衛(wèi)星移動(dòng)通信信道特性分析

1、衛(wèi)星挪動(dòng)通訊信道特點(diǎn)分析(精)衛(wèi)星挪動(dòng)通訊信道特點(diǎn)分析(精)10/10衛(wèi)星挪動(dòng)通訊信道特點(diǎn)分析(精)收稿日期:2003-09-10基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目/個(gè)人挪動(dòng)衛(wèi)星通訊電波流傳特點(diǎn)研究0(60172006作者簡(jiǎn)介:1.符世鋼(1979-,男,云南平和人,云南大學(xué)信息學(xué)院通訊與信息系統(tǒng)專業(yè)在讀碩士研究生,主要從事挪動(dòng)通訊要點(diǎn)技術(shù)研究;任友俊(1973-,男,云南宣威人,曲靖師范學(xué)院計(jì)科系講課老師、工學(xué)碩士,主要從事網(wǎng)絡(luò)通訊及其編程研究;3.申?yáng)|婭(1965-,女,云南昆明人,云南大學(xué)信息學(xué)院副教授,主要從事挪動(dòng)通訊研究.衛(wèi)星挪動(dòng)通訊信道特點(diǎn)分析符世鋼1,任友俊2,申?yáng)|婭3(1.3.

2、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綱要:衛(wèi)星挪動(dòng)通訊作為地面挪動(dòng)通訊的增補(bǔ),是實(shí)現(xiàn)全世界個(gè)人通訊的必不能夠少的手段之一,同時(shí)也是當(dāng)前發(fā)展最快速的通訊技術(shù)之一.衛(wèi)星挪動(dòng)通訊擁有衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)和挪動(dòng)通訊兩重特點(diǎn),其電波傳輸距離遠(yuǎn),經(jīng)歷的環(huán)境特別,以致其信道特點(diǎn)遠(yuǎn)比地面系統(tǒng)復(fù)雜.所以,研究其信道特點(diǎn)是設(shè)計(jì)出高效合用的通訊系統(tǒng)的要點(diǎn)環(huán)節(jié).本文對(duì)其信道特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)深入的分析,并對(duì)某些衰減要素的解決舉措作了簡(jiǎn)要商討.要點(diǎn)詞:衛(wèi)星挪動(dòng)通訊;信道特點(diǎn);傳輸耗資;多普勒頻移中圖分類號(hào):TN927+123文件表記碼:A文章編號(hào):1009-8879(200306-0

3、071-04衛(wèi)星挪動(dòng)通訊是指利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)挪動(dòng)用戶間或挪動(dòng)用戶與固定用戶間的互相通訊.近來(lái)幾年來(lái)地面蜂窩挪動(dòng)通訊系統(tǒng)獲取了飛快發(fā)展,可是它的覆蓋范圍有限,僅能為人口集中的城市及其鄰近地區(qū)供給服務(wù).為了獲取全世界范圍的無(wú)縫覆蓋,實(shí)現(xiàn)名符其實(shí)的全世界個(gè)人通訊,不得不引入衛(wèi)星挪動(dòng)通訊來(lái)作為地面挪動(dòng)通訊的增補(bǔ).衛(wèi)星挪動(dòng)通訊擁有覆蓋面積大、業(yè)務(wù)范圍廣、合用于各樣地理?xiàng)l件等長(zhǎng)處,在過(guò)去二三十年中發(fā)展十分快速,成為極具競(jìng)爭(zhēng)力的通訊手段之一.與地面挪動(dòng)通訊系統(tǒng)不同樣,衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)的電波流傳要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的距離,此間要遇到多種要素的攪亂.這大大增添了接收信號(hào)的顛簸性,成為保證通訊質(zhì)量的最大阻攔.為此,研究信道特征

4、成為設(shè)計(jì)通訊系統(tǒng)的首要任務(wù).本文將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析.傳輸耗資衛(wèi)星挪動(dòng)通訊中電波流傳要經(jīng)過(guò)對(duì)流層(含云層和雨層、平流層直至外層空間,傳輸耗資大概為自由空間傳輸耗資與大氣耗資之和.111自由空間傳輸耗資在整個(gè)衛(wèi)星無(wú)線路徑中自由空間(近于真空狀態(tài)占了絕大多數(shù),所以,第一考慮自由空間流傳耗資.衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)無(wú)線鏈路與大尺度無(wú)線電波流傳模型近似,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)射和接收天線均擁有單位增益時(shí),自由空間路徑耗資為:Lf=10lg(K2=20lg(3108df(db(1當(dāng)d取km、f取GHz為單位時(shí),可簡(jiǎn)化為下式:Lf=92145+20lgd+10lgf(db(2

5、大氣層耗資大氣層在衛(wèi)星無(wú)線路徑中所占比率不大,但倒是最不堅(jiān)固的地區(qū),其耗資是衛(wèi)星挪動(dòng)通訊最具特點(diǎn)的信道特點(diǎn)之一.陪伴著天氣的變化,降雨、降雪、云、霧等都不能夠防范地對(duì)穿透此中的電波產(chǎn)生耗資,個(gè)別極惡劣的天氣甚至?xí)斐赏ㄓ嵭盘?hào)的中止.因?yàn)楦鳂涌陀^條件的限制,當(dāng)前對(duì)其耗資只好經(jīng)過(guò)實(shí)質(zhì)觀察累積數(shù)據(jù)并由此總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)公式.在各樣天氣惹起的耗資要素中,降雨耗資所占的比率最大且擁有代表性.在雨中流傳的電波會(huì)遇到雨滴的汲取和散射影響而產(chǎn)生衰敗.此時(shí)引入降雨衰減系數(shù)的見(jiàn)解,即由降雨雨滴惹起的每單位路徑上的衰減R,R以下式所示:第22卷第6期2003年11月曲靖師范學(xué)院學(xué)報(bào)JOURNALOFQUJINGTEA

6、CHERSCOLLEGEVol.22No.6Nov.2003R=41343103Q+0n(r8(r,Kdr(db/km(3上式中n(rdr是單位體積中半徑在r和(r+dr之間的雨滴數(shù)量,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,它取決于工作頻次.值得注意的是,當(dāng)電波波長(zhǎng)久大于雨滴的直徑時(shí),降雨耗資中雨滴的汲取起主要作用;而當(dāng)雨滴的直徑增添或波長(zhǎng)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耗資.但實(shí)質(zhì)上降雨衰減系數(shù)在電波流傳路徑上的不同樣點(diǎn)各不同樣,給計(jì)算帶來(lái)了極大的困難,為此需要對(duì)二者進(jìn)行變換.此時(shí)引入了降雨強(qiáng)度P的見(jiàn)解,即單位

7、時(shí)間的降雨量,P以下式所示:P=Q+0n(r(3r3Qv(rdr(4式中,Q是水的密度,v(r是地面處半徑為r的雨滴的著落速度.在計(jì)算衛(wèi)星通訊流傳路徑上的降雨耗資時(shí),必然知道降雨地區(qū)的等效路徑長(zhǎng)度D(B,其基本定義以下:D(B=當(dāng)仰角為B時(shí)流傳路徑上產(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),能夠以為降雨衰減大概與降雨強(qiáng)度成正比,所以借助于降雨強(qiáng)度的見(jiàn)解,(5式可近似表示為:D(B=+R(rdrR(0(km(6這就是說(shuō),所謂降雨地區(qū)的等效路徑長(zhǎng)度,就是把電波流傳路徑上不同樣點(diǎn)的不同樣降雨強(qiáng)度折算成地球站所在地的降雨強(qiáng)度時(shí)獲取的等效路徑長(zhǎng)度.從(

8、5式能夠看出,能夠用地球站所在地的降雨衰減系數(shù)與等效路徑長(zhǎng)度相乘,來(lái)獲取仰角為B的流傳路徑上產(chǎn)生的總的降雨耗資,這將極大地方便我們進(jìn)行計(jì)算和展望.可是,在詳細(xì)計(jì)算D(B時(shí),既不能夠能測(cè)定Q+0R(rdr,又不能夠能計(jì)算出時(shí)辰都在變化著的等效路徑長(zhǎng)度的瞬市價(jià),所以,一般都是使用等效路徑長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)值.它定義為:某一仰角的流傳路,概率的降雨衰減量(db,與同一時(shí)期內(nèi)測(cè)得的、同一時(shí)間概率的降雨衰減系數(shù)之比(db/km.2折射、閃耀、法拉第旋轉(zhuǎn)除了大氣層中的傳輸耗資外,大氣層中的不規(guī)則特點(diǎn)也會(huì)對(duì)無(wú)線電波產(chǎn)生衰減.其余,當(dāng)電波經(jīng)過(guò)電離層這一極其特其余環(huán)境時(shí),也會(huì)發(fā)生特別的變化.大氣折射無(wú)線電波穿透大氣層時(shí)

9、要發(fā)生折射,大氣折射率跟著高度增添、大氣密度減小而減小.于是,從地球站看衛(wèi)星,電波射線流傳路徑產(chǎn)生向上凸出的曲折,以致該路徑的仰角比真切仰角偏高,且還因流傳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)穿透此中的電波起到一個(gè)凹面鏡的作用,進(jìn)而使電波的聚束失散而惹起散焦耗資,這種耗資與頻次沒(méi)關(guān).其余,對(duì)流層的擾動(dòng)惹起大氣折射率發(fā)生起伏,使得電波向各個(gè)方向上散射,以致了波前抵達(dá)大天線口面時(shí)其幅度和相位散布不規(guī)則.這種耗資稱為漫射耗資或散射耗資.散焦衰減和散射衰減平常都很小,但它們與大氣層的天氣狀況沒(méi)關(guān)而常常存在,所以在設(shè)計(jì)衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng),特別是低仰角系統(tǒng)時(shí)必然加以考慮.212閃耀閃耀按其

10、成因可分為大氣閃耀和電離層閃耀.21211大氣閃耀因?yàn)榇髿庹凵渎实牟灰?guī)則變化惹起的信號(hào)強(qiáng)度的起伏現(xiàn)象,稱之為大氣閃耀.這種閃耀的周期約為幾十秒.210GHz的大氣閃耀是因?yàn)榇髿獾牟灰?guī)則惹起的電波的多徑散射和收斂.丈量表示,標(biāo)準(zhǔn)大氣中的信號(hào)強(qiáng)度為高斯散布.如直徑為30米的天線在仰角為5b的狀況下,信號(hào)強(qiáng)度的起伏幅度為016分貝.21212電離層閃耀電離層中自由電子其實(shí)不是平均散布,而是呈層式散布,其余,自由電子在電離層中不停地發(fā)生隨時(shí)游動(dòng).電離層構(gòu)造的這種不平均性和時(shí)變性造成穿透此中的無(wú)線電波在振幅、相位、抵達(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/電離層閃耀0.它與衛(wèi)星挪動(dòng)通訊

11、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),特別與地磁緯度和當(dāng)?shù)貢r(shí)間有關(guān)3.在地磁赤道周邊及高緯度地區(qū)(特別地磁65b以上電離層閃耀極其顯然和屢次.時(shí)間上,在太陽(yáng)活動(dòng)較強(qiáng)的年份閃耀頻度會(huì)顯然增大,甚至在白日也能觀察到閃耀.電離層閃耀波及到的頻域很寬,這使得平常采納的頻次分集、極化分集、擴(kuò)展頻譜等抗衰敗舉措常常行不通.比方在UHF頻段,3db有關(guān)帶寬超出100MHz,如要使用頻次分集,則需要頻次間隔大于100MHz,這在實(shí)現(xiàn)上存在很大困難.其余,電離層閃耀波及的地區(qū)也很廣闊,且電離層中不規(guī)則地區(qū)會(huì)發(fā)生漂移進(jìn)而惹起所波及的地區(qū)發(fā)生變化,這些特點(diǎn)使得采納空間分集的抗衰敗方法也變得不現(xiàn)實(shí).當(dāng)前解

12、決電離層閃耀的有效方法是時(shí)間分集和編碼分集,也可采納增添貯備余量的方法來(lái)減小其造成的影響.法拉第旋轉(zhuǎn)因?yàn)榈厍虼艌?chǎng)的影響,電離層中等離子體媒質(zhì)表現(xiàn)出各向異性特點(diǎn).衛(wèi)星挪動(dòng)通訊中電波寬泛采納線極化和圓極化的形式.一個(gè)線極化波能夠看作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)的電離層中流傳時(shí),因?yàn)槠涓飨虍愋蕴攸c(diǎn),這二者的相速不同樣,以致兩個(gè)圓極化波之間的相位差發(fā)生變化.當(dāng)它們經(jīng)過(guò)電離層后,從頭合成的線極化波的極化面有關(guān)于入射波方向產(chǎn)生遲緩的旋轉(zhuǎn),稱為法拉第旋轉(zhuǎn)4.旋轉(zhuǎn)角度H的大小與電波頻次、地球磁場(chǎng)強(qiáng)度、等離子體的電子密度、流傳路徑長(zhǎng)度等有關(guān),其計(jì)算能夠使用下式:H=2136510

13、4f2LNBcosAdL(弧度(7式中f為頻次,N是電子密度,B是地球磁場(chǎng)的磁能量密度,A是流傳路徑與地球磁場(chǎng)的夾角,L是在電離層中流傳路徑的長(zhǎng)度.從上式可見(jiàn),法拉第旋轉(zhuǎn)的大小與頻次的平方成反比.所以,關(guān)于較低的頻次(1GHz,為了克吃法拉第旋轉(zhuǎn),需要采納圓極化作為發(fā)射電波的極化方式,或許采納極化追蹤技術(shù).當(dāng)頻次高升(特別是大于10GHz時(shí),法拉第效應(yīng)常常能夠忽視,此時(shí)就能夠采納線極化波了.3暗影效應(yīng),多徑衰敗,多普勒頻移其自己兼有衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)和挪動(dòng)通訊兩重特點(diǎn),使其信道擁有更多的復(fù)雜性,這成為研究的又一要點(diǎn).暗影效應(yīng)與純真的固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通訊不同樣,衛(wèi)星挪動(dòng)通訊擁有很大的靈巧性和靈巧性,地面通

14、訊地點(diǎn)沒(méi)法開(kāi)初選擇.所以當(dāng)電波流傳路徑遇到建筑物、樹(shù)木、起伏山丘等阻攔的阻截時(shí),會(huì)造成接收信號(hào)電平的降落,這一現(xiàn)象稱為暗影效應(yīng),所惹起的信號(hào)衰敗稱為暗影衰敗,其大小取決于阻攔物狀況和信號(hào)的頻次.當(dāng)前針對(duì)不同樣的阻攔物已做出很多實(shí)質(zhì)測(cè)試,比目標(biāo)對(duì)樹(shù)木遮擋耗資,典型的就有Goldhirsh和Vogel實(shí)測(cè)的單棵樹(shù)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(shù)冠時(shí)的衰減量.從實(shí)質(zhì)測(cè)試中已獲取大批合用數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式.312多徑衰敗無(wú)線電波在流傳過(guò)程中會(huì)遇到建筑物、樹(shù)木、山丘等各樣阻攔物射波、散射波、繞射波,這就使得接收到的信號(hào)是從多條路徑流傳來(lái)成.因

15、為在各條路徑上信號(hào)傳輸時(shí)間不同樣,抵達(dá)接收端時(shí)相位也就不同樣的信號(hào)疊加時(shí)常常是同相加強(qiáng)、反相減弱,有時(shí)甚至互相抵消.這樣幅度將急巨變化,即產(chǎn)生了衰敗,被稱為多徑衰敗.產(chǎn)生出反的信號(hào)的合.不同樣相位接收信號(hào)的與固定衛(wèi)星通訊不同樣,衛(wèi)星挪動(dòng)通訊中挪動(dòng)臺(tái)的接收天線較小且?guī)缀鯖](méi)有方向性,會(huì)從各個(gè)方向上接收信號(hào),所以多徑衰敗寬泛地存在于其信道中,其大小與工作頻次、天線增益、天線仰角、地形等要素有關(guān).比方對(duì)當(dāng)前常用的GEO(靜止地球軌道衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng),其最大的多徑衰敗能夠超出20db.當(dāng)前戰(zhàn)勝多徑衰落的舉措主要有交織編碼與卷積編碼相聯(lián)合、采納差分調(diào)制方式、極化成形及空間分集等.多普勒頻移當(dāng)無(wú)線電波收發(fā)終

16、端之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),接收端收到的頻次有關(guān)于發(fā)送端而言就會(huì)發(fā)生變化,產(chǎn)生的這個(gè)附帶頻次偏移量稱為多普勒頻移.在衛(wèi)星挪動(dòng)通訊中,衛(wèi)星和地面挪動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)都會(huì)惹起多普勒頻移,其大小與衛(wèi)星軌道高度、軌道類型、地面站緯度等要素有關(guān).MEO(中軌道、LEO(低軌道衛(wèi)星因?yàn)榕c地球產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),所以多普勒頻移平常比GEO(靜止地球軌道衛(wèi)星#73#第6期符世鋼,任友俊,申?yáng)|婭:衛(wèi)星挪動(dòng)通訊信道特點(diǎn)分析有最大的正多普勒頻移;當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過(guò)地面挪動(dòng)臺(tái)的最大仰角時(shí),多普勒頻移為零;當(dāng)衛(wèi)星從地平面消逝時(shí),有最大的負(fù)多普勒頻移.其余,衛(wèi)星的軌道越低,遨游速度越快,多普勒頻移就越大.假如兩個(gè)發(fā)射頻次之間的間隔不夠大,即小于最大

17、多普勒頻移時(shí),則接收端即可能產(chǎn)生互相攪亂.同時(shí),它還會(huì)使接收機(jī)輸出信號(hào)幅度降落,也會(huì)惹起較大的相位偏差.多普勒頻移平常采納閉環(huán)頻次控制、預(yù)校訂、差分調(diào)制等方法來(lái)解決.結(jié)論在衛(wèi)星挪動(dòng)通訊的發(fā)展進(jìn)度中其信道特點(diǎn)向來(lái)是研究的要點(diǎn).本文從傳輸損耗,折射、閃耀、法拉第旋轉(zhuǎn),暗影效應(yīng)、多徑效應(yīng)、多普勒頻移3個(gè)方面進(jìn)行剖析,得出的結(jié)論廣泛合用于GEO,MEO,LEO,HEO等多種衛(wèi)星系統(tǒng),在闡述現(xiàn)象的同時(shí)給出了一批量化表達(dá)式,為理論展望打下了基礎(chǔ).從各樣分析中能夠看出:因?yàn)樾l(wèi)星中繼的特殊地點(diǎn),其雙向鏈路傳輸耗資大;在傳輸環(huán)境中的多種不堅(jiān)固要素?cái)噥y下信道參數(shù)的顛簸性很大,且在個(gè)別狀況下產(chǎn)生極大的接收信號(hào)衰敗.

18、所以,怎樣對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化必然成為又一個(gè)研究要點(diǎn).參照文件:1TheodoreS.Rappaport:Wirelesscommunicationsprinciplesandpractice.PrenticeHallInc.中文本:無(wú)線通訊原理與應(yīng)用M.蔡濤,李旭,杜振民譯.北京:電子工業(yè)第一版社,1999:5051.全慶一,廖建新,于玲,等.衛(wèi)星挪動(dòng)通訊M.北京郵電大學(xué)第一版社,2000:3940.吳志忠.挪動(dòng)通訊無(wú)線電波流傳M.北京:人民郵電第一版社,2002:85.張乃通,張中兆,李英濤.衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)M.北京:電子工業(yè)第一版社,1997:25.張更新,張杭.衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)M.北京:人

19、民郵電第一版社,2001:95.AnalysisofchannelpropertyformobilesatellitecommunicationFUSh-igang1,RENYou-jun2,SHENDong-ya3(1.3.InformationCollegeofYunnanUniversity,KunmingYunnan650091,China;2.ComputerDep.,QujingTeachersCollege,QujingYunnan655000,ChinaAbstract:Asacomplementofland-mobilecommunication,mobilesatellitecommunicationisanessentialmethodtoachieveglobalpersonalcomm