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SCPC/DAMA移动卫星通信系统信道分配比较研究

2/14/2005来源:卫星通信人气:10860

莫永成 李德毅 张杰
  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(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,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,只要它们之间幅度相差不大(例如不超过一个数量级),此结论仍然成立。第二,有两种三阶互调物: (fi+fj+ fk)型和(2 fi- 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。

  通过采用快速付立叶(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。

  3.1 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个简单的差分三角形。

  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<L)。那么在分配的信道上消除三阶互调产物的充要条件是:这些分配信道的差分三角形具有不同的元素。

  推论:如前所述,对于SCPC卫星通信系统寻求无三阶互调信道分配方案的问题,相当于寻求一个具有不同元素的唯一的差分三角形的数学问题。

  3.2 最小互调信道排列法

  (1)单电平载波的基本删除/插入法

  定义最差载波为受到互调干扰最大的具体载波。在基本删除/插入法中,首先要给出初始信道分配,然后再对它进行删除运算和所得插入运算。进行删除运算时,删除一个载波,使所得信道分配的最差载波的互调干扰下降最大。进行插入运算时,在当时信道分配的末使用频隙中插入一个附加的载波,使所得信道分配的最差载波的互调干扰量增加最少。不断地进行删除/插入运算和插入/删除运算,直到最差载波中的互调干扰不能进一步减少为止。

  显然,假定的初始信道分配对最终获得的准最佳方案影响很大。为了减小其影响,可以在经过最佳化试验后,对所得的信道分配进行修改,把最差的两个或三个载波移到受到互调干扰量较小的未使用频隙中去;再用经过修改的信道分配作为初始信道分配,进行另一次最佳化试验。通常经过几次最佳化步骤运算之后,便可得到最佳分配方案。

  这种方法的一次删除和一次插入运算流程分别如图1和图2所示。

  (2)单电平载波的改进删除/插入法

  在改进删除/插入法中,基本工作方式仍然是载波的删除和插入。但删除运算改为删除最差占用信道中的载波,即最劣载波。插入运算改为在受互调干扰最小的空闲信道直接插入载波。在给定的初始分配基础上,交替进行删除和插入运算,直到分配结果不再改变,便得到准最佳方案。

  (3)多电平载波的删除/插入法

  在多电平系统中,尽量增大载波的最劣C/IM(载波互调功率比)比尽量减小最劣载波中的互调干扰量还要重要。因而,对此系统要导出C/IM最大的信道分配方案。这种方法首先根据载波的电平,将载波分组,然后通过禁用频带分离各组,再重复调整带宽大小,最后得到准最佳方案。

  在置初始分配时,将高电平载波放在转发器频带的两侧,而低电平载波放在频带中间。这种安排方式将会使一些互调干扰落到转发器频带之外,那么最小的C/IM将增加。

  3.3 信道的动态最佳分配

  动态分配是指能够根据用户的申请,实时地搜索出最佳信道分配给用户。因而动态最佳分配的原则是:分配给新载波的信道,应使得系统原有使用载波上增加的互调干扰量最小。

  (1)单电平系统的信道动态分配

  对于单电平系统首先根据系统设计时最多的载波数和信道数,利用改进的删除/插入法,进行准最佳排列,将得到的最佳化分配方案中的信道作为动态分配的许用信道。然后计算这些许用信道上的互调量,将最劣载波所在的信道作为删除信道,并记录其序号和信道号。反复进行上述过程,直到许用信道全部删除或剩余的许用信道上不再有互调干扰为止。在获得许用信道的序号后,信道分配的算法为最先删除的信道最后分配。

  (2)多电平系统的信道动态分配

  多电平系统首先根据系统设计时确定的电平数和每种电平的载波数,利用删除/插入法进行准最佳排列,将准最佳排列方案中的信道作为许用信道。然后从最低电平开始,寻找每种电平载波的最劣信道,将其删除,并记录信道号和序号。反复进行上述过程,直到许用信道全部删除或剩余的许用信道上不再有互调干扰为止。.在获得每种电平载波的许用信道分配次序后,信道分配的算法为最先删除的信道最后分配。

  3.4 四种信道分配方案的比较结果

  无互调信道分配方案所需要的带宽比需要的最小带宽要宽得多。例如,20载波时约为14倍的带宽,30载波时约为23倍的带宽。因而,这种方法对带宽利用率来讲,效率很低,不能在实际中进行广泛应用。

  基本的删除/插入法,其基本思想是交替删除和插入载波,直到分配方案的质量没有更大的改进为止。虽然这种方法对于载波数和信道比较少的情况是实用的,但是对于载波数和信道数比较多的情况,由于在删除和插入过程中,需要大范围搜索,因此需要太长的计算时间。所以这种方法不适用于具有大数目的载波和信道的系统。

  改进的删除/插入法,即使对于大数目的载波和信道,也只需很短的计算时间。我们可以对基本的和改进的删除/插入法作一个粗略的比较估算。假设这两种方法为了得到一个分配方案需要相同数目的重复。在改进的删除/插入法中,每次重复互调量只计算两次,一次是删除,一次是插入。而在基本的删除/插入法中,每次重复互调量需计算(N—1)次,删除过程中互调量需计算(K—2)次,插入过程中互调量需计算(N—K十1)次。其中,N为信道数,K为载波数。那么在所有其他的因素都相同的情况下,改进的删除/插入法所需的计算时间只是基本的删除/插入法所需计算时间的2/(N—1)。因此,对于具有大数目载波和信道的系统,改进的删除/插入法是适用的。

  但是,对于SCPC/DAMA移动卫星通信系统,因为工作的载波数目是经常变化的,所以这种动态变化的情况,不能使用以上三种方法。对于SCPC/DAMA移动卫星通信系统,只能使用动态的信道最佳分配方法,才能得到实时的信道最佳分配方案。

  4、一个具体的SCPC/DAMA移动卫星通信系统的最佳信道分配方案

  现有一个工作于特高频段(UHF)的SCPC/DAMA移动卫星通信系统,星上共有4个带宽为1.2MHz的转发器,那么以5kHz作为信道的基本间隔,共可以提供:1200/5Х4=960个单向信道。

  本卫星通信系统配置了中央站、固定站、车载站、船载站、机载站和背负站等6种站型共240个。各站按照接收时的品质因素G/T分为:1类站(G/T≥一12dB/K),2类站(一12dB/≥G/T≥-21dB/K),3类站(-21dB/K>G/T)。经过链路计算得出:给一类站发射信号的发送站的输出功率为10.3dBW,二类站其发送站的输出功率为18.5dBW,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,提出合理的信道分配方案,具有重要的实际意义。

  在对几种信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。

  对本系统而言,单个转发器中采用混合电平排列的方案更为合适。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给出了本系统信道分配的最佳方案。

  5、结 论

  本文从研究SCPC/DAMA移动卫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。

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