临近空间移动通信信道模型

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3.1
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。
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@
在这一Байду номын сангаас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
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。
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
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
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：
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
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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。
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
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。
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
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
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。
−∞
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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