摘 要:? 對(duì)城市環(huán)境" title="城市環(huán)境">城市環(huán)境下低軌道衛(wèi)星" title="低軌道衛(wèi)星">低軌道衛(wèi)星的信道進(jìn)行了研究和建模，并對(duì)城市環(huán)境下低軌衛(wèi)星地面終端采用Rake接收的性能進(jìn)行了研究。
關(guān)鍵詞： 低軌道衛(wèi)星; CDMA; Rake; 多徑" title="多徑">多徑衰落
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低軌道衛(wèi)星信道高度低，重量輕，研發(fā)周期短，研發(fā)成本低，組成星座系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全球任何人、任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的通信，因此，低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)近年來(lái)已成為全球衛(wèi)星通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，由于低軌道衛(wèi)星存在較大的多普勒頻移，在復(fù)雜的地面接收環(huán)境下，衛(wèi)星信號(hào)會(huì)受到建筑物和樹(shù)木遮擋，其信道又具有時(shí)變和衰落的特性，尤其在城市環(huán)境下，終端所接收到的信號(hào)常常沒(méi)有直視分量，進(jìn)入接收機(jī)的主要是多徑信號(hào)。
為了在如此惡劣的信道環(huán)境下實(shí)現(xiàn)有效的通信，采用擴(kuò)頻通信體制是一種可以有效抵抗衰落和干擾的方法，全球星(GlobalStar)、銥星等衛(wèi)星系統(tǒng)的成功充分證實(shí)了這一點(diǎn)。在復(fù)雜的地形環(huán)境下，由于電波在傳播時(shí)會(huì)遇到各種物體的反射、散射、繞射等作用，到達(dá)接收天線的信號(hào)是由幅度和相位各不相同的路徑分量組成的，此時(shí)的合成信號(hào)起伏很大，稱(chēng)為多徑衰落信號(hào)。因此對(duì)城市環(huán)境下低軌衛(wèi)星信道特性進(jìn)行研究和建模，是低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮的重要方面。
在擴(kuò)頻通信體制下，克服這種多徑衰落的有效辦法是采用Rake接收機(jī)對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行分集接收，并根據(jù)每條多徑信號(hào)的信噪比按相應(yīng)的權(quán)重合并起來(lái)，獲得分集增益，以對(duì)抗多徑衰落的影響。本文討論了城市環(huán)境下低軌道衛(wèi)星信道的特點(diǎn)并給出了信道模型，對(duì)Rake接收技術(shù)和性能進(jìn)行了分析和仿真。
1 低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信信道特性
對(duì)于低軌道衛(wèi)星信道特性和建模的研究，必須建立在大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，美國(guó)、日本和歐洲已對(duì)衛(wèi)星信道進(jìn)行了大規(guī)模測(cè)量，取得了衛(wèi)星移動(dòng)信道下信號(hào)傳播的實(shí)際數(shù)據(jù)，為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建立和運(yùn)營(yíng)打下了基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)外常用的研究低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信信道特性的模型有：C.LOO模型、Corazza模型和Lutz模型三種概率分布模型。此三種模型把低軌衛(wèi)星信道信號(hào)所受到的衰落分為三種：萊斯衰落、瑞利衰落和對(duì)數(shù)正態(tài)高斯衰落。
在低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星地面通信接收終端所處的環(huán)境較為復(fù)雜，對(duì)于不同的接收環(huán)境，低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信信道各有不同的特點(diǎn)。根據(jù)衛(wèi)星地面終端所處的環(huán)境，將低軌道衛(wèi)星移動(dòng)傳輸環(huán)境分為三類(lèi)：
(1) 開(kāi)闊地地區(qū)：接收信號(hào)由直視信號(hào)分量和反射多徑信號(hào)分量(由鏡反射和漫反射造成)組成，且直視信號(hào)不受遮蔽和阻擋，此時(shí)的接收信號(hào)包絡(luò)服從萊斯分布；
(2) 農(nóng)村和城郊地區(qū)：接收信號(hào)存在直視分量，且直視信號(hào)被部分阻擋，存在陰影遮蔽效應(yīng)，此時(shí)，受陰影遮蔽效應(yīng)影響的直視信號(hào)包絡(luò)服從對(duì)數(shù)正態(tài)高斯分布；
(3) 城市地區(qū)：分為“好狀態(tài)”和“壞狀態(tài)”?！昂脿顟B(tài)”時(shí)，用戶相對(duì)衛(wèi)星的仰角較高，接收信號(hào)存在直視信號(hào)分量，并且直視信號(hào)不被遮擋，屬于萊斯衰落信道" title="衰落信道">衰落信道；“壞狀態(tài)”時(shí)，用戶相對(duì)衛(wèi)星的仰角較低，直視信號(hào)被完全阻擋，接收信號(hào)不存在直視信號(hào)分量，此時(shí)的接收信號(hào)只有多徑信號(hào)分量組成，屬于瑞利衰落信道。
下面重點(diǎn)對(duì)城市環(huán)境下的低軌道衛(wèi)星信道做建模分析：
① “好狀態(tài)”情況:在“好狀態(tài)”情況下，地面接收信號(hào)存在直視信號(hào)分量，圖1給出了城市環(huán)境“好狀態(tài)”情況下低軌衛(wèi)星地面終端接收情景模型[1]。
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如圖1所示，在“好狀態(tài)”時(shí)，衛(wèi)星到地面接收機(jī)的信號(hào)由直視分量和反射分量組成。直視路徑和反射路徑的路徑差Δr=rd+rS-rLOS,其中，rd=r′+r′′，因此，反射信號(hào)相對(duì)直視信號(hào)的延時(shí)為：Δt=c·Δr，其中c為光速，利用下列公式：
以及等式γ-ε+α=0和r′′=rLOS·cos(γ)可以得到下式：
由于γ很小，反射源靠近接收機(jī)，并且接收機(jī)和反射源之間的距離可近似為：rS=h/sin(α)≈h/sin(ε)，則接收機(jī)端接收到的可解析路徑數(shù)可由主徑和次徑時(shí)間差除以碼片" title="碼片">碼片周期Tc求得，即：
??? 
將Δr代入(6)式，則可以得到接收機(jī)端接收到的可解析路徑數(shù)：
由(7)式可以看出，接收機(jī)接收到的可解析路徑數(shù)是反射源高度h、碼片間隔TC以及衛(wèi)星仰角ε的函數(shù)。假設(shè)反射源高度h=50m，則圖2表示在不同的碼片速率情況下接收機(jī)端接收到的可解析路徑數(shù)隨衛(wèi)星仰角的變化情況。
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??? 由圖2得出的不同碼片速率可解析碼片數(shù)在衛(wèi)星60度、40度、30度、20度下可解析碼片數(shù)的情況如表1所示。
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??? 由此可得：碼片速率為1.228 8Mb/s時(shí)，如果衛(wèi)星仰角小于20度，則地面終端接收信號(hào)可解析路徑數(shù)大于1，衛(wèi)星信道屬于頻率選擇性衰落信道；如果衛(wèi)星仰角大于20度，則接收信號(hào)可解析路徑數(shù)小于1，屬于頻率非選擇性衰落信道。碼片速率為3.84Mb/s時(shí)，如果衛(wèi)星仰角小于40度，則終端接收信號(hào)可解析路徑數(shù)大于1，衛(wèi)星信道屬于頻率選擇性衰落信道，如果衛(wèi)星仰角大于40度，則接收信號(hào)可解析路徑數(shù)小于1，屬于頻率非選擇性衰落信道；碼片速率為10Mb/s時(shí)，如果衛(wèi)星仰角小于60度，則地面終端接收信號(hào)可解析路徑數(shù)大于1，衛(wèi)星信道屬于頻率選擇性衰落信道，如果衛(wèi)星仰角大于60度，則接收信號(hào)可解析路徑數(shù)小于1，屬于頻率非選擇性衰落信道。在頻率選擇信道時(shí)，可以采用Rake接收技術(shù)來(lái)對(duì)抗衰落，提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量。
??? 近年來(lái)，美國(guó)、歐洲、亞洲等都對(duì)城市環(huán)境下無(wú)線信道多徑時(shí)延參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，文獻(xiàn)[1]給出了城市環(huán)境下GPS衛(wèi)星信道多徑模型，文獻(xiàn)[2]將發(fā)射機(jī)置于高樓頂，對(duì)城市環(huán)境下的多徑時(shí)延參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。綜合上述文獻(xiàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，并結(jié)合圖2中的結(jié)果，對(duì)城市環(huán)境“好狀態(tài)”下低軌衛(wèi)星信道可建立為表2所表示的三徑模型。
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?、?“壞狀態(tài)”情況：在城市環(huán)境“壞狀態(tài)”下，低軌衛(wèi)星傳輸?shù)降孛娼K端的信號(hào)受到建筑、樹(shù)木及其它障礙物的遮擋和反射，接收信號(hào)不存在直視分量，此時(shí)的低軌衛(wèi)星信道屬于瑞利衰落信道，可建模為圖3所示的抽頭延遲線模型。
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???? 圖3中，s(t)為發(fā)射信號(hào)，a0(t),a1(t),a2(t)…,aL(t)表示瑞利衰落造成的復(fù)信道系數(shù)，多徑時(shí)延Δτ1,Δτ2,…，ΔτL根據(jù)具體環(huán)境由測(cè)量值決定。在大多數(shù)情況下，由于反射造成的多徑信號(hào)總是比第一徑信號(hào)經(jīng)歷更大的衰減，因此有：
???? |a0(t)|>|a1(t)|>|a2(t)|>…>|aL(t)|
參考文獻(xiàn)[3]給出了低軌道衛(wèi)星城市環(huán)境下瑞利衰落信道的多徑時(shí)延參數(shù)，如表3所示。
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??? 由表3可以看出，在城市環(huán)境“壞狀態(tài)”下，當(dāng)碼片速率小于2Mb/s時(shí)，沒(méi)有可分離多徑信號(hào)存在，若要采用Rake接收技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)性能，則需要采用更高的碼片速率。
2 Rake接收性能
??? 在城市環(huán)境下，低軌衛(wèi)星信道存在多徑分量，此時(shí)采用Rake接收技術(shù)來(lái)對(duì)抗多徑衰落，提高系統(tǒng)的誤碼性能。在第一節(jié)建立的低軌道衛(wèi)星城市信道模型的基礎(chǔ)上，本節(jié)討論采用最大比合并Rake接收的性能，比較采用Rake接收和未采用Rake接收時(shí)的誤碼率及性能改善。
假設(shè)信道存在L路多徑信號(hào)，其復(fù)信道系數(shù)分別為：ai(t),i=0,1,…,L-1，其幅度服從瑞利分布，其相位服從[0 -2π]的均勻分布。
當(dāng)不采用Rake分集接收時(shí)，接收機(jī)只接收主徑信號(hào)(i-0),則接收機(jī)輸出端的瞬時(shí)信噪比為[2]：
其中，G為擴(kuò)頻增益，N0為熱噪聲功率密度，并假設(shè)每條多徑信號(hào)具有相同的信道噪聲功率密度。
當(dāng)采用最大比合并Rake分集接收時(shí)，每徑信號(hào)都乘上一個(gè)與本徑信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)的權(quán)值系數(shù)wi，此時(shí)接收機(jī)輸出端的瞬時(shí)信噪比為：
對(duì)于相干PSK解調(diào)，其誤碼率可由公式(9)計(jì)算：
將公式(8)和公式(9)代入公式(10)，即可得到采用Rake和未采用Rake接收時(shí)的系統(tǒng)瞬時(shí)誤碼率。
多徑信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度是時(shí)變的，為了求得接收端輸出的平均信噪比SNRa v，可將其瞬時(shí)信噪比在其信號(hào)幅度的概率分布密度函數(shù)上求統(tǒng)計(jì)平均得到。由于多徑信號(hào)幅度服從瑞利分布，即：
其中，2δa2表示每條路徑的平均功率。
則接收端的平均誤碼率可由公式(11)計(jì)算：
??? 
??? 在城市環(huán)境“好狀態(tài)”下，根據(jù)表2的三徑信道模型，采用計(jì)算機(jī)模擬仿真得到最大比合并Rake接收所得到的平均誤碼率曲線如圖4所示；在城市環(huán)境“壞狀態(tài)”下，根據(jù)表3的瑞利信道模型，采用計(jì)算機(jī)仿真得到最大比合并Rake接收所得到的平均誤碼率曲線如圖5所示。仿真中擴(kuò)頻增益G為1 024,擴(kuò)頻碼速率為10Mb/s，數(shù)據(jù)源用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，經(jīng)擴(kuò)頻、上變頻后發(fā)射。發(fā)射信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬的萊斯衰落信道，在接收端解擴(kuò)后得到的數(shù)據(jù)與信源數(shù)據(jù)比較得到其誤碼率，仿真中未采用編碼，接收采用硬判決。
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由圖4和圖5可以看出，在“好狀態(tài)”情況下，為達(dá)到10-4誤碼率采用3徑Rake接收可使系統(tǒng)的信噪比改善1.6dB左右；而在“壞狀態(tài)”情況下，為達(dá)到10-4誤碼率,采用4徑Rake接收可使系統(tǒng)的信噪比改善2dB左右，但需采用較高的碼片速率。由此可見(jiàn)，在城市環(huán)境下采用Rake接收技術(shù)可有效地對(duì)抗多徑衰落。
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低軌衛(wèi)星信道的研究及其模型的建立是低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，本文對(duì)城市環(huán)境下低軌道衛(wèi)星信道、Rake接收技術(shù)及其性能進(jìn)行了研究和仿真。仿真結(jié)果表明，在城市環(huán)境下采用Rake接收技術(shù)獲得的收益可達(dá)1～2dB，達(dá)到了較好的效果，但需要采用較高的碼片速率。本文中仿真所用的信道模型是建立在一些文獻(xiàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上的，具有一定的參考價(jià)值。然而，地面接收環(huán)境復(fù)雜多變，要建立合適的信道模型，其基本參數(shù)應(yīng)來(lái)源于實(shí)測(cè)，針對(duì)我國(guó)特殊的地形地貌環(huán)境進(jìn)行低軌道衛(wèi)星信道參數(shù)實(shí)測(cè)十分必要，對(duì)于我國(guó)發(fā)展低軌道衛(wèi)星通信技術(shù)具有非常重要的意義。
參考文獻(xiàn)
[1]? BISCHOFF R,NAMOKEL M, SCHULZ W, et al. Using?diversity of satellite channels for navigation systems. IEEE?VTS 53rd Volume 4,6-9 May 2001，4:3011-3015.
[2] ?JEONG K, KIM S H, CHUNG K M, et al. Multipath?channel models for wireless local and metropolitan area
??networks. IEEE Proceedings of the Third International?Conference on Information Technology and Applications?(ICITA’05) Volume 2, 4-7 July 2005:295-298.
[3] ?SAVO G G, JAAKKO J T, KUMPUMAKI T, et al.Design ?study for a CDMA-Based LEO satellite network: Downlink ?System Level Parameters.IEEE Journal on Selected Areas?in Communications, DECEMBER,1996,14(9):1796-1808.