WCDMA体制卫星通信系统抗衰落技术研究

2013-10-18庄云胜王力男

无线电工程 2013年3期

庄云胜，王力男，孙凯

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081;2.中国人民解放军63756部队，山东青岛 266114)

0 引言

GEO卫星通信系统具有相对简单的地面段和空间段结构，不需要复杂的地面跟踪设施和星际网络，覆盖范围广，卫星仰角和传播时延相对稳定，与低轨卫星星座相比，设计简单，投资风险小，工作寿命长。WCDMA是一个宽带直接序列扩频码分多址系统，具有同步支持多速率服务、有效利用多径传播、减少干扰和频率复用系数大等优点，使之成为卫星通信中很具有吸引力的体制。

1 抗信衰落技术分析

1.1 WCDMA抗衰落技术分析

陆地移动信道的主要特征是多径传播。无线电信号的传播经地面和周围环境物体的反射、散射、绕射，到达接收机的信号往往是多个信号的叠加。这种多径传播引起接收信号的幅度、相位和到达时间的随机变化，会产生多径衰落，严重影响信号的传输质量。在这样恶劣的传播条件下，要保持可以接受的传输质量，就必须采用各种抗衰落技术。

WCDMA采用了信道估计、交织和纠错码等抗衰落技术。WCDMA是扩频通信系统，具备较好的抗干扰和抗多径衰落性能;而且通过使用RAKE接收技术可以充分利用多径信号，使得接收效果增强;此外，WCDMA的功率控制也可以有效地对抗慢衰落［1］。

1.2 GEO卫星抗衰落技术分析

卫星信道与地面移动信道物理特性差异较大，为适应卫星信道的特点，WCDMA的抗衰落技术必须经过改进才能应用在卫星上。

GEO卫星信道的条件比陆地移动信道要好。影响GEO卫星信道的因素一般有对流层闪烁、降雨衰减、云吸收和大气吸收衰减，这些衰落大部分为慢衰落。卫星系统的接收信号主要由直达信号所组成，多径时延扩展对信号的影响较地面移动通信小［2］，因此可以简化信道估计的设计。WCDMA系统通过使用CPICH(公共导频信道)和时隙中的Pilot部分完成信道估计，由于GEO卫星信道中的衰落大部分为慢衰落，单独通过CPICH(公共导频信道)就可以完成信道估计功能。

GEO卫星信道的相干时间长。相干时间等于多普勒频展宽度的倒数，而多普勒频展与使用的频率、相对运动速度和所处的多径环境有关。对于地面移动终端，其接收信号中存在地面多径信号，但它与卫星的相对运动速度不快，因此多普勒频展宽度不大;对于高速飞行器，虽然其多普勒频移大，但由于空中多径信号很少，因此多普勒频展宽度也不大。在不考虑频率的影响时，GEO卫星信道的相干时间大于地面移动信道。WCDMA的交织方式不适用于大相干时间的衰落信道，为了获得交织增益需要增大交织深度。

GEO卫星通信时延大。卫星链路的双跳传播时延近540 ms，再考虑处理时延，则链路的往返时间(Round Trip Time，RRT)接近 600 ms。这导致WCDMA的功率控制方法不适用于GEO卫星通信。

2 功率控制改进

WCDMA系统采用了内环和外环功率控制结构，如图1所示。外环控制通过调节无线链路的信干比(SIR)目标值来使链路的误块率(BLER)维持在一个可以接受的水平。BLER由前向纠错解码器输出的CRC信息计算得到。内环控制是通过估计当前信道的SIR，并把它与SIR目标值相比较，通过比较结构来设置功率控制反馈是上调命令还是下调命令。

图1 WCDMA功率控制结构

地面蜂窝系统的基站和用户之间的往返时间延迟小于1 ms，因此WCDMA系统的功率控制反馈频率可以实现每2/3 ms一次，对大多数快衰落信道可以精确跟踪，从而保证接收端有近似恒定的SIR。而GEO卫星通信的往返时延接近600 ms，接收端将不能及时响应功率控制命令。因此设计一种线性预测器，用于预测信道在接下来的600 ms的衰落状态。以80 ms的间隔计算和发送功率控制命令，预测器就可以很好地跟踪相关时间大于600 ms的慢衰落信道，但是不能跟踪快速衰落信道［3］。

3 交织方式改进

WCDMA系统的最大交织深度为80 ms，不能对抗卫星信道中相干时间大于80 ms的慢衰落。因此在不改变WCDMA原有处理流程的情况下，设计添加一种新的交织方式，称为TTI间交织方式。把TTI间交织处理插入物理层的2个子层之间。信道编码复用子层生成的DPDCH帧先经过TTI间交织，再把交织后的DPDCH帧与DPCCH帧组合构成CCTrCH帧，最后把它送入扩频调制子层［4］。

TTI间交织过程如图2所示。连续TTI的数据经过信道编码和复用后，标记为TTI A，TTI B，TTI C，……;TTI A内的8个无线帧标记为 A0，A1，A2，……A7;其他TTI的标记方法依次类推。TTI间交织器把接收到的一个TTI内的8帧数据存储起来，然后把各个帧同其他TTI的帧交错排序，最后按照时序发送帧数据。一个TTI数据的交织时间间隔为KTTI×TTI，KTTI为交织系数。通过改变KTTI的取值，可以设置TTI间交织的深度。当为1时，相当于不使用TTI间交织。

图2 TTI间交织

TTI的最大值为80 ms，当交织系数 KTTI为8时，交织时间间隔为640 ms。考虑到前面介绍的卫星功率控制预测时间为600 ms，这时TTI间交织可以作为功率控制的补充，快于600 ms的衰落由TTI间交织克服，慢于600 ms的衰落由功率控制克服［5］。文献［5］仿真计算得出在理想信道条件下，卫星模拟系统接收性能提高约1.5 dB;其他信道条件下，卫星模拟系统接收性能会提高2～2.5 dB。

4 帧结构改进

4.1 WCDMA 帧结构

WCDMA的处理以无线帧为结构单位，每个无线帧长10 ms，包含38400个码片。每个无线帧从时间上再等分为15个时隙。下行DPCH(专用物理信道)的帧结构如图3所示。其中Data1和Data2部分是DPDCH(专用数据物理信道)的内容，承载了要传输的数据;而TPC(发送功率控制)、TFCI(传输格式指示)和Pilot(导频)3个部分是DPCCH(专用控制物理信道)的内容，它虽然没有承载数据，但是承载了DPDCH信道正常工作所必须的控制信息［6］。

图3 WCDMA下行DPCH的帧结构

4.2 帧结构改进分析

卫星通信系统由于功率受限，因而设计时需要充分考虑信道资源的利用率。WCDMA系统的每个时隙都包含DPCCH数据，这对于卫星通信系统来说DPCCH占用了过多的信道资源，特别是在传输低速业务的时候。例如，WCDMA采用比特率为15 kbps的 DPCH信道时，实际数据的比特率为6 kbps，而控制数据的比特率为8 kbps。

首先，简化TFCI设计。由于CCTrCH(编码组合传输信道)中各个传输信道的TTI不同，WCDMA的帧格式需要支持每个无线帧(时间长度为10 ms)传输格式变化。如果限定CCTrCH中各个传输信道的TTI都相同，就可以保证在一个TTI内的TFCI不变;这时，一个TTI内只要发送一次TFCI数据，从而减少了TFCI数据的发送次数。

其次，由前面的功率控制分析得知，改进后的功率控制反馈周期为80 ms，因此TPC数据只需以80 ms间隔发送。由于GEO卫星信道的慢衰落特性，可以简化信道估计的设计，去掉Pilot数据。这样可以减少DPCCH承载的数据。

4.3 适应卫星的帧结构设计

综合以上几个方面的分析，重新设计DPCH的时隙结构。采用3种时隙格式:T、P和D。T时隙包含TFCI比特和专用物理数据信道比特，P时隙包含TPC比特和专用物理数据信道比特率，D时隙只包含专用物理数据信道比特。3种时隙的结构如图4所示。

图4 适应卫星的时隙结构

重新设计DPCH的帧结构。图5给出了无线帧的传送示意图。在一个10 ms无线帧中包含2个T时隙、4个P时隙和9个D时隙。TFCI数据经过里德－穆勒码的(32，10)子码编码，产生的编码数据被平均分配到各个T时隙中传输，每个T时隙包含4 bit数据。WCDMA系统中TPC为全1或全0的数据，其传输可靠性差，因此对TPC数据采用了(16，5)双正交码进行编码。TPC编码信息被平均分配到各个P时隙中传输，每个P时隙传TPC=2 bit，图5中TPC编码信息在80 ms内重复发送，使得接收端可以通过累加来提高处理增益。