TDMA和CDMA第三代移动卫星通信系统主要技术比较

周林风、王东进

【摘要】本文讨论了TDMA和CDMA第三代移动卫星通信系统（即第三代移动通信系统中的卫星移动通信网）一些主要技术，并考虑了其面临的一些主要问题及可能的解决方案。

【关键调】 第三代移动通信系统 移动卫星通信系统 TDMA CDMA 1概述

第三代移动卫星通信系统的关键技术之一是接入技术的选择，在有限的频谱内增加系统容量。主要有两种候选方案：TDMA技术和CDMA技术。而FDMA技术随着数字通信技术的发展早已不单独使用，经常与TDMA或CDMA技术混合使用。在第二代移动卫星通信系统中，接入技术的不同已导致了两类不同的相互竞争的移动卫星通信系统的发展：Iridium、ICO（TDMA）；Globalstar、Odyssey（CDMA）。

ITU提出的在2000年建设第三代移动通信系统IMT－2000的卫星移动通信系统部分现已收到的6个提案中，既有TDMA的，也有CDMA的，还有TDMA和CDMA以及FDMA综合的，如：由ICO Global Communications公司主持的 ICOGlobal Communications系统（TDMA）；由ESA提出的SW－CDMA系统（空中接口基于地面的WCDMA技术）；由Iridium Operating LLC主持的INX系统（TDMA/CDMA／FDMA混合方式）；由ESA提出的SW—C/TDMA系统（DS－CDMA与TDMA混合方案）等。

各种提案的共同特点是：①全球覆盖；②小区切换；③支持多媒体业务，一般业务速率可达到144 kb/s；④支持电路数据业务和分组数据业务（接入Internet）等。

当然，这种对比并不是绝对的，有些方面对两者都适用。另外，由于篇幅所限，TDMA和CDMA系统的一些重要的共性技术本作探讨，如星间链路、对宽带业务的支持。名普勒频移抵消等。

2 TDMA技术

2.1 PRMA（分组预约多址接入）

现有的第二代数字移动通信系统大多已经采用了TDMA多址访问方式（如著名的GSM系统），如何在现有设备和技术上实现系统容量的增加和业务的综合是目前面临的现实而具体的问题。 1989年美国Bell实验室的D．J．Goodman等人为未来的蜂窝移动通信系统提出了一种多址协议一PRMA，该协议较成功地解决了基于TDMA方式的蜂窝移动通信系统的容量增加和业务综合等问题，因此它一经提出就受到了高度的重视，世界上许多的组织和机构都对它进行了深入的研究。

PRMA协议类似R－ALOHA，是TDMA和分槽 ALOHA协议的结合。采用 PRMA协议的蜂窝移动通信系统主要优点有：采用话音激活技术，性能较TDMA有较大的改善；具有软容量，即系统中用户数的增加超过设计值时仅造成性能的恶化；终端访问信道延迟时间小；可实现无缝隙的越区切换接续；具有分布式控制功能；可方便地与基于ATM的固定网互连。

在PRMA中，各载波有一帧结构，由若干个TS（时隙）组成，每个TS能承载一分组。TS和信道不是—一对应的，任何TS能承载任何信道的分组。各接收终端通过读取分组头识别出分组是否是传送给自己的。PRMA技术的目标是利用大多数业务内在的空闲时间。各TS并不像传统TDMA系统那样由某呼叫的全部时间所占用，而是可以被任何呼叫占用。

在前向信道（BSS至MS），BSS（Base StationSystem）将分组复用以TDM方式发送出去；各MS（MobileStation）读取分组头且只保留标记给自己的分组。 在反向信道（MS至BSS），采用与分槽ALOHA技术类似的方法，有新信息要发送的MS随机接入某可用TSn；MS通过读取由BSS广播的业务控制分组（其中有当前各TS的预约情况）知道该TS的可用性。如果MS a在可用TSn中发送的分组成功到达BSS而没有与其它分组发生碰撞，则BSS将TSn分配给MS a使用，直到在TSn上收到空闲信号为止。因此，从所有MS由业务控制分组告知TSn被分配的时刻起，MS a发送的分组不会碰撞。

在卫星环境下，由于卫星传播时延较大，PRMA有一较大缺陷。设Td为往返时延，则从MS发送分组时刻起，到所有MS被告知TS分配情况，需要2Td的

时间［如，在GEO（静止轨道）中，约有540m］。因此，MS必须至少等待2Td的时间才能开始无碰撞的分组传送。

PRMA在卫星环境的应用取决于Td、业务最大时延容限和业务差错率容限。因此，在某卫星环境下，可以将业务分为两类：PRMA兼容的业务和不兼容的业务。如，若使用GEO则语音业务不是PRMA兼容的；而若使用LEO（低轨道），则是PRMA兼容的。

实际上，在某卫星系统中，以上两种业务可以共存，此时PRMA技术仅用于PRMA兼容的呼叫，而PRMA不兼容的呼叫仍可用传统TDMA技术来处理，即在整个呼叫期间TS一直为其所用。而且，PRMA不兼容呼叫的MS可以利用呼叫中的空闲时间来传送其他PRMA兼容的呼叫（如，在GEO环境下，低速数据传送可以利用话音呼叫的空闲时间完成）。即使两者的目标FES（Fixed Earth Station）不同，也是可行的。

假设备载波每帧有S个TS，则传统TDMA每帧可提供S个信道，而PRMA可提供?ηS（η＞1）。其中η被称为PRMA效率因子。对的大小取决于分组丢失率容限、每帧TS数和帧长等参数。通过合理选择这些参数，η达1.5～1.7。因此，若假定各点波束业务量相同，则式（1）成立。其中河是卫星系统能提供的信道总数（假定无限可用功率）；C是可用载波教，等于可用带宽W与各载波带宽Wc之比； NC是非交叠的点波束簇数（点波束簇是为避免同信道干扰太大时同种载波不能再用的一组点波束的集合）。 N’＝ηsCNc（1）

式（1）表示出了带宽对系统容量的限制。功率对系统容量也有限制（此处不多作讨论）。

假定无限可用带宽时卫星系统可提供的可用信道数为N”，则卫星系统实际可提供的信道总数N＝min（N'，N''）。

2.2DCA（动态信道分配）

信道分配要解决的核心是如何将有限的信道资源高效地分配给用户，使系统达到最大的容量和最好的服务质量。信道分配方案分为两大类：FCA（固定信道分配）和DCA。

在传统FCA策略中，根据业务量预测载波半永久地分配给卫星小区。由于点波束半径的减小和非GEO卫星的快速运动，卫星小区业务密度不可预知地随时间和地理位置而变化。因此，为了充分利用卫星资源，载波一卫星小区分配需实时重新调整。另一方面，如果由一中央实体［如NCS（NetworkControlStation）］负责载波重分配，则需要大量的信令信息交换。

此时可采用分布控制的DCA策略来解决以上问题：一方面，为了满足快速变化的通信信道需求，载波到不同小区的分配进行实时动态调整，另一方面，由FES而不是NCS进行重分配，因而减少了控制信息交换，增加了系统的鲁律性。这样，系统根据当前的业务负载和干扰情况，动态地将信道分配给所需的用户，达到最大的系统容量和最佳的通信质量。

实行DCA策略后，一旦某卫星小区的可用信道数小于某一给定阈值Ta，则FES为该卫星小区启动载波捕获过程；一旦可用信道数大于另一阈值Tr，则FES从该卫星小区释放载波。

为了避免载波捕获时发生碰撞，每个FES在一时长为T的决策帧中分配到一个不同的决策TS，各FES仅允许在自己决策TS的开始进行载波捕获，即每T秒一次。决策TS的时长必须足够长，以便允许该FES将结果告知其他所有的FES。FES可采用不同的策略从一组可用载波中或从所拥有的一组载波中的将要释放的载波中捕获载波。

2.3 TDMA中的无缝切换

第三代移动卫星通信系统的主要问题之一是需要大量的信令信息。特别是由于点波束半径的减小和非GEO卫星的采用，切换和小区更新次数增加，为了节约宝贵的卫星资源，相应的信令信息应最少化。

此时无缝切换是一明智选择。它不中断现行呼叫，而所需的信令交换最少。无缝切换可通过MS的几个控制功能分布化来实现。

GSM中的小区更新（当空闲MS改变广播控制信道时，发生小区更新）几乎完全由MS负责，某小区。的各空闲MS一旦发现小区b参考载波的接收功率电平大于小区a参考载波功率电平，则自主选择新小区b。MS甚至不将其更新的小区通知固定网，除非其位置区改变。

而GSM中的越区切换（当忙MS改变通信信道时，发生小区切换。习惯上有时切换包括小区更新和小区切换两种情况）与此不同，它由固定网负责［BSS和 MSC（MobileSwitching Center）］。这是基于以下考虑：一方面，呼叫进行中的MS大部分处理能力用于呼叫处理（因而不能用于处理各参考载波的接收功率电平），另一方面，每次切换均需查询服务于新小区的BSS中存放的信道一TS分配图；而且，切换过程要求与新BSS达到帧同步。

以上切换难题在第三代环境下可得以解决：一方面，MS将有更大的处理能力，另一方面，由BSS广播适当的控制突发信号可告知MS当前小区负荷。可采用与前述GSM小区更新过程类似的方法来实现切换过程：将大部分控制功能分布到MS中，以使信令交换最少化，并与前述PRMA技术相适应。在这种情况下，MS必须检查服务于新待选小区b的BSS（FES）发送的业务控制分组，以便检查分配到小区b的载波的可用TS比例。如果其中某载波c的比例大于相应的阈值，则MS被授权切换至小区b。因此，其发生器切换至载波c,而同时仍接收旧小区a的信号；直到固定网已获知发生了切换，并通过新小区b传送前向业务流。

2.4 TDMA中的同步

实现上述无缝切换需解决的主要问题之一是返回键路与新BSS（FES）同步的初始捕获。

GSM中，在跟踪阶段，发送和接收有3TS＋TA（时间提前量，Timing Advnance）的时间参差。其中3TS参差避免了MS的同时发送和接收，因此不需双工器；TA为MS发送提供正确的BSS时钟同步。某MS的合适TA值由相应的BSS根据接收的突发信号与TS边缘的时间偏移计算，并每隔一定时间发送至MS。显然TA介于2dmin/c和2dmax/c之间，其中d是MS与BSS间的距离，c是光速。在初始捕获阶段（即呼叫建立或发生切换时），BSS必须根据MS发送的第一个突发信号（呼叫建立情况下的随机接入突发信号，切换情况下的切换接入突发信号）确定TA的初始值。对于这些突发信号，要求长的护卫时间来允许MS在不知其与BSS距离时接入BSS，显然为了使MS可处于任意位置，这些护卫时间必须大于2（dmax一dmi）/c。在GSM中是0.252ms。

在卫星环境下，［dmin，dmax范围（其中d是MS与FES的距离）大于地面

蜂窝网中的值。因此，在跟踪阶段，更不可能去避免同时发送和接收，因此接收MS中须有双工器。同样地，在初始捕获阶段，由于2（dmax-dmin)/c大于0.252m，第一个接人突发信号不再能在GSM TS内提供。一种可能的解决办法是使用一个。ad hoc卫星随机接八载波，完全用于承载随机接入突发信号，以非分槽ALOFLA方式由MS接入。同一随机接八载波可以由几个FES共享。 不幸的是，采用此种与GSM同步过程类似的方法以及对卫星系统的改进与无缝切换概念抵触。因为为了进行返回链路与新BSS（FES）同步的初始捕获，返回链路业务流有两个往返时延的中断（第一个往返时延用于将切换接入突发信号发送至BSS（FES），第二个用于接收初始TA值）。这一问题的一种解决方案（与PRMA环境相适应）是，以非分槽ALOHA而不是分槽ALOHA方式发送第一个信息突发信号至新FES。显然，这种方案使得碰撞概率增加；另一种解决方案（适合于GEO卫星系统）是，将MS和GPS终端综合在一起，以便各MS基于其实际位置来计算其与BSS（FES）的实际距离。其距离偏差可由短护卫时间来补偿。

3 CDMA技术 3.1CDMA的改进

3.2 CDMA的C／I监控技术

C／I。是参考信号功率与干扰谱密度（即热噪声密度和固有噪声密度等之和）的比值。每个MS（FES）对所有的CDMA模块依次测量其当前C／I。值，寻找C／I。最高的模块。如果其大于相应阈值（以下称之为C／I。门限），则MS（FES）认为在相应的CDMA模块中前向（返回）业务信道是可用的；否则MS认为无CDMA模块有可用业务信道，呼叫建立过程失败。

由于众所周知的异步CDMA技术的故障弱化性能（即个别部件发生故障时，仍能工作，迫性能下降），C／I。暂时低于C／I。门限是允许的。一定的传播时延引起的碰撞裁决就可引起这种情况的发生。如，假定某CDMA模块当前的C／I。仅稍大于C／I。门限，仅能支持一个额外呼叫；若此时有两个几乎同时的呼叫建立尝试，则在该CDMA模块中建立此两呼叫，导致以上情况的发生。

3.3 CDMA中的软切换

由于CDMA的各小区均采用同一载频的天线系统，其间的区别仅仅是码序列不同，所以当NS从一小区跨入另一小区时，不会发生频率切换，即不是硬切换而是软切换，因此在越区切换时，通话者不会有任何感觉，对于数据传输也不会造成任何损害。

很显然，此种切换的实现需在相邻点波束中再用同一CDMA模块。 在负荷透明传输的情况下，某CDMA模块中的所有信号必须作为一个整体进行路由选择；因此，该CDMA模块中的所有信号均选路至与该模块相对应的那一点波束。呼叫某MS（FES）的各FES（MS）必须在与该点波束相对应的CDMA模块中发送，而其目的地 MS正处于漫游之中（而目的地 FES是固定的）。必须清楚，这种安排不允许软切换，因为相邻点波束与不同的CDMA模块相联系。 在负荷再生传输且具有星上处理器的情况下，某CDMA模块中的各信号可选路至与同一模块的其他信号相独立的任一点波束。因此同一CDMA模块在所有相邻点波束中可有效再用，这是因为，由于合理的星上选路，同一CDMA模块在不同的点波束上承载不同的信号（即，在某点波束中，它只承载实际寻址至该点波束的信号）。此种安然允许实现软切换。事实上CDMA模块的选择仅可在呼叫建立时进行；某CDMA模块中建立的呼叫在整个呼叫期间均保持在该模块中，而不管呼叫中MS是否跨越该点波束。

在软切换可行的情况下，可引入宏分集概念。当呼叫进行中的MS想改变卫星小区时，该MS可同时连到多个卫星小区上；该多个卫星小区的集合称为活动集。一般从一点波束转到另一点波束的MS可与两个小区连接。在前向键路，由于使用Rake接收机，MS可将来自活动集中的所有FES信号综合起来；同样地，在返回键路，与某MS的活动集中的卫星小区相关的不同FES接收的信号也可以综合起来。

3.4与CDMA技术有关的其它直要问题

Rake接收机和干扰抑制器用于提高CDMA系统性能。Rake接收机可放在MS和FES中。多径分量（其可代化组合）的数目等于Rake接收机中接收键的数目；而且，若使用软切换，Rake可像上述那样使用。干扰抑制器可放在FES中的一

组CDMA信号解调之后，以提高性能。事实上，扰抑制器首先解调最强的信号，然后从总信号中减去此信号，再解调次强的信号，依此类推；这样，接收C／I。在每次减操作之后都增大（因为一部分固有噪声被抑制）。

采用异步CDMA时，不同CDMA信号到达接收机时对于其它信号具有随机时间偏移。然而，至少在前向键路，可将FES发送的所有信号与一参考过发送的公用参考信号在chip、bit和frame级同步起来。实现此全网同步的一种方法是各FES均设有一MS接收机，既接收自己的信号，也接收参考站发送的参考信号；通过比较上述信号，各FES可以方便地调整其发送信号。这种技术将CDMA码的自相关和互相关特性全部利用起来。

快速捕获和功率控制对于CDMA卫星系统的高效工作非常重要。快速捕获用在话音激活机制的间歇期之后，以及在Rake接收机中获取急速变化的多径成分。功控可减少用户对星上功率的要求从而增加系统容量。 4结束语

从本文所作的探讨可以看出，在卫星移动通信系统中，CDMA和TDMA方式的采用各有其优越性，一时难以就教优孰劣下结论。事实上，到底采用哪种多址联接方式需要从多方面综合进行考虑，如：通信容量的要求；卫星频带和功率的有效使用；相互连接能力的要求；便于处理各种不同业务，并对业务量和网络的不断增长有灵活的自适应能力；与地面传输网接口的要求；成本和经济效益；技术的先进性和可实现性；能适应技术和政治情况的变化；保密性和抗干扰能力等。但可以肯定，大容量数字卫星移动通信技术的发展是未来卫星移动通信的发展方向，21世纪，卫星移动通信将和其它通信手段一起，携手步入个人通信的新时代。