（通信与信息系统专业论文）ka波段卫星移动通信系统与抗多普勒技术.pdf

中国利学技术火学倾卜论文 摘要 摘要 本论文写作的背景是基于对移动卫星通信系统的硕究( 即国家8 6 3 计划：“毫 米波星间星地通信技术的研究”项目) ，重点讨论了k a 波段移动卫星通信系统 和抗多普勒技术的研究。 本文首先分析了k a 波段陆地移动卫星信道，其主要特点是多径衰落、阴影 效应以及降雨衰落，以及由于卫星和地面终端之间的高速运动产生的大多普勒频 移。 其次，讨论了现有的几种常用的调制方式，比较其频谱特性和误码率特性以 及受到大气去极化衰减的影响大小。最后选定了有较强抗噪性能和适中复杂度的 q p s k 调制作为k a 波段卫星通信系统的调制方式。 最后我 f 3 重点讨论了大多普勒频偏的补偿。首先分析了低轨道移动卫星通信 中的多普勒特性。其次，讨论了现有的几种常用的时域的及频域的多普勒的补偿 算法，并分析了优缺点。最后根据k a 波段卫星通信中多普勒频偏的变化快，偏 移大的特点，提出了一个采用双步补偿算法的抗多普勒频偏的c d m a 通信系统。 本系统可以完全消除多普勒频偏的影响，并具有较好的误码率特性和频谱效率。 关键字： k a 波段，信道，多径，阴影，雨衰，多谱勒频偏，q p s k ，c d m a 中国科学技术大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t t h et h e s i si sb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h em o b i l es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ( t h en a t i o n a l 8 6 3 p r o j e c t ：r e s e a r c h o ft h em i l l i m e t e rw a v es a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ) t h em a i nc o n t e n t si n c l u d et h ek ab a n ds a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h er e s e a r c ho n d o p p l e rc o m p e n s a t i o n i nt h et h e s i s ，t h ek ab a n ds a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e li sd i s c u s s e df i r s t l y t h ec h a n n e lf e a t u r e si nm u l t i p a t hf a d i n g ，s h a d o w i n ga n dr a i na t t e n u a t i o na n dt h e l a r g ed o p p l e rs h i f tc a u s e db yt h eh i 出s p e e dm o t i o nb e t w e e nt h es a t e l l i t ea n dt h e t e r m i n a lo ne a r t h s e c o n d l y , s o m ek i n d so fm o d u l a t i o nm e t h o d sa r ed i s c u s s e da n dc o m p a r e di n t e r m so fb e r p e r f o r m a n c e ，s p e c t r a le f f i c i e n c ya n dt h ee f f e c tc a u s e db ya e r o s p h e r e d e p o l a r i z a t i o n t h e nt h eq p s ki ss e l e c t e da st h em o d u l a t i o nm e t h o di nk ab a n d s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nf o ri t sg o o da n t i n o i s ep e r f o r m a n c ea n dm o d e r a t e c o m p l e x i t y f i n a l l y , t h et h e s i sm a i n l yf o c u s e so nl a r g ed o p p l e rc o m p e n s a t i o n f i r s t l y , t h e d o p p l e r c h a r a e t e r i s t i e so fl e om o b i l e s a t e l l i t ec o n m a m f i c a t i o na r e a n a l y z e d s e c o n d l y , s e v e r a lc u r r e n td o p p l e rc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m sa r ed i s c u s s e da n dt h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ec o m p a r e d 。d u et ot h ef a s tv a r i a t i o na n dl a r g es h i f t o ft h e d o p p l e rf r e q u e n c y i nk ab a n ds a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n ，ac d m a c o m m u n i c a t i o ns y s t e mr o b u s tt o d o p p l e rs h i f t s i s p r o p o s e di nw h i c hat w o s t e p c o m p e n s a t i o na l g o r i t h mi sa p p l i e d ，t h es y s t e mc a nc o m p l e t e l ye l i m i n a t et h ee f f e c to f d o p p l e r a n di te x h i b i t sg o o db e r p e r f o r m a n c ea n dh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y k e y w o r d s ： k a b a n d ，c h a n n e l ，m u l t i - p a t h ，s h a d o w i n g ，r a i na t t e n u a t i o n ，d o p p l e rs h i f t ，q p s k ， e d m a 中国科学技术大学硕士论文 第一章k a 波段卫星通信概述 第一章k a 波段卫星通信概述 1 1 卫星宽带通信的发展概况 近年来，全球范围内i n t e m e t 接入、交互式多媒体业务。电视会议和其他带 宽密集型应用的迅速发展，人们对信息无止境的追求，刺激了企业网和i n t e r n e t 网的爆炸性增长，用户一直在努力寻求可给他们带来更多数据的解决方案，结果 导致对带宽需求的大幅度增加。近年来，缺乏带宽的用户以惊人的速度尝试了 t 1 线，x d s l ，c a b l em o d e m ，a t m 和各种无线技术。然而这些地面解决办法已 不能满足用户对获取信息的渴求。在这种市场需求的冲击下，一些电信开发商把 目光转向了太空，试图借助卫星i n t e r n e t 技术来解决应用需求与网络带宽之间的 矛盾。换句话说，卫星将成为天空的虚拟交换机，大大减少部署新网络和业务所 需要的时间和成本，而且将为满足未来的大量多媒体应用提供充足的网络容量。 多媒体卫星通信时代的曙光己从地平线升起，并呈现出欣欣向荣的景象。 由于i n t e r n e t 用户的接入业务有明显的不对称性，即用户向i n t e m e t 发送( 上 行) 的数据量很小，而从i n t e m e t 接入( 下行) 的数据量大。在1 s p 运营的实际 经验得出，上下行信道的速率一般比值在3 ：1 5 ：1 之间，有些甚至达到9 ：1 。如果 采用对称的双向链路，无疑是以高价购置了使用率不高的上行带宽。因此，通过 具有明显不对称性的卫星网络来实现用户接入i n t e r n e t 就成了很顺理成章而且经 济的手段了。 i n t e r n e t 多媒体业务是通过宽带卫星系统，为直播卫星用户提供丰富多彩的 新的数据和图像业务。目前，这种业务大体有两类：个人化多媒体业务和交互式 多媒体业务。从个人化多媒体业务方面看，主要是通过软件和硬件增强技术，提 供“个人化电视”。例如，美国的w i n k 通信公司每周向用户提供1 2 0 0 小时的“个 人化电视”节日，用户只要点击电视屏幕角上的小图标，就能立即插播体育、新 闻、金融、气象和娱乐信息。如果电视台插播赛车节目，“个人化电视”可使用 户在电视屏幕下方看到赛车场上领先的车手、每小时的公里数和车手的名字。再 如美国加利福尼亚的家叫c a r m e l 的公司为用户提供硬件的收入达3 馏亿美元， 从1 9 9 9 2 0 0 2 年的复合年增长率达6 5 ，到2 0 0 2 年底“个人化电视”用户数将 达3 4 0 万。 从交互式业务看，主要是通过宽带卫星网络提供交互式i n t e r n e t 电视。如美 国的e c h o s t a r 公司的o p e n t v 系统能够向用户提供交互式节目介绍、电子邮件 和网上电视、天气预报、城市交通图和各种电子商务信息。在微软和日本索尼公 司的帮助下，该公司还推出w e b t v 机顶盒。这种机顶盒内装1 台卫星接收机和 8 6 千兆字节的硬盘，大容量硬盘可用于存储视频和其他内容。该公司称，这种 新式机顶盒与数字卫星接收技术、高级i n t e m e t 多媒体业务相结合，将形成长达 数小时的v c r 能力。 就多媒体而言，通过i n t e r n e t 提供音频、视频和音乐多媒体业务以及多媒体 中国科学技术大学硕士论文 第一章k a 波段卫星通信概述 软件是当前业界最热门的话题，而通过卫星传送音频和视频流无疑是最有希望的 应用。 1 2k a 波段卫星通信发展概况 随着卫星通信业务的不断发展，已有的c 波段和k u 波段频带资源开始变得 越来越紧张。因此开辟新的频段的卫星通信系统就提上了议程。k a 波段卫星通 信以有效传输带大( k a 波段带宽比c 波段或者k u 波段大五倍以上。) 频谱利用 率高等特点开始登上历史舞台。 1 2 1k a 波段卫星通信系统的发展历史 k a 频段也可以称为3 0g h z 2 0g h z 频段，国际电信联盟给卫星固定业务分 配了k a 频段。k a 频段的上行频率为2 7 5 g h z 3 1 g h z ，下行频率为1 7 7 g h z 2 1 1 g h z 。 7 0 年代，美国的n a s a ，日本的n a s d a ，欧洲的e s a ，意大利的a s i 等 认识到研究和发展新波段卫星通信系统对扩展卫星通信应用具有重要的意义，另 一方面，已有的c 波段和k u 波段卫星通信系统不能提供足够的带宽满足卫星通 信业务量不断增长的需求，因此研究和开发新频段的卫星通信系统有其必要性和 重要意义，k a 波段是研究人员首先看好的新频段。日本7 0 年代开始进行k a 波 段及k a 以上波段卫星通信系统的实验研究，研制了实验通信卫星e c s ，目的是 开发3 2 3 4 g h z 的卫星通信系统，但1 9 7 9 年和1 9 8 0 年的两颗e c s 卫星都没有 发射成功。随后日本采用工程测试卫星2 号( e t s i i ) 进行高达3 4 g h z 的传播 实验，并利用c s 系列卫星进行k a 波段的有关实验。目前日本的n 。s t a r 和超 级鸟( s u p e rb i r d ) 卫星可提供k a 波段国内业务。 意大利7 0 年代开始进行k a 波段卫星通信系统的研究和实验，其研究计划 i t a l s a t 开始于7 0 年代末期。i t a l s a t 计划研究k a 波段再生中继式多波束卫 星通信系统，该系统共有6 个窄的点波束覆盖意大利，系统容量为o 9 g b i t s ， 上行链路采用t d m a ，下行链路采用t d m ，星上采用同步基带交换矩阵实现 点波束间的连接。1 9 9 1 年发射的i t a l s a t - f 1 卫星有k a 波段转发器覆盖意大利， 可同地面网一起提供业务，并装有一个2 0 一4 0 5 0 g h z 的转发器在欧洲范围内进行 传播实验。 7 0 年代，美国n a s a 研制的c 波段和k u 波段卫星通信系统成功地投入商 业运营，随后一段时间n a s a 在卫星通信系统方面的研究减少。但由于同期日 本和欧洲在卫星通信新技术上投入了大量的资金，因此n a s a 开始感觉到自己 在卫星通信领域的地位受到了威胁和挑战，所以又开始重新重视卫星通信领域的 研究和开发，并要求美国国家研究委员会o 恨c ) 和政府支持这方面的研究和开 发。1 9 7 8 年卡特总统批复同意n a s a 进行先进的卫星通信技术研究，此后n a s a 的研究目标放在：( 1 ) 研究和开发2 0 3 0 g h z 卫星通信的有关技术，以克服频率不 足和轨道拥挤问题；( 2 ) 如何提高卫星通信系统的频谱利用率，从而增加通信容量 ( 3 ) 保持美国在卫星通信领域的领先地位。上述因素最终形成了n a s a 在1 9 8 4 年的a c t s 计划，该计划在1 9 9 3 年发射了卫星。a c t s 证实了k a 波段卫星通信 系统的可用性。从技术上看，a c t s 有三个特点，一是采用了十分窄的跳跃点波 束( 波束宽度为0 3 度) ，从而能把卫星的功率集中照射到很小的区域，足以克服 中国科学技术大学硕士论文 第一章k a 波段卫星通信概述 k a 波段的降雨损耗；二是采用了信道编码，系统的性能得以提高；三是采用了 具有存储和交换功能的o b p 使得用户信息可由一个波束切换到另一个波束，实 现了多个波束分时共享转发器，从而使用多个波束实现对全美所有地域的覆盖。 n a s a 利用a c t s ，广泛进行了陆地移动终端、海事终端和航空终端的现场试验。 目前对通信系统的要求主要是：数字传输，单个平台能提供综合业务，资源 可实现按需分配，并且无论何时何地都可提供业务，而a c t s 和i t a l s a t 证明 了单个具有o b p 功能的k a 波段卫星可同时实现上述所有要求。在具有o b p 功 能的k a 波段卫星通信系统中，地球站的天线口径小，因而可直接安装在用户所 在地。同时地球站的价格较低，能被广大用户所承受。 美国国家信息设施( n i i ) 和全球信息设施( g i i ) 是1 9 9 4 年以来通信领域出现 的重要概念，实际上g i i 是一个由多个网组成的全球性网络。国际上已普遍认同 卫星系统，特别是k a 波段卫星系统是实现g i i 所不可缺少的。由此工业界和商 业部门对k a 波段卫星通信表现出了浓厚的兴趣。1 9 9 5 年有1 5 家美国公司向 f c c 提交了报告，申请使用k a 波段建立本地、区域和全球卫星通信系统，提供 交互多媒体业务和其他业务，1 9 9 7 年f c c 批准了1 3 个执照。另外有多家公司 向i t u 提交了申请，拟发射的卫星超过一千。拟建立的k a 波段卫星通信系统主 要是g e o 系统，如美国的s p a c e w a y 和a r s t r o l i n k ，欧洲的e u r o s k y w a y 等：少数 系统为l e o ( 低轨道) 系统，如t e l e d e s i c h e 和c e l e s t r i ，按照目前的进展情况，上 述系统将会在2 0 0 0 年到2 0 0 5 年间投入商业运营。上述系统都致力于提供价格 合理的直接用户( d i r e c t t o u s e r ) 的交互多媒体业务。 1 2 2k a 波段卫星通信的特点和优势 做为新一代的宽带卫星通信系统，k a 波段卫星通信系统有着其独有的特点 和优势： ( 1 ) 网状和星状拓扑结构：为了提高频段利用率，减少时延，直接到用户( d t u ) 链路般采用网状网，与公网( p s t n 、i s d n 等) 互连的链路则优先采用星状网。 ( 2 ) 开网和闭网：开网一般用于公网，闭网则用于特殊用户的专网。 ( 3 ) 标准协议：多种传输协议共存，尤其是当同一用户需要多种业务时，大多 数k a 频段系统选择a t m 或准a t m 协议。 ( 4 ) 多波束覆盖：为了提高卫星等效全向辐射功率( e i r p ) ，k a 频段卫星波束 一般较窄。因此，若要覆盖一个国家或地区，需要设置多波束。 ( 5 ) 频谱可多次利用：由于是多波束使用，频谱利用率高。 ( 6 ) 星上处理及交换。 ( 7 ) 传输速率范围宽。 ( 8 ) 小用户终端：在同等条件下，其用户终端要比c k u 频段的小。对d t u 链路 中国科学技术犬学硕卜论文 第一章k a 波段卫星通信概述 来说，典型的无线1 ：3 径为0 6 - 2 m ，具体取决于链路余量及所处雨区。 1 2 - 3k a 波段卫星通信中需要解决的问题 ( 1 ) 克服信号雨衰； ( 2 ) 研制复杂的k a 频段星上处理器 ( 3 ) 保证高速传输的数据没有明显的时延 ( 4 ) 保持星座中有关卫星之间的有效通信 ( 5 ) 通过星上交换进行数据包的路由选择。 国际上特别是欧洲、美国有关k a 频段卫星通信概念和关键技术的试验工作 已做了不少，例如美国国家宇航局领导工业界执行的a c t s 计划，就对有关的多 项先进技术进行了试验。可以说，现代卫星通信技术的发展已为解决后四项关键 技术打下了基础，而降雨对信号的衰减是波长在卜1 5 c m 之间的k a 频段的特殊 问题。由于使用的波长和雨滴的大小相仿，雨滴将使信号发生畸变。目前正在设 计的k a 频段的卫星通信系统，因降雨衰减而引起的通信中断平均每月要超过3 小时。这就难于满足一般电信用户和广播电视受众通信可利用率达到9 9 9 的 要求。目前，为了克服雨衰问题已提出几个解决方法： ( 1 ) 加大天线尺寸和信号功率，但这会增加卫星的成本。 ( 2 ) 设立更多的地面终端站，从丽使信号能沿多条路径传送，但这会增加地面 系统的成本。 ( 3 ) 通过控制功率分配，增大对降雨地区的传输功率。采用这个措施会增加卫 星的复杂性，特别是提高了对控制软件的要求。 ( 4 ) 发展对信号畸变的校正技术 k a 频段的卫星通信系统雨衰问题的解决，在一定程度上是服务质量和费用 的折衷。若要保证k a 频段卫星通信业务的高可靠性和高利用率，就必须在链路 设计中有一定余量来避免暴雨造成的通信中断。但这种余量在正常的天气情况下 却是一种浪费，会导致整个系统的成本增加和终端的价格上升。 1 3 建立中国自己的k a 波段卫星通信系统 k a 频段卫星代表当代宽带卫星通信的最高水平，k a 频段卫星平台及其有效 载荷软硬件技术先进，系统复杂，目前只有美国、欧洲等少数发达国家拥有这一 先进技术。美国出于政治、军事和经济等原因，已经将这类卫星及其关键部件出 中国科学技术大学硕士论文 第一章k a 波段卫星通信概述 口列入与武器出口同样严格控制的类别中，试图对我国进行打压和封锁。我们要 抓住时机，利用现有的国际合作格局，发展此类卫星。 我国近年来也开展了毫米波频段卫星通信系统方面的研究，主要集中在天线 技术、通信有效载荷、网络结构与路由等关键技术方面。但是到现在为止还没有 完全掌握k a 波段通信卫星的全部设计制造技术，很多技术又不能完全靠国际合 作解决，在这种清况下，我们为了技术的发展需要开发新一代大型通信卫星，同 时由于技术和市场两方面的原因，这项工作的风险比较大，“铱星”等低轨系统 的破产和失利以及多项宽带通信卫星系统的搁置，迫使我们积极寻求更多降低未 来商业市场风险的途径。具体要考虑： ( 1 ) 发展宽带卫星通信可与卫星直播业务相结合 ( 2 ) 使k a 卫星系统成本降至最低，以减少需要的投资 ( 3 ) 减少系统复杂性和项目难度，以求赢得在最短时间内在轨运行，抢先占 领市场； ( 4 ) 设计中要留有余地，保持最大的灵活性，以使系统有随机应变和拓展新 市场的能力； ( 5 ) 通过小规模的早期进入方式来检验目标市场 ( 6 ) 卫星经营商和终端设备制造商联合，制定统一的终端标准，以求大幅度 降低终端成本； ( 7 ) 卫星经营商和终端设备制造商合作投资，实现大批量生产，以降低终端 成本： ( 8 ) k a 系统开发者必须关注和掌握国际电联、国家主管部门的规则制定动 态，以确保频率业务划分中发生的变化和限制不会影响到所计划的系统； ( 9 ) 全球或区域卫星系统在部署和运营前必须与所覆盖国家的当地合作伙 伴和业务支持者签订有关协议，以确保用户数量和终端产品收益的增长： ( 10 ) 用户终端产品必须配套可靠，使用简便，安装容易。 从发展战略的角度看发展新一代宽带商用通信卫星的策略 先发射单颗k a 静止轨道卫星要远比建立中低轨或高低混合轨道卫星星座的 风险小得多，区域系统也较全球系统的风险小。单颗静止卫星以覆盖某一部分区 域为基础，发射很短时间即可提供业务和收益，这就可以进行阶段性投资，在第 l 颗卫星发射后市场开拓顺利或不顺利均可进行策略调整和技术改进，然后再发 射卫星，逐渐稳步地扩展到所覆盖的整个区域。 中国科学技术大学硕士论文 第一章k a 波段 ! 星通信概述 在发射单颗单一k a 频段卫星与单颗k a 和k u 或c 混合频段卫星的风险比较 上，显然后者更有利得多。如果k a 市场欠佳，还有k u 或c 转发器作后盾。因此， 在当前k a 频段宽带卫星处于市场培育时期选择在c 、k u 频段卫星上搭载k a 转发 器或发射单颗k a 和k u 或c 混合频段的静止轨道卫星作为市场的探索和检验，乃 不失为减小风险的上策。 陆基和卫星相结合的混合网络是成功的关键，陆基宽带网络不可能独揽天 下，宽带卫星也不可能独霸方，必须相互取长补短，发挥各自技术所特有的优 势，来精心设计和建造一个完整的端一端网络，以使其效率最高，提供最好的全 方位服务。为此，充分利用陆基和卫星技术各自特有的优势实现电信业的相互融 合是获得成功的关键。对卫星来说，主要优势和用途就是采用地球静止轨道实现 点到多点或点到面的宽带应用。 1 4 小结 k a 频段卫星系统最大的特点是降雨衰减严重和特别宽的可用频谱，采用k a 频段应该尽量扬长避短。k a 频段卫星带宽宽，最适合高速i n t e r n e t 接入和宽带 多媒体应用，根据市场 和应甩可以选择： ( 1 ) 可和其他频段混合使用，如k a k u 频段，特别适合于作广播。只在几个城市 用k a 频段作上行馈线链路，由k u 频段向一个区域或国家广播，也可为一些大城 市问作高速宽带多媒体通信。 ( 2 ) 完全采用k a 频段，作点对点、多播和广播，提供高速i n t e r n e t 接入和双向 多媒体业务。 ( 3 ) k a 频段受降雨影响大，新一代k a 频段卫星应该采用卫星新技术：星上处理、 空间切换( 开关) 、笔形点波束等三项关键技术，点波束还可以是指向可调的可 控波束( s t e e r a b l eb e a m ) ，地面的接收采用分集接收，发射采用自适应功率调整 和自适应编码技术等。 参考文献： 1 阎忠文，“商用通信卫星的现状及发展策略设想”，卫星通信广播电视 2 0 0 4 1 2 杨龙祥，“k a 波段卫星通信系统的最新进展”，微波与卫星通信，1 9 9 9 年 第4 期 中国科学技术大学硕士论文 第二章k a 波段移动卫星信道的统计特性 第二章k a 波段移动卫星信道的统计特性 2 。l 引言 信道是通信系统的重要组成部分。进行系统分析或设计之前，首先需要考虑 系统所应用的环境，即信道的情况。k a 波段陆地移动卫星信道的主要特点是多 径衰落、阴影效应以及降雨衰落，同时由于移动体的运动将产生多普勒频移。由 于信道多径传播的随机性，一般只能用统计的方法来描述。信道统计特性的分析， 一方面能够更好地了解和掌握电波的传播规律，另一方面对整个系统的设计以及 性能估算都有着重要的意义。本章中首先分析了移动通信信道的特点，接着给出 了k a 波段移动卫星通信信道的统计特性。其目的是建立个适用于实际衰落环 境的信道模型。 2 2 移动通信信道 2 2 1 自由空间衰减 无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本，最简单的一种。所谓 自由空间是满足下述条件的一种理想空间： 一均匀无损耗的无限大空间 一各向同性 一电导率为零，相对介电常数和相对磁导率恒为1 ，即介电常数s 和磁导率 “分别等于真空介电常数s 。和真空磁导率。 在这种理想空间中，不存在电波的反射、折射、散射、色散和吸收等现象， 而且电波的传播速率等于真空中的光速。移动通信通常用传输损耗来表示电波通 过传输媒质时的功率损耗。应用自由空间方程传输损耗方程，在自由空间传播条 件下，接收信号功率p r 可用下式计算】： p r = p ，( 啬) 2 g e ( 2 1 ) 式中p 为发射机送至天线的功率，g 和g ，分别为发射和接收天线增益。九为波长， 中国科学技术大学硕士论文第二章k a 波段移动：卫星信道的统计特性 d 为接收天线与发射天线之间的距离。 其中在传输信道的衰减用自由空间基本传输损耗三。来表示。 空间中两个理想的点源天线( 增益系数g = 1 ) 之间的传输损耗。 上。：( 掣) z l 用分贝表示 它定义为自由 ( 2 2 ) l h = 3 2 4 5 + 2 0 l o g f + 2 0 1 0 9 d( 2 1 3 ) 式中距离d 以k m 为单位，频率f 以m h z 为单位。它与收发天线的增益无关， 仅与频率和距离有关。 考虑到衰落方程( 2 1 ) 中的d 是处于发射天线的远场区。无法包括d = o 的情 况。定义一个接近发射天线的参考点d o 。要求d o 位于发射天线的远场区且小于 任何一个实际工作的距离d 。则利用( 2 3 ) 式，有 e b ( d ) = l a ( d 。) + 1 0 l o g ( d 爰- ) 2 d d o _ d f ( 2 4 ) d ，是f r u n h o f e r 距离a 由式( 2 。2 ) 可知，自由空间中接收信号功率衰减与距离的平方成正比。而在现 实移动环境中，系统不可能q - 作在理想的自由空间。实际传输损耗要比按d2 计 算出的结果大很多。路径损耗l 与d 的一般关系可用下式表示： k 叫 ( 2 1 5 ) 或 上( d ) = l ( d 。) + 1 0 h 1 。g ( 导) ( 棚) ( 2 6 ) “0 在不同的传播条件下，n 可取3 或4 ，甚至更高。表2 - 1 是在不同的通信环境 中n 的取值范围【3 ： 中国科学技术大学硕士论文第二章k a 波段移动卫星信道的统计特性 通信环境 n 自由空间2 城市的小区通信2 7 3 5 被遮蔽的城市的小区通信3 5 建筑内的直线通信1 6 1 8 建筑内的有阻挡的通信4 6 工厂内有阻挡的通信2 3 2 2 2 大范围衰落 表2 - 1 不同通信环境中的衰落指数 大范围衰落是指接收天线处的场强中僵随接收机运动时周围地形，建筑物等 的变化而出现的波动。其变化速率较为缓慢。当电波在传播路径上遇到起伏地形、 建筑物、植被( 高大的树林) 等障碍物的阻挡对，就会产生电磁场的阴影。而当接 收机在运动中恰好位于这些障碍物的阴影里时，就会构成接收天线处场强中值的 变化，从而引起衰落。这种衰落因此又被称为阴影衰落。此时路径损耗的表达式 变为 2 1 ： 扣三( 由+ 以玎( 晚) + l 。g 岳) + 以( 倜 ( 2 一) 其中r ( d ) 表示在距离d 处的所有可能的路径衰减的均值。x 。表示由阴影引起的 衰落的随机变化量。通过实测表明，x 。是均值为零，标准差为5 的高斯正态随 机分布( 以分贝数表示) 。则l 是均值为l ( d ) ，方差为。的对数正态分布。 大范围衰落速率与频率无关，这一点与后面所要提到的小范围衰落不同。它 主要取决于传播环境，即接收机所在的周围地形，包括山丘起伏，建筑物的分布、 高度，街道走向，发射天线位置与高度以及移动的速度。衰落的深度，即接收信号 局部中值电平变化的幅度取决于信号频率与障碍物状况。频率较高的信号比频率 较低的信号容易穿透建筑物，而频率较低的信号比频率较高的信号具有较强的绕 射能力。 表2 2 是在不同的地形条件及工作频率时，d 的数值 中国科学技术大学硕上论文 第二南k a 波段移动：卫星信道的统计特性 频率 准平坦地区 不规则地形，z x h ( 米1 ( 兆赫兹) 城区郊区 5 01 5 03 0 0 5 089l o 1 5 03 5 554 791 11 3 4 5 067 51 l1 51 8 9 0 06 581 41 82 4 2 。2 3 小范围衰落 表2 - 2 标准偏差( d b ) 小范围衰落是由于多径现象引起的。在移动传播环境中，到达接收机天线的 信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各 个路径的距离不同，因而各条路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不 同相位的多个信号在接收端叠加，有时同向叠加而增强，有时反向叠加而减弱。 这样接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。 这种多径传输造成的衰落可以按照传输信号和信道的若干参数之间的关系 进行划分： ( 1 ) 传输基带信号带宽与信道的相关带宽 信号沿多条不同长度的路径传播，到达接收端的时间各不相同，并且传播路 径又因为接收一方或双方的运动而变化。因而实际接收到的信号是由许多不同时 延的发射信号组成。定义最大传输时延和最小传输时延的差值为信道的时延扩展 。时延扩展的倒数一般规定为信道的相关带宽b ，当信号中的不同频率分量经 信道传输时，其衰落是否具有一致性，就取决于信道的的相关带宽和信号本身带 宽之间的关系。当信号的带宽小于相关带宽时，信号中各分量的衰落状况与频率 有关，即传输信道对信号中不同频率成分有不同的随机响应。由于信号中不同频 率成分的衰落不一致，所以衰落信号波形将产生失真。定义这样的信道为频率选 择性信道。反之，当信号的带宽大于相关带宽时，信号中各分量的衰落状况与频 率无关，即信号经过传输后，各频率分量所遭受的衰落具有一致性，即相关性。 因而衰落信号的波形不失真。定义信道为非频率选择性信道，又称作平坦信道。 一般来说，窄带信号通过移动信道时将引起平坦衰落，而宽带扩频信号将引起频 率选择性衰落。 中国科学技术大学硕士论文第二章k a 波段移动星信道的统计特性 ( 2 ) 传输基带信号带宽与信道的多普勒频展 多普勒频移是移动通信中固有的现象。在多径环境中，这种频移会成为多普 勒频展，即尽管发射频率为单频正，但接收信号的功率谱却展宽到正一 到 工+ l ，范围。接收信号的功率谱展宽即为b 。= 厶。根据与基带信号带宽b ：的 关系，也就是信道的变化速度与信号的变化速度之间的关系，将信道划分成快衰 落和慢衰落信道。当b ， b 。时，为快衰落，反之为慢衰落。图2 1 归纳了衰落 信道的上述分类。 b s 糕 轻 窭e 。 淝 = 目 1 蠢 频率选择性衰落频率选择性衰落 快衰落慢衰落 平坦衰落平坦衰落 快衰落慢衰落 发射基带信号带宽 图2 1 多径衰落信道分类 在平坦信道中，瑞利和莱斯概率分布经常用来模拟接收信号幅度的统计特 性。众所周知，两个相互正交的高斯白噪声之和的包络1 1 1 是瑞利分布。瑞利分布 有如下的形式 3 】= 加) ： 二0 2e x p ( 一书o 压o 。( 2 8 )卢( r ) ： 一铱p 卜百) 畦隧0 。( 28 ) 1 0 r 0 其中a 为信号幅度的均方根，2 为信号的平均功率。 瑞利概率密度函数的分布函数为 删= 毋= 1 - e x p c 吾， 均值 。p c 妒盯压= 1 z s s 。盯 方差 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 中国科学技术大学硕士论文 第二章k a 波段移动卫星信道的统计特性 咿2e r2 m 2 m = p 2 面) d r 一竿( 2 一争0 4 2 9 2 a 2 b 1 1 ) 0 一 当接收信号中存在一个不受小范围衰落影响的分量时，例如直射信号，信号 包络变为莱斯分布。莱斯分布有如下形式： ( 21 2 ) 式中a 表示直射分量的幅度，i o 是零阶第一类修正贝塞尔函数。另外定义直射信 号的功率与其它多径信号功率的比值为莱斯因子k ，即k = a 2 ( 2 0 - 2 ) 。可以看 到当直射分量的幅度a 趋于零时，莱斯因子k 也趋于零，莱斯分布退化为瑞利 分布。 2 3k a 波段移动卫星通信信道的星际链路 低轨道卫星移动通信信道，包括星际链路信道与星地链路信道。它们既有着 与地面移动通信信道相同的部分，也有着独特的特性。 2 3 1 星际链路信道 低轨道卫星分布在电离层以外，空气的密度稀薄，可以看作是自由空间。星 际链路需要考虑的问题主要是卫星之间的高速运动造成的多普勒频移。当考虑毫 米波载频时，对应于3 5 g h z ，低轨卫星之间的相对运动产生的多普勒频移约为 几百千赫，而宽带大容量通信系统的频谱较宽，加之通信链路接点相对位置的不 断变化，频谱的展宽范围也较大。 与星地链路信道相比，星际链路信道所要考虑的因素较少，基本可以涵盖在 f 面信道的分析之中。 2 3 2 星地链路信道 星地链路信道可分成两个部分：卫星到地面的部分和陆地部分。 1 卫星到地面的部分 生， “0 v o 。m ( m ：，d ：) 是卫星在某一时刻的星下点位置。b 是过 a 点的经线与赤道的交点，c 是过星下点m 的经线与赤道的交点。是地球半径， h 为卫星轨道高度，d 是卫星与地面观测站的距离，是圆弧b m 所对应的圆心角。 圆弧a m 的切线与a s 的夹角为观测到的卫星仰角0 。 在球面直角三角形b c m 中：s i n 芦= s i n 口，s i n 6 ， c o s 6 2 = c o s c o s g 2 矿= 庐：一死是观测站与星下点之间的经度差。 在球面三角形a b m 中：c o s 6 】= c o s a lc o s 6 2 + s i n1s i n 8 2c o s ( 9 0 。一卢) = c o s a 【c o s 口2c o s + s i n a ls i n z 2 卫星与观测站的距离： 州即矿i i + r e = - 2 篙r 丽忑i 丽z 。， s 中国科学技术大学硕 二论文 第二章k a 波段移动卫星信道的统计特性 卫星仰角： 。( 耻竺! 鱼l 二量：竺竺! 竺竺竺兰：童j ( 2 3 0 ) 一rs i n 占i 1 一( c o s ( ) c o s a 2c o s a i 十s i n a 2s i n c e l ) 2 设卫星轨道为圆形，轨高为h ，倾角为( p ( 0 ( | o 9 0 。) 。根据开普勒第三定律， 得到卫星的角速度为： ；= 瓦等严 s 1 ) “为丌普勒常数。星下点的轨迹方程为： 上升阶段： 2 ( ，t ) 、= f 2 0 + a r c c o s ( 。c o s ( c o ) 、s q 一( 1 一s m 2 妒s i n2 ( c o t ) ) ) 一脚一( 2 3 2 ) l 口2 ( ) = a r c s i n ( s i n 妒4s i n ( ，f ) ) 、 。 下降阶段： j g ( t ) - - q o + z c + a r c c 。o s ( c o s ( w 、, 7 一万) 7 s q 以( 1 一s m l 妒s i n 2 ( ，一口”) - 6 0 t ( 2 3 3 ) l 口2 ( ) ：a r c s i n ( s i n q ) 4 s i n ( o ，f ) ) 其中q 。是卫星升节点的经度值，。是地球自转的角速度。为简便起见，不妨设q 。 为零，卫星从经过升节点位置时开始计时。由于地球的自转， 庐l ( t ) = 庐l 一。t ( 2 3 4 ) 设卫星轨道为高度1 2 4 8 公里，倾角为4 2 0 的圆极地轨道。此时卫星的运行周 期恰好是地球自转周期的十三分之一。观测站位置为东经7 7 0 ，北纬3 7 0 。将( 23 2 ) ， ( 2 ，3 3 ) 代x ( 2 2 9 ) ，得到卫星运行十三个周期( t = 1 1 0 4 6 r a i n ) 观测站与卫星的距离 变化图： 固2 - 4 卫星与观测站距离变化曲线 中国科学技术大学硕士论文第二章k a 波段移动卫星信道的统计特性 将( 2 3 2 ) ，( 2 3 3 ) 代入( 2 3 0 ) ，得到卫星运行十三个周期的仰角变化图 越 一 旺 星 。一一一：一一一一一， 一一一一 + 。i ： i 一一一一一；一一一 o 土 ： ： r - 一一- - l l0 ：。r 时间( 分钟) 图2 5 卫星仰角随时间变化曲线 卫星不停地围绕地球转动，但我们只关心那些能与观测站建立通信链路的那 些位置，而信道的参数时延r 。，衰落l 和多普勒频移k 也只有在这些位置上才 有意义。明显的，观测站相对于卫星的仰角可以作为判断通信能否进行的标准。 由于卫星相对于地球运动，仰角不断变化。当仰角e 从通讯所需要的最小仰角0 。 逐渐增达到最大仰角p 。再回复到钆。，其间所用的时间即是能够建立地面与卫 星之间通信的时间段，定义为卫星的过顶时间。 文献【4 1 中给出了卫星过顶时间的表达式： r ：土c 。s 一，rc o s ( c o s - 1 ( 7 g c o so m i ) - - o m i ) 、 ( 23 5 ) r = c o s 。( l 一) ( 2 矿( f ) c o s ( c o s “( ：旦c o s 口) 一0 一) 式中的少( f ) 是单位时问内卫星所对应圆心角的变化率。考虑到地球自转的影 响，它等于卫星在轨道上的角速度与地球自转角速度在卫星轨道方向上的分量之 差。即( f ) = ；一；c o s i ，i 是卫星轨道的倾角，o 。是地球自转角速度。 从图2 5 还可以看到在卫星运动的某些周期内，因为地球的阻挡而无法建 立观测站与卫星的之间的视线连接。在不同的周期内，观测站相对于卫星的仰角 有不同的最大值。我们以每个获得仰角最大值的时间为中心，过顶时i 训为宽度， 利用( 2 2 6 ) ，( 2 2 7 ) 与( 2 ，2 8 ) 式给出时延f ，衰落l 和多普勒频移厶。在不同的 最大仰角时随时间变化的曲线： 中国科学技术大学硕士论文第二章k a 波段移动u 星信道的统计特性 、 、， ，0 昏、，矗 铒、 ? 1 1 f 二，、 i f 、 l， l = ：嚣兰：i 、 时间( 分钟)时间( 分钟) 图2 - 6 不同最大仰角时的衰落曲线图2 - 7 不同最大仰角时的时延曲线 2 地面部分 时间( 分钟) 图2 - 8 不同最大仰角时的多普勒曲线 ( 1 ) 多径衰落与阴影效果 在关于移动卫星通信信道在地面部分的模型已经有很多的研究成果。在模拟 信道的各种各样的模型中，概率分布模型有着独特的优点。它易于分析系统在各 种调制，编码方式及通信环境中的性能。在分析卫星移动信道传播特性的概率分 布模型时，多径效应主要是用r a y l e i g h 分布描述。信号包络的概率密度函数如 下所示： p r ( 咖寺唧( 一丢) s s ， 当电波在传播路径上遇到建筑物、树木、起伏山丘等障碍物的阻挡时，会使 电磁波信号产生衰耗，从而造成接收信号电平的下降，这种现象称为阴影遮蔽。 q p 一摊懈 lllrlllpiiiniu口 毒 口 5 i 5 j m 4 芝司 中国科学技术大学硕十论文第二章k a 波段移动1 1 星信道的统计特性 常见的用于描述阴影衰落的概率分布模型为l o g n o r m a l 分布。此时卫星与地面站 之间的直射信号被路边的树木或其他障碍物吸收或散射掉时，阴影效应出现。信 号包络r 的概率密度函数为【2 】： 型。 d 菥一卜掣- 。， 下面我们就首先按照通信环境的分类介绍一下l o o 和l u t z 所提出的通信模 d乡村环境 对于窄带信号在乡村环境的传输情况，l o o 假设信道为平坦莱斯衰落，直射 信号受对数正态分布的阴影遮蔽，散射信号有固定的平均功率。接收信号幅度的 概率密度函数可写作 5 1 ： 肿，= 盂南l 唧 - 生絮竽一与芋c 毒， b s s ， i o 为零阶修正贝塞尔函数。模型的参数为对数正态分布的均值。，标准差盯。以 及瑞利衰落的平均功率2 盯；。对应的模型如下图所示 口城市环境 g 。( r ) 图2 - 9l o o 信道模型 l u t z 建立的城市地区的信道模型如图2 -