WCDMA體制衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗衰落技術(shù)研究

莊云勝，王力男，孫 凱

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081;2.中國(guó)人民解放軍63756部隊(duì)，山東青島 266114)

0 引言

GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有相對(duì)簡(jiǎn)單的地面段和空間段結(jié)構(gòu)，不需要復(fù)雜的地面跟蹤設(shè)施和星際網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍廣，衛(wèi)星仰角和傳播時(shí)延相對(duì)穩(wěn)定，與低軌衛(wèi)星星座相比，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，投資風(fēng)險(xiǎn)小，工作壽命長(zhǎng)。WCDMA是一個(gè)寬帶直接序列擴(kuò)頻碼分多址系統(tǒng)，具有同步支持多速率服務(wù)、有效利用多徑傳播、減少干擾和頻率復(fù)用系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，使之成為衛(wèi)星通信中很具有吸引力的體制。

1 抗信衰落技術(shù)分析

1.1 WCDMA抗衰落技術(shù)分析

陸地移動(dòng)信道的主要特征是多徑傳播。無(wú)線電信號(hào)的傳播經(jīng)地面和周圍環(huán)境物體的反射、散射、繞射，到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)往往是多個(gè)信號(hào)的疊加。這種多徑傳播引起接收信號(hào)的幅度、相位和到達(dá)時(shí)間的隨機(jī)變化，會(huì)產(chǎn)生多徑衰落，嚴(yán)重影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量。在這樣惡劣的傳播條件下，要保持可以接受的傳輸質(zhì)量，就必須采用各種抗衰落技術(shù)。

WCDMA采用了信道估計(jì)、交織和糾錯(cuò)碼等抗衰落技術(shù)。WCDMA是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，具備較好的抗干擾和抗多徑衰落性能;而且通過(guò)使用RAKE接收技術(shù)可以充分利用多徑信號(hào)，使得接收效果增強(qiáng);此外，WCDMA的功率控制也可以有效地對(duì)抗慢衰落［1］。

1.2 GEO衛(wèi)星抗衰落技術(shù)分析

衛(wèi)星信道與地面移動(dòng)信道物理特性差異較大，為適應(yīng)衛(wèi)星信道的特點(diǎn)，WCDMA的抗衰落技術(shù)必須經(jīng)過(guò)改進(jìn)才能應(yīng)用在衛(wèi)星上。

GEO衛(wèi)星信道的條件比陸地移動(dòng)信道要好。影響GEO衛(wèi)星信道的因素一般有對(duì)流層閃爍、降雨衰減、云吸收和大氣吸收衰減，這些衰落大部分為慢衰落。衛(wèi)星系統(tǒng)的接收信號(hào)主要由直達(dá)信號(hào)所組成，多徑時(shí)延擴(kuò)展對(duì)信號(hào)的影響較地面移動(dòng)通信?。?］，因此可以簡(jiǎn)化信道估計(jì)的設(shè)計(jì)。WCDMA系統(tǒng)通過(guò)使用CPICH(公共導(dǎo)頻信道)和時(shí)隙中的Pilot部分完成信道估計(jì)，由于GEO衛(wèi)星信道中的衰落大部分為慢衰落，單獨(dú)通過(guò)CPICH(公共導(dǎo)頻信道)就可以完成信道估計(jì)功能。

GEO衛(wèi)星信道的相干時(shí)間長(zhǎng)。相干時(shí)間等于多普勒頻展寬度的倒數(shù)，而多普勒頻展與使用的頻率、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和所處的多徑環(huán)境有關(guān)。對(duì)于地面移動(dòng)終端，其接收信號(hào)中存在地面多徑信號(hào)，但它與衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不快，因此多普勒頻展寬度不大;對(duì)于高速飛行器，雖然其多普勒頻移大，但由于空中多徑信號(hào)很少，因此多普勒頻展寬度也不大。在不考慮頻率的影響時(shí)，GEO衛(wèi)星信道的相干時(shí)間大于地面移動(dòng)信道。WCDMA的交織方式不適用于大相干時(shí)間的衰落信道，為了獲得交織增益需要增大交織深度。

GEO衛(wèi)星通信時(shí)延大。衛(wèi)星鏈路的雙跳傳播時(shí)延近540 ms，再考慮處理時(shí)延，則鏈路的往返時(shí)間(Round Trip Time，RRT)接近 600 ms。這導(dǎo)致WCDMA的功率控制方法不適用于GEO衛(wèi)星通信。

2 功率控制改進(jìn)

WCDMA系統(tǒng)采用了內(nèi)環(huán)和外環(huán)功率控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。外環(huán)控制通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)線鏈路的信干比(SIR)目標(biāo)值來(lái)使鏈路的誤塊率(BLER)維持在一個(gè)可以接受的水平。BLER由前向糾錯(cuò)解碼器輸出的CRC信息計(jì)算得到。內(nèi)環(huán)控制是通過(guò)估計(jì)當(dāng)前信道的SIR，并把它與SIR目標(biāo)值相比較，通過(guò)比較結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)置功率控制反饋是上調(diào)命令還是下調(diào)命令。

圖1 WCDMA功率控制結(jié)構(gòu)

地面蜂窩系統(tǒng)的基站和用戶之間的往返時(shí)間延遲小于1 ms，因此WCDMA系統(tǒng)的功率控制反饋頻率可以實(shí)現(xiàn)每2/3 ms一次，對(duì)大多數(shù)快衰落信道可以精確跟蹤，從而保證接收端有近似恒定的SIR。而GEO衛(wèi)星通信的往返時(shí)延接近600 ms，接收端將不能及時(shí)響應(yīng)功率控制命令。因此設(shè)計(jì)一種線性預(yù)測(cè)器，用于預(yù)測(cè)信道在接下來(lái)的600 ms的衰落狀態(tài)。以80 ms的間隔計(jì)算和發(fā)送功率控制命令，預(yù)測(cè)器就可以很好地跟蹤相關(guān)時(shí)間大于600 ms的慢衰落信道，但是不能跟蹤快速衰落信道［3］。

3 交織方式改進(jìn)

WCDMA系統(tǒng)的最大交織深度為80 ms，不能對(duì)抗衛(wèi)星信道中相干時(shí)間大于80 ms的慢衰落。因此在不改變WCDMA原有處理流程的情況下，設(shè)計(jì)添加一種新的交織方式，稱為TTI間交織方式。把TTI間交織處理插入物理層的2個(gè)子層之間。信道編碼復(fù)用子層生成的DPDCH幀先經(jīng)過(guò)TTI間交織，再把交織后的DPDCH幀與DPCCH幀組合構(gòu)成CCTrCH幀，最后把它送入擴(kuò)頻調(diào)制子層［4］。

TTI間交織過(guò)程如圖2所示。連續(xù)TTI的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信道編碼和復(fù)用后，標(biāo)記為TTI A，TTI B，TTI C，……;TTI A內(nèi)的8個(gè)無(wú)線幀標(biāo)記為 A0，A1，A2，……A7;其他TTI的標(biāo)記方法依次類推。TTI間交織器把接收到的一個(gè)TTI內(nèi)的8幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，然后把各個(gè)幀同其他TTI的幀交錯(cuò)排序，最后按照時(shí)序發(fā)送幀數(shù)據(jù)。一個(gè)TTI數(shù)據(jù)的交織時(shí)間間隔為KTTI×TTI，KTTI為交織系數(shù)。通過(guò)改變KTTI的取值，可以設(shè)置TTI間交織的深度。當(dāng)為1時(shí)，相當(dāng)于不使用TTI間交織。

圖2 TTI間交織

TTI的最大值為80 ms，當(dāng)交織系數(shù) KTTI為8時(shí)，交織時(shí)間間隔為640 ms?？紤]到前面介紹的衛(wèi)星功率控制預(yù)測(cè)時(shí)間為600 ms，這時(shí)TTI間交織可以作為功率控制的補(bǔ)充，快于600 ms的衰落由TTI間交織克服，慢于600 ms的衰落由功率控制克服［5］。文獻(xiàn)［5］仿真計(jì)算得出在理想信道條件下，衛(wèi)星模擬系統(tǒng)接收性能提高約1.5 dB;其他信道條件下，衛(wèi)星模擬系統(tǒng)接收性能會(huì)提高2～2.5 dB。

4 幀結(jié)構(gòu)改進(jìn)

4.1 WCDMA 幀結(jié)構(gòu)

WCDMA的處理以無(wú)線幀為結(jié)構(gòu)單位，每個(gè)無(wú)線幀長(zhǎng)10 ms，包含38400個(gè)碼片。每個(gè)無(wú)線幀從時(shí)間上再等分為15個(gè)時(shí)隙。下行DPCH(專用物理信道)的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中Data1和Data2部分是DPDCH(專用數(shù)據(jù)物理信道)的內(nèi)容，承載了要傳輸?shù)臄?shù)據(jù);而TPC(發(fā)送功率控制)、TFCI(傳輸格式指示)和Pilot(導(dǎo)頻)3個(gè)部分是DPCCH(專用控制物理信道)的內(nèi)容，它雖然沒(méi)有承載數(shù)據(jù)，但是承載了DPDCH信道正常工作所必須的控制信息［6］。

圖3 WCDMA下行DPCH的幀結(jié)構(gòu)

4.2 幀結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于功率受限，因而設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮信道資源的利用率。WCDMA系統(tǒng)的每個(gè)時(shí)隙都包含DPCCH數(shù)據(jù)，這對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)DPCCH占用了過(guò)多的信道資源，特別是在傳輸?shù)退贅I(yè)務(wù)的時(shí)候。例如，WCDMA采用比特率為15 kbps的 DPCH信道時(shí)，實(shí)際數(shù)據(jù)的比特率為6 kbps，而控制數(shù)據(jù)的比特率為8 kbps。

首先，簡(jiǎn)化TFCI設(shè)計(jì)。由于CCTrCH(編碼組合傳輸信道)中各個(gè)傳輸信道的TTI不同，WCDMA的幀格式需要支持每個(gè)無(wú)線幀(時(shí)間長(zhǎng)度為10 ms)傳輸格式變化。如果限定CCTrCH中各個(gè)傳輸信道的TTI都相同，就可以保證在一個(gè)TTI內(nèi)的TFCI不變;這時(shí)，一個(gè)TTI內(nèi)只要發(fā)送一次TFCI數(shù)據(jù)，從而減少了TFCI數(shù)據(jù)的發(fā)送次數(shù)。

其次，由前面的功率控制分析得知，改進(jìn)后的功率控制反饋周期為80 ms，因此TPC數(shù)據(jù)只需以80 ms間隔發(fā)送。由于GEO衛(wèi)星信道的慢衰落特性，可以簡(jiǎn)化信道估計(jì)的設(shè)計(jì)，去掉Pilot數(shù)據(jù)。這樣可以減少DPCCH承載的數(shù)據(jù)。

4.3 適應(yīng)衛(wèi)星的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合以上幾個(gè)方面的分析，重新設(shè)計(jì)DPCH的時(shí)隙結(jié)構(gòu)。采用3種時(shí)隙格式:T、P和D。T時(shí)隙包含TFCI比特和專用物理數(shù)據(jù)信道比特，P時(shí)隙包含TPC比特和專用物理數(shù)據(jù)信道比特率，D時(shí)隙只包含專用物理數(shù)據(jù)信道比特。3種時(shí)隙的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 適應(yīng)衛(wèi)星的時(shí)隙結(jié)構(gòu)

重新設(shè)計(jì)DPCH的幀結(jié)構(gòu)。圖5給出了無(wú)線幀的傳送示意圖。在一個(gè)10 ms無(wú)線幀中包含2個(gè)T時(shí)隙、4個(gè)P時(shí)隙和9個(gè)D時(shí)隙。TFCI數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)里德－穆勒碼的(32，10)子碼編碼，產(chǎn)生的編碼數(shù)據(jù)被平均分配到各個(gè)T時(shí)隙中傳輸，每個(gè)T時(shí)隙包含4 bit數(shù)據(jù)。WCDMA系統(tǒng)中TPC為全1或全0的數(shù)據(jù)，其傳輸可靠性差，因此對(duì)TPC數(shù)據(jù)采用了(16，5)雙正交碼進(jìn)行編碼。TPC編碼信息被平均分配到各個(gè)P時(shí)隙中傳輸，每個(gè)P時(shí)隙傳TPC=2 bit，圖5中TPC編碼信息在80 ms內(nèi)重復(fù)發(fā)送，使得接收端可以通過(guò)累加來(lái)提高處理增益。

圖5 適應(yīng)衛(wèi)星的無(wú)線幀傳輸

通過(guò)采用改進(jìn)的時(shí)隙結(jié)構(gòu)和幀結(jié)構(gòu)，使得DPCCH數(shù)據(jù)只在前幾個(gè)時(shí)隙中發(fā)送，減小了DPCCH信道的開銷，同時(shí)也滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)延情況下對(duì)功率控制的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了WCDMA抗衰落技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星通信時(shí)的適應(yīng)性問(wèn)題，根據(jù)衛(wèi)星信道的特點(diǎn)提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。但是要真正將WCDMA系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際情況中依然有很多問(wèn)題需要解決，例如，WCDMA的隨機(jī)接入方式不適用于大時(shí)延的衛(wèi)星通信系統(tǒng);針對(duì)WCDMA的上層改進(jìn)及跨層設(shè)計(jì)等。 ■

［1］楊家瑋，盛 敏，劉 勤.移動(dòng)通信基礎(chǔ)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:107－132.

［2］張更新，劉愛軍.衛(wèi)星通信［M］.北京:人民郵電出版社，2002:210－231.

［3］BROWN W A，BUTTS N，SADOWSKY J S，et al.MUOS Point to Point Power Control［C］∥Military Commnincations Conference，MILCOM，2009:1 －5.

［4］3GPP TS25.212.Multiplexing and Channel Coding(FDD)［S］.

［5］LEE D K，SADOWSKY J S.The MUOS WCDMA Air Interface［C］∥Military Commnincations Conference，Orlando FL，USA，MILCOM，2007:11 －16.

［6］3GPP TS25.211.Physical Channels and Mapping of Transport Channels［S］.