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:A
0　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。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。
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。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-line of sight )。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,接收信号可以看
作是直射分量与散射分量的叠加。其接收信号可表示为:
rRice(t)=s(t)+d(t)+n(t)=(a2c(t)+k)+a2s(t).
(4)
其中s(t)为直射分量,d(t)为散射分量, n(t)为加性高
斯白噪声。k为莱斯因子,即直射分量功率与多径分量功率
之比,在低轨道移动卫星通信
中,它是与仰角有关的参数,
ac(t)和as(t)仍为两个相互正交的高斯过程。这时接收
信号的包络服从莱斯(Rice)分布,接收信号包络的概率分
布函数为:
fRice(r)=2r(1+k)exp[-(1+k)r2-
k]·I0[2r k(k+1)]. (5)
其中

莱斯因子k=A22σ2,A2为直射分量功率,I0表示零
阶修正贝塞尔函数。
(3)对数正态衰落信道模型
在农村和郊区环境中,直射分量由于阴影效应部分被遮
蔽,接收信号可以表示为:
rLogn(t)=(rc(t)+ac(t))2+(γs(t)+as(t))2.
(6)
其中γc(t)、γs(t)为正交的对数正态过程,ac(t)和
as(t)为相互正交的高斯过程。其接收信号包络的概率分
布函数为:
fLogn(r) =r
b02πd0∫∞01z
exp(lnz-μ)22d0-(r2+z2)22b0·I0(rzb0)dz. (7)
其中b0=σ2为多径传播引起的平均散射功率,μ、d0
分别是对数正态分布的均值和均方差。
2.1.2　Loo模型
Loo模型又称为部分阴影模型。该模型假设接收到的
信号是由受到阴影作用的直射信号分量和不受阴影作用的
多径信号分量组成的,其中受到阴影遮蔽的直射分量服从
Lognormal分布,而多径漫反射分量服从Rayleigh分布,接收
信号可表示为:
rLoo(t)=z(t)s(t)+d(t). (8)
其中r(t)是接收到的信号; z(t)是直射波信号;d(t)是
多径信号; s(t)表示阴影衰落;总的接收信号r的概率分布
函数为:
fLoo(r) =∫∞0fr(r |z)fz(z)dz=1σ22πd0. (9)
∫∞01zexp-r2+z22σ2-(lnz-μ)2d0·I0rzσ2dz.
2.1.3　Corazza模型
Corazza模型又称为全阴影模型。该模型假设接收信号
中的直射信号分量和多径信号分量均受到阴影遮蔽的作用,
接收信号可表示为:
rCorazza(t)=[z(t)+d(t)]s(t)=R(t)s(t). (10)
接收信号包络r可看成是两个独立随机过程的乘积,
R(t)是Rice过程,s(t)是Lognormal过程。r的概率分布函
数为:
fCorazza(r) =∫∞01SfRrSfS(S)dS =
∫∞0f(r |S)fS(S)dS. (11)
fr(r|S)=rS2σ2exp -12rS2σ2+2k·I0rSσ2k.
(12)
fS(S)=r
2πd0exp(lnS-μ)22d0. (13)
其中,σ2=1/2(k+1),k为莱斯因子。
2. 2　多状态统计模型
单状态统计模型是由地面移动通信信道模型发展起来
的,在表示、仿真GEO卫星移动通信具有优势,但是根据
ESA(European SpaceAgency)对实际卫星通信信道进行的一
系列测试、统计和分析表明,卫星通信信道衰落特性不能用
单一的概率分布函数来描述,而应根据传播信号受到的遮蔽
情况来划分信号的传播环境,使用多个信道状态和多种概率
分布函数的组合来描述卫星移动通信信道。为了更好地表
示大范围内卫星移动通信信道的变化特点, Lutz[4]、Hui
Ming[5]等提出了基于多种单信道模型状态的Markov信道模
型。
2.2.1　Lutz两状态信道模型
Lutz提出的多状态模型将信道状态分为两种状态:“好
状态”和“坏状态”。当信道处于“
好状态”时,存在直射信号
分量且无阴影遮蔽效应,此时信道的统计特性服从Rice分
布;当信道处于“坏状态”时,不存在直射信号分量,包络统
计特性服从Rayleigh-Lognormal分布,则“坏状态”下接收信
53　第1期　　　　　　　　　　　李正宙,等:卫星移动通信信道特性与

模型研究号的概率分布函数为:
fRayl_Ln(r) =∫∞0fRayl(r/R0)fLogn(R0)dR0=
10
σln10 2π∫∞01R20exp-sR0-(10lgR0-μ)22σ2dR0.
(14)
设定加权悉数A,表示阴影遮蔽的时间百分比,得到总
的接收信号的概率分布函数为:
fLutz(r)=(1-A)fRice(r)+AfRayl_Ln(r). (15)
2.2.2　五状态Markov信道模型
在此模型中,作者定义了低遮蔽区域、中等遮蔽区域和
高遮蔽区域3个基本状态,在低遮蔽区域和高遮蔽区域中又
分别定义了两个字子状态,整个模型通过状态概率矩阵A
和状态转移概率矩阵P就能描述一定时间段内或给定路线
上的卫星移动传输信道。由于假设低遮蔽区域和高遮蔽区
域不能直接相通,转移矩阵可以简化为:
P=
P11P12P130 0
P21P22P230 0
P31P32P33P34P35
0 0P43P44P45
0 0P53P54P55
. (16)
其中Pij表示从状态i到状态j的转移概率(i =1,2,3,
4,5; j=1,2,3,4,5),且∑
5
j=1
Pij=1,0≤Pij≤1。
由于此Markov链是非周期、不可约、正回归的,其稳态
分布存在且等于其极限分布,既AP=A。所以要知道转移概
率矩阵P就能计算出状态概率矩阵A。矩阵A和矩阵P与
环境和移动站方位角等有关。由单状态统计模型可知,低遮
蔽区域下的“好状态”(状态1和状态2)服从Rice分布,高
遮蔽区域下的“坏状态”(状态4和状态5)服从Rayleigh-
Lognormal分布,而中等遮蔽区域下的“不好不坏状态”服从
Loo模型分布。
根据实测数据,通过信号衰落大小划分出5个状态,再
通过状态序列统计出状态转移概率矩阵P,而矩阵A统计拟
合可以获得。这样5状态Markov信道模型的概率密度函数
为:
f5s(r)=A1fRice1(r)+A2fRice2(r)+A3fLoo(r)+
A4fRayl_Ln1(r)+A5fRayl_Ln2(r). (17)
3　结论与展望
本文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适合不同地面
环境和卫星轨道的卫星移动通信信道模型。给出了各过程
的理论推导和量化数学表达式。对以后的卫星移动通信信
道建模具有重要指导意义。
未来卫星移动通信系统的一个基本特征是要完全和其
他地面网络集成,从而保证全球无处不在的无缝通信。为了
实现在不同多址接入、调制编码、分集结构下实时QoS预测
和系统性能比较,精确、可变的信道模型是必需的。未来的
信道模型需要建立在精确的估计和传输统计特性建模的基
础上,它要能很好融合天气衰落过程、多径衰落和阴影过程,
同时要考虑不同信道状态之间的转换。最后,信道建模和估
计算法的选择要考虑计算复杂度和实时处理的实现。
参考文献
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InternationalSymposium on Nov, 2008: 1512-1515.
Research of SatelliteM obile Communication ChannelProperties andM odels
Li Zheng-zhou, He S,i Shen Da-wei
(PostgraduateTeam4ICE, PLAUST, Nanjing Jiangsu210007, China)
Abstract:To research the technologies and performances of the satellite mobile communications systems, it is necessary to know
the physical channel characteristics. In this paper, itconcretely analyzes satellitemobile communication channelpropagation character-
istics throughmultipath effects, shadowing effects, Doppler effects, ionosphere glitter and other aspects, and Rayleigh channelmode,l
Rice channelmode,l lognormal channelmode,l Loomode,l Corazzamode,l Lutzmode,l a five-stateMarkovmodelare studied from the
aspects of single-state statisticalmodel andmulti-state statisticalmode.l At last, it expects the research of future satellitemobile c
om-
munication channelmodels.
Key words:satellitemobile communication; channel characteristics; channelmodel
54山　西　电　子　技　术　　　　　　　　　　　　　2011年　

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/f4oj.html