（通信与信息系统专业论文）uhf波段卫星信道的仿真设计与研究(1).pdf

堕堡鎏三些查兰三耋堡圭耋鳘鲨銮 一 摘要 卫星移动通信系统已经成为当前通信领域中发展非常迅速的研究方向和 现代通信强有力的手段。对卫星通信信道的分析和建模是卫星通信系统设 计、验证、性能分析中十分重要的组成部分，随着移动通信技术的不断发 展，对移动信道中电波传播特性的研究和信道模型的建立是近年来人们的研 究重点之一。本文致力于u h f 波段电波传播特性以及卫星通信信道的仿真 研究，主要研究内容为u h f 波段卫星信道的仿真分析与设计。 本文主要包含以下内容： 首先介绍了u h f 波段电波传播的一些特性，如自由空间损耗、极化误 差损耗以及电离层闪烁损耗等，对于主要的影响电离层闪烁损耗进行详细分 析，利用i t u - r 推荐的g i s m 模型采集数据，分析了闪烁指数与频率、时 间以及地理位置之间的褶关性，得到可用于链路计算和系统设计的数学模 型。 其次，由于多径效应和阴影效应是陆地移动卫星信道的主要特点，用于 描述这些特点的统计模型主要有：瑞利信道、莱斯信道与高斯对数正态莱斯 信道。本文对这三种基本信道模型进行了分析，选择n a k a g a m i 分布作为本 文卫星移动通信信道的概率分布模型，并针对n a k a g a m i 信道的误码率特 性、电平通过率以及平均衰落持续时间进行分析。 最后，建立适用于u h f 波段卫星通信系统仿真的模型，详细描述了 n a k a g a m i 信道的实现以及验证方法；给出了此模型仿真实现的详细过程， 并在此模型下分析了不同环境下的信道特性；分析了在分集接收对于系统性 能主要是电平通过率和平均衰落持续时间的提高。 关键词u h f 波段：g i s m 模型；信道模型；n a k a g a m i 分布 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t s a t e l l i t em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e c o m eo n eo ft h eg a l l o p i n g c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hf i e l d sa n dau s e f u lm e a n so fm o d e r nc o m m u n i c a t i o n 1 1 a n a l y s i sa n dm o d e l i n g o fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e li sai m p o r t a n tp a r t o ft h e p e r f o r m a n c ea n a l y s i s i ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m a s t h e d e v e l o p m e n t o fm o b i l ec o n u n u n i c a t i o n t e c h n o l o g h ，t h e r e s e a r c ho nw a v e c h a r a c t e r i s t i c sa n dc h a n n e lm o d e l i n gi so n eo ft h ee m p h a s e s t i l i sd i s s e r t a t i o ni s f o c u s e do nt h er e s e a t c ho fp r o p a g a t i o ne h a r a c t e r i s t i e si nu h fb a n d sa n d s i m u l a t i o no fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l t h em a l nc o n t e n ti nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： f i r s t l y , i n t r o d u c et h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci nu h fb a n d sb a s e do nt h e f o r m u l ao fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nl i n k b u d g e t s u c h a sf r e e s p a c e l o s s 、 p o l a r i z a t i o ne r r o rl o s s 、a n di o n o s p h e r i cs c i n t i l l a t i o n ，t h e na n a l y s et h ep r i m a r y i o n o s p h e r i cs c i n t i l l a t i o ni nd e t a i l s ，c o l l e c t i n gd a t af r o mg i s mm o d e l i n t r o d u c e d b y1 1 u - r ，a n a l y z i n gt h ec o r r e l a t i v i t yb e t w e e ns c i n t i l l a t i o ni n d e xa n d f r e q u e n c y , t i m ea n dg e o g r a p h y p o s i t i o n ，a tl a s t ，au s e f u lc o n c l u s i o ni sd r a w n ，w h i c hc a nb e u s e di nc o m p u t i n gs 4i n d e xi nc h a n n e lc a l c u l a t i o n s e c o n d l y , a s t l l em a i nc h a r a c t e r i s t i co fl a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ni s m u l t i p a t h a n ds h a d o w ，t h e r ea r et h r e es t a t i s t i c a lm o d e lt o d e s c r i b et h i s c h a r a c t e r i s t i c ：r a y l e i g hc h a n n e l ，r i c i a nc h a n n e la n dl o g n o r m a lc h a n n e l t h e d i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h et h r e eb a s i cc h a n n e l t h e ns e l e c t s n a k a g a m id i s t r i b u t i o n a st h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nm o d e lo ft h ew o r k s ，a n d a n a l y z et h eb e r ，l c r a n d a f do f i t s e tu pt h em o d e lw h i c hc a nb eu s e di ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s i m u l a t i o n ，d e s c r i b et h er e a l i z i n ga n dv a l i d a t i n gm e t h o do fn a k a g a m ic h a n n e l p a r t i c u l a r l y a n a l y s e t h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i co ft h i s m o d e li nd i f f e r e n t e n v i r o n m e n t a t l a s t ，a n a l y s e t h e i m p r o v e m e n to ft h es y s t e mp e r f o r m a n c e e s p e c i a l l yl c r a n da f di nd i v e r s i t y r e c e p t i o n k e y w o r d su h f - b a n d ；g i s m m o d e l ；c h a n n e lm o d e l ；n a k a g a m id i s t r i b u t i o n 1 i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第l 章绪论 信道的传播特性是研究卫星移动通信时遇到的一个重要问题。在卫星移 动通信系统的总体设计中，为了向用户提供优质、可靠的服务，必须要充分 考虑传播信道的特性以便选择强有力的、高效的调制方式、多址访问方式、 信道编码方式和语音编码方式等。并且，对于任何采用功率控制技术的卫星 移动通信系统来说，为了使系统能可靠的进行功率控制，就必须有典型的信 道信息，因此，了解卫星移动信道的特性是必须的。设计者必须充分、细致 的了解卫星移动通信信道的传播特性，才能设计出低成本、高质量的卫星移 动通信系统i l j 。 由于卫星移动通信系统所能提供的业务的可行性与质量在很大程度上受 到卫星移动通信信道传播特性的影响，为了研究这些影响，就需要在实际的 卫星移动通信信道环境下进行试验，但由于实际条件的限制，要在设备研制 的全过程中随时随地的进行现场实验是不现实的 2 1 。因此，采用良好近似效 果的卫星移动通信信道模拟器是一个比较好的解决方法，它可以方便研发部 门对卫星移动通信系统进行调试，加快研发速度以便在激烈的竞争中取得有 利地位。 对卫星移动通信信道传播特性的仿真可以使用软件仿真和硬件仿真两种 方式，这两种方式都能较好的模拟实际卫星移动通信信道的传播特性，目前 已发展了许多对通信系统进行研究的软件仿真语言和仿真程序包，使得软件 仿真具有精度高、重复性好、灵活性强、费用较低、使用方便的优点。对卫 星移动通信信道传播特性的模型进行软件仿真实现，可以很方便的对不同卫 星移动通信系统设计方案进行性能比较，同时还可以指导卫星移动通信信道 模拟器的硬件仿真实现并降低硬件仿真实现时的风险，以节约时间和资金。 本课题以船舶系统工程部xx 项目作为研究背景，目的为得到可用于 u h f 波段卫星通信信道仿真的软件模块。 = 耋查鎏三些查耋三耋璺圭兰堡兰耋 1 2 国内外研究现状 1 2 1u h f 波段卫星信道电波特性研究现状 当电波在地球站与卫星之间传播时，各种传播媒质必然要对所传输的电 信号产生影响，由于媒质的时空性、随机性、不均匀性、各向异性和损耗 等，将使信号衰减、畸变或使电波的极化形式改变、引入干扰、使接收端信 噪比下降或使电波的传播方向或传播速率改变等。此外，由于传输媒质的电 参数具有明显的随机性，使得通过它传输的电信号也是一个随机信号，因此 必须考虑实际媒质对电波的影响。 在卫星通信过程中，电波的一些衰减像自由空间损耗、雨衰、大气吸 收、噪声等等都有一些比较成熟的经验公式对于每个频段都可以应用。对于 u h f 频段，用于进行链路分析的信道研究主要需要做的是对不同地区电离 层闪烁的研究。 在国外，a m a n k w a h 和k o s t e r 首次报道了在加纳赤道观测站接收到的 与振幅闪烁有关的瞬态电离层甚高频信号法拉第旋转角的起伏，此后，一些 工作者特别报道了高太阳黑子年期间夜间赤道和低纬电离层中的t e c 下降 和闪烁的关系。许多工作者报道了接近赤道异常峰值的观测站处的与强幅度 闪烁有关的法拉第旋转角的强的和快的起伏，并且还报导了在接近磁赤道的 观测站处这种起伏是不存在的。对于可以超出赤道异常峰值的较低的中纬度 东京观测站( 低电离层磁纬度偏北2 3 5 度) 来说，s i n n o 和k a n 对强振幅 闪烁有一定报道【3 ，4 1 。 一般我国进行电离层闪烁观测都借助于接受专门发射的卫星，如e t s i 卫星发射的卫星信标信号来实现，并取得了不少有价值的结果。空间科学院 空间科学与应用研究中心通过d p s 4 数字化测高仪，观测并分析了海南地 区电离层漂移，对于了解电离层闪烁对电波影响提供了重要的参考。武汉大 学在武昌应用u h f 电离层闪烁接收系统接收苏联同步卫星“静止站t ”播 放的7 1 4 m h z 广播电视信号，观测到典型电离层闪烁样品并且获得了大量 的有用的u h f 振幅闪烁纪录。 1 2 2 卫星移动信道国内外研究现状 在卫星移动通信系统中，由于卫星在不同的仰角下工作，再加上用户移 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 动的特点，接收电磁波不可避免的受到多径衰落和阴影效应的影响，这就给 系统链路设计提出了新的课题。八十年代以来，国外陆续作了一些旨在理解 信道特性的传播实验，得到了大量的统计数据，并且提出了一些信道模型。 目前被用来描述卫星移动信道特性的有三类分析模型，即经验模型、概率分 布模型、几何分布模型。经验模型不能揭示传输过程的物理本质，但可以描 述出对重要参数的敏感度：概率分布模型建立了对传播过程的理解，对实际 情况作了简化假设；几何分布模型用几何分析的方法，能预测单个或多个散 射源的作用，解释衰落机制，但需要将结果扩展到实际的复杂情况。其中概 率分布模型得到了广泛的应用。 常用的用于描述卫星移动通信信道传播特性的概率分布模型有：c l o o 模型、c o r a z z a 模型和l u t z 模型【5 】。这三个典型的概率分布模型都是根据信 号在传播路径上受到的遮蔽情况来对卫星移动通信信道的传播特性进行建模 的。其中，c l o o 模型假设接收信号中只有直射分量受到阴影遮蔽的作用而 多径信号分量不受阴影遮蔽的作用，因此该模型又称为部分阴影信道模型； c o r a z z a 模型假设接收信号中的直射信号分量和多径信号分量同时都受到阴 影遮蔽的作用，因此该模型又称为全阴影信道模型；而l u t z 模型将卫星移 动通信信道分为两个状态一一“好状态”和“坏状态”，当信道为“好信道 时”接收信号中的直射分量和多径信号分量均不受到阴影遮蔽的作用，而当 信道为“坏状态”时，接收信号中只有受到阴影遮蔽作用的多径信号分量且 不存在直射信号分量，因此该模型又称为两状态信道模型6 ，7 1 。尽管c l o o 模型、c o r a z z a 模型和l u t z 模型都是对卫星移动通信信道的传播特性进行建 模的，但这三个模型相互之间是有差异的：c l o o 模型和c o r a z z a 模型是从 接收信号包络的角度而l u t z 模型是从接收信号功率的角度来对信道进行建 模的；c l o o 模型只适用于乡村信道环境而c o r a z z a 模型和l u t z 模型均适用 所有的信道环境( 乡村、郊区和城市) 。 以上几种模型均是引申予三种基本模型：瑞利信道、莱斯信道和对数高 斯莱斯信道，但有资料表明，瑞利衰落模型对长距离高频信道的快衰落效应 的描述相当粗糙，n a k a g a m i 观察到这一现象并建立了基于变参伽马分布的 密度函数来拟合所获得的实验数据，得到近似分布嘲，很多研究表明，用 n a k a g a m i 分布可得到实验测量的更好近似，比瑞利、对数正态分布都更接 近匹配p 1 。 国内一些学者对这一课题从不同角度作了研究，这些模型对描述卫星移 动通信的信道特性发挥了重要的作用【1 2 1 4 1 。通过建立信道模型，可以计算 堕堑堡三些查茎三兰堡圭兰竺兰兰一 信号的概率分布和累积概率分布，他们是描述信号变化的一阶统计特性。除 此以外，电平通过率和平均衰落时间作为信号变化的二阶统计特性，也很重 要，他们描述了信号衰落速度和持续时间的统计规律，对于估计系统的可用 性以及选择系统的差错控制方式很有价值。 1 2 3 卫星信道仿真技术研究现状 由于计算机及数字信号处理技术的飞速发展，特别是高速、大容量、低 价格计算机的出现，使得计算机辅助设计、仿真分析技术在现代通信系统设 计、性能评估及优化等方面越来越受到人们的重视，并已成为系统设计过程 中不可缺少的一部分。 早在九十年代初，i n t e l s a t 就开始利用计算机仿真程序s t r i p 6 ( s a t e l l i t et r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n t sp r o g r a m ) 和p u t m a 6 ( o u t a g em a r g i n a n dt i m e p r o g r a m ) 来优化设计i n t e l s a tv i 卫星的转发器信道容量，而美 国的a c t s 卫星及欧洲的o l y m p u s 卫星，由于星上采用了许多先进技 术，因此，利用仿真技术从各个方面如链路设计、抗干扰措施、系统容量 化、新技术的使用情况进行研究的成果，今年来更是不断涌现【l “。与国外 相比，我国在计算机仿真技术用于卫星系统设计方面起步较晚，虽然也有一 些自编的仿真软件程序用于进行系统优化设计，但涉及的内容少，范围窄， 技术也相对落后，无法推广使用。近几年来，随着各种先进的通信系统仿真 软件包的引入，人们才开始利用仿真技术进行全方位的系统优化设计、不同 侧面的系统性能比较以及各种新技术的应用性能等方面的研究。 本文对卫星移动通信信道的传播特性的分析和研究是在仿真软件 m a t l a b 的环境下进行的。m a t l a b 是一个集数值计算、符号运算和图形 处理等强大功能于一体的科学计算工具，无论是在统计、信号处理、人工智 能与自动控制还是通信计算机领域，越来越多的工程技术人员摆脱了c 以 及c + + 语言烦琐语法的束缚，使他们能够更专心地将注意力集中的专业内 技术研究的核心问题上，它被认为是准确可靠的科学计算标准软件且已作为 工程和科学教育界的一种行业标准。 1 3 本文主要研究内容 卫星移动通信信道的传播特性是影响卫星移动通信系统服务质量的一个 重要因素。本文讨论了u h f 波段电波传播特性，在对三个典型的描述卫星 堕玺鎏三些查兰三兰堡圭兰竺鎏兰 信道传播特性的概率分布模型进行分析的基础上，选择n a k a g a m i 分布作为 本文仿真实现的基础。 第2 章介绍了几种u h f 波段电波传播的主要影响因素：自由空间损 耗、电离层闪烁损耗、极化误差损耗等，并对主要的电离层闪烁损耗进行了 详细分析。给出了可用于u h f 波段卫星信道链路计算的公式。 第3 章主要介绍了三种典型的卫星信道模型，选择了n a k a g a m i 信道作 为本文分析与信道建模的基础，并对n a k a g a m i 信道的误码率特性、电平通 过率以及平均衰落持续时间进行了详细分析。 第4 章在统计模型实现的基础上建立了u h f 波段卫星通信系统的仿真 模型，并对此模型进行性能分析。最后讨论了分集接收对于系统性能提高的 贡献。 堕玺鎏三些奎耋三兰登圭耋竺篓兰 。 第2 章u h f 波段卫星通信电波传播特性 2 1 概述 信道的传播特性是研究卫星移动通信时遇到的一个重要问题。在卫星移 动通信系统的总体设计中，为了向用户提供优质、可靠的服务，必须要充分 考虑传播信道的特性以便选择强有力的、高效的调制方式、多址访问方式、 信道编码方式和语音编码方式等。并且，对于任何采用功率控制技术的卫星 移动通信系统来说，为了使系统能可靠的迸行功率控制，就必须有典型的信 道信息，因此，了解卫星移动信道的特性是必须的。 卫星通信的一个显著特点是电波传播的路径非常长，静止卫星与地面站 之间约有4 0 0 0 0 多公里的路径，电磁波在传播过程将受到极大的衰减，因而 卫星或地球站接收到的信号非常微弱，卫星通信中噪声的影响是一个非常突 出的问题 2 1 。决定一条卫星通信线路传输质量的最主要的指标就是接收系统 的载噪比，对于数字卫星通信系统来说，它决定了系统输出端信号的误比特 率。在进行通信线路设计或分析计算载噪比时，需要涉及到发射端的发射功 率与天线增益、传输过程中的各种损耗、传输过程中所引入的各种噪声与干 扰以及接收系统的天线增益、嗓声性能等因素，这些因素中很多又与工作频 率有关。本文对u h f 频段一定频率范围内的卫星通信链路进行了分析。 卫星信道链路计算中，像自由空间损耗、雨衰、大气吸收、噪声等等都 有一些比较成熟的经验公式对于每个频段都可以应用。对于u h f 频段，用 于进行链路分析的信道研究主要需要做的是对不同地区电离层闪烁的研究。 在国外，a m a n k w a h 和k o s t e r 首次报道了在加纳赤道观测站接收到的 与振幅闪烁有关的瞬态电离层甚高频信号法拉第旋转角的起伏，此后，一些 工作者特别报道了商太阳黑子年期间夜间赤道和低纬电离层中的t e c 下降 和闪烁的关系。许多工作者报道了接近赤道异常峰值的观测站处的与强幅度 闪烁有关的法拉第旋转角的强的和快的起伏，并且还报导了在接近磁赤道的 观测站处这种起伏是不存在的。对于可以超出赤道异常峰值的较低的中纬度 东京观测站( 低电离层磁纬度偏北2 3 5 度) 来说，s i a n o 和k a n 对强振幅 闪烁有一定报道。 一般我国进行电离层闪烁观测都借助于接受专门发射的卫星，如e t s i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 卫星发射的卫星信标信号来实现，并取得了不少有价值的结果。空间科学院 空间科学与应用研究中心通过d p s 4 数字化测高仪，观测并分析了海南地 区电离层漂移，对于了解电离层闪烁对电波影响提供了重要的参考。武汉大 学在武昌应用u h f 电离层闪烁接收系统接收苏联同步卫星“静止站t ”播 放的7 1 4 m h z 广播电视信号，观测到典型电离层闪烁样品并且获得了大量 的有用的u h f 振幅闪烁纪录。 大量的研究数据为进行信道链路计算提供了非常有价值的资料。因为电 离层的影响虽然经过研究表明与一些参数有依赖关系，但是短期内随机变化 的概率比较大，有具体某一地方的数据加以参考更能描述出接近真实值的模 型。 2 2 传输损耗 2 2 1 自由空间损耗 在卫星通信中，电波主要是在大气层以外的自由空间传播的， 是占传输路径很小的一部分，故自由空间传输损耗所占比重最大。 传播损耗的计算公式【1 6 】如下： o 圳l g 帑23 2 4 5 + 2 0 1 9 d + 2 0 l g f ( r i b ) 式中厂一一通信频率( m h z ) o d 通信距离( k m ) 。 大气层只 自由空间 ( 2 - 1 ) 这两个参数均有专门的计算公式，在后面自由空间延时中有介绍。对于 u h f 波段，其频率较低，自由空间损耗也相对较小。 2 2 2 电离层闪烁 2 2 2 1 电离层闪烁一般特性国际上通常将地磁赤道以及其南北2 0 度以内 区域称之为赤道区或低纬度区，地磁5 0 度以上为高纬度区，地磁2 0 5 0 度 为中纬度区，而在南北半球磁纬3 0 度附近有两条闪烁增强带，如图2 - 1 所 示【17 1 。 地磁低纬度区电离层起伏衰落快而深、多在夜间发生，通常在本地日落 后l 2 个小时出现，闪烁区出现后有向东漂移的趋势。普通中纬度区电离 堕堡鎏三些盔耋三兰堡圭兰些兰三 层造成的信号起伏一般不大，并且基本与地磁活动不相关，但在闪烁增强带 闪烁强度明显比普通中纬度区大，尤其是太阳及地磁活动期间。 闪烁强度一般用闪烁指数蜀来描述，其定义为： 啦警 式中i 信号强度； ( ) 一一取平均符号。 经分析表明，蜀与闪烁峰峰值之间有如下经验对应关系【1 8 】 。】= 2 2 5 墨“ ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 图2 - 1 地磁赤道及闪烁增强区域分布 短期电离层闪烁的幅度特征服从n a k a g a m i 分布，其密度函数为： 州) = 焉i m - 1 ( 2 _ 4 ) n a k a g a m i “i n 系数”与闪烁指数墨有关： 氅玺鎏三些查耋三兰璧圭耋簦堕三 一 m = 1 咒( 2 - 5 ) i t u r 推荐了一种可对较长时间的闪烁衰落深度进行统计推断的方法 【1 9 】【2 0 1 。由全概率公式，统计出信号幅度的长期累积分布： p c ，) = z0 u ) ( 2 _ 6 ) i ；0 式中只u ) 一一参数为m 。的n a k a g a m i 分布。 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 耻b 华 l ，l ”2 ， 陆。， 耻防半 1 1 2 6 z = f ( 点f 毒+ 1 ) 式中f ( 善) 峰值起伏统计分布： f 峰值起伏； 毒第f 个峰值。 ( 2 一l o ) ( 2 1 1 ) 2 2 2 2 u h f 波段电离层闪烁指数分析由以上介绍的电离层闪烁一般特性 可以看到，闪烁指数只是描述电离层闪烁强度的重要参数，为预测地空路 径的闪烁强度，i t u - r 建议使用g i s m ( t h eg l o b a li n o n o s p h e r i cs c i n t i l l a t i o n m o d e l ) 模型。此模型以卫星、地面站地理位置、时间以及工作频率为参考 变量，可以对指数蜀、幅度衰落深度以及来波角度偏移量进行预测。 本文使用g i s m 模型采集数据，分析基本覆盖我国领土、领海范围内的 北纬1 0 5 0 度、东经7 0 1 3 0 度区域内，闪烁指数与地理位最、工作频率以 及当地时间的关系。在分析过程中，首先确定地理位置：东经“6 度、北纬 2 0 度，以研究岛与频率以及当地时间的关系，再将所得结果在空间上进行 扩展，得到覆盖整个区域的研究结果。在以下对数据进行分析及曲线逼近 椰黼 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 时，一开始对整个区域内数据进行l a g r a n g e 插值，但发现必须在结数很高 的情况下才能得到较好的逼近效果，且所得结果过于繁琐，因此一般采用分 段分析的方法。 有文献【1 7 】表明，闪烁指数瓯与厂有固定的关系，但不同频段上谱指 数v 的取值不同。笔者通过g i s m 模型采集到2 0 0 5 年3 月以及6 月晚2 1 时 左右的数据，并将所得数据以1 0 0 0 m h z 时值作归一化，如图2 2 中实线所 示，可以看到，闪烁指数与频率有明显的指数规律，作出拟合蓝线如图2 2 中”线所示，由图看出它能很好的逼近实际数据。 闪烁指数与频率之间的依赖关系可表示为： 乃( ，) = ，“( 2 - 1 2 ) 式中厂频率( g h z ) 。 幽2 - 2 闪烁指数与频率关系图 由于地球自西向东转，所以各地见到日出的早晚时刻不同，东边的地点 比西边先见到日出，东边的时刻较早，如北京刚刚日出，此刻拉萨还在黑夜 中，而哈尔滨已经是白天了。电离层闪烁所表现出的每一天的时间特性主要 与当地时间相关，而我们现在所用的标准时间为北京时间，因此在分析闪烁 指数时间特性时，先将北京时间转化为本地时间，再以本地时间考虑其相关 性。 攮鼍麟袁警噩鬻p 堕奎鎏三些奎兰三兰璧圭耋堡鎏兰 。一 根据经度与地方时之间的依赖关系，由北京时间转化为当地时间的计算 式可表示为： t l = m o d ( t b + ( 吼- 1 1 6 ) 1 5 ，2 4 ) ( 2 - 1 3 ) 式中m o d ( x ，2 4 ) 一一将x 以2 4 取模的函数； 岛北京时间( 小时) ； 屯本地时间( 小时) 。 由g i s m 提供数据分析表明，闪烁指数在一个月内变化量不大。首先分 析一天2 4 小时内最变化情况。指定频率为1 0 0 0 m h z ，在东经1 1 6 度、北纬 2 0 度处分别抽取2 0 0 5 年2 、4 、6 、9 、1 1 月中某天2 4 小时闪烁指数变化情 况，如图2 - 3 中实线族所示。为体现变化的连续性，将凌晨o 3 小时特性挪 到后面显示。由此看出其与时间有明显的相关性。逼近曲线如图中“+ ”线 所示，具体依赖关系为： k 也) = - 0 0 2 5 ( 屯+ 1 ) 2 - o 0 7 5 ( t l + 1 ) + 1屯 4 04 t ， 9 圳8 7 5 地_ 1 9 ) 2 + o 6 饥- 1 9 )1 9 2 3 g j 4 ) - 0 0 2 5 纯- 2 3 ) 2 - 0 0 7 5 ( 屯一2 3 ) + 12 3 屯 2 4 可以看到，此式基本符合实际情况。电离层闪烁一般在8 点左右出现， 出现后闪烁有增强趋势，到接近午夜时达到最大值，之后有下降趋势，到凌 晨时消散。 以上所得到均为在具体空间位置的分析结果，需要对其进行空间扩展。 首先探讨蜀随纬度的变化特点。随机抽取的2 0 0 5 年l 、2 、4 、6 、1 0 、1 2 月在经度为1 1 5 度处的闪烁数据，并将所得数据分别在纬度为1 0 处作归一 化，如图2 - 4 实线族所示。为取得更好效果，将其分三段进行曲线逼近，如 图2 - 4 中“”线所示。 闪烁指数与纬度之间的依赖关系可近似表示为： f - o 0 0 7 0 l a t 2 + o 2 0 5 1 a t - 0 3 5l o s 砌s 2 5 ( t a t ) = 2 1 5 - 0 0 7 a t 2 5 1 ( 3 1 2 ) 研一、m 一m 珊= 筹( 3 - 1 3 )珊2 萧 当已经有了莱斯分布时，还要经常用到这种新的概率分布，一个简单的 理由是由于莱斯分布包含贝塞尔函数而n a k a g a m i 分布没有，所以n a k a g a m i 分布经常可导得方便的闭式表示式。 3 4 n a k a g a m i 信道仿真分析 3 4 1 n a k a g a m i 信道误码率性能分析 在选择n a k a g a r n i 分布作为信道衰落模型时，可以先用分析法对系统的 b e r 性能进行计算分析，由此得到的结果可以与建立的仿真系统模型所的 结果相比较，以验证模型的正确性。 数字相位信号又称做相移键控( p s k ) ，它是利用数字信号来调制载波 相位的。相移键控的主要优点是信号的包络稳定，并且在恒参信道下，具有 良好的抗噪声性能，即使在有衰落和多径效应的信道中也能保持较好的效 果a 由于p s k 调制对频带的利用率也比较高，所以它是卫星通信最常用、 最基本的调制方式，新的调制方式大都是p s k 调制的改进和发展。 相干b p s k 调制方式下误码率为 3 1 1 ： 弘专咖( 愿， 任 堕玺鎏三些查兰三兰堡圭兰竺鎏兰 其中，误差互补函数e r f c ( x ) = 去f e - f 2 d t ，鲁p o = 芸l i ；y 孕。是无衰落时的信 其中，误差互补函数 ) = f p 。，导= 詈：笋是无衰落时的信 、，万峨 噪比，a 为信号幅度，瓦为数据比特时间宽度，o 是单边噪声功率谱密 度。 q p s k 相干检测下，误码率表达式为【3 2 】： 一咖( 庶) 楸悟) ( 3 1 5 ) 对于m 4 的情况，找不到误码率的简单封闭形式，在大信噪比情况 下，相干检测时误码性能可近似表示为： b 研痔唔岸叫2 e 6 ( 1 眠0 9 2 m ) s 证旁b 旧 式中q ( x ) 函数q ( x ) = 吾咖弓争 以上主要是针对白噪声信道情况。当接收信号受阴影遮蔽和多径干扰 时，瞬时保络将起伏。有文献指出，n a k a g a m i 信道下，错误概率可通过求 衰落的统计平均得到【3 3 】： p 。= f p 。( ，。) p ( ，。) d r 。( 3 - 1 7 ) 其中，p 魄) = i 筹扎”l e 一等， n 。( 儿) 为上述高斯噪声信道下各 种调制方式的误码率计算式，死为归一化的平均信噪比。 考虑到误差函数与超几何函数之间的相关性，对于b p s k 调制方式， n a k a g a m i 信道的误码率可表示为： o 咄“2 ( 见 艘( 3 - 1 9 ) d e - i ! 图3 2 误码率特性随m 的变化 由以上所得表达式，改变m 值大小，画出的两种调制方式下误码率曲 线随着埘值变化图如图3 - 2 所示。可以看到，当m 值增大时，由于多径传播 环境得到改善，误码率曲线也得到一定改善，同时，由图3 2 可见，当m 值 较大时，改变不太明显。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 4 2 电平通过率及衰落平均持续时间性能分析 包络的衰落统计研究在无线通信领域中非常重要，因为误码主要发生在 深衰落，很少发生在其他时间，但是这些深度衰落的持续时间以及发生时间 间隔对系统的设计有重要意义，因此，通过定义在衰落期间信道增益低于某 指定电乎的间隔，来讨论关于衰落次数和持续时间是有用的，这允许我们把 系统性能和信道增益的电平联系起来。 电平通过率和衰落平均持续时间这两个衰落信道中的重要统计量，不仅 受到散射环境的影响，还会受到移动台速度的影响，因而称为衰落信道的二 阶统计量。 电平通过率虬( r ) 是指信号包络以正斜率( ， o ) 通过某一规定电平r 的 每秒平均次数p u j ： 虮( r ) = f r ( ，) 西( 3 - 2 0 ) 式中办倒( ，) 一一对用电平表示的信号包络，和电平的变化率r ( 即r 对 时间的导数，：冬) 的联合概率密度函数。 a t 有资料【1 6 】给出，在n a k a g a m i 信道下，包络的电平通过率可以表示 为： 删= 案争事- 一1 e 。苦 p ：t ， 式中最大多谱勒频移= u 五。 n a k a g a m i 衰落信道下，用m a t l a b 画出包络电平通过率随m 值的变化如 图3 - 3 中所示。( ，) 对厶取归一化，选取，：i = ，五作为横坐标以在图中0 值处取得最大值。从图中可以看到，随着m 值的增加，由于传播环境的改 善，电平通过率也逐渐变小。另外，需要注意在，= o d b 周围的包络电平通 过率差不多和朋值无关，这个性质使得可以利用包络电平通过率来估算移 动台速度。 堕玺鎏三些奎兰三兰鎏圭兰竺鎏三 图3 - 3 归一化电平通过率随m 的变化 除了电平通过率以外，衰落持续时间也很重要。衰落持续时间f 定义为 接收信号低于某指定电平r 的持续时间。例如矗是接收门限电平，那么接收 信号电平低于它的话，通信就要中断，因此了解衰落信号低于门限电平的持 续时问的分布有很重要的意义。平均衰落持续时间f 是_ 、f 2 、l 的平均， 即每次衰落信号低于接收门限电平r 的持续时间的平均，即f ：兰，通常 、1 可以直接利用低于某指定电平r 的概率和电平通过率( ，) 来计算： ( ，) = 最( ，) ( ，)( 3 - 2 2 ) 式中b ( r )