提高卫星通信系统容量的一种新技术

发布: 2010-10-20 00:53 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

提高卫星通信系统容量的一种新技术
关键词：卫星通信，对称载波复用，系统容量
[摘要]本文介绍了在双向卫星通信领域的一种崭新的技术即对称载波复用（PCMA 
Paired Carrier MultiPle Acces）技术。对称载波复用是一种全新的卫星系统
的频率复用方式，利用它可将现有的卫星通信系统的容量提高1倍。文章分析了 
PCMA的基本原理，实现方案，最后给出了性能分析以及应用前景。
          一、引言
    美国ViaSat公司的Mark Dankberg在1998年提出了用于双向卫星通信的一种
崭新的技术对称载波复用（PCMA Paired Carrier Multiple Access）技术。PC
MA是一种全新的卫星通信系统的频率复用方式，它允许2个不同的卫星地面站同
时使用完全相同的频率、时隙或扩频码字。因此，在采用了PCMA技术后，可将现
有的卫星系统的吞吐量提高1倍，而对系统的误码率性能仅有极小的影响。PCMA
技术可以与各种不同类型多址接入方式（CDMA、FDMA、TDMA或是混合接入方式）
结合使用，而且还可以适用于各种不同的错路调制与编码方案。PCMA本身不能替
代任何一种编码、调制与多址技术，而必须结合各类错路调制、编码方案与各类
多址技术来使用。如果能够合理使用，PCMA可以将现有的固定卫星地面站卫星服
务系统的容量提高1倍。
    二、PCMA技术的基本原理
    迄今为止，所有的卫星链路都是通过通常的多址接入技术（如TDMA、FDMA或
CDMA）实现2路上行信号的分离。例如，FDMA技术是通过不同的载波频率实现上
行信号的分离；而在TDMA接入方式中，2路上行信号利用不同的时隙来划分信道；
对于CDMA接入方式，信号占用相同的频带和时隙，但可以通过其特定的CDMA扩频
码实现区分。混合系统（例如多载波TDMA系统）将不同的多址接入技术混合使用，
接收机通过不同终端的上行信号在频率、时间和码字各方面的不同特性将信号检
测出来。PCMA则是通过充分利用卫星通信的独有特点，使相互双向通信的2个终
端之间进行频率重用，以此来实现系统容量加倍。
    在采用PCMA技术的系统中，首先需要对卫星错路作以下的假设：
    （1）卫星系统中的任何一个终端发出的信号可以被包括它本身的任何一个终
端接收到；
    （2）卫星采用透明转发器。也就是说，卫星转发器只对上行信号进行带通滤
波、频率转换和信号放大，然后转发至各地面站。
    对大多数现有的以及计划中行将建设的固定卫星地面站系统而言，都符合该
假设。反之若系统不满足以上假设，则不可以使用PCMA技术。
    在使用PCMA技术的卫星系统中，将系统中处于相互通信的终端两两分组，对
同一组内的个不同终端使用完全相同的上、下行链路。也就是说，这2个终端可以
同时使用完全相同的频率、时隙或扩频码字。而利用卫星传输中的自发自收特性
（即任何一个卫星终端发出的信号均可被包括它本身的任何一个卫星终端接收到），
每个终端都可以非常可靠地将该组另一个终端的信号从混合的下行信号中分离。
    由于卫星系统中每个终端都可以确切地知道该终端本身所发射的上行信号，
而且也确切地知道该信号在卫星转发器中经过的处理过程。因此，该终端完全可
以对其上行信号经卫星转发后的下行信号进行估计。
    三、PCMA技术中的信号抑制技术
    由上述讨论可以看出，在使用PCMA技术的卫星通信系统中，每个终端都接收
到一个复合的下行链路信号。由于将正在相互通信的2个终端分为一组，占用同一
信道：根据系统多址方式的不同，可能是同一频段（FDMA）或同一时隙（TDM）或
同一扩频码（CDMA），因此对这2个终端而言，该复合信号内既包括有用信号，也
包括该终端本身上行信号经过卫星转发后的下行信号（对该终端而言也就是因采
用PCMA而引入的无用信号）。并且这2个信号在频率或是时间或是码字上（取决于
多址方式）是重叠的。为了将无用信号从复合信号内除去，必须准确估计下行键路
参数。当然，任何一个终端的下行键路参数都不可能估计得非常准确。因而，实际
上不可能完全从复合信号中去除其本身下行信号的影响，但通过信道参数估计，可
以把影响减小。
        四、PCMA技术的实现
      PCMA与常规的卫星调制解调器相比，PCMA需要几个额外的处理单元，其中包
括：
    （1）自我信号估计模块：作用是从混合的下行链路信号中提取自我信号的参
量；
    （2）时延、频率、相位和增益调整模块：用来校准本地产生的删除信号的参
数，使之与下行链路的信号参数相一致；
    （3）调制与滤波模块：作用是补偿上行与下行链路的滤波器效应。
    这些功能模块的物理实现取决于实际所使用的卫星调制解调器。对于最新的基
于DSP的调制解调器，PCMA技术的功能可以完全用软件予以实现。
五、PCMA技术的应用与性能分析
    在各种现存的卫星通信网络中，若采用
    PCMA技术可获得很大的性能提高。通过频率复用，PCMA能够有效地提高频谱利
用率。通常有几种不同的应用方案：
    （1）在同样的带宽上利用PCMA在每个链路上达到更高的数据率；
    （2）在维持同样的数据率情况下，应用PCMA可以使每个链路连接占用更少的
带宽。这样就能使得每个网络能支持更多的用户；
    （3）在维持同样的数据率和同样的带宽下，在每个链路上应用PCMA后可使信道
编码速率降低。这样将带宽增益转换为编码增益，以提高链路的抗干扰容限，或者
减少维持同等的通信质量的情况下所需的功率。
    这些方案或者能够获得更大的网络的吞吐量，或者能减少功率需求。方案具体的
选择依赖于用户的实际需要以及所采用的卫星网络的物理特性及经济条件，重要的是
在功率需要和带宽需要中保持一种平衡。在通常情况下，PCMA技术与别的技术结合在
一起使用，如采用纠错能力很强的码（如级连码或Turbo codes）。
    PCMA技术的一个最有希望的应用是在DAMA语音和数据网络中，通常这种终端采用
低数据率的语音压缩。语音通信一般采用全双工的链路，它在数据速率上是对称的。
在各种情况下，PCMA所需的带宽只是正常FDMA所需带宽的一半。例如，对8 kbps的 
ITUG.729声码器，对每条双工链路，PCMA所需带宽不到8 kHZ，而通常的 FDMA需要 
16kHZ，这样就使得卫星的容量增加一倍。
    最新的为家庭和商业提供的双向固定站卫星通信服务包括从最基本的电话眼务到
高速的INTERNET网络接人服务。在这些系统中，整体的吞吐率是一个重要的衡量指标。
而PCMA技术为卫星通信系统容量的扩展粮供了一个很好的解决方案。
          六、结论
    PCMA技术通过将卫星通信双向链路上2个方向的信道相重叠（根据多址方式的不同，
可能是同一频段或是同一时隙或是同一扩频码字）来有效地提高卫星通信系统的容量。
收方利用卫星通信独具的自发自收的特点，将因信道叠加而带来的干扰减少至最小。
从上面的分析可以看出，PCMA技术可以灵活地应用于多种卫星通信系统中，以增加系
统的容量，或者获得额外的信噪比增益或者减小所需的发送功率。
    卫星通信网络一般可能是带宽受限或是功率受限的；在现代卫星系统系统中，可
以采用多种方式来增加链路功率（如采用更有效的功率放大器或是使用效率更好的卫
星天线）。这样，在有效的功率增加后，带宽就更多地成为了一个瓶颈。所以，我们
可以预测PCMA技术将成为双向卫星通信网络增加容量的有力工具。