临近空间移动通信信道模型
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图1
临近空间区域
作者简介： 作者简介：欧阳向京(1983－)，男，硕士研究生，主研方向：空天信 息传输；陈树新，副教授；鲍荣伟，硕士研究生；张德纯，副教授 收稿日期： 收稿日期：2010-09-20 E-mail：ouyangxyz123@163.com
在这一区间布设的飞行器具有飞行高度高、滞空时间长 的独特优势，这些飞行器可执行快速远程投送、预警、侦察
σ2 Srr ( f ) = πf max 1 − ( f / f max ) 2 0
∞
述信道的描述仅与仰角相关，因此在距离上可以延伸，同时 临近空间通信系统的用户链路信道与上述描述的航空信道类 似。基于上述分析，本文引用文献 [5]的结论。假设，临近空 间飞行器 (平台 )飞行高度 30 000 m，地面接收站仰角 10.3°~ 28.6°，这时所对应的距离为 55 km~160 km，因此，在途中飞 行状态时，可以根据与临近空间飞行器 ( 平台 ) 的距离，将信 道模型划分为远距情况和近距情况。 远距情况 远距情况是指临近空间飞行器 ( 平台 ) 与地面用户的水平 距离，大于 53 km 小于 160 km 的情况，在上述情况下，多径 信道是由一个直视分量和一个主反射分量组成，可以用一个 两径模型来描述信道，其中，莱斯系数为 k=15 dB [5]。 假设使用 L 波段 1.5 GHz 载波进行通信，飞行器平台的 相对速度为 1 000 m/s 时， 可以计算出此时最大多普勒频移为 5 kHz，根据文献 [5]的计算结果，其相移在 178.25º~181.75º 内均匀分布，并服从 Jake 谱。 反 射 分 量 的 相 对 延 时 可 以 描 述 为 ： τ = ∆d c ， 其 中 ， 4.2.2 c 是光速； ∆d 是直视分量和主反射分量的路径差。对于用户 链路来讲，通过几何分析可以得到： ∆d ≈ h 。假设飞行器平 台的高度为 30 km，从而得到 τ max ≈ 100 µs 。根据上述参数， 信道的冲激响应可以表示为
h ( t ,τ ) = a ⋅ exp ( j2πf d 1t ) ⋅ δ (τ ) + c ⋅ exp ( j2πf d 2t ) ⋅ δ (τ − τ max )
(3)
f ≤ f max f > f max
(2)
其中， Srr ( f ) 是多径分量的功率谱密度； f max 是最大多普勒 频移； σ 2 = ∫ Srr ( f )df 是等效多径接收信号的平均功率。
1
概述
临近空间作为空天的“交界层” ，具有飞行高度高、滞空 时间长的独特优势，可作为地面通信平台、天基平台和空基 平台的重要补充，已经成为各国关注的重点。目前，美国、 俄罗斯、欧洲航天局、英国、德国、日本、韩国均有临近空 间飞艇研究方案，其中比较典型的有美国空军的战斗天星 (Combat Sky Sat)项目、俄罗斯的临近空间平台项目、欧洲航 天局的临近空间平台项目、英国的“天猫”系列、日本的临 近空间飞艇项目和韩国的临近空间平台项目等。在这样的背 景下，很有必要建立我国的移动信道模型，因此，本文就临 近空间移动通信信道模型进行了研究。
c(τ , t ) = ∑ an (t )e− j2πf τ (t )δ (τ − τ n (t ))
c n
(1)
n
其中， an (t ) 是第 n 个路径上接收信号的幅度； f c 是发送信号 的载波频率； τ n (t ) 是第 n 个路径上的传播延迟。 3.2 阴影效应 阴影效应对移动台接收信号的影响很大，在以树木、建
与战场监视、通信中继、信息干扰、导航等任务，在空间攻 防和信息对抗中能发挥重要作用， 其特殊的战略位置和特点， 决定了临近空间信息系统将成为国家空、天、地一体化信息 系统不可缺少的组成部分。 临近空间既不是航空区域的扩展， 也不属于航天范畴，它将成为全新的作战区域，其物理环境 和作战环境都是独一无二的。
临近空间
多径传播 多径衰落是无线电信号由发送端发出经不同的路径，不 同的时延到达接收端，由于各传播路径分量幅度、相位各不 相同，合成的信号起伏很大，称为多径衰落 [2]。多径传播效 应主要表现在时延扩展和频率选择性衰落。时延扩展是由于 多径传播信号的各个分量到达接收点的时间不同，使本来发 送的窄脉冲信号在接收点被扩展，使原发送的一串离散脉冲 产生错叠，甚至变成一串连续脉冲，即形成所谓的符号间干 扰 (Inter-Symbol Interference, ISI)。频率选择性衰落是由于多 径信号相对延时随时间而变化，使信号频谱中的不同频率成 份受到不同程度的衰落，从而导致信号波形畸变。 多径信道的模型可以用一个时变冲击响应 c(τ , t ) 来描述：
p (v,τ ) 呈比例关系 [4]。有了这 2 个条件就可以用 2 个一维的
图2 信道近距情况 信道近距情况的 情况的多普勒谱
假设 τ max = 70 µs ，其多径分量的时延谱可以用指数功率 谱来表示， 延迟衰减率是 τ slope = 5 µs ， 则信道近距情况的时延 功率谱如图 3 所示。
概率密度函数 p (v) 和 p (τ ) 来刻画随机信道。 用户链路信道建模 临近空间通信系统中各用户运行状态多样，信息传输又 有上行信道和下行信道之分， 本文主要对上行信道进行分析。 4.2 途中飞行状态 途 中 飞 行 状 态 是 指 临 近 空 间 飞 行 器 (平 台 )远 离 地 面 用 户，在中途稳定飞行时进行的上行通信过程。文献 [5]对航空 通信信道进行了详细描述，并采集了大量的数据，研究表明 在仰角 10.3°~28.6°时，上行信道与假设的两径信道模型高度 吻合，而仰角大于 28.6°时，信道与假设的两径模型存在较大 的差异，信道由一个直视分量和多个反射分量组成。由于上 4.2.1
其中，莱斯系数 k = a 2 / c2 ； τ max 是主反射分量的时延。 近距情况 近距情况是指临近空间飞行器 ( 平台 ) 与地面用户的水平 距离，小于 53 km，此时，多径信道是由直视分量和多径分 量组成组成的一个莱斯信道模型，由于距离变近了，它的直 视分量变的更强，相应莱斯系数也比较大，取 k=18 dB 。 假设飞行器间相对速度不变，则最大多普勒频移不变， 为 5 kHz，多径分量在 -90º~90º内服从均匀分布，多普勒频谱 是 Jake 谱。信道近距情况的多普勒谱如图 2 所示。 4.2.3
−∞
4
临近空间信道模型的建立
4.1 临近空间 临近空间建模假设 建模假设 4.1.1 不考虑对流层传输效应的假设 在用户链路 L/S 频段通信中，通信系统的性能会受到对 流层、多普勒效应和多径效应的影响。在对流层的各类影响 当中，雨衰是其中最严重的因素，但降雨衰减与频率有关， 在频段高于 20 GHz 时，雨衰是最主要的大气衰减因素，但 是对 L/S 频段影响很小，可以忽略不计 [3]。因此，建模时不 考虑对流层传输效应，同时假设多径分量来自于地面，以及 其他散射体。 基于高斯广义平稳非相关散射假设的多径描述 为了得到离散信道仿真模型，高斯广义平稳非相关散射 (GWSSUS) 假设是必须的。这个假设说，每条等效多径都是 由很多独立的不可分解的多径构成，如果 N 足够大，通常认 为大约为 10，或更大一些，那么冲激响应中的元素为高斯分 布，并且假设其广义平稳的，均值为 0，由中心极限定理可 知， 其合成量的包络将服从 Rayleigh 分布， 相位则为 [0, 2π] 均 4.1.2 匀分布。 4.1.3 基于时延与多普勒相互独立的假设 随机多径传输信道可以通过多普勒功率谱 S ( v ) 和多径
密度分布 p (τ ) 来描述。 假设多多普勒效应与多径效应相互独 立，即 PS ( v,τ ) = S ( v ) ⋅ p (τ ) 。有了这个假设就可用一维的多 普勒功率谱 S ( v ) 和多径密度分布 p (τ ) ， 描述不同条件下的信 道模型。已经证明散射函数 PS ( v,τ ) 与其二维概率密度函数
Study of Mobile Communication Channel Model on Nearby Space
OUYANG Xiang-jing, CHEN Shu-xin, BAO Rong-wei, ZHANG De-chun
(Telecommunication Engineering Institute, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China) 【Abstract】This paper analyzes the transfer characteristic of the mobile communication channel on nearby space, including multipath fading, shadow effect and Doppler effect. On the basis of GWSSUS model, it proposes near space communications model of the channel. According to the state of flight, long-distance, short-range and over the top models are respectively built up. The bit error rate of the three flight states are simulated. Simulation results show that the model is able to reflect a more realistic approach of space communication channel characteristics. 【Key words】multipath fading; shadow effect; Doppler effect; GWSSUS model; nearby space DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2011.07.032
3
3.1
临近空间移动信道的传输特性
2
美国空军定义临近空间的高度范围是 19.8 km~100 km， 因此，临近空间既不属于航空范畴也不属于航天范畴，它是 从航空空域向航天空域过渡的区域 [1]。临近空间自下而上包 括大气平流层区域 ( 对流层 )、中间大气层区域和部分电离层 区域 [1]，如图 1 所示。
临近空间移动通信信道模型研究 临近空间移动通信信道模型研究
欧阳向京， 欧阳向京，陈树新， 陈树新，鲍荣伟， 鲍荣伟，张德纯
(空军工程大学电讯工程学院，西安 710077) 摘 要：分析临近空间移动信道的传输特性，包括多径衰落、阴影效应、多普勒效应 3 个方面。基于 GWSSUS 模型提出临近空间通信信 道模型，根据途中飞行状态分别建立远距、近距和过顶 3 种情况的模型。对各飞行状态进行误码率特性进行仿真，结果表明，该模型能较 为真实地反映临近空间通信信道的特性。 关键词： 关键词：多径衰落；阴影效应；多普勒效应；GWSSUS 模型；临近空间
第 37 卷 第 7 期 Vol.37 No.7 ·网络与通信· 网络与通信·
计 算 机 工 程 Computer Engineering
文章编号： 文章编号：1000—3428(2011)07—0097—03 文献标识码： 文献标识码：A
2011 年 4 月 April 2011
中图分类号： 中图分类号：TN915
98
计 算 机
工 程
2011 年 4 月 5 日
筑物遮蔽为主要特征的公路环境、农村地区和城市地区，阴 影效应主要表现在树木和建筑物的吸收、散射或绕射引起直 射波的衰减变化，以及相关多径分量对直射波的干涉作用， 衰减量决定于树叶和枝干的浓密度、电波穿越树冠的路径以 及建筑物的大小 [2]。这种衰落是一种慢衰落，衰落率与移动 物的速度以及阻挡物的分布有关。 3.3 多普勒效应 在临近空间中，由于移动平台飞行速度快，导致多普勒 频移大范围的快速时变。多普勒频移取决于平台和用户的相 对运动速度和位置。通常认为，由于多普勒效应，接收的多 径信号满足 Jakes 谱。
图1
临近空间区域
作者简介： 作者简介：欧阳向京(1983－)，男，硕士研究生，主研方向：空天信 息传输；陈树新，副教授；鲍荣伟，硕士研究生；张德纯，副教授 收稿日期： 收稿日期：2010-09-20 E-mail：ouyangxyz123@163.com
在这一区间布设的飞行器具有飞行高度高、滞空时间长 的独特优势，这些飞行器可执行快速远程投送、预警、侦察
σ2 Srr ( f ) = πf max 1 − ( f / f max ) 2 0
∞
述信道的描述仅与仰角相关，因此在距离上可以延伸，同时 临近空间通信系统的用户链路信道与上述描述的航空信道类 似。基于上述分析，本文引用文献 [5]的结论。假设，临近空 间飞行器 (平台 )飞行高度 30 000 m，地面接收站仰角 10.3°~ 28.6°，这时所对应的距离为 55 km~160 km，因此，在途中飞 行状态时，可以根据与临近空间飞行器 ( 平台 ) 的距离，将信 道模型划分为远距情况和近距情况。 远距情况 远距情况是指临近空间飞行器 ( 平台 ) 与地面用户的水平 距离，大于 53 km 小于 160 km 的情况，在上述情况下，多径 信道是由一个直视分量和一个主反射分量组成，可以用一个 两径模型来描述信道，其中，莱斯系数为 k=15 dB [5]。 假设使用 L 波段 1.5 GHz 载波进行通信，飞行器平台的 相对速度为 1 000 m/s 时， 可以计算出此时最大多普勒频移为 5 kHz，根据文献 [5]的计算结果，其相移在 178.25º~181.75º 内均匀分布，并服从 Jake 谱。 反 射 分 量 的 相 对 延 时 可 以 描 述 为 ： τ = ∆d c ， 其 中 ， 4.2.2 c 是光速； ∆d 是直视分量和主反射分量的路径差。对于用户 链路来讲，通过几何分析可以得到： ∆d ≈ h 。假设飞行器平 台的高度为 30 km，从而得到 τ max ≈ 100 µs 。根据上述参数， 信道的冲激响应可以表示为
h ( t ,τ ) = a ⋅ exp ( j2πf d 1t ) ⋅ δ (τ ) + c ⋅ exp ( j2πf d 2t ) ⋅ δ (τ − τ max )
(3)
f ≤ f max f > f max
(2)
其中， Srr ( f ) 是多径分量的功率谱密度； f max 是最大多普勒 频移； σ 2 = ∫ Srr ( f )df 是等效多径接收信号的平均功率。
1
概述
临近空间作为空天的“交界层” ，具有飞行高度高、滞空 时间长的独特优势，可作为地面通信平台、天基平台和空基 平台的重要补充，已经成为各国关注的重点。目前，美国、 俄罗斯、欧洲航天局、英国、德国、日本、韩国均有临近空 间飞艇研究方案，其中比较典型的有美国空军的战斗天星 (Combat Sky Sat)项目、俄罗斯的临近空间平台项目、欧洲航 天局的临近空间平台项目、英国的“天猫”系列、日本的临 近空间飞艇项目和韩国的临近空间平台项目等。在这样的背 景下，很有必要建立我国的移动信道模型，因此，本文就临 近空间移动通信信道模型进行了研究。
c(τ , t ) = ∑ an (t )e− j2πf τ (t )δ (τ − τ n (t ))
c n
(1)
n
其中， an (t ) 是第 n 个路径上接收信号的幅度； f c 是发送信号 的载波频率； τ n (t ) 是第 n 个路径上的传播延迟。 3.2 阴影效应 阴影效应对移动台接收信号的影响很大，在以树木、建
与战场监视、通信中继、信息干扰、导航等任务，在空间攻 防和信息对抗中能发挥重要作用， 其特殊的战略位置和特点， 决定了临近空间信息系统将成为国家空、天、地一体化信息 系统不可缺少的组成部分。 临近空间既不是航空区域的扩展， 也不属于航天范畴，它将成为全新的作战区域，其物理环境 和作战环境都是独一无二的。
临近空间
多径传播 多径衰落是无线电信号由发送端发出经不同的路径，不 同的时延到达接收端，由于各传播路径分量幅度、相位各不 相同，合成的信号起伏很大，称为多径衰落 [2]。多径传播效 应主要表现在时延扩展和频率选择性衰落。时延扩展是由于 多径传播信号的各个分量到达接收点的时间不同，使本来发 送的窄脉冲信号在接收点被扩展，使原发送的一串离散脉冲 产生错叠，甚至变成一串连续脉冲，即形成所谓的符号间干 扰 (Inter-Symbol Interference, ISI)。频率选择性衰落是由于多 径信号相对延时随时间而变化，使信号频谱中的不同频率成 份受到不同程度的衰落，从而导致信号波形畸变。 多径信道的模型可以用一个时变冲击响应 c(τ , t ) 来描述：
p (v,τ ) 呈比例关系 [4]。有了这 2 个条件就可以用 2 个一维的
图2 信道近距情况 信道近距情况的 情况的多普勒谱
假设 τ max = 70 µs ，其多径分量的时延谱可以用指数功率 谱来表示， 延迟衰减率是 τ slope = 5 µs ， 则信道近距情况的时延 功率谱如图 3 所示。
概率密度函数 p (v) 和 p (τ ) 来刻画随机信道。 用户链路信道建模 临近空间通信系统中各用户运行状态多样，信息传输又 有上行信道和下行信道之分， 本文主要对上行信道进行分析。 4.2 途中飞行状态 途 中 飞 行 状 态 是 指 临 近 空 间 飞 行 器 (平 台 )远 离 地 面 用 户，在中途稳定飞行时进行的上行通信过程。文献 [5]对航空 通信信道进行了详细描述，并采集了大量的数据，研究表明 在仰角 10.3°~28.6°时，上行信道与假设的两径信道模型高度 吻合，而仰角大于 28.6°时，信道与假设的两径模型存在较大 的差异，信道由一个直视分量和多个反射分量组成。由于上 4.2.1
其中，莱斯系数 k = a 2 / c2 ； τ max 是主反射分量的时延。 近距情况 近距情况是指临近空间飞行器 ( 平台 ) 与地面用户的水平 距离，小于 53 km，此时，多径信道是由直视分量和多径分 量组成组成的一个莱斯信道模型，由于距离变近了，它的直 视分量变的更强，相应莱斯系数也比较大，取 k=18 dB 。 假设飞行器间相对速度不变，则最大多普勒频移不变， 为 5 kHz，多径分量在 -90º~90º内服从均匀分布，多普勒频谱 是 Jake 谱。信道近距情况的多普勒谱如图 2 所示。 4.2.3
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临近空间信道模型的建立
4.1 临近空间 临近空间建模假设 建模假设 4.1.1 不考虑对流层传输效应的假设 在用户链路 L/S 频段通信中，通信系统的性能会受到对 流层、多普勒效应和多径效应的影响。在对流层的各类影响 当中，雨衰是其中最严重的因素，但降雨衰减与频率有关， 在频段高于 20 GHz 时，雨衰是最主要的大气衰减因素，但 是对 L/S 频段影响很小，可以忽略不计 [3]。因此，建模时不 考虑对流层传输效应，同时假设多径分量来自于地面，以及 其他散射体。 基于高斯广义平稳非相关散射假设的多径描述 为了得到离散信道仿真模型，高斯广义平稳非相关散射 (GWSSUS) 假设是必须的。这个假设说，每条等效多径都是 由很多独立的不可分解的多径构成，如果 N 足够大，通常认 为大约为 10，或更大一些，那么冲激响应中的元素为高斯分 布，并且假设其广义平稳的，均值为 0，由中心极限定理可 知， 其合成量的包络将服从 Rayleigh 分布， 相位则为 [0, 2π] 均 4.1.2 匀分布。 4.1.3 基于时延与多普勒相互独立的假设 随机多径传输信道可以通过多普勒功率谱 S ( v ) 和多径
密度分布 p (τ ) 来描述。 假设多多普勒效应与多径效应相互独 立，即 PS ( v,τ ) = S ( v ) ⋅ p (τ ) 。有了这个假设就可用一维的多 普勒功率谱 S ( v ) 和多径密度分布 p (τ ) ， 描述不同条件下的信 道模型。已经证明散射函数 PS ( v,τ ) 与其二维概率密度函数
Study of Mobile Communication Channel Model on Nearby Space
OUYANG Xiang-jing, CHEN Shu-xin, BAO Rong-wei, ZHANG De-chun
(Telecommunication Engineering Institute, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China) 【Abstract】This paper analyzes the transfer characteristic of the mobile communication channel on nearby space, including multipath fading, shadow effect and Doppler effect. On the basis of GWSSUS model, it proposes near space communications model of the channel. According to the state of flight, long-distance, short-range and over the top models are respectively built up. The bit error rate of the three flight states are simulated. Simulation results show that the model is able to reflect a more realistic approach of space communication channel characteristics. 【Key words】multipath fading; shadow effect; Doppler effect; GWSSUS model; nearby space DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2011.07.032
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临近空间移动信道的传输特性
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美国空军定义临近空间的高度范围是 19.8 km~100 km， 因此，临近空间既不属于航空范畴也不属于航天范畴，它是 从航空空域向航天空域过渡的区域 [1]。临近空间自下而上包 括大气平流层区域 ( 对流层 )、中间大气层区域和部分电离层 区域 [1]，如图 1 所示。
临近空间移动通信信道模型研究 临近空间移动通信信道模型研究
欧阳向京， 欧阳向京，陈树新， 陈树新，鲍荣伟， 鲍荣伟，张德纯
(空军工程大学电讯工程学院，西安 710077) 摘 要：分析临近空间移动信道的传输特性，包括多径衰落、阴影效应、多普勒效应 3 个方面。基于 GWSSUS 模型提出临近空间通信信 道模型，根据途中飞行状态分别建立远距、近距和过顶 3 种情况的模型。对各飞行状态进行误码率特性进行仿真，结果表明，该模型能较 为真实地反映临近空间通信信道的特性。 关键词： 关键词：多径衰落；阴影效应；多普勒效应；GWSSUS 模型；临近空间
第 37 卷 第 7 期 Vol.37 No.7 ·网络与通信· 网络与通信·
计 算 机 工 程 Computer Engineering
文章编号： 文章编号：1000—3428(2011)07—0097—03 文献标识码： 文献标识码：A
2011 年 4 月 April 2011
中图分类号： 中图分类号：TN915
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计 算 机
工 程
2011 年 4 月 5 日
筑物遮蔽为主要特征的公路环境、农村地区和城市地区，阴 影效应主要表现在树木和建筑物的吸收、散射或绕射引起直 射波的衰减变化，以及相关多径分量对直射波的干涉作用， 衰减量决定于树叶和枝干的浓密度、电波穿越树冠的路径以 及建筑物的大小 [2]。这种衰落是一种慢衰落，衰落率与移动 物的速度以及阻挡物的分布有关。 3.3 多普勒效应 在临近空间中，由于移动平台飞行速度快，导致多普勒 频移大范围的快速时变。多普勒频移取决于平台和用户的相 对运动速度和位置。通常认为，由于多普勒效应，接收的多 径信号满足 Jakes 谱。