宽带移动卫星通信信道模型研究

2009年第01期，第42卷 通 信 技 术 Vol.42，No.01,2009 总第205期Communications Technology No.205,Totally

宽带移动卫星通信信道模型研究

雍明远①， 梁 俊②，袁小刚②

（①空军驻西北地区军事代表室，陕西 西安 710043；②空军工程大学 电讯工程学院，陕西 西安 710077）

【摘 要】从多径衰落、阴影效应和多普勒效应三个方面研究宽带移动卫星通信信道的频率色散特性和多普勒功率谱非对称特性。基于WSSUS模型提出宽带移动卫星通信信道的统计模型。采用蒙特卡洛仿真方法对农村地区和城市地区两种信道的冲激响应和误码率特性进行仿真。仿真结果表明该信道模型能够真实反映宽带移动卫星通信信道的特性，对卫星通信系统关键技术设计具有参考价值。

【关键词】宽带；卫星通信；广义平稳非相关散射；信道模型

【中图分类号】TN927【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2009)01-0065-03

Study on Simulation Model for Wideband Satellite Mobile

Communications Channels

YONG Ming-yuan①， LIANG Jun②， YUAN Xiao-gang②

(①Army Representation Office of Air Force in Northwest Area, Xi’an Shaanxi 710043, China；

②The Telecommunication Engineering Institute, Air Force Engineering University, Xi’an Shaanxi 710077, China)

【Abstract】In the paper, the fading characteristics of the frequency-dispersion and dissymmetry of Doppler frequency shifts of the wideband satellite mobile communications are studied. The model for wideband satellite mobile communications channels is proposed considering the multi-path and Doppler frequency shifts. Finally, two channels of country and urban area are simulated using Monte Carlo method. The model provides a theoretic suggestion for design of the wideband satellite mobile communications systems.

【Key words】wideband；satellite communications；WSSUS；channel model

0 引言

卫星移动信道同时具有卫星信道和移动信道的特征，存在着多径效应、阴影效应、多普勒频移和电离层闪烁等严重影响着数字信号传输可靠性的因素。窄带卫星移动通信信道的研究较早，提出了Loo模型、Corazza-Vatalaro模型和扩展Suzuki模型等多种比较符合实际的成熟信道模型。目前，由于实现全球漫游和宽带业务传输等需求，宽带移动卫星通信的发展很快，因而对于宽带卫星移动信道的研究也一步步展开。而在军用方面，如美军用于传输机载传感器所获取的实时高速数据、图像信号的通用数据链，其低轨道卫星通信的传输速率将分别达到137.08 Mb/s和274.17 Mb/s[1]。通信信道是通信系统设计的一个关键技术问题，因此对宽带卫星移动信道的研究很有意义。Bello提出的小尺度衰落信道WSSUS（广义静态非相关散射）模型，较好地描述了宽带信道的频率色散特性。文中基于WSSUS信道，研究非对称多普功率谱下，增加直射分量的宽带移动卫星通信信道模型。

1 移动卫星通信信道的传输特性

1.1 多径衰落

无线环境中始终存在反射和散射物体，使得信道处于一种不停地变化环境中，从而影响信号的幅度、相位、时延以及到达天线时的入射角度，造成接收到的合成信号起伏很大，这就是多径衰落，它是一种快衰落。在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展，时延扩展值的大小将决定信号的衰落是否具有频率选择性。在窄带卫星移动通信中，此时的衰落为平坦衰落，基带码元速率较低、信号带宽远小于信道相关带宽，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有一致性。但在宽带移动卫星通信中，收发端的基带码元速率较高，

收稿日期：2008-06-26。

基金项目：国家自然科学基金（60671001）。

作者简介：雍明远（1963-），男，高级工程师，主要从事无线通信研究工作；梁 俊（1962-），男，教授，硕士研究生导师，主要从事微波通信和卫星通信研究工作；袁小刚（1980-），男，博士生，主要从事卫星通信研究工作。

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66 信号带宽大于信道相关带宽，多径信道的传播时间是不一样长，只有那些被分布在同一个椭圆上的反射信号才会在同一时间内到达，且不能忽略。所以，在宽带移动卫星通信中，假设接收机的带宽是W ，多径时延差W /1<<Δτ时，接收机不能区分出在τ和ττ+Δ之间到达的多径信号，因而造成了宽带移动卫星信道的频率选择性衰落特性。多径信道的模型可由（1）式表示。

()()

()

()()

1

(,)exp 2π()N t n t

Dn t n t n c t j j f

t τθδττ==

+?∑。 （1）

（1）式中k (t )为t 时刻的多径信号数量，θn (t )、f Dn (t )、τn (t )分别为t 时刻第n 条多径信号的相位差、多普勒频移和延迟。

对许多信道而言，可以假设它的多径信号分量数是恒定的；同时，时延变化相当缓慢，从而也假定多径时延是不变的。则模型可以简化为（2）式：

()(,)exp 2π()N

n Dn n n i c t j j f t τθδττ==+?∑。 （2）

1.2阴影效应

阴影效应对移动台接收信号的影响很大，在以树木、建筑物遮蔽为主要特征的公路环境、农村地区和城市地区，阴影效应主要表现在树木和建筑物的吸收、散射或绕射引起直射波的衰减变化，以及相关多径分量对直射波的干涉作用，衰减量决定于树叶和枝干的浓密度、电波穿越树冠的路径以及建筑物的大小。这种衰落是一种慢衰落，衰落率与移动物的速度以及阻挡物的分布有关。

1.3多普勒效应

在低轨移动卫星信道中，由于卫星的高度低，运行速度快，导致多普勒频移大范围的快速时变。多普勒频移取决于卫星和用户的相对运动速度和位置。卫星移动通信直射分量的多普勒频有（3）式得出[2]：

D f = （3） （3）式中，r 为地心与卫星的距离，r

E 径，r (t )地面用户终端对应于地心的角距，θ(t 0)= θmax 为最大仰角，φ(t )和φ(t 0)分别是t 和t 0时刻星下点所对应的圆心角。

通常认为，由于多普勒效应，接收的多径信号满足Jakes 谱。最近，在Mattias Patzold 提出的移动卫星信道新模型－扩展Suzuki 模型中[3]，认为多径分量多普勒功率谱非对称，

能更好地符合实际物理环境。若多径分量的入射角为 [φL ，φH ]，最大多普勒频移为f max 。 满足（0≤φL ≤φH ≤π

）时，多普勒功率谱为（4）式；

2

max max ()cos cos ,0,H L p f f f f ??= <

（4）

满足（π≤φL ≤φH ≤

2π）时，多普勒功率谱为（5）式； 2

max max ()cos cos 0,L H p f f f f ??= <

（5）

当满足（0≤φL ≤π≤φH ≤2π）时，多普勒功率谱同时考虑（4）式和（5）式。当φL =0、φH =2π时，p (f )便是标准的Jakes 功率谱[3-4]。

2 宽带移动卫星通信信道的统计模型

根据以上的宽带卫星移动通信信道特性分析，模型设计时忽略电离层闪烁等影响，认为信道主要由直射分量和多径分量组成，多径分量的多普勒功率谱满足（4）式和（5）式、

近似认为多普勒功率谱与延迟功率谱相独立，基于WSSUS 假设的宽带卫星移动通信信道模型的冲激响应为（6）式：

()0(,)exp 2π()lim D N h t a j f t a →∞

=+τδτ （6）

()1

exp 2π()N

n

Dn n n j j f t θ

δττ=+?∑。

（6）式中，t ，τ表示特定的时刻和时间的增量；a 0、a 1分别为直射分量和多径分量的强度； f D 为直射分量的多普勒频移，有（3）式可得出；θn 、

f Dn 、τ分别为第n 条路径的相位差、多普勒频移和延迟，系数是归一化因子，使得

多径分量的能量之和为单位能量1。

由上式可以得到宽带移动卫星信道的离散时间模型如图1。

图1 宽带卫星移动通信信道仿真模型

多径分量第n 条路径的相位差θn 、多普勒频偏f Dn 和延迟τn 均为随机变量，故使用一个概率分布服从（0，1）均匀分布的变量u n 来模拟一个随机变量，参数模拟如下：

（1）θn 的概率密度服从均匀分布，p (θ)=1/2π，则θn =2πu n （2）f Dn 概率密度p (f )满足多径分量入射角范围为

[φL ，φH ]的非对称多普勒功率谱[4-5]

max cos(())Dn L H L n f f u ???=+?。 （7）

农村地区时的多径分量入射角范围认为[π/4、7π/4]；城市地区因为散射体多，故认为多径分量入射角范围为

[0、2π][2]。

(3)τn 的概率密度p (τ)服从指数分布，假设低轨道移动卫星的延迟衰减为τs =1 μs ，采用文献[6-7]中的农村地区和城市地区的延迟功率谱，得到农村地区的延迟τn 和城市地区的延迟τn 为分别为式（8）和式（9）。

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()9.2ln 1n n u τ=??。 （8）

()ln 1n n u τ=??。 （9）

当多径信号数目N 选择为128时，得到的农村地区和城市地区的宽带移动卫星通信信道冲激响应分别为图2和图3。

图

2 农村地区信道冲激响应

图3 城市地区信道冲激响应

3 信道特性仿真结果

文中采用Monte Carlo 仿真法对该信道在不同环境下的性能进行仿真。系统的误码率特性仿真模型如图1。仿真时卫星通信频率为15 GHz ，数据传输速率10 Mb/ps ，数据信号经过前向纠错和交织编码后，采用OQPSK 调制，卫星轨道考虑为圆形轨道，卫星高度为500 km ，地球半径取6356 km ，最大通信仰角为53o 。图4为宽带卫星移动通信地面终端在农村地区和城市地区的误码率性能比较。

SN /dB R

图4宽带卫星移动通信信道误码率性能

4 结语

文中分析了宽带卫星移动通信的统计特性，建立了一种信道统计模型，并进行了两种信道下的性能仿真。文中研究的信道特性和模型，对于将来解决宽带移动卫星通信的信道模拟和通信系统关键技术设计具有一定的参考价值。

参考文献

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[4] Hass E. Aeronautical channel mdeling[J]. IEEE Trans On

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[6] 刘高，黄国策，袁小刚. 移动卫星通信信道多普勒频移特性研

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[7] Molish A F. 宽带无线数字通信[M]. 许希斌, 赵明, 粟欣,等

译. 北京: 电子工业出版社, 2002:15-22.

（上接第61页）

/MHz

f

图8 跳频载波在仿真过程中的频谱

从图8 中可看出，跳频载波避开了干扰信号，保证信号不受人为干扰，从而做到可靠通信。

4 结语

本文利用SIMULINK 软件，分别仿真了定频通信系统、跳频通信系统、自适应跳频系统(扫频阶段)，并在加入了部分频带干扰，通过对比三种不同的通信方式在相同干扰下的表现，得出自适应跳频具有很强的抗干扰能力的结论，验证了自适应跳频理论的可行性和优越性。在今后的工作中，可

以研究如何让自适应跳频系统完成实时的频率更新，此外，在跳频序列的生成、纠错编码技术等方面还有许多技术值得我们深入研究。

参考文献

[1] 梅文华，王淑波，邱永红，等.跳频通信[M].北京：国防工业出版社，2005.

[2] 李贺冰．SIMULINK 通信仿真教程[M].北京：国防工业出版社，2006． [3] 曹志刚，钱亚生．现代通信原理[M]．北京：请华大学出版社，2003．