GEO衛星信道建模分析及實時模擬環境構建

呂國成， 趙燕飛， 李 毅

（1.北京大學信息科學技術學院，北京 100871；2.61648 部隊；3.軍事科學院系統工程研究院，北京 100091）

0 引 言

衛星通信具有天然的廣域覆蓋性，是地面系統的重要補充，在地面信號無法覆蓋的海洋、森林、沙漠等地區，衛星通信是重要通信手段。歐美等發達國家正在全力構建近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）、中地球軌道（Middle Earth Orbit，MEO）、地球靜止軌道（Geostationary Orbit，GEO）全空域衛星通信系統，典型的LEO系統有SpaceX的StarLink，MEO系統有Google的另外的30 億（Other 3 billion，O3B）系統，GEO 有InmarSat、ViaSat等。GEO系統發展較為成熟，是當前衛星系統中的骨干網絡，近年來LEO系統發展進入了快車道，同時GEO系統向靈活配置多點波束、高速、大容量發展、多應用場景擴展［1-4］。歐洲電信標準化協會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）發布的第2 代數字視頻廣播擴展（Digital Video Broadcast-Second Generation Satellite Extensions，DVBS2X）標準中為更好地支持移動應用場景，擴展了低信噪比下物理層相關標準［5］。隨著衛星通信在多個場景下的深入應用，對衛星接收機的各項性能提出了更高的要求，在接收機研制過程中由于成本、時間等因素很難在實際應用環境下進行各項指標的驗證。因此，如何快速、低成本構建相應的模擬環境對典型應用場景下的信道參數進行實時模擬成了衛星科研項目的關鍵。

實時衛星信道模擬環境是開展相關衛星科研項目的基礎，是衛星通信平臺建設中的重要組成部分。該平臺包括了射頻天饋單元、中頻Hollis信道模擬器、變頻器、基帶信號處理單元等。基于該平臺，結合Matlab分析計算，進一步挖掘Hollis信道模擬器的潛能，完成從簡單到復雜等應用場景下的GEO 衛星信道模擬環境構建。該環境實現對車載、船載、機載等典型應用場景下的衛星信道傳輸特性的實時模擬，保證了在相關領域的衛星科研項目的順利開展。

1 衛星信道建模分析

1.1 GEO衛星傳輸系統

GEO衛星處在地球同步軌道，對地高度在36 000 km，與地面通信系統不同，GEO 衛星信道中信號經歷的時延長、衰減大［6-7］。典型的GEO 衛星傳輸系統如圖1 所示。

圖1 GEO衛星傳輸示意圖

GEO衛星通信系統由地面段及空間段組成衛星通系統。地面段由發送地球站及接收地球站組成，實現對信號發送及接收處理，衛星地球站可以安裝在多種平臺上形成了車載、船載、機載等多種典型應用場景。空間段包括衛星天線、轉發器及功率放大器，接收地面發送端發送的信號，進行放大后對地轉發。空間段衛星轉發器包括透明轉發器及處理轉發器，處理轉發器需要完成星載的解調、解碼操作。本文主要考慮采用透明轉發器GEO衛星通信系統。

1.2 GEO空間坐標分析

在不同的地理位置，衛星地面站的天線指向不同，為準確描述由于相對運動對信道帶來的影響，建立空間坐標系，如圖2 所示。S為衛星，E 為地球站，r為地球半徑，θ、φ 分別為地球站緯度及經度，h 為星地距離。

圖2 GEO衛星通信空間坐標分析

衛星（R ＝r ＋h，θ ＝0，φS）坐標為：

地球站（r，θE，φE）坐標為：

衛星與地球站的向量可以表示為：

當地球站分別在3 個方向上運動時，其在星站方向上的分量可以表示為：

其中：dr、dwe、dsn分別為徑向單位向量、東西向單位向量及南北向單位向量；為星站距離。

1.3 衛星信號傳輸特性分析

1.3.1 衛星信號自由空間傳播

衛星通信中電波主要是在大氣層以外的自由空間以球面形式傳播，衛星接收天線只能接收到其中一小部分能量［6］，電磁波在自由空間中傳輸引起的路徑損耗為

式中：d為傳播距離；λ為波長。

1.3.2 衛星傳輸鏈路信噪比分析

衛星傳輸鏈路信噪比由上行鏈路（Uplink）及下行鏈路（Downlink）共同決定。

在計算上行鏈路載噪比時，地球站為發射系統，衛星為接收系統。設地球站有效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）上行線路傳播損耗為Lu，衛星轉發器接收天線增益為GRS，則衛星轉發器接收機載噪比（載波功率與噪聲功率之比）為［6-7］：

式中：k 為玻爾茲曼常數；TS為衛星接收端噪聲溫度；B為信號帶寬。

在計算下行鏈路載噪比時，衛星為發射系統，地球站為接收系統，下行線路傳播損耗為LD，地球站的接收天線增益為GRE，與上行鏈路載噪比計算類似，下行鏈路載噪比為

式中，TE為地面接收端噪聲溫度。

另外，由于信號交調、接收到其他干擾信號造成的信噪比損失為

得到整個衛星鏈路載噪比為：

1.3.3 衛星動態信道傳輸特性

在GEO衛星通信中，信道處于開放的空間，同時GEO衛星軌位較高，信號傳輸易受到雨、雪影響。由于地球站承載平臺與衛星的相對運動，也會對衛星傳輸信道帶來影響。GEO衛星通信中，特別是在較高通信頻帶如Ku、Ka頻帶，地球站的天線指向需要保持與衛星對準，主要考慮直射方向的信號，而忽略其余多徑信號能量。本文中GEO 衛星動態信道傳輸特性主要包括信號衰落、多普勒頻譜變化及傳輸時延變化。

（1）信號衰落。GEO 衛星通信中信號衰落主要考慮雨衰及遮擋帶來的衰落。

雨衰是電波信號穿過對流層雨區時，受降雨雨滴的吸收和散射作用而引起的一種損耗。ITU-R給出了雨衰的具體計算模型［8-9］。不同地區、不同可用度下雨衰不同，北京地區雨衰值見表1。

表1 不同頻段、不同可用度下雨衰（北京）

天線遮擋帶來的信號衰落是影響衛星通信質量的又一重要因素，嚴重的深度衰落引起信道中斷。本文主要考慮周期性的遮擋，如直升機的旋翼遮擋［10］，典型的旋翼遮擋如圖3 所示。其中：T為信號變化周期；Dfade為衰落深度。

圖3 旋翼遮擋帶來的周期性信道衰落

（2）多普勒頻偏變化。由于地球站與衛星的相對運動會產生多普勒頻偏及多普勒頻偏變化。由速度產生的多普勒頻偏為

由加速度產生的多普勒頻偏變化為

式中：c為光速；v、a分別為相對運動的速度及加速度；f0為載波頻率；α為運動方向與天線方向夾角。

在實際信道傳輸環境中，速度及加速度是時變的，難以實現對多普勒頻偏的精確的模擬，著重對多普勒頻偏的極限性能模擬，常用的對多普勒頻偏的模擬函數有鋸齒函數、余弦函數等［11］（見圖4）：

圖4 多普勒頻偏余弦函數模擬

式中：fD_max為最大多普勒頻偏；ΔfD_max為最大多普勒頻偏變化。

（3）時延及時延變化。根據式（1）、（2）計算地球站與衛星之間的傳輸時延

地球站沿地表與衛星的相對運動，信號傳輸路徑長度變化較小，因此忽略傳輸時延的變化。

2 模擬環境構建

2.1 基于Matlab的典型信道參數分析

Matlab工具常用于通信系統的數值計算及仿真分析，同時Matlab 中也提供可視化編程接口。Matlab GUI由窗口、菜單、圖標、光標、按鍵、對話框和文本等各種圖形對象組成的用戶界面快速實現與用戶的交互［12-13］。

根據用戶的地理位置信息，地球站的運動參數、地球站與衛星站的天線及功放等工作參數，由式（3）、（7）、（10）采用Matlab GUI工具，計算出信道基本參數如載噪比、多普勒頻偏、衛星傳輸時延，如圖5 所示。

圖5 基于Matlab GUI的信道參數分析

2.2 基于Hollis實時模擬環境構建

將Matlab分析計算得到的信道工作參數，注入Hollis 信道模擬器，完成實時信道模擬環境構建。Hollis信道模擬器提供了兩個獨立通道可支持對衛星傳輸的上、下行信道進行模擬［14］，信道參數配置界面如圖6 所示。

圖6 Hollis 信道參數配置界面

Hollis的每個信道模擬通道支持對簡單應用環境下衛星信道模擬（靜止），也可以完成對復雜應用環境下的信道模擬（如移動、衰落等）。

（1）簡單應用場景下信道模擬。簡單應用場景下的信道模擬通過配置各個獨立通道下的載噪比、傳輸時延、頻偏參數來實現。根據具體應用場景需求，可以針對信道的某一傳輸特性單獨配置進行模擬，也可以同時配置多個信道參數實現對信道綜合傳輸模擬。

（2）復雜應用場景下的信道模擬。針對復雜應用場景下，傳輸信道主要特性產生動態變化，如由于地球站與衛星相對運動引入了多普勒頻偏變化，或天氣變化及天線遮擋帶來了信號的衰落等。

Hollis信道模擬器中對多普勒頻偏的模擬有2 種方式：三角波函數方式及余弦函數方式，三角波方式著重對極限性能的驗證，余弦函數方式變化相對平滑，在實際的模擬環境構建中通常采用余弦函數方式構建。

對于更加復雜信道模擬，Hollis 信道模擬器還支持使用用戶自定義信道傳輸配置文件來模擬衛星信道。文件中的各個離散點描述了信道的傳輸特性（信號衰減、頻偏等），如圖7 所示。文件最大支持1 024 個點，信道變化的時間最高分辨率為1 ms，載噪比最高分辨率為0.01 dB，信道模擬器周期性播放信道傳輸文件來實現對信道模擬。

圖7 Hollis 用戶自定義信道配置文件

3 典型應用場景下模擬環境應用分析

基于上述分析，結合具體的使用場景，給出了車載應用場景下的GEO 衛星信道的模擬參數。地球站位于北京（40°，115°），星地距離37 962 km，采用Ku 頻段（12 GHz/14 GHz），終端移動最大移動速度為80km/h，加速度考慮0 ～100 km/h 加速時間為20 s，多普勒頻偏采用余弦函數模擬。具體信道模擬參數見表2。

表2 車載移動環境下的信道典型參數

4 結 語

通過對多種應用場景下GEO衛星信道分析，構建了基于Matlab 與Hollis 的實時信道模擬環境。通過Matlab計算得出信道傳輸的基本參數，將得出的信道參數值配置到Hollis信道模擬器完成由簡單至復雜應用場景下的衛星傳輸信道構建。該環境實現了衛星信道模擬器的低成本、低復雜度、快速構建，支持車載、船載、機載等多種典型應用場景下的衛星信道實時模擬，對衛星接收站中的低信噪比接收、大頻偏捕獲、大動態跟蹤等關鍵算法的測試驗證起著重要作用，是相關衛星科研平臺建設中的重要組成部分。