寬帶移動(dòng)衛(wèi)星通信信道的頻率色散和多普勒功率譜非對(duì)稱(chēng)特性

寬帶移動(dòng)衛(wèi)星通信信道的頻率色散和多普勒功率譜非對(duì)稱(chēng)特性

0寬帶衛(wèi)星移動(dòng)信道模型衛(wèi)星移動(dòng)通信同時(shí)具有衛(wèi)星信道和移動(dòng)通信的特點(diǎn)，并且存在多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)、多普勒頻率偏移和電離層閃爍等影響數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)目煽啃砸蛩亍Ｕ瓗l(wèi)星移動(dòng)通信信道的研究較早,提出了Loo模型、Corazza-Vatalaro模型和擴(kuò)展Suzuki模型等多種比較符合實(shí)際的成熟信道模型。目前,由于實(shí)現(xiàn)全球漫游和寬帶業(yè)務(wù)傳輸?shù)刃枨?寬帶移動(dòng)衛(wèi)星通信的發(fā)展很快,因而對(duì)于寬帶衛(wèi)星移動(dòng)信道的研究也一步步展開(kāi)。而在軍用方面,如美軍用于傳輸機(jī)載傳感器所獲取的實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)、圖像信號(hào)的通用數(shù)據(jù)鏈,其低軌道衛(wèi)星通信的傳輸速率將分別達(dá)到137.08Mb/s和274.17Mb/s。通信信道是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,因此對(duì)寬帶衛(wèi)星移動(dòng)信道的研究很有意義。Bello提出的小尺度衰落信道WSSUS(廣義靜態(tài)非相關(guān)散射)模型,較好地描述了寬帶信道的頻率色散特性。文中基于WSSUS信道,研究非對(duì)稱(chēng)多普功率譜下,增加直射分量的寬帶移動(dòng)衛(wèi)星通信信道模型。1衛(wèi)星通信通道的傳輸特性1.1帶寬移動(dòng)衛(wèi)星通信的頻率選擇性衰落無(wú)線(xiàn)環(huán)境中始終存在反射和散射物體,使得信道處于一種不停地變化環(huán)境中,從而影響信號(hào)的幅度、相位、時(shí)延以及到達(dá)天線(xiàn)時(shí)的入射角度,造成接收到的合成信號(hào)起伏很大,這就是多徑衰落,它是一種快衰落。在多徑傳播條件下,接收信號(hào)會(huì)產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)展,時(shí)延擴(kuò)展值的大小將決定信號(hào)的衰落是否具有頻率選擇性。在窄帶衛(wèi)星移動(dòng)通信中,此時(shí)的衰落為平坦衰落,基帶碼元速率較低、信號(hào)帶寬遠(yuǎn)小于信道相關(guān)帶寬,信號(hào)通過(guò)信道傳輸后各頻率分量的變化具有一致性。但在寬帶移動(dòng)衛(wèi)星通信中,收發(fā)端的基帶碼元速率較高,信號(hào)帶寬大于信道相關(guān)帶寬,多徑信道的傳播時(shí)間是不一樣長(zhǎng),只有那些被分布在同一個(gè)橢圓上的反射信號(hào)才會(huì)在同一時(shí)間內(nèi)到達(dá),且不能忽略。所以,在寬帶移動(dòng)衛(wèi)星通信中,假設(shè)接收機(jī)的帶寬是W,多徑時(shí)延差Δτ<<1/W時(shí),接收機(jī)不能區(qū)分出在τ和τ+Δτ之間到達(dá)的多徑信號(hào),因而造成了寬帶移動(dòng)衛(wèi)星信道的頻率選擇性衰落特性。多徑信道的模型可由(1)式表示。(1)式中k(t)為t時(shí)刻的多徑信號(hào)數(shù)量,θn(t)、fDn(t)、τn(t)分別為t時(shí)刻第n條多徑信號(hào)的相位差、多普勒頻移和延遲。對(duì)許多信道而言,可以假設(shè)它的多徑信號(hào)分量數(shù)是恒定的;同時(shí),時(shí)延變化相當(dāng)緩慢,從而也假定多徑時(shí)延是不變的。則模型可以簡(jiǎn)化為(2)式:1.2分布區(qū)和城市地區(qū)的分布效應(yīng)陰影效應(yīng)對(duì)移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)的影響很大,在以樹(shù)木、建筑物遮蔽為主要特征的公路環(huán)境、農(nóng)村地區(qū)和城市地區(qū),陰影效應(yīng)主要表現(xiàn)在樹(shù)木和建筑物的吸收、散射或繞射引起直射波的衰減變化,以及相關(guān)多徑分量對(duì)直射波的干涉作用,衰減量決定于樹(shù)葉和枝干的濃密度、電波穿越樹(shù)冠的路徑以及建筑物的大小。這種衰落是一種慢衰落,衰落率與移動(dòng)物的速度以及阻擋物的分布有關(guān)。1.3多徑分量多普勒功率譜在低軌移動(dòng)衛(wèi)星信道中,由于衛(wèi)星的高度低,運(yùn)行速度快,導(dǎo)致多普勒頻移大范圍的快速時(shí)變。多普勒頻移取決于衛(wèi)星和用戶(hù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和位置。衛(wèi)星移動(dòng)通信直射分量的多普勒頻有(3)式得出:(3)式中,r為地心與衛(wèi)星的距離,rE徑,r(t)地面用戶(hù)終端對(duì)應(yīng)于地心的角距,θ(t0)=θmax為最大仰角,φ(t)和φ(t0)分別是t和t0時(shí)刻星下點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的圓心角。通常認(rèn)為,由于多普勒效應(yīng),接收的多徑信號(hào)滿(mǎn)足Jakes譜。最近,在MattiasPatzold提出的移動(dòng)衛(wèi)星信道新模型-擴(kuò)展Suzuki模型中,認(rèn)為多徑分量多普勒功率譜非對(duì)稱(chēng),能更好地符合實(shí)際物理環(huán)境。若多徑分量的入射角為[φL,φH],最大多普勒頻移為fmax。滿(mǎn)足(0≤φL≤φH≤π)時(shí),多普勒功率譜為(4)式;滿(mǎn)足(π≤φL≤φH≤2π)時(shí),多普勒功率譜為(5)式;當(dāng)滿(mǎn)足(0≤φL≤π≤φH≤2π)時(shí),多普勒功率譜同時(shí)考慮(4)式和(5)式。當(dāng)φL=0、φH=2π時(shí),p(f)便是標(biāo)準(zhǔn)的Jakes功率譜。2寬帶移動(dòng)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度的模擬根據(jù)以上的寬帶衛(wèi)星移動(dòng)通信信道特性分析,模型設(shè)計(jì)時(shí)忽略電離層閃爍等影響,認(rèn)為信道主要由直射分量和多徑分量組成,多徑分量的多普勒功率譜滿(mǎn)足(4)式和(5)式、近似認(rèn)為多普勒功率譜與延遲功率譜相獨(dú)立,基于WSSUS假設(shè)的寬帶衛(wèi)星移動(dòng)通信信道模型的沖激響應(yīng)為(6)式:(6)式中,t,τ表示特定的時(shí)刻和時(shí)間的增量;a0、a1分別為直射分量和多徑分量的強(qiáng)度;fD為直射分量的多普勒頻移,有(3)式可得出;θn、fDn、τn分別為第n條路徑的相位差、多普勒頻移和延遲,系數(shù)1N是歸一化因子,使得多徑分量的能量之和為單位能量1。由上式可以得到寬帶移動(dòng)衛(wèi)星信道的離散時(shí)間模型如圖1。多徑分量第n條路徑的相位差θn、多普勒頻偏fDn和延遲τn均為隨機(jī)變量,故使用一個(gè)概率分布服從(0,1)均勻分布的變量un來(lái)模擬一個(gè)隨機(jī)變量,參數(shù)模擬如下:(1)θn的概率密度服從均勻分布,p(θ)=1/2π,則θn=2πun(2)fDn概率密度p(f)滿(mǎn)足多徑分量入射角范圍為[φL,φH]的非對(duì)稱(chēng)多普勒功率譜農(nóng)村地區(qū)時(shí)的多徑分量入射角范圍認(rèn)為[π/4、7π/4];城市地區(qū)因?yàn)樯⑸潴w多,故認(rèn)為多徑分量入射角范圍為[0、2π]。(3)τn的概率密度p(τ)服從指數(shù)分布,假設(shè)低軌道移動(dòng)衛(wèi)星的延遲衰減為τs=1μs,采用文獻(xiàn)中的農(nóng)村地區(qū)和城市地區(qū)的延遲功率譜,得到農(nóng)村地區(qū)的延遲τn和城市地區(qū)的延遲τn為分別為式(8)和式(9)。當(dāng)多徑信號(hào)數(shù)目N選擇為128時(shí),得到的農(nóng)村地區(qū)和城市地區(qū)的寬帶移動(dòng)衛(wèi)星通信信道沖激響應(yīng)分別為圖2和圖3。3衛(wèi)星通信頻率及數(shù)據(jù)采集文中采用MonteCarlo仿真法對(duì)該信道在不同環(huán)境下的性能進(jìn)行仿真。系統(tǒng)的誤碼率特性仿真模型如圖1。仿真時(shí)衛(wèi)星通信頻率為15GHz,數(shù)據(jù)傳輸速率10Mb/ps,數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)前向糾錯(cuò)和交織編碼后,采用OQPSK調(diào)制,衛(wèi)星軌道考慮為圓形軌道,衛(wèi)星高度為500km,地球半徑取6356km,最大通信仰角為53o。圖4為寬帶衛(wèi)星