卫星移动通信信道特性分析(精)

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@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 (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 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 , 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 .