CDMA在卫星移动通信系统中的应用

CDMA在卫星移动通信系统中的应用(温日红)
    摘要  首先简单介绍了移动通信系统和卫星移动通信的发展，重点说明了CDMA适合于卫
星移动通信的系统特性，最后对应用于卫星移动通信系统的几种多址技术进行了比较，并简
单介绍了CDMA在卫星移动迁信系统中的应用情况。
    关键词 CDMA TDMA FDMA  移动通信  卫星通信
1移动通信系统的发展与卫星移动通信
    移动通信系统诞生于本世纪70年代末期，当时出现了以美国的AMPS系统和英国的TACS系
统为代表的第一代移动通信系统。第一代移动通信系统属于窄带模拟系统，在容量和功能上
都很受限制。
    第二代移动通信系统以欧洲的GSM系统和美国的IS－95系统为代表。目前第二种数字蜂
窝系统已经发展成熟，在多址方式上主要采用TDMA和CDMA。九十年代初，美国提出了CDMA数
字蜂窝移动通信系统。1993年3月美国TLA通过了CDMA空中接目标准IS－95，成为与TDMA并驾
齐驱的数字蜂窝系统，并在香港、韩国、美国正式投入商用，取得了巨大的成功。我国的
CDMA ＃窝系统已在北京、广州、上海、西安相继开通实验网，正准备向沿海城市推广。与
第一代系统相比，第二代移动通信系统在容量、功能和传输速度上有了很大提高，但它们仍
是窄带系统，由于受到传输频带的限制，不能真正发挥CDMA的特性，还远远不能满足移动用
户数量的迅猛增长和用户对多媒体等定带业务的需求。
    目前，以国际电联（ITU）为主导的若干国际化组织正着手第三代移动通信系统（IMT－
2000）的标准化工作，IMT-2000是一个全球无缝覆盖，全球漫游，包括无绳电话、蜂窝移动
通信、移动通信的大系统。第三代移动通信的特点是多媒体化和智能化，可提供多元传输速
率、高性能、高质量的服务。
    根据国际电联对第三代移动通信系统的要求，目前各大电信公司联盟均已提出了自己的
第三代移动通信系统方案，主要有以日本NTT DoCoMo公司为首的W-CDMA、美国朗讯、摩托罗
拉等公司提出的宽带cdmaone、欧洲西门子、阿尔卡特等公司提出的TD－CDMA。总的来说，
在第三代移动通信系统中采用CDMA技术已经达成共识。
    第三代移动通信系统由陆地系统和卫星系统组成，从而真正实现任何人在任何时间和地
点以任何方式与任何人的通信，卫星移动通信系统将成为未来个人通信网的一个重要组成部
分。卫星通信具有全球范围的任盖区域、信道稳定、可靠性高、系统容量大等优点，从诞生
至今，得到了迅猛的发展。通过卫星为移动台和手机提供通信眼务而构成移动卫星通信
（MSS）。MSS是以VAST（Very Small ApetureTerminal）和地面蜂窝移动通信为基础，结合
空间卫星多波束技术及星上技术、计算机等高新技术构成的超越时空的全球个人通信网。
    由于同步卫星轨道上已相当“拥挤”，为了满足全球通信发展的需要，非静止卫星
（N-GSO）系统，包括低轨道卫星系统（LEOS）和中轨道卫星系统（MEOS）应运而生。近年
来，世界上不同的国家和组织纷纷推出了采用中、低轨道（MEO／LEO）的全球卫星移动通信
系统或导航系统，改变了以往传统上用地球同步轨道（GEO）卫星实现对地服务的局面，并
将极大地扩展人类相互交往和沟通的空间范围。移动卫星通信向全球个人通信的发展主要是
以低轨道通信卫星（LEO）为主。在已提出的一系列的N－GSO系统中，影响最大的有同托罗
拉公司的钦（Iridium）系统，Loral－Qualcomm公司的全球星（Glotalstar）系统，TRW公
司的奥迪塞（odyssey）系统和国际海事卫星组织的ICO系统等。其中前两个系统为低轨道系
统，铱系统采用TDMA、FDMA体制，全球星系统采用CDMA、FDMA体制；后两个系统属中轨道系
统，奥迪塞系统采用TDMA、FDMA体制，ICO系统采用TDMA、FDMA体制。这些系统正在建设中，
有望在 2000年左右成为商用的全球性卫星移动通信系统。
2 CDMA系统特性
    CDMA接人技术的基础是使用一组正交（或准正交）的伪随机噪声序列通过相关处理实现
多用户共享频率资源和同时人网的接入功能。CDMA以扩频技术为基础，因此它具有扩频通信
所固有的抗干扰能力强、抗多径衰落、安全保密性好等优点，而且CDMA通信还具有隐蔽性好、
多址访问灵活、对非正交系统不需要系统的同步、与同额通信系统之间的相互干扰小、对多
普勒频移不敏感等优点，与其他的多址方式（TEMA、FDMA）相比，CDMA系统的以下特性更适
合于移动卫星通信系统：
    ①语音激活持续时间的利用。人类讲话的特征对CDMA方式有利。人类话音激活持续期即
话音激活概率为35％。在CDMA中，所有用户共用一个无线信道，当用户分配的信道不在讲话
时，在单一CDMA无线信道内的所有其他用户信道会由于干扰减少而得益。因此利用话音作用
周期性的特点可降低相互干扰65％，增大系统容量近3倍。这种现象的利用是CDMA技术所独
有的。
    ②用扇形天线来提高容量。在FDMA与TDMA中，每一小区可采用扇形化来降低干扰，提高
通信质量。但由于每一扇形区要平分原小区的信道，所以扇形化对系统容量增加所起的作用
很小。在CDMA中，采用扇形化降低干扰来提高系统容量，理论上无线容量的增长于扇区数增
长呈线性关系。那么通过在3个扇形区引入3个无线系统，与一个小区一个无线系统相比就可
以获得3倍的系统容量。
    ③柔性容量。在CDMA中，当系统容量达到饱和时，还可以适当地增加少量用户，不过这
是以通信质量稍有变坏作为代价而获取的，在这种情况下增加的用户容量称为软容量。如设
一个小区的容量为40信道，那么当一个小区增加一个用户（信道）时．载干比只下降10lg41
/40=0.24dB通信质星劣化很少。而FDMA和TDMA系统却没有这种能力。总的来说，采用CDMA方
式的系统容量比采用FDMA和TDMA方式的系统容量要大得多。
    ④无需频率管理或分配，扩容方便。在FDMA和TDMA中损率管理往往是一项关键性的工作，
甚至为了减少实时干扰，还需实行动态频率管理。在CDMA中，由于只有一个公共无线信道，
不需要频率管理，也无需动态频率分配。
    由于CDMA各小区使用相同频率，不必象FDMA那样进行频率配置，当系统扩展时，不用为
适应新的频率安排而对现有系统进行改造，很大程度上方便了系统的扩容。
    ⑤软越区切换。FDMA和TDMA的过区切换都是在中断后切换。CDMA则是在中断前切换，由
于每一小区采用同一CDMA无线系统，仅有的差别是代码序列，因此当移动用户从一个小区到
另一小区时不需要从一个频率切换到另一个频率，这被称为软越区切换。
    ⑥CDMA中没有保护时间。在TDMA中，时隙间需要保护时间，保护时间占有一定比特的时
间周期，而在CDMA中不存在保护时间。因此在相同的速率下，CDMA传送的信息量比TDMA高。
    ⑦更适合于衰落信道。多径效应引起的快衰落严重地影响着移动通信无线信号传输的可
靠性。在CDMA系统中，由于应用了扩频技术，就有了抗多径效应的固有特性，当多径延时大
于伪随机噪声序列的一个码元竟应时，多径信号间相关系数很小，从而多径信号对系统性能
的影响就很小。因此CDMA系统具有抑制多径干扰的能力。
    ⑧不需要均衡器。在FDMA和TDMA中，传输速率远高于10kb/S时，需要一个均衡器以减少
由于时延扩展引起的码间干扰。而在CDMA中只需要一个相关器代替接收机中的均衡器，以对
扩频信号解扩，而相关器比均衡器简单且可靠。
    ⑨与窄带用户共享用户频带。宽带CDMA信号的功率谱密度低，对同一频带内的其他窄带
系统干扰很小。同样，这些窄带信号被CDMA系统中的用户接收后，由于扩频处理增益的作用
被抑制，也不会对CDMA用户形成明显干扰。当然，要真正实现共存，协调和周密的设计是必
需的，甚至需要采用干扰抑制技术。
    ⑩适合于微小区和建筑物内部的通信。由于CDMA蜂窝系统能有效地降低人为干扰、窄带
干扰、多径干扰的影响，能克服由时延扩展造成的码元间干扰，可采用软切换的越区切换及
无需频率管理和分配等优点，所以是一种极其适合于微小区和建筑物内部通信的技术体制。
   ⑾设备简单。在CDMA 蜂窝系统中，所有用户共享一个无线信道，每个基站或扇区只需要
一个无线电台，因而既可降低成本又节省了设备空间，并且便于安装。
    ⑿频谱利用率高。
3基于 CDMA的卫星移动通信
    卫星移动通信的多址技术有FDMA、TDMA和CDMA等几种方式。使用FDMA技术，卫星转发器
的非线性将会形成交调干扰，因此就要避开一部分频带不用，还要用卫星功率进行“补偿”
以进一步降低交调干扰，这样就没费了卫星功率和频带等宝贵资源。TDMA可以克服交调现象，
但又面临同步问题，由于卫星地面通信站安装在运动物体上，运动物体迅速移动，要实现移
动地面站往卫星同步地发射信号就很困难。CDMA使用不同的扩频序列，相互间影响小，频带
重复利用率高。与传统的点对点定向传输的卫星通信不同，卫星移动通信是一点对多点的全
向性传输，必须采用扩额技术提高抗多任干扰能力。在CDMA中还可以采用诸如语音激活、频
率复用、扇区划分等技术来增加系统容量，而在FDMA和TDMA中扩容技术实现起来难度较大。
在全球卫星移动通信系统中若采用CDMA技术，则具有组网简单、灵活、抗干扰能力强、系统
容量潜力大、成本低等一系列优点。所以，在卫星移动通信系统采用CDMA技术是适宜的。
    由于CDMA系统所具有的经济上和技术上的优势，在1993年要求美国FCC批准的6个移动卫
星系统中只有Iridium系统一家采用TDMA体制，其余5家都选择了CDMA。最近美国首批宽带
PCS频谱拍卖，结果中标的18家公司中有7家决定采用CDMA，他们的频率投资额占总额的56％，
3家采用TDMA技术，还有8家尚未最后决定。可见在美国个人通信市场上，CDMA已占了上风。
    在近年来提出的一系列移动卫星通信系统中，采用CDMA技术的也已占了多数，而且还有
继续增加的趋势。毫无疑问，CDMA将在卫星移动通信系统中发挥重要作用。

摘自《无线电通信技术》