面向臨空通信的鄰近信道建模分析

面向臨空通信的鄰近信道建模分析

1國(guó)關(guān)注的問(wèn)題相鄰空間作為空天的“邊界層”，具有高度飛行高度、長(zhǎng)期滯空時(shí)間長(zhǎng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。可作為地球通信平臺(tái)、天基平臺(tái)和宇宙平臺(tái)的重要補(bǔ)充，成為世界各國(guó)的中心。目前,美國(guó)、俄羅斯、歐洲航天局、英國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)均有臨近空間飛艇研究方案,其中比較典型的有美國(guó)空軍的戰(zhàn)斗天星(CombatSkySat)項(xiàng)目、俄羅斯的臨近空間平臺(tái)項(xiàng)目、歐洲航天局的臨近空間平臺(tái)項(xiàng)目、英國(guó)的“天貓”系列、日本的臨近空間飛艇項(xiàng)目和韓國(guó)的臨近空間平臺(tái)項(xiàng)目等。在這樣的背景下,很有必要建立我國(guó)的移動(dòng)信道模型,因此,本文就臨近空間移動(dòng)通信信道模型進(jìn)行了研究。2大氣邊界層區(qū)美國(guó)空軍定義臨近空間的高度范圍是19.8km~100km,因此,臨近空間既不屬于航空范疇也不屬于航天范疇,它是從航空空域向航天空域過(guò)渡的區(qū)域。臨近空間自下而上包括大氣平流層區(qū)域(對(duì)流層)、中間大氣層區(qū)域和部分電離層區(qū)域,如圖1所示。在這一區(qū)間布設(shè)的飛行器具有飛行高度高、滯空時(shí)間長(zhǎng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),這些飛行器可執(zhí)行快速遠(yuǎn)程投送、預(yù)警、偵察與戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、通信中繼、信息干擾、導(dǎo)航等任務(wù),在空間攻防和信息對(duì)抗中能發(fā)揮重要作用,其特殊的戰(zhàn)略位置和特點(diǎn),決定了臨近空間信息系統(tǒng)將成為國(guó)家空、天、地一體化信息系統(tǒng)不可缺少的組成部分。臨近空間既不是航空區(qū)域的擴(kuò)展,也不屬于航天范疇,它將成為全新的作戰(zhàn)區(qū)域,其物理環(huán)境和作戰(zhàn)環(huán)境都是獨(dú)一無(wú)二的。3通信功能靠近室內(nèi)移動(dòng)通道3.1信號(hào)的選擇性衰落多徑衰落是無(wú)線電信號(hào)由發(fā)送端發(fā)出經(jīng)不同的路徑,不同的時(shí)延到達(dá)接收端,由于各傳播路徑分量幅度、相位各不相同,合成的信號(hào)起伏很大,稱為多徑衰落。多徑傳播效應(yīng)主要表現(xiàn)在時(shí)延擴(kuò)展和頻率選擇性衰落。時(shí)延擴(kuò)展是由于多徑傳播信號(hào)的各個(gè)分量到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間不同,使本來(lái)發(fā)送的窄脈沖信號(hào)在接收點(diǎn)被擴(kuò)展,使原發(fā)送的一串離散脈沖產(chǎn)生錯(cuò)疊,甚至變成一串連續(xù)脈沖,即形成所謂的符號(hào)間干擾(Inter-SymbolInterference,ISI)。頻率選擇性衰落是由于多徑信號(hào)相對(duì)延時(shí)隨時(shí)間而變化,使信號(hào)頻譜中的不同頻率成份受到不同程度的衰落,從而導(dǎo)致信號(hào)波形畸變。多徑信道的模型可以用一個(gè)時(shí)變沖擊響應(yīng)c(τ,t)來(lái)描述:其中,an(t)是第n個(gè)路徑上接收信號(hào)的幅度;fc是發(fā)送信號(hào)的載波頻率;τn(t)是第n個(gè)路徑上的傳播延遲。3.2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,衰減量決定于樹葉和枝干的濃密度、電波穿越樹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)。3.3最大多普勒頻移在臨近空間中,由于移動(dòng)平臺(tái)飛行速度快,導(dǎo)致多普勒頻移大范圍的快速時(shí)變。多普勒頻移取決于平臺(tái)和用戶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和位置。通常認(rèn)為,由于多普勒效應(yīng),接收的多徑信號(hào)滿足Jakes譜。其中,Srr(f)是多徑分量的功率譜密度;fmax是最大多普勒頻移;是等效多徑接收信號(hào)的平均功率。4鄰近空間信道模型的構(gòu)建4.1相鄰空間的建模假設(shè)4.1.1主要影響流層的大氣衰減因素在用戶鏈路L/S頻段通信中,通信系統(tǒng)的性能會(huì)受到對(duì)流層、多普勒效應(yīng)和多徑效應(yīng)的影響。在對(duì)流層的各類影響當(dāng)中,雨衰是其中最嚴(yán)重的因素,但降雨衰減與頻率有關(guān),在頻段高于20GHz時(shí),雨衰是最主要的大氣衰減因素,但是對(duì)L/S頻段影響很小,可以忽略不計(jì)。因此,建模時(shí)不考慮對(duì)流層傳輸效應(yīng),同時(shí)假設(shè)多徑分量來(lái)自于地面,以及其他散射體。4.1.2等效多徑?jīng)_激響應(yīng)為了得到離散信道仿真模型,高斯廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射(GWSSUS)假設(shè)是必須的。這個(gè)假設(shè)說(shuō),每條等效多徑都是由很多獨(dú)立的不可分解的多徑構(gòu)成,如果N足夠大,通常認(rèn)為大約為10,或更大一些,那么沖激響應(yīng)中的元素為高斯分布,并且假設(shè)其廣義平穩(wěn)的,均值為0,由中心極限定理可知,其合成量的包絡(luò)將服從Rayleigh分布,相位則為[0,2π]均勻分布。4.1.3ps與pv,的獨(dú)立關(guān)系隨機(jī)多徑傳輸信道可以通過(guò)多普勒功率譜S(v)和多徑密度分布p(τ)來(lái)描述。假設(shè)多多普勒效應(yīng)與多徑效應(yīng)相互獨(dú)立,即PS(v,τ)=S(v)?p(τ)。有了這個(gè)假設(shè)就可用一維的多普勒功率譜S(v)和多徑密度分布p(τ),描述不同條件下的信道模型。已經(jīng)證明散射函數(shù)PS(v,τ)與其二維概率密度函數(shù)p(v,τ)呈比例關(guān)系。有了這2個(gè)條件就可以用2個(gè)一維的概率密度函數(shù)p(v)和p(τ)來(lái)刻畫隨機(jī)信道。4.2用戶鏈網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建臨近空間通信系統(tǒng)中各用戶運(yùn)行狀態(tài)多樣,信息傳輸又有上行信道和下行信道之分,本文主要對(duì)上行信道進(jìn)行分析。4.2.1航空信道模型途中飛行狀態(tài)是指臨近空間飛行器(平臺(tái))遠(yuǎn)離地面用戶,在中途穩(wěn)定飛行時(shí)進(jìn)行的上行通信過(guò)程。文獻(xiàn)對(duì)航空通信信道進(jìn)行了詳細(xì)描述,并采集了大量的數(shù)據(jù),研究表明在仰角10.3°~28.6°時(shí),上行信道與假設(shè)的兩徑信道模型高度吻合,而仰角大于28.6°時(shí),信道與假設(shè)的兩徑模型存在較大的差異,信道由一個(gè)直視分量和多個(gè)反射分量組成。由于上述信道的描述僅與仰角相關(guān),因此在距離上可以延伸,同時(shí)臨近空間通信系統(tǒng)的用戶鏈路信道與上述描述的航空信道類似?；谏鲜龇治?本文引用文獻(xiàn)的結(jié)論。假設(shè),臨近空間飛行器(平臺(tái))飛行高度30000m,地面接收站仰角10.3°~28.6°,這時(shí)所對(duì)應(yīng)的距離為55km~160km,因此,在途中飛行狀態(tài)時(shí),可以根據(jù)與臨近空間飛行器(平臺(tái))的距離,將信道模型劃分為遠(yuǎn)距情況和近距情況。4.2.2信道沖激響應(yīng)遠(yuǎn)距情況是指臨近空間飛行器(平臺(tái))與地面用戶的水平距離,大于53km小于160km的情況,在上述情況下,多徑信道是由一個(gè)直視分量和一個(gè)主反射分量組成,可以用一個(gè)兩徑模型來(lái)描述信道,其中,萊斯系數(shù)為k=15dB。假設(shè)使用L波段1.5GHz載波進(jìn)行通信,飛行器平臺(tái)的相對(duì)速度為1000m/s時(shí),可以計(jì)算出此時(shí)最大多普勒頻移為5kHz,根據(jù)文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果,其相移在178.25o~181.75o內(nèi)均勻分布,并服從Jake譜。反射分量的相對(duì)延時(shí)可以描述為:τ=?dc,其中,c是光速;?d是直視分量和主反射分量的路徑差。對(duì)于用戶鏈路來(lái)講,通過(guò)幾何分析可以得到:?d≈h。假設(shè)飛行器平臺(tái)的高度為30km,從而得到τmax≈100μs。根據(jù)上述參數(shù),信道的沖激響應(yīng)可以表示為其中,萊斯系數(shù)k=a2/c2;τmax是主反射分量的時(shí)延。4.2.3半沖激響多徑分量時(shí)延譜近距情況是指臨近空間飛行器(平臺(tái))與地面用戶的水平距離,小于53km,此時(shí),多徑信道是由直視分量和多徑分量組成組成的一個(gè)萊斯信道模型,由于距離變近了,它的直視分量變的更強(qiáng),相應(yīng)萊斯系數(shù)也比較大,取k=18dB。假設(shè)飛行器間相對(duì)速度不變,則最大多普勒頻移不變,為5kHz,多徑分量在-90o~90o內(nèi)服從均勻分布,多普勒頻譜是Jake譜。信道近距情況的多普勒譜如圖2所示。假設(shè)τmax=70μs,其多徑分量的時(shí)延譜可以用指數(shù)功率譜來(lái)表示,延遲衰減率是τslope=5μs,則信道近距情況的時(shí)延功率譜如圖3所示。則信道的沖激響應(yīng)可以寫成:其中,fd為直視分量的頻移;{fdk}和{τk}分別是多徑分量的頻移序列和延時(shí)序列。4.2.4最大多普勒變化率過(guò)頂飛行狀態(tài)是指臨近空間飛行器(平臺(tái))飛過(guò)航空或地面用戶上方的狀態(tài),因此,過(guò)頂狀態(tài)的多普勒頻移是隨時(shí)間變化的狀態(tài),因?yàn)檫^(guò)頂時(shí)飛機(jī)相對(duì)于地面站的仰角變化快,由fd=v?fc?cosα(t)/c可知多普勒頻移同樣也隨著時(shí)間變化。假設(shè)t=0時(shí)飛機(jī)離地面站的距離為d0,則最大多普勒變化率表達(dá)式為:如果飛行器(平臺(tái))水平相對(duì)速度為v=1000m/s,則多普勒變化率曲線如圖4所示。根據(jù)接收機(jī)允許的最大多普勒變化率,可以判斷出何時(shí)接收機(jī)跟不上多普勒頻移變化,從而導(dǎo)致通信性能的下降。此時(shí),由于仰角高、多徑分量很少且很弱,可以認(rèn)為只有一個(gè)直視分量,因此能夠采用乘性信道來(lái)近似真實(shí)信道,其時(shí)變信道可以表示為:當(dāng)然,轉(zhuǎn)彎也是一種會(huì)引起多普勒變化的情況,但是多普勒變化率比較小,因此,只考慮過(guò)頂狀態(tài)時(shí)的性能,這是多普勒變化率最惡略的情況。在這個(gè)狀態(tài)下,如何使接收機(jī)跟上多普勒頻移fd的變化,是過(guò)頂飛行狀態(tài)的一大問(wèn)題。5高斯信道仿真臨近空間通信系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單建模成如圖5所示的一般通信系統(tǒng)框圖,由此得到各個(gè)信道狀態(tài)下的誤碼率。通過(guò)以上對(duì)移動(dòng)信道特性的分析和離散模型的建立,可以仿真建立上行傳輸時(shí)的信道模型。這里采用的載頻fc=1.5GHz,數(shù)據(jù)速率為fs=1MHz(采用上行信道數(shù)據(jù)傳輸速率),調(diào)制方式為QPSK方式,多徑數(shù)量為10,假設(shè)直視分量與載波同步,仿真結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?當(dāng)處于途中飛行狀態(tài)時(shí),遠(yuǎn)距狀態(tài)和近距狀態(tài)都是萊斯信道,其性能也因萊斯系數(shù)大小而不同,近距狀態(tài)的萊斯系數(shù)比遠(yuǎn)距要大,所以近距時(shí)的性能要好;當(dāng)飛機(jī)處于過(guò)頂狀態(tài)時(shí),仿真中假設(shè)接收機(jī)沒(méi)有跟上多普勒變化而產(chǎn)生4Hz的頻偏,這時(shí)誤碼率曲線也接近高斯信道的性能,因此,如果接收機(jī)完全能夠跟蹤多普勒頻移變化的話,過(guò)頂狀態(tài)信道可以認(rèn)為是高斯信道;當(dāng)處于沒(méi)有直視分量狀態(tài)時(shí),此時(shí)通信信道由于沒(méi)有主要分量,每徑的功率非常小,此時(shí)通信是非常不可靠的。為了保持通信系統(tǒng)正常工作,應(yīng)該采取有