《電子技術(shù)應(yīng)用》
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地球同步軌道衛(wèi)星信道模型分析及實(shí)現(xiàn)
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
郭業(yè)才， 袁 濤， 周潤(rùn)之， 張秀再
(南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 江蘇 南京210044)
摘要： 為研究地球同步軌道衛(wèi)星信道的傳播特性，依據(jù)星地鏈路空間分布情況，研究了自由空間損耗、電離層閃爍、大氣吸收、多徑及陰影對(duì)信道鏈路的影響；根據(jù)天氣狀況的“好”與“壞”，提出了地球同步軌道衛(wèi)星信道的Rice模型和Suzuki模型，并用兩狀態(tài)Markov巧妙地聯(lián)系在一個(gè)動(dòng)態(tài)模型中，以反映天氣變化帶來(lái)的狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換；最后設(shè)計(jì)了信道模型的實(shí)現(xiàn)方法。仿真結(jié)果表明，所提模型仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有很好的一致性。
中圖分類號(hào)： TN927.23
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 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

　　衛(wèi)星信號(hào)傳播特性是衛(wèi)星通信技術(shù)中最基礎(chǔ)的研究之一[1]。通過(guò)數(shù)學(xué)方法建立衛(wèi)星信道模型可較準(zhǔn)確地反映信道真實(shí)物理傳播特性[2-4]。本文以地球同步軌道衛(wèi)星和地面接收站之間鏈路為對(duì)象，先分析自由空間損耗、電離層閃爍、大氣吸收、多徑及陰影對(duì)信道鏈路的影響，再根據(jù)天氣狀況的“好”與“壞”，建立衛(wèi)星信道Rice模型和Suzuki模型，視為兩狀態(tài)Markov鏈動(dòng)態(tài)模型，以描述天氣狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并給出信道模型的實(shí)現(xiàn)方法。

1 地球同步軌道衛(wèi)星信道傳播特性

　　現(xiàn)分析星地鏈路中自由空間損耗、電離層閃爍、大氣吸收、多徑陰影效應(yīng)的特性。

　　1.1 自由空間損耗

　　同步衛(wèi)星在36 785 km的高空中，由衛(wèi)星向地面接收站傳播的信號(hào)首先經(jīng)歷外層空間，外層空間含有密度很低的物質(zhì)。由于信號(hào)在自由空間經(jīng)歷的路徑很長(zhǎng)，占總路徑的95%以上，因此對(duì)靜止衛(wèi)星通信鏈路而言，自由空間損耗Lf是最主要的損耗，其具體計(jì)算方法為:

　　{99I0~QSX3VV7{@CF_2~2RM.png

　　式中，R為傳輸距離，載波波長(zhǎng)。因?yàn)樾l(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，載波波長(zhǎng)是確定的，所以自由空間損耗只與路徑長(zhǎng)度有關(guān)。

　　1.2 電離層閃爍效應(yīng)

　　衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)外層空間后，依次通過(guò)散逸層、熱層和中間層，這幾層物質(zhì)處于部分電離或完全電離的狀態(tài),能使無(wú)線電波改變傳播速度。其中，電離層閃爍[5]的影響比較明顯，它與季節(jié)、頻率、觀測(cè)點(diǎn)的幾何位置有很大關(guān)系,通常用幅度閃爍指數(shù)S4來(lái)定量描述這種閃爍效應(yīng)，S4為每分鐘信號(hào)強(qiáng)度S的標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值，計(jì)算方法為:

　　U{6(6X1)NM(4LGF3GI0TYAW.png

　　式中，<·>為時(shí)間均值；S4為電離層閃爍的強(qiáng)度大小。

　　1.3 大氣吸收損耗

　　電波信號(hào)由上而下依次經(jīng)過(guò)平流層和對(duì)流層，它們集中了幾乎所有的大氣和水蒸氣，其中臭氧、氧氣和水蒸氣會(huì)對(duì)電波傳播造成損耗。大氣吸收損耗主要與電波的頻率、地面站天線波束仰角、地面站海拔高度及水蒸氣密度有關(guān)，且隨著頻率升高，損耗明顯增加，因此在通信線路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮大氣吸收損耗。主要是H2O和O2引起的大氣吸收損耗，即:

　　H0$L~39V1UF2XKHKMP{YK`X.png       

　　其中，下標(biāo)L可分別代表水蒸氣或氧氣；`EZ$@J%51GC((VM)C1NS}9X.pngL為損耗系數(shù)；h為有效高度；L]A$JH`3R{R{BWI]}TSEETH.png為仰角。

　　1.4 多徑、陰影傳播效應(yīng)

　　當(dāng)終端所處地區(qū)為濃霧環(huán)境時(shí)，信號(hào)在傳播過(guò)程中由于霧的阻礙產(chǎn)生多徑效應(yīng)，會(huì)造成信號(hào)傳播方向的改變及強(qiáng)度的變化，從而導(dǎo)致多徑衰落。接收信號(hào)的包絡(luò)服從Rayleigh分布[4]，幅度a1的概率分布函數(shù)為:

　　G[AN){3Y79AIRP4X6Y8}5EV.png

　　其中，%[B]VP3KKJ]F_XLL6ZNQMC2.jpg12為a1的功率；a1=a1(t)是時(shí)間t的函數(shù)。

　　與此同時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)在傳播的過(guò)程中經(jīng)歷諸如云層、樹(shù)木環(huán)境時(shí)，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生陰影衰落效應(yīng)，這種效應(yīng)存在于不理想傳播環(huán)境的整個(gè)路徑。這種陰影衰落信號(hào)包絡(luò)a2=a2(t)服從Lognormal分布，即:

　　W1G~W%(6]_(V3E69%DAV5OL.png

　　式中，}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png2和S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png2分別是a2的方差和均值。

2 同步軌道衛(wèi)星信道Markov模型

　　研究發(fā)現(xiàn)對(duì)流層以上各層影響衛(wèi)星信道的傳播損耗存在以下特點(diǎn)：外層空間的自由空間損耗僅是傳輸距離的函數(shù)，電離層閃爍和對(duì)流層的大氣吸收在某一確定時(shí)間和地點(diǎn)是確定值，所以星地鏈路概率統(tǒng)計(jì)模型可建模成多徑與陰影效應(yīng)模型。

　　由第1節(jié)分析可知，同步軌道衛(wèi)星信道的多徑陰影效應(yīng)與星地鏈路天氣狀況有直接關(guān)系，可按天氣狀況的“好”、“壞”分別建模。

　　2.1 “好”天氣下的Rice模型

　　當(dāng)天氣狀況良好時(shí)，信號(hào)經(jīng)信道傳輸時(shí)沒(méi)有受到云層的阻礙，終端接收的信號(hào)包含多徑和直射分量，此時(shí)接收信號(hào)包絡(luò)a3=a3(t)服從Rice分布，即

　　R46JZA)%LHYB`YJO(@@F19H.png

　　式中，U0OF12G{G3T$JU][5{4[NPT.png表示直射信號(hào)幅度；}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png32為a3=a3(t)的功率；I0為第一類修正貝塞爾函數(shù)。當(dāng)直射信號(hào)幅度減小時(shí)，Rice分布轉(zhuǎn)化為Rayleigh分布。

　　2.2 “壞”天氣下的Suzuki模型

　　當(dāng)天氣狀況較差時(shí)，信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星信道傳播時(shí)主要受到陰影效應(yīng)和不存在直射信號(hào)的多徑效應(yīng)影響，可以描述為Suzuki模型[3]，即:

　　)HS%I3Z}3ZKS6VYMU6V`JKL.png

　　式中，}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png4是Rayleigh中各高斯分量的標(biāo)準(zhǔn)差；S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png2和}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png2分別為服從Lognormal分布信號(hào)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

　　2.3 同步軌道衛(wèi)星信道Markov模型

　　衛(wèi)星和接收終端是靜止的，接收環(huán)境也比較理想，但衛(wèi)星信道隨著天氣的變化、云朵的移動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生Rice模型(表示“好”狀態(tài))和Suzuki模型(表示“壞”狀態(tài))之間的相互轉(zhuǎn)換,這種轉(zhuǎn)換可用兩狀態(tài)Markov模型描述[6]，以較確切地反映衛(wèi)星信道的動(dòng)態(tài)特性。Markov模型可以由狀態(tài)矩陣S和轉(zhuǎn)移矩陣P表示。狀態(tài)矩陣S為:

　　S=[sg,sb]     (8)

　　式中，sg表示“好”狀態(tài)的Rice模型，sb表示“壞”狀態(tài)的Suzuki模型。

　])%A13NL}1AL99G7T}JH2$K.png

　　式中，pgb表示由“好”狀態(tài)轉(zhuǎn)移到“壞”狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率，Pgg表示仍然保持“好”狀態(tài)的概率，Pbb和Pbg的物理意義依此類推。由于Markov鏈?zhǔn)欠侵芷?、不可約的，所以它的穩(wěn)態(tài)分布存在且等于狀態(tài)分布。在Markov鏈中，k次轉(zhuǎn)移之后的狀態(tài)Sk為:

　　Sk=SP k-1   (10)

　　式中，P k-1表示轉(zhuǎn)移矩陣的k次相乘。

3 同步軌道衛(wèi)星信道實(shí)現(xiàn)方法

　　信道模型是物理信道傳播特性的數(shù)學(xué)表示，只有用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)才有意義。因此，需要研究衛(wèi)星信道模型的實(shí)現(xiàn)方法。

　　3.1 實(shí)高斯隨機(jī)過(guò)程實(shí)現(xiàn)方法

　　在介紹實(shí)現(xiàn)方法之前，首先說(shuō)明實(shí)高斯隨機(jī)過(guò)程S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.pngi(t),i=1,2,3,4,5的產(chǎn)生方法，如圖1所示，S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.pngi(t)是由有限多個(gè)加權(quán)諧波疊加產(chǎn)生的第i個(gè)實(shí)高斯隨機(jī)過(guò)程。

001.jpg

　　圖1中ci,n為產(chǎn)生第i個(gè)實(shí)高斯隨機(jī)過(guò)程時(shí)第n次諧波的權(quán)值[6]，取值為:

　　3L]TJOHIAGFS7{EZAYJD`]Y.png

　　式中，}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png為功率；i,n和fi,n為產(chǎn)生第i個(gè)實(shí)高斯隨機(jī)過(guò)程時(shí)第n次諧波的初始相位和頻率[7-8]，取值為:

　　SN2@VH`47O~TD_T$6SCM}}R.png

　　3.2 信道模型的實(shí)現(xiàn)方法

　　“好”天氣狀態(tài)下，Rice信道表式為:

　　W6AK86H93VN_CF~R3[IKR6K.png

　　%VAFL~O42QQI6$IB(@X]J}C.png

002.jpg

　　3.3 Suzuki信道模型的實(shí)現(xiàn)方法

　　對(duì)按圖1所示方法產(chǎn)生的實(shí)高斯隨機(jī)過(guò)程S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png3(t)和S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png4(t)求和，再取模得瑞利分布Rayleigh信號(hào)包絡(luò))970Z7C2GD%7F]DX@C0SSH7.png1(t)，如圖3所示。產(chǎn)生)970Z7C2GD%7F]DX@C0SSH7.png1(t)時(shí)，式(11)中}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png取}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png1。

003.jpg

　　由圖1所示方法產(chǎn)生的實(shí)高斯隨機(jī)過(guò)程S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png5(t)通過(guò)指數(shù)變換得Lognormal信號(hào)包絡(luò)M2G}COO6W%G9J7PJ04S%[UT.png(t)，如圖4所示。產(chǎn)生M2G}COO6W%G9J7PJ04S%[UT.png(t)時(shí)，式(11)中}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png取}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png3。

004.jpg

　　由Rayleigh信號(hào)包絡(luò)和對(duì)數(shù)正態(tài)分布信號(hào)包絡(luò)相乘可得到Suzuki信道模型信號(hào)包絡(luò)M2G}COO6W%G9J7PJ04S%[UT.png(t)，其表達(dá)式為:

　　42R@]GF}1[16K0WEF$PVR%5.png

　　X6KR]}M4P47DK]UACOW%RXR.jpg(t)的實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示。

005.jpg

4 仿真與分析

　　為驗(yàn)證所建信道模型的有效性,采用FY-2D衛(wèi)星廣州站的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。假定某一段時(shí)間內(nèi)，自由空間損耗、電離層閃爍[7]、大氣吸收及極化損耗等物理量是定值，只考慮對(duì)流層和平流層中的天氣變化，云的移動(dòng)帶來(lái)的衛(wèi)星信道在“好”和“壞”狀態(tài)之間發(fā)生變化[7,9]。

006.jpg

　　圖6（因數(shù)值變化范圍較大，縱軸和橫軸標(biāo)記是不均勻的）表明，外層空間中信號(hào)的衰落與傳輸路徑長(zhǎng)度成線性關(guān)系，而散逸層、熱層和中間層出表現(xiàn)為波動(dòng)。

007.jpg

　　圖7表明，地球同步軌道衛(wèi)星信道會(huì)隨著天氣變化、云的移動(dòng)在“好”狀態(tài)和“壞”狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

　　圖8和圖9是衛(wèi)星信道二階統(tǒng)計(jì)特性電平交叉率和平均衰落時(shí)間，它們反映衛(wèi)星信道的通信質(zhì)量[9]。通過(guò)兩圖可知，本文的衛(wèi)星信道模型可以較好地模擬天氣狀態(tài)變化對(duì)衛(wèi)星信道傳播特性的影響。

　　通過(guò)對(duì)衛(wèi)星信道建模、實(shí)現(xiàn)方法及仿真結(jié)果分析知：

　　(1)對(duì)同步軌道衛(wèi)星，可根據(jù)實(shí)際的天氣狀況，將衛(wèi)星和接收終端之間的物理信道建模為由Suzuki模型和Rice模型構(gòu)成的兩狀態(tài)Markov模型，以描述“壞”天氣和“好”天氣狀態(tài)下的信道特性。

　　(2)兩狀態(tài)Markov模型較好地克服了單一狀態(tài)信道模型不能貼近實(shí)際信道特性的問(wèn)題。

　　因此，研究同步軌道衛(wèi)星信道模型及其實(shí)現(xiàn)方法有著十分重要的意義。

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