劉春玲

【摘要】針對(duì)移動(dòng)通信的特點(diǎn)，本文以中繼衛(wèi)星通信鏈路為主要研究對(duì)象，分析了該鏈路通信信道中存在的傳播損耗，并以此為基礎(chǔ)建立了鏈路通信的信道模型;最后仿真分析了不同的通信傳輸速率在加性高斯白噪聲（AWGN）衰落信道、多徑Rayleigh衰落信道、Rician衰落信道以及復(fù)雜衰落信道中的誤碼率特性曲線，仿真結(jié)果表明，滿足Rayleigh衰落信道模型的信號(hào)分量對(duì)系統(tǒng)的性能影響較大，且傳輸速率越高，信號(hào)分量中的反射分量與多徑分量影響越大。

【關(guān)鍵詞】信道模型;高斯白噪聲衰落信道;多徑;誤碼率

1.引言

隨著移動(dòng)通信環(huán)境越來越復(fù)雜，使得移動(dòng)通信可靠性受到巨大挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)鏈無線通信信號(hào)在空間傳播過程中不可避免的受到自然環(huán)境如降雨、雨霧、大氣吸收、多徑、陰影等不同因素的影響，從而對(duì)通信信號(hào)的質(zhì)量造成不同程度的衰減，分析這些信道因素的特性，建立適合的鏈路信道模型可以為移動(dòng)通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證測(cè)試提供重要的理論支持，這就對(duì)研究移動(dòng)數(shù)據(jù)鏈的通信信道建模提出了新需求。

為此，本文針對(duì)移動(dòng)與衛(wèi)星的通信信道進(jìn)行了建模與仿真。

2.數(shù)據(jù)鏈信道傳播特性分析

無線信號(hào)傳播過程中，鏈路傳播損耗的影響因素主要有自由空間損耗、雨衰、云霧衰、大氣吸收損耗，以及由多徑效應(yīng)引起的多徑衰落、陰影衰落。

2.1 自由空間傳播損耗

無線電波傳播中最基本的傳播方式是自由空間傳播，在影響衛(wèi)星通信鏈路中的傳輸損耗因素中，最主要的是自由空間損耗。

設(shè)d為通信距離，PT是天線發(fā)射功率，GT為天線發(fā)射增益，GR為天線的接收增益，D為天線直徑，為信號(hào)的波長(zhǎng)，則接收信號(hào)的功率如公式1。

（1）

其中，自由空間損耗為：

用dB表示傳輸距離d與頻率f的轉(zhuǎn)換關(guān)系如公式2。

（dB）

（2）

由上式可知，自由空間損耗Lp的大小與頻率f及傳送距離d有關(guān)。

2.2 雨衰

大氣和降雨等對(duì)毫米波傳播的影響顯著。毫米波通過大氣時(shí)產(chǎn)生的衰減主要是水汽和氧的吸收造成，水汽分子具有電偶極矩，氧分子具有磁偶極矩，它們與毫米波相互作用，在某些波長(zhǎng)上產(chǎn)生諧振而吸收其能量。在毫米波頻段，雨、雪和冰雹引起的衰減更為嚴(yán)重，還會(huì)改變電磁波的極化，增加系統(tǒng)的噪聲溫度。尤其是降雨的影響不容忽視，研究表明由于降雨而引起的信號(hào)衰落是高頻段衛(wèi)星通信所經(jīng)受的最嚴(yán)重的傳播損耗。

依據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟提出的ITU-R降雨衰減模型，降雨衰減可表示為：

（3）

式中，Rp是降雨率（mm/h）。ε為路徑仰角，參數(shù)K和與頻率、通信仰角和極化傾角有關(guān)，可通過經(jīng)驗(yàn)公式得到：

為雨區(qū)經(jīng)歷的等效傾斜路徑長(zhǎng)度，與降雨率Rp和仰角ε有關(guān)：

（4）

圖1所示是降雨率Rp與降雨衰減的關(guān)系。可知隨著Rp的增大，增大;通信仰角的越小，越大;同時(shí)，隨著載波頻率的增大，也增大。

圖1 降雨率與降雨衰減的關(guān)系

2.3 云霧衰減

無線電波穿過云霧傳播時(shí)，電波信號(hào)的部分能量會(huì)被云霧中的水汽分子吸收或散射，導(dǎo)致信號(hào)能量損耗。一般認(rèn)為，工作頻率越高、穿越的路徑越長(zhǎng)、云霧濃度也大，云霧衰減越嚴(yán)重。

相比于降雨衰減對(duì)信號(hào)的影響，云霧衰減要小得多，但是在波束的邊緣區(qū)域和低仰角的高緯度地區(qū)，云霧衰減是不可以忽略的。對(duì)于云霧引起的損耗，可以用下式估計(jì)計(jì)算：

（dB/km） ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中，頻率f的單位為GHz，能見度vm的單位是m。

研究表明，能見度約為30m的密霧，引起的電波損耗介于大雨和中雨引起的雨衰之間;能見度約為120m的濃霧，引起的電波損耗與小雨引起的雨衰近似。

2.4 大氣吸收損耗

大氣吸收衰減主要是由大氣吸收引起的，而該衰減主要取決于載波頻率、通信仰角、海拔高度和水蒸氣的絕對(duì)濕度。當(dāng)頻率低于10GHz時(shí)，該衰減可以忽略不計(jì)，但是頻率高于10GHz時(shí)，該衰減隨著頻率的增加而增加，特別是對(duì)于低仰角的情況下明顯。依據(jù)ITU-R給出的大氣吸收損耗的計(jì)算方法公式為：

（6）

式中，為天線仰角;表示干燥空氣的有效高度（km）;為氧氣的損耗系數(shù)（dB/km）;表示水蒸氣的有效高度（km）;為水蒸氣的損耗系數(shù)（dB/km）。

2.5 多徑衰落

由于經(jīng)不同路徑的直射波和反射波的幅度、相位各不相同，到達(dá)接收天線的時(shí)間也不相同，所以接收信號(hào)為多個(gè)不同幅度、相位的信號(hào)的疊加，從而導(dǎo)致接收信號(hào)幅度急劇起伏，稱這種現(xiàn)象為多徑效應(yīng)。由多徑效應(yīng)引入的衰落稱為多徑衰落。接收終端接收的信號(hào)一般由受遮蔽的直射信號(hào)和漫反射引入的多徑信號(hào)組成，而受遮蔽的直射信號(hào)的概率密度函數(shù)服從Lognormal分布。其中經(jīng)漫反射引入的多徑信號(hào)的概率密度函數(shù)服從Rayleigh分布。

2.6 陰影衰落

信號(hào)傳播路徑中的建筑物、樹木或山丘等高層障礙物形成無線電陰影，任何穿過或繞過該障礙物的電波都將發(fā)生衰減，從而造成接收信號(hào)的電平下降，稱這種現(xiàn)象為陰影效應(yīng)。由于陰影效應(yīng)，接收信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不同程度的衰減，導(dǎo)致接收信號(hào)電平在一定的范圍內(nèi)起伏，從而引起衰落，稱為陰影衰落。受陰影衰落的影響，接收信號(hào)包絡(luò)一般可用Lognormal分布來描述。

3.鏈路建模

通過上述鏈路損耗以及模型的分析，建立鏈路模型如圖2所示。考慮到鏈路通信選擇的頻段不同，信道中存在的衰落也不同。具體的信道模型選擇為：

（1）理想的高斯白噪聲信道;

（2）Rayleigh衰落模型信道與高斯白噪聲（AWGN）信道;

（3）Rician衰落信道與AWGN信道;

（4）復(fù)雜信道模型，即Rayleigh、Rician、AWGN相結(jié)合的模型。

圖2 鏈路仿真模型

圖3 不同傳輸速率各信道的誤碼率曲線

4.鏈路仿真與分析

利用Matlab對(duì)上述鏈路模型搭建仿真平臺(tái)，分別對(duì)不同的信道衰落環(huán)境進(jìn)行誤碼率統(tǒng)計(jì)分析。以下是在BPSK調(diào)制解調(diào)模式下不同傳輸速率的信號(hào)分別在上述四種衰落信道環(huán)境誤碼率比較。

由圖3可看出，不同傳輸速率的信號(hào)在AWGN信道的誤碼率最低，Rician衰落信道次之，Rayleigh衰落信道與復(fù)雜信道對(duì)信號(hào)的傳輸性能造成了很大的影響。在相同的誤碼率情況，多徑Rayleigh衰落、復(fù)雜衰落信道所需的信噪比要比AWGN信道、Rician信道要高。在相同的信噪比下，信號(hào)在AWGN、Rician衰落信號(hào)中誤碼率小于多徑Rayleigh衰落信道和復(fù)雜衰落信道。此外，對(duì)比圖3可知，隨著信號(hào)傳輸速率的增大，信號(hào)受多徑Rayleigh衰落影響更加明顯，說明滿足Rayleigh衰落分布的信號(hào)分量更容易引起碼間干擾，造成誤碼率的急劇提升。

5.結(jié)束

本文分析了移動(dòng)通信信道環(huán)境特性，對(duì)信道存在的各種衰落進(jìn)行了介紹與估算，然后針對(duì)不用的信道環(huán)境進(jìn)行了鏈路模型建模，最后分析了不同的信道環(huán)境對(duì)通信信號(hào)誤碼率產(chǎn)生的影響。仿真結(jié)果表明，多徑瑞利衰落信道對(duì)系統(tǒng)性能造成了很大的影響，而且隨著通信速率的提高，信道中對(duì)信號(hào)造成影響的信號(hào)分量造成的碼間干擾也越大。

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