空中轉信平臺下地空信道的傳輸特性

付小彬，鄭寶輝

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空中轉信平臺下地空信道的傳輸特性

付小彬，鄭寶輝

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

衛星通信解決了全球廣域的通信問題，但不易部署，星上資源有限，使用飛行器搭載衛星通信載荷，在距地不超過10 km處構造空中轉信平臺與地面節點實現互通，從而彌補了傳統衛星通信的不足。針對轉信平臺與地面通信時電波傳輸損耗進行分析，提出了轉信平臺下的Ku/Ka波段寬帶信道模型，理論分析和仿真結果均表明，該信道的衰落十分明顯，對信息傳輸性能造成不可忽略的影響。尤其在低仰角傳輸時，多徑效應使得萊斯因子較小，應用OFDM技術可以對抗多徑衰落，實現轉信平臺與地面節點之間的寬帶通信。

空中轉信平臺；信道模型；多徑效應

1 引言

空中轉信平臺是利用升空飛行器搭載通信載荷，通過空中中繼或交換，從而實現多個地面站之間信息交換的一種通信方式。其實質是采取升高通信載荷的方法，變超視距通信為視距通信。空中轉信平臺具有寬傳輸帶寬、易于組網和機動靈活等特點[1]。轉信平臺的升空高度不超過10 km，要實現較大的通信覆蓋半徑，會存在低仰角通信，使得接收信號幅度以及功率在很短的時間內發生快速變化，對傳輸性能產生較大的影響。本文通過分析不同仰角下地空信號的衰落類型[2]，在地面信道和航空信道模型的基礎上對Ku/Ka轉信平臺信道進行建模，仿真其傳輸特性并采用OFDM技術進行傳輸性能的改善。

2 無線信道衰落模型

無線信道衰落類型主要有大尺度衰落和小尺度衰落[3]。轉信平臺下的大尺度衰落主要包括非常慢的自由空間損耗和比較慢的陰影衰落，小尺度衰落主要考慮低仰角時的多徑效應引起的時延擴展和多普勒頻移。

2.1 大尺度衰落

轉信平臺存在時變的自由空間傳播損耗，按式（1）計算：

其中，d是傳播距離（km），fc是載波頻率（GHz）。自由空間損耗與仰角大小成反比關系，平臺處于10 km高度時，不同仰角下自由空間損耗的變換情況如圖1所示。

由于電波遇到遮擋傳播路徑的障礙物時，障礙物后面就會形成電波的陰影，在陰影區內接收信號強度會發生變化，產生陰影衰落[4]。在陰影衰落中，路徑損耗的統計特性通常符合對數正態分布：

表1 不同環境下的路徑損耗指數

圖2 對數正態陰影路徑損耗模型

2.2 小尺度衰落

對自相關函數進行傅里葉變換，得到衰落信道的頻域模型，功率譜密度可表示為：

根據實測，時延功率譜密度一般服從單邊指數分布，即：

其中，T是常數，表示多徑時延的平均值。

地面站采用定向天線時，地面站和飛行器所接收信號的到達方向均可認為限制在一定角度內，只是角度擴展范圍的不同導致多普勒功率譜變化范圍有所不同，當地面站彌散分量由一簇很窄的波束組成，且來波均勻，則彌散徑的多普勒功率譜僅為U型譜中的一部分：

當信號的相干時間大于碼元持續時間時，信道為快衰落信道；反之，則為慢衰落信道。

3 轉信平臺信道模型和仿真分析

轉信平臺多徑信道模型可以用一個時變復低通等效沖激響應表示：

其中，LOS是直射徑的多普勒頻移，是信道抽樣間隔，是服從萊斯分布的隨機變量。所有其他的非直射分量為：

當萊斯因子較大時，多徑分量較少，信號趨于高斯分布；萊斯因子較小時，多徑分量較多，信號趨于瑞利分布[7,8]。

轉信平臺在Ku/Ka頻段工作，地面站采用0.5 m定向天線時，主瓣寬度BW0.5≈2.8°/1.1°，第一旁瓣電平FSLL=-13.5 dB[9]。地面天線定向性較好時，由于主瓣寬度和旁瓣電平較小，轉信平臺信道可認為由一條LOS徑和一簇經反射、散射以及時延的復合徑組成[10]，根據多徑時延可以建立平坦衰落信道和頻率選擇性衰落信道。

測控信道通常采用窄帶通信系統，目前對于空中轉信平臺的寬帶通信系統應用較少，缺乏實測數據建立信道模型，本文結合地面寬帶系統和航空窄帶系統的信道模型和實測數據，進行信道建模，為轉信平臺下傳輸體制的選擇提供信道模型。（說明：結合參考文獻，推導轉信平臺公式和信道模型，進行仿真。）

3.1 高仰角信道

二階附加時延為：

計算均方時延擴展為：

如果定義相干帶寬0為一個頻率間隔，在該間隔內信道的復頻率傳遞函數的相關系數達到0.5時，有：

圖3 平坦慢衰落信道模型

3.2 低仰角信道

低仰角下，地面站接收的散射和反射分量較多，萊斯因子較小，根據參考文獻[11]中測試數據，將定義為：

低仰角下轉信平臺信道仿真模型采用抽頭時延線來模擬，由于接收信號是一些隨機向量的疊加，每個振幅將呈現出萊斯或瑞利分布，特別是轉信平臺覆蓋下，通常存在一個萊斯分布的路徑，因此可以建立基本的頻率選擇性衰落模型。萊斯瑞利頻率選擇性衰落信道模型的可分辨徑分別由萊斯過程和瑞利過程來模擬，如圖4所示。

圖4 萊斯—瑞利頻率選擇性衰落信道仿真模型

3.3 OFDM仿真分析

OFDM具有頻帶利用率高、抗多徑能力良好、帶寬擴展性強、頻譜資源分配靈活等特點，能很好地克服低仰角下轉信平臺的多徑效應，在文中建立的轉信平臺信道模型中進行OFDM傳輸仿真，分析傳輸性能，為轉信平臺下OFDM傳輸系統的設計提供參考。

如圖5所示，低仰角通信時，采用參數為128個載波、QPSK調制、載波頻率為13.75 GHz和200 MHz帶寬的OFDM在頻率選擇性衰落信道下進行仿真，QPSK在誤碼率為10?4時信噪比與高斯信道下相差13 dB，OFDM技術在多徑信道下傳輸，可以減少多徑效應的影響。

頻率選擇性衰落信道下的OFDM傳輸誤碼率曲線如圖6所示。由圖6可知，在低仰角狀態下，轉信平臺的速度對OFDM傳輸性能影響較大，速度較大引起的多普勒頻移會引起相鄰載波干擾，影響OFDM的正交性，使誤碼率下降，橫向比較載波數=128和=256可知：在低仰角時低速飛行，當速度較大時可以用較少載波來對抗多普勒頻移，提高誤碼性能。

3.4 結論與分析

結合航空窄帶信道和地面寬帶系統的實測數據，對轉信平臺傳輸信道進行建模，分析信道的時延功率譜和多普勒功率譜，當地面天線仰角較大（大于15°）時，地空信道為準高斯信道，此時可以選擇高階調制解調，實現信息的高速穩定傳輸；仰角較小（小于10°）時，地空信道為頻率選擇性信道，采用OFDM技術進行信息傳輸，實現多徑信道下的高速數傳[12]；仰角在10°~15°時，通過萊斯因子的大小表征信道質量的好壞程度，值一般大于20 dB。

圖5 QPSK在不同信道下的誤碼率曲線

圖6 頻率選擇性衰落信道下的OFDM傳輸誤碼率曲線

4 結束語

本文提出了Ku/Ka頻段下轉信平臺信道傳輸體系，由于寬帶高空通信數據較少，結合窄帶航空信道和地面寬帶系統，建立了轉信平臺下的信道模型，模型中的參數可以調節，為不同的仰角下信號的傳輸體制選擇提供仿真模型。高仰角下，轉信平臺傳輸信道為理想模型，可利用高階調制實現高速數傳；低仰角下，OFDM技術將一個高碼元速率的信息序列分割為個碼元組，使每個碼元組的碼元速率降低，當其小于信道相干帶寬時，多徑帶來的影響較小，為轉信平臺傳輸體制的設置提供參考。

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Transmission characteristics of air-ground channel in aerial communication platform

FU Xiaobin, ZHENG Baohui

The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050081, China

Satellite communication can solve the problem of global communication, at the same time, it follows the problems of difficult deploy and limited satellite resources. Aerial communication platform is consisted of aircraft with payload communication and not more than 10 km from ground. The platform communicating with ground nodes can solve the weakness of traditional satellite communication. The loss of air-to-ground channel was analyzed to model the air-to-ground wideband channel in Ku and Ka band. The consequence of theory and simulation demonstrates that the fading of the model has serious influence on transmission performance. In low elevation transmission, the value of-factor is small because of multipath reception. Simulation results show that orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) can be a good candidate for wideband communications to transmit payload data from aerial platform to ground station.

aerial communication platform, channel model, multipath effect

TN911

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018023

2017?09?07；

2017?12?10

付小彬（1991?），男，中國電子科技集團公司第五十四研究所工程師，主要研究方向為信號與信息處理。

鄭寶輝（1964?），男，博士，中國電子科技集團公司第五十四研究所研究員，主要研究方向為衛星通信系統。