地球同步轨道卫星信道模型分析及实现-AET-电子技术应用

地球同步轨道卫星信道模型分析及实现

2014年电子技术应用第8期

郭业才，袁涛，周润之，张秀再

(南京信息工程大学电子与信息工程学院, 江苏南京210044)

摘要： 为研究地球同步轨道卫星信道的传播特性，依据星地链路空间分布情况，研究了自由空间损耗、电离层闪烁、大气吸收、多径及阴影对信道链路的影响；根据天气状况的“好”与“坏”，提出了地球同步轨道卫星信道的Rice模型和Suzuki模型，并用两状态Markov巧妙地联系在一个动态模型中，以反映天气变化带来的状态之间的转换；最后设计了信道模型的实现方法。仿真结果表明，所提模型仿真数据与实测数据具有很好的一致性。

关键词： 多径效应阴影效应 Markov模型

中图分类号： TN927.23
文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2014)08-0098-03

The analysis and implementation of geosynchronous orbit meteorological satellite

Guo Yecai， Yuan Tao， Zhou Runzhi， Zhang Xiuzai

College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China

Abstract： In order to study the propagation characteristic of geosynchronous orbit satellite channel，the free space loss, ionospheric scintillation, atmospheric absorption, multipath and shadow effects were analyzed based on the spatial distribution of the satellite-earth link. The Rice and Suzuki model of the geosynchronous orbit satellite channel were proposed according to the good or bad weather condition. Then the two-state Markov model was introduced into satellite channel model. Finally, the satellite channel simulator was designed and simulated based on the proposed method. The results show that the data of proposed model has a good consistency of the measured one.

Key words : multipath effect; shadow effect; Markov model

　　卫星信号传播特性是卫星通信技术中最基础的研究之一[1]。通过数学方法建立卫星信道模型可较准确地反映信道真实物理传播特性[2-4]。本文以地球同步轨道卫星和地面接收站之间链路为对象，先分析自由空间损耗、电离层闪烁、大气吸收、多径及阴影对信道链路的影响，再根据天气状况的“好”与“坏”，建立卫星信道Rice模型和Suzuki模型，视为两状态Markov链动态模型，以描述天气状态的转换，并给出信道模型的实现方法。

1 地球同步轨道卫星信道传播特性

　　现分析星地链路中自由空间损耗、电离层闪烁、大气吸收、多径阴影效应的特性。

　　1.1 自由空间损耗

　　同步卫星在36 785 km的高空中，由卫星向地面接收站传播的信号首先经历外层空间，外层空间含有密度很低的物质。由于信号在自由空间经历的路径很长，占总路径的95%以上，因此对静止卫星通信链路而言，自由空间损耗Lf是最主要的损耗，其具体计算方法为:

　　 ${99I0~QSX3VV7{@CF_2~2RM.png$

　　式中，R为传输距离，载波波长。因为卫星通信系统设计时，载波波长是确定的，所以自由空间损耗只与路径长度有关。

　　1.2 电离层闪烁效应

　　卫星信号经过外层空间后，依次通过散逸层、热层和中间层，这几层物质处于部分电离或完全电离的状态,能使无线电波改变传播速度。其中，电离层闪烁[5]的影响比较明显，它与季节、频率、观测点的几何位置有很大关系,通常用幅度闪烁指数S4来定量描述这种闪烁效应，S4为每分钟信号强度S的标准差与均值的比值，计算方法为:

　　 U{6(6X1)NM(4LGF3GI0TYAW.png

　　式中，<·>为时间均值；S4为电离层闪烁的强度大小。

　　1.3 大气吸收损耗

　　电波信号由上而下依次经过平流层和对流层，它们集中了几乎所有的大气和水蒸气，其中臭氧、氧气和水蒸气会对电波传播造成损耗。大气吸收损耗主要与电波的频率、地面站天线波束仰角、地面站海拔高度及水蒸气密度有关，且随着频率升高，损耗明显增加，因此在通信线路设计时必须考虑大气吸收损耗。主要是H2O和O2引起的大气吸收损耗，即:

　　 H0$L~39V1UF2XKHKMP{YK`X.png

　　其中，下标L可分别代表水蒸气或氧气； `EZ$@J%51GC((VM)C1NS}9X.png L为损耗系数；h为有效高度； L]A$JH`3R{R{BWI]}TSEETH.png 为仰角。

　　1.4 多径、阴影传播效应

　　当终端所处地区为浓雾环境时，信号在传播过程中由于雾的阻碍产生多径效应，会造成信号传播方向的改变及强度的变化，从而导致多径衰落。接收信号的包络服从Rayleigh分布[4]，幅度a1的概率分布函数为:

　　 G[AN){3Y79AIRP4X6Y8}5EV.png

　　其中， %[B]VP3KKJ]F_XLL6ZNQMC2.jpg 12为a1的功率；a1=a1(t)是时间t的函数。

　　与此同时，卫星信号在传播的过程中经历诸如云层、树木环境时，信号会产生阴影衰落效应，这种效应存在于不理想传播环境的整个路径。这种阴影衰落信号包络a2=a2(t)服从Lognormal分布，即:

　　 W1G~W%(6]_(V3E69%DAV5OL.png

　　式中， }6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png 2和 S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png 2分别是a2的方差和均值。

2 同步轨道卫星信道Markov模型

　　研究发现对流层以上各层影响卫星信道的传播损耗存在以下特点：外层空间的自由空间损耗仅是传输距离的函数，电离层闪烁和对流层的大气吸收在某一确定时间和地点是确定值，所以星地链路概率统计模型可建模成多径与阴影效应模型。

　　由第1节分析可知，同步轨道卫星信道的多径阴影效应与星地链路天气状况有直接关系，可按天气状况的“好”、“坏”分别建模。

　　2.1 “好”天气下的Rice模型

　　当天气状况良好时，信号经信道传输时没有受到云层的阻碍，终端接收的信号包含多径和直射分量，此时接收信号包络a3=a3(t)服从Rice分布，即

　　 R46JZA)%LHYB`YJO(@@F19H.png

　　式中， U0OF12G{G3T$JU][5{4[NPT.png 表示直射信号幅度； }6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png 32为a3=a3(t)的功率；I0为第一类修正贝塞尔函数。当直射信号幅度减小时，Rice分布转化为Rayleigh分布。

　　2.2 “坏”天气下的Suzuki模型

　　当天气状况较差时，信号经卫星信道传播时主要受到阴影效应和不存在直射信号的多径效应影响，可以描述为Suzuki模型[3]，即:

　　 )HS%I3Z}3ZKS6VYMU6V`JKL.png

　　式中， }6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png 4是Rayleigh中各高斯分量的标准差； S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png 2和2分别为服从Lognormal分布信号的均值和标准差。

　　2.3 同步轨道卫星信道Markov模型

　　卫星和接收终端是静止的，接收环境也比较理想，但卫星信道随着天气的变化、云朵的移动，会产生Rice模型(表示“好”状态)和Suzuki模型(表示“坏”状态)之间的相互转换,这种转换可用两状态Markov模型描述[6]，以较确切地反映卫星信道的动态特性。Markov模型可以由状态矩阵S和转移矩阵P表示。状态矩阵S为:

　　S=[sg,sb] (8)

　　式中，sg表示“好”状态的Rice模型，sb表示“坏”状态的Suzuki模型。

　 ])%A13NL}1AL99G7T}JH2$K.png

　　式中，pgb表示由“好”状态转移到“坏”状态的转移概率，Pgg表示仍然保持“好”状态的概率，Pbb和Pbg的物理意义依此类推。由于Markov链是非周期、不可约的，所以它的稳态分布存在且等于状态分布。在Markov链中，k次转移之后的状态Sk为:

　　Sk=SP k-1 (10)

　　式中，P k-1表示转移矩阵的k次相乘。

3 同步轨道卫星信道实现方法

　　信道模型是物理信道传播特性的数学表示，只有用硬件或软件实现才有意义。因此，需要研究卫星信道模型的实现方法。

　　3.1 实高斯随机过程实现方法

　　在介绍实现方法之前，首先说明实高斯随机过程 S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png i(t),i=1,2,3,4,5的产生方法，如图1所示，i(t)是由有限多个加权谐波叠加产生的第i个实高斯随机过程。

　　图1中ci,n为产生第i个实高斯随机过程时第n次谐波的权值[6]，取值为:

　　 3L]TJOHIAGFS7{EZAYJD`]Y.png

　　式中， }6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png 为功率；i,n和fi,n为产生第i个实高斯随机过程时第n次谐波的初始相位和频率[7-8]，取值为:

　　 SN2@VH`47O~TD_T$6SCM}}R.png

　　3.2 信道模型的实现方法

　　“好”天气状态下，Rice信道表式为:

　　 W6AK86H93VN_CF~R3[IKR6K.png

　　 %VAFL~O42QQI6$IB(@X]J}C.png

　　3.3 Suzuki信道模型的实现方法

　　对按图1所示方法产生的实高斯随机过程 S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png 3(t)和4(t)求和，再取模得瑞利分布Rayleigh信号包络 )970Z7C2GD%7F]DX@C0SSH7.png 1(t)，如图3所示。产生1(t)时，式(11)中 }6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png 取1。

　　由图1所示方法产生的实高斯随机过程 S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png 5(t)通过指数变换得Lognormal信号包络 M2G}COO6W%G9J7PJ04S%[UT.png (t)，如图4所示。产生(t)时，式(11)中 }6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png 取3。