卫星移动通信信道特性分析(精)

收稿日期 :2003-09-10基金项目 :国家自然科学基金资助项目 /个人移动卫星通信电波传播特性研究0(60172006作者简介 :1. 符世钢 (1979- , 男 , 云南安宁人 , 云南大学信息学院通信与信息系统专业在读硕士研究生 , 主要从事移动通信关键技术研究 ;2. 任友俊 (1973- , 男 , 云南宣威人 , 曲靖师范学院计科系讲师、工学硕士 , 主要从事网络通信及其编程研究 ;3. 申东娅 (1965- , 女 , 云南昆明人 , 云南大学信息学院副教授 , 主要从事移动通信研究 .卫星移动通信信道特性分析符世钢 1, 任友俊 2, 申东娅 3(1. 3. 云南大学信息学院 , 云南昆明 650091; 2. 曲靖师范学院计科系 , 云南曲靖 655000摘要 :卫星移动通信作为地面移动通信的补充 , 是实现全球个人通信的必不可少的手段之一 , 同时也是目前发展最迅速的通信技术之一 . 卫星移动通信具有卫星固定业务和移动通信双重特点 , 其电波传输距离远 , 经历的环境特殊 , 导致其信道特性远比地面系统复杂 . 因此 , 研究其信道特性是设计出高效实用的通信系统的关键环节 . 本文对其信道特性进行了具体深入的分析 , 并对某些衰减因素的解决措施作了简要探讨 .关键词 :卫星移动通信 ; 信道特性 ; 传输损耗 ; 多普勒频移中图分类号 :TN927+123 文献标识码 :A 文章编号 :1009-8879(2003 06-0071-04卫星移动通信是指利用卫星实现移动用户间或移动用户与固定用户间的相互通信 . 近年来地面蜂窝移动通信系统得到了飞速发展 , 但是它的覆盖范围有限 , 仅能为人口集中的城市及其附近地区提供服务 . 为了获得全球范围的无缝覆盖 , 实现名符其实的全球个人通信 , 不得不引入卫星移动通信来作为地面移动通信的补充 . 卫星移动通信具有覆盖面积大、业务范围广、适用于各种地理条件等优点 , 在过去二三十年中发展十分迅速 , 成为极具竞争力的通信手段之一 .与地面移动通信系统不同 , 卫星移动通信系统的电波传播要经过漫长的距离 , 其间要受到多种因素的干扰 . 这大大增加了接收信号的波动性 , 成为保证通信质量的最大障碍 . 为此 , 研究信道特性成为设计通信系统的首要任务 . 本文将对其进行具体分析 .1 传输损耗卫星移动通信中电波传播要经过对流层 (含云层和雨层、平流层直至外层空间 , 传输损耗大致为自由空间传输损耗与大气损耗之和 . 111 自由空间传输损耗在整个卫星无线路径中自由空间 (近于真空状态占了绝大部分 , 因此 , 首先考虑自由空间传播损耗 . 卫星移动通信系统无线链路与大尺度无线电波传播模型类似 , 在自由空间模型中 , 接收功率的衰减为 T-R 距离的幂函数 [1]. 当发射和接收天线均具有单位增益时 , 自由空间路径损耗为 :L f =10lg(K 2=20lg(3@108d f (db (1 当 d 取 km 、 f 取 GHz 为单位时 , 可简化为下式 :L f =92145+20lgd +10lg f (db(2112 大气层损耗大气层在卫星无线路径中所占比例不大 , 但却是最不稳定的区域 , 其损耗是卫星移动通信最具特色的信道特征之一 . 伴随着天气的变化 , 降雨、降雪、云、雾等都不可避免地对穿透其中的电波产生损耗 , 个别极恶劣的天气甚至会造成通信信号的中断 . 由于各种客观条件的限制 , 目前对其损耗只能通过实际观测积累数据并由此总结出一些经验公式 .在各种天气引起的损耗因素中 , 降雨损耗所占的比例最大且具有代表性 . 在雨中传播的电波会受到雨滴的吸收和散射影响而产生衰落 . 此时引入降雨衰减系数的概念 , 即由降雨雨滴引起的每单位路径上的衰减 R , R 如下式所示 :第 22卷第 6期2003年 11月曲靖师范学院学报JOURNAL OF QUJING TEACHERS COLLE GEVol. 22 No. 6Nov. 2003R =41343@103Q +]0n(r 8(r , K d r (db/km (3 上式中 n(r d r 是单位体积中半径在 r 和 (r + d r 之间的雨滴数目 , 它取决于降雨强度 ; 8(r, K 是半径为 r 的雨滴对电波为 K 的衰减截面 , 它取决于工作频率 . 值得注意的是 , 当电波波长远大于雨滴的直径时 , 降雨损耗中雨滴的吸收起主要作用 ; 而当雨滴的直径增加或波长缩短时 , 散射作用就会增大 [2].理论上用降雨衰减系数与电波穿透的雨区路径相乘即可得总的降雨损耗 . 但实际上降雨衰减系数在电波传播路径上的不同点各不相同 , 给计算带来了极大的困难 , 为此需要对二者进行转换 . 此时引入了降雨强度 P 的概念 , 即单位时间的降雨量 , P 如下式所示 :P =Q +]0n(r (3r 3 Q v(r d r (4 式中 , Q 是水的密度 , v(r 是地面处半径为 r 的雨滴的下落速度 .在计算卫星通信传播路径上的降雨损耗时 , 必须知道降雨区域的等效路径长度 D (B , 其基本定义如下 :D(B =当仰角为 B 时传播路径上产生的总降雨衰减 /对应于地球站所在地降雨强度的单位距离降雨衰减系数 (5 在 1~50GHz 的频段内 , 可以认为降雨衰减大致与降雨强度成正比 , 因此借助于降雨强度的概念 , (5 式可近似表示为 :D(B = +]R (r d rR (0(km (6这就是说 , 所谓降雨地区的等效路径长度 , 就是把电波传播路径上不同点的不同降雨强度折算成地球站所在地的降雨强度时得到的等效路径长度 . 从 (5 式可以看出 , 可以用地球站所在地的降雨衰减系数与等效路径长度相乘 , 来得到仰角为 B 的传播路径上产生的总的降雨损耗 , 这将极大地方便我们进行计算和预测 .但是 , 在具体计算 D(B 时 , 既不可能测定 Q +]0R (r d r , 又不可能计算出时刻都在变化着的等效路径长度的瞬时值 , 所以 , 一般都是使用等效路径长度的统计值 . 它定义为 :某一仰角的传播路 , 概率的降雨衰减量 (db , 与同一时期内测得的、同一时间概率的降雨衰减系数之比 (db/km .2折射、闪烁、法拉第旋转除了大气层中的传输损耗外 , 大气层中的不规则特性也会对无线电波产生衰减 . 此外 , 当电波通过电离层这一极其特殊的环境时 , 也会发生特殊的变化 .211大气折射无线电波穿透大气层时要发生折射 , 大气折射率随着高度增加、大气密度减小而减小 . 于是 , 从地球站看卫星 , 电波射线传播路径产生向上凸出的弯曲 , 致使该路径的仰角比真实仰角偏高 , 且还因传播途中大气折射率的变化而随时变化 . 大气折射率的这一变化对穿透其中的电波起到一个凹透镜的作用 , 从而使电波的聚束失散而引起散焦损耗 , 这种损耗与频率无关 . 此外 , 对流层的扰动引起大气折射率发生起伏 , 使得电波向各个方向上散射 , 导致了波前到达大天线口面时其幅度和相位分布不规则 . 这种损耗称为漫射损耗或散射损耗 . 散焦衰减和散射衰减通常都很小 , 但它们与大气层的天气状况无关而经常存在 , 因此在设计卫星移动通信系统 , 特别是低仰角系统时必须加以考虑 .212闪烁闪烁按其成因可分为大气闪烁和电离层闪烁 .21211大气闪烁由于大气折射率的不规则变化引起的信号强度的起伏现象 , 称之为大气闪烁 . 这类闪烁的周期约为几十秒 . 2~10GHz 的大气闪烁是由于大气的不规则引起的电波的多径散射和收敛 . 测量表明 , 标准大气中的信号强度为高斯分布 .如直径为 30米的天线在仰角为 5b 的情况下 , 信号强度的起伏幅度为 016分贝 .21212电离层闪烁电离层中自由电子并非均匀分布 , 而是呈层式分布 , 此外 , 自由电子在电离层中不断地发生随时游动 . 电离层结构的这种不均匀性和时变性造成穿透其中的无线电波在振幅、相位、到达角、极化状态等方面发生短周期的不规则变化 , 这种现象称为 /电离层闪烁 0. 它与卫星移动通信系统的#72#曲靖师范学院学报第 22卷时间等有关 , 尤其与地磁纬度和当地时间有关 [3]. 在地磁赤道附近及高纬度地区 (尤其地磁 65b 以上电离层闪烁极其明显和频繁 . 时间上 , 在太阳活动较强的年份闪烁频度会明显增大 , 甚至在白天也能观测到闪烁 .电离层闪烁涉及到的频域很宽 , 这使得通常采用的频率分集、极化分集、扩展频谱等抗衰落措施往往行不通 . 例如在 UHF 频段 , 3db 相关带宽超过100MHz, 如要使用频率分集 , 则需要频率间隔大于 100MHz, 这在实现上存在很大困难 . 此外 , 电离层闪烁涉及的地域也很广阔 , 且电离层中不规则区域会发生漂移从而引起所涉及的地域发生变化 , 这些特点使得采用空间分集的抗衰落方法也变得不现实 . 目前解决电离层闪烁的有效办法是时间分集和编码分集 , 也可采用增加储备余量的方法来减小其造成的影响 .213法拉第旋转由于地球磁场的影响 , 电离层中等离子体媒质呈现出各向异性特性 . 卫星移动通信中电波广泛采用线极化和圆极化的形式 . 一个线极化波可以看成是等振幅的左旋和右旋两个圆极化波的合成 , 在属于磁性等离子媒质的电离层中传播时 , 由于其各向异性特性 , 这两者的相速不同 , 致使两个圆极化波之间的相位差发生变化 . 当它们通过电离层后 , 重新合成的线极化波的极化面相对于入射波方向产生缓慢的旋转 , 称为法拉第旋转 [4]. 旋转角度 H 的大小与电波频率、地球磁场强度、等离子体的电子密度、传播路径长度等有关 , 其计算可以使用下式 :H =21365@104f 2LNB cos A d L (弧度 (7 式中 f 为频率 , N 是电子密度 , B 是地球磁场的磁能量密度 , A 是传播路径与地球磁场的夹角 , L 是在电离层中传播路径的长度 .从上式可见 , 法拉第旋转的大小与频率的平方成反比 . 因此 , 对于较低的频率 (1GHz , 为了克服法拉第旋转 , 需要采用圆极化作为发射电波的极化方式 , 或者采用极化跟踪技术 . 当频率升高 (尤其是大于 10GHz 时 , 法拉第效应往往可以忽略 , 此时就可以采用线极化波了 .3阴影效应 , 多径衰落 , 多普勒频移其本身兼有卫星固定业务和移动通信双重特色 , 使其信道具有更多的复杂性 , 这成为研究的又一重点 .311阴影效应与单纯的固定业务卫星通信不同 , 卫星移动通信具有很大的机动性和灵活性 , 地面通信地点无法预先选择 . 因此当电波传播路径遇到建筑物、树木、起伏山丘等障碍的阻挡时 , 会造成接收信号电平的下降 , 这一现象称为阴影效应 , 所引起的信号衰落称为阴影衰落 , 其大小取决于障碍物状况和信号的频率 . 目前针对不同的障碍物已做出许多实际测试 , 比如针对树木遮挡损耗 , 典型的就有 Goldhirsh 和 Vogel 实测的单棵树木在 870MHz(右旋圆极化传输的衰减量和 Michigan 进行的以 116GHz 电波仰角穿透单棵红树冠时的衰减量 .从实际测试中已得到大量有用数据和经验公式 . 312多径衰落无线电波在传播过程中会遇到建筑物、树木、山丘等各种障碍物 , 产生出反射波、散射波、绕射波 , 这就使得接收到的信号是从多条路径传播来的信号的合成 . 由于在各条路径上信号传输时间不同 , 到达接收端时相位也就不同 . 不同相位的信号叠加时往往是同相增强、反相减弱 , 有时甚至相互抵消 . 这样 , 接收信号的幅度将急剧变化 , 即产生了衰落 , 被称为多径衰落 .与固定卫星通信不同 , 卫星移动通信中移动台的接收天线较小且几乎没有方向性 , 会从各个方向上接收信号 , 因此多径衰落广泛地存在于其信道中 , 其大小与工作频率、天线增益、天线仰角、地形等因素有关 . 例如对目前常用的GEO(静止地球轨道卫星移动通信系统 , 其最大的多径衰落可以超过 20db. 目前克服多径衰落的措施主要有交织编码与卷积编码相结合、采用差分调制方式、极化成形及空间分集等 .313多普勒频移当无线电波收发终端之间产生相对运动时 , 接收端收到的频率相对于发送端而言就会发生变化 , 产生的这个附加频率偏移量称为多普勒频移 . 在卫星移动通信中 , 卫星和地面移动台的运动都会引起多普勒频移 , 其大小与卫星轨道高度、轨道类型、地面站纬度等因素有关 . MEO(中轨道、 LEO(低轨道卫星由于与地球产生相对运动 , 因此多普勒频移通常比 GEO(静止地球轨道卫星# 73 #第 6期符世钢 , 任友俊 , 申东娅 :卫星移动通信信道特性分析有最大的正多普勒频移 ; 当卫星通过地面移动台的最大仰角时 , 多普勒频移为零 ; 当卫星从地平面消失时 , 有最大的负多普勒频移 . 另外 , 卫星的轨道越低 , 飞行速度越快 , 多普勒频移就越大 . 如果两个发射频率之间的间隔不够大 , 即小于最大多普勒频移时 , 则接收端就可能产生相互干扰 . 同时 , 它还会使接收机输出信号幅度下降 , 也会引起较大的相位误差 . 多普勒频移通常采用闭环频率控制、预校正、差分调制等方法来解决 .4 结论在卫星移动通信的发展进程中其信道特性一直是研究的重点 . 本文从传输损耗 , 折射、闪烁、法拉第旋转 , 阴影效应、多径效应、多普勒频移 3个方面进行分析 , 得出的结论普遍适用于 GEO, MEO, LEO, HEO 等多种卫星系统 , 在论述现象的同时给出了一批量化表达式 , 为理论预测打下了基础 . 从各种分析中可以看出 :由于卫星中继的特殊位置 , 其双向链路传输损耗大 ; 在传输环境中的多种不稳定因素干扰下信道参数的波动性很大 , 且在个别情况下产生极大的接收信号衰落 . 因此 ,如何对其特性进行优化必将成为又一个研究重点 .参考文献 :[1]Theodore S. Rappaport :Wireless communications principles and practice . Prentice Hall Inc. 中文本 :无线通信原理与应用 [M].蔡涛 , 李旭 , 杜振民译 . 北京 :电子工业出版社 , 1999:50~51.[2]全庆一 , 廖建新 , 于玲 , 等 . 卫星移动通信 [M]. 北京邮电大学出版社 , 2000:39~40.[3]吴志忠 . 移动通信无线电波传播 [M ].北京 :人民邮电出版社 , 2002:85.[4]张乃通 , 张中兆 , 李英涛 . 卫星移动通信系统 [M ].北京 :电子工业出版社 , 1997:25.[5]张更新 , 张杭 . 卫星移动通信系统 [M ].北京 :人民邮电出版社 , 2001:95.Analysis of channel property for mobile satellite communicationFU Sh-i gang 1, REN You -jun 2, SHEN Dong -ya 3(1. 3. Information Co llege of Y u nnan Univer sity, K u nming Y unnan 650091, China; 2. Compu ter Dep. , Quji ng Teachers Co llege, Qujing Yunnan 655000, ChinaAbstract :As a complement of land -mobile communication, mobile satellite communication is an essential method to achieve global personal communication. Meanwhile, it is also one of the communication technologies that develop fastest now. Mobile satellite communication has double trait of both fixed satellite service and mobilecommunication. The transmission of its electric wave has the trait of long distance and special environment. This lead to that its channel property is more complex than land-mobile system. Thus, it is a key part to study its channel property for designing an efficient 、 practical communication system. This paper has done a special 、 deep analysis of its channel property and has discussed some settlements on certain loss factors.Key words:mobile satellite communication; channel property ; transmission loss; Doppler frequency shift[责任编辑 :李国发 ]#74#曲靖师范学院学报第 22卷。