衛(wèi)星移動通信信道特性分析

1、衛(wèi)星挪動通訊信道特點分析(精)衛(wèi)星挪動通訊信道特點分析(精)10/10衛(wèi)星挪動通訊信道特點分析(精)收稿日期:2003-09-10基金項目:國家自然科學基金資助項目/個人挪動衛(wèi)星通訊電波流傳特點研究0(60172006作者簡介:1.符世鋼(1979-,男,云南平和人,云南大學信息學院通訊與信息系統(tǒng)專業(yè)在讀碩士研究生,主要從事挪動通訊要點技術研究;任友俊(1973-,男,云南宣威人,曲靖師范學院計科系講課老師、工學碩士,主要從事網絡通訊及其編程研究;3.申東婭(1965-,女,云南昆明人,云南大學信息學院副教授,主要從事挪動通訊研究.衛(wèi)星挪動通訊信道特點分析符世鋼1,任友俊2,申東婭3(1.3.

2、云南大學信息學院,云南昆明650091;2.曲靖師范學院計科系,云南曲靖655000綱要:衛(wèi)星挪動通訊作為地面挪動通訊的增補,是實現(xiàn)全世界個人通訊的必不能夠少的手段之一,同時也是當前發(fā)展最快速的通訊技術之一.衛(wèi)星挪動通訊擁有衛(wèi)星固定業(yè)務和挪動通訊兩重特點,其電波傳輸距離遠,經歷的環(huán)境特別,以致其信道特點遠比地面系統(tǒng)復雜.所以,研究其信道特點是設計出高效合用的通訊系統(tǒng)的要點環(huán)節(jié).本文對其信道特點進行了詳細深入的分析,并對某些衰減要素的解決舉措作了簡要商討.要點詞:衛(wèi)星挪動通訊;信道特點;傳輸耗資;多普勒頻移中圖分類號:TN927+123文件表記碼:A文章編號:1009-8879(200306-0

3、071-04衛(wèi)星挪動通訊是指利用衛(wèi)星實現(xiàn)挪動用戶間或挪動用戶與固定用戶間的互相通訊.近來幾年來地面蜂窩挪動通訊系統(tǒng)獲取了飛快發(fā)展,可是它的覆蓋范圍有限,僅能為人口集中的城市及其鄰近地區(qū)供給服務.為了獲取全世界范圍的無縫覆蓋,實現(xiàn)名符其實的全世界個人通訊,不得不引入衛(wèi)星挪動通訊來作為地面挪動通訊的增補.衛(wèi)星挪動通訊擁有覆蓋面積大、業(yè)務范圍廣、合用于各樣地理條件等長處,在過去二三十年中發(fā)展十分快速,成為極具競爭力的通訊手段之一.與地面挪動通訊系統(tǒng)不同樣,衛(wèi)星挪動通訊系統(tǒng)的電波流傳要經過漫長的距離,此間要遇到多種要素的攪亂.這大大增添了接收信號的顛簸性,成為保證通訊質量的最大阻攔.為此,研究信道特征

4、成為設計通訊系統(tǒng)的首要任務.本文將對其進行詳細分析.傳輸耗資衛(wèi)星挪動通訊中電波流傳要經過對流層(含云層和雨層、平流層直至外層空間,傳輸耗資大概為自由空間傳輸耗資與大氣耗資之和.111自由空間傳輸耗資在整個衛(wèi)星無線路徑中自由空間(近于真空狀態(tài)占了絕大多數(shù),所以,第一考慮自由空間流傳耗資.衛(wèi)星挪動通訊系統(tǒng)無線鏈路與大尺度無線電波流傳模型近似,在自由空間模型中,接收功率的衰減為T-R距離的冪函數(shù)1.當發(fā)射和接收天線均擁有單位增益時,自由空間路徑耗資為:Lf=10lg(K2=20lg(3108df(db(1當d取km、f取GHz為單位時,可簡化為下式:Lf=92145+20lgd+10lgf(db(2

5、大氣層耗資大氣層在衛(wèi)星無線路徑中所占比率不大,但倒是最不堅固的地區(qū),其耗資是衛(wèi)星挪動通訊最具特點的信道特點之一.陪伴著天氣的變化,降雨、降雪、云、霧等都不能夠防范地對穿透此中的電波產生耗資,個別極惡劣的天氣甚至會造成通訊信號的中止.因為各樣客觀條件的限制,當前對其耗資只好經過實質觀察累積數(shù)據(jù)并由此總結出一些經驗公式.在各樣天氣惹起的耗資要素中,降雨耗資所占的比率最大且擁有代表性.在雨中流傳的電波會遇到雨滴的汲取和散射影響而產生衰敗.此時引入降雨衰減系數(shù)的見解,即由降雨雨滴惹起的每單位路徑上的衰減R,R以下式所示:第22卷第6期2003年11月曲靖師范學院學報JOURNALOFQUJINGTEA

6、CHERSCOLLEGEVol.22No.6Nov.2003R=41343103Q+0n(r8(r,Kdr(db/km(3上式中n(rdr是單位體積中半徑在r和(r+dr之間的雨滴數(shù)量,它取決于降雨強度;8(r,K是半徑為r的雨滴對電波為K的衰減截面,它取決于工作頻次.值得注意的是,當電波波長久大于雨滴的直徑時,降雨耗資中雨滴的汲取起主要作用;而當雨滴的直徑增添或波長縮短時,散射作用就會增大2.理論上用降雨衰減系數(shù)與電波穿透的雨區(qū)路徑相乘即可得總的降雨耗資.但實質上降雨衰減系數(shù)在電波流傳路徑上的不同樣點各不同樣,給計算帶來了極大的困難,為此需要對二者進行變換.此時引入了降雨強度P的見解,即單位

7、時間的降雨量,P以下式所示:P=Q+0n(r(3r3Qv(rdr(4式中,Q是水的密度,v(r是地面處半徑為r的雨滴的著落速度.在計算衛(wèi)星通訊流傳路徑上的降雨耗資時,必然知道降雨地區(qū)的等效路徑長度D(B,其基本定義以下:D(B=當仰角為B時流傳路徑上產生的總降雨衰減/對應于地球站所在地降雨強度的單位距離降雨衰減系數(shù)(5在150GHz的頻段內,能夠以為降雨衰減大概與降雨強度成正比,所以借助于降雨強度的見解,(5式可近似表示為:D(B=+R(rdrR(0(km(6這就是說,所謂降雨地區(qū)的等效路徑長度,就是把電波流傳路徑上不同樣點的不同樣降雨強度折算成地球站所在地的降雨強度時獲取的等效路徑長度.從(

8、5式能夠看出,能夠用地球站所在地的降雨衰減系數(shù)與等效路徑長度相乘,來獲取仰角為B的流傳路徑上產生的總的降雨耗資,這將極大地方便我們進行計算和展望.可是,在詳細計算D(B時,既不能夠能測定Q+0R(rdr,又不能夠能計算出時辰都在變化著的等效路徑長度的瞬市價,所以,一般都是使用等效路徑長度的統(tǒng)計值.它定義為:某一仰角的流傳路,概率的降雨衰減量(db,與同一時期內測得的、同一時間概率的降雨衰減系數(shù)之比(db/km.2折射、閃耀、法拉第旋轉除了大氣層中的傳輸耗資外,大氣層中的不規(guī)則特點也會對無線電波產生衰減.其余,當電波經過電離層這一極其特其余環(huán)境時,也會發(fā)生特別的變化.大氣折射無線電波穿透大氣層時

9、要發(fā)生折射,大氣折射率跟著高度增添、大氣密度減小而減小.于是,從地球站看衛(wèi)星,電波射線流傳路徑產生向上凸出的曲折,以致該路徑的仰角比真切仰角偏高,且還因流傳途中大氣折射率的變化而隨時變化.大氣折射率的這一變化對穿透此中的電波起到一個凹面鏡的作用,進而使電波的聚束失散而惹起散焦耗資,這種耗資與頻次沒關.其余,對流層的擾動惹起大氣折射率發(fā)生起伏,使得電波向各個方向上散射,以致了波前抵達大天線口面時其幅度和相位散布不規(guī)則.這種耗資稱為漫射耗資或散射耗資.散焦衰減和散射衰減平常都很小,但它們與大氣層的天氣狀況沒關而常常存在,所以在設計衛(wèi)星挪動通訊系統(tǒng),特別是低仰角系統(tǒng)時必然加以考慮.212閃耀閃耀按其

10、成因可分為大氣閃耀和電離層閃耀.21211大氣閃耀因為大氣折射率的不規(guī)則變化惹起的信號強度的起伏現(xiàn)象,稱之為大氣閃耀.這種閃耀的周期約為幾十秒.210GHz的大氣閃耀是因為大氣的不規(guī)則惹起的電波的多徑散射和收斂.丈量表示,標準大氣中的信號強度為高斯散布.如直徑為30米的天線在仰角為5b的狀況下,信號強度的起伏幅度為016分貝.21212電離層閃耀電離層中自由電子其實不是平均散布,而是呈層式散布,其余,自由電子在電離層中不停地發(fā)生隨時游動.電離層構造的這種不平均性和時變性造成穿透此中的無線電波在振幅、相位、抵達角、極化狀態(tài)等方面發(fā)生短周期的不規(guī)則變化,這種現(xiàn)象稱為/電離層閃耀0.它與衛(wèi)星挪動通訊

11、系統(tǒng)的#72#曲靖師范學院學報第22卷時間等有關,特別與地磁緯度和當?shù)貢r間有關3.在地磁赤道周邊及高緯度地區(qū)(特別地磁65b以上電離層閃耀極其顯然和屢次.時間上,在太陽活動較強的年份閃耀頻度會顯然增大,甚至在白日也能觀察到閃耀.電離層閃耀波及到的頻域很寬,這使得平常采納的頻次分集、極化分集、擴展頻譜等抗衰敗舉措常常行不通.比方在UHF頻段,3db有關帶寬超出100MHz,如要使用頻次分集,則需要頻次間隔大于100MHz,這在實現(xiàn)上存在很大困難.其余,電離層閃耀波及的地區(qū)也很廣闊,且電離層中不規(guī)則地區(qū)會發(fā)生漂移進而惹起所波及的地區(qū)發(fā)生變化,這些特點使得采納空間分集的抗衰敗方法也變得不現(xiàn)實.當前解

12、決電離層閃耀的有效方法是時間分集和編碼分集,也可采納增添貯備余量的方法來減小其造成的影響.法拉第旋轉因為地球磁場的影響,電離層中等離子體媒質表現(xiàn)出各向異性特點.衛(wèi)星挪動通訊中電波寬泛采納線極化和圓極化的形式.一個線極化波能夠看作是等振幅的左旋和右旋兩個圓極化波的合成,在屬于磁性等離子媒質的電離層中流傳時,因為其各向異性特點,這二者的相速不同樣,以致兩個圓極化波之間的相位差發(fā)生變化.當它們經過電離層后,從頭合成的線極化波的極化面有關于入射波方向產生遲緩的旋轉,稱為法拉第旋轉4.旋轉角度H的大小與電波頻次、地球磁場強度、等離子體的電子密度、流傳路徑長度等有關,其計算能夠使用下式:H=2136510

13、4f2LNBcosAdL(弧度(7式中f為頻次,N是電子密度,B是地球磁場的磁能量密度,A是流傳路徑與地球磁場的夾角,L是在電離層中流傳路徑的長度.從上式可見,法拉第旋轉的大小與頻次的平方成反比.所以,關于較低的頻次(1GHz,為了克吃法拉第旋轉,需要采納圓極化作為發(fā)射電波的極化方式,或許采納極化追蹤技術.當頻次高升(特別是大于10GHz時,法拉第效應常常能夠忽視,此時就能夠采納線極化波了.3暗影效應,多徑衰敗,多普勒頻移其自己兼有衛(wèi)星固定業(yè)務和挪動通訊兩重特點,使其信道擁有更多的復雜性,這成為研究的又一要點.暗影效應與純真的固定業(yè)務衛(wèi)星通訊不同樣,衛(wèi)星挪動通訊擁有很大的靈巧性和靈巧性,地面通

14、訊地點沒法開初選擇.所以當電波流傳路徑遇到建筑物、樹木、起伏山丘等阻攔的阻截時,會造成接收信號電平的降落,這一現(xiàn)象稱為暗影效應,所惹起的信號衰敗稱為暗影衰敗,其大小取決于阻攔物狀況和信號的頻次.當前針對不同樣的阻攔物已做出很多實質測試,比目標對樹木遮擋耗資,典型的就有Goldhirsh和Vogel實測的單棵樹木在870MHz(右旋圓極化傳輸?shù)乃p量和Michigan進行的以116GHz電波仰角穿透單棵紅樹冠時的衰減量.從實質測試中已獲取大批合用數(shù)據(jù)和經驗公式.312多徑衰敗無線電波在流傳過程中會遇到建筑物、樹木、山丘等各樣阻攔物射波、散射波、繞射波,這就使得接收到的信號是從多條路徑流傳來成.因

15、為在各條路徑上信號傳輸時間不同樣,抵達接收端時相位也就不同樣的信號疊加時常常是同相加強、反相減弱,有時甚至互相抵消.這樣幅度將急巨變化,即產生了衰敗,被稱為多徑衰敗.產生出反的信號的合.不同樣相位接收信號的與固定衛(wèi)星通訊不同樣,衛(wèi)星挪動通訊中挪動臺的接收天線較小且?guī)缀鯖]有方向性,會從各個方向上接收信號,所以多徑衰敗寬泛地存在于其信道中,其大小與工作頻次、天線增益、天線仰角、地形等要素有關.比方對當前常用的GEO(靜止地球軌道衛(wèi)星挪動通訊系統(tǒng),其最大的多徑衰敗能夠超出20db.當前戰(zhàn)勝多徑衰落的舉措主要有交織編碼與卷積編碼相聯(lián)合、采納差分調制方式、極化成形及空間分集等.多普勒頻移當無線電波收發(fā)終

16、端之間產生相對運動時,接收端收到的頻次有關于發(fā)送端而言就會發(fā)生變化,產生的這個附帶頻次偏移量稱為多普勒頻移.在衛(wèi)星挪動通訊中,衛(wèi)星和地面挪動臺的運動都會惹起多普勒頻移,其大小與衛(wèi)星軌道高度、軌道類型、地面站緯度等要素有關.MEO(中軌道、LEO(低軌道衛(wèi)星因為與地球產生相對運動,所以多普勒頻移平常比GEO(靜止地球軌道衛(wèi)星#73#第6期符世鋼,任友俊,申東婭:衛(wèi)星挪動通訊信道特點分析有最大的正多普勒頻移;當衛(wèi)星經過地面挪動臺的最大仰角時,多普勒頻移為零;當衛(wèi)星從地平面消逝時,有最大的負多普勒頻移.其余,衛(wèi)星的軌道越低,遨游速度越快,多普勒頻移就越大.假如兩個發(fā)射頻次之間的間隔不夠大,即小于最大

17、多普勒頻移時,則接收端即可能產生互相攪亂.同時,它還會使接收機輸出信號幅度降落,也會惹起較大的相位偏差.多普勒頻移平常采納閉環(huán)頻次控制、預校訂、差分調制等方法來解決.結論在衛(wèi)星挪動通訊的發(fā)展進度中其信道特點向來是研究的要點.本文從傳輸損耗,折射、閃耀、法拉第旋轉,暗影效應、多徑效應、多普勒頻移3個方面進行剖析,得出的結論廣泛合用于GEO,MEO,LEO,HEO等多種衛(wèi)星系統(tǒng),在闡述現(xiàn)象的同時給出了一批量化表達式,為理論展望打下了基礎.從各樣分析中能夠看出:因為衛(wèi)星中繼的特殊地點,其雙向鏈路傳輸耗資大;在傳輸環(huán)境中的多種不堅固要素攪亂下信道參數(shù)的顛簸性很大,且在個別狀況下產生極大的接收信號衰敗.

18、所以,怎樣對其特點進行優(yōu)化必然成為又一個研究要點.參照文件:1TheodoreS.Rappaport:Wirelesscommunicationsprinciplesandpractice.PrenticeHallInc.中文本:無線通訊原理與應用M.蔡濤,李旭,杜振民譯.北京:電子工業(yè)第一版社,1999:5051.全慶一,廖建新,于玲,等.衛(wèi)星挪動通訊M.北京郵電大學第一版社,2000:3940.吳志忠.挪動通訊無線電波流傳M.北京:人民郵電第一版社,2002:85.張乃通,張中兆,李英濤.衛(wèi)星挪動通訊系統(tǒng)M.北京:電子工業(yè)第一版社,1997:25.張更新,張杭.衛(wèi)星挪動通訊系統(tǒng)M.北京:人

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