卫星移动通信信道特性分析

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(

4P K d )2=20lg(4P 3@108

d 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)

(2)

112 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 GE

Vol.22 No.6Nov.2003

R=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)(4P3r3)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)=Q+]0R(r)d r

R(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:某一仰角的传播路径上,某一频率的电波所测得的对应于某一时间概率的降雨衰减量(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工作频率、地理位置、地磁活动情况以及当地季节

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#曲靖师范学院学报第22卷