能是同一頻段（FDMA）或同一時隙（TDM）或
同一擴頻碼（CDMA），因此對這2個終端而言，該復(fù)合信號內(nèi)既包括有用信號，也
包括該終端本身上行信號經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后的下行信號（對該終端而言也就是因采
用PCMA而引入的無用信號）。并且這2個信號在頻率或是時間或是碼字上（取決于
多址方式）是重疊的。為了將無用信號從復(fù)合信號內(nèi)除去，必須準(zhǔn)確估計下行鍵路
參數(shù)。當(dāng)然，任何一個終端的下行鍵路參數(shù)都不可能估計得非常準(zhǔn)確。因而，實際
上不可能完全從復(fù)合信號中去除其本身下行信號的影響，但通過信道參數(shù)估計，可
以把影響減小。
        四、PCMA技術(shù)的實現(xiàn)
      PCMA與常規(guī)的衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器相比，PCMA需要幾個額外的處理單元，其中包
括：
    （1）自我信號估計模塊：作用是從混合的下行鏈路信號中提取自我信號的參
量；
    （2）時延、頻率、相位和增益調(diào)整模塊：用來校準(zhǔn)本地產(chǎn)生的刪除信號的參
數(shù)，使之與下行鏈路的信號參數(shù)相一致；
    （3）調(diào)制與濾波模塊：作用是補償上行與下行鏈路的濾波器效應(yīng)。
    這些功能模塊的物理實現(xiàn)取決于實際所使用的衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器。對于最新的基
于DSP的調(diào)制解調(diào)器，PCMA技術(shù)的功能可以完全用軟件予以實現(xiàn)。
五、PCMA技術(shù)的應(yīng)用與性能分析
    在各種現(xiàn)存的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，若采用
    PCMA技術(shù)可獲得很大的性能提高。通過頻率復(fù)用，PCMA能夠有效地提高頻譜利
用率。通常有幾種不同的應(yīng)用方案：
    （1）在同樣的帶寬上利用PCMA在每個鏈路上達到更高的數(shù)據(jù)率；
    （2）在維持同樣的數(shù)據(jù)率情況下，應(yīng)用PCMA可以使每個鏈路連接占用更少的
帶寬。這樣就能使得每個網(wǎng)絡(luò)能支持更多的用戶；
    （3）在維持同樣的數(shù)據(jù)率和同樣的帶寬下，在每個鏈路上應(yīng)用PCMA后可使信道
編碼速率降低。這樣將帶寬增益轉(zhuǎn)換為編碼增益，以提高鏈路的抗干擾容限，或者
減少維持同等的通信質(zhì)量的情況下所需的功率。
    這些方案或者能夠獲得更大的網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，或者能減少功率需求。方案具體的
選擇依賴于用戶的實際需要以及所采用的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的物理特性及經(jīng)濟條件，重要的是
在功率需要和帶寬需要中保持一種平衡。在通常情況下，PCMA技術(shù)與別的技術(shù)結(jié)合在
一起使用，如采用糾錯能力很強的碼（如級連碼或Turbo codes）。
    PCMA技術(shù)的一個最有希望的應(yīng)用是在DAMA語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，通常這種終端采用
低數(shù)據(jù)率的語音壓縮。語音通信一般采用全雙工的鏈路，它在數(shù)據(jù)速率上是對稱的。
在各種情況下，PCMA所需的帶寬只是正常FDMA所需帶寬的一半。例如，對8 kbps的 
ITUG.729聲碼器，對每條雙工鏈路，PCMA所需帶寬不到8 kHZ，而通常的 FDMA需要 
16kHZ，這樣就使得衛(wèi)星的容量增加一倍。
    最新的為家庭和商業(yè)提供的雙向固定站衛(wèi)星通信服務(wù)包括從最基本的電話眼務(wù)到
高速的INTERNET網(wǎng)絡(luò)接人服務(wù)。在這些系統(tǒng)中，整體的吞吐率是一個重要的衡量指標(biāo)。
而PCMA技術(shù)為衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量的擴展糧供了一個很好的解決方案。
          六、結(jié)論
    PCMA技術(shù)通過將衛(wèi)星通信雙向鏈路上2個方向的信道相重疊（根據(jù)多址方式的不同，
可能是同一頻段或是同一時隙或是同一擴頻碼字）來有效地提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的容量。
收方利用衛(wèi)星通信獨具的自發(fā)自收的特點，將因信道疊加而帶來的干擾減少至最小。
從上面的分析可以看出，PCMA技術(shù)可以靈活地應(yīng)用于多種衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，以增加系
統(tǒng)的容量，或者獲得額外的信噪比增益或者減小所需的發(fā)送功率。
    衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)一般可能是帶寬受限或是功率受限的；在現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)系統(tǒng)中，可
以采用多種方式來增加鏈路功率（如采用更有效的功率放大器或是使用效率更好的衛(wèi)
星天線）。這樣，在有效的功率增加后，帶寬就更多地成為了一個瓶頸。所以，我們
可以預(yù)測PCMA技術(shù)將成為雙向衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)增加容量的有力工具。