倪 娟，黃國策，陳 強(qiáng)，余 輝

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710077;2.中國人民解放軍95866部隊(duì)，河北 保定 071051)

責(zé)任編輯:薛 京

UHF頻段憑借信號穿透力強(qiáng)、終端實(shí)用性強(qiáng)以及可實(shí)現(xiàn)全球波束覆蓋和廣播聯(lián)網(wǎng)、接入得到保證［1］等優(yōu)點(diǎn)，大量應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。然而，UHF頻段通信存在帶寬有限、信道衰落嚴(yán)重等缺點(diǎn)，將導(dǎo)致衛(wèi)星通信可靠性降低。因此，急需開展UHF頻段衛(wèi)星信道傳輸特性的研究，從而采取抗衰落技術(shù)來抵抗惡劣環(huán)境的影響。

隨著衛(wèi)星移動通信發(fā)展到第三代，傳輸數(shù)據(jù)速率提高，系統(tǒng)頻譜帶寬增大，信道衰落特性也變成頻率選擇性衰落，研究模型建立和仿真也變得更加困難［2］。Bello在1963年首次提出用廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射(Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering，WSSUS)模型對頻率選擇性衰落信道進(jìn)行簡單建模［3］。陳立虎［4］等人基于WSSUS模型，建立了中繼衛(wèi)星與導(dǎo)彈之間通信信道模型，并在海面、平原和山區(qū)3種通信環(huán)境下進(jìn)行信道仿真。張嘉銘［2］等人基于多點(diǎn)散射理論和WSSUS模型，建立了寬帶移動衛(wèi)星信道模型，仿真得到的山區(qū)、公路和城區(qū)3種典型環(huán)境下的數(shù)據(jù)與德國航空研究中心的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較驗(yàn)證。文獻(xiàn)［5］在經(jīng)典Corazza模型基礎(chǔ)上，考慮UHF頻段衛(wèi)星移動信道電離層閃爍和陰影效應(yīng)的主要影響，提出了Nakagami-Lognormal混合統(tǒng)計(jì)信道的概念。本文基于WSSUS模型，針對UHF頻段不同場景下衛(wèi)星移動通信信道進(jìn)行研究，充分考慮電離層閃爍、多徑效應(yīng)、多普勒頻移以及陰影效應(yīng)等因素的影響，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，并對不同場景下的信道進(jìn)行了性能分析及仿真。

1 UHF頻段衛(wèi)星移動信道的建立

信道的傳播特性是研究衛(wèi)星移動通信時遇到的重要問題之一。在系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中，為向用戶提供可靠服務(wù)，需充分考慮信道傳播特性以選擇合適的調(diào)制、編解碼和多址方式等［6］。如圖1所示，UHF頻段衛(wèi)星移動信道兼具衛(wèi)星信道和移動信道的特征，是一種復(fù)雜的時變衰落信道，受到電離層閃爍效應(yīng)、多徑衰落、多普勒頻移和陰影效應(yīng)的影響，嚴(yán)重影響了數(shù)字信號傳輸?shù)目煽啃?，由于移動終端所處的物理環(huán)境各不相同，必須對不同場景逐一進(jìn)行分析，分別確定各自的傳播特性。

1.1 常見場景描述

圖1 UHF頻段衛(wèi)星移動通信信道示意圖

UHF頻段衛(wèi)星移動信道不僅信道復(fù)雜，而且終端呈現(xiàn)樣式也較多，包括地面手持、機(jī)載、車載等。由于信號變化的統(tǒng)計(jì)特性很大程度上依賴于終端所處環(huán)境，可以將其分為沒有陰影效應(yīng)的傳播和有陰影效應(yīng)的傳播。一般地，對于機(jī)載終端和開闊區(qū)域的車載終端，認(rèn)為直射分量沒有阻擋，此時是一種萊斯信道;當(dāng)受到陰影衰落影響時，根據(jù)直射分量和多徑分量受遮蔽的不同，又可以分為部分陰影遮蔽和全陰影遮蔽兩種場景。

1.2 多普勒頻移和多徑時延

1.2.1 機(jī)載終端信道

此時衛(wèi)星與飛行器通信，視距路徑為常數(shù)，多徑分量服從瑞利衰落。假設(shè)飛行器速率(即終端速率)v=100 m/s，電離層閃爍的萊斯因子為14.8 dB，陸地多徑的萊斯因子為7 dB。

1)多普勒功率譜

機(jī)載場景下，由于飛行器速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他場景，會產(chǎn)生較大的多普勒頻移，此時信道表現(xiàn)為頻率選擇性快衰落。衛(wèi)星與飛行器中的終端通信，多徑分量一般不是全向分布的，天線波束寬度小于360°，通常假設(shè)有一個3.5°的散射成分。當(dāng)散射是各向異性時，Jakes推出的多普勒“U”型功率譜［7］變?yōu)?/p>

式中:θαL是天線波束到達(dá)的最小角度;θαH是天線波束到達(dá)的最大角度。

2)多徑時延分布

衛(wèi)星與飛機(jī)通信時，假設(shè)飛機(jī)飛行高度為10 km，衛(wèi)星高度為36000 km，最大多徑時延為11 μs，時延功率譜的斜率為τslope=1 μs。信道多徑時延服從指數(shù)分布［8］

1.2.2 開闊區(qū)域車載終端信道

該信道場景下，衛(wèi)星與汽車通信，此時信道符合萊斯衰落，假設(shè)運(yùn)動速率v=13 m/s，電離層閃爍的萊斯因子為14.8 dB，陸地多徑的萊斯因子為17 dB。

1)多普勒功率譜

相比于飛行器，汽車以較小的速度運(yùn)動，可認(rèn)為多徑分量入射角在0°～360°全向均勻分布，此時多譜勒功率譜為Jakes典型功率譜，表達(dá)式為

式中:fDmax

2)多徑時延分布

開闊區(qū)域可以借鑒COST207鄉(xiāng)村模型，信道的時延值服從指數(shù)分布，最大多徑時延 τmax=0.15 μs，τslope=延遲功率譜［4］為

1.2.3 部分陰影信道

接收信號由直射分量和多徑分量組成，陰影效應(yīng)只作用于直射分量，可以把該場景看做是Loo信道模型［9］，此時電離層閃爍的萊斯因子為14.8 dB，陸地多徑的萊斯因子為15 dB，最大多徑時延為400 ns，平均路徑損耗為6 dB。

1.2.4 全陰影信道

陰影效應(yīng)同時作用于直射分量和多徑分量，可以把該場景看作是Lutz信道模型［9］，此時電離層閃爍的萊斯因子為14.8 dB，陸地多徑的萊斯因子為6 dB，最大多徑時延為400 ns，平均路徑損耗為5.8 dB，無陰影遮蓋時間概率為0.1。

2 等效萊斯因子計(jì)算

信道模型中，基本衰落類型之間彼此獨(dú)立［6］，電離層閃爍效應(yīng)和多徑效應(yīng)均有各自的萊斯因子，為了獲得不同場景的萊斯因子，需要計(jì)算出這些衰落效應(yīng)合并后的等效萊斯因子。

2.1 存在電離層閃爍和多徑效應(yīng)時等效萊斯因子

設(shè)Rs為電離層閃爍效應(yīng)對應(yīng)萊斯因子，Rm為多徑效應(yīng)對應(yīng)萊斯因子，Requal為等效萊斯因子［9］。

如果信道只存在電離層閃爍效應(yīng)或多徑效應(yīng)，則Requal等于Rs或者Rm;如果信道同時存在這兩種衰落效應(yīng)，則

2.2 同時存在電離層閃爍、多徑和陰影效應(yīng)時等效萊斯因子計(jì)算

設(shè)Gs為陰影遮蔽效應(yīng)下的平均路徑損耗，當(dāng)信道同時存在電離層閃爍、多徑和陰影效應(yīng)時，若陰影效應(yīng)為Loo型，則等效萊斯因子為

式中:a=Rs/(Rs+1)為電離層閃爍效應(yīng)對直射信號功率的影響因子;b=1/(Rs+1)為電離層閃爍效應(yīng)對隨機(jī)散射信號功率的影響因子。

若信道存在的陰影效應(yīng)為Lutz型，則等效萊斯因子為

式中:pcnt為信道處于無陰影遮蔽狀態(tài)的時間百分比。

3 基于WSSUS模型的移動衛(wèi)星信道模型系統(tǒng)

WSSUS模型是基于小尺度衰落的廣義平穩(wěn)非相關(guān)過程，信道特性能由概率密度函數(shù)和一個雙變量相關(guān)函數(shù)完全確定。信道廣義平穩(wěn)是指信道沖激響應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)與時間無關(guān)，只與時間差有關(guān);非相關(guān)散射是指不同散射體的延時分布不相關(guān)［4］。WSSUS模型兩個顯著特點(diǎn)，一是時延域和多普勒頻偏域上具有非相關(guān)特性，二是時間域和頻率域上具有廣義平穩(wěn)特性。

3.1 信道沖激響應(yīng)

根據(jù)分析，多徑衰落分析基于 WSSUS 模型［2，10］的UHF頻段移動衛(wèi)星通信信道沖激響應(yīng)為

式中，t，τ為特定的時刻和時間的增量;M為多徑信號數(shù)目;fDLos

為直射分量的多普勒頻移;φm為第m個多徑分量達(dá)到接收端的初始相位，φm相互獨(dú)立且在［0，2π］上服從均勻分布;fDm為第m個多徑分量的多普勒頻偏;τm獨(dú)立同分布，為第m個多徑分量的多徑時延。

由式(8)可以看出，h(τ，t)由1個直射分量和M個互不相關(guān)的多徑信號組成，1/為歸一化因子，確保信號總功率為1。當(dāng)M→∞ 時，由中心極限定理可知，h(τ，t)中的多徑部分是一個復(fù)高斯過程，幅度服從瑞利分布。p∈R是視距路徑的幅度，q∈R是多徑部分的標(biāo)準(zhǔn)差。等效萊斯因子被定義為K=p2/q2。由E=

3.2 隨機(jī)變量的模擬

信道模型仿真時，主要考慮多徑分量初相位φm、各條多徑的多普勒頻偏fDm和多徑時延τm的參數(shù)選擇。根據(jù)蒙特卡羅(Monte-Carlo，MC)仿真方法，在開區(qū)間(0，1)之間選擇服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)vm來模擬概率分布的隨機(jī)變量um，則um=gu(vm)=(vm)，gu(·)為模擬變量概率密度的反函數(shù)［10］，則參數(shù)模擬如下:

1)φm的概率密度函數(shù)p(φm)=，則φm=2π·vm;

2)p(fD)滿足Jakes功率譜，得到fDm=fDmax·cos［θαL+(θαH－ θαL)·vm］，其中滿足全向 Jakes 功率譜時，fDmax·cos(2πvm);

3)p(τ)服從指數(shù)分布，得到 τm≈－ τslope·ln(1 －vm)，τmax≥ τslope。

4 仿真分析

以前面的分析和建立的模型為基礎(chǔ)，本文針對直射路徑存在與否情況下對所建立的信道進(jìn)行了仿真。設(shè)置載波頻率為fc=300 MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為3.84 Mbit/s，調(diào)制方式為QPSK，多徑數(shù)M=128。

圖2和圖3分別為不存在直射分量和存在直射分量時信道包絡(luò)的概率密度函數(shù)與理論瑞利分布、萊斯分布的比較圖?？梢钥闯?，圖2的信道包絡(luò)概率密度函數(shù)基本服從瑞利分布，而圖3的信道包絡(luò)概率密度函數(shù)服從萊斯分布，這與前面的分析是一致的、對應(yīng)的，因此滿足了不同場景下信道模型的要求，通過驗(yàn)證得出所建立的信道模型是正確的、科學(xué)合理的。

圖2 無直射分量信道的概率密度函數(shù)

本文在建立的相應(yīng)的信道模型基礎(chǔ)上，對機(jī)載、車載、部分陰影、全陰影以及理想高斯信道5種場景進(jìn)行了誤碼率的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)仿真。仿真中仿真點(diǎn)數(shù)是100000點(diǎn)，其他參數(shù)設(shè)置與上述實(shí)驗(yàn)相同，假設(shè)接收機(jī)與直射分量完全同步，得到誤碼率曲線如圖4所示。

圖3 有直射分量信道的概率密度函數(shù)

圖4 UHF衛(wèi)星移動信道不同場景下的誤碼率曲線

由圖4可以看出，相同信噪比情況下，誤碼率性能由好到差依次是:理想高斯信道＞車載終端信道＞地面部分陰影＞地面全陰影＞機(jī)載終端信道。機(jī)載場景由于飛行器運(yùn)動速率較大，會產(chǎn)生較大的多普勒頻移，嚴(yán)重影響信號接收，對信道性能影響較大，使系統(tǒng)誤碼率惡化，因此需要采取抗衰落技術(shù)，提高誤碼率性能。隨著陰影效應(yīng)影響的減弱，信道的性能也有所提高，當(dāng)信噪比為12 dB時，車載場景比地面部分陰影場景性能約有一個數(shù)量級的提升，達(dá)到10-5，而地面部分陰影場景又比地面全陰影場景性能提升一個數(shù)量級。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)接收終端環(huán)境的不同，充分考慮電離層閃爍、多徑效應(yīng)、多普勒頻移和陰遮蔽的影響，分析了信道的統(tǒng)計(jì)特性，提出了一種UHF衛(wèi)星移動信道模型，并給出了不同場景下誤碼率性能仿真結(jié)果。針對機(jī)載場景、地面全陰影場景性能很差，無法直接進(jìn)行通信的問題，需要采取諸如信道編碼、分集接收和自適應(yīng)均衡等抗衰落技術(shù)來加以改善，這對于將來解決衛(wèi)星寬帶無線信道模擬與通信等關(guān)鍵技術(shù)研究具有重要的參考價值。

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