SCPC_DAMA移动卫星通信系统信道分配比较研究.pdf

1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/SCPC/ DAMA 移 动 卫 星 通 信 系 统 信 道 分 配 比 较 研 究The Study on Channel Assignment Comparison for SCPC/ DAMAMobile Satellite Communication System莫 永 成 李 德 毅 张 杰 X摘 要 : SCPC/ DAMA 移 动 卫 星 通 信 系 统 的 频 率 资 源 是 有 限 的 , 因 此

2、确 定 信 道 分 配 的 最 佳 方 案 是 系统 运 行 优 化 的 重 要 一 环 。 本 文 将 互 调 干 扰 作 为 影 响 信 道 分 配 的 主 要 因 素 考 虑 , 首 先 推 导 出 SCPC 卫 星 通信 系 统 中 三 阶 互 调 功 率 谱 的 一 种 快 速 计 算 方 法 。 然 后 通 过 对 四 种 信 道 分 配 方 法 的 比 较 , 确 定 了 适 用 于SCPC/ DAMA 移 动 卫 星 通 信 系 统 的 信 道 动 态 最 佳 分 配 方 法 。 最 后 运 用 这 种 分 配 方 法 得 到 一 个 具 体 的 SCPC/DAMA 移 动 卫

3、 星 通 信 系 统 的 信 道 动 态 最 佳 分 配 方 案 。关 键 词 : 单 路 单 载 波 三 阶 互 调 功 率 谱 移 动 卫 星 通 信 互 调 干 扰 信 道 分 配1 引 言单 路 单 载 波 (SCPC) 是 频 分 多 址 ( FDMA) 的一 种 , 即 每 一 话 路 使 用 一 个 载 波 。 信 道 的 按 需 分 配方 式 (DAMA) 是 指 所 有 的 信 道 归 各 站 所 公 有 , 信道 的 分 配 是 根 据 各 地 面 站 提 出 的 申 请 而 临 时 决 定 。SCPC/ DAMA 因 为 是 在 每 一 载 波 上 只 传 输 一 路 话

4、(或 相 当 于 一 路 话 的 报 或 数 据 业 务 ) , 当 没 有 话 音 信号 时 , 可 以 利 用 话 音 开 关 , 关 闭 所 有 载 波 , 有 话 音信 号 时 才 发 射 载 波 , 从 而 可 以 大 大 节 约 卫 星 功 率 。又 由 于 DAMA 可 以 提 高 信 道 利 用 率 , 使 用 比 较 灵活 , 所 以 , 在 每 站 的 通 信 容 量 较 小 , 通 信 地 址 数 较多 的 移 动 卫 星 通 信 系 统 中 , 使 用 这 种 方 式 是 非 常 有利 的 。但 是 , 这 种 SCPC/ DAMA 方 式 有 一 个 重 要 缺 点是

5、 要 产 生 互 调 干 扰 。 产 生 互 调 干 扰 的 主 要 原 因 是 :卫 星 转 发 器 的 行 波 管 放 大 器 在 同 时 放 大 多 个 不 同 频率 的 信 号 时 , 由 于 它 的 输 入 输 出 特 性 的 非 线 性 , 使输 出 信 号 中 出 现 各 种 组 合 频 率 成 分 。 这 种 现 象 不 但影 响 了 通 信 质 量 , 而 且 浪 费 了 卫 星 的 功 率 。 为 了 避开 这 些 干 扰 频 率 , 有 些 频 带 便 不 得 不 禁 止 使 用 , 因而 又 造 成 了 卫 星 频 带 的 浪 费 。 另 外 , 如 果 被 放 大 的

6、各 个 载 波 信 号 强 度 不 同 时 , 还 会 发 生 强 信 号 抑 制 弱信 号 的 现 象 , 使 弱 信 号 大 大 削 弱 , 以 致 无 法 为 对 方地 面 站 所 接 收 。 由 此 可 见 , 为 了 有 利 于 发 射 功 率 不同 的 大 小 站 兼 容 , 需 要 确 定 出 系 统 的 最 佳 或 准 最 佳信 道 分 配 方 案 。本 文 首 先 利 用 SCPC 的 特 点 , 推 导 出 SCPC 移动 卫 星 系 统 中 互 调 干 扰 功 率 谱 的 一 种 快 速 计 算 方法 ; 然 后 通 过 对 四 种 信 道 分 配 方 法 的 比 较 ,

7、 给 出 了SCPC/ DAMA 移 动 卫 星 通 信 系 统 的 信 道 最 佳 分 配 方法 ; 最 后 对 一 个 具 体 的 移 动 卫 星 通 信 系 统 , 确 定 出其 最 佳 的 信 道 分 配 方 案 。2 三 阶 互 调 功 率 谱 的 快 速 计 算为 了 简 化 分 析 计 算 的 过 程 , 必 须 运 用 如 下 三 个重 要 结 论 : 第 一 , 对 等 幅 互 调 的 分 析 表 明 , 三 阶 互调 显 著 地 大 于 五 阶 互 调 , 因 而 五 阶 互 调 可 以 忽 略 不计 ; 对 于 不 等 幅 载 波 的 情 况 , 只 要 它 们 之 间

8、幅 度 相差 不 大 (例 如 不 超 过 一 个 数 量 级 ) , 此 结 论 仍 然 成13 移 动 通 信 1999 年 第 6 期 移 动 通 信 技 术 X 莫 永 成 广 州 军 代 室 广 州 510500李 德 毅 总 参 61 研 究 所 北 京 100039张 杰 广 州 军 区 无 委 办 广 州 510083 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/立 。 第 二 , 有 两 种 三 阶 互 调 产 物 : (fi + fj - f

9、k) 型和 (2fi - fk) 型 , 前 者 的 功 率 电 平 比 后 者 高 6dB。第 三 , 如 果 载 波 中 没 有 主 载 波 , 即 没 有 一 个 载 波 的功 率 超 过 总 输 入 功 率 的 10 % , 那 么 互 调 产 物 的 功率 同 各 载 波 的 电 平 成 比 例 。设 在 转 发 器 的 带 宽 中 有 N 个 载 波 , 每 个 载 波的 功 率 谱 为 :wi (f - fi) , i = 1 ,2 , ,N其 中 ,fi 是 第 i 个 载 波 的 中 心 频 率 。 通 常 wi (f) 的 形状 是 关 于 中 心 频 率 对 称 的 。对

10、 于 中 心 频 率 是 (fi + fj - fk) 的 三 阶 互 调 ,其 功率 谱 为 :wi (f - fi) 3 wj (f - fj) 3 wk ( - f - fk)其 中 , 3 为 卷 积 运 算 。为 了 化 简 表 达 式 ,设 :wi = wi (f - fi) , w - k = wk ( - f - fk)则 wi 3 wj 3 w - k = wi (f - fi) 3 wj (f - fj) 3 wk ( - f - fk)求 N 个 载 波 所 能 形 成 的 (fi + fj - fk) 型 互 调 产 物之 和 ,得 到 (fi + fj - fk)型

11、互 调 产 物 的 功 率 谱 为 :W3 (f) = 1/ 2 Ni = 1Nj = 1Nk = 1wi 3 wj 3 w - k (i j k)则 所 有 信 道 上 的 三 阶 互 调 功 率 谱 为 :W3 (f) = 1/ 2 Ni = 1Nj = 1Nk = 1wi 3 wj 3 w - k - 1/ 2 Nj = 1Nk = 1wi 3 wi 3w - k - Ni = 1Nj = 1wi 3 wj 3 w - j + Ni = 1wi 3 wi 3 w - i= 1/ 2Ws (f) 3 Ws (f) 3 Ws ( - f) - 1/ 2 ( Ni = 1wi 3wi) 3 W

12、s ( - f) - Ws (f) 3 ( Nj = 1wj 3 w - j) + Ni = 1wi 3wi 3 w - i其 中 ,Ws (f)是 输 入 功 率 谱 :Ws (f) = Ni = 1wi类 似 地 , (2fi - fk)型 互 调 产 物 功 率 谱 W2 (f)为 :W2 (f) = Ni = 1NK= 1i Kwi 3 wi 3 w - k= ( Ni = 1wi 3 wi) 3 Ws ( - f) - Ni = 1wi 3 wi 3 w - i那 么 ,总 的 三 阶 互 调 功 率 谱 WIM (f)为 :WIM (f) = W3 (f) + 1/ 4W2 (f)

13、= 1/ 2Ws (f ) 3 Ws (f ) 3 Ws ( - f ) - 1/ 4( Ni = 1wi 3 wi) 3 Ws ( - f) - Ws (f) 3 ( Nj = 1wj 3w - j) + 3/ 4 Ni = 1wi 3 wi 3 w - i上 式 可 以 采 用 快 速 付 立 叶 变 换 ( FFT) 计 算 ,避 免 了 计 算 单 个 互 调 载 波 的 功 率 , 使 得 运 算 速 度 大为 加 快 , 并 且 得 出 计 算 时 间 与 载 波 数 几 乎 无 关 , 一次 计 算 就 能 得 到 所 有 信 道 上 的 互 调 功 率 。3 四 种 信 道 分

14、 配 方 法 的 比 较在 计 算 出 三 阶 互 调 功 率 之 后 , 需 要 在 此 基 础 上确 定 出 信 道 分 配 的 具 体 方 法 , 使 得 被 分 配 的 信 道 无三 阶 互 调 干 扰 或 所 受 的 三 阶 互 调 干 扰 影 响 最 小 。 下面 通 过 对 四 种 信 道 分 配 方 法 的 比 较 , 得 出 SCPC/DAMA 移 动 卫 星 通 信 系 统 信 道 分 配 的 最 佳 方 法 。311 无 三 阶 互 调 信 道 排 列 法寻 求 无 三 阶 互 调 信 道 分 配 方 案 的 问 题 , 相 当 于寻 求 具 有 不 同 元 素 的 一

15、个 简 单 的 差 分 三 角 形 。假 设 差 分 三 角 形 的 第 i 行 、 第 j 列 上 的 项 用 Mij表 示 (j i) , 代 表 第 j 个 和 第 i 个 载 波 的 信 道 频 率之 差 。 显 然 , 当 差 分 三 角 形 的 元 素 互 不 相 同 时 , 则没 有 两 对 信 道 具 有 相 同 的 频 差 。 也 就 是 说 对 于 任 意两 对 信 道 频 率 fi , fj (j i) 和 fl , fk (k 1) ,有 : fj - fi fk - fl即 : fj + fl - fi fk这 意 味 着 如 果 fi 、 fj 、 fk 和 fl

16、不 等 , 那 么 没 有(fi + fj - fk) 型 三 阶 互 调 落 入 另 一 信 道 频 率 fk ; 或者 , 如 果 fj = fl 或 fi = fk , 那 么 也 没 有 (2fl - fi) 型三 阶 互 调 落 入 另 一 信 道 频 率 fk。 因 为 这 是 仅 有 的 两类 三 阶 互 调 产 物 , 所 以 可 以 知 道 无 三 阶 互 调 落 入 分配 的 信 道 中 。 反 之 , 如 果 差 分 三 角 形 中 有 相 同 的 元素 , 则 必 然 存 在 i、 j、 k 和 l 使 得 :Mij = Mlk (j i , k l)即 : fj -

17、fi = fk - fl (j i , k l)fj + fl - fi = fk (j i , k l)因 而 存 在 j i , k l 使 三 阶 互 调 产 物 落 入 另 一分 配 的 信 道 频 率 fk 中 。 当 j = 1 或 i = k 时 , 三 阶 互调 产 物 的 类 型 为 (2fl - fi) 。 所 以 , 得 到 如 下 定 理 和推 论 :定 理 设 有 L 个 连 续 信 道 N 个 载 波 的 SCPC 卫星 通 信 系 统 , 载 波 被 分 配 在 信 道 的 中 间 位 置 (N G/ T) 。 经 过 链 路 计算 得 出 : 给 一 类 站 发

18、 射 信 号 的 发 送 站 的 输 出 功 率 为1013dBW , 二 类 站 其 发 送 站 的 输 出 功 率 为1815dBW , 三 类 站 其 发 送 站 的 输 出 功 率 为 22dBW。因 此 本 系 统 具 有 三 种 功 率 电 平 。在 这 个 SCPC/ DAMA 移 动 卫 星 通 信 系 统 的 仿 真系 统 上 , 对 于 各 站 的 随 机 申 请 , 4 个 转 发 器 的 信 道是 顺 序 分 配 的 , 即 假 设 有 K个 用 户 进 行 信 道 申 请 ,则 在 4 个 转 发 器 中 各 分 配 给 用 户 K/ 4 个 信 道 。 在 每一 个

19、 转 发 器 中 , 则 又 是 随 机 地 分 配 空 闲 的 信 道 。 仿真 结 果 显 示 4 个 转 发 器 的 960 个 单 向 信 道 最 多 只 利用 了 40 至 45 个 , 信 道 利 用 率 非 常 低 。 因 此 , 提 出53 移 动 通 信 1999 年 第 6 期 移 动 通 信 技 术 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/合 理 的 信 道 分 配 方 案 , 具 有 重 要 的 实 际 意 义 。在 对 几 种 信

20、道 分 配 方 法 比 较 的 基 础 上 , 确 定 运用 信 道 动 态 最 佳 分 配 方 法 , 来 得 到 本 系 统 的 信 道 最佳 分 配 方 案 。 但 还 有 一 个 问 题 需 要 解 决 , 即 在 单 个转 发 器 中 使 用 等 电 平 排 列 还 是 混 合 电 平 排 列 。 对 二者 的 比 较 如 表 2 所 示 。表 2 转 发 器 载 波 排 列 方 案 的 比 较等 电 平 排 列 混 合 电 平 排 列特征转 发 器 内 各 载 波 电 平 相等 , 即 分 为 低 电 平 载 波转 发 器 、 中 电 平 载 波 转发 器 和 高 电 平 载 波

21、转 发器 等 。大 小 载 波 同 处 于 一个 转 发 器 中对比11 不 存 在 大 载 波 对 小 载波 的 抑 制 。21 对 高 电 平 载 波 不 易 充分 利 用 转 发 器 功 率 。31 高 低 电 平 载 波 不 易 配对 使 用 。41 转 发 器 不 能 互 为 备 份 。11 存 在 大 载 波 对 小载 波 的 抑 制 。21 可 较 充 分 地 利 用各 转 发 器 的 功 率 。31 便 于 高 低 电 平 配对 使 用 。41 转 发 器 可 互 为 备份 。由 上 表 可 见 , 对 本 系 统 而 言 , 单 个 转 发 器 中 采用 混 合 电 平 排

22、列 的 方 案 更 为 合 适 。 因 此 , 可 采 用 多电 平 系 统 信 道 动 态 最 佳 分 配 方 法 。 本 系 统 有 240 个载 波 , 3 种 电 平 , 每 种 电 平 80 个 载 波 。 采 用 混 合电 平 排 列 , 满 负 荷 情 况 下 在 4 个 转 发 器 中 平 均 分配 , 则 在 每 个 转 发 器 中 有 3 种 电 平 , 每 种 电 平 有20 个 载 波 。 三 种 电 平 的 相 对 值 分 别 为 0dB、 4dB 和6dB。 我 们 运 用 上 述 方 法 编 制 了 一 个 实 用 的 程 序FASTSC。 表 3 给 出 了 本

23、 系 统 信 道 分 配 的 最 佳 方 案 。表 3 一 个 具 体 的 SCPC/ DAMA 移 动 卫 星 通 信系 统 的 信 道 动 态 最 佳 分 配 方 案第 一 种载 波 相对 电 平0dB分 配 次 序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10信 道 号 164 84 114 98 89 156 142 78 151 129分 配 次 序 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20信 道 号 161 91 100 166 137 122 111 80 130 70第 二 种载 波 相对 电 平4dB分 配 次 序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10信 道

24、 号 30 212 23 40 216 204 202 20 210 201分 配 次 序 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20信 道 号 19 37 27 221 206 29 36 214 222 39第 三 种载 波 相对 电 平6dB分 配 次 序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10信 道 号 4 239 7 1 240 233 237 8 2 231分 配 次 序 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20信 道 号 238 5 235 10 6 236 234 3 232 95 结 论本 文 从 研 究 SCPC/ DAMA 移 动 卫

25、星 通 信 系 统 信道 分 配 的 基 础 三 阶 互 调 功 率 谱 的 计 算 着 手 , 推导 出 三 阶 互 调 功 率 谱 的 快 速 算 法 。 在 对 四 种 信 道 分配 法 进 行 比 较 之 后 , 确 定 了 适 合 于 SCPC/ DAMA 移动 卫 星 通 信 系 统 的 信 道 动 态 最 佳 分 配 方 法 , 并 运 用这 种 方 法 得 到 一 个 具 体 的 SCPC/ DAMA 移 动 卫 星 通信 系 统 的 信 道 动 态 最 佳 分 配 方 案 。 本 文 所 使 用 的 信道 动 态 最 佳 分 配 方 法 具 有 如 下 特 点 : 1) 能

26、够 比 较充 分 地 利 用 转 发 器 的 带 宽 , 提 高 了 频 带 利 用 率 。 2)提 高 了 计 算 速 度 , 对 于 具 有 大 数 目 载 波 和 信 道 的 系统 , 节 省 了 相 当 大 的 计 算 时 间 。 3) 对 于 按 需 分 配的 系 统 能 够 实 时 地 提 供 信 道 最 佳 分 配 方 案 , 从 而 有效 地 利 用 卫 星 的 信 道 资 源 。参 考 文 献1 Fuenzalida J C , Shimbo C , Cook W L1Time2domainAnalysis of Intermodulation Effects Caused

27、by NonlinearAmplifiers1COMSAT Technical Review , 1973 , 3 (1) :89 14312 Arnstein D S , Vuong X T , Cotner C B , Daryanani HM1The Microscope : : A New Approach to Nonlinear Anal2ysis of Signals in Satellite Communication Sys2tems1COMSAT Technical Review , 1992 , 22 (1) : 9312113 Lau Y H , Skellern D

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29、eview1Spring , 1997 : 227 24516 Okinaka H , Yasuda Y, Hirata Y1Intermodulation Inter2ference Minimum Frequency Assignment for Satellite SCPCsystems1IEEE Trans Commun , Sept , 1977 , COM - 25(9) : 1041 104617 陆 锐 敏 , 甘 仲 民 1 卫 星 通 信 SCPC 载 波 频 率 与 功 率分 配 的 优 化 。 电 信 科 学 , 1994 , 10 (7) : 36 4318 Lau

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