移动卫星通信信道分析

移动卫星通信信道分析

不同地域的传播特性在卫星移动通信系统中，移动设备不可避免地通过城市、郊区、农村和开放空间等不同地理环境，并以一种独特的方式解释卫星移动通信的信道特性。需要分析不同的地理环境，以确定各自的传播特性。1在不同的环境下，卫星移动信道模型1.1心极限定理由于城市地区高大建筑物和树木的影响,电磁波的能量传播主要通过散射方式进行,接收信号由很多相位相互独立的反射波递加而成。根据中心极限定理,当反射波数目N很大时,接收信号可以看成是两个相互独立的均值为0,方差为σd2的高斯随机过程叠加。经推导,此时信号包络的概率密度函数(pdf)为瑞利分布:p(D)=Dσd2exp(−D22σd2)d＜0(1)p(D)=Dσd2exp(-D22σd2)d＜0(1)式(1)中,2σd2为多径反射信号的平均功率,由周围环境决定。接收信号的相位在0～2π之间均匀分布。1.2x-qp--t包络在开阔地区,由于直射波s(t)没有阻挡,所以接收信号可表示为:r(t)=s(t)+d(t)+g(t)(2)式(2)中,g(t)为加性白高斯噪声(AWGN);d(t)为多径反射信号之和,其包络服从瑞利分布。设直射信号的包络为定值,恒包络的直射波与瑞利分布的漫反射之和产生莱斯分布的合成信号,其包络的概率密度函数为:p(R)=2R1+k−−−−√exp[−k−(1+k)R2]⋅I0(2Rk(k+1)−−−−−−−√)(3)p(R)=2R1+kexp[-k-(1+k)R2]⋅Ι0(2Rk(k+1))(3)式(3)中,k表示直射与散射信号的功率之比,叫做莱斯因子(Ricianfactor),它与接收仰角的大小有关。I0(x)表示零阶修正贝塞尔函数。1.3合成向量的一般过程中,传统的多径现象的特征,在一般在农村和城郊,由于道路两旁树木房屋和小型建筑物的阻挡,直射信号会有不同程度的衰减。实验证明,直射波的包络变化服从对数正态分布:p(S)=12π√hσSexp[−12(lnS−μhσ)2](4)p(S)=12πhσSexp[-12(lnS-μhσ)2](4)即lnS服从窄带正态分布,均值为μ,方差为(hσ)2,其中h=(ln10)/20。直射信号衰落相对于多径衰落是一个慢变过程,所以可假设在一个小范围内(通常为几十个载波长),直射信号为定值S,则接收信号包络的条件概率密度函数符合莱斯分布:p(R|S)=Rσd2exp(−R2+S22σd2)⋅I0(RSσd2)(5)p(R|S)=Rσd2exp(-R2+S22σd2)⋅Ι0(RSσd2)(5)式(5)中,2σd2为多径传播引起的平均散射功率。接收信号包络总的概率密度函数为:p(R)=∫∞0p(R|S)·P(S)dS(6)接收到的直射信号相位近似为高斯分布。以上是针对不同传播条件进行的理论分析,许多学者对此进行了深入分析,提出了各种模型。目前普遍采用LOO等人提出的数学模型。在此模型中,信号的幅度电平被描述成两个向量的和:一是信道中的慢幅度变化,在统计上是对数正态分布;二是多径现象,它的向量幅度概率密度函数服从瑞利分布。合成向量的概率密度函数如式(7)所示:f(r)=rb02πd0√∫∞01zexp[−(lnz−μ)22d0−(r2+z2)2b0]⋅I0(r⋅zb0)dz(7)f(r)=rb02πd0∫0∞1zexp[-(lnz-μ)22d0-(r2+z2)2b0]⋅Ι0(r⋅zb0)dz(7)式(7)中,I0(z)是零阶贝塞尔函数,b0代表多径引起的平均散射功率,d0−−√d0和μ分别是对数正态分布中的标准方差和均值。b0、μ、d0−−√d0是上述Rician/Lognormal信道的3个参数,随环境不同而改变。由于卫星不断运动,地球上任何观察点看卫星的仰角都在不断变化,因而传播条件也不断变化,这与观察点的位置无关。仰角是影响非静止轨道卫星移动通信性能的主要因素。总之,移动卫星信道属于线性时变信道,它的冲击响应随时间而变化,它对有用信号的干扰称为乘性干扰,设ei(t)为输入的已调信号,e0(t)为信道总输出波形,n(t)为加性噪声,三者的关系为:e0(t)=k(t)·ei(t)+n(t)(8)式(8)中,k(t)为乘性干扰。根据前面的分析,3类信道都能用两个独立的高斯随机过程得到,即:瑞利(Rayleigh)信道:r(t)=a2c(t)+as2(t)−−−−−−−−−−−√r(t)=ac2(t)+as2(t)莱斯(Rician)信道:r(t)=[Ac+ac(t)]2+as2(t)−−−−−−−−−−−−−−−−−√r(t)=[Ac+ac(t)]2+as2(t)阻挡效应下的莱斯(Rician/Lognornal)信道:r(t)=[yc(t)+ac(t)]2+[ys(t)+as(t)]2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√yc(t)+jys(t)=exp[μ+d0−−√xc(t)]⋅[cos(d0−−√xs(t)+jsin(d0−−√xs(t))]r(t)=[yc(t)+ac(t)]2+[ys(t)+as(t)]2yc(t)+jys(t)=exp[μ+d0xc(t)]⋅[cos(d0xs(t)+jsin(d0xs(t))]其中,yc(t)+jys(t)的包络呈对数正态分布,通过两个独立的高斯过程xc(t)和xs(t)得到。ac(t)、as(t)和xc(t)、xs(t)都是呈高斯分布的随机过程,在仿真中用高斯分布的随机数代表。2基于rician分布的误差仿真3种信道模型中,Rician信道和Rayleigh信道可看成是Rician/Lognormal信道的特例。如果对数部分是零,得到的是Rayleigh信道;如果对数正态部分为定值,则为Rician信道。仿真中,ac(t)、as(t)是两个独立的N(0,1)正态分布随机数,所以瑞利信号的多径平均功率b0=2(b0=2σd2),Rayleigh分布为:p(r)=rexp[-r2/2];由于Rician因子k=Ac2/b0,所以改变k值,得到相应的Rician分布的概率密度函数曲线。对于Rayleigh信道,其3个参数随遮阴程度的不同,分为3种情况,如下页表1所示:在仿真中,一般用误码率曲线来表示信道的误码性能。下面设定信道的参数,比较它在不同参数、不同程度的阴影条件下,经过Rician信道的BER曲线(左)和Rician/Lognormal信道的BER曲线(右)比较,如图2～图4所示:3参数选择的灵活性从仿真曲线可知,发送终端和接收终端所处的环境不同,信道参数不同,得到的误码率曲线不同。信道的性能主要取决于信道参数,而信道参数不仅取决于接收环境,同时也取决于所接收的系统,因此,参数选择具有很大的灵活性。Ray