卫星大作业

一、概述

1.1卫星通信系统背景

随着信息化时代的到来,全球个人移动通信和信息高速公路通信需求的迅速增长,要实现通信网的“无缝”覆盖,卫星通信是必不可少的通信手段。与传统的通信和传输方式相比,卫星通信在技术和成本上具有高可用性和高性价比的优势,它以其覆盖广、通信容量大、通信距离远、不受地理环境限制、质量优、经济效益高等优点,已成为信息化的主要支柱之一。

为了真正实现来自任何人、任何时候、任何地点的任何类型的通信，卫星通信系统则是必不可少的。自从 1965 年4 月6 日世界行第一颗商用通信卫星“晨鸟”发射升空，卫星通信作为一支重要的力量登上了通信历史的舞台。此后卫星通信迅速发展，在军事和民用领域得到了十分广泛的应用；上世纪 70-80 年代到达了鼎盛时期。80 年代末、90 年代以后，由于光纤通信和地面蜂窝移动通信的迅速崛起，卫星通信失去了传统的国际、国内长途通信和陆地通信业务等主要领地。进入新世纪以来，卫星通信扬长避短，茁壮发展，又重新找到了自己的位置，与地面通信系统形成了相互竞争、互为补充的格局。在军事应用中，卫星通信仍然是其他手段所不能取代的通信方式，而现代战争对卫星通信提出更高的要求，需要卫星信息可以直接战术应用；在经济、政治和文化领域中，卫星通信不仅有效地补充了其他通信手段的不足或不能，在抢险、防灾、救灾和处理突发事件的应急通信中均大有作为。

1.2 我国卫星通信系统的发展现状

我国卫星通信系统发展的基本情况如下: (1)卫星固定通信

我国卫星固定通信网的建设非常迅速,人民银行、新华社、交通、石油天然气、经贸、铁道、电力、水利、民航、中核总公司、国家地震局、气象局、云南烟草、深圳股票公司以及国防、公安等已建立了20多个卫星通信网,卫星通信地球站已达上万座。

(2)卫星移动通信

卫星移动通信主要解决陆地、海上和空中各类目标相互之间及与地面公用网的通信任务。我国的便携式用户终端在静止轨道全球卫星移动通信系统中运营良好,中低轨道系统运营不佳。作为国际海事卫星组织(INMARSAT)成员国,我国已进入INMARSAT的M站和C站,有近5 000部机载、船载和陆地终端,可为太平洋、印度洋和亚太地区提供通信服务。石油、地质、新闻、水利、外交、海关、体育、抢险救灾、银行、安全、军事和国防等部门均配备了相应业务终端。

(3)卫星电视广播

实践证明,卫星电视广播具有服务区域大、传播远、质量高、投资省、见效快和经济效益高等优点,是提高我国(特别是边远山区)电视广播节目覆盖率最有效、最先进的技术手段。国外卫星电视广播直播系统正在进入中国市场,而我国自己的卫星电视直播系统已纳入国家重点建设项目。当前我国的卫星通信和电视广播网已初具规模,在国民经济、国防和教育等领域发挥着越来越重要的作用。

(4)卫星宽带通信

传统的C和Ku频段卫星通信系统已不能满足各种宽带通信业务的需求,国外现已开通多条高速率的卫星通信线路。中国金桥信息网(ChinaGBN)、中国教育和科研计算机网(CERNet)、中国科技网(CSTNet)等互联网单位用国内通信卫星转发器开通了数十条ISP(或区域网络)与核心网络间中继链路,以C、Ku频段卫星传输链路起步,以后增加Ka频段卫星链路和地面

通信设施,组成覆盖全国的无级网络。这些互联网系统视不同要求可提供高速互联网接入、海量数据下载、远程医疗、远程教学、视频会议、多点广播等业务。

二、卫星通信系统设计内容

2.1卫星通信系统的基本组成

卫星通信系统的基本组成如图1所示。通信卫星起中继作用,把一个地球站送来的信号经变频和放大传送给另一端的地球站;地球站是卫星系统与地面系统的接口,地面用户通过地球站出入卫星通信系统,形成连接电路;为了保证系统的正常运行,卫星通信系统还必须要有测控系统和监测管理系统配合,测控系统对通信卫星的轨道位置进行测量和控制,以保持预定的轨道,监测管理系统对所有通过卫星有效载荷(转发器)的通信业务进行监测管理,以保持整个系统安全、稳定地运行。

2.2轨道参数的选择

在星座设计中,轨道参数包括的内容有:轨道类型,轨道高度,运行周期,轨道的相位关系等.

2.2.1.轨道类型的选择

低轨卫星就轨道类型而言有圆轨道和低椭圆轨道两大类,低椭圆轨道(以下简称椭圆轨道)对区域性覆盖十分有利,可以使覆盖某一区域所需的卫星数目较少.但为了在扰动条件下能保持卫星远地点固定不动,轨道倾角必须为63.4°,这对中低纬度地区的覆盖不利.而圆轨道则不同,其轨道倾角可在0~90°之间任意选择,为设计带来了方便,对我国的覆盖而言,选择倾斜圆轨最为有利.虽然用倾斜圆轨道仅覆盖我国不太经济,但是从扩展为全球系统的前景看又是十分有利的。 2.2.2.高度、周期的选择

轨道高度与系统覆盖所需的卫星数目和对地面终端EIRP及G/T值的要求有关,在轨道高度选择上是两者的折中.同时还需考虑下面几个因素:

(l)地球大气层的影响若轨道高度选择较低,

大气层上部的氧原子将对卫星星体材料形成严重的威胁,直接影响到卫星的寿命.同时还存在严重的大气扰动.当轨道高度选择在1000km以上,大气阻尼和扰动才能被忽略.

(2)范·爱伦带的影响在大气层上部大约

1000km至2500km的高空存在着一条强烈的电磁辐射带,即范·爱伦带.范·爱伦带的电磁辐射对星体材料和星上设备构成严重的威胁.因此轨道高度应尽虽避免选在该辐射带中,使卫星在设计的寿命期间正常工作.

(3)周期因素为了便于对卫星在运行过程中

进行定位控制,以及星座的覆盖统计的简化,卫星周期应与恒星日成比例关系,使卫星每

隔一天或数天在同一时刻通过同一地点上空.因为卫星运行周期是轨道高度的函数,所以在高度选择时必须考虑周期因素.根据开普勒定理可以得出轨道高度和运行周期的关系式如下：

TS2(GM)1/3h?RE 2/3(2?)?832G?6.67?10cm/kg?sec式中:G为万有引力常数,；M为地球质27.5km;h为轨道高度;TS为卫星周期. M?5.976?10kg；RE为地球半径,RE?6379量,

3若要满足上述定位控制条件,则秒.设计选定的参数为:k/n=5/64,

TS/TE?k/n而n、k为整数,TE为恒星日,TE=86164

TS112.2分钟,h=1326km·

2.2.3星座相位关系的设计

星座相位关系的确定是指确定卫星在星群中的位置.它包括轨道倾角,轨道平面的布置、同一平面内星的位置及相邻轨道卫星的相对位置.

我国的纬度范围在北纬4°至54°之间,且主要业务区在北纬20度至北纬50度之间,所以设计的轨道倾角选在38°~45°之间为宜.经过反复的分析比较,其中以42°对我国的覆盖情况较为有利.在24颗星系统中,共有3个轨道平面,每个平面上8颗卫星.轨道平面是均匀布置的,即相邻轨道的右升节点相距120°(右升节点是指轨道平面与赤道平面的交线与赤道的交点,且此刻卫星是从南半球进人北半球).每个轨道平面内的8颗卫星也是等间隔布置,即相邻两星相距45度.以上参数还不能确定卫星在整个星群中的相对位置关系,因为相邻轨道卫星的相对位置关系不确定.要确定相邻轨道卫星的相对位置,就必须确定卫星的相对相角.卫星的相角是它在轨道平面内,从右升节点到卫星所转过的角度,而相对相角是指两颗卫星的相角之差.不同的相对相角会使得星群覆盖性能相差甚远.这个问题在倾斜圆轨道且卫星数较少的情况下尤为突出.因此,必须采用优化方法来设计卫星的相对相位.下面介绍有关的优化算法.

根据立体几何的关系,可推导出两个星下点之间距离d的公式:

d?REcos?1[(2?sin2?cos2?1?sin2?1)/2?(sin2?2?2sin?1sin?2)/2]

卫星与地心连线和地面的交点称为星下点式中为两星下点的纬度,甲为两星下点经度差的绝对值,相对相角优化算法准则是使星下点间的最小距离最大化.

三、系统传输技术体制

3.1多址方式

系统资源是被所有的用户共享的，如何在用户之间进行资源的分配是多址方式要解决的问题。

图2

FDM 频率复用技术，将整个频段划分出不同的子频段，供每个用户使用。每个子频段之间要设置频率保护间隔，为了防止频谱混叠。

3.2系统的调制方式

3.2.1调制方式

二进制相移键控。2PSK 是相移键控的最简单的一种形式，它用两个初相相隔为180 的载波来传递二进制信息。所以也被称为BPSK在二进制数字调制中,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,则产生二进制移相键控(2PSK)信号. 通常用已调信号载波0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1 和0. 二进制移相键控信号的时域表达式为:e2PSK(t)= g(t-nTs)]cosωct

2?n假定信道噪声为加性高斯白噪声n(t)，其均值为0、方差为；发射端发送的2PSK 信

号为

1”?Acos?ct,发“ ST(t)???Acos?t,发“0”c?则经信道传输，接收端输入信号为

1”?acos?ct?n(t),发“ yi(t)???-acos?ct?n(t),发“0”此处，为简明起见，认为发送信号经信道传输后除有固定衰耗外，未受到畸变，信号幅度：A→a 。

经带通滤波器输出

yi(t)?s(t)?ni(t)

1”?acos?ct?nc(t)cos?ct?ns(t)sin?ct,发“ ???-acos?ct?nc(t)cos?ct?ns(t)sin?ct,发“0”其中，

ni(t)?nc(t)cos?ct?ns(t)sin?ct 为高斯白噪声n(t)经BPF 限带后的窄带高

2cos?ct，则乘法器输出

斯白噪声。取本地载波为

z(t)?2y(t)cos?ct

将式代入，并经低通滤波器滤除高频分量，在抽样判决器输入端得到

1”?a?nc(t),发“ x(t)???-a?nc(t),发“0”据分析可知，

nc(t)为高斯噪声，因此，无论是发送“1”还是“0”

， x(t)瞬时值的一

2?维概率密度f1(x)、f2(x)、都是方差为n的正态分布函数，只是前者均值为a，后者均值

为-a，即

1(x?a)2f1(x)?exp[?],发“1”22?n2??n2f2(x)?-1(x?a)exp[?],发“0”22?n2??n

。

之后的分析完全类似于2ASK 时的分析方法。不难得到；当p(1)?p(0)?1/2时，2PSK 系统的最佳判决门限电平为

Ud?0

在最佳门限时，2PSK 系统的误码率为

0?Pe?P(0)P(1/0)?P(1)P(0/1)?P(0)?f0(x)dx?P(1)???0f1(x)dx??f1(x)dx[P(0)?P(1)]??f1(x)dx00??

?1erfc(r)2a2r?22?n式中，为接收端带通滤波器输出端信噪比。

在大信噪比下，上式成为

Pe?12?re?r

采用2PSK 的缺点是接收端载波180°相位跳变问题。

3.3信道分配

将140 个点波束每7 个划分为一组，共20 组，每一组波束分配使用微波L 频段的上

行1626--1660MHZ 和下行1525--1559MHZ 频段（各34MHz）频率资源，不同组波束可以重复使用同一载波，不同组的波束覆盖地区相隔足够远，所以相互之间不会产生干扰。频段分配方法与蜂窝通信网中各小区频率复用相同，将卫星的点波束抽象成为一个正六边形，如图3 所示，绿色部分就是一个区群的示意图，其中数字号代表使用的带宽，不同的数字代表不

同的带宽。

图3. 区群的划分和每个小区带宽的分配

由图中区群和小区的划分可知，将140 个点波束划成20 个子群，每个子群有7 个小区。这里假设用户的优先权相同，每个用户分配的带宽也是一样的。如果每个用户为其提供9.6Kbps 的数据传输速率，运用Nquist 第一准则，对于基带信号，输入序列若采用以

1的Ts波特率进行传输，则所需要的最小传输带宽为件下，基带系统所能达到的极限情况。

1HZ。这是在抽样时刻上无码间串扰的条2Ts那么对于频带传输系统而言,系统不产生码间串扰的最小传输带宽为

1HZ。考虑到实际Ts2HZ。 Ts情况传输系统采用升余弦特性，对于升余弦滚降特性，则所需要的最小传输带宽为

四、天线基础理论概述

天线是无线电通信系统中的最主要部件之一，是决定通信质量的关键设备。天线是通信信号的输入和输出口，其功能是使发射功率有效地转换成电磁波能量，并发射到空间去，同时也将空间接收到的电磁波能量有效地转换为高频信号功率馈送给接收机。在某种意义上说，天线就是一种电磁波能量与高频信号功率之间的转换器。通常，天线的电性能指标可以通过一系列电参数来表征。本节将系统阐述天线的基本电性能参数及其基本分析。

4.1 方向特性

天线的方向特性可以由辐射方向图（Radiation Pattern）和方向性系数来表征。 方向图描述了天线的辐射能量在三维空间中的分布状况，给出了离天线固定的距离上辐射能量随角度的变化。方向图一般可以划分为全向方向图、定向方向图和赋形方向图。图4.是一个典型的天线辐射方向图，实际天线方向图可细分为主瓣、副瓣和后瓣。用来描述天线辐射方向图的参数主要有零功率波瓣宽度（FNBW）、半功率波瓣宽度（HPBW）、副瓣电平（SLL）和前后比（FBR）等。

图4 典型的天线辐射方向

方向性系数D（Directivity）可以描述天线的辐射能量在固定角度内的集中程度，用一个数字定量地表示天线定向辐射能力，通常是指最大辐射方向上的方向性系数。天线在某一方向的方向性系数D(θ,φ)是指该方向辐射强度U(θ,φ)与平均辐射强度有

Uav之比，则

平均辐射强度为

其中，Pr是天线辐射功率，4π是封闭球面的立体角。 则，式可以改为

在最大辐射方向上，其方向性系数与方向图函数关系为：

式中，F(θ,φ)是天线的归一化方向图函数。

4.2 天线效率

真实环境中，天线导体会产生损耗，天线上的介质材料同样也会产生损耗，因此从发射机经过传输线输送给天线的功率并不能完全转换为电磁能量辐射至外部空间。也就是说考虑实际损耗后，天线的辐射功率Pr将小于天线从馈线得到的输入功率PA。用天线效率?A（Radiation Efficiency）来衡量天线能否有效地转换电磁能量，其定义为天线辐射功率Pr与输入到天线上的功率PA之比：

式中，PL表示天线的总损耗。真实环境中发射天线的损耗功率一般包括天线导体中的热损耗、介质材料的损耗、天线附近物体的感应损耗等。

4.3 增益

天线方向性系数和效率结合起来，可以得到表征天线辐射能量集中程度和能量转换效率的总效益的一个参数——增益（Gain）。

天线在某一方向的增益G(θ,φ)是该方向辐射强度U(θ,φ)与天线以同一输入功率向空间均匀辐射的平均辐射强度PA/(4π)之比，即

将式(2-3)和式(2-5)带入后，得到

通常，用最大辐射方向上的增益来表征天线的增益，即G=D?A。 考虑馈线损耗的天线增益称为可实现增益（Realized Gain）。在工程实践中，天线的最大增益系数是比方向性系数更重要的电参量，比较全面地表征了天线的性能，因此成为了衡量天线性能好坏的重要参数之一。

4.4 极化特性

极化用来描述天线在给定方向上远区某一固定位置上电场矢量终端运动轨迹随着时间变化的规律，是天线的一个重要参数。

设有一沿+Z方向传播的无衰减平面波，其瞬时电场矢量可以表示为：

其中，

? ?

式中，

?x和?y分别是沿x和y 方|Exm|和|Eym|分别是沿x 和y方向分量的电场幅度；

分量的电场初始相位；k 为传播常数；?是角频率。根据平面波电场矢量终端随时间运动的轨迹，平面波的极化可以分为线极化、圆极化和椭圆极化。 4.4.1. 线极化

若在x 和y方向分量上的两个电场分量的时间相位差满足

此时，电场矢量的幅度随时间变化，方向与X轴（或 Y轴）的夹角不随时间变化，其终端的轨迹是一条直线，这种极化称之为线极化，对应的波称之为线极化波。 4.4.2. 圆极化

若在x 和y方向分量上的两个电场分量满足

此时，电场矢量的幅度不变，方向以角速度?旋转，电场矢量端点的轨迹是一个圆，这种极化称为圆极化，对应的波称为圆极化波。沿波传播方向观察，电场矢量终端随时间沿逆时针方向旋转时，称为左旋圆极化（LHCP）；顺时针方向旋转时，称为右旋圆极化（RHCP）。 4.4.3 椭圆极化

图5电场矢量的极化椭圆

若在x 和y方向分量上的两个电场分量满足

或者

此时，电场矢量终端的轨迹是一个椭圆，这种极化称为椭圆极化，对应的波称为椭圆极化波。椭圆的长轴和短轴之比称为轴比（Axial Ratio，AR），显然 1?AR???。

椭圆极化更具一般性，包含了线极化和圆极化这两种特殊情况，更为一般地讲，任意极化波可分解为两个相互正交的线极化波或者两个旋向相反的圆极化波。对天线而言，将接收或者发射时所期望的极化称为主极化（Co-Polarization），不期望出现的极化称为交叉极化

（Cross-Polarization）。

一般来讲，我们期望天线能接收或发射与其完全匹配的极化形式。但在实际工程应用中，会出现天线工作极化与信号极化不一致的情况，此时会造成功率损失。为衡量这种损失，将天线实际接收功率与极化匹配下接收功率之比定义为极化失配因子Mismatch Factor）。

?p（Polarization

4.5 有效面积

天线有效面积是在极化匹配和共轭匹配条件下，天线来波的接收功率和入射平面波功率密度之比。天线在无耗情况下，最大接收方向的有效接收面积，称为最大有效接收面积，即

4.6 阻抗特性

天线与馈线之间的阻抗匹配问题由天线的输入阻抗（Input Resistance）来表征，可用输入端口处的电压和电流的比值表示，即

Rin为天线输入阻抗实部（Real Part）X，称为输入电阻，对应有功功率；in为天线

输入阻抗的虚部（Imaginary Part），称为输入电抗，对应无功功率。

4.7 工作带宽

天线的带宽是指满足天线主要性能指标（阻抗、增益或半功率波瓣宽度等）时的频率范围，一般用相对带宽或倍频带宽来表示。 天线的绝对带宽（值定义为天线的相对带宽，即

fmax?fmin）与中心频率的比

工作频带的最高频率与最低频率的比值定义为天线的倍频带宽，即

窄带天线的工作带宽一般采用相对带宽来表示，而超宽带天线的工作带宽则采用倍频带宽来表示。

五、基于LTE的卫星通信

5.1 卫星移动通信网络体系架构

目前，基于卫星的空间段通信部分和日益完善的地面段通信部分组成了一个完整的复杂混和体系结构，如图6 所示。

图6 卫星移动通信网络体系架构

从图可以看出，卫星移动通信网络结构较为复杂，直接将 LTE技术用于整个系统架构并不切合实际，考虑到终端与卫星之间通信的特殊性，本节的研究为图6中红色框图部分。由于卫星通信环境和地面通信环境的差异，将 LTE技术引入到卫星移动通信系统中必须要考虑到新系统的上行接入技术的适应性问题，例如卫星信道的大延迟和各种衰落。

首先，在卫星轨道选择方面，我们主要考虑 GEO 卫星信道，GEO 卫星通信系统具备系统构成简单而且易于建设等优点。其次，考虑到卫星链路传播时延、自由空间损耗、附加衰减等问题，采用 Ka 波段的卫星通信系统，最后结合 LTE系统讨论将LTE 技术引入到卫星通信系统中的适应性：如 GEO 信道的大时延特性、自由空间损耗、附加衰减等，需要对随机接入帧的导频、保护间隔、上行同步技术以及功率控制技术作相应的解决方案。

以上卫星通信的特征是约束卫星通信中引入 LTE技术主要因素，在此基础上参考卫星通信系统中引入 3G 技术所采用的系统模型和 LTE 网络架构，给出本文的基于 LTE的GEO 卫星通信系统的网络系统架构模型，如图 7 所示。

图7 基于LTE 的GEO 卫星移动通信系统网络结构

其中，GeNB 为信关节点 B(GeNB, Gateway-station eNode B)。由图可以看出，该网络

架构主要由核心网和接入网组成。核心网中有较多节点连接，而接入网只有终端一个接入节点。本文研究是基于接入网中的终端和卫星之间的接口，继而对其上行接入技术展开研究。下面讨论卫星信道特性及 LTE系统下的随机接入技术、上行同步技术和功率控制技术的理论基础。

5.2 卫星移动通信信道特性分析

电波在移动环境中传播时，会遇到各种物体，经反射、散射、绕射，到达接收天线时，已经成为通过各个路径到达的合成波，即多径传播模式。各传播路径分量的幅度和相位各不相同，因此合成信号起伏很大，称为多径衰落。电波途径建筑物、树林等时受到阻挡被衰减，这种阴影遮蔽对卫星移动通信系统的电波传播影响很大。 5.2.1 信道的传播特性

多普勒效应：在卫星移动通信过程中，当用户终端与卫星之间存在相对运动时，接收端收到的发射端载频发生频移，即多普勒效应引起的附加频移。如果在数字通信中采用相关解调，此时若发生多普勒频移，则会对通信造成巨大的影响，它可由下式表示：

?fD?fcvcosa

式中，?fD为多普勒频移，a为终端运动方向与入射电波之间的夹角，

fc为载波频率，

v 为移动终端的径向速度。从公式可以看出，多普勒频移?fD与载波频率、终端的径向速度v 成正比。

电离层闪烁：当电波通过电离层时，受电离层结构的不均匀性影响，造成信号振幅、相位等的短周期不规则变化，称作电离层闪烁现象。电离层闪烁效应能导致地空无线电系统的信号幅度、相位的随机起伏。使系统性能下降，严重时可造成通信系统、卫星导航系统、地空目标监测系统信号中断。 恶劣的空间环境将极大影响电子信息系统的工作性能，电离层闪烁是对电子信息系统影响最为严重的一种现象。对卫星通信系统来说，电离层闪烁会导致信号幅度的衰落，使信道的信噪比下降，误码率上升，严重时使卫星通信链路中断。2001 年4 月美侦察机撞毁我战斗机事件后的搜寻飞行员期间，电离层闪烁造成卫星通信部分时间中断。给搜寻工作、形势判断和决策造成很大困难。 5.2.2 接收信号包络分布

卫星接收信号的包络的概率分布模型主要可以分为三种，分别是服从瑞利(Rayleigh)分布、服从莱斯(Rician)分布以及服从对数高斯(Lognormal)分布。主要区别在于各传播路径分量达到接收端的大小。

瑞利分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接受包络统计时变特性的一种分布类型。两个正交高斯噪声信号之和的包络服从瑞利分布。当接收信号没有直射只有多径分量时，其信号包络服从瑞利分布，相位服从[0，2π]均匀分布。

f(z)?z其中，变量z 表示归一化接收信号幅度取样值，?为接收到的信号的均方根。 莱斯分布是指当在没有遮蔽的情况下，周围环境较为开阔，此时接收信号包括一条直射分量和多径分量，其信号包络服从莱斯分布，相位服从[0，2π]均匀分布，

?2exp(?z2?2),z?0

f(z)?z?2exp[?12?2(z2?A2)]I0(Az?2),z?0

其中，参数 A代表信号主峰的幅度，

I0是修正的0 阶第一类贝塞尔函数。莱斯分布常

用参数 K来描述，K定义为确定信号的功率与多径分量方差之比。

K 称作莱斯分布的莱斯因子，其值的大小决定了莱斯分布情况。在上述公式中，当 A无限趋于0 时，莱斯分布就转变为瑞利分布。

对数高斯分布当用户接收信号r(t)中直射分量被部分遮挡时，其信号幅度服从对数高斯分布，相位服从[0，2π]均匀分布。

r(t)?(u1(t)?u3(t))2?(u2(t)?u4(t))2其中，

u1(t)、u2(t)、u3(t)、u4(t)为互不相关的对数高斯过程。

从频率响应角度看，多径散射现象将导致频率选择性衰落，即信道对不同频率成分有不同的响应。如果信号带宽过大，就会引起严重的失真。若用?(t)表示多径时延，用 Bc表示多径信道的相干带宽。通常，相干带宽可按照下式估算得到：

Bc?1/2???(t)

相干带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。也就是说，衰落信号中的两个频率分量，当其频率分量间隔小于相干带宽时，它们是相关的，其衰落具有一致性，当其间隔大于相干带宽时，其衰落就不具有一致性。

5.3 上行接入相关技术分析

在分析了基于 LTE 的 GEO 卫星移动通信系统模型以及其信道特性的基础上，本节对其上行接入相关技术进行研究分析。即对包括LTE系统在内的地面移动通信系统的随机接入技术、上行同步技术和功率控制技术进行理论分析。 5.3.1 上行随机接入

随机接入技术实质上是一种信道共享技术，它规定了用户按照一定的协议来发送数据，使网络内的所有用户均可自由接入网络，但同时不可避免的引入了网络内不同用户的信息碰撞，继而导致信息的丢失和重发，因此碰撞是导致性能下降的主要因素。随机接入过程需要基站和终端的协作下共同完成，基站的主要工作就是接收来自不同终端的前导信息和接入信息，终端的主要工作就是发送前导信息和随机接入信息。终端需要不断的发送前导直到收到基站的确认信息为止，在发送前导的过程中，终端需要定时增加发送功率来提高接入成功的可能性。基站对来自终端的在目标信号干扰比(SIR, Signal to Interference Ratio)门限以上的接收信号发送确认信息给终端。目标 SIR 主要通过系统消息获得。

通常考察随机接入性能的主要指标是吞吐量、时延和接入成功概率。常用的随机接入协议包括：ALOHA、树形多址和预约时隙协议等，LTE 系统的随机接入协议是采用基于资源预留的时隙 ALOHA 协议，下面对LTE系统的随机接入和卫星通信系统的多址接入进行探讨，并分析了LTE 系统的随机接入引入到卫星通信系统中存在的问题及难点。 5.3.1.1 LTE 随机接入策略分析

LTE 是传统 3G 系统的演进系统，LTE 的随机接入继承了传统 3G 系统的部分功能，同时也存在一些区别。LTE 的上行采用的是基于单载波频分多址(SC-FDMA, Single Carrier Frequency Division Multiple Access)的传输技术，下行采用的是基于正交频分多址接入(OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access)的传输技术：而传统的 3G 系统都 是基于码分多址(CDMA, Code Division Multiple Access)的传输技术。在LTE系统中，随机接入是一个基本功能，终端用户只有通过随机接入过程，与系统的上行同步以后，才能够被系统调度来进行上行的传输。具体的功能是实现用户设备(UE, User Equipment)和网络的同步，解决冲突，分配资源和上行通信资源的分配。LTE系统的随机接入协议采用基于资

源预留的时隙 ALOHA方式协议，即用户是先申请后调度接入。ALOHA(Additive Link On-line Hawaii system)是最早提出的随机接入协议，其工作原理如图8 所示。每个站均可以自由地发送数据帧，如果不同站之间的数据帧有部分的重复，则冲突发生，所有冲突的数据需要重新发送。重发的策略是让各站等待一段随机的时间后，再重新发送数据。

ALOHA 的吞吐率和负载的关系为：

S?G?e?2G

如图 8 所示：当负载G?0.5时，可达到理论最大吞吐率S =0.184。当G>0.5时，吞吐率随着网络负载增加而减小，这段区域称为不稳定区域。当用户1 发送帧1 时，其他用户都未发送数据，所以用户 1 的发送必定成功。这里不考虑由信道不良而产生的误码。但随后用户2 和用户 3 发送的帧 2 和帧 3 在时间上重叠了一些，也就是产生了“碰撞”。碰撞的结果是使碰撞的双方（有时也有可能是多方）所发送的数据都出现差错，因而都必须进行重传。但是发生碰撞的各方不能马上进行重传，因为这样做就必然会继续产生碰撞。

ALOHA 系统采用的差错策略是让各用户等待一段随机的时间，然后再进行重传。如果再发生碰撞，则需要再等待一段随机的时间，直到重传成功为止。

图8 纯ALOHA 协议原理图

从图中可以看出，一个帧如欲发送成功，必须在该帧发送时刻之前和之后各一段时间（长度为帧的时长）内，没有其他帧的发送，否则就必产生碰撞而导致发送失败。ALOHA的吞吐率和负载的关系为 S=Ge?2G，当负载 G=0.5 时，S=0.5e=0.184。这是吞吐量 S 可能达

?1到的极大值。纯 ALOHA 协议的效率比较低，由于可能发生碰撞的时期为两个帧长，碰撞很容易发生。

为提高 ALOHA 系统的吞吐量，可以将所有用户在时间上都同步起来，并将时间划分为一段段等长的时隙（slot）

T0，同时规定，只能在每个时隙开始时才能发送一个帧。这样

的 ALOHA 系统叫做时隙 ALOHA 或 S-ALOHA。其工作原理如图 9 所示。

图9 时隙ALOHA 协议原理图

从图9 可以看出，每一个帧在到达后，一般都要在缓存中等待一段时间（这时间小于Tslot），然后才能发送出去。当在一个时隙内有两个或两个以上的帧到达时，则在下一个时隙将产生碰撞。碰撞后重传的策略与纯 ALOHA 的情况相似。时隙 ALOHA的吞吐率和负载的关系为 S=Ge?G，当负载为N=1 时，时隙 ALOHA可以达到理论最大吞吐率 S=0.36。 LTE 随

机接入可分为基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入。LTE 中初始的随机接入过程，

是一种基于竞争的接入过程。

基于竞争的随接入流程可分为 4 个步骤： （1）：前导序列传输 （2）：随机接入响应 （3）：MSG3 发送 （4）：冲突解决消息

所谓 MSG3，其实就是第三条消息，因为在随机接入过程中，这些消息的内容不固定，有时候可能携带的是 RRC 的连接请求，有时候可能会带一些控制信息甚至是业务数据包，因此简称为 MSG3。

基于非竞争的随机接入过程中，UE 发送的前导码与广播消息中用于竞争随机接入的前导码集合不同，并由 eNode B 事先分配好，因此 eNode B接收到此类随机接入前导码时可以唯一确定发送此前导码的 UE，而不会与其他 UE产生冲突。因而非竞争随机接入过程增加了eNode B为 UE指定随机接入前导码的准备步骤，减少了在基于竞争的随机接入过程中为碰撞解决而进行的第三步和第四步。

5.3.1.2 卫星移动通信系统上行随机接入问题分析 1、现有卫星移动通信系统上行随机接入策略

卫星通信较其他传输方式突出的优越之处在于它的大范围覆盖和广播特性。一个卫星转发器可以接通很多地球站/终端，如何将转发器容量按需求分配给各站/各终端，则需要使用不同的随机接入技术。

卫星通信系统随机接入涉及两方面的问题。一是各站发射的信号通过转发器时如何避免相互干扰；二是接收站如何从卫星转发的混合信号中识别出发给本站的信号。传统的卫星通信接入方式有时分多址(TDMA, Time Division Multiple Address)、频分多址（FDMA, Frequence Division Multiple Access）和 CDMA，他们是把卫星转发器的资源按时间分成

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