北斗全球报文通信系统接入能力分析与研究

朱向鹏，张 蓬，王登峰，刘 涛

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

北斗短报文服务是北斗卫星区别于其他导航系统的特色服务之一，北斗三号搭载的全球报文通信系统全面提升了短报文通信的服务能力，服务区域从亚太地区扩展到了全球，为全球提供位置报告、应急搜救和报文通信3项基本功能服务，服务范围为全球地表及以上1000km空间,具备为用户提供一定频度的单向位置报告服务和一定频度的端到端双向报文通信能力[1]。

用户接入北斗全球报文通信系统时，采用随机竞争的方式同时向卫星发起接入请求，报文通信系统具备星上处理多用户接入的能力，没有竞争成功的用户，继续在下一个时刻进行竞争。全球报文通信系统利用用户终端发射报文信号的同步头导频部分完成接入信号的同步。所有的用户采用相同的短伪码序列进行同步头的调制，报文通信系统依靠不同用户的时延多址进行区分。然而，不同用户发射功率不同，不同用户到卫星距离引起的功率衰减也不相同。用户功率直接影响报文通信系统的接收多用户的能力。同时，随着用户数目的增多，大功率用户形成的多址干扰将直接影响目标用户信号的捕获与跟踪。研究多用户多址干扰对报文通信系统接入的影响，对报文通信系统的设计具有重要的意义。

针对短扩频伪码调制系统的多址干扰问题，国内外研究人员提出相应的多址干扰抑制算法，包括干扰抵消[2]、子空间投影[3,4]等新型信号处理技术。受星载资源的限制，报文通信接收系统无法使用复杂的多址干扰抑制方法[6,7]。文献[5]使用品质因数定义载噪比的恶化，该方法定义的品质因数未能反映多用户信号频率差异情况下的变化。在报文通信系统仿真时，当多用户存在一定多普勒频差的情况下，可以改善多址干扰对目标用户的影响。本文分析多址干扰的形成原因，并对不同用户功率与不同多普勒频差条件下的多址干扰进行评估，分析报文通信系统的接入能力，对后续报文通信系统的设计提出改进的建议。

1 报文通信系统接收信号模型

单个报文通信用户发射的信号可表示为公式(1)：

r(t)=Aidi(t-ti,0)ci(t-ti,0)ej2π(ΔfDi+f)ct+jΔθi+n(t)

(1)

在公式(1)中，Ai为第i个用户终端发射信号的幅度，ti,0为第i个用户终端发射信号伪码起始相位，ΔfDi为第i个信号的多普勒频偏，fc为载波频率，为Δθi为第i路信号载波相位偏移；n(t)为高斯白噪声。ci为第i个信号的伪码序列，伪码宽度为Tc。

r(ti)为报文通信系统接收机中频采样后的信号，进入数字处理通道后，经过下变频处理后与本地伪码序列进行相关计算，相干积分时间为Tp，则第k段相干积分时间内的相关结果可用公式(2)表示：

(2)

2 多址干扰分析

第k个用户终端发射信号的功率谱密度可表示为[8]：

(4)

其中，Tcode=NTc表示伪码的周期；Td表示调制数据长度，Td=Tcode；

(5)

(6)

为了定量分析多址干扰对目标信号的影响，使用谱分离系数进行分析。根据文献[9]定义，谱分离系数的表达式定义如下：

(7)

报文通信用户使用m码进行同步头的调制，码周期长度为1ms，包含1023个码片。用频谱分离系数分析多址干扰对目标信号的影响，仿真结果如图1所示，多址干扰与目标用户多普勒频差为0时，频谱分离系数最大，为-60.45dBm/Hz，当多普勒频差大于1KHz时，频谱分离系数在-62 dBm/Hz附近波动。

图1 频谱分离系数仿真图

当多个用户终端同时发射信号接入报文通信系统时，多路报文信号对目标信号形成多址干扰。假设每i路报文信号的功率为Ci，归一化功率谱密度为Cs(f)，目标用户归一化功率谱密度为 。当目标信号受到K路多址干扰时，报文通信系统接收目标信号的等效载噪比可用公式(8)表示，N0为报文通信系统接收机噪声功率普密度，频谱分离系数κ1s为第i路报文信号对目标信号的影响。

(8)

在噪声与多址干扰影响下，报文通信系统接收机数字信号处理部分进行捕获计算，完成多用户信号的接收。若捕获计算相干累加时间为T1，则相干累加后的输出端的信噪比SNR为：

(9)

根据报文通信系统捕获概率与虚警概率的要求，计算捕获检测判决信噪比，并进行捕获系统的设计，分析报文通信系统的接入能力。

3 多用户接入仿真验证

根据上述理论分析结果，使用MTALAB软件编写多用户接入报文通信系统仿真平台，分析报文通信系统接入能力。多用户接入报文通信系统仿真平台如图2所示：

图2 多用户接入报文通信系统仿真模型

仿真过程如下：

1.生成K路报文用户信号，并根据各用户的载噪比确定信号的发射功率；

2.将K路报文信号进行合成，对合成的信号进行加噪，然后完成合路信号的采样处理；

3.对采样后的信号进行数字下变频与低通滤波处理；

4.完成多用户的捕获计算；

5.完成捕获结果的统计与分析；

多用户接入报文通信系统仿真参数设置如表1所示：

表1 多用户接入报文通信系统仿真参数设置

多用户信号生成时刻依次存在3个伪码码片的延迟，按照上述仿真过程接入报文通信系统。目标用户的信号功率设置为-135dBm，其余用户信号功率为-126dBm。

当目标用户与其余用户间多普勒频偏相同，多用户形成的多址干扰影响噪声功率谱密度的变化，根据公式(9)进行计算，计算结果如图3所示，随着用户数的增多，噪声功率谱密度变大。当12个用户接入报文通信系统，目标用户与多用用户存在多普勒频偏，随着多普勒频偏的变化，噪声功率普密度的变化如图4所示。

图3 噪声功率谱密度变化仿真图

所有接入用户的多普勒频偏相同时，噪声功率谱密度值最大；当目标用户与其余用户的多普勒频偏大于1KHz时，噪声功率谱密度值在-170.1 dBm/Hz附近变化。噪声功率普密度值的变化，直接影响捕获检测判决信噪比，进而影响报文通信系统的接入能力。

图4 噪声功率谱密度变化仿真图

当12个用户接入报文通信系统，目标用户的信号功率设置为-135dBm，其余用户信号功率设置为-126dBm。根据上述多址干扰对噪声功率谱密度值恶化情况，完成对目标信号的捕获仿真，并分析报文通信系统捕获目标信号概率。报文通信系统采用匹配滤波与FFT相结合[10]的方式，匹配滤波的时间长度为1/16ms。按照捕获概率大于99%，虚警概率小于1 e-5，进行捕获设计。随机设置采集起始时刻，按照2.048MHz采集捕获数据50ms进行捕获计算。

当所有用户多普勒频偏相同时，完成捕获仿真过程并进行捕获数据分析。目标信号捕获的相位误差如图5所示，受同频多址干扰的影响，捕获相位误差存在等于1个chip的情况，超出±0.25码片的设计。捕获相位误差直接影响报文通信系统对弱目标信号的捕获能力。

图5 捕获相位误差仿真图

当12个用户接入报文通信系统，目标用户的信号功率为-135dBm，其余用户信号功率分别设置为-126 dBm，-127 dBm，-128 dBm，-129 dBm，-130 dBm，完成多用户间存在多谱勒偏差与无多普勒频差两种情况下的仿真，目标信号捕获概率统计如图表2所示。随着多用户间功率差变小，报文通信系统捕获目标信号概率变大；同等仿真条件下，多用户间多普勒频差等于200Hz，存在多普勒频差时的捕获概率大于无多普勒频偏差时的捕获概率。

表2 报文通信系统接入能力仿真统计

当12个用户接入报文通信系统，所有用户信号功率设置为-135 dBm，多址干扰对噪声功率谱密度值恶化情况受多普勒频差变大的影响较小，目标用户的噪声功率谱密度值均在-171.3 dBm/Hz附近变化，报文通信系统捕获目标信号概率接近100%。

当12个用户接入报文通信系统，所有用户信号功率设置为-126 dBm，多址干扰对噪声功率谱密度值恶化情况受多普勒频差变大的影响较大。由于目标信号功率变大，报文通信系统捕获目标信号概率接近100%。

4 结论

本文分析了多址干扰的形成原因，通过频谱分离系数分析多址干扰对目标用户接入报文通信系统的载噪比的影响，并对不同用户功率与不同多普勒频差条件下的多址影响进行评估。然后，搭建报文通信系统仿真平台，仿真分析报文通信系统的接入能力。通过仿真发现，多用户间存在多普勒频差时，可以改善目标用户接入报文通信系统的能力。弱目标用户受多用户强多址干扰存在多普勒频差时，频谱分离系数变小，报文通信系统的接收弱目标信号的能力增强。为了增强多用户功率不等条件下接入报文通信系统的能力，后续可以把减小目标用户与多址干扰的谱分离系数作为研究对象，优化设计多用户入站的信号体制。