衛(wèi)星移動(dòng)通信信道特性分析

1、收稿日期 :2003-09-10基金項(xiàng)目 :國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 /個(gè)人移動(dòng)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(dòng)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(jì)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(dòng)通 信研究 .衛(wèi)星 移 動(dòng) 通 信 信 道 特性 分 析符 世 鋼 1, 任 友 俊 2,

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(jì)科系 , 云南 曲靖 655000摘 要 :衛(wèi)星移動(dòng)通信作為地面移動(dòng)通信的補(bǔ)充 , 是實(shí) 現(xiàn)全球個(gè)人 通信的必 不可少的手 段之一 , 同時(shí) 也 是目前發(fā)展最迅速的通信技術(shù)之一 . 衛(wèi)星移動(dòng)通信具有 衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)和移動(dòng)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(jì)出高效實(shí)用的通信 系 統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié) . 本文對(duì)其信道特性進(jìn)行了具體 深入的分析 , 并對(duì)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(dòng)通

3、信 ; 信道特性 ; 傳輸損耗 ; 多普勒頻移中圖分類號(hào) :TN927+123 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文 章編號(hào) :1009-8879(2003 06-0071-04衛(wèi)星移動(dòng)通信是指利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶 間或移動(dòng)用戶與固定用戶間的相互通信 . 近年來 地面蜂窩移動(dòng)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(shí)現(xiàn)名符其實(shí)的全球個(gè)人通信 , 不得不引入衛(wèi)星 移動(dòng)通信來作為地面移動(dòng)通信的補(bǔ)充 . 衛(wèi)星移動(dòng) 通信具有覆蓋面積大、 業(yè)務(wù)范圍廣、 適用于各種地 理?xiàng)l件等優(yōu)點(diǎn) , 在過去二三十年中發(fā)展十分迅速 , 成為極

4、具競爭力的通信手段之一 .與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)不同 , 衛(wèi)星移動(dòng)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(hào)的波動(dòng)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(jì)通信系統(tǒng)的首要任務(wù) . 本文將對(duì)其進(jìn) 行具體分析 .1 傳輸損耗衛(wèi)星移動(dòng)通信中電波傳播要經(jīng)過對(duì)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(gè)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(dòng)通信系統(tǒng)無線鏈路與大尺度無 線

5、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 距離的冪函數(shù) 1. 當(dāng)發(fā)射和接收 天線均具有單位增益時(shí) , 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(shí) , 可簡化為下式 :L f =92145+20lgd +10lg f (db(2112 大氣層損耗大氣層在衛(wèi)星無線路徑中所占比例不大 , 但 卻是最不穩(wěn)定的區(qū)域 , 其損耗是衛(wèi)星移動(dòng)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(duì)穿透其中的電 波產(chǎn)生損耗 , 個(gè)別極惡劣的天氣甚

6、至?xí)斐赏ㄐ?信號(hào)的中斷 . 由于各種客觀條件的限制 , 目前對(duì)其 損耗只能通過實(shí)際觀測積累數(shù)據(jù)并由此總結(jié)出一 些經(jīng)驗(yàn)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(huì)受到雨滴的吸收和散射影響而產(chǎn)生衰落 . 此時(shí) 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(bào)JOURNAL OF QUJING TEACHERS COLLE GEVol. 22 No. 6Nov. 2003R =41343103Q +0n(r 8(r , K d

7、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(duì)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(shí) , 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(shí) , 散射作 用就會(huì)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(shí)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(jì) 算帶來了極大的困難 , 為此需要對(duì)二者進(jìn)行轉(zhuǎn)換 . 此時(shí)引入了降雨強(qiáng)度 P 的概念 ,

8、 即單位時(shí)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(jì)算衛(wèi)星通信傳播路徑上的降雨損耗時(shí) , 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(shí)傳播路徑上產(chǎn)生的總降雨 衰減 /對(duì)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 ,

9、 所謂降雨地區(qū)的等效路徑長度 , 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(shí)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(jì)算和預(yù)測 .但是 , 在具體計(jì) 算 D(B 時(shí) , 既不可 能測定 Q +0R (r d r , 又不可能計(jì)算出時(shí)刻都在變化著的 等效路徑長度的瞬時(shí)值 , 所以 , 一般都是使用等效 路徑長度的統(tǒng)計(jì)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(shí)期內(nèi)測得的、 同 一時(shí)間

10、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 , 大氣層中的不 規(guī)則特性也會(huì)對(duì)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(shí) , 也會(huì)發(fā)生特 殊的變化 .211大氣折射無線電波穿透大氣層時(shí)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(shí)仰角偏高 , 且 還因傳播途中大氣折射率的變化而隨時(shí)變化 . 大 氣折射率的這一變化對(duì)穿透其中的電波起到一個(gè) 凹 透鏡的作用 , 從而使電波的聚束失散而引起散 焦損耗 , 這

11、種損耗與頻率無關(guān) . 此外 , 對(duì)流層的擾 動(dòng)引起大氣折射率發(fā)生起伏 , 使得電波向各個(gè)方 向上散射 , 導(dǎo)致了波前到達(dá)大天線口面時(shí)其幅度 和相位分布不規(guī)則 . 這種損耗稱為漫射損耗或散 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(jì)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng) , 特別是低仰角系統(tǒng)時(shí)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(hào)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

12、射和收斂 . 測量表明 , 標(biāo)準(zhǔn)大氣中的信號(hào)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(hào)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 , 自由電子在電離層中不斷地發(fā)生隨 時(shí)游動(dòng) . 電離層結(jié)構(gòu)的這種不均勻性和時(shí)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(dòng)通信系統(tǒng)的#72#曲 靖 師 范 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 第 22卷時(shí)間等有關(guān) , 尤其與地磁緯度和當(dāng)?shù)貢r(shí)間有關(guān) 3. 在地磁赤道附近及高緯度地區(qū)

13、(尤其地磁 65b 以 上 電離層閃爍極其明顯和頻繁 . 時(shí)間上 , 在太陽 活動(dòng)較強(qiáng)的年份閃爍頻度會(huì)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 大于 100MHz, 這在實(shí)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(huì)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(shí) . 目前解決電離層閃爍

14、的有效辦法是 時(shí)間分集和編碼分集 , 也可采用增加儲(chǔ)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(dòng)通信中電波廣 泛采用線極化和圓極化的形式 . 一個(gè)線極化波可 以看成是等振幅的左旋和右旋兩個(gè)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(shí) , 由 于其各向異性特性 , 這兩者的相速不同 , 致使兩個(gè) 圓極化波之間的相位差發(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(duì)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

15、子體的電子密度、 傳播路徑長度等有關(guān) , 其計(jì)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(duì)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 10GHz 時(shí) , 法拉第效應(yīng)往往可以忽 略 , 此時(shí)就可以采用線極化波了 .3陰影效應(yīng) ,

16、 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(dòng)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(dòng) 通信具有很大的機(jī)動(dòng)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(shí) , 會(huì)造成接收信號(hào) 電平的下降 , 這一現(xiàn)象稱為陰影效應(yīng) , 所引起的信 號(hào)衰落稱為陰影衰落 , 其大小取決于障礙物狀況 和 信號(hào)的頻率 . 目前針對(duì)不同的障礙物已做出許 多實(shí)際測試 , 比如針對(duì)樹木遮擋損耗 , 典型的就有 Goldhirsh 和 Vogel 實(shí)測的單棵樹木在 8

17、70MHz(右 旋圓極 化傳輸 的衰 減量和 Michigan 進(jìn) 行的以 116GHz 電波仰角穿透單棵紅樹冠時(shí)的衰減量 . 從 實(shí)際測試中已得到大量有用數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式 . 312多徑衰落無線電波在傳播過程中會(huì)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(hào)是從多條路徑傳播來 的 信號(hào)的合成 . 由于在各條路徑上信號(hào)傳輸時(shí)間 不同 , 到達(dá)接收端時(shí)相位也就不同 . 不同相位的信 號(hào)疊加時(shí)往往是同相增強(qiáng)、 反相減弱 , 有時(shí)甚至相 互抵消 . 這樣 , 接收信號(hào)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

18、 , 衛(wèi)星移動(dòng)通信中移動(dòng) 臺(tái)的接收天線較小且?guī)缀鯖]有方向性 , 會(huì)從各個(gè) 方向上接收信號(hào) , 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(duì)目前常用的 GEO(靜止地 球軌道 衛(wèi)星移動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí) , 接收端收到的頻率相對(duì)于發(fā)送端而言就會(huì)發(fā)生變 化 , 產(chǎn)生的這個(gè)附加頻率偏移量稱為多普勒頻移 . 在衛(wèi)星移動(dòng)通信中 , 衛(wèi)星和地面移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)

19、動(dòng)都 會(huì)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)生相對(duì)運(yùn)動(dòng) , 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(dòng)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(dòng)臺(tái) 的最大仰角時(shí) , 多普勒頻移為零 ; 當(dāng)衛(wèi)星從地平面 消 失時(shí) , 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(gè)發(fā)射頻率之間的間隔不夠大 , 即小于最大多 普勒頻移時(shí) , 則接收

20、 端就可能產(chǎn)生相互干擾 . 同 時(shí) , 它還會(huì)使接收機(jī)輸出信號(hào)幅度下降 , 也會(huì)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(dòng)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、 閃爍、 法 拉第旋轉(zhuǎn) , 陰影效應(yīng)、 多徑效應(yīng)、 多普勒頻移 3個(gè) 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(shí)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

21、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(dòng)性很大 , 且在個(gè)別情況下產(chǎn)生極大的接收信號(hào)衰落 . 因此 ,如何 對(duì) 其特 性進(jìn) 行 優(yōu)化 必 將成 為 又一 個(gè) 研究 重點(diǎn) .參考文獻(xiàn) :1Theodore S. Rappaport :Wireless communications principles and practice . Prentice 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(dòng)通 信 M. 北京 郵 電大

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