(完整word版)衛(wèi)星移動通信信道特性分析

1、收稿日期:2003-09-10基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目/個人移動衛(wèi)星通信電波傳播特性研究0(60172006作者簡介：1.符世鋼(1979-,男，云南安寧人，云南大學(xué)信息學(xué)院通信與信息系 統(tǒng)專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事移動通信關(guān)鍵技術(shù)研究；2.任友俊(1973-,男，云南宣威人，曲靖師范學(xué)院計科系講師、工學(xué)碩士，主 要從事網(wǎng)絡(luò)通信及其編程研究；3.申東婭(1965-,女,云南昆明人,云南大學(xué)信息學(xué) 院副教授，主要從事移動通信研究衛(wèi)星移動通信信道特性分析符世鋼1,任友俊2,申東婭3(1.3.云南大學(xué)信息學(xué)院,云南昆明650091; 2.曲靖師范學(xué)院 計科系,云南曲 靖 655000摘要

2、：衛(wèi)星移動通信作為地面移動通信的補(bǔ)充，是實現(xiàn)全球個人通信的必不 可少的手 段之一，同時也是目前發(fā)展最迅速的通信技術(shù)之一衛(wèi)星移動通信具有衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)和移動通信雙重特點(diǎn)，其電波傳輸距 離遠(yuǎn)，經(jīng)歷的環(huán)境特殊，導(dǎo)致其 信道特性遠(yuǎn)比地面系統(tǒng)復(fù)雜因此，研究其信道特性是設(shè)計出高效實用的通信系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)本文對其信道特性進(jìn)行了具體深入的分析，并對某些衰減因素的解決 措施作了簡要探討關(guān)鍵詞：衛(wèi)星移動通信；信道特性；傳輸損耗；多普勒頻移中圖分類號:TN927+123文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文 章編號:1009-8879(2003 06-0071-04(2衛(wèi)星移動通信是指利用衛(wèi)星實現(xiàn)移動用戶間或移動用戶與固定用戶間的相互通信

3、近年來地面蜂窩移動通信系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展，但是它的覆蓋范圍有限，僅 能為人口集中的城市及其附 近地區(qū)提供服務(wù)為了獲得全球范圍的無縫覆蓋,實現(xiàn) 名符其實的全球個人通信，不得不引入衛(wèi)星移動通信來作為地面移動通信的補(bǔ)充 衛(wèi)星移動通信具有覆蓋面積大、業(yè)務(wù)范圍廣、適用于各種地理條件等優(yōu)點(diǎn)，在過 去二三十年中發(fā)展十分迅速，成為極具競爭力的通信手段之一 與地面移動通信系統(tǒng)不同，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的電波傳播要經(jīng)過漫長的距離， 其間要受到多種因素的干擾這大大增加了接收信號的波動性，成為保證通信質(zhì)量 的最大障礙為此，研究信道特 性成為設(shè)計通信系統(tǒng)的首要任務(wù)本文將對其進(jìn) 行 具體分析.1傳輸損耗衛(wèi)星移動通信中電波傳播

4、要經(jīng)過對流層(含云層和雨層、平流層直至外層空 間，傳輸損耗大 致為自由空間傳輸損耗與大氣損耗之和.111自由空間傳輸損耗在整個衛(wèi)星無線路徑中自由空間(近于真空狀態(tài)占了絕大部分，因此，首先考慮自由空間傳 播損耗.衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)無 線鏈路與大尺度無 線電波傳播模型類似，在自由空間模型中，接收功率的衰減為 T-R距離的幕函數(shù)1.當(dāng)發(fā)射和接收天線均具有單位增益時，自由空間路徑損耗為：L f =10lg(K 2=20lg(3108d f (db (1當(dāng)d取km、f取GHz為單位時,可簡化為下式：L f =92145+20lgd +10lg f (db112大氣層損耗大氣層在衛(wèi)星無線路徑中所占比例不大，

5、但卻是最不穩(wěn)定的區(qū)域，其損耗是衛(wèi) 星移動通信最具特色的信道特征之一 伴隨著天氣的變化，降雨、降雪、云、霧 等都不可避免地對穿透其中的電 波產(chǎn)生損耗，個別極惡劣的天氣甚至?xí)斐赏ㄐ?信號的中斷由于各種客觀條件的限制，目前對其 損耗只能通過實際觀測積累數(shù)據(jù) 并由此總結(jié)出一 些經(jīng)驗公式.在各種天氣引起的損耗因素中，降雨損耗所 占的比例最大且具有代表性.在雨 中傳播的電波會受到雨滴的吸收和散射影響而產(chǎn)生衰落.此時引入降雨衰減系數(shù) 的概念，即由降雨雨滴引起的 每單位路徑上的衰減R , R如下式所示：第22卷第6期2003年11月曲靖師范學(xué)院學(xué)報JOURNAL OF QUJING TEACHERS COL

6、LE GEVol. 22 No. 6Nov. 2003R =41343103Q +0 n(r 8(r , K d r (db/km (3 上式中 n(r d r 是單位體積中半徑在r和(r + d r之間的雨滴數(shù)目，它取決 于降雨強(qiáng)度；8(r, K是半徑為r的雨滴對電波 為K的衰減截面，它取決于工作頻率.值得注意的是，當(dāng)電波波長遠(yuǎn)大 于雨滴的直 徑時，降雨損耗中雨滴的吸收起主要 作用；而當(dāng)雨滴的直徑增加或波長縮短時，散 射作用就會增大2.理論上用降雨衰減系數(shù)與電波穿透的雨區(qū)路徑相乘即可得總的降雨損耗.但實際上降雨衰減 系數(shù)在電波傳播路徑上的不同點(diǎn)各不相同，給計算帶來了極大的困 難，為此需要對二

7、者進(jìn)行轉(zhuǎn)換.此時引入了降雨強(qiáng)度P的概念，即單位時間的降 雨 量，P如下式所示P =Q +0n(r (3r 3 Q v(r d r (4式中,Q是水的密度，v(r是地面處半徑為r的雨滴 的下落速度.在計算衛(wèi)星通信傳播路徑上的降雨損耗時，必須知道降雨區(qū)域的等效路徑長度 D (B ,其基本定義如下：D(B =當(dāng)仰角為B時傳播路徑上產(chǎn)生的總降雨 衰減/對應(yīng)于地球站所在地降雨 強(qiáng)度的單位距離 降雨衰減系數(shù)(5在150GHz的頻段內(nèi),可以認(rèn)為降雨衰減大致 與降雨強(qiáng)度成正比，因此借助于降雨強(qiáng)度的概念，(5式可近似表示為：D(B = +R (r d rR (0(km (6這就是說，所謂降雨地區(qū)的等效路徑長度，

8、就是把電波傳播路徑上不同點(diǎn)的不 同降雨強(qiáng)度折算成地 球站所在地的降雨強(qiáng)度時得到的等效路徑長度.從(5式可以看出，可以用地球站所在地的降雨 衰減系數(shù)與等效路徑長度相乘，來得到仰角為B 的傳播路徑上產(chǎn)生的總的降雨損耗，這將極大地 方便我們進(jìn)行計算和預(yù)測.但是,在具體計 算D(B時,既不可 能測定Q +0R (r d r ,又不可能計算出時刻 都在變化著的 等效路徑長度的瞬時值，所以，一般都是使用等效 路徑長度的統(tǒng)計 值.它定義為：某一仰角的傳播路，概率的降雨衰減量(db ,與同一時期內(nèi)測得的、 同一時間概率的降雨衰減系數(shù)之比(db/km .2折射、閃爍、法拉第旋轉(zhuǎn)除了大氣層中的傳輸損耗外，大氣層中

9、的不 規(guī)則特性也會對無線電波產(chǎn)生衰 減.此外，當(dāng)電波通過電離層這一極其特殊的環(huán)境時，也會發(fā)生特殊的變化.72211大氣折射無線電波穿透大氣層時要發(fā)生折射，大氣折射率隨著高度增加、大氣密度減 小而減小于是，從地球站看衛(wèi)星，電波射線傳播路徑產(chǎn)生向上凸 出的彎曲，致使 該路徑的仰角比真實仰角偏高，且還因傳播途中大氣折射率的變化而隨時變化 大 氣折射率的這一變化對穿透其中的電波起到一個 凹透鏡的作用，從而使電波的聚 束失散而引起散 焦損耗，這種損耗與頻率無關(guān)此外，對流層的擾 動引起大氣折射 率發(fā)生起伏，使得電波向各個方 向上散射，導(dǎo)致了波前到達(dá)大天線口面時其幅度 和 相位分布不規(guī)則.這種損耗稱為漫射損

10、耗或散 射損耗.散焦衰減和散射衰減通常都 很小，但它們與大氣層的天氣狀況無關(guān)而經(jīng)常存在，因此在設(shè)計衛(wèi)星移動通信系 統(tǒng)，特別是低仰角系統(tǒng)時必須加以考慮.212閃爍閃爍按其 成因可分為大 氣閃爍和電 離層閃爍.21211大氣閃爍由于大氣折射率的不規(guī)則變化引起的信號強(qiáng)度的起伏現(xiàn)象，稱之為大氣閃爍.這類閃爍的周期 約為幾十秒.210GHz的大氣閃爍是由于大氣的 不規(guī)則引起的電 波的多徑散射和收斂.測量表明，標(biāo)準(zhǔn)大氣中的信號強(qiáng)度為高斯分布.如直徑為30 米的天線在仰角為5b的情況下，信號強(qiáng)度的起伏 幅度為016分貝.21212電離層閃爍電離層中自由電子并非均勻分布，而是呈層 式分布，此外，自由電子在電離

11、層 中不斷地發(fā)生隨時游動.電離層結(jié)構(gòu)的這種不均勻性和時變性造成穿透其中的無 線電波在振幅、相位、到達(dá)角、極化狀態(tài)等方面發(fā)生短周期的不規(guī)則變化，這種 現(xiàn)象稱為/電離層閃爍0.它與衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的#曲靖師范學(xué)院學(xué)報第22卷時間等有關(guān)，尤其與地磁緯度和當(dāng)?shù)貢r間有關(guān)3.在地磁赤道附近及咼緯度地 區(qū)（尤其地磁65b以上電離層閃爍極其明顯和頻繁.時間上,在太陽活動較強(qiáng)的年 份閃爍頻度會明顯增大，甚至在白天也能觀測到閃爍.電離層閃爍涉及到的頻域很寬，這使得通常采用的頻率分集、極化分集、擴(kuò) 展頻譜等抗衰落措 施往往行不通.例如在UHF頻段，3db相關(guān)帶寬超 過100MHz, 如要使用頻率分集，則需要頻率間隔

12、 大于100MHz,這在實現(xiàn)上存在很大困難.此 外，電離層閃爍涉及的地域也很廣闊，且電離層中不規(guī) 則區(qū)域會發(fā)生漂移從而引起 所涉及的地域發(fā)生變化，這些特點(diǎn)使得采用空間分集的抗衰落方法也變得不現(xiàn)實. 目前解決電離層閃爍的有效辦法是 時間分集和編碼分集，也可采用增加儲備余量的 方法來減小其造成的影響.213法拉第旋轉(zhuǎn)由于地球磁場的影響，電離層中等離子體媒 質(zhì)呈現(xiàn)出各向異性特性.衛(wèi)星移動 通信中電波廣 泛采用線極化和圓極化的形式.一個線極化波可 以看成是等振幅的 左旋和右旋兩個圓極化波的合 成，在屬于磁性等離子媒質(zhì)的電離層中傳播時，由于 其各向異性特性，這兩者的相速不同，致使兩個圓極化波之間的相位差

13、發(fā)生變化. 當(dāng)它們通過電 離層后，重新合成的線極化波的極化面相對于入 射波方向產(chǎn)生緩慢 的旋轉(zhuǎn)，稱為法拉第旋轉(zhuǎn)4.旋轉(zhuǎn)角度H的大小與電波頻率、 地球磁場強(qiáng)度、等 離子體的電子密度、傳播路徑長度等有關(guān)，其計算可以使用下式：H =21365104f 2LNB cos A d L （弧度（7式中f為頻率，N是電子密度，B是地球磁場 的磁能量密 度，A是傳播路徑與地球磁場的夾角，L是在電離層中傳播路徑的長度.從上式可見，法拉第旋轉(zhuǎn)的大小與頻率的平 方成反比.因此，對于較低的頻率 （1GHz ,為了克服法拉第旋轉(zhuǎn)，需要采用圓極化作為發(fā)射電波的 極化方式，或者采 用極化跟蹤技術(shù).當(dāng)頻率升高（尤其是大于10

14、GHz時，法拉第效應(yīng)往往可以忽 略， 此時就可以采用線極化波了 .3陰影效應(yīng)，多徑衰落，多普勒頻移其本身兼有衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)和移動通信雙重 特色，使其信道具有更多的復(fù)雜性，這成為研究的又一重點(diǎn).311陰影效應(yīng)與單純的固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信不同，衛(wèi)星移動通信具有很大的機(jī)動性和靈活性， 地面通信地點(diǎn) 無法預(yù)先選擇.因此當(dāng)電波傳播路徑遇到建筑物、樹木、起伏山丘等障礙的阻擋時，會造成接收信號 電平的下降，這一現(xiàn)象稱為陰影效應(yīng)，所引起的 信號衰落稱為陰影衰落，其大小取決于障礙物狀況 和信號的頻率.目前針對不同 的障礙物已做出許 多實際測試，比如針對樹木遮擋損耗，典型的就有Goldhirsh和 Vogel實測的單棵

15、樹木在870MHz（右旋圓極化傳輸?shù)乃p量和Michigan進(jìn)行的 以116GHz電波仰角穿透單棵紅樹冠時的衰減量.從實際測試中已得到大量有用數(shù) 據(jù)和經(jīng)驗公式.312多徑衰落無線電波在傳播過程中會遇到建筑物、樹木、山丘等各種障礙物，產(chǎn)生出反射波、散射波、繞射波，這就使得接收到的信號是從多條路徑傳播來的信號的合成.由于在各條路徑上信號傳輸時間 不同，到達(dá)接收端時相位也就不同.不同相位 的信號疊加時往往是同相增強(qiáng)、反相減弱，有時甚至相 互抵消.這樣，接收信號的幅度將急劇變化，即產(chǎn)生了衰落，被稱為多徑衰落.與固定衛(wèi)星通信不同，衛(wèi)星移動通信中移動臺的接收天線較小且?guī)缀鯖]有方向 性，會從各個 方向上接收

16、信號，因此多徑衰落廣泛地存在于其 信道中，其大小與工 作頻率、天線增益、天線仰角、地形等因素有關(guān).例如對目前常用的GEO（靜止 地球軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，其最大的多徑衰落 可以超過20db.目前克服多徑衰 落的措施主要有交織編碼與卷積編碼相結(jié)合、采用差分調(diào)制方式、極化成形及空 間分集等.313多普勒頻移當(dāng)無線電波收發(fā)終端之間產(chǎn)生相對運(yùn)動時，接收端收到的頻率相對于發(fā)送端而 言就會發(fā)生變 化，產(chǎn)生的這個附加頻率偏移量稱為多普勒頻移在衛(wèi)星移動通信中衛(wèi)星和地面移動臺的運(yùn)動都 會引起多普勒頻移，其大小與衛(wèi)星軌道高度、 軌道類 型、地面站緯度等因素有關(guān).MEO（中軌道、LEO（低軌道 衛(wèi)星由于與地球產(chǎn) 生

17、相對運(yùn)動,因此多普勒頻移通常比GEO（靜止地球軌道衛(wèi)星# 73 #第6期符世鋼，任友俊，申東婭：衛(wèi)星移動通信信道特性分析有最大的正多普勒頻移；當(dāng)衛(wèi)星通過地面移動臺的最大仰角時，多普勒頻移為 零；當(dāng)衛(wèi)星從地平面 消失時，有最大的負(fù)多普勒頻移另外，衛(wèi)星的軌 道越低，飛 行速度越快，多普勒頻移就越大.如果兩個發(fā)射頻率之間的間隔不夠大，即小于最 大多普勒頻移時，則接收端就可能產(chǎn)生相互干擾.同時，它還會使接收機(jī)輸出信號 幅度下降，也會引起較大的相位誤差.多普勒頻移通常采用閉環(huán)頻率 控制、預(yù)校 正、差分調(diào)制等方法來解決.4結(jié)論在衛(wèi)星移動通信的發(fā)展進(jìn)程中其信道特性一直是研究的重點(diǎn).本文從傳輸損 耗，折射、閃

18、爍、法拉第旋轉(zhuǎn)，陰影效應(yīng)、多徑效應(yīng)、多普勒頻移3個方面進(jìn) 行分析,得出的結(jié)論普遍適用于GEO, MEO, LEO, HEO等多種衛(wèi)星系統(tǒng),在論 述現(xiàn)象的同時給出了一批量化表達(dá)式，為理論預(yù)測打下了基礎(chǔ).從各種分析中可以 看出：由于衛(wèi)星中繼的特殊位置，其雙向鏈路傳輸損耗大；在傳輸環(huán)境中的 多種不穩(wěn)定因素干擾下信道 參數(shù)的波動性很大，且在個別情況下產(chǎn)生極大的接收信號衰落.因此，如何對其特性進(jìn)行優(yōu)化必將成為又一個研究重點(diǎn).參考文獻(xiàn)1 Theodore S. Rappaport :Wireless com muni catio ns prin ciples and practice .Prentice

19、Hall Inc.中文本：無線通信原理與 應(yīng)用M.蔡濤,李旭,杜振民譯.北京： 電子 工業(yè)出 版社,1999:5051.2 全慶一，廖建新，于玲，等.衛(wèi)星移動通信M.北京郵電大學(xué)出版社， 2000:3940.3 吳志忠.移動通信無 線電波傳播M .北京：人民郵電出版社，2002:85.4 張乃通，張中兆，李英濤.衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)M .北京:電子工業(yè)出版 社,1997:25.張更新,張杭.衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)M .北京：人民郵電出版社,2001:95.An alysis of cha nnel property for mobile satellite com muni catio nFU Sh-i

20、 gang 1, REN You -jun 2, SHEN Dong -ya 3(1.3. Information Co llege of Y u nnan Univer sity, K u nming Y unnan 650091,China; 2. Compu ter Dep. , Quji ng Teachers Co llege, Quji ng Yunnan 655000, ChinaAbstract :As a compleme nt of land -mobile com muni cati on, mobile satellite com muni cati on is an esse ntial method to achieve global pers onal com muni cati on. Mean while, it is also one of the com muni cati on tech no logies that develop fa