第三代移动通信卫星系统RTT的评估和比较

2019-11-03 09:49:52

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第三代移动通信卫星系统RTT的评估和比较（文郁、吴诗其）摘要本文重点介绍了第三代移动通信卫星RTT提案的进展，对几个主要的卫星RIT的方案作了评估和比较，提出了对我国发展卫星系统的建议。关键词第三代移动通信；卫星系统；RTT提案1第三代移动通信简介移动通信的最终目标是实现任何人可以在任何地点、任何时间与其它任何人进行任何方式的通信。移动通信现在已经发展到了第二代。第一代移动通信系统是采用FDMA方式的模拟蜂窝系统，如AMPS、TACS等，其缺点是容量小，不能满足飞速发展的移动通信业务量的需求；第二代移动通信系统采用TDMA或CDMA为主的数字蜂窝系统，如GSM/DCS1800、Is－95等，其容量和功能都比模拟系统有了很大的提高，但是其业务种类主要限于话音和低速数据。随着对通信业务种类和数量需求的剧增，人们已不再满足于第二代移动通信系统所能提供的业务和容量。国际电联早在1985年就提出了第三代移动通信系统的概念，当时称FPLMTS，后来在1996年改为IMT－2000。国际电联在1995年提出了相应的评估标准，对未来蜂窝移动通信系统提出了较详细的要求。IMT-2000计划于21世纪初的前几年投入运行和开放业务，工作于2000MHz频段范围。第三代移动通信系统主要特性有： ·全球化：IMT－2000是一个全球性的系统，各个地区多种系统组成了一个IMT-2000家族，各个系统间设计上有高度的互通性，能提供全球漫游。与固定网的业务可以兼容。 ·综合化：提供多种业务，特别是宽带多媒体业务。有能力容纳新类型的业务。 ·个人化：全球唯一的个人电信号码，足够的系统容量，高保密性，高服务质量。 WARC－92已经为IMT-2000分配了共230MHz带宽的频谱，上行频段为1885－2025MHz，下行频段为2110－2200MHz。其中1980－2010MHz和2170－2200MHz用于移动卫星业务（MSS）。第三代移动通信系统的引入将经历一个渐进的过程，并将充分考虑向后兼容的原则。第三代系统与第二代系统将在较长时间内处于共存状态。2IMT-2000无线传输技术（RTT）的研究进展无线传输技术（RTT）主要包括多址技术、调制解调技术、信道编解码与交织、双工技术、信道结构和复用、帧结构、RF信道参数等。根据国际电联对第三代移动通信系统的要求，各大电信公司联盟均已提出了自己的无线传输技术（RTT）提案。至1998年9月，包括移动卫星业务在内的RTT提案多达16个，它们基本来自IMT-2000的16个RTT评估组成员。其中有10个是IMT-2000地面系统提案，6个是卫星系统提案。出现这么多提案充分反映出很多集团、国家对IMT-2000未来制式的关注与力争施加有效影响的愿望。我国原邮电部电信科学技术院（CATT）也向ITU提交了具有我国自主知识产权的候选RTT方案：TD－SCDMA。TD-SCDMA具有较高的频谱利用率、较低的成本和较大的灵活性，具有竞争性。从市场基础、后向兼容及总体特征看，欧洲ET－SI的UTRA、美国的cdma2000最具竞争力。cdma2000主要由IS－95和IS－41标准发展而来，与AMPS、DAMPS、IS－95都有较好的兼容性，同时又采用了一些新技术，以满足IMT-2000的要求。W－CDMA源于欧洲，欧洲的候选方案UTRA在对称频段采用W－CDMA技术，在非对称频段采用TD－CDMA技术。在欧洲ETSI的UTRA提案中，W－CD－MA应用较多，主要用于广域范围内的移动通信，而TD－CDMA将主要用于低移动性室内通信。在UTRA的两种模式中，TD－CDMA在载频带宽、chip速率、帧长等关键参数上向W－CDMA靠拢，如TDD模式的帧长由4.615ms改为10ms，chip速率由2.167Mbit/s改为4.096Mbit/s，调制方式也采用跟FDD一样的QPSK。第三代移动通信系统RTT融合的关键就在于UTRA和cdma2000这两个提案的融合能否取得有效的进展。在继续使用第二代移动通信系统的同时引进了新的第三代系统。第二代系统的GSM和IS－95等系统都已经得到了广泛的使用，众多的运营商、投资商和广大用户都不愿意第二代系统的庞大基础设施毁于一旦，而希望其继续发挥效益。由于标准的融合统一关系到区域、集团间市场开发、业务后向兼容等经济利益，在第三代系统的标准制定上很难相互妥协。为此，IMT－2000的发展策略已经改变了过去完全“一统”的概念，而注意到以各地区现有第二代系统网络基础为参考来制定比较现实的过渡办法，并在1997年通过了“IMT－2000家族”的概念，着重致力于制定网络接口的标准和互通方案。3、卫星无线传输技术（RTT）的研究进展第三代移动通信系统最终将是一个提供全球无缝覆盖并能实现全球漫游通信的系统。卫星移动通信系统（MSS）虽然只是地面蜂窝移动通信系统和地面固定网的补充和延伸，而且用户数量远比后两者少，但它却是实现无通信盲区，全面覆盖地域、空域、海域，达到全球无缝覆盖的关键手段。因此，为了真正实现全球通信，卫星系统是第三代移动通信系统中不可替代的重要组成部分。 WARC－92为卫星IMT－2000分配了1980－2010MHz和2170－2200MHz共60MHz带宽的频谱。然而这些频段，包括IMT－2000的地面部分的频段，在很多国家和地区都已经被部分占用了，这使得频谱问题成了卫星RTT提案必须认真对待的一个重要问题。IMT－2000在不同地区的频带占用情况。在已经提交的16个RTT提案中有6个是卫星系统提案，分别是欧洲ESA的宽带CDMA卫星系统SW－CDMA、欧洲ESA的混合宽带CDMA/TDMA卫星系统SW－CYDMA、ICO全球通信公司的ICORTT、INMARSAT的Horizons系统、Iridium LLC公司的IOLLC RTT、韩国TTA的SAT－CDMA卫星系统。近年来已掀起一股全球／区域LEO／MEO／GEO卫星移动通信系统建设热潮，有大约30个已建成的／准备建设的窄带卫星通信系统，大约20个宽带（Ka或Ku波段）多媒体卫星通信系统，还有约15个规划中的更高频段（V／Q／W波段）的卫星通信系统。值得注意的是，美国的cdma2000并没有提交与地面协议对应的卫星部分的提案，尽管cdma2000在地面RTT提案中是最具竞争力的。美国仅有几个卫星通信公司提出了基于自己已建／在建的卫星系统的RTT提案。下面主要介绍INMARSAT、IOLLC和ESA的卫星RTT提案。3.1 INMARSAT Horizons卫星系统 INMARSAT Horzons卫星RTT提案是根据INMARSAT90年代初就开始计划提供的INMARSAt P业务的基本设计思路作出的。Horizons系统采用的是同步卫星的星座结构，目的是要提供能覆盖全球的多媒体业务，传输速率可达144kbit／s。由于卫星轨道高度高，手持终端也必然较重。可行性分析表明750克重的终端是可行的。INMARSA Horizons系统采用的是TDMA多址接入方式，每个信道占用带宽100kHz。没有采用CDMA接入方式主要是考虑到延时太长（同步轨道卫星），占用带宽太大。 INMARSAT Horizons卫星系统无线接口的基本参数列于表1。Untitled Document

表1 Horizons系统基本参数

支持的卫星种类	GEO
多址方式	TDMA
用户信息速率	最高144kbps
误码率	低于（10的负6次方）
载波带宽	100KHz

该系统的主要业务目标是数据，特别是可以和公共Internet和Intranet相连的数据业务，这样的业务主要用于e-mail和信息浏览。同时传统的业务，如话音和传真，也可以支持。该系统设计的主要目标之一是RTT与业务类型无关。在MAC层，该系统与ATM类似，它的TDMA时槽有效负荷是48个字节，使得它可以运行在ATM之上。 Horizons系统特别强调了系统对业务的无依赖性，对数据、话音等都是采用同样的传输方式。它提供了与地面ATM网络的兼容，这样可以在ATM上传输的业务也同样可以在该系统上传输。 Horizons系统设计的主要目标是提供对Internet相关业务的支持。Internet业务区别于传统电信业务的主要特点是突发性和非对称性。但该系统并没有特别的针对上述特点而采取相应的优化措施，仅仅提到动态的带宽分配和可变的数据速率可以对此给予支持。事实上几乎所有的RTT提案都支持动态的带宽分配和可变的数据速率。3.2 IOLLC卫星RTT提案 IOLLC卫星RTT提案是根据研究中的INX（Iridium next generation）作出的。该提案是针对非同步轨道移动通信卫星系统设计的，这个系统也称为GMPCS。 INX系统能提供用户到PSTN、PSDN和其它数据网的互联，支持与PLMN和其它地面无线网的漫游。 INX系统可能采用两种星座结构：卫星数量很多的低轨系统，或者是少量卫星的中轨系统。如果采用低轨卫星系统的话，将有星际链路，这些星际链路运行在Ka波段，有在同一轨道平面内和在不同轨道平面间的两种星际链路。 INX系统有两种卫星用户空中接口： FDMA－TDMA和FDMA－CDMA。由于卫星通信系统的时延较长，CDMA的功率控制的效果比地面移动通信系统要差，因此在信号强弱变化很快时，不采用CDMA而采用TDMA的接入方式。在环境较稳定，功率控制效果较好时，采用CDMA接入方式。CDMA采用的是窄带方式。INX系统给CDMA和TDMA各分配了2×7.5MHz的带宽。总的来看，INX系统还在不断完善中，并没有提供一个具体的可投入运行的方案，基本上还处于总体设计阶段。INX系统基本参数列于表2。Untitled Document

表2 INX系统基本参数

支持的卫星种类	LEO/MEO
多址方式	DS、CDMA和TDMA
双工方式	FDD和TDD
Chip速率	1，2，4Mcps
载波带宽	1.25MHz(CDMA方式)50KHz（TDMA方式）
帧长	40ms
用户信息速率	0.3-144kbps
误码率	10-3(话音)10-2--10-6（数据）
交织	Intraburst
调制	QPSK BPSK
卫星分集	支持
切换	软、硬切换
功率控制	前向和反向都有

3.3欧洲ESA的SW－CDMA和SW-CTDMA 欧洲的卫星提案是ETSI的UTRA提案（包括W－CDMA和TD－CDMA两种RTT）在卫星部分的延续，SW－CDMA和SW－CTDMA提案在制定时充分考虑了与地面协议的融合，在很多重要的参数上，如帧结构、chip码速率、载频带宽等，都和地面部分相同或接近。当然由于卫星系统的特点，不可避免地有很多差异。 W－CDMA和SW－CTDMA对相应的卫星系统类型并没有具体的要求。 LEO/MEO/HEO/GFO系统都可以应用两种提案。这两个提案都非常注重与地面网的融合，而这恰恰是其它卫星RTT提案所欠缺的。（1）SW－CDMA SW－CDMA与现有的CDMA移动通信卫星系统相比，引入了一些先进的技术，具有很多优点：支持多种业务速率、引入频谱效率更高的调制／扩频方式、支持反向链路相干检测、支持卫星自适应天线系统等，从而改进了功率和频谱效率。提供了一个用于透过建筑物传递信息的高穿透性寻呼信道。 SW－CDMA的主要技术参数如表3所示。Untitled Document

表3 SW-CDMA的主要技术参数

支持的卫星种类	LEO/MEO/HEO/GEO
多址方式	DS-CDMA
双工方式	FDD
Chip速率	2.048Mc/s或4.096Mc/s（3.84Mc/s）
载波带宽	2.5MHz或5KHz
帧长	20ms或10ms
扩频因子	从16到256
多速率	正交可变速率（高于64kbit/s的采用multicode）
卫星分集	支持
功率控制	前向和反向都有

SW－CDMA有2.0Mcps和4.096Mcps两种码速率，前者称半码速率，后者称全码速率。由于在地面第三代移动通信系统中W－CDMA和cdma2000这两种最主要的IMT－2000 RTT在码片速率上的分歧正在争论中（欧洲4.096Mbps，北美3.686Mcps，欧洲方面表示可以折衷降到3.84Mcps，1999年5月ITU TG8/1第17次会议上倾向于采纳3.84Mcps），SW－CDMA的码速率也可能相应改变。 SW－CDMA采用DS－CDMA多址方式，扩频因子可以从16到256。SW－CDMA的帧长为20m（半速）或10m（全速），载波带宽为2.5MHz或5MHz。 SW－CDMA的信道类型、结构和帧格式与地面的UTRA基本相同。信道有逻辑信道和物理信道两种。逻辑信道被分为业务信道和控制信道，其中控制信道又被分为几种类型。普通控制信道都是固定速率的，相应的载波都没有功率控制；逻辑业务信道也可被分为专用业务信道和随机业务信道。逻辑信道将被映射到不同的物理信道上去。 SW－CDMA每帧被分为16个时隙，每一时隙又分为DPCCH（专用物理控制信道）和DPDCH（专用物理数据信道）。60（半码速为30）个帧组成一个超帧，时长为600ms，正好是GSM的MF长度的5倍。 SW－CDMA前向和反向链路都有闭环功率控制。闭环功率控制的目的是把检测的SIR控制在目标值上。目标值本身通过开环控制加以调整，这种调整是基于FER检测的。为支持FER检测，每帧附加了8个bit的CRC（对2400bit/s是4bit）。开环功率控制同样用在分组传输和呼叫建立阶段的初始功率设置。（2）SW－CTDMA SW一CTDMA在很多方面跟SW－CDMA都有相似之处。SW－CTDMA也有2.048Mcps和4.096Mcps两种chip码速率，也可能降到3.84Mcps。SW－CTDMA的信道类型、结构与SW－CDMA基本相同，这里不再具体描述。 SW－CTDMA采用的是CDMA／TDMA混合方案：在前向链路采用正交C／TDMA方式，在反向链路采用难同步（准正交）C／TDMA方式。SW－CTDMA中的扩频调制不同于DS－CDMA，它具有很强的适应性，既可适应于GSM所采用的QPSK／GMSK方式，又可适应于多载波CDMA和脉冲压缩CDMA，从而确保了对GSM系统的兼容性和对新技术开放性。 SW-CTDMA主要技术参数列于表4。Untitled Document

表4SW-CTDMA主要技术参数

支持的卫星种类	LEO/MEO/HEO/GEO
多址方式	W-O-C/TDMA（前向链路） W-QS-C/TDMA（反向链路）
双工方式	FDD（前向链路） FDD或F/TDD（反向链路）
Chip速率	2.048Mc/s或4.096Mc/s(3.84Mc/s)
载波带宽	2.5MHz或5MHz
帧长	20ms
调制	QPSK或DuaBPSK或BPSK
扩频	QPSK或CPM apPRox(PFM)
扩频因子	从16到256
多速率	正交可变速率（高于64kbit/s 的采用multicode）
卫星分集	支持
分组接入方式	双模式（普通和专用信道）
切换	快速硬切换
功率控制	前向和反向都有

SW－CTDMA的帧结构与SW－CDMA不尽相同。SW－CTDMA的一个复帧由9个帧组成，其中一个是异步业务帧，另外8个帧是准同步业务帧，每顿时长20ms，其中准同步帧每帧又分为8个时隙。之所以引入异步业务帧是因为反向链路上在呼叫建立的初始接入、重建连接、传送突发性短数据包时等情况下，由于连接尚未建立，时间上没有调整到同步，不可避免的要采用非同步方式传输。在反向链路采用准同步方式是SW－CTDMA的很重要的一个特点。在准同步方式下要处理非同步业务是有一定难度的。结合卫星系统的特性，SW－CTDMA将反向链路在定时上的不确定性减少到特定卫星波束覆盖范围内的往返时延差内。根据有关资料，各种卫星系统相对波束中心点的最大往返时延差范围在+9.6到-5ms内。SW－CTDMA的帧长选择考虑到了最大往返时延差，突发接入分组长度定为2.5ms，综合上述考虑，帧长定在20ms，这样的长度足以保证突发接入分组能完全在该帧中。由于引进了一个非同步帧，常规的数据传输会被打断，使得传输时延增加了一个帧的长度，即20ms。这是W－CTDMA的一个主要缺点。另外，由于W－CTDMA把所有非同步业务放到一个特殊帧里，在非同步业务和准同步业务之间的业务负荷比率上没有灵活性，因为在系统运行中不可能改变复帧的结构。这样，如果非同步业务负荷较大的话，尽管可以采取措施控制保证传输负载不致过大，但会导致呼叫建立的延时和分组数据的迟滞、堆积。值得注意的是，由于SW－CTDMA允许包括GEO在内的各种卫星系统，时延必须得到解决。对LEO卫星系统，最大时延大概在20ms左右，可以在一帧里（每20ms）传送一个功率控制命令（TPC）。对其它卫星系统，SW－CTDMA提案中并没有考虑这个问题。由于正向和反向链路多径衰落保持不相关所需的频率间隔为50－250MHz，而ITU分配给卫星系统FDD的频率间隔为190MHz。显然，两链路的衰落并不能确保有足够的相关性，于是采用开环功率控制将有潜在的危险，即不能克服多径衰落的影响，而只能对弱遮蔽起补偿作用。所以本提案中不予考虑。（3）SW－CDMA和SW－CTDMA的比较由于SW－CDMA和SW－CTDMA在多址方式、同步方式等基本技术上的不同，使得两者性能上有一些差异。SW－CTDMA与SW－CDMA相比，更适合于采用多用户检测，支持F／TDD模式时对天线双工器（diplever）性能要求较低，更适合于支持高穿透性服务。SW－CTDMA在没有快速和精确的功率控制的情况下也能避免不稳定性，而不稳定性是SW－CDMA系统潜在的危险。但是，SW－CTDMA较不适于采用自适应干扰消除技术（因为采用了TDMA这种不连续的操作模式）；不适于加入非同步的业务（没有时间控制的随机接入）；有较高的峰值／均值功率，更容易对敏感电子设备产生干扰；较不适于利用话音的静默期来增加系统容量；较不适于采用卫星路径分集和软切换。由于SW－CDMA和SW－CTDMA在多址方式、同步方式等关键技术上的差别，使得它们的应用前景也各不相同。总的来说，SW－CDMA较适用于全球的卫星移动通信系统，星座结构为低轨（LEO）或中轨（MEO），而SW－CTDMA更适合于区域的卫星移动通信系统，星座结构采用椭圆轨道（HEO）或同步轨道（GEO）。（4）SW－CDMA和SW－CTDMA的技术兼容性分析第三代移动通信系统能成功的一个关键是必须实现第二代系统向第三代系统的平稳过渡。第三代系统与第二代系统将在较长的时间内处于共存的局面。在建成一个庞大的GSM／IS－95网络后，在这些网络的寿命周期内，必然要尽可能充分发挥它们的作用，以获取最大的经济效益。IMI-20000系统在投入商用时这些网络可能正处于运营收益的颠峰。因此，必须保证第二代系统与第三代系统能共存，并向第三代系统平稳过渡。作为第三代移动通信系统将主要存在两种标准：一个是能与GSM反向兼容的UTRA，一个是能与IS－95反向兼容的cdma2000。从现在各种因素综合来看，作为第三代移动通信系统IMT-2000已经不大可能实现一个统一的标准。不过，同第二代移动通信系统的GSM、IS－95、DAMPS、PDC的多种标准相比，IMT-2000已经取得了很大的进步。在第三代系统中多址方式都采用了CDMA技术，频段和业务也得到了统一，可以通过“系统家族”和多模手机实现全球漫游。欧洲已经进行了很多工作来实现后向兼容。现在的GSM系统正在引入新的业务和功能，使其性能逐步升级以进入第三代移动通信系统。GSM在1996年推出了GSM2（phase two），实现了与DCS－1800的双频运作，采用了增强的全速率话音编码（FER）技术。GSMZ＋（phase tWO plus）将引人高比特的数据业务GPRS，即通用分组无线业务；同时还引人了高速电路交换型数据业务（HSCSD），它是对GSM现有电路交换中的数据业务的一个扩展。GPRS将GSM业务扩展到可以与X.25公用数据网和Injternet相连。HSCSD和GPRS宽带数据业务的开发，代表了GSM向第三代移动通信发展的方向。特别是GPRS采用了IN数据思想的通用数据平台，有革命性的突破，为GSM向IMT-2000平稳过渡奠定了良好的基础。 SW－CDMA、SW－CTDMA由于卫星系统的特性，在帧结构和帧长度上与地面的W－CDMA、TD- CDMA稍有差别，但大致上很接近。TD－CDMA在经过协调后在载波带宽。chip速率、帧长等关键参数上向W－CDMA靠拢，取得了一致。TD－CDMA在协调前与GSM在载波带宽、Chip速率、帧长等关键参数上是基本一致的，但为了更好地与W－CDMA互通，1998年在欧洲ETSI的SMG2会议上，TD－CD－MA方案作了如下改动：chip速率由2.167Mbit／s改为4.096Mbit／s；帧长由4.615ms改为10ms；调制方式改用QPSK，脉冲成形用根方升余弦波形（滚降系数为0.22）。以上参数改动后都与W－CDMA的相应参数完全一样。这样做后W－CDMA、TD－CDMA和GSM的兼容性要差一些，由于物理层的许多基本参数不同，在做WCDMA/GSM双模手机时物理层要做两个不同的部分。上述几种系统的一些关键参数比较如表5所示。Untitled Document

表5几种系统的关键参数比较

	SW-CDMA	SW-CTDMA	W-CDMA	TD-CDMA	GSM
Chip速率（Mc/s）	2.048或4.096(3.84)	2.048或4.096(3.84)	4.096 (3.84)	4.096 (3.84)	N/A
帧长	20或10ms	20ms	10ms	10ms	4.615ms
载波带宽	2.5MHz或5MHz	2.5MHz或5MHz	5MHz	5MHz	200KHz
每帧时隙数	16	8	16	16	8
切换方式	软切换	硬切换	软切换	硬切换	硬切换
双工方式	FDD	FDD或F/TDD	FDD或TDD	FDD或TDD	FDD

4总结与建议本文首先简单介绍了第三代移动通信及其标准制定的基本情况，进而重点介绍了卫星RTT提案的进展，对几个主要的卫星RTT的方案作了评估和比较。在对国外卫星RTT进行评估的同时，我们应该适时提出适合我国国情的自己的IMT-2000卫星移动通信系统的提案。卫星RTT有针对全球性系统和区域性系统两种类型。本文中介绍一的卫星RTT大多是全球性系统，只有SW－CTDMA可适用于区域性卫星系统。对卫星系统而言，与地面系统的互通是非常重要的，与地面移动通信系统的兼容性好可以节省成本，提高效率，真正实现全球的无缝覆盖。现在已经提交ITU的卫星RTT中，ICO全球通信公司的ICORTT、INMARSAT的Horizons系统。Iridum LLC公司的INX系统、韩国TTA的SAT-CDMA卫星系统都是独立的卫星系统提案，基本上没有考虑同地面系统的兼容。只有ESA的SW－CDMA和SW－CTDMA由于有成熟的GSM地面移动通信系统的背景，非常注重与地面系统的兼容。由于卫星系统不同星座结构之间的差异非常大，各种卫星系统的服务目的也千差万别，而且现在已经投入使用的和在建的卫星系统很多，它们之间的差异也很大，因此最后是否会有一个统一的标准也很难确定，总的来看比较困难。不过对于服务目的是高速率、多媒体数据通信的卫星系统来说，制定一个统一的标准是很有必要的。我国将拥有世界上最大的移动通信市场，也将拥有很大的卫星通信市场，如何根据我国国情，抓住现在第三代移动通信系统标准制定的机遇，发展我国新一代卫星移动通信，为我国的民族工业和广大用户争取最大的利益，是当前值得认真关注和积极研究的重要问题。从当前的发展情况看，卫星系统的发展将会出现全球低轨宽带卫星系统和区域性卫星系统齐头并进的局面。全球低轨宽带卫星系统将主要用来支持需求越来越大的多媒体和Internet业务，它们多采用卫星数量很多的低轨（LEO）系统，可以满足宽带和低时延的要求。这些系统和地面移动通信系统可以用双模手机自由切换，能实现全球漫游。对这种全球系统，我国限于技术、经济实力和市场开拓能力，难于自己发展，应该积极参与、跟踪相关技术的发展和有关国际标准的制定工作，并选择合适的系统进行合作，以避免决策失误。我国应该逐步建立自己的以小卫星群支持的区域性系统。只有积极发展我国自己的卫星通信系统，才不会受制于人。摘自《移动通信》

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