卫星移动信道的统计模型及其性能分析

技术报告K a 频段卫星通信信道建模及系统性能仿真王爱华,罗伟雄(北京理工大学电子工程系,北京100081)摘　要:本文给出了卫星通信系统设计、建模和仿真的一般方法,重点是K a 频段卫星通信信道的建模及仿真。

我们首先分析了K a 频段卫星通信信道的统计特性,建立了信道的统计模型,然后在此基础上建立了K a 频段卫星通信信道及系统的仿真模型,并进行了系统性能的仿真,最后利用分析法分析推导了相干BPSK 信号在K a 频段的系统性能,并与仿真结果进行了比较,得出了有用的结论。

关键词:K a 频段;信道模型;性能仿真中图分类号:T N927.2 文献标识码:B 文章编号:1000-436X (2001)07- -09Modelling of K a 2band satellite communication channel andsystem perform ance simulationW ANG Ai 2hua ,LUO Wei 2xiong(Beijing Institute of T echnology ,Beijing ,100081,China )Abstract :This paper presents a general method for satellite communication system design ,m odelling and simula 2tion.S tress is placed on m odelling and simulation of a K a 2band satellite communication channel.S tatistical char 2acteristics and m odel of the channel at K a 2band are given firstly ,then we conducted the system per formance sim 2ulations based on the channel and system simulation m odel proposed by this paper.Finally the analytical deriva 2tion of the per formance of coherent BPSK signal at K a 2band is described and a useful conclusion is drawn bycom paring with the simulation results.K ey w ords :K a 2band ;channel m odel ;per formance simulation1　前言 随着对卫星通信需求的增加以及新技术的发展,近年来,越来越多的国家和机构相继加入到对K a 频段卫星通信系统的开发和使用之中。

专 业 推 荐↓精 品 文 档1 引言移动无线信道的主要特征是信号强度关于时间、空间和频率的变化，其传播特性和传播模型是无线通信系统设计和网规网优的基础和难点。

由于移动通信的传播环境十分复杂，传播机理多种多样，一般情况下几乎包括了电波传播的所有过程，如直射、绕射、反射、散射等；同时由于用户台的移动性，传播参数随时变化，引起接收场强的快速波动。

为逐层深入研究和实际应用的需要，一般把无线信道模型分为大尺度损耗传播模型和小尺度衰落传播模型。

大尺度损耗传播模型描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的秦 成 中山大学数学与计算科学学院统计科学系陈 豪广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院收稿日期：2009年3月19日*基金资助项目：广州市科技计划项目（2008Z1-D151）变化，反映由路径损耗和阴影效应所引起的接收信号功率随距离变化的规律。

该模型主要用于预测平均场强并估计无线覆盖范围，如用于电信运营商的网络规划设计、预测覆盖。

建立准确的无线信道大尺度传播模型对于蜂窝设计至关重要，它可以确定小区的覆盖大小、最佳位置，从而达到减少相邻小区之间的干扰、优化通信网络的目的。

准确确定小区的覆盖范围是衡量整个系统性能的关键，也是其它各项技术如功率控制、小区软切换、快速实现小区“软容量”等的基础。

在第三代移动通信系统的设计中，小区的覆盖是系统网络设计的基础；而且第三代UMTS无线系统采用的是CDMA技术，小区之间的频率复用因子为1。

大尺度传播模型主要有通过理论计算建立的确定性模型[1]、基于实验测试通过统计分析方法得到的经验模型[2]以及通过理论和实验相无线信道大尺度传播效应的统计模型与统计方法*设计与实现责任编辑：左永君*******************无线信道大尺度传播效应的统计模型与统计方法结合得到的半经验或半确定性模型[3]。

由于确定性模型是基于对具体的现场环境直接应用电磁理论计算得出公式，其优点是导出的传播模型公式物理意义明确；但是不能包含实际的各种物理传播机制，也不能反映真实的传播环境，因此其公式与实际的测量结果往往有较大的差别。

面向卫星通信的信道建模与传输优化方法研究卫星通信作为一种重要的无线通信方式，在现代社会中扮演着关键角色。

然而，由于卫星通信中存在的信道特性不同于传统的地面通信，信道建模和传输优化成为了卫星通信技术的重点研究方向之一。

本文将重点探讨面向卫星通信的信道建模和传输优化方法。

一、信道建模卫星通信的信道建模是研究卫星通信系统中信道特性的过程。

这种建模有助于了解信号在卫星信道中的行为，并为系统设计和优化提供基础。

在卫星通信中，信道的主要特点包括大气传播衰落、自由空间传播损耗、多径效应以及地球弯曲效应等。

1. 大气传播衰落卫星信道中的大气传播衰落是由于大气中水汽、云、雨滴等物体对电磁波的吸收和散射引起的。

这种衰落会导致信号的强度和相位的随机变化，而且具有快速衰落的特点。

研究人员可以使用统计方法对大气传播衰落进行建模，例如使用纯对数正态分布或韦布尔分布来描述衰落的统计特性。

2. 自由空间传播损耗自由空间传播损耗是指信号由卫星发射到地球接收点时经过的自由空间中的损耗。

这种损耗与卫星与接收点之间的距离成正比，其表达式为L=32.44+20log(d)+20log(f)，其中L为损耗（dB），d为距离（km），f为频率（GHz）。

在信道建模中，可以使用这个公式来计算信号的损耗。

3. 多径效应多径效应是指信号在传播过程中由于经历了多个路径引起的多次反射、衍射和散射，从而导致信号到达接收点时发生时延和相位畸变等问题。

针对多径效应，可以使用雷克空间CORASAN模型或尺度HATA模型等来进行建模。

4. 地球弯曲效应地球弯曲效应是指信号在经过地球曲率时发生的衰落和有效面积减小现象。

在信道建模中，可以通过考虑地球曲率来模拟这种效应。

二、传输优化方法在对卫星通信信道进行建模之后，研究人员可以基于模型提出一系列传输优化方法来改善卫星通信系统的性能。

1. 编码技术优化在卫星通信中，编码技术是一种常用的传输优化方法。

通过引入纠错码或调制码，可以提高信道的可靠性和抗干扰性。

mimo信道的统计模型
MIMO信道的统计模型是描述多输入多输出（MIMO）通信系统中信道的统计特性的数学模型。

该模型通过考虑信号的传输路径、干扰、衰减和多径效应等因素来描述信道的变化。

在MIMO系统中，有多个发射天线和接收天线，信号会通过不同路径进行传输。

由于这些路径的不同长度和方向，信号会出现时延和相位差。

这种现象称为多径效应。

此外，信号还会受到衰减和干扰的影响，从而导致信号质量的下降。

为了描述MIMO信道的统计特性，可以使用矩阵或向量来表示信号的传输过程。

常用的统计模型包括瑞利衰落模型、高斯模型和混合模型等。

瑞利衰落模型假设信道中只存在多径效应，且各路径的衰落服从瑞利分布。

高斯模型则假设信道中不存在多径效应，而混合模型可以同时考虑多径效应和高斯噪声。

利用这些统计模型可以进行MIMO系统的性能分析和设计优化。

通过对信道的统计特性进行建模，可以提供对信号质量的估计、信道容量的计算和编码策略的选择等方面的指导。

总的来说，MIMO信道的统计模型是一种用于描述MIMO通信系统中信道统计特性的数学模型，通过对信号的传输路径、干扰、衰减和多径效应进行建模，提供对系统性能的分析和优化的依据。

一种新的陆地移动卫星通信信道模型张鏖烽【摘要】LMS (Land Mobile Satellite) communication system is widely-used in navigation,communication and broadcasting,and particularly an indispensable part of personal mobile communication system.The analysis on statistical properties of the channel can greatly improve the communication quality arid stability of LMS system.For this reason,a novel channel model called Rayleigh-Gaussian channel model is proposed,which can describe all LMS communication environments.And the greatest advantage of this model is that there are only two parameters of m and C,and these two parameters are simple and quick incalculation.Experimental results indicate that this Rayleigh-Gaussian channel model can accurately describe all kinds of LMS communication environments,and has very important practical significance.%陆地移动卫星(LMS)通信系统在导航、通信和广播等方面应用广泛,且其是实现个人移动通信系统不可缺少的组成部分.信道的统计特性分析能极大地提高其通信质量和稳定性,因此提出了一个能描述所有LMS通信环境的信道模型——Rayleigh-Gaussian信道模型.它的最大优点是只有两个参数m和C,且这两个参数计算简便快捷.实验结果表明,Rayleigh-Gaussian信道模型可以准确描述各种LMS通信环境,具有非常重要的实践意义.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2017(050)010【总页数】4页(P2158-2161)【关键词】陆地移动卫星;信道模型;Rayleigh;Gaussian【作者】张鏖烽【作者单位】湖南工程学院计算机与通信系,湖南湘潭411104【正文语种】中文【中图分类】TN92随着21世纪的到来，陆地移动卫星通信进入个人通信时代。

卫星移动通信系统体系设计及应用模型伴随通信系统“天地一体化”技术体系的推广，移动通信正朝着无缝覆盖的趋势发展，卫星移动通信覆盖面广的特点使其成为地面移动通信的必要补充。

目前国外的卫星移动通信系统有北美移动卫星(MSAT)系统，亚洲蜂窝卫星(ACeS)系统，瑟拉亚卫星(Thuraya)系统以及提供全球覆盖的国际海事卫星(Inmasrsat)系统等。

Inmasrsat由国际海事组织经营，使用该系统的国家已超过160个，用户达29万多个，其第4代系统BGA N是第1个通过手持终端向全球同时提供话音和宽带数据的移动通信系统，也是第1个提供数据速率证的移动卫星通信系统。

因此这里提出卫星移动通信系统设计及其应用模型。

1 卫星移动通信系统传输模型在卫星通信中，电波在空间传输时要受到很多因素的影响，如大气吸收、对流层闪烁、雨、雪等都会导致不同程度的衰减，其中降雨对信号的衰减最为严重，因此卫星链路的雨衰特性是影响卫星通信系统传输质量与可靠性的主要因素。

在进行卫星通信系统设计时要采取必要措施来应对各种信号衰减，针对信道特点来设计传输模型。

卫星信号在卫星与地面网间的传输模型如图1所示。

图中，S-Um接口为移动终端与地面信关站使用卫星信道通过卫星中继进行信号的传输：Abis接口为地面信关站与信关站收发信机的接口；A接口为地面移动网交换中心与信关站的接口。

2 卫星移动通信系统通信体制2．1 帧结构移动卫星通信系统采用TDMA多址方式，在物理层信号以TDMA帧的形式进行传输，考虑到与地面GSM 网手持终端的兼容性，帧格式分为巨帧(hyper frame)，超帧(superfr AME)，复帧(mul TI frame)，帧(frame)，时隙(timeslot)。

2．2 调制方式无论是业务信道还是控制信道，本系统均采用相同的调制方式，与GSM系统不同，本系统采用π／4-CQPSK(coherent quadrature phase shift keying)调制机制，其成型滤波采用滚降系数为0．35的平方根升余弦函数。

卫星通信中的信道建模和性能分析研究近年来，随着卫星通信技术的快速发展，卫星通信已成为人们日常生活中不可或缺的组成部分之一。

而信道建模和性能分析则是卫星通信中的重要研究课题。

本文将就卫星通信中的信道建模和性能分析进行深入探讨。

一、卫星通信的信道建模信道建模是卫星通信中的重要环节，它是指将信道上的多种物理现象抽象成数学模型，以便于信道特性的分析和研究。

卫星通信信道的建模方式有很多种，其中较为常用的有统计模型、物理模型、仿真模型等。

统计模型是基于实际测量数据的概率统计方法，通过大量数据的分析与处理，得出信道的统计特性。

物理模型则是将信道建模为各种信号传输过程中的物理现象，例如信号传输时的衰减、噪声、多径效应等，以便更好地描述信道特性。

其中，多径效应是卫星通信中信道建模的难点之一，因为它是由于信号在传播过程中与障碍物反射、折射等效应产生的。

仿真模型是通过计算机仿真来模拟卫星通信中的信号传播过程，以便更好地预测和分析信道性能。

二、卫星通信的性能分析性能分析是指对卫星通信中的信号传输过程进行定量和定性评估的过程，一般分为误码率、信噪比、传输速率等多个方面进行分析。

误码率是衡量卫星信道性能的重要指标之一，它指在信道传输中出现错误比例。

误码率越低，证明信道传输品质越好，即信号的正确传输率越高。

信噪比是指信号与噪声的比值，也是衡量信道质量的一个重要指标。

当信号传输时，由于信道中存在着各种噪声和干扰，因此信噪比越高，信号传输质量也就越好。

传输速率则是指在特定的信道条件下，通过信道传输数据的速度。

传输速率越快，则证明信道传输效率越高。

三、卫星通信的应用及未来发展卫星通信是目前最为广泛应用的通信技术之一。

它已经渗透到生活中的方方面面，例如航空、海洋、广播电视、电话、互联网等等。

而随着卫星技术的不断进步和卫星通信网络的不断完善，未来卫星通信将会在更多的领域得到应用。

例如，在互联网迅速发展的当下，卫星通信可以成为解决全球上网难题的重要手段，而在物联网方面，卫星通信将会成为物联网建设中不可或缺的技术手段。

卫星通信系统中的信道建模与性能优化研究引言卫星通信系统作为一种重要的通信技术，广泛应用于航天、航海、气象、农业等领域。

在卫星通信系统中，信道建模与性能优化是一个重要的研究方向。

本文将对卫星通信系统中的信道建模和性能优化进行分析与探讨。

一、卫星通信系统的信道建模1.1 大气信道建模大气在卫星通信中扮演着重要的角色，影响着信号的传输和接收。

大气信道建模是描述大气对信号传输的影响的数学模型。

其中，常见的影响因素包括大气湍流、雨淋、电离层等。

1.2 干扰信道建模卫星通信系统中存在着各种干扰，如天线间干扰、卫星间干扰、地面干扰等。

对这些干扰信道的建模能够为系统的优化提供指导。

1.3 多径信道建模卫星通信信号在传播过程中会遇到多径效应，造成信号的衰落和时延扩展。

多径信道建模可以描述不同路径导致的信号衰落和时延扩展情况，从而优化系统性能。

二、卫星通信系统性能优化2.1 调制与编码技术优化调制与编码技术是卫星通信系统的核心技术，直接影响着系统的传输速率和误码率。

通过优化调制与编码技术，可以提高系统的抗干扰性能和误码纠正能力。

2.2 天线设计与指向优化天线是卫星通信系统的重要组成部分，天线设计直接影响着系统的覆盖范围和信号质量。

通过优化天线的设计与指向，可以提高系统的覆盖能力和信号接收强度。

2.3 功率控制与功率分配优化在卫星通信系统中，功率控制和功率分配是保证信号传输质量的重要措施。

通过优化功率控制与功率分配策略，可以提高系统的传输效率和频谱利用率。

2.4 路径选择与切换优化在卫星通信系统中，路径选择和切换对整个系统的性能有着重要影响。

通过优化路径选择与切换策略，可以提高系统的容错性和数据传输速率。

三、卫星通信系统的性能评估与验证为了验证卫星通信系统的性能优化效果，需要进行性能评估和验证实验。

常用的评估指标包括误码率、传输速率、频谱效率等。

通过实验数据的收集和分析，可以验证系统的性能优化效果，并对系统进行进一步优化。

3.1 单状态模型3.1.1 Rayleigh 模型在移动无线信道中，瑞利模型是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收包络统计时变特性的一种经典模型。

众所周知，两个正交的正态分布的随机过程之和的包络服从瑞利分布，即设X 和Y 为正态随机过程，则R=X+jY 的包络r =|R |则服从瑞利分布。

瑞利分布的概率密度函数（pdf ）为[24,27,28]：⎪⎩⎪⎨⎧<≥⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=0,00,2exp )(222r r r r r p σσ (3-1)其中，][22r E =σ是包络检波之前的接收信号包络的时间平均功率。

R 的相位θ服从0到2π之间的均匀分布，即⎪⎩⎪⎨⎧≤≤=其他，020,21)(πθπθp (3-2)则接收信号包络不超过某特定值R 的累计概率分布函数（CDF ）为⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛--==≤=RR dr r p R r p R F 0222exp 1)()()(σ (3-3)图3-1所示为瑞利模型的概率密度函数曲线图。

1234567891000.10.20.30.40.50.60.7接收信号包络rp d f瑞利分布包络的概率密度曲线图图3-1 瑞利模型的概率密度函数曲线图3.1.2 Ricean 模型当接收端存在一个主要的静态（非衰落）信号时，如LOS 分量（在郊区和农村等开阔区域中，接收端经常会接收到的）等，此时接收端接收的信号的包络就服从莱斯分布。

在这种情况下，从不同角度随机到达的多径分量迭加在静态的主要信号上，即包络检波器的输出端就会在随机的多径分量上迭加一个直流分量。

当主要信号分量减弱后，莱斯分布就转变为瑞利分布。

莱斯分布的概率密度函数为：⎪⎩⎪⎨⎧<≥≥⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=0,00,0,2exp )(202222r r C Cr I C r r r p σσσ （3-4）其中C 是指主要信号分量的幅度峰值，()0I 是0阶第一类修正贝赛尔函数。

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 thanland-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。

卫星通信系统中的信道建模与链路性能分析卫星通信系统是一种重要的无线通信技术，广泛应用于广播、电视、电话、互联网等领域。

在卫星通信系统中，信道建模和链路性能分析是关键任务，能够帮助人们理解和优化系统性能。

本文将从信道模型的建立和链路性能分析两个方面入手，探讨卫星通信系统中的信道建模与链路性能分析。

首先，我们需要建立卫星通信系统的信道模型。

信道模型是描述信号在传输过程中受到的衰落、干扰和噪声等影响的数学模型。

卫星通信系统的信道模型可以分为空间信道模型和时间信道模型两种。

在空间信道模型中，主要考虑的是卫星和地面站之间的传播损耗和多径效应。

传播损耗是指信号在大气和自由空间中传播过程中因为衰减而损失的功率。

多径效应是指信号在传输过程中经过多个路径到达接收端，造成传输中的干扰和衰落。

为了准确建立信号在空间中的传播模型，我们需要考虑卫星和地球之间的距离、传播介质的特性、天线的方向性和信号的频率等因素。

在时间信道模型中，主要考虑的是信号在传输过程中受到的时变性和多径间隔。

时变性是指信号在时间上的变化，可能由于大气湍流、天气等原因造成信号品质的波动。

多径间隔是指多个信号到达接收端的时间间隔，会导致信号干扰和衰落。

为了准确建立信号在时间上的传输模型，我们需要考虑信号的频率、天线的方向性和信号的传输速率等因素。

接下来，我们需要进行卫星通信系统链路的性能分析。

链路性能分析是通过对信道模型进行数学处理和仿真模拟得到的结果。

我们可以从以下几个方面来分析链路的性能。

首先是误码率分析。

误码率是指在信道传输中，接收端误判信号的概率，是衡量链路性能好坏的重要指标之一。

通过建立信道模型，我们可以得到不同信噪比下的误码率曲线，以此评估链路的可靠性。

其次是容量分析。

容量是指在一定误码率的条件下，传输系统能够传递的最大信息量。

通过对信道模型进行数学处理，我们可以得到卫星通信系统的容量分析结果，从而评估链路性能的上限。

此外，还可以进行传输速率分析和功耗分析。

卫星通信信道的建模和测量一、通信卫星分类卫星可以分类的方式有很多种，这里只列出常见的分类。

1.1 轨位卫星可以根据轨道的高度分为以下几种。

其中，近地轨道卫星（Land mobile satellite-LMS）为当前研究的热点。

因为在高轨位上，卫星信道更加趋近于高斯信道。

而在低轨位工作的卫星，由于其运动性，会存在遮挡、时变、多径效应和多普勒效应。

1.LEO (low earth orbit): 160~2000km2.MEO (medium earth orbit): 2000~36000km3.HEO (high earth orbit)：>36000km4.GEO (geostationary orbit)：36000km1.2 频段按照卫星工作的频段，一般可以分为以下几类。

其中，在卫星信道测量上，要特别考虑高频段所带来的阴影衰落，以及天气状况。

工作在ka波段的卫星，雨衰严重。

1.L-band: 0.3~3G2.S-band: 2-4G3.C-band: 4~8G4.X-band: 8~12G5.Ku-band: 12~18G6.Ka-band: 27~40G1.3 服务区域根据卫星服务的区域不同，又可以把卫星分为以下几类。

如果卫星服务的区域在城区，则遮挡会更加严重。

而在空旷的郊区，则遮挡会相应变少。

另外，最近有些工作是测量热带区域的卫星信道，主要是因为热带区域天气多变，因此，有必要单独考虑。

1.Rural2.Suburban3.Urban4.Tropical area1.4 极化方式根据卫星的极化方式不同，又可以把卫星分为多极化和双极化卫星。

1.Single-polarized2.Dual-polarized目前，大部分信道建模或者测量都是选择其中的一个子集，作为研究对象。

比如，研究近地轨道卫星在Ka波段下城区的信道的测量和建模。

就调研的结果来看，现在大部分文献都集中在低轨卫星条件下，研究卫星信道的测量和建模。