卫星移动通信信道特性与模型研究

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1、卫星移动通信信道特性与模型研究　山西电子技术2011年第1期通信技术　　收稿日期:2010-11-06作者简介:李正宙(1985-),男,河南南阳人,硕士研究生,研究方向:卫星通信技术。文章编号:1674-4578(2011)01-0052-03卫星移动通信信道特性与模型研究李正宙,贺　思,沈大伟(解放军理工大学通信工程学院研究生四队,江苏南京210007)摘　要:从多径效应、阴影效应、多普勒效应和电离层闪烁等方面具体分析了卫星移动通信信道传输特性,并从单状态统计模型和多状态统计模型两方面详细介绍了瑞利信道模型、莱斯信道模型、对数正态衰落信道模型、Loo模

2、型、Corazza模型、Lutz两状态信道模型和五状态Markov信道模型,最后对未来卫星移动通信信道模型研究做了展望。关键词:卫星移动通信;信道特性;信道模型中图分类号:TN927.2　　文献标识码:A0　引言研究任何一个通信系统,首先必须分析该通信系统的信道特征。之所以需要对信道特征进行分析和建模,一方面因为信道特征决定了信道的容量,另一方面,通信系统中的编解码、调制解调和各种接收技术等通信模块都要针对特定的信道特征来进行设计,所以,卫星信道的特征分析和相应数学模型的建立对进一步的研究和仿真非常重要。信道的测量和建模可以说是研究和开发通信系统的首要问题

3、。由于卫星和移动终端的相对运动,使得卫星移动信道具有随机和时变特性;同时,由于卫星移动通信系统所使用轨道、终端和环境条件的不同,卫星移动信道具有多样性。1　信道特性卫星移动信道同时具有卫星信道和移动信道的特征,存在着多径效应、阴影效应、多普勒频移和电离层闪烁等严重影响着数字信号传输可靠性的因素。1.1　多径效应移动通信卫星中,电波到达接收天线前经各种物体的反射、散射和绕射,接收到的信号是具有不同幅度、相位、时延以及入射角度的多个信号的合成信号,造成接收信号的幅度会随着时间的推移剧烈变化。由于多径效应产生的衰落称为多径衰落,其持续时间一般较短,它是一种快衰落

4、。1.2　阴影效应当电波在传播路径上遇到建筑物、树木、起伏山丘等障碍物的阻挡时,会使电磁波信号产生衰耗,从而造成接收信号电平的下降,这种现象称为阴影遮蔽。此时卫星与移动站之间的直射信号被路边的树木或其他障碍物吸收或散射掉,使得接收端信号的幅度在一定的范围内产生起伏,这就产生了阴影衰落,它是一种慢衰落。阴影衰落的衰落率主要取决于移动站周围的环境和收发双方的运动速度,与频率基本无关,而阴影衰落的深度取决于信号的频率和障碍物状况。1.3　多普勒频移当卫星和移动地球站之间存在相对运动时,接收信号的频率与发送信号的频率之间引入了一个差值,相应的频差叫多普勒频移。其计

5、算公式为:fd=vλcosα.(1)其中α是入射电波与移动站运动方向之间的夹角;v是卫星和移动站之间的相对运动速度;λ是载波波长。由公式可以看出,信号的频率越高或者径向移动速度v越高,则多普勒频移就越大。多普勒频移对采用相干解调的数字通信的危害较大。1.4　电离层闪烁当电波通过电离层时,受电离层结构的不均匀性和随机时变性的影响,造成信号的振幅、相位、到达角、极化状态等短周期的不规则变化,形成“电离层闪烁”现象。2　信道模型目前,在对卫星移动通信信道的传播特性的研究中有三类分析模型被用来描述卫星移动通信信道的传播特性,即:经验模型、几何分析模型、概率分布模型

6、。国内外通常采用概率分布模型来分析和研究卫星移动通信信道传播特性。概率分布模型主要分为两类,以Loo模型、Corazza模型为代表的单状态统计模型和以Luzt两状态模型等为代表的基于Markov链的多状态统计模型。2.1　单状态统计模型根据卫星移动通信特点和实际测试结果,C.Loo、Corazza提出了各自的信道模型。Loo模型[1,2]假设阴影只作用于直射分量(LOS-lineofsight)。而Corazza模型[3]认为阴影同时作用于直射分量和多径反射分量。瑞利、莱斯和对数正态三种分布模型是实现Loo模型和Corazza模型的基础,分布模型的准确性直

7、接影响单状态模型的整体性能。2.1.1　三种分布模型(1)瑞利信道模型在城市环境中,直视波分量完全被阻挡,及存在多径效应的情况下,电磁波的能量传输主要通过散射方式进行。当反射波数目N很大时,根据中心极限定理,接收信号可以看成两个相互独立的均值为0,方差为σ2d的高斯过程的叠加。接收信号可表示为:rRayl(t)=a2c(t)+a2s(t).(2)其中,ac(t)和as(t)为两个相互正交的高斯过程。接收信号的包络呈Rayleigh分布,其包络的概率分布函数(PDF)为:fRayl(r)=rσ2exp(-r2σ2)　(r>0).(3)其中2σ2为多径传播引起

8、的平均散射功率。(2)莱斯信道模型在开阔地环境中LOS分量未被阻挡