衛(wèi)星移動通信信道模型分析

衛(wèi)星移動通信信道模型分析

1主要信道模型目前，建立衛(wèi)星移動通信的信道模型有很多形式。如城市無線傳輸模型——Suzuki概率分布模型,得出了信道的幾種統(tǒng)計狀態(tài)—瑞利分布、萊斯分布、對數(shù)正態(tài)分布均是Suzuki分布的特例。其中比較有代表性的信道模型主要有:C.Loo的鄉(xiāng)村環(huán)境模型;Corazza的低軌衛(wèi)星模型及Lutz的兩狀態(tài)混合模型。本文首先討論并分析了以上幾種信道概率模型的特性及應(yīng)用環(huán)境,并對不同地理環(huán)境的信道模型進行了計算機仿真。2模型中移動通信的信道模型2.1c.loo模型C.Loo模型適用于鄉(xiāng)村環(huán)境,模型假設(shè)大部分時間存在直視信號,并且葉飾對直視信號有陰影作用,同時存在漫反射形成的多徑信號。多徑信號不受陰影作用,而且多徑和陰影有很大的相關(guān)性。在上述假設(shè)條件下,接收信號是對數(shù)正態(tài)和瑞利分布的隨機變量和,即:其中,相位ue001φ和ue001φ0在0～2π之間均勻分布,z是對數(shù)正態(tài)分布,w是瑞利分布。假設(shè)z暫時保持不變,r的條件概率函數(shù)簡化成萊斯分布:其中,b0表示由于多徑引起的平均散射能量,I0()為零階修正Bessel函數(shù),p(z)是對數(shù)正態(tài)分布,若用_和d0分別表示lnz的均值和方差則有:p(z)=1/(2πd0????√z)exp[?(lnz?μ)2/2d0](3)p(z)=1/(2πd0z)exp[-(lnz-μ)2/2d0](3)由全概率公式得:p(r)=∫0∞p(r,z)dz=∫0∞p(r/z)p(z)dz=r/(b02πd0????√)∫0∞1zexp[?(lnz?μ)2/2d0?(r2+z2)/2b0]I0(rz/b0)dz(4)p(r)=???1r2πd0√exp[?(lnr?μ)2/2d0]r?b0??√rb0exp[?r2/2b0]r?b0??√(5)p(r)=∫0∞p(r,z)dz=∫0∞p(r/z)p(z)dz=r/(b02πd0)∫0∞1zexp[-(lnz-μ)2/2d0-(r2+z2)/2b0]Ι0(rz/b0)dz(4)p(r)={1r2πd0exp[-(lnr-μ)2/2d0]r?b0rb0exp[-r2/2b0]r?b0(5)式(5)可以理解為若接收信號能量遠大于多徑能量即接收以直射波為主,分布應(yīng)是對數(shù)正態(tài)的,若接收信號能量遠小于多徑能量,接收以多徑為主,分布近似為瑞利的。由其假設(shè)條件可知C.Loo模型應(yīng)用范圍受到限制,只適用于鄉(xiāng)村或郊區(qū),并且存在直視信號分量,且直視信號分量不受陰影作用。有關(guān)C.Loo的模型參數(shù)見文獻。2.2接收信號能量的描述Lutz模型是在實驗基礎(chǔ)上建立起來的。利用計算機分析記錄結(jié)果,得出了衰落幅度、概率密度、接收信號能量分布,以及衰落和非衰落期持續(xù)時間的百分比,并在此基礎(chǔ)上建立了多徑和陰影效應(yīng)的信道概率分布模型。根據(jù)接收的平均信號的大小將信道分為兩種狀態(tài)——理想的信道狀態(tài)和非理想的信道狀態(tài)。當(dāng)信道處于理想的狀態(tài)時,接收端能接收到直射波分量,處于非理想的信道狀態(tài)時,路徑上有阻擋,直射波分量受到建筑物等的陰影作用。對應(yīng)于理想的信道狀態(tài):直射波不受陰影作用,服從瑞利分布的多徑信號疊加在直射波分量上,總的接收信號能量服從萊斯概率密度分布:PRice(S)=ce?C(S+1)I0(2cS√)(6)ΡRice(S)=ce-C(S+1)Ι0(2cS)(6)其中,c為直射波與多徑波能量比(即萊斯因子),I0()為零階修正Bessel函數(shù),S為接收信號能量。若將直射波能量歸一化,總接收信號能量平均值為(1+1/c)。對應(yīng)于非理想的信道狀態(tài):存在陰影效應(yīng),無直射波分量,多徑分量在一定條件下服從瑞利分布。假設(shè)S0表示由于陰影引起的短期內(nèi)時變的平均接收能量,則接收信號能量S在S0條件下的概率密度函數(shù)表示為:PRay1(S/S0)=1/S0exp(-S/S0)(7)S0服從對數(shù)正態(tài)分布:Plog(S0)=4.3432π√σS0exp[?(10logS0?μ)22σ2](8)Ρlog(S0)=4.3432πσS0exp[-(10logS0-μ)22σ2](8)其中,μ為以dB計的平均能量電平,σ2為由于陰影引起的能量電平的方差。由全概率公式,在非理想的信道狀態(tài)下總接收信號概率密度可表示成:由于車輛是在很大范圍的地形表面運動,信道的狀態(tài)也可能時好時壞。為了表示一段時間(對應(yīng)于一段行駛距離)內(nèi)信道的總體狀態(tài),引入陰影持續(xù)時間百分比概念,用A表示,則信道的總概率密度函數(shù):Lutz模型參數(shù)見文獻。2.3+1r/s1exp1/2r/sames3/hCorazz模型認(rèn)為信道的概率分布是萊斯和對數(shù)正態(tài)的聯(lián)合分布,陰影不但作用于直射波分量,也作用于漫反射分量,通過調(diào)整參數(shù)值,模型可以適用于所有環(huán)境(城市、郊區(qū)、鄉(xiāng)村)。Corazza模型接收信號包絡(luò)r的概率密度函數(shù):其中p(r/S)是某一給定陰影條件下的萊斯分布:p(r/S)=2(K+1)r/S2exp[?(K+1)r2/S2?k]I0(2r/SK(K+1)????????√)(r≥0)(12)p(r/S)=2(Κ+1)r/S2exp[-(Κ+1)r2/S2-k]Ι0(2r/SΚ(Κ+1))(r≥0)(12)式中I0()是零階修正Bessel函數(shù),K為萊斯因子,陰影S為對數(shù)正態(tài)分布:ps(S)=12π√hσSexp[?12(lnS?μhσ)2](S≥0)(13)ps(S)=12πhσSexp[-12(lnS-μhσ)2](S≥0)(13)h=(ln10)/20,μ和(hσ)2是ln(S)的均值和方差。滿足Corazza模型的接收信號包絡(luò)可以解釋為r=RS,即接收包絡(luò)r是兩個獨立隨機過程——對數(shù)正態(tài)和萊斯過程隨機變量的乘積,R是萊斯分布隨機變量,S是對數(shù)正態(tài)隨機變量,由于R和S是相互獨立的,所以有:pr(r)=∫∞01SpR(r/S)ps(S)dS=∫∞01Rps(r/R)pR(R)dR(14)pr(r)=∫0∞1SpR(r/S)ps(S)dS=∫0∞1Rps(r/R)pR(R)dR(14)將(11)式與(13)式比較得累積包絡(luò)概率分布函數(shù):pr(r0)=Prob{r＜r0}=∫r00∫∞0ps(S)spR(r/s)dsdr=1?Es{Q(2K???√,r0S2(K+1)???????√)}(15)pr(r0)=Ρrob{r＜r0}=∫0r0∫0∞ps(S)spR(r/s)dsdr=1-Es{Q(2Κ,r0S2(Κ+1))}(15)其中:ES{}代表對S求期望值,Q是Marcum-Q函數(shù),各參數(shù)均與仰角有關(guān),參數(shù)K,μ,σ等參數(shù)可根據(jù)文獻經(jīng)驗公式獲得。3不同的生境下的信號模型通過分析可以看出,以上所提出的幾種概率分布模型,都是針對在某一特定的地理環(huán)境和條件下所提出的。適用范圍受到限制。在實際當(dāng)中。由于接收者在一個較大的范圍內(nèi)移動時,環(huán)境參數(shù)會隨之改變,實際的信道模型并不唯一。如果假設(shè)環(huán)境特性是緩變的,在一個小的地理環(huán)境內(nèi),環(huán)境參量可以認(rèn)為是不變的,因而,實際的陸地移動衛(wèi)星信道可以看成是幾種有限狀態(tài)的集合,每種狀態(tài)分別屬于上述的幾種狀態(tài)之一,也就是說,可以用有限狀態(tài)的馬爾可夫過程來表示。本文根據(jù)不同的地理環(huán)境提出了三狀態(tài)信道模型。信道特性按直視信號被阻擋的程度分為:直視信號完全被阻擋(城市模型);直視信號部分被阻擋(郊區(qū)模型);直視信號未被阻擋(開闊地模型)。本文分別對不同地理環(huán)境的信道模型進行了計算機仿真。給出了接收電平的時間波形、信號幅度電平的累積概率分布函數(shù)以及QPSK調(diào)制方式在不同衰落信道中的誤碼率性能分析,同時考慮了不同仰角下的誤碼特性。3.1過程間的兩狀態(tài)模型在開闊地環(huán)境下,可以近似地認(rèn)為直視信號(LOS)基本上沒有受到遮蔽的影響,接收信號主要是直視信號和多徑信號的疊加,所以用萊斯信道來仿真這一環(huán)境下的電波傳播特性。為了能夠更好的反映出運動體在開闊地運動時偶爾遇到的深度遮蔽的情況,還采用了lutz兩狀態(tài)模型來描述這一情況。模型基本參數(shù)為:遮蔽因子A=0.93,萊斯因子K=10dB,對數(shù)正態(tài)均值為-2.5方差為1.2。3.2c.loo模型仿真郊區(qū)環(huán)境是既存在遮蔽的情況也存在非遮蔽的情況,用C.Loo模型來仿真。仿真參數(shù)見文獻。利用這些數(shù)據(jù),可以得出衛(wèi)星工作于不同仰角情況下的信道特性。3.3城市環(huán)境在城市環(huán)境中,由于遮蔽比較嚴(yán)重,直視信號幾乎不存在。接收信號主要是多徑信號,所以可以利用瑞利信道來仿真。3.4一般環(huán)境在廣域環(huán)境中,移動體會經(jīng)過以上三種環(huán)境,可以利用廣域Markov信道模型可以近似地仿真這一環(huán)境的電波傳播特性。3.5模擬調(diào)用和解調(diào)特性這里,將各種環(huán)境下的信道仿真模型作為一種乘性干擾直接應(yīng)用于調(diào)制與解調(diào)的仿真。4模擬結(jié)果分析4.1時間波形分析在不同地理環(huán)境下仿真得到的接收信號電平的時間連續(xù)波形圖分別如圖1～4所示,其中0dB對應(yīng)于平均接收能量。4.2qpsk調(diào)制方式圖5～8分別給出了不同地理環(huán)境下接收信號的累積概率分布函數(shù)。圖9給出了在郊區(qū)環(huán)境下衛(wèi)星接收機工作在不同仰角下接收信號電平的累積概率分布。圖10～12分別給出了在不同地理環(huán)境下采用QPSK調(diào)制方式時的誤碼率曲線。圖13給出了仰角不同時的誤碼率曲線。圖10、圖11、圖12分別給出了QPSK調(diào)制在不同衰落信道中的誤碼性能,由于在城市環(huán)境中直視波分量完全被遮蔽,所以誤碼性能較差,甚至中斷通信,必須采取各種抗衰落措施,在郊區(qū)環(huán)境下本文給出了在不同的衰落情況下的誤碼曲線,在開闊地環(huán)境中本文給出了不同的萊斯因子的誤碼性能,可以看出,隨著萊斯因子的不斷增加曲線逐漸接近于理想曲線。從圖13中可以看出,隨著仰角的增加誤碼率有很大的改善并逐漸接近于理想曲線,說明增加仰角可以改善電波的傳播環(huán)境,從而提高通信系統(tǒng)