一種作為抗雨衰對策的自適應(yīng)CDMA方案

1、一種作為抗雨衰對策的自適應(yīng)CDMA方案        摘 要 為提高Ka-波段靜止同步衛(wèi)星通信鏈路的可用度，提出了一種自適應(yīng)CDMA方案作為抗雨衰對策。在此方案中，預(yù)留一定的正交序列作為雨衰發(fā)生時各個衛(wèi)星小站共享的資源。由中心控制站給每個小站分配一組正交序列， 每組中正交序列的個數(shù)取決于發(fā)生降雨衰減的量。另外，碼元重復(fù)傳輸技術(shù)也用來彌補雨衰引起的信號能量損耗。   關(guān)鍵詞 Ka-波段靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng) 雨衰 抗雨衰對策 自適應(yīng)CDMA        

2、;   隨著信息高速公路的提出和發(fā)展，要實現(xiàn)真正意義上無縫隙覆蓋連接的信息高速公路，Ka-波段衛(wèi)星通信的前景更為廣闊，將成為未來衛(wèi)星通信的主流和軍事衛(wèi)星通信發(fā)展的必然趨勢。但是，隨著衛(wèi)星通信頻段的增高，降雨衰減成為一個顯著的問題，在Ka-波段，中雨和暴雨引起的雨衰將超過10 dB。因此，Ka-波段衛(wèi)星通信的抗雨衰技術(shù)成為系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵因素之一。為克服雨衰對Ka-波段衛(wèi)星通信嚴(yán)重影響，Ka-波段的抗雨衰對策研究是近年來開發(fā)高頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究的主題之一。熟知的抗雨衰對策有諸如位置分集、功率控制、自適應(yīng)糾錯和自適應(yīng)調(diào)制等。另外，若考慮到衛(wèi)星通信系統(tǒng)的具體制式，自適應(yīng)TDMA和

3、自適應(yīng)CDMA也是一種有效的抗雨衰對策。  關(guān)于自適應(yīng)TDMA抗雨衰的方案早已被提出并且研究多年。然而，由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中使用CDMA方案來提高信道容量已經(jīng)成為現(xiàn)實，本文將介紹一種作為抗雨衰對策的自適應(yīng)CDMA方案。此方案中，由中心控制站給每個小站分配一組大小不同的正交序列，每組所含正交序列的個數(shù)根據(jù)每個小站發(fā)生雨衰的程度來決定，預(yù)留一定的正交序列作為共享資源并將信息位映射到每組所選的正交碼上。1 自適應(yīng)CDMA方案    對于反向信道采用CDMA多址方式的Ka-波段靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)，自適應(yīng)CDMA方案是一種行之有效的抗雨衰對策。在此方案中，每個地球站根

4、據(jù)接收到的衛(wèi)星信標(biāo)信號（或信干比）測量信道發(fā)生降雨衰減的程度并將測量結(jié)果報告給中心控制站。根據(jù)報告，中心控制站給每個地球站分配一組相對應(yīng)數(shù)量的正交序列。然后，地球站將所分配的正交序列用于反向鏈路的傳輸。本文中提到的正交序列主要是指沃爾什函數(shù)序列。同時，為了克服正交序列數(shù)量的不足，也考慮到采用準(zhǔn)正交函數(shù)。  當(dāng)雨衰量低于系統(tǒng)預(yù)留的衰減余量時，如同常規(guī)的CDMA多址方式一樣，各個小站用中心控制站分配的一個正交序列作為地址碼進(jìn)行傳輸；當(dāng)雨衰量超出系統(tǒng)預(yù)留的衰減余量時，中心控制站就給小站分配一組Mr個正交序列。一般方法是以Mr個正交序列進(jìn)行Mr進(jìn)制的信息傳輸，從Mr個正交序列中每選出一個正交

5、序列用來傳輸log2Mr比特的信息，共有Mr種選擇。替之而行的方法就是像多碼CDMA系統(tǒng)一樣，由小站從Mr選擇Mc個正交序列。前者指的是進(jìn)行M-ary正交碼擴頻，而后面是指一種并行組合擴頻的方法。    自適應(yīng)CDMA的調(diào)制、解調(diào)原理圖如圖1所示。圖1（a）中，并行組合處理器將k映射為Mc個正交序列，并且用所對應(yīng)的正交序列傳輸附加的一個比特。BPSK系統(tǒng)中的參數(shù)k由式（1）計算：    式（1）中，MrCMC是指從Mr中選MC個的組合，而x表示x的整數(shù)部分。BPSK系統(tǒng)中的k參數(shù)與不同的Mr和MC值的關(guān)系如表1所示。  &#

6、160; 為了使經(jīng)過串并變換后的基帶信號數(shù)據(jù)速率保持不變，一個碼元必須重復(fù)傳輸k+1次，并以此補償了由雨衰引起的信號能量衰減。這就意味著基帶數(shù)據(jù)速率并不隨著參量k的變化而變化。相互獨立的I,Q序列的組合擴頻適用于抵消非理想狀態(tài)因素的影響，并可以減小I-Q之間的相互干擾。    自適應(yīng)CDMA的解調(diào)基于FHT濾波器的使用，這種濾波器是一種用于沃爾什函數(shù)的最佳接收機。如圖1（b）所示。部分表示FHT濾波器k+1倍輸出的總和，并以此來判斷在自適應(yīng)CDMA調(diào)制中碼元的重復(fù)。所得判斷結(jié)果反饋于并行組合解調(diào)器從而判決所獲k個信息比特位傳輸?shù)恼恍蛄?，而附加的一個比特則用常規(guī)的

7、CDMA方式來確定。2 性能分析    對于Ka-波段靜止同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，信道的統(tǒng)計特性很大程度依賴于天氣狀況。根據(jù)有關(guān)實驗測量和理論分析，Ka-波段靜止衛(wèi)星信道的包絡(luò)與相位的統(tǒng)計特性均為高斯分布，  其中，p(r)是信號包絡(luò)的概率分布函數(shù)，p()為信號相位的概率密度函數(shù)，分別為信號包絡(luò)和相位的方差，m1和m2分別為相應(yīng)的均值。并且，在各種天氣條件下的概率分布參數(shù)也在相關(guān)資料中給出。  要分析自適應(yīng)CDMA抗雨衰方案的性能，必須獲得并行組合解調(diào)器錯誤檢測所傳正交序列的概率Pe。在FHT濾波器的Mr個輸出中，M個輸出是信號能量與高斯噪聲的混

8、合，因此可以建立相互獨立的模型，其均值與方差公式如下：    這里TS是碼元周期，N0是單邊頻譜噪聲密度，PL和分別表示第L個小站的功率和第L個小站第j個數(shù)據(jù)；剩余的Mr-MC個輸出不包括任何信號成份，也是相互獨立、相同分布的零均值高斯變量，其方差如式（6）。測定的變量由平方FHT濾波器的輸出而求得，因此MC變量的概率密度分布函數(shù)如式（7）所示：    我們用一個新的變量y定義MC個分布不確定變量的最小值，并求出其概率密度分布函數(shù)。并行組合解調(diào)器正確檢測傳輸?shù)恼恍蛄械母怕剩≒C=1-Pe）,通過計算任意可變y大于所有中心分布Mr-M

9、C確定變量的概率，最后得出信噪比的函數(shù)，正確檢測概率PC為： 誤比特率    這里，Pe(MC,r)是MC個正交序列中有r個不能被正確檢測正交序列的概率，PBPSK是BPSK系統(tǒng)中的誤比特率。括號內(nèi)的第一項用于M-ary系統(tǒng)中從碼元錯誤概率到比特錯誤概率的換算，第二項是附加那1 B的誤比特率，為了簡化運算，我們用    上限值在考慮最壞情況下求得，例如當(dāng)并行組合解調(diào)器錯檢測所傳正交序列任何一個時，附加一比特判決總是錯誤的情況。正交序列的判決錯誤概率如圖2所示。    當(dāng)Mr增加、MC減小時，系統(tǒng)

10、表現(xiàn)出良好的特性。這就表示，盡管自適應(yīng)CDMA抗雨衰方案不需要采用多碼CDMA傳輸（即MC=1）；但是雨衰變得嚴(yán)重的時候，仍然需要分配更多的正交序列作為預(yù)留資源。  如圖3給出了，當(dāng)MC=1時，與常規(guī)的同步CDMA相比較，自適應(yīng)CDMA的誤比特率，虛線表示常規(guī)的沃爾什/PN復(fù)合擴頻CDMA系統(tǒng)的誤比特率，實線表示自適應(yīng)CDMA系統(tǒng)的。假設(shè)誤比特率的指標(biāo)為10-6，當(dāng)Mr分別是8，16，32，64，128時，與常規(guī)的CDMA相比，自適應(yīng)CDMA所需的信噪比值分別降低了2.3dB，3.1 dB，3.7dB，4.2dB，4.5dB。當(dāng)工作信噪比非常低的情況下，自適應(yīng)CDMA抗雨衰所獲得的增

11、益比較少，這就意味著自適應(yīng)CDMA抗雨衰方案應(yīng)該與其他抗雨衰對策共同使用，從而使系統(tǒng)的工作信噪比滿足需要。  通過下面的算法，可以進(jìn)一步說明這種自適應(yīng)CDMA的具體應(yīng)用，此方案也適用于其他任何慢衰落的信道。假設(shè)中心站按照以下規(guī)則給每一用戶分配正交序列的數(shù)目。（Fm表示衰減余量，    表示報告的雨衰量）3 結(jié)論    基于M-ary正交碼系統(tǒng)的自適應(yīng)CDMA方案是一種有效的抗雨衰對策，根據(jù)雨衰量，中心站分配給每一地球站一組數(shù)目不同的正交序列。另外，單碼元重復(fù)技術(shù)用于補償雨衰所引起的信號能量衰減。據(jù)有關(guān)資料表明，當(dāng)中心站有64

12、個空閑正交碼時，自適應(yīng)CDMA可以比傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)節(jié)約4.2 dB。參考文獻(xiàn)1孫立新，邢寧霞.CDMA移動通信技術(shù).北京：人民郵電出版社2孫文江，等.正交序列擴頻多碼CDMA系統(tǒng)在AWGN信道的信能分析.通信學(xué)報，1998，103王愛華，羅雄偉.Ka頻段衛(wèi)星通信信道建模及系統(tǒng)性能仿真4Dong Hee KIM,Seung Hoon HWANG,Ui YoungPAK, Keum Chan WHANGAdaptiveCDMA Scheme as a Rain Fade Countermeasure in Ka-Band Geosychoronous SatelliteCommunications,  IEICE TRANS COMMUN Vol E83-B,20005PER ENGE K, DILIP SARWATE V Spread Spectrum Multiple-Access Performance of  Orthogonal Code