临近空间移动通信信道模型

临近空间移动通信信道模型临近空间移动通信信道模型临近空间移动通信信道模型临近空间移动通信信道模型研究研究研究研究欧阳向京欧阳向京欧阳向京欧阳向京，，，，陈树新陈树新陈树新陈树新，，，，鲍荣伟鲍荣伟鲍荣伟鲍荣伟，，，，张德纯张德纯张德纯张德纯(空军工程大学电讯工程学院，西安710077)摘摘摘摘要要要要：：：：分析临近空间移动信道的传输特性，包括多径衰落、阴影效应、多普勒效应3个方面。基于GWSSUS模型提出临近空间通信信道模型，根据途中飞行状态分别建立远距、近距和过顶3种情况的模型。对各飞行状态进行误码率特性进行仿真，结果表明，该模型能较为真实地反映临近空间通信信道的特性。关键词关键词关键词关键词：：：：多径衰落；阴影效应；多普勒效应；GWSSUS模型；临近空间StudyofMobileCommunicationChannelModelonNearbySpaceOUYANGXiang-jing,CHENShu-xin,BAORong-wei,ZHANGDe-chun(TelecommunicationEngineeringInstitute,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710077,China)【【【【Abstract】】】】Thispaperanalyzesthetransfercharacteristicofthemobilecommunicationchannelonnearbyspace,includingmultipathfading,shadoweffectandDopplereffect.OnthebasisofGWSSUSmodel,itproposesnearspacecommunicationsmodelofthechannel.Accordingtothestateofflight,long-distance,short-rangeandoverthetopmodelsarerespectivelybuiltup.Thebiterrorrateofthethreeflightstatesaresimulated.Simulationresultsshowthatthemodelisabletoreflectamorerealisticapproachofspacecommunicationchannelcharacteristics.【【【【Keywords】】】】multipathfading;shadoweffect;Dopplereffect;GWSSUSmodel;nearbyspaceDOI:10.3969/j.issn.1000-3428.2011.07.032计算机工程ComputerEngineering第37卷第7期Vol.37No.72011年4月April2011····网络与通信网络与通信网络与通信网络与通信····文章编号文章编号文章编号文章编号：：：：1000————3428(2011)07————0097————03文献标识码文献标识码文献标识码文献标识码：：：：A中图分类号中图分类号中图分类号中图分类号：：：：TN9151概述概述概述概述临近空间作为空天的“交界层”，具有飞行高度高、滞空时间长的独特优势，可作为地面通信平台、天基平台和空基平台的重要补充，已经成为各国关注的重点。目前，美国、俄罗斯、欧洲航天局、英国、德国、日本、韩国均有临近空间飞艇研究方案，其中比较典型的有美国空军的战斗天星(CombatSkySat)项目、俄罗斯的临近空间平台项目、欧洲航天局的临近空间平台项目、英国的“天猫”系列、日本的临近空间飞艇项目和韩国的临近空间平台项目等。在这样的背景下，很有必要建立我国的移动信道模型，因此，本文就临近空间移动通信信道模型进行了研究。2临近空间临近空间临近空间临近空间美国空军定义临近空间的高度范围是19.8km~100km，因此，临近空间既不属于航空范畴也不属于航天范畴，它是从航空空域向航天空域过渡的区域[1]。临近空间自下而上包括大气平流层区域(对流层)、中间大气层区域和部分电离层区域[1]，如图1所示。图图图图1临近空间区域临近空间区域临近空间区域临近空间区域在这一区间布设的飞行器具有飞行高度高、滞空时间长的独特优势，这些飞行器可执行快速远程投送、预警、侦察与战场监视、通信中继、信息干扰、导航等任务，在空间攻防和信息对抗中能发挥重要作用，其特殊的战略位置和特点，决定了临近空间信息系统将成为国家空、天、地一体化信息系统不可缺少的组成部分。临近空间既不是航空区域的扩展，也不属于航天范畴，它将成为全新的作战区域，其物理环境和作战环境都是独一无二的。3临近空间移动信道的传输特性临近空间移动信道的传输特性临近空间移动信道的传输特性临近空间移动信道的传输特性3.1多径传播多径传播多径传播多径传播多径衰落是无线电信号由发送端发出经不同的路径，不同的时延到达接收端，由于各传播路径分量幅度、相位各不相同，合成的信号起伏很大，称为多径衰落[2]。多径传播效应主要表现在时延扩展和频率选择性衰落。时延扩展是由于多径传播信号的各个分量到达接收点的时间不同，使本来发送的窄脉冲信号在接收点被扩展，使原发送的一串离散脉冲产生错叠，甚至变成一串连续脉冲，即形成所谓的符号间干扰(Inter-SymbolInterference,ISI)。频率选择性衰落是由于多径信号相对延时随时间而变化，使信号频谱中的不同频率成份受到不同程度的衰落，从而导致信号波形畸变。多径信道的模型可以用一个时变冲击响应(,)ctτ来描述：j2π()(,)()e(())cnftnnnctattττδττ−=−∑(1)其中，()nat是第n个路径上接收信号的幅度；cf是发送信号的载波频率；()ntτ是第n个路径上的传播延迟。3.2阴影效应阴影效应阴影效应阴影效应阴影效应对移动台接收信号的影响很大，在以树木、建作者简介作者简介作者简介作者简介：：：：欧阳向京(1983－)，男，硕士研究生，主研方向：空天信息传输；陈树新，副教授；鲍荣伟，硕士研究生；张德纯，副教授收稿日期收稿日期收稿日期收稿日期：：：：2010-09-20E-mail：：：：[e-mail]98计算机工程2011年4月5日筑物遮蔽为主要特征的公路环境、农村地区和城市地区，阴影效应主要表现在树木和建筑物的吸收、散射或绕射引起直射波的衰减变化，以及相关多径分量对直射波的干涉作用，衰减量决定于树叶和枝干的浓密度、电波穿越树冠的路径以及建筑物的大小[2]。这种衰落是一种慢衰落，衰落率与移动物的速度以及阻挡物的分布有关。3.3多普勒效应多普勒效应多普勒效应多普勒效应在临近空间中，由于移动平台飞行速度快，导致多普勒频移大范围的快速时变。多普勒频移取决于平台和用户的相对运动速度和位置。通常认为，由于多普勒效应，接收的多径信号满足Jakes谱。2max2maxmaxmax()π1(/)0rrffSffffffσ=−≤(2)其中，()rrSf是多径分量的功率谱密度；maxf是最大多普勒频移；2()drrSffσ∞−∞=∫是等效多径接收信号的平均功率。4临近空间信道模型的建立临近空间信道模型的建立临近空间信道模型的建立临近空间信道模型的建立4.1临近空间临近空间临近空间临近空间建模假设建模假设建模假设建模假设4.1.1不考虑对流层传输效应的假设在用户链路L/S频段通信中，通信系统的性能会受到对流层、多普勒效应和多径效应的影响。在对流层的各类影响当中，雨衰是其中最严重的因素，但降雨衰减与频率有关，在频段高于20GHz时，雨衰是最主要的大气衰减因素，但是对L/S频段影响很小，可以忽略不计[3]。因此，建模时不考虑对流层传输效应，同时假设多径分量来自于地面，以及其他散射体。4.1.2基于高斯广义平稳非相关散射假设的多径描述为了得到离散信道仿真模型，高斯广义平稳非相关散射(GWSSUS)假设是必须的。这个假设说，每条等效多径都是由很多独立的不可分解的多径构成，如果N足够大，通常认为大约为10，或更大一些，那么冲激响应中的元素为高斯分布，并且假设其广义平稳的，均值为0，由中心极限定理可知，其合成量的包络将服从Rayleigh分布，相位则为[0,2π]均匀分布。4.1.3基于时延与多普勒相互独立的假设随机多径传输信道可以通过多普勒功率谱()Sv和多径密度分布()pτ来描述。假设多多普勒效应与多径效应相互独立，即()()(),SPvSvpττ=⋅。有了这个假设就可用一维的多普勒功率谱()Sv和多径密度分布()pτ，描述不同条件下的信道模型。已经证明散射函数(),SPvτ与其二维概率密度函数(,)pvτ呈比例关系[4]。有了这2个条件就可以用2个一维的概率密度函数()pv和()pτ来刻画随机信道。4.2用户链路信道建模用户链路信道建模用户链路信道建模用户链路信道建模临近空间通信系统中各用户运行状态多样，信息传输又有上行信道和下行信道之分，本文主要对上行信道进行分析。4.2.1途中飞行状态途中飞行状态是指临近空间飞行器(平台)远离地面用户，在中途稳定飞行时进行的上行通信过程。文献[5]对航空通信信道进行了详细描述，并采集了大量的数据，研究表明在仰角10.3°~28.6°时，上行信道与假设的两径信道模型高度吻合，而仰角大于28.6°时，信道与假设的两径模型存在较大的差异，信道由一个直视分量和多个反射分量组成。由于上述信道的描述仅与仰角相关，因此在距离上可以延伸，同时临近空间通信系统的用户链路信道与上述描述的航空信道类似。基于上述分析，本文引用文献[5]的结论。假设，临近空间飞行器(平台)飞行高度30000m，地面接收站仰角10.3°~28.6°，这时所对应的距离为55km~160km，因此，在途中飞行状态时，可以根据与临近空间飞行器(平台)的距离，将信道模型划分为远距情况和近距情况。4.2.2远距情况远距情况是指临近空间飞行器(平台)与地面用户的水平距离，大于53km小于160km的情况，在上述情况下，多径信道是由一个直视分量和一个主反射分量组成，可以用一个两径模型来描述信道，其中，莱斯系数为k=15dB[5]。假设使用L波段1.5GHz载波进行通信，飞行器平台的相对速度为1000m/s时，可以计算出此时最大多普勒频移为5kHz，根据文献[5]的计算结果，其相移在178.25º~181.75º内均匀分布，并服从Jake谱。反射分量的相对延时可以描述为：cdτ=Δ，其中，c是光速；dΔ是直视分量和主反射分量的路径差。对于用户链路来讲，通过几何分析可以得到：dhΔ≈。假设飞行器平台的高度为30km，从而得到max100μsτ≈。根据上述参数，信道的冲激响应可以表示为()()()()()12max,expj2πcexpj2πddhtaftftτδτδττ=⋅⋅+⋅⋅−(3)其中，莱斯系数22/cka=；maxτ是主反射分量的时延。4.2.3近距情况近距情况是指临近空间飞行器(平台)与地面用户的水平距离，小于53km，此时，多径信道是由直视分量和多径分量组成组成的一个莱斯信道模型，由于距离变近了，它的直视分量变的更强，相应莱斯系数也比较大，取k=18dB。假设飞行器间相对速度不变，则最大多普勒频移不变，为5kHz，多径分量在-90º~90º内服从均匀分布，多普勒频谱是Jake谱。信道近距情况的多普勒谱如图2所示。图图图图2信道近距信道近距信道近距信道近距情况情况情况情况的的的的多普勒谱多普勒谱多普勒谱多普勒谱假设max70μsτ=，其多径分量的时延谱可以用指数功率谱来表示，延迟衰减率是slope5μsτ=，则信道近距情况的时延功率谱如图3所示。延迟功率谱密度图图图图3信道近距信道近距信道近距信道近距情况情况情况情况的的的的时延功率谱时延功率谱时延功率谱时延功率谱第37卷第7期99欧阳向京，陈树新，鲍荣伟，等：临近空间移动通信信道模型研究此时maxslope/e0ττ−≈，所以时延功率谱简化成：()()1slopeslope