衛星移動通信系統信道特征論述

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必須開發更高層的協議允許發送方和接收方之間通報分組接收的情況，這就是實時傳輸協議(RTP)。如果接收到的數據分組的數量低于某個門限值，接收方需要向發送方報警，發送方則需要降低發送速率。這種方法是應用層組幀的一個例子。另一類問題以白板應用為代表。白板數據必須可靠傳送，這就需要可伸縮的可靠的組播。這類應用與多方通信類似，需要決定如何處理失序的數據。對于白板來說，不需要將一條線嚴格地按一段一段地順序傳送，只要所有的數據都能被收到就可以。白板應用可以緩存收到的線段，然后要求重傳那些沒有收到的線段，在成功接收之后，把這些線段再組成一條線。無線通信引入了額外的復雜性。因為這些實時的數據流需要通過易丟失的、帶寬有限的無線信道。上面提到的這些方案都能很好地工作，因為它們不要明確的網絡支持。這些應用可以很平穩地適應網絡的帶寬和誤碼率。

支持移動性的文件系統

為了適應移動應用，需要專門設計一種將應用與網絡連接的變化隔離開來的文件系統。在網絡連接狀態較好的情況也需要斷開操作，因為這樣可以保存能量而且維持無線靜默。一個典型的支持移動性的文件系統(如Coda)具有如下功能。(1)客戶機應用程序使用本地的文件緩存。采用這樣的設計，可以在與文件服務器的連接斷開之后，仍可以進行操作。在保持連接的時候，本地保存所需的文件。在客戶機與網絡斷開的情況下，緩存服務可以在沒有網絡連接的時候訪問文件。緩存丟失會提示應用程序出現了錯誤。一旦客戶機重新接入了網絡，更新的緩存文件將會傳送給其他的用戶，從而解決出現的沖突。(2)沖突的檢測和解決。對于文件目錄這樣的結構，可以解決多種同步更新問題。這種同步更新有時是明顯的，有時可能不太明顯，均需要合理對待。例如，同時插入不同名字的文件就是很明顯的。當一個用戶更新一個已經被另一個用戶刪除的文件，也需要解決沖突，這就不太明顯。(3)支持一些特殊的機制。例如，特別適于用客戶機通過一個低帶寬鏈路與它的服務器相連。它可以提供一小段一小段的組合，將本地緩存中的變化一點點地通過異步的方式發送給服務器。它也提供一個容忍模式，允許用戶為緩存丟失指定一個服務時間門限，因為在一段低速鏈路上等待下載一個文件是可以容忍的。

移動數據庫系統

個人可能會利用他們的信息應用程序獲得信息，如獲取最新的新聞或去圖書館的道路。經常請求的信息經過選擇和過濾后，放到廣播信息信道中，稱為推(Push)通信。廣播需要仔細的日程安排、一定量的帶寬保留，以免出現過長的延時。如果很多用戶都希望知道最新的籃球比分，這些信息的更新安排就需要頻繁一些。如果很少的用戶希望知道水球的比分，就希望這些信息更新的頻率低一些，使用更少的帶寬，但是這樣也會增加獲得最新消息的延時。用戶可能不希望等待那些不太常被查詢的消息的廣播，或者他們所要求的信息太個性化了，不能合到一個用戶群體中。這樣，信息就需要用戶主動地拉(Pull)，或者說，主動到數據庫中去查詢。由于有移動性，位置對于數據庫查詢來說可能是一個重要的屬性。游客不僅關心他們旅館1km范圍內的出租車的數量，他們也關心當前位置lkm范圍內出租車的數量。

用戶接口

因為便攜設備對于鍵盤有很大的限制，用圖標或筆輸入的接口可能更好。一些設備沒有鍵盤，而只有一些具有特定功能的按鈕。這些設備仍然支持特定的功能虛擬鍵盤，它們可以在觸摸式顯示器上顯示，通過小格子進行選擇。不同類型的手寫筆輸入設備的性能是不同的。一些支持手寫識別，而其他一些則只是記錄筆畫，手寫識別相對困難些。一些設備支持修改過的字母表，更容易識別，但是需要用戶改變手寫方式。數碼相機和數碼攝像機等設備的視頻和圖像捕捉功能已很普遍了。電荷耦合設備(CCD)也因為便攜式攝像機的出現而漸漸普及。高度集成的CCD攝像機在價格上逐漸下降，而且可以集成到PDA中。0引言在地面LTE標準中采用了AMC技術［1，2］。AMC技術會根據UE測量并反饋的CQI［3］變化及系統資源使用情況，動態地選擇調制編碼方式，來提高系統容量和信息傳輸速率。如果要在衛星系統中使用AMC技術，衛星信道的長時延特性會使得eNo-deB接收到的CQI是過期的，降低AMC的性能。因此在LTE-based衛星移動通信系統中，通過預測給出合理的CQI數值供AMC使用是非常必要的。一般的線性預測模型，如ARIMA等，都是依靠時間序列的相關性進行預測。而衛星信道的時延過長，往往遠大于信道相關時間，因此對CQI數值進行預測存在較大困難。現階段在衛星信道質量長時預測方面的相關文章也較少。文獻［4－5］給出了含有大尺度衰落和小尺度衰落的衛星信道模型。其中大尺度衰落主要由陰影衰落造成［6－7］，陰影衰落的相關模型也已給出。從文獻結果看，大尺度衰落的相關時間要遠大于小尺度衰落的相關時間。因此本文主要對信號的大尺度部分進行了分析，并用來對實際的CQI數據進行近似。

1GEO衛星移動通信系統和AMC

1．1衛星通信系統模型衛星通信系統中終端之間的衛星通信的典型應用就是雙跳模式，如圖1所示。雙跳模式引起端到端的時延為540ms［8］。

1．2AMC和CQI自適應編碼調制AMC技術根據信道狀況調整調制方式及編碼速率，能夠使得處于有利位置的用戶得到更高的數據速率，提高小區平均吞吐量;通過使用不同調制方案來代替原來改變發射功率的方案，可以減少干擾。地面LTE標準使用了AMC技術［2］。同樣，在LTE-based衛星移動通信系統中，也需要AMC技術來提高系統容量和信息傳輸速率，提高用戶信號質量。對于地面LTE通信系統，終端根據從下行鏈路接收到的信號計算出信道質量指數CQI，然后通過上行鏈路上報給eNodeB。eNodeB接收到CQI之后，根據小區資源情況和當前用戶的CQI，分配合適的下行調制編碼方案(ModulationandCodingScheme，MCS)。用戶接收到基站的調整指示，按照指示進行上行傳輸。因此AMC是個嚴格的閉環過程。

1．3衛星環境下AMC存在的問題在GEO衛星通信系統中，AMC過程的與地面系統的差異主要是CQI信號經歷的鏈路變成了衛星雙跳鏈路。信道的傳輸時延、多普勒頻移等特性都與地面不同。在這種通信環境下，地面站用來決定AMC策略的CQI數據是過期的，UE接收到地面站的調整指令也是過期的。因此需要利用過期的CQI進行預測，使得到達UE的AMC指示是比較符合接收時刻的信道質量要求。由于一般的預測模型都存在預測能力的限制，其主要參考指標是數據的相關時間，而信道的相關時間與UE的運動速度有關，往往遠小于需要預測的時間范圍，所以要對CQI數據進行有效地預測存在很大困難。如果不進行預測，又會導致系統有效性的大幅下降，因此需要找到一個折中的AMC策略，實現有價值的預測。

2衛星移動通信系統信道特性分析

2．1衛星信道模型大尺度衰落主要是由陰影效應造成的，其變化主要是由于終端移動造成的所在環境陰影程度的變化引起的。小尺度衰落主要是由于終端所在環境的障礙物散射導致的，其變化也是由于終端移動造成的環境障礙物相對位置的變化導致散射回來的信號變化引起的。事實上終端運動引起的遮擋情況變化在一段時間內都可能保持不變或較小變化，而豐富的多徑信號則可能隨終端移動發生劇烈變化，因此一般來說大尺度衰減的變化速度要遠遠低于小尺度衰減的變化速度。文獻［10］指出大尺度衰落會在1～3m的范圍內基本保持不變。實際信號的波動速度主要由小尺度衰落決定，有理由相信，如果去掉小尺度衰落的影響，信號波動速度將大大降低。文獻［11］對重度陰影環境下含有小尺度衰落的信號和去掉小尺度衰落的信號進行了對比，也證實了文獻［10］中的結論。

2．2相關時間分析文獻［6］中對大尺度衰落信號的相關特性進行了總結，根據不同情況可以選擇不同的相關模型進行建模，從實際情況和方便分析的角度，選擇文獻［7］中給出的相關模型。文獻［9］中給出了實際測量的大尺度衰落信號相關數據及擬合的相關模型，對于L-band，80°情況下的相關距離是20m，60°情況下的相關距離是16m，并且S-band情況下與此有類似結果。與上表對比相關距離大大增加。因此如果用僅含有大尺度衰落的信號來近似實際信號，那么進行預測是比較有實現意義的。

2．3近似的信道質量合理性分析雖然經過上述近似之后可以進行預測，但是如果這種近似信號與實際信號相差過大，那么即使做了預測，由于輸入數據本身存在的較大偏差，其預測結果也是沒有意義的，因此重點討論的是這種近似信號與實際信號的差距。由于無法獲得實際測量信號，只分析現有文獻中給出的實際信號的統計特性。選擇的是ITU-RM1225［12］中的衛星信道模型。此模型中的多徑數目較少，而且多徑的功率相對于直射徑來說也很低。如果去掉小尺度衰落的影響，也就是將多徑的效應進一步減弱，結果與含有多徑的信號質量之間的差距，直觀上也不會很大。

3仿真分析

通過仿真對利用大尺度衰落對信號質量CQI進行分析的方法進行了分析。產生大尺度衰落的模型采用了文獻［9］中的模型。其中低通濾波器的參數選擇反映的是信道的特性，與輸入信號的具體帶寬和其他特性沒有關系，因此在產生大尺度衰減窄帶信號和大尺度衰減寬帶信號時，可以使用相同的大尺度衰減模型及參數。由于無法獲得具體的參數，本文仿真參照了文獻［9］中關于衰落相關距離的數據進行了LPF的參數選擇。下面本文利用上述模型對僅含有大尺度衰落信號和加入小尺度衰落信號的情況進行了仿真。圖3是對含有小尺度衰落的CQI數據和只含有大尺度衰落的CQI數據的對比仿真，從圖中可以看出，僅含有大尺度衰落的CQI數據變化趨勢要明顯慢于含有小尺度衰落的CQI數據。

4結束語

本文分析了在GEO衛星通信系統中進行AMC調整存在的問題，為保證高效的AMC，CQI預測是非常必要的。同時對實際CQI進行預測的困難也進行了分析。為了能夠獲得有實現意義的預測，提出利用僅含有大尺度衰落的CQI數據進行預測的方法。使用近似后的CQI數據，能夠滿足一般預測模型關于相關時間的要求，可用于實現有意義的預測。仿真結果表明僅含有大尺度衰落的CQI數據與原始的帶有小尺度衰落的CQI數據差別不大，不會顯著影響AMC效率。

作者：鄭雅丹徐曉燕司贏董明科金野吳建軍單位：北京大學息科學技術學院衛星與無線通信實驗室