ofdma与sc-fdma在下一代宽带移动卫星通信系统中的性能比较

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1、OFDMA与SC-FDMA在下一代宽带移动卫星通信系统中的性能比较ＯＦＤＭＡ与ＳＣ－ＦＤＭＡ在下一代宽带移动卫星通信系统中的性能比较栾西，任术波，李斌，吴建军北京大学信息科学技术学院卫星与无线通信实验室摘要：随着地面蜂窝系统标准的快速演进，为了能与地面系统相互补充，实现无线通信的无缝覆盖，在下一代宽带移动卫星通信系统中提供高速的数据传输成为至关重要的课题。在地面蜂窝系统中，ＯＦＤＭＡ和ＳＣ．ＦＤＭＡ技术以其高效的频谱效率，良好的无线信道性能以及灵活的资源分配方式，分别被ＬＴＥ及ＬＴＥ．Ａｄｖａｎｃｅｄ系统选为其空中接口下行和上行链路的基本多址方式。本文通过分析和仿真的方法对两种多址体制在多波束

2、宽带移动卫星通信系统中的性能进行了比较。首先研究了星上高功率放大器的非线性对两种系统性能的影响，并研究了预失真器所带来的系统性能的提升。然后，通过对多波束ＧＥＯ卫星系统传输时延特性的分析，讨论了两种卫星系统上行定时同步方法的适用性，并分析了终端运动对系统性能的影响。最后，本文通过仿真给出在典型卫星环境下两种多址体制的链路级性能对比结果。关键字：宽带卫星，ＯＦＤＭＡ，ＳＣ。ＦＤＭＡ，非线性，传输时延特性，定时同步偏差，多普勒ＯＦＤＭＡａｎｄＳＣ－ＦＤＭ———————————————————————————————————————————————ＡＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｆｏｒＮｅｘｔＧｅｎｅｒａｔｉ

3、ｏｎＷｉｄｅｂａｎｄＭｏｂｉｌｅＳａｔｅｌｌｉｔｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ１．引言卫星移动通信是实现无线通信无缝覆盖的重要手段。为了实现卫星移动通信与地面蜂窝通信的融合，最有效的方法是在卫星系统中采用与地面系统类似的空中接口技术。因此，基于地面２Ｇ标准（ＧＳＭ）和３Ｇ标准（ＷＣＤＭＡ，ＴＤ－ＳＣＤＭＡ）的卫星移动通信系统都已得到了广泛研究［１卜［３］。与之相应的实际卫星通信系统项目也逐一启动，其中的典型系统包括姗ＯＳ（ＭｏｂｉｌｅＵｓｅｒＯｂｊｅｃｔｉｖｅＳｙｓｔｅｍ）等。然而，随着高速宽带业务对无线通信能力的需求不断增加，基于３Ｇ标准的卫星移动通信将无法满足各类多媒体业务的速率要求。因此

4、，作为与下一代地面蜂窝系统相互补充的卫星通信系统也需要重新选择更能适应高速宽带业务的多址方式。然而，由于卫星通信环境与地面蜂窝系统的差异性，下一代宽带高速卫星移动通信系统中多址方式的选择仍然是一个开放性的课题。在目前已有的卫星多址方式研究中，有关多址方式之间进行性能比较的文献数目为数不多，且大多集中于３Ｇ技术之间，以及ｏＦＤＭ与３Ｇ技术的初步对比分析［４卜［６］。在３ＧＰＰ定义的ＬＴＥ及ＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄ标准中，下行链路采用基于０ＦＤＭ的多址方式。由于ｏＦＤＭ技术具有频谱———————————————————————————————————————————————效率高，适合高速传输，抗

5、多径能力强等优点，近年来，关于０ＦＤＭ技术在卫星通信环境中应用的研究也越来越多［７］［８］［１４］。然而，在ＬＴＥ及ＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄ标准中上行链路采用的ＳＣ—ＦＤ姒也是一种具有竞争力的多址方式，它可以看作是一种采用ＤＦＴ预编码的０ＦＤＭ。在典型的宽带卫星信道中，与地面不同的是其最大多径时延扩展较小，且通常ＬＯＳ环境，即常有直射主径。本文通过仿真的方法比较了ＯＦＤＭ和ＳＣ－ＦＤＭＡ两种多址体制在典型宽带卫星信道环境中的链路级性能。卫星通信通常具有极大的路径损耗和较低的信噪比，因此星上需要高功率放大器对信号能量进行大幅提高。然而星上ＨＰＡ通常具有非线性效应，在功率受限的卫星通信系统中，将对

6、具有高ＰＡＰＲ特性的ＯＦＤＭ系统产生严重的非线性影响，带来系统性能和功率效率的降低。相对而言，具有较低ＰＡＰＲ特性的ＳＣ—ＦＤＭＡ系统则能在体现出更加显著的优势。本文分析并仿真了星上ＨＰＡ非线性对ＯＦＤＭ和ＳＣ—ＦＤＭＡ两种多址方式在卫星环境性能的影响，以及加入预失真器对非线性失真进行补偿后两者性能所得到的提升。此外，多波束卫星通信系统还具有极大的通信传输时延，且地面同一波束小区内存在较大的传输时延差。与地面系统相比，这些特性将导致卫星通信系统需要采用特殊的上行定时同步方法。同时，当波束小区内的终端处于高速运动状态时，一方面会引起多普勒效应，另一方面会对波束——————————————————

7、—————————————————————————————小区内已取得的定时同步带来一定的破坏，产生不可避免的定时同步偏差。因此，本文首先分析了多波束ＧＥＯ卫星通信系统中的传输时延特性，并给出两种适用于的上行定时同步方法；然后分析了该系统中由于终端运动所导致的定时同步偏差值及多普勒频移值；最后通过仿真给出上行定时同步方法以及终端运动对ＯＦＤＭ和ＳＣ－ＦＤＭＡ系统性能的影响。本文组织结构如下：第１Ｉ