卫星移动通信信道特性分析(精)
卫星移动通信的信道特点及仿真模型
卫星移动通信的信道特点及仿真模型
郭道省;甘仲民;张邦宁;刘爱军
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2001(13)4
【摘要】分析了卫星移动通信的信道特点，研究了信号经过卫星移动信道后幅度和相位分布，给出了实用的卫星移动信道仿真模型。
对基本的BPSK调制信号在该模型中进行了计算机仿真，得到了仿真结果。
【总页数】3页(P505-507)
【关键词】卫星移动信道;衰落;仿真模型;卫星移动通信;电波传播
【作者】郭道省;甘仲民;张邦宁;刘爱军
【作者单位】解放军理工大学通信工程学院卫星通信系
【正文语种】中文
【中图分类】TN927.23
【相关文献】
1.卫星移动通信信道模型及仿真 [J], 王俊林;张剑云
2.卫星移动通信信道模型研究及仿真分析 [J], 高电波;戴逸松
3.卫星移动通信中的高动态信道模型 [J], 王雅慧;谢斯林;徐键卉
4.卫星移动通信Suzuki-Corazza混合信道模型仿真研究 [J], 赵翠芹
5.第三代移动通信卫星/地面信道建模与仿真技术 [J], 李兴;魏波;钱敬华;吴诗其因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
移动信道的传播特性
AR
2 4
GR
式中， λ2/4π为各向同性天线的有效面积。
• 由式(3 - 6)至式(3 - 8)可得
PR
PT
GT
GR
4d
2
(3 - 9)
当收、 发天线增益为0dB， 即当GR=GT=1时， 接收 天线上获得的功率为
PR
PT
4d
2
(3 - 10)
• 由上式可见， 自由空间传播损耗Lfs可定义为
x R
d2 h2
(a)
T d1
d2
R
x
h2
h1
P
(b)
• 图 3 - 3 障碍物与余隙 • (a) 负余隙； (b) 正余隙
•
由图 3 - 4 可见， 当x/x1＞0.5 时， 附加损耗约为0dB，
即障碍物对直射波传播基本上没有影响。 为此， 在选择天线高度时，
根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x＞0.5x1; 当x＜0， 即直 射线低于障碍物顶点时， 损耗急剧增加； 当x=0时， 即TR直射线从障 碍物顶点擦过时， 附加损耗约为 6dB。
d a b c (d1 d2 )2 (ht hr )2 (d1 d2 )2 (ht hr )2
d
1
ht
hr
2
1
ht
hr
2
d
d
(3 - 27)
式中， d=d1+d2。
•
通常(ht+hr)<<d, 故上式中每个根号均可用二项式定理展开，
并且只取展开式中的前两项。 例如：
第3章 移动信道的传播特性
• 3.1 无线电波传播特性 • 3.2 移动信道的特征 • 3.3 陆地移动信道的传输损耗 • 3.4 移动信道的传播模型 • 思考题与习题
移动通信信道特征
移动通信信道特征
01
无线信道的衰落特性
快衰落 在一个典型的无线移动通信环境中，由于接收机与发射机之间的直达路径很可能被
建筑物或其他物体阻挡，在无线基站与移动台之间的通信部都是通过直达路径而是还通 过许多其他路径完成的。在微波频段，从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散 射，即从建筑物平面或从人工自然物体的反射。
移动通信信道特征
02
多径效应与相关带宽
多径传播引起多径效应 多径效应在时域上的体现
多径信号传播的路径不同 到达时间不同→接收信号宽度扩展→时延扩展 到达相位不同→合成信号的幅度快速变化
移动通信信道特征
02
多径效应与相关带宽
多径效应在时域上将造成数字信号波形的展宽
发射端：基站发射一个极短的脉冲信号 接收端：经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲，使脉冲宽度 被展宽了。
移动通信信道特征
02
多径效应与相关带宽
接收两径信号的幅频特性曲线
移动通信信道特征
02
多径效应与相关带宽
移动通信信道特征
02
多径效应与相关带宽
√ 在相关带宽范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性 √ 在此范围内的所有频率分量几号具有相同的增益及线性相位。
在相关带宽内信号传输失真小，若信号带宽超过相关带宽将产生较大的失真和 符号间干扰。
移动通信信道特征
移动通信信道特征
2
01
无线信道的衰落特性
在蜂窝系统中，发射机发射的无线信号经过空间传输后被接收机接收，接 收信号会经受空间损耗。城市内大多数基站设置在建筑物密集的城区，基站 和移动台之间没有直接视距路径，电磁波在穿过建筑物时会产生吸收损耗和 绕射损耗。这些都是“大尺度衰落”。
移动通信系统中的信道特性(优秀文档PPT)
无线传播特性
3、通信用户的随机移动性
以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。
慢速步行时的通信； 这些多径成分被接收机天线按向量合并，从而使接收信号产生衰落失真。
移动通信系统中 信号传播的效应
如果在时变多径信道上发射端发射的是一个时间宽度极窄的脉冲信号（理想情况下为一个冲激），经过多径信道后，由于各信道时延
高速车载时的不间断通信。 的小不尺同 度，上接信收号端包 接络收的到变的化信是号描表述现多为径一衰串落脉的冲，，通即常接服收从信瑞号利的概波率形密比度原函脉数冲，展因宽而了也。称为瑞利衰落。
快衰落（多径衰落）损耗 阴影效应是产生慢衰落的主要原因。 近似服从对数正态分布，其概率密度函数为 由于受到地形地物等阴影的影响，在信号到达处，经历了多次反射或绕射的包含随机量的多个信号的叠加信号，体现的分布是正态分 布 5、透射波：当射线到达两种不同介质界面时，有一部分能量透射到第二种介质中。 移动通信系统中的信道特性 一般楼宇的城市区域，也称一般城区； 在不到一个波长范围内会出现几十分贝的电平变化和激烈的相位摆动 扩频序列利用了此公式的结论，当信道容量C不变时，提高信号带宽B可以换取较低的S/N. 如果无线信道中的物体处于静止状态，并且运动只由移动台产生，则衰落只与空间路径有关。
小尺度衰落：简称衰落，是指无线信号在经过短时间或短距传 播后其幅度快速衰落
小尺度衰落和多径效应
什么是多径 在CDMA系统中当两信号的多径时延相差大于一个扩频码片宽度时，
这两个信号是不相关的，或者说是可分离的。我们习惯上将某一可 分离的信号叫做信号的径。
小尺度衰落和多径效应
小尺度多径传播表现为： 经过短距或短时传播后信号强度的急速变化。 在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机频
移动通信系统中的信道特性
此种信道被称为莱斯信道。其中I0( )为贝塞尔零阶函数。
需要注意的是瑞利衰落是莱斯衰落的特殊形式。快衰落不等同于瑞利衰落，如果多径中存在一条主径，则接收到的信号幅度包络服从莱斯分布，这样的衰落就是莱斯衰落。
在农村环境中，阻碍信号物体较少，多径信号包括一条很强的视距传播路径以及少量的反射路径，频谱功率呈莱斯分布。直射路径的到达角度和直射路径与其它路径之间的功率之比相结合，决定了来自直射路径能量对多径衰落的正态瑞利模型会有多大影响。
三.1.2
概念：当移动台与基站间存在直射波信号时，即有一条主路径，通过主路径接收到一个稳定幅度Ak和相位φk的信号；或者在媒质中，除了随机运动散射分量外，还存在固定散射或信号反射分量，但其余多径传输过来的信号仍如上面“瑞利衰落概率模型”所述。这种情况下，其信号幅度包络的值A的概率分布不再具有零均值，其分布函数p(A)为：
二.3.5
发生在电波传播时遇到许多尺寸小于波长的散射体的情况下，主要由粗糙表面、小散射体或其他不规则物体引起的，比如城市环境的树叶、街道广告牌和灯柱等就是散射体。其信号强度最弱。
图18电磁波的反射，散射，和绕射的实例
第三章
知识点
无线信道特性
信道衰落类型
无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物。无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有权度的随机性，特别难以分析电磁波传播的机理是多种多样的。由无线电波的传播特性我们可以知道：发射机和接收机之间无直接视距路径，而且高层建筑产生了强烈的绕射损耗；此外，由于不同物体的多路径反射，经过不同长度路径的电磁波相互作用引起多径损耗，同时随着发射机和接收机之间距离的不断增加而引起电磁波强度的衰减，甚至移动台的速度都会对信号电平的衰落产生影响。无线信道的建模历来是移动无线系统设计中的难点，这一问题的解决一般利用统计方法，并且根据对特定频带上的通信系统的测量值来进行。
移动信道的特征
1.2 多径衰落
1.3 阴影衰落
电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过 障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超 短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓 的“阴影区”。
信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑 物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。频率 越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越 低，建筑物越矮、越远，影响越小。
式中，d 为距离,单位为km ，f 为频率,单位为 MHz 。
➢传播距离越远，自由空间传播损耗越大，当传播距离加大一倍， 自由空间传播损耗就增加6dB ；
➢工作频率越高，自由空间传播损耗越大，当工作频率提高一倍， 自由空间传播损耗就增加6dB 。
1.2 多径衰落
多径衰落（瑞利衰落）：由于无线电传播环境的影响，在电波 传输中，产生了直射波、反射波和绕射波。当电波到达天线时， 信号不是单一路径，而是多个路径多个信号的叠加。因为电波 通过路径的距离不同，到达接收机的时间、相位、幅度也不同。 信号在接收机叠加，有时增强有时减弱。所以幅度急剧变化， 产生所谓的多径效应，严重影响信号传输质量。由于这种衰落 特性符合瑞利分布，也称瑞利衰落。
移动通信技术
移动信道的特征
1.1 自由空间的传播损耗 1.2 多径衰落 1.3 阴影衰落
1.1 自由空间的传播损耗
对于移动通信系统而言，自由空间传播损耗与传播距离和工作频率 有关，可定义为：（以dB计）
[L
fs
](dB)
10lΒιβλιοθήκη (4d )2(dB)
20
lg
4d
(dB)
[Lfs ](dB) 32.44 20lgd(Km) 20lg f (MHz)
1.3 阴影衰落
移动通信第三章移动信道的传播特性
3.2 移动信道的特征
•二. 信号衰落
• 在陆地移动通信中， 移动台往往受到各种障碍物和 其它移动体的影响， 以致到达移动台的信号是来自不同传 播路径的信号之和。
• 移动通信接收点所接收到的信号场强是随机起伏变化 的，这种随机起伏变化称为衰落。
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移动通信第三章移动信道的传播特性
3.2 移动信道的特征
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移动通信第三章移动信道的传播特性
3.1 电波传播特性
例 3 - 1 ：设图 3 - 3(a)所示的传播路径中， 菲涅尔余
隙x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作频率为150MHz。
试 求出电波传播损耗。
解： 先由式(3 - 13)求出自由空间传播的损耗Lfs为：
• ［Lfs］ = 32.44+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB • 由式(3 - 21)求第一菲涅尔区半径x1为 ：
•b 郊区：在靠近移动台近处有些障碍物但不 稠密。
•c 市区：由较密集的建筑物和高层楼房。
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移动通信第三章移动信道的传播特性
3.3 陆地移动信道的传输损耗
•二. 电波传播损耗的估算
• 思想：以中等起伏地市区的传播损耗为基准， 任意地形地物坏境的传播损耗根据具体的地形地 物环境，以相应的地形地物坏境的修正因子加以 修正。
•Hm(hm, f)是移动天线高度增益因子，它是以移动台天线高度3m为基准 得到的相对增益，可由图324(b)求得
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移动通信第三章移动信道的传播特性
3.3 陆地移动信道的传输损耗
•2）任意地形地区接收信号的功率中值Ppc
• 任意地形地区接收信号的功率中值是以中等起伏地市区接 收信号的功率中值PP为基础，加上地形地区修正因子KT，即
移动通信2-1-移动信道的传播特性
p(r )dr
（3-49）
得到 而
的中值：
r
rmedian 1.177
的平均值：
rmean 1.253
（3-49*）
（3-46）
因此，瑞利衰落信号的平量实测表明：
多径效应使接收信号包络变化接 近瑞利分布。在典型移动信道中： • 衰落深度达30dB 左右； • 衰落速率约30-40次/秒。
大尺度传播模型： 用于预测平均场强并用于估计 无线覆盖范围的传播模型。 由于描述的是发射机与接收机 （T-R）之间长距离（几百米— 几千米）上的场强变化，所以被 称作大尺度传播模型。
小尺度衰减模型： 描述短距离（几个波长），或 短时间（秒级）内的接收场强快 速波动的传播模型，称为小尺度 衰减模型。
电波传播方式
1) 直射波：电波传播过程中没有遇到任何的障碍物, 直接到达接收端的电波, 称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。 2) 反射波：电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时, 会在物体 表面发生反射, 形成反射波。 反射常发生于地表、 建筑物的墙壁表面等。 3) 绕射波：电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时, 会由阻挡表面产生二次 波 , 二次波能够散布于空间, 甚至到达阻挡体的背面, 那些到达阻挡体背面 的电波就称为绕射波。 由于地球表面的弯曲性和地表物体的密集性, 使 得绕射波在电波传播过程中起到了重要作用。 4) 散射波：电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时, 会在其表面发生散射, 形成散射波。 散射波可能散布于许多方向, 因而电 波的能量也被分散于多个方向。
多径时间延迟引起的频率选择性衰 落导致符号间干扰，造成移动系统不 可减少的误码率。
由公式(3.13）可看出，多普勒频移使接收 频率变为： (3.13)
移动卫星信道中的数字传输
移动卫星信道中的数字传输移动卫星信道中的数字传输一、引言随着移动通信的快速发展，移动卫星通信成为连接人与人之间、人与物之间的重要手段之一。
移动卫星信道作为移动卫星通信的核心组成部分，在数字传输中起着至关重要的作用。
本文将介绍移动卫星信道中的数字传输技术。
二、移动卫星信道概述移动卫星通信使用卫星作为传输介质，信号从发射地通过地面站传送到卫星，再由卫星转发到接收地的地面站。
移动卫星信道通常包含上行链路和下行链路两部分。
上行链路是指信号从发射地传送到卫星的传输路径，下行链路是指信号从卫星传送到接收地的传输路径。
移动卫星信道的特点主要有以下几点：1.大延迟：由于信号需要经过卫星的转发，信号从发射地传送到接收地的过程中会有一定的延迟。
这种延迟通常在数百毫秒到数秒之间，对于一些实时性要求较高的应用，如语音通话和视频传输等，会产生一定的影响。
2.高速率：移动卫星通信要支持大容量的数据传输，因此移动卫星信道需要具备较高的数据传输速率。
目前，一些新一代的卫星通信系统已经可以提供高达几十兆比特每秒的数据传输速率。
3.复杂的信道环境：卫星通信受到各种各样的信道环境影响，如自由空间损耗、多径效应和信号干扰等。
这些因素使得移动卫星信道较为复杂，要求在设计数字传输系统时考虑这些因素的影响。
三、数字传输技术数字传输技术是移动卫星信道中实现可靠数据传输的关键。
常见的数字传输技术主要包括调制解调、信道编码和多址接入等。
1.调制解调：调制解调是将数字信号转换为模拟信号或将模拟信号转换为数字信号的过程。
在移动卫星通信中，采用调制技术将数字信号转换为调制信号，并通过卫星传输。
常用的调制技术有频移键控调制（FSK）、相移键控调制（PSK）和正交振幅调制（QAM）等。
2.信道编码：信道编码是通过添加冗余信息来增加信道传输的可靠性的一种技术。
在移动卫星信道中，常用的信道编码技术包括卷积编码和纠错码等。
卷积编码通过在发送端对数据进行编码，接收端通过解码实现数据的恢复；纠错码则通过在发送端添加冗余信息，并在接收端通过纠错算法实现数据的恢复。
信道特性分析
信道特性分析有线信道的特性有线信道的定义信道(information channels,通信专业术语)是信号的传输媒质，可分为有线信道和无线信道两类。
无线信道有地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继以及各种散射信道等。
有线信道是指传输媒介为明线有线信道示意图、对称电缆、同轴电缆、光缆及波导等一类能够看得见的媒介。
有线信道是现代通信网中最常用的信道之一。
如对称电缆（又称电话电缆）广泛应用于（市内）近程传输。
有线信道的原理有线信道以导线为传输媒质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附近，因此传输效率高，但是部署不够灵活。
这一类信道使用的传输媒质包括用电线传输电信号的架空明线、电话线、双绞线、对称电缆和同轴电缆等等，还有传输经过调制的光脉冲信号的光导纤维。
有线信道的特点有线信道的传输媒体为导线（双绞线或者光纤等），信号沿导线传输，能量相对集中在导线附近，因此具有较高的传输效率。
有线信道的信噪比高、频带资源窄、存在回波和非线性失真。
无线信道的特性随着科学技术的发展，无线通信已经渗透到我们生活的各个方面，对我们的生活工作有着巨大的影响。
在无线通信系统中，无线通信的信道的特性对整个系统有着巨大的影响，下面我就对无线信道的特性做一下简单的分析。
要想搞明白无线信道具有哪些特性，就要先了解什么是无线信道。
信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻，对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我们想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。
信道具有一定的频率带宽，正如公路有一定的宽度一样。
无线信道中电波的传播不是单一路径，而是许多路径来的众多反射波的合成。
由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，也就是各信号的时延不同。
当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成，我们称为时延扩展。
卫星移动通信系统简介共26页文档
14
其它方面差异
卫星与地面移动通信其它方面差异
卫星移动通信系统
• 卫星系统首先是功率受限， 其次是频率受限。 • 卫星系统单波束覆盖范围大 于100Km。 • 卫星系统多采用圆极化天线。 • 应用场景：地面公共通信的 补充，空中，海洋，应急救 灾。用户等级差异明显。
• 小区中心与边缘路损差别大（>35dB） • 空间相关性较弱，分集复用增益明显
12
信道及覆盖特性
卫星移动通信系统
• 信道多为莱斯信道，在严重遮蔽情况下为 多径信道
• 波束覆盖中心与边缘天线增益差别小，用 户接收信号功率差别小（典型值为3dB）
• 波束覆盖内空间相关性较强，分集复用增 益不明显
地面移动通信系统（LTE）
16
卫星移动通信关键参数
天线增益
在卫星通信中，一般使用定向天线，其增益G的定义为： 定向天线辐射时接收到的最大功率与无方向性天线辐射时接 收到的功率的比值，单位为dB或dBi。
卫星通信中，使用的喇叭天线、抛物面天线等面天线的增
益可按下式计算：
G
4
A
2
式中，A为天线口面面积（m2）； λ为工作波长（m），它 与频率的关系为 λ =3 x 108/f，f单位为Hz； η为天线效率。
G/T值 通常情况下，我们把接收天线增益与接收系统等效噪声温
度比G/T的分贝值，定义为接收系统品质因数或性能因数。
20
主要内容
• 背景介绍 • 卫星移动通信的特点 • 卫星与地面移动通信的差异 • 卫星移动通信关键参数 • 系统仿真建模
21
建模方案
波束半径——150Km（天线增益3dB衰减处） 路损计算——自由空间损耗
移动通信中无线信道的传播特性分析
Ｑ
Ｃｈｉ ｗ ｃｈ ｌ ｇ ｅ ｎ ｏ ｕｃ ｓ ｎａ Ｎｅ Ｔｅ ｎｏ ｏ ｉ ｓ ａ ｄ Ｐｒ ｄ ｔ
信 息 技 术
移 动通 信 中无线 信道 的传 播特性 分析
刘 海 斌
（ 中国联 通 延 安 分 公 司 ， 西 延 安 ７ ６ ０ ） 陕 １０ ０
摘 要 ： 绍 了无线信 道 的概念 和无 线信 道 的传播 特性 ， 析 了无 线信道 中影 响 移动 无线 通信 信 号传 输质 量的 原 因 ， 介 分 对提 高移 动通 信质 量的 可行性 提供 了理 论参 考 。
含 了所有 用于 模拟 和分 析信 道无 线传 播 的信 息， 移动通 信 的信 道是 时变 的 ， 这种 时间变 化
是 由接 收 机在 空 间 的相对 运 动引 起 的， 变 时 信 道可 以用具 有时 变 冲激 响应 的线性 滤波 器 描述。 信道 的滤 波特 性是 在任 意 时刻 多个到 达 波 的幅值 和相 位 的叠加 产 生 的。冲激 响应 是 种非 常有用 的信道 特征 ，可用 它来 预测 和 比较不 同移 动通信 系统 的性能 ，以及 对一 个
。０ ｓ ‘
因 ， 于提 高移 动通 信信 号 的传输 质量 ， 有助 可 为 提 高 移 动 通 信 质 量 的可 行 性 提 供 理 论 参 考。
参 考文献
『 王 鹏， 吉余 ， １ 】 陈 李栋 ． 线信 道 特 性 及仿 真 无 【＿ Ｉ 中国传 煤 大学 学报 自然 科 学 版 ， ０ ６ １ １ ２０ ，３
ｆ（ ｆ４ Ｊ） Ｊ
式 （） ａ ， ｆ分 别 是 在 ｔ 刻 第 ｚ ４中 ， Ｊ ｆ ， ｊ 时 个 多径 分量 的 幅度 和时 延 ； ７ Ｊ ， ｒ是 ２ ｒ￡ ｆ Ｊ ｆ＋ ￡ ， ２ 多径 分量 在 自由空 间传 播造 成 的相移 ， 个 再 加上 在信 道 中的附 加相移 。
卫星信道模型总结.pdf
卫星通信系统信道模型总结一、不同卫星链路在卫星移动通信中，不同种类的收发终端形成了不同种类的电波传输链路，这些不同种类链路上传输的无线电波由于不同的频率和传输环境，表现出了各种不同的特点。
归纳起来，卫星移动通信系统中的通信链路可以分为以下几类：（1）卫星之间的链路。
它可以是无线电链路，也可以是光（激光）链路。
（2）地面固定设施（包括关口站、卫星测控和网络操作中心等）与静止轨道卫星间的链路。
（3）地面固定设施与非静止轨道卫星间的链路。
（4）卫星移动通信终端与卫星间的链路（也叫用户链路）。
示意图如图1所示：图1 不同卫星链路示意图在链路（1）中，电波的传输不受大气、地面等因素影响，信道传输模型可以用一个简单的高斯白噪声模型来描述。
链路（2）中，通信终端之间相对静止，信链路之间的直视（LOS，Line of Sight）路径起主要作用，接收的信号强度变化不大，信号电波的传播相对简单。
而在链路（3）和（4）中，由于通信终端之间存在比较大的相对运动，因而信号电波的传播比较复杂。
尤其在链路（4）中，多径传播现象比较严重，其信道特性是限制整个通信系统总体性能提升的重要因素之一。
我们主要研究的是卫星与地面之间的无线电波传播链路。
二、卫星通信链路传播影响卫星与地球之间的无线电波传播链路可能以下几个方面的影响：电离层的影响、对流层的影响和地面多径影响，如图2所示。
图2 地面移动卫星通信（Land-Mobile-Satellite）链路2.1电离层的影响电离层（距离地面30km~1000km 的区域）的衰减因素包括大气闪烁、极化旋转、折射、群延时和色散等，其中大气闪烁和极化旋转为主要因素。
2.2对流层的影响对流层（地面~15km 高度的区域）的衰减因素主要是云、雨、雾、雪等天气影响。
有数据表明，当频率高于10GHz 时，降雨是电波传播过程中最主要的大气衰减因素。
2.3地面环境的影响同一个发送站发送的电磁波在传播过程中，会由于在其传播路径上存在建筑物、树木、植被、起伏的地形、海面和水面等因素而引起电波的反射、散射和绕射，造成多径传播现象。
卫星通信系统的性能分析和优化
卫星通信系统的性能分析和优化卫星通信系统是现代通信领域的一项重要技术，广泛应用于军事、航空、航海、政府和商业等多个领域。
卫星通信系统的性能直接关系到其在实际应用中的效果和可靠性，因此对卫星通信系统的性能分析和优化具有重要意义。
一、卫星通信系统的性能分析卫星通信系统的性能主要包括以下几个方面：1.通信速率通信速率是衡量卫星通信系统性能的重要指标之一，通信速率越快，数据传输效率越高，通信质量也越好。
卫星通信系统的通信速率与信号传输速率、编码方式、调制方式和信道特性等因素相关。
2.信道容量信道容量指的是信道传输信息的能力，也是衡量卫星通信系统性能的重要指标之一，信道容量越大，系统传输数据的能力也越高。
卫星系统的信道容量主要受到系统频段宽度、调制方式和信道噪声等因素的影响。
3.通信时延通信时延是指数据从发送到接收所需要的时间，卫星通信系统的时延受到地面站与卫星之间的距离、信号传输速率、数据包大小等因素的影响。
4.可靠性卫星通信系统的可靠性是指系统在面对各种干扰和噪声环境下，能够正常传输信息的能力，可靠性越高，系统的稳定性也越高。
卫星通信系统的可靠性主要受到天线接收机的灵敏度、编码纠错能力、信号传输方式和链路保护等因素的影响。
二、卫星通信系统的性能优化卫星通信系统的性能优化包括以下几个方面：1.信道编码优化在卫星通信中，信道编码是提高系统传输数据的重要手段，采用有效的信道编码能够提高系统的可靠性和容错性，减少数据传输错误率。
信道编码的优化方法包括前向纠错编码、交织编码和分层编码等。
2.天线技术优化天线是卫星通信系统的重要组成部分，采用高精度和高灵敏度的天线技术能够提高系统接收信号的质量和可靠性。
天线技术的优化方法包括增加反射面积、提高天线指向精度、增加天线阵列等。
3.频谱管理优化频谱资源是有限的，频谱管理优化意味着更好地利用有限的频谱资源提高卫星通信系统的性能。
频谱管理优化的方法包括频段分配合理化、频谱小区划分、频率复用技术等。
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@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。
卫星通信系统中无线信道的性能评估与优化
卫星通信系统中无线信道的性能评估与优化随着卫星通信技术的不断发展和广泛应用，无线信道的性能评估与优化在卫星通信系统中变得尤为重要。
无论是在卫星通信网络的规划、设计还是运营过程中，了解无线信道的性能特性，以及寻找优化方案，都是确保通信质量和可靠性的关键。
卫星通信系统的无线信道是指从地球上的发射站到卫星，并从卫星传输到地球上的接收站的传输路径。
信道的质量对卫星通信系统的可靠性和性能至关重要。
因此，评估无线信道的性能是实现高效、可靠的通信的关键。
为了评估无线信道的性能，我们需要考虑以下方面：1. 信号强度：信号强度是指信号在传输过程中的衰减程度。
通过测量信号强度，可以确定信道的质量和稳定性。
可以使用功率谱密度来评估信号的强度，并确定是否需要进行信号放大或补偿。
2. 误码率：误码率是指传输过程中发生错误的比特数量与总传输比特数量之比。
误码率是评估卫星通信系统性能的重要指标。
通过测量和分析误码率，可以确定信道的质量和可靠性，并采取相应的纠错措施，以提高传输的可靠性。
3. 带宽利用率：带宽利用率是指在给定频谱范围内传输数据的效率。
优化带宽利用率可以提高信道的吞吐量和效率，从而提高卫星通信系统的性能。
通过使用调制和编码技术、多址技术、自适应调制和编码技术等，可以优化带宽利用率，并提高系统的性能。
4. 多径效应：多径效应是指信号在传播路径中遇到的来自不同路径的多个信号引起的干扰。
多径效应会导致信号衰减、时延扩展、幅度以及相位畸变等问题。
为了评估和优化无线信道，需要采取合适的技术手段来抑制多径效应，如使用均衡技术和自适应滤波器。
在卫星通信系统中，为了优化无线信道的性能，可以采取以下措施：1. 使用合适的调制和编码技术：选择合适的调制和编码技术可以提高信号传输的效率和可靠性。
例如，使用相位调制和编码技术，可以提高抗噪声能力和频带利用率。
2. 实施自适应调制和编码：通过不断监测和调整传输信道的质量和条件，以实现最佳的调制和编码方案。
信道特性分析
2.1 时延扩展和相干带宽在移动通信中，由于多径效应的存在，使得接收端收到的信号与实际发送的信号相比在时间上被拉长了，这种现象称为时延扩展。
在数字通信中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到相邻码元周期中而引起码间串扰。
解决码元串扰的方法就是使码元周期大于时延扩展。
与时延扩展有关的一个重要的概念就是相干带宽。
当在移动通信中存在两个频率间隔较小的衰落信号时，由于不同传播时延的存在，使得原来不相干的这两个信号变得相干起来。
使此种情况发生的频率间隔被称为相干带宽（B）,它取C决与时延扩展。
2.2 信道衰落的分类根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可以分为快衰落信道和慢衰落信道。
快衰落信道是指信道冲击响应在符号周期内变化很快，即信道的相干时间比发送信号的信号周期要短。
快衰落仅与由运动引起的信道变化率有关，实际上，它仅发生在数据率非常低的情况下。
慢衰落信道是指信道冲击响应变化率比发送的基带信号S(t)变化率低得多，因此可以假设在一个或若干个带宽倒数间隔内，信道均为静态信道。
对频域来说，慢衰落意味着信道的多普勒扩展要比基带信号的带宽小得多。
显然，信号经历的是快衰落还是慢衰落取决于移动站的速度（或信道路径中物体的移动速度）和基带信号的发送速率。
根据相干带宽和信号带宽的比较，信道可以分为平坦衰落和频率选择性衰落。
所谓平坦衰落是指当信号带宽远小于信道的相干带宽时，信号通过该信道后各频率分量的变化是一致的，信号波形没有失真，也没有发生码间串扰。
而当信号带宽大于信道相干带宽时，该信号中不同的频率分量在经过信道后遭受的衰落程度是不一样的，这就导致了信号波形失真，造成码间串扰，此时的衰落称为频率选择性衰落。
不同的衰落类型之间的关系如下图所示。
图2-2 信道衰落的分类2.3 信道的统计特性2.3.1 一阶统计特性 设一随机过程R 的概率密度函数为p(r),则其累计概率分布函数F(R)可以表示为⎰=≤=Rdr r P R r P R F 0)()()(概率密度函数和累计概率分布函数均属于一阶统计特性。
第四章 移动通信信道特性分析
(2) 频率选择性衰落：在不同频率上，电磁波的衰落特性不同。 它是由于时延扩散引起的衰落，衰落周期与相对时延扩散成 正比。 (3) 时间选择性衰落：在不同的时间，电磁波的衰落特性不同。 由于移动台的移动速度变化，使得接收的信号发生频率扩散， B 在接收点产生时间选择性衰落。衰落周期为 ， 为相对频 B 移。
2013-7-13
－2 0 4
绕射损耗 / dB
8 12 16 20
24 26 －2.5 －2
－1
x / x1
0
1
2
绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系
计算机与通信学院—Keith 23
4.1 概述
无线移动通信信道的基本特点
– 以地波形式传播
– 同时受电波传播时的衍(绕)射、反射、散射
和吸收等现象影响 – 从观察时间的角度，可分为长期慢衰落效应 和短期快衰落效应 – 对接收信号的主要影响是多径衰落 – 可从时间和空间描述、测试多径衰落
移动通信原理
主讲：杜青松
湖南大学计算机与通信学院
第四章 移动通信信道特性分析
学习重点和要求
理解无线通信的电波传播环境的特点 了解链路分析和传播损耗及其计算方法, 了解电波传播损耗预测模型 掌握无线信道的模型、表征及分类 理解无线信道中信号经历多径衰落的基 本特性，掌握多径传播与快衰落、阴影 衰落、时延扩展与相干带宽的关系 掌握描述信道衰落特性的特征量
o
d2
hr
2013-7-13
计算机与通信学院—Keith
18
在上图中， 由发射点T发出的电波分别经过 直射线(TR)与地面反射路径(ToR)到达接收点 R，由于两者的路径不同，从而会产生附加 相移。 由图可知， 反射波与直射波的路径差 为 2ht hr
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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 than land-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。