卫星移动通信信道特性分析

1、卫星挪动通讯信道特点分析(精)卫星挪动通讯信道特点分析(精)10/10卫星挪动通讯信道特点分析(精)收稿日期:2003-09-10基金项目:国家自然科学基金资助项目/个人挪动卫星通讯电波流传特点研究0(60172006作者简介:1.符世钢(1979-,男,云南平和人,云南大学信息学院通讯与信息系统专业在读硕士研究生,主要从事挪动通讯要点技术研究;任友俊(1973-,男,云南宣威人,曲靖师范学院计科系讲课老师、工学硕士,主要从事网络通讯及其编程研究;3.申东娅(1965-,女,云南昆明人,云南大学信息学院副教授,主要从事挪动通讯研究.卫星挪动通讯信道特点分析符世钢1,任友俊2,申东娅3(1.3.

2、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纲要:卫星挪动通讯作为地面挪动通讯的增补,是实现全世界个人通讯的必不能够少的手段之一,同时也是当前发展最快速的通讯技术之一.卫星挪动通讯拥有卫星固定业务和挪动通讯两重特点,其电波传输距离远,经历的环境特别,以致其信道特点远比地面系统复杂.所以,研究其信道特点是设计出高效合用的通讯系统的要点环节.本文对其信道特点进行了详细深入的分析,并对某些衰减要素的解决举措作了简要商讨.要点词:卫星挪动通讯;信道特点;传输耗资;多普勒频移中图分类号:TN927+123文件表记码:A文章编号:1009-8879(200306-0

3、071-04卫星挪动通讯是指利用卫星实现挪动用户间或挪动用户与固定用户间的互相通讯.近来几年来地面蜂窝挪动通讯系统获取了飞快发展,可是它的覆盖范围有限,仅能为人口集中的城市及其邻近地区供给服务.为了获取全世界范围的无缝覆盖,实现名符其实的全世界个人通讯,不得不引入卫星挪动通讯来作为地面挪动通讯的增补.卫星挪动通讯拥有覆盖面积大、业务范围广、合用于各样地理条件等长处,在过去二三十年中发展十分快速,成为极具竞争力的通讯手段之一.与地面挪动通讯系统不同样,卫星挪动通讯系统的电波流传要经过漫长的距离,此间要遇到多种要素的搅乱.这大大增添了接收信号的颠簸性,成为保证通讯质量的最大阻拦.为此,研究信道特征

4、成为设计通讯系统的首要任务.本文将对其进行详细分析.传输耗资卫星挪动通讯中电波流传要经过对流层(含云层和雨层、平流层直至外层空间,传输耗资大概为自由空间传输耗资与大气耗资之和.111自由空间传输耗资在整个卫星无线路径中自由空间(近于真空状态占了绝大多数,所以,第一考虑自由空间流传耗资.卫星挪动通讯系统无线链路与大尺度无线电波流传模型近似,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拥有单位增益时,自由空间路径耗资为:Lf=10lg(K2=20lg(3108df(db(1当d取km、f取GHz为单位时,可简化为下式:Lf=92145+20lgd+10lgf(db(2

5、大气层耗资大气层在卫星无线路径中所占比率不大,但倒是最不坚固的地区,其耗资是卫星挪动通讯最具特点的信道特点之一.陪伴着天气的变化,降雨、降雪、云、雾等都不能够防范地对穿透此中的电波产生耗资,个别极恶劣的天气甚至会造成通讯信号的中止.因为各样客观条件的限制,当前对其耗资只好经过实质观察累积数据并由此总结出一些经验公式.在各样天气惹起的耗资要素中,降雨耗资所占的比率最大且拥有代表性.在雨中流传的电波会遇到雨滴的汲取和散射影响而产生衰败.此时引入降雨衰减系数的见解,即由降雨雨滴惹起的每单位路径上的衰减R,R以下式所示:第22卷第6期2003年11月曲靖师范学院学报JOURNALOFQUJINGTEA

6、CHERSCOLLEGEVol.22No.6Nov.2003R=41343103Q+0n(r8(r,Kdr(db/km(3上式中n(rdr是单位体积中半径在r和(r+dr之间的雨滴数量,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,它取决于工作频次.值得注意的是,当电波波长久大于雨滴的直径时,降雨耗资中雨滴的汲取起主要作用;而当雨滴的直径增添或波长缩短时,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耗资.但实质上降雨衰减系数在电波流传路径上的不同样点各不同样,给计算带来了极大的困难,为此需要对二者进行变换.此时引入了降雨强度P的见解,即单位

7、时间的降雨量,P以下式所示:P=Q+0n(r(3r3Qv(rdr(4式中,Q是水的密度,v(r是地面处半径为r的雨滴的着落速度.在计算卫星通讯流传路径上的降雨耗资时,必然知道降雨地区的等效路径长度D(B,其基本定义以下:D(B=当仰角为B时流传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,能够以为降雨衰减大概与降雨强度成正比,所以借助于降雨强度的见解,(5式可近似表示为:D(B=+R(rdrR(0(km(6这就是说,所谓降雨地区的等效路径长度,就是把电波流传路径上不同样点的不同样降雨强度折算成地球站所在地的降雨强度时获取的等效路径长度.从(

8、5式能够看出,能够用地球站所在地的降雨衰减系数与等效路径长度相乘,来获取仰角为B的流传路径上产生的总的降雨耗资,这将极大地方便我们进行计算和展望.可是,在详细计算D(B时,既不能够能测定Q+0R(rdr,又不能够能计算出时辰都在变化着的等效路径长度的瞬市价,所以,一般都是使用等效路径长度的统计值.它定义为:某一仰角的流传路,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、闪耀、法拉第旋转除了大气层中的传输耗资外,大气层中的不规则特点也会对无线电波产生衰减.其余,当电波经过电离层这一极其特其余环境时,也会发生特别的变化.大气折射无线电波穿透大气层时

9、要发生折射,大气折射率跟着高度增添、大气密度减小而减小.于是,从地球站看卫星,电波射线流传路径产生向上凸出的曲折,以致该路径的仰角比真切仰角偏高,且还因流传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此中的电波起到一个凹面镜的作用,进而使电波的聚束失散而惹起散焦耗资,这种耗资与频次没关.其余,对流层的扰动惹起大气折射率发生起伏,使得电波向各个方向上散射,以致了波前抵达大天线口面时其幅度和相位散布不规则.这种耗资称为漫射耗资或散射耗资.散焦衰减和散射衰减平常都很小,但它们与大气层的天气状况没关而常常存在,所以在设计卫星挪动通讯系统,特别是低仰角系统时必然加以考虑.212闪耀闪耀按其

10、成因可分为大气闪耀和电离层闪耀.21211大气闪耀因为大气折射率的不规则变化惹起的信号强度的起伏现象,称之为大气闪耀.这种闪耀的周期约为几十秒.210GHz的大气闪耀是因为大气的不规则惹起的电波的多径散射和收敛.丈量表示,标准大气中的信号强度为高斯散布.如直径为30米的天线在仰角为5b的状况下,信号强度的起伏幅度为016分贝.21212电离层闪耀电离层中自由电子其实不是平均散布,而是呈层式散布,其余,自由电子在电离层中不停地发生随时游动.电离层构造的这种不平均性和时变性造成穿透此中的无线电波在振幅、相位、抵达角、极化状态等方面发生短周期的不规则变化,这种现象称为/电离层闪耀0.它与卫星挪动通讯

11、系统的#72#曲靖师范学院学报第22卷时间等有关,特别与地磁纬度和当地时间有关3.在地磁赤道周边及高纬度地区(特别地磁65b以上电离层闪耀极其显然和屡次.时间上,在太阳活动较强的年份闪耀频度会显然增大,甚至在白日也能观察到闪耀.电离层闪耀波及到的频域很宽,这使得平常采纳的频次分集、极化分集、扩展频谱等抗衰败举措常常行不通.比方在UHF频段,3db有关带宽超出100MHz,如要使用频次分集,则需要频次间隔大于100MHz,这在实现上存在很大困难.其余,电离层闪耀波及的地区也很广阔,且电离层中不规则地区会发生漂移进而惹起所波及的地区发生变化,这些特点使得采纳空间分集的抗衰败方法也变得不现实.当前解

12、决电离层闪耀的有效方法是时间分集和编码分集,也可采纳增添贮备余量的方法来减小其造成的影响.法拉第旋转因为地球磁场的影响,电离层中等离子体媒质表现出各向异性特点.卫星挪动通讯中电波宽泛采纳线极化和圆极化的形式.一个线极化波能够看作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流传时,因为其各向异性特点,这二者的相速不同样,以致两个圆极化波之间的相位差发生变化.当它们经过电离层后,从头合成的线极化波的极化面有关于入射波方向产生迟缓的旋转,称为法拉第旋转4.旋转角度H的大小与电波频次、地球磁场强度、等离子体的电子密度、流传路径长度等有关,其计算能够使用下式:H=2136510

13、4f2LNBcosAdL(弧度(7式中f为频次,N是电子密度,B是地球磁场的磁能量密度,A是流传路径与地球磁场的夹角,L是在电离层中流传路径的长度.从上式可见,法拉第旋转的大小与频次的平方成反比.所以,关于较低的频次(1GHz,为了克吃法拉第旋转,需要采纳圆极化作为发射电波的极化方式,或许采纳极化追踪技术.当频次高升(特别是大于10GHz时,法拉第效应常常能够忽视,此时就能够采纳线极化波了.3暗影效应,多径衰败,多普勒频移其自己兼有卫星固定业务和挪动通讯两重特点,使其信道拥有更多的复杂性,这成为研究的又一要点.暗影效应与纯真的固定业务卫星通讯不同样,卫星挪动通讯拥有很大的灵巧性和灵巧性,地面通

14、讯地点没法开初选择.所以当电波流传路径遇到建筑物、树木、起伏山丘等阻拦的阻截时,会造成接收信号电平的降落,这一现象称为暗影效应,所惹起的信号衰败称为暗影衰败,其大小取决于阻拦物状况和信号的频次.当前针对不同样的阻拦物已做出很多实质测试,比目标对树木遮挡耗资,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.从实质测试中已获取大批合用数据和经验公式.312多径衰败无线电波在流传过程中会遇到建筑物、树木、山丘等各样阻拦物射波、散射波、绕射波,这就使得接收到的信号是从多条路径流传来成.因

15、为在各条路径上信号传输时间不同样,抵达接收端时相位也就不同样的信号叠加时常常是同相加强、反相减弱,有时甚至互相抵消.这样幅度将急巨变化,即产生了衰败,被称为多径衰败.产生出反的信号的合.不同样相位接收信号的与固定卫星通讯不同样,卫星挪动通讯中挪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,所以多径衰败宽泛地存在于其信道中,其大小与工作频次、天线增益、天线仰角、地形等要素有关.比方对当前常用的GEO(静止地球轨道卫星挪动通讯系统,其最大的多径衰败能够超出20db.当前战胜多径衰落的举措主要有交织编码与卷积编码相联合、采纳差分调制方式、极化成形及空间分集等.多普勒频移当无线电波收发终

16、端之间产生相对运动时,接收端收到的频次有关于发送端而言就会发生变化,产生的这个附带频次偏移量称为多普勒频移.在卫星挪动通讯中,卫星和地面挪动台的运动都会惹起多普勒频移,其大小与卫星轨道高度、轨道类型、地面站纬度等要素有关.MEO(中轨道、LEO(低轨道卫星因为与地球产生相对运动,所以多普勒频移平常比GEO(静止地球轨道卫星#73#第6期符世钢,任友俊,申东娅:卫星挪动通讯信道特点分析有最大的正多普勒频移;当卫星经过地面挪动台的最大仰角时,多普勒频移为零;当卫星从地平面消逝时,有最大的负多普勒频移.其余,卫星的轨道越低,遨游速度越快,多普勒频移就越大.假如两个发射频次之间的间隔不够大,即小于最大

17、多普勒频移时,则接收端即可能产生互相搅乱.同时,它还会使接收机输出信号幅度降落,也会惹起较大的相位偏差.多普勒频移平常采纳闭环频次控制、预校订、差分调制等方法来解决.结论在卫星挪动通讯的发展进度中其信道特点向来是研究的要点.本文从传输损耗,折射、闪耀、法拉第旋转,暗影效应、多径效应、多普勒频移3个方面进行剖析,得出的结论广泛合用于GEO,MEO,LEO,HEO等多种卫星系统,在阐述现象的同时给出了一批量化表达式,为理论展望打下了基础.从各样分析中能够看出:因为卫星中继的特殊地点,其双向链路传输耗资大;在传输环境中的多种不坚固要素搅乱下信道参数的颠簸性很大,且在个别状况下产生极大的接收信号衰败.

18、所以,怎样对其特点进行优化必然成为又一个研究要点.参照文件:1TheodoreS.Rappaport:Wirelesscommunicationsprinciplesandpractice.PrenticeHallInc.中文本:无线通讯原理与应用M.蔡涛,李旭,杜振民译.北京:电子工业第一版社,1999:5051.全庆一,廖建新,于玲,等.卫星挪动通讯M.北京邮电大学第一版社,2000:3940.吴志忠.挪动通讯无线电波流传M.北京:人民邮电第一版社,2002:85.张乃通,张中兆,李英涛.卫星挪动通讯系统M.北京:电子工业第一版社,1997:25.张更新,张杭.卫星挪动通讯系统M.北京:人

19、民邮电第一版社,2001:95.AnalysisofchannelpropertyformobilesatellitecommunicationFUSh-igang1,RENYou-jun2,SHENDong-ya3(1.3.InformationCollegeofYunnanUniversity,KunmingYunnan650091,China;2.ComputerDep.,QujingTeachersCollege,QujingYunnan655000,ChinaAbstract:Asacomplementofland-mobilecommunication,mobilesatellitecommunicationisanessentialmethodtoachieveglobalpersonalcomm