TDMA和CDMA第三代移动卫星通信系统主要技术比较<1>

发布: 2010-10-20 00:50 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

TDMA和CDMA第三代移动卫星通信系统主要技术比较<1>（周林风、王东进）
    摘要讨论了TDMA和CDMA第三代移动卫星通信系统（即第三代移动通信系统中的卫星
移动通信网）一些主要技术，并考虑了其面临的一些主要问题及可能的解决方案。
    关键调  第三代移动通信系统  移动卫星通信系统 TDMA CDMA
1概述
    第三代移动卫星通信系统的关键技术之一是接入技术的选择，在有限的频谱内增加
系统容量。主要有两种候选方案：TDMA技术和CDMA技术。而FDMA技术随着数字通信技术
的发展早已不单独使用，经常与TDMA或CDMA技术混合使用。在第二代移动卫星通信系统
中，接入技术的不同已导致了两类不同的相互竞争的移动卫星通信系统的发展：Iridium、
ICO（TDMA）；Globalstar、Odyssey（CDMA）。ITU提出的在2000年建设第三代移动通信
系统IMT－2000的卫星移动通信系统部分现已收到的6个提案中，既有TDMA的，也有CDMA
的，还有TDMA和CDMA以及FDMA综合的，如：由ICO Global Communications公司主持的
 ICOGlobal Communications系统（TDMA）；由ESA提出的SW－CDMA系统（空中接口基于
地面的WCDMA技术）；由Iridium Operating LLC主持的INX系统（TDMA/CDMA／FDMA混合
方式）；由ESA提出的SW—C/TDMA系统（DS－CDMA与TDMA混合方案）等。各种提案的共同
特点是：①全球覆盖；②小区切换；③支持多媒体业务，一般业务速率可达到144 kb/s；
④支持电路数据业务和分组数据业务（接入Internet）等。
    当然，这种对比并不是绝对的，有些方面对两者都适用。另外，由于篇幅所限，
TDMA和CDMA系统的一些重要的共性技术本作探讨，如星间链路、对宽带业务的支持。名
普勒频移抵消等。
2TDMA技术
2.1 PRMA（分组预约多址接入）
    现有的第二代数字移动通信系统大多已经采用了TDMA多址访问方式（如著名的GSM系
统），如何在现有设备和技术上实现系统容量的增加和业务的综合是目前面临的现实而具
体的问题。 1989年美国Bell实验室的D．J．Goodman等人为未来的蜂窝移动通信系统提出
了一种多址协议一PRMA，该协议较成功地解决了基于TDMA方式的蜂窝移动通信系统的容量
增加和业务综合等问题，因此它一经提出就受到了高度的重视，世界上许多的组织和机构
都对它进行了深入的研究。
    PRMA协议类似R－ALOHA，是TDMA和分槽  ALOHA协议的结合。采用   PRMA协议的蜂窝
移动通信系统主要优点有：采用话音激活技术，性能较TDMA有较大的改善；具有软容量，
即系统中用户数的增加超过设计值时仅造成性能的恶化；终端访问信道延迟时间小；可实
现无缝隙的越区切换接续；具有分布式控制功能；可方便地与基于ATM的固定网互连。
    在PRMA中，各载波有一帧结构，由若干个TS（时隙）组成，每个TS能承载一分组。
TS和信道不是—一对应的，任何TS能承载任何信道的分组。各接收终端通过读取分组头识
别出分组是否是传送给自己的。PRMA技术的目标是利用大多数业务内在的空闲时间。各TS
并不像传统TDMA系统那样由某呼叫的全部时间所占用，而是可以被任何呼叫占用。
    在前向信道（BSS至MS），BSS（Base StationSystem）将分组复用以TDM方式发送出
去；各MS（MobileStation）读取分组头且只保留标记给自己的分组。
    在反向信道（MS至BSS），采用与分槽ALOHA技术类似的方法，有新信息要发送的MS随
机接入某可用TSn；MS通过读取由BSS广播的业务控制分组（其中有当前各TS的预约情况）
知道该TS的可用性。如果MS a在可用TSn中发送的分组成功到达BSS而没有与其它分组发生
碰撞，则BSS将TSn分配给MS a使用，直到在TSn上收到空闲信号为止。因此，从所有MS由业
务控制分组告知TSn被分配的时刻起，MS a发送的分组不会碰撞。
    在卫星环境下，由于卫星传播时延较大，PRMA有一较大缺陷。设Td为往返时延，则从
MS发送分组时刻起，到所有MS被告知TS分配情况，需要2Td的时间［如，在GEO（静止轨道）
中，约有540m］。因此，MS必须至少等待2Td的时间才能开始无碰撞的分组传送。
    PRMA在卫星环境的应用取决于Td、业务最大时延容限和业务差错率容限。因此，在某
卫星环境下，可以将业务分为两类：PRMA兼容的业务和不兼容的业务。如，若使用GEO则语
音业务不是PRMA兼容的；而若使用LEO（低轨道），则是PRMA兼容的。
    实际上，在某卫星系统中，以上两种业务可以共存，此时PRMA技术仅用于PRMA兼容的
呼叫，而PRMA不兼容的呼叫仍可用传统TDMA技术来处理，即在整个呼叫期间TS一直为其所
用。而且，PRMA不兼容呼叫的MS可以利用呼叫中的空闲时间来传送其他PRMA兼容的呼叫
（如，在GEO环境下，低速数据传送可以利用话音呼叫的空闲时间完成）。即使两者的目标
FES（Fixed Earth Station）不同，也是可行的。
    假设备载波每帧有S个TS，则传统TDMA每帧可提供S个信道，而PRMA可提供?ηS（η＞1）。
其中η被称为PRMA效率因子。对的大小取决于分组丢失率容限、每帧TS数和帧长等参数。
通过合理选择这些参数，η达1.5～1.7。因此，若假定各点波束业务量相同，则式（1）成
立。其中河是卫星系统能提供的信道总数（假定无限可用功率）；C是可用载波教，等于可
用带宽W与各载波带宽Wc之比； NC是非交叠的点波束簇数（点波束簇是为避免同信道干扰
太大时同种载波不能再用的一组点波束的集合）。
              N’＝ηsCNc（1）
    式（1）表示出了带宽对系统容量的限制。功率对系统容量也有限制（此处不多作讨论）。
假定无限可用带宽时卫星系统可提供的可用信道数为N”，则卫星系统实际可提供的信道总
数N＝min（N'，N''）。
2.2DCA（动态信道分配）
    信道分配要解决的核心是如何将有限的信道资源高效地分配给用户，使系统达到最大
的容量和最好的服务质量。信道分配方案分为两大类：FCA（固定信道分配）和DCA。
    在传统FCA策略中，根据业务量预测载波半永久地分配给卫星小区。由于点波束半径的
减小和非GEO卫星的快速运动，卫星小区业务密度不可预知地随时间和地理位置而变化。因
此，为了充分利用卫星资源，载波一卫星小区分配需实时重新调整。另一方面，如果由一
中央实体［如NCS（NetworkControlStation）］负责载波重分配，则需要大量的信令信息
交换。
    此时可采用分布控制的DCA策略来解决以上问题：一方面，为了满足快速变化的通信信
道需求，载波到不同小区的分配进行实时动态调整，另一方面，由FES而不是NCS进行重分
配，因而减少了控制信息交换，增加了系统的鲁律性。这样，系统根据当前的业务负载和
干扰情况，动态地将信道分配给所需的用户，达到最大的系统容量和最佳的通信质量。
    实行DCA策略后，一旦某卫星小区的可用信道数小于某一给定阈值Ta，则FES为该卫星
小区启动载波捕获过程；一旦可用信道数大于另一阈值Tr，则FES从该卫星小区释放载波。
    为了避免载波捕获时发生碰撞，每个FES在一时长为T的决策帧中分配到一个不同的决
策TS，各FES仅允许在自己决策TS的开始进行载波捕获，即每T秒一次。决策TS的时长必须
足够长，以便允许该FES将结果告知其他所有的FES。FES可采用不同的策略从一组可用载波
中或从所拥有的一组载波中的将要释放的载波中捕获载波。
2.3 TDMA中的无缝切换
    第三代移动卫星通信系统的主要问题之一是需要大量的信令信息。特别是由于点波束
半径的减小和非GEO卫星的采用，切换和小区更新次数增加，为了节约宝贵的卫星资源，相
应的信令信息应最少化。
    此时无缝切换是一明智选择。它不中断现行呼叫，而所需的信令交换最少。无缝切换
可通过MS的几个控制功能分布化来实现。
    GSM中的小区更新（当空闲MS改变广播控制信道时，发生小区更新）几乎完全由MS负责，
某小区。的各空闲MS一旦发现小区b参考载波的接收功率电平大于小区a参考载波功率电平，
则自主选择新小区b。MS甚至不将其更新的小区通知固定网，除非其位置区改变。
    而GSM中的越区切换（当忙MS改变通信信道时，发生小区切换。习惯上有时切换包括小
区更新和小区切换两种情况）与此不同，它由固定网负责［BSS和 MSC（MobileSwitching
 Center）］。这是基于以下考虑：一方面，呼叫进行中的MS大部分处理能力用于呼叫处理
（因而不能用于处理各参考载波的接收功率电平），另一方面，每次切换均需查询服务于
新小区的BSS中存放的信道一TS分配图；而且，切换过程要求与新BSS达到帧同步。
    以上切换难题在第三代环境下可得以解决：一方面，MS将有更大的处理能力，另一方
面，由BSS广播适当的控制突发信号可告知MS当前小区负荷。可采用与前述GSM小区更新过
程类似的方法来实现切换过程：将大部分控制功能分布到MS中，以使信令交换最少化，并
与前述PRMA技术相适应。在这种情况下，MS必须检查服务于新待选小区b的BSS（FES）发送
的业务控制分组，以便检查分配到小区b的载波的可用TS比例。如果其中某载波c的比例大
于相应的阈值，则MS被授权切换至小区b。因此，其发生器切换至载波c,而同时仍接收旧小
区a的信号；直到固定网已获知发生了切换，并通过新小区b传送前向业务流。