卫星移动通信信道特性分析

1、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

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

3、 :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

4、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

5、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(3108d 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 (db112 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

6、, 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 =41343103Q +0n(r 8(

7、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

8、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 150GHz 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 (

9、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 ,

10、 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

11、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 . 210GHz 的

12、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#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

13、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

14、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.

15、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 =21365104f 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

16、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 ,

17、 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

18、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 ,

19、 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

20、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

21、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 , 1999:5051.2

22、 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 , 2000:3940.3 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, mo