UHF頻段衛星移動信道建模與仿真

倪 娟，黃國策，陳 強，余 輝

(1.空軍工程大學信息與導航學院，陜西 西安 710077;2.中國人民解放軍95866部隊，河北 保定 071051)

責任編輯:薛 京

UHF頻段憑借信號穿透力強、終端實用性強以及可實現全球波束覆蓋和廣播聯網、接入得到保證［1］等優點，大量應用于戰術衛星通信系統。然而，UHF頻段通信存在帶寬有限、信道衰落嚴重等缺點，將導致衛星通信可靠性降低。因此，急需開展UHF頻段衛星信道傳輸特性的研究，從而采取抗衰落技術來抵抗惡劣環境的影響。

隨著衛星移動通信發展到第三代，傳輸數據速率提高，系統頻譜帶寬增大，信道衰落特性也變成頻率選擇性衰落，研究模型建立和仿真也變得更加困難［2］。Bello在1963年首次提出用廣義平穩非相關散射(Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering，WSSUS)模型對頻率選擇性衰落信道進行簡單建模［3］。陳立虎［4］等人基于WSSUS模型，建立了中繼衛星與導彈之間通信信道模型，并在海面、平原和山區3種通信環境下進行信道仿真。張嘉銘［2］等人基于多點散射理論和WSSUS模型，建立了寬帶移動衛星信道模型，仿真得到的山區、公路和城區3種典型環境下的數據與德國航空研究中心的實測數據進行了比較驗證。文獻［5］在經典Corazza模型基礎上，考慮UHF頻段衛星移動信道電離層閃爍和陰影效應的主要影響，提出了Nakagami-Lognormal混合統計信道的概念。本文基于WSSUS模型，針對UHF頻段不同場景下衛星移動通信信道進行研究，充分考慮電離層閃爍、多徑效應、多普勒頻移以及陰影效應等因素的影響，建立相應數學模型，并對不同場景下的信道進行了性能分析及仿真。

1 UHF頻段衛星移動信道的建立

信道的傳播特性是研究衛星移動通信時遇到的重要問題之一。在系統的總體設計中，為向用戶提供可靠服務，需充分考慮信道傳播特性以選擇合適的調制、編解碼和多址方式等［6］。如圖1所示，UHF頻段衛星移動信道兼具衛星信道和移動信道的特征，是一種復雜的時變衰落信道，受到電離層閃爍效應、多徑衰落、多普勒頻移和陰影效應的影響，嚴重影響了數字信號傳輸的可靠性，由于移動終端所處的物理環境各不相同，必須對不同場景逐一進行分析，分別確定各自的傳播特性。

1.1 常見場景描述

圖1 UHF頻段衛星移動通信信道示意圖

UHF頻段衛星移動信道不僅信道復雜，而且終端呈現樣式也較多，包括地面手持、機載、車載等。由于信號變化的統計特性很大程度上依賴于終端所處環境，可以將其分為沒有陰影效應的傳播和有陰影效應的傳播。一般地，對于機載終端和開闊區域的車載終端，認為直射分量沒有阻擋，此時是一種萊斯信道;當受到陰影衰落影響時，根據直射分量和多徑分量受遮蔽的不同，又可以分為部分陰影遮蔽和全陰影遮蔽兩種場景。

1.2 多普勒頻移和多徑時延

1.2.1 機載終端信道

此時衛星與飛行器通信，視距路徑為常數，多徑分量服從瑞利衰落。假設飛行器速率(即終端速率)v=100 m/s，電離層閃爍的萊斯因子為14.8 dB，陸地多徑的萊斯因子為7 dB。

1)多普勒功率譜

機載場景下，由于飛行器速度遠遠大于其他場景，會產生較大的多普勒頻移，此時信道表現為頻率選擇性快衰落。衛星與飛行器中的終端通信，多徑分量一般不是全向分布的，天線波束寬度小于360°，通常假設有一個3.5°的散射成分。當散射是各向異性時，Jakes推出的多普勒“U”型功率譜［7］變為

式中:θαL是天線波束到達的最小角度;θαH是天線波束到達的最大角度。

2)多徑時延分布

衛星與飛機通信時，假設飛機飛行高度為10 km，衛星高度為36000 km，最大多徑時延為11 μs，時延功率譜的斜率為τslope=1 μs。信道多徑時延服從指數分布［8］

1.2.2 開闊區域車載終端信道

該信道場景下，衛星與汽車通信，此時信道符合萊斯衰落，假設運動速率v=13 m/s，電離層閃爍的萊斯因子為14.8 dB，陸地多徑的萊斯因子為17 dB。

1)多普勒功率譜

相比于飛行器，汽車以較小的速度運動，可認為多徑分量入射角在0°～360°全向均勻分布，此時多譜勒功率譜為Jakes典型功率譜，表達式為

式中:fDmax

2)多徑時延分布

開闊區域可以借鑒COST207鄉村模型，信道的時延值服從指數分布，最大多徑時延 τmax=0.15 μs，τslope=延遲功率譜［4］為

1.2.3 部分陰影信道

接收信號由直射分量和多徑分量組成，陰影效應只作用于直射分量，可以把該場景看做是Loo信道模型［9］，此時電離層閃爍的萊斯因子為14.8 dB，陸地多徑的萊斯因子為15 dB，最大多徑時延為400 ns，平均路徑損耗為6 dB。

1.2.4 全陰影信道

陰影效應同時作用于直射分量和多徑分量，可以把該場景看作是Lutz信道模型［9］，此時電離層閃爍的萊斯因子為14.8 dB，陸地多徑的萊斯因子為6 dB，最大多徑時延為400 ns，平均路徑損耗為5.8 dB，無陰影遮蓋時間概率為0.1。

2 等效萊斯因子計算

信道模型中，基本衰落類型之間彼此獨立［6］，電離層閃爍效應和多徑效應均有各自的萊斯因子，為了獲得不同場景的萊斯因子，需要計算出這些衰落效應合并后的等效萊斯因子。

2.1 存在電離層閃爍和多徑效應時等效萊斯因子

設Rs為電離層閃爍效應對應萊斯因子，Rm為多徑效應對應萊斯因子，Requal為等效萊斯因子［9］。

如果信道只存在電離層閃爍效應或多徑效應，則Requal等于Rs或者Rm;如果信道同時存在這兩種衰落效應，則

2.2 同時存在電離層閃爍、多徑和陰影效應時等效萊斯因子計算

設Gs為陰影遮蔽效應下的平均路徑損耗，當信道同時存在電離層閃爍、多徑和陰影效應時，若陰影效應為Loo型，則等效萊斯因子為

式中:a=Rs/(Rs+1)為電離層閃爍效應對直射信號功率的影響因子;b=1/(Rs+1)為電離層閃爍效應對隨機散射信號功率的影響因子。

若信道存在的陰影效應為Lutz型，則等效萊斯因子為

式中:pcnt為信道處于無陰影遮蔽狀態的時間百分比。

3 基于WSSUS模型的移動衛星信道模型系統

WSSUS模型是基于小尺度衰落的廣義平穩非相關過程，信道特性能由概率密度函數和一個雙變量相關函數完全確定。信道廣義平穩是指信道沖激響應的自相關函數與時間無關，只與時間差有關;非相關散射是指不同散射體的延時分布不相關［4］。WSSUS模型兩個顯著特點，一是時延域和多普勒頻偏域上具有非相關特性，二是時間域和頻率域上具有廣義平穩特性。

3.1 信道沖激響應

根據分析，多徑衰落分析基于 WSSUS 模型［2，10］的UHF頻段移動衛星通信信道沖激響應為

式中，t，τ為特定的時刻和時間的增量;M為多徑信號數目;fDLos

為直射分量的多普勒頻移;φm為第m個多徑分量達到接收端的初始相位，φm相互獨立且在［0，2π］上服從均勻分布;fDm為第m個多徑分量的多普勒頻偏;τm獨立同分布，為第m個多徑分量的多徑時延。

由式(8)可以看出，h(τ，t)由1個直射分量和M個互不相關的多徑信號組成，1/為歸一化因子，確保信號總功率為1。當M→∞ 時，由中心極限定理可知，h(τ，t)中的多徑部分是一個復高斯過程，幅度服從瑞利分布。p∈R是視距路徑的幅度，q∈R是多徑部分的標準差。等效萊斯因子被定義為K=p2/q2。由E=

3.2 隨機變量的模擬

信道模型仿真時，主要考慮多徑分量初相位φm、各條多徑的多普勒頻偏fDm和多徑時延τm的參數選擇。根據蒙特卡羅(Monte-Carlo，MC)仿真方法，在開區間(0，1)之間選擇服從均勻分布的隨機數vm來模擬概率分布的隨機變量um，則um=gu(vm)=(vm)，gu(·)為模擬變量概率密度的反函數［10］，則參數模擬如下:

1)φm的概率密度函數p(φm)=，則φm=2π·vm;

2)p(fD)滿足Jakes功率譜，得到fDm=fDmax·cos［θαL+(θαH－ θαL)·vm］，其中滿足全向 Jakes 功率譜時，fDmax·cos(2πvm);

3)p(τ)服從指數分布，得到 τm≈－ τslope·ln(1 －vm)，τmax≥ τslope。

4 仿真分析

以前面的分析和建立的模型為基礎，本文針對直射路徑存在與否情況下對所建立的信道進行了仿真。設置載波頻率為fc=300 MHz，數據傳輸速率為3.84 Mbit/s，調制方式為QPSK，多徑數M=128。

圖2和圖3分別為不存在直射分量和存在直射分量時信道包絡的概率密度函數與理論瑞利分布、萊斯分布的比較圖。可以看出，圖2的信道包絡概率密度函數基本服從瑞利分布，而圖3的信道包絡概率密度函數服從萊斯分布，這與前面的分析是一致的、對應的，因此滿足了不同場景下信道模型的要求，通過驗證得出所建立的信道模型是正確的、科學合理的。

圖2 無直射分量信道的概率密度函數

本文在建立的相應的信道模型基礎上，對機載、車載、部分陰影、全陰影以及理想高斯信道5種場景進行了誤碼率的計算機數據仿真。仿真中仿真點數是100000點，其他參數設置與上述實驗相同，假設接收機與直射分量完全同步，得到誤碼率曲線如圖4所示。

圖3 有直射分量信道的概率密度函數

圖4 UHF衛星移動信道不同場景下的誤碼率曲線

由圖4可以看出，相同信噪比情況下，誤碼率性能由好到差依次是:理想高斯信道＞車載終端信道＞地面部分陰影＞地面全陰影＞機載終端信道。機載場景由于飛行器運動速率較大，會產生較大的多普勒頻移，嚴重影響信號接收，對信道性能影響較大，使系統誤碼率惡化，因此需要采取抗衰落技術，提高誤碼率性能。隨著陰影效應影響的減弱，信道的性能也有所提高，當信噪比為12 dB時，車載場景比地面部分陰影場景性能約有一個數量級的提升，達到10-5，而地面部分陰影場景又比地面全陰影場景性能提升一個數量級。

5 結束語

本文根據接收終端環境的不同，充分考慮電離層閃爍、多徑效應、多普勒頻移和陰遮蔽的影響，分析了信道的統計特性，提出了一種UHF衛星移動信道模型，并給出了不同場景下誤碼率性能仿真結果。針對機載場景、地面全陰影場景性能很差，無法直接進行通信的問題，需要采取諸如信道編碼、分集接收和自適應均衡等抗衰落技術來加以改善，這對于將來解決衛星寬帶無線信道模擬與通信等關鍵技術研究具有重要的參考價值。

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