一種多徑衰減和降雨衰減信道建模與仿真

一種多徑衰減和降雨衰減信道建模與仿真

1基于u3000臨近年來，作為一種新型的移動(dòng)通信手段，鄰近空間平臺(tái)（也稱為水平平臺(tái)站）的通信具有一定的綜合優(yōu)勢，已逐漸受到重視，并成為研究的熱點(diǎn)。臨近空間平臺(tái)通信使用高空平臺(tái)站(飛艇、無人機(jī)、氣球等)作為中繼站,在提供高速、大容量業(yè)務(wù)方面有著廣闊的應(yīng)用前景。目前,關(guān)于臨近空間平臺(tái)通信的研究大多集中于平臺(tái)的制造與飛行問題,在具體通信技術(shù)方面的成果十分有限,對(duì)適用于臨近空間通信的信號(hào)傳輸技術(shù)也相對(duì)較少,其主要原因就在于缺少對(duì)通信信道進(jìn)行有效的描述。文獻(xiàn)中提出了一種考慮多徑和陰影效應(yīng)的概率統(tǒng)計(jì)衰落模型,但該模型屬于單信道模型,難以表示大范圍內(nèi)臨近空間通信信道的動(dòng)態(tài)變化特性;文獻(xiàn)提出了一種基于馬爾科夫過程的三狀態(tài)切換模型,克服了傳統(tǒng)的單狀態(tài)不能確切描述大環(huán)境范圍內(nèi)的信道特性的缺點(diǎn),但未考慮降雨衰減對(duì)信道的影響。為了確保臨近空間通信的可靠性和有效性,為后續(xù)的通信體制的研究奠定基礎(chǔ),本文結(jié)合臨近空間通信信道的具體特性,對(duì)經(jīng)典Lutz模型進(jìn)行了修訂,從多徑衰落和雨衰兩個(gè)方面綜合考慮,對(duì)Ka頻段通信信道模型進(jìn)行研究與仿真。仿真結(jié)果表明,本文提出的模型能夠較好地反映臨近空間通信的信道特性,具有一定的實(shí)用性,為臨近空間通信的系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)提供了仿真環(huán)境。2國家通信的重要作用臨近空間是指高于普通航空器飛行空間,而低于軌道飛行器運(yùn)行空間的區(qū)域。國際上一般將距地面20～100km的空域視為臨近空間,如圖1所示。運(yùn)行在臨近空間的飛行器稱之為臨近空間平臺(tái),有高空無人機(jī)、飛艇、氣球等多種形式。與衛(wèi)星通信相比,臨近空間通信平臺(tái)傳播距離短、傳播損耗少、時(shí)延較小、所需發(fā)射功率低,有利于實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸和通信終端的小型化;與地面中繼系統(tǒng)相比,其作用距離遠(yuǎn),覆蓋范圍大,機(jī)動(dòng)靈活,特別適用于山區(qū)、沙漠等偏遠(yuǎn)地區(qū)和應(yīng)急通信。在軍事上,臨近空間平臺(tái)在未來戰(zhàn)爭中將提供支持一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的信息平臺(tái),是軍事力量的倍增器。臨近空間為通信系統(tǒng)和預(yù)警探測系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)信息平臺(tái),為實(shí)現(xiàn)空天地一體信息作戰(zhàn),奪取信息優(yōu)勢,并最終實(shí)現(xiàn)信息全譜優(yōu)勢有著十分重要的意義。在民用上,一方面,將地面移動(dòng)基站進(jìn)行改造,以適應(yīng)于臨近空間平臺(tái),并進(jìn)行移動(dòng)接入服務(wù),研究表明,使用臨近空間平臺(tái)作為移動(dòng)基站的接入載體,具有作用距離遠(yuǎn)、覆蓋地區(qū)大等優(yōu)點(diǎn);另一方面,近年來的研究表明,由于具有布站迅捷、靈活等優(yōu)點(diǎn),臨近空間平臺(tái)也是大規(guī)模應(yīng)急救災(zāi)(地震、洪澇災(zāi)害)的有效手段。通過以上應(yīng)用與比較分析可以看出,臨近空間平臺(tái)在軍用民用兩個(gè)方面都具有廣闊的發(fā)展前景,同時(shí),臨近空間平臺(tái)與衛(wèi)星系統(tǒng)具有此長彼短,優(yōu)勢互補(bǔ)的關(guān)系,因此,研究臨近空間通信的信道模型,具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。3基于ka思想的平臺(tái)信道模型為了研究臨近空間平臺(tái)通信的傳輸技術(shù),評(píng)估系統(tǒng)的傳輸性能,必須建立合適的信道模型。臨近空間平臺(tái)通信與衛(wèi)星通信和地面移動(dòng)通信相比,具有一些不同的特點(diǎn),如表1所示。根據(jù)ITU分配的臨近空間(平流層)通信系統(tǒng)使用的頻段,我國采用27.5～28.35GHz(下行)和31.0～31.3GHz(上行)的Ka頻段,在這個(gè)頻段的雨衰對(duì)通信鏈路的性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)臨近空間的系統(tǒng)組成和平臺(tái)高度可以發(fā)現(xiàn),Ka頻段的臨近空間通信信道具有Ka頻段衛(wèi)星信道一切特征,因此在建立信道模型時(shí),可以參照Ka頻段靜止衛(wèi)星信道的模型。臨近空間平臺(tái)通信信道是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)變信道,在信號(hào)的傳輸過程中,不僅存在路徑損耗和降雨衰減,而且還存在多徑衰落、陰影效應(yīng)。臨近空間平臺(tái)能夠長期穩(wěn)定地停留在平流層的某一固定位置,因此基本上不存在由于平臺(tái)移動(dòng)引起的多普勒頻移,如圖2所示。本文主要將臨近空間通信的衰落分為兩大部分,一是降雨衰減,二是多徑和陰影效應(yīng)的衰落。3.1雨的幾何尺寸、降雨強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)方式等降雨衰減(雨衰)是由于電磁波受雨滴的吸收和散射影響而產(chǎn)生的衰減,它主要與雨滴的幾何尺寸、降雨強(qiáng)度、雨區(qū)范圍、信號(hào)頻率、極化方式等有關(guān)。在Ka頻段,雨衰是影響通信鏈路質(zhì)量的最主要因素,可用下式計(jì)算:式中,L0為降雨經(jīng)歷的等效傾斜路徑長度,rr(r)為降雨衰減率。3.2多徑衰落和陰影效果3.2.1合成信號(hào)幅度衰落信號(hào)在傳播過程中,會(huì)遇到各種物體,如建筑物、樹木等,發(fā)生反射、散射和繞射,因此接收機(jī)接收到的信號(hào)是從各個(gè)路徑到達(dá)的合成信號(hào),即多徑傳輸。各個(gè)路徑分量的包絡(luò)和相位存在著差異,因此合成信號(hào)幅度波動(dòng)會(huì)比較劇烈,這就是多徑衰落。在分析信道傳輸特性的概率分布模型時(shí),多徑衰落主要用瑞利分布描述,即信號(hào)包絡(luò)的概率密度函數(shù)為fr(r)=rσ2exp(-r22σ2)(2)fr(r)=rσ2exp(?r22σ2)(2)式中,σ為由于多徑引起的平均散射功率。3.2.2陰陽效應(yīng)出現(xiàn)。在空間平臺(tái)與地面相干當(dāng)信號(hào)在傳播路徑上遇到建筑物、樹木、起伏山丘等障礙物的阻擋時(shí),會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生衰減,從而造成接收信號(hào)電平的下降,這種現(xiàn)象成為陰影效應(yīng)。當(dāng)臨近空間平臺(tái)與地面的直射信號(hào)被障礙物吸收或者散射掉時(shí),陰影效應(yīng)出現(xiàn)。用于描述陰影效應(yīng)的概率分布模型為對(duì)數(shù)正態(tài)分布,信號(hào)包絡(luò)的概率密度分布為fr(r)=1rσ√2πexp[-(lnr-μ)22σ2](3)fr(r)=1rσ2π√exp[?(lnr?μ)22σ2](3)式中,μ和σ為直射信號(hào)幅度對(duì)數(shù)的均值和方差。4混合狀態(tài)模型通信信道的建模方法主要有以下幾種方式:經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒔y(tǒng)計(jì)模型和幾何分析模型,本文采用統(tǒng)計(jì)模型的方法。經(jīng)典的移動(dòng)信道模型有C.Loo模型、Lutz模型和Corazza模型,但是這些模型都是用固定的概率分布模式來對(duì)信道特性進(jìn)行擬合,當(dāng)終端在較大范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí),無法全面反映信道的特性。因此,應(yīng)建立一個(gè)包含好狀態(tài)和壞狀態(tài)的混合狀態(tài)模型。另外,根據(jù)上面的信道特性分析,本文對(duì)信道統(tǒng)計(jì)模型的建立主要考慮兩個(gè)方面,一是降雨衰減的影響,二是多徑衰落和陰影效應(yīng)的影響。下面分別建立兩種情況的統(tǒng)計(jì)模型。4.1luts模型以Lutz的經(jīng)典兩狀態(tài)切換信道作為參考,本文對(duì)多徑衰落和陰影效應(yīng)的分析采用兩狀態(tài)切換信道模型,并對(duì)Lutz的模型進(jìn)行一定的改進(jìn)。Lutz的模型是針對(duì)地面移動(dòng)衛(wèi)星信道(LMSC)建立的,兩狀態(tài)的劃分依據(jù)是直射信號(hào)分量的存在與否。好狀態(tài)假定信號(hào)只存在直射分量而且不受陰影遮蔽,壞狀態(tài)則假定信號(hào)完全沒有直射分量而且還要受到陰影遮蔽,因此是兩種較為極端的情況。但由于臨近空間平臺(tái)通信常存在直射分量,極少存在直射信號(hào)被完全遮擋的情況,因此在信道處于壞狀態(tài)時(shí),不應(yīng)假定信號(hào)完全沒有直射分量,可采用C.Loo模型。4.1.1rician分布對(duì)信道的描述好狀態(tài)下,信號(hào)不受陰影遮蔽效應(yīng)的影響,直射信號(hào)沒有受到阻擋,接收信號(hào)與直視信號(hào)疊加,從而信道可用直視信號(hào)幅度歸一化的Rician分布對(duì)信道進(jìn)行描述。接收信號(hào)的包絡(luò)的概率密度為fr(r)=2rΚexp[-(1+r2)Κ]Ι0(2rΚ)(4)fr(r)=2rKexp[?(1+r2)K]I0(2rK)(4)式中,Rician因子為Κ=12σ2?σ2K=12σ2?σ2為多徑引起的平均散射功率。4.1.2接收信號(hào)的包絡(luò)本文對(duì)壞狀態(tài)采用C.Loo模型,即接收信號(hào)受到陰影遮蔽效應(yīng)。但是直射信號(hào)沒有被完全遮蔽,接收信號(hào)是受到陰影遮蔽效應(yīng)的直射信號(hào)和多徑信號(hào)的疊加。因此接收信號(hào)可以表示為r(t)=z(t)s(t)+w(t)(5)式中,r(t)表示接收信號(hào),z(t)表示LOS信號(hào),w(t)表示純多徑信號(hào),s(t)表示陰影衰落。當(dāng)只考慮多徑和陰影效應(yīng)的影響時(shí),接收信號(hào)表示為rexp(jθ)=zexp(jφ0)+wexp(jφ)(6)式中,r、z和w分別為接收信號(hào)、LOS分量和純多徑分量的包絡(luò),θ、φ0和φ分別為接收信號(hào)、LOS分量和純多徑分量的相位。在直射信號(hào)分量的幅度z保持不變的條件下,接收信號(hào)的包絡(luò)r服從Rician分布,即fr(r|z)=rb0exp[-(r2+z2)2b0]Ι0(rzb0)(7)fr(r|z)=rb0exp[?(r2+z2)2b0]I0(rzb0)(7)式中,b0是平均散射多徑功率,I0(·)是第一類零階修正貝塞爾函數(shù)。由于受到陰影效應(yīng)的作用,直射信號(hào)分量的幅度z服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,即fz(z)=1z√2πd0exp(-(lnz-μ)22d0)(8)fz(z)=1z2πd0√exp(?(lnz?μ)22d0)(8)式中,μ和d0分別是lnz的均值和方差。根據(jù)全概率公式可以得到接收信號(hào)的包絡(luò)r的概率密度函數(shù)為fr(r)=∫∞0fr(r|z)fz(z)dz=rb0√2πd0∫∞01zexp[-(lnz-μ)2d0-(r2+z2)2b0]dz(9)fr(r)=∫∞0fr(r|z)fz(z)dz=rb02πd0√∫∞01zexp[?(lnz?μ)2d0?(r2+z2)2b0]dz(9)接收信號(hào)的相位分量θ可以近似滿足高斯分布:fr(θ)=1√2πσθexp(-(θ-mθ)22σ2θ)(10)fr(θ)=12π√σθexp(?(θ?mθ)22σ2θ)(10)式中,mθ和σθ分別為高斯分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)方差。C.Loo等人在Olympus星實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,給出了相應(yīng)的模型參數(shù),如表2所示。4.2大氣對(duì)ka河段臨近空間通信的影響在分析信道的統(tǒng)計(jì)模型時(shí),除了考慮多徑和陰影的影響以外,大氣因素對(duì)整個(gè)通信鏈路的特性也有很大的影響。衛(wèi)星對(duì)地鏈路包含了電離層、中間層、平流層和對(duì)流層,由圖1可知臨近空間處在平流層下部和電離層下部,其對(duì)地通信穿越了平流層和對(duì)流層,Ka頻段的空地鏈路主要受對(duì)流層影響,而在電離層和中間層的通信是非常理想的。因此Ka頻段的臨近空間通信和衛(wèi)星通信在對(duì)流層受到的雨衰是一致的。由文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得,大氣對(duì)Ka頻段臨近空間信道的影響在包絡(luò)和相位上均服從高斯分布,即fw(rw)=1√2πσwexp(-(rw-mw)22σ2w)(11)fw(rw)=12π√σwexp(?(rw?mw)22σ2w)(11)fw(φ)=1√2πσ′wexp(-(φ-m′w)22σ′2w)(12)fw(φ)=12π√σ′wexp(?(φ?m′w)22σ′2w)(12)其中,fw(rw)為信號(hào)包絡(luò)的概率密度函數(shù),fw(φ)是信號(hào)相位的概率密度函數(shù),m′w和mw分別是信號(hào)包絡(luò)和相位的均值,σ2w2w和σ′2w分別是信號(hào)包絡(luò)和相位的方差。表3給出了在中雨和雷雨條件下,Ka頻段臨近空間通信信道包絡(luò)和相位的模型參數(shù)。不失合理性,可以將多徑和陰影效應(yīng)的影響與降雨的影響看作是相互獨(dú)立的。5數(shù)值模型的仿真驗(yàn)證在對(duì)信道特性進(jìn)行描述時(shí),電平通過率(LCR)和平均衰落持續(xù)(AFD)是很常用的高階統(tǒng)計(jì)量。LCR定義為信號(hào)包絡(luò)以正的斜率通過指定信號(hào)電平r的期望值:Ν(r)=∫∞0˙rf(r,˙r)d˙r(13)式中,f(r,˙r)是隨機(jī)過程s(t)及其導(dǎo)函數(shù)˙s(t)=s(t)/dt在同一時(shí)間的聯(lián)合概率密度函數(shù)。AFD反映了信號(hào)包絡(luò)低于給定電平r的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值:T(r)=F(r)/N(r)(14)式中,F(r)=P(s(t)≤r)=∫r0f(x)dx。驗(yàn)證信道模型正確性和可行性的最直接方法就是與實(shí)際測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,由于測試數(shù)據(jù)都是在特定環(huán)境下測試得到的,因此本文可以通過對(duì)C.Loo模型(壞狀態(tài))的測試數(shù)據(jù)來驗(yàn)證文中模型在存在陰影效應(yīng)的情況下的有效性。下面對(duì)臨近空間信道模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,其中仿真參數(shù)可以根據(jù)文獻(xiàn)中的模型參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果確定,并將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)中的測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從圖3可以看出,本文模型的歸一化電平通過率與測量數(shù)據(jù)的差別是可以接受的,而仿真模型的歸一化平均衰落持續(xù)與測量數(shù)據(jù)能夠較好地吻合,證明本文中的信道模型和分析方法是合理的,具有一定可行性。6信號(hào)博弈分析根據(jù)信道統(tǒng)計(jì)模型的論述,可以建立臨近空間平臺(tái)通信信道的仿真模型,如圖4所示。仿真采用BPSK調(diào)制方式,用Matlab產(chǎn)生隨機(jī)二進(jìn)制序列作為輸入信號(hào),經(jīng)過兩狀態(tài)信道,同時(shí)受到降雨衰減的影響,之后受到加性高斯白噪聲的影響,在接收端進(jìn)行誤碼率的統(tǒng)計(jì)。信道的狀態(tài)切換由一個(gè)半Markov過程控制,好狀態(tài)代表Rician模型,Rician因子取3.9,壞狀態(tài)使用C.Loo模型,好壞兩種狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣可參考文獻(xiàn),即兩狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率為Pg=0.565,Pb=0.434。Rician模型可由Matlab自帶的模塊實(shí)現(xiàn),而C.Loo模型模塊和雨衰模塊如圖5所示。信號(hào)在通過不同狀態(tài)的信道時(shí),其衰減程度是不同的,如圖6所示,第6300～10000個(gè)信號(hào)樣點(diǎn)由于信道狀態(tài)的切換處于壞狀態(tài),處于好狀態(tài)的信號(hào)功率包絡(luò)高出處于壞狀態(tài)的信號(hào)功率包絡(luò)約10～20dB。臨近空間通信信道的誤碼性能如圖7～9所示。其中,圖7展示了在不考慮雨衰,假定C.Loo模型的陰影遮蔽程度為中度陰影的情況下,兩狀態(tài)切換信道的誤碼性能。由仿真結(jié)果可見,兩狀態(tài)切換信道的誤碼性能介于好狀態(tài)與壞狀態(tài)的誤碼性能之間,從統(tǒng)計(jì)的角度看,這個(gè)結(jié)果是合理的。圖8的結(jié)果是在好狀態(tài)下,不同降雨條件對(duì)信道誤碼率的影響,根據(jù)本文選取的信道參數(shù),誤碼率為10-4時(shí),中雨和雷雨天氣