其中 , pw (rw ) 为信号包络的概率密度函数 , pw( w )是信号相位的概率密度函数. σw 2 和 σ′w 2
分别是信号包络和相位的方差 , 而 mw 和 m′w 分别为相应的均值. 表 1[ 7] 给出了在只考虑天气
条件影响时 , Ka 波段卫星移动信道包络和相位的模型参数.
表 1 固定卫星信道包络和相位的模型参数 Tab. 1 F ix ed satellite channel enve lope and phase mo dels
Ka 波段移动卫星信道的综合模型 及误码率分析*
黄 和 , 王东进 , 刘发林
(中国科学技术大学电子工程与信息科学系 , 安徽合肥 230027)
摘要 :在分析 Ka 波段移动卫星信道的统计特性的基础上 , 建立了包括多径衰落 、阴 影遮蔽以及 Ka 波段所特有的雨衰影响的 Ka 波段移动卫星信道的综合模型 , 并进行 了系统性能的实验仿真. 同时通过理论计算 , 给出了该信道误码率的理论上限 , 并与 仿真结果进行比较 , 证明了 Ka 波段移动卫星信道模型的合理性. 该模型为分析系统 的性能提供了一个有力的系统平台. 关键词 :Ka 波段 ;卫星信道 ;误码率 中图分类号 :T N 927+. 23 文献标识码 :A
落的概率分布模型为对数正态分布. 此时卫星与地面站之间的直射信号被路边的树木或其
他障碍物吸收或散射掉时 , 阴影效应出现. 信号包络 r 的概率密度函数为 :
f r(r) = r
1 2 πd 0
exp
-
(l nr - μ)2 2d 0
(4)
34 8
中国科学技术大学学 报
第 35 卷
2 Ka 波段移动卫星信道统计模型的建立
雷雨
0. 436
0. 013 86
0. 006 8
0. 004 14
小雪
0. 488
0. 000 34
0. 008 8
0. 004 42
中雪
0. 500
0. 000 21
0. 008 2
0. 004 59
冰霜
0. 482
0. 000 62
0. 009 4
0. 005 44
中雨
0. 662
0. 020 0
第3期
Ka 波段移动卫星信道的综合模型及误码率分析
3 47
1. 1 卫星到地面的部分
在 Ka 波段的卫星通信中 , 电波从卫星到地面的传播主要受到大气效应的影响. 这里的
大气效应主要是指雨 、雪 , 冰晶 , 云雾等的吸收与散射所致的衰减. 其中由于降雨而引起的雨
衰是 Ka 波段卫星通信最严重的传播损耗.
- 0. 008 9
0. 030 77
1. 2 地面部分 1. 2. 1 多径衰落
电波在移动环境中传播时 , 会遇到各种物体 , 经反射 、散射 、绕射 , 到达接受天线时 , 已成
为通过各个路径到达的合成波 , 即多径传输模式. 各传播路径分量的包络和相位各不相同 ,
因此合成信号起伏很大 , 称为多径衰落. 在分析卫星移动信道传播特性的概率分布模型时 ,
在只考虑多径和阴影衰落的影响时 , 移动卫星通信接收信号可用下式[ 8] 表示 :
nf ex p(jθf ) =zsex p(j s) +w mex p(j m)
(5)
在上式中 , zsex p(j s)为阴影衰减下的 LO S 信号分量 , 包络分量 zs 服从对数正态分布 , 而
w mex p(j m)为多径分量 , 包络分量 w m 服从瑞利分布. 相位分量 s 和 m 均为满足 [ 0 , 2π] 上
多径效应主要是用瑞利分布描述. 信号包络的概率密度函数为 :
p r (r)
=r b0
exp
-
r2 2b0
(3)
1. 2. 2 阴影遮蔽
当电波在传播路径上遇到建筑物 、树木 、起伏山丘等障碍物的阻挡时 , 会使电磁波信号
产生衰耗 , 从而造成接收信号电平的下降 , 这种现象称为阴影遮蔽. 常见的用于描述阴影衰
第35卷 第3期
中 国 科 学 技 术 大 学 学 报
Vo l. 35 , No. 3
2 0 0 5 年 6 月 JOURNAL OF UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA Jun. 2 0 0 5
文章编号 :0253-2778(2005)03-0346-08
由文献[ 7] 中的试验数据可得 , 天气条件对 Ka 波段卫星移动信道的影响在包络和相位
均服从高斯分布. 它们的概率密度函数如下所示 :
pw (rw ) =
1 2πσw
ex
p
-
(rw - mw )2 2σw 2
(1)
pw( w ) =
1 exp 2πσ′ w
-
(
w - m′w )2 2σ′w 2
(2)
(1). 因此在 Ka 波段移动卫星综合信道模型中 , 信号的包络和相位可以表示如下 :
p(r) =pw (rw) p f (rf )
(8)
p( ) = p( w +θf )
(9)
其中 , pw (r)和 p f (r)分别由(1)式和(6)式给出. 相应的 , 相位 w 和 θf 分别服从满足(1)式和(7)
图 1 K a 波段移动卫星信道的衰 落模型 Fig. 1 M odel fo r the realizatio n of K a band
图 2 K a 波段移动卫 星通信系统仿真模型 Fig. 2 Ka band mo bile satellite
mobile satellite fading channel
Ka 波段移动卫星信道统计模型建立的瑞利过程 , 高斯过程的计算机仿真有一个共同 点 , 就是需要首先产生一个非白高斯随机信号源. Ri ce [ 9] 提出一模型及误码率分析
3 49
有均匀分布相位且适当加权的正弦信号来近似实现非白高斯过程. 通过这种方法 , 我们最终 可以得到 Ka 波段移动卫星信道的乘性 衰落模 型 ,如图 1 所示. 而完整的 Ka 波段移动卫星通 信系统的仿真模型如图 2 所示.
channel simulatio n model
在 该基带等效系统中 , 数据源产生的二进制等概率随机序列 , 经BPSK调制后进入Ka
波段移动卫星信道 , 信号在信道中混入乘性衰落以及加性高斯白噪声(AWGN), 然后经过
BPSK 解调器输出.
4 仿真结果
在信道模型中 , 选择 N 1 =N 2 =10 个正弦信号 , f c = f max /100 , 即 k =100. 数据率为 300 M bps 在文献[ 7] 中的 Oly mpus 卫星环境下 , 移动终端以 28. 0 G Hz 载波发射连续波信 号 , 下行信号以 18. 925 GH z 载波从卫星传到移动终端. 实验中 , 移动终端以 10 km / h 的速 度朝着卫星方向运动. 计算后选取最大多普勒频移 f Dmax 为 300 kH z.
式的高斯分布. 同样的 , p( )也满足高斯分布.
3 Ka 波段移动卫星信道仿真模型
经过上面的分析 , 建立了低轨道卫星移动通信信道的统计模型. 现在考虑如何实现. 从 以上几节的分析可以看出 , 信道的仿真归结到瑞利随机过程 , 高斯随机过程和对数正态随机 过程的实现. 在模拟地面部分信道之前 , 首先要确定一点. 即我们所研究的对象是平坦信道 , 多径信号的时延扩展小于信号的符号周期. 下面简述上述过程的仿真实现.
当分析 Ka 波段移动卫星通信的综合信道模型时 , 除了考虑多径衰落及阴影效果以外 , 天气
因素对系统的影响也需要加入到信道中 , 不失合理性 , 我们假设卫星信道中卫星到地面部分
与地面部分彼此独立[ 8] . 在 1. 1 节中可以知道 , 卫星到地面部分天气条件对信道的贡献可以
用高斯分布描述 , 即 rwex p(j w)的包络和相位均满足确定参数的高斯分布. 系统参数见表
在对 Ka 波段移动卫星通信的研究过程中 , 首先需要掌握它的信道特性 , 这对于在 Ka 波段移动卫星信道下具体调制方式的性能研究具有重要的作用. 目前 , 国际上 Oly mpus 卫 星 , It alsat 卫星 , 以及 A C TS 星的发射完成了很多关于信道衰落的试验[ 1 ～ 5] . 国内相关的研 究主要针对固定卫星信道模型的建立[ 6] , 而对于 K a 波段的移动卫星的信道模型 , 论述较 少. 本文在前人的基础上建立了包括多径衰落 、阴影遮蔽以及 Ka 波段所特有的雨衰影响的 移动卫星综合信道模型. 同时 , 对在相关 BP SK 调制下该信道误码率的理论上限进行了分析 推导 , 因此更具有实用价值.
的均匀分布.
对于移动卫星信道 , 由式(3)、(4)和(5)可得包络 r 的概率密度函数[ 8] :
∫ p f (rf ) = b0
rf
∞ 1 ex p - (l n(z s) - μ)2 - r f 2 +z s2
2πd0 0 z s
2d 0
2b0
I0
r fz s b0
dzs
(6)
其中 d0 和 μ分别 是对数正 态分布 的标准方 差和均值 , b0 代表 多径的平 均散射功 率 , I0 ( )为零阶修正贝塞尔函数. 同样 , 接收信号的相位分量 θ可以近似满足高斯分布[ 7] :
天气条件 晴天 多云 密云 小雨
包络均值 mw 0. 413 0. 498 0. 440 0. 483
包络方差 σw 2 0. 000 87 0. 000 25 0. 000 41 0. 000 03
相位均值 m′w 0. 007 2 0. 008 6 0. 027 4 0. 008 8