（通信与信息系统专业论文）ka波段移动卫星信道分析及turbo码的应用.pdf

k a 波段移动卫星信道分析及t u r b o 码的应用 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研究，重点讨论了k a 波段 移动卫星通信信道的建模和系统性能的分析与仿真，同时在k a 频段卫星系统中 应用t u r b o 编码技术来补偿信道衰落引起的系统性能的降低。 k a 波段移动卫星通信中的信道特性至关重要，本文研究隐频段卫星通信的 信道传输特性，利用已发表的信道特性的测量数据，建立了k a 频段卫星通信信 道的统计和仿真模型。该模型是个非频率选择性慢衰落信道，空间到地面部分 衰落服从高斯分布，地面部分信道可以建模为n a k a g a r n i 分布模型。n a k a g a m i 衰落模型一个广泛适用与l 波段、s 波段的移动卫星信道模型，我们将该模型应 用到k a 波段。 通过分析星地链路可知，天气影响和移动引起的多径衰落两者在根本鸽机制 上是独立的，所以可以假设天气影响与多径衰落相互独立。我们给出了k a 波段 移动卫星综合信道模型，同时，对在b p s k 调制相干解调下该信道误码率的理论 上限进行了分析推导通过理论分析与实验仿真的比较，证明了仿真模型的正确 性，这对于在k a 波段移动卫星信道下不同调制、编码方式的性能研究具有重要 的作用。此外，通过性能分析发现在不同天气条件下。信道衰落带来的系统性能 的恶化程度是不同的，与信号包络衰减引起的损失相比，信号相位衰减引起的损 失几乎可以忽略不计。 由于卫星通信系统是功率受限系统，为了提高系统可舟性不能只简单地通过 增加e i p r 来克服系统的损失，还必须同时采用上行功率控制、自适应编码和调 制等计算来补偿系统性能的损失。本文将t u r b o 编码技术应用到k a 频段移动卫 星通信系统中，并且仿真了在b p s k 调制方式和t u r b o 编码方式下k a 频段移动 卫星系统的性能，发现通过改进的信噪比估计方法可以获得较好的编码增益，非 常接近已知信噪比情况下系统的性能，所以本文的估计算法在k a 频段是适用的， 证明通过在系统中加入t u r b o 码来提高系统性能是可行的。 关键字： 卫星通信k a 频段信道模型仿真误码率t u r b o 编码信噪比估计 k a 波段移动卫星信道分析及t u r b o 码的应用摘要 a b s t r a c t i 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 1 1 b em a i nc o n t e n ti n c l u d e st h es y s t e mm o d e l i n g ，t h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i v e p e r f o r m a n c eo f k a b a n dm o b i l es a t e l l i t ec h a n n e l a n da p p l i c a t i o no ft u r b oc o d e si n k a b a n df o r c o m p e n s a t i n g t h ea t t e n u a t i o ni np r o c e s so f c o m m u n i c a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h a n n e la r ei m p o r t a n tf o rt h es y s t e mp e r f o r m a n c eo f t h ek a - b a n dm 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 i nt h ep a p e r , w es t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ，a n ds u g g e s t e dt h es t a t i s t i ca n ds i m u l a t i n gc h a n n e l m o d e lb yd e v e l o p i n gt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em e a s u r e dr e s u l t so ft h e c h a n n e l i ti ss h o w nt h a tt h ec h a n n e lw h i c hi sa f f e c t e db yw e a t h e ri si na c c o r d a n c e w i t hg a u s sd i s t r i b u t i o na n dt h ec h a n n e lo fg r o u n di sm o d e l e d a s n a k a g a m i d i s t r i b u t i o n t h en a k a g a m id i s t i l b u t i o ni su s e dw i d e l yi nl sb a n dm o b i l es a t e l l i t e s y s t e m ，s ow ea p p l y i tt ok a - b a n d a c c o r d i n gt o t h en a t u r eo fw e a t h e ra n dm u i t i - p a t h ，w ec a na s s u m et h a tt h e w e a t h e ra n dm u l t i p a t he f f e c t so nt h ec h a n n e la r ei n d e p e n d e n t ，耶1 u s ，w es e tu pt h e c o m p l e t es i m u l a t i n gc h a n n e lm o d e lo fk a - b a n dm o b i l es a t e l l i t e a n dc a l c u l a t et h e b o u n do fb e rf o rb p s km o d u l a t i o n c o m p a r i n gt h et h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i n g r e s u l t s ，w ec a l lc o n c l u d et h a tt h es i m u l a t i n gm o d e l i ss u i t a b l ef o rk a - b a n dm o b i l e s a t e l l i t es y s t e m o nt h es t u d yo fb p s kd i 西t 舒m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yf o rk a - b a n d s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ef a d i n ge f f e c t so nt r a n s m i t t e ds i g n a la r es i m u l a t e d a n dt h ea m o u n t so fp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o na r ed i f f e r e n td e p e n d i n go l lw e a t h e r c o n d i t i o n s s i g n a lp h a s ef a d i n gh a sar e l a t i v e l ys m a l le f f e c ta sc o m p a r e dw i t hs i g n a l e n v e l o p ef a d i n g b e c a u s et h es a t e l l i t es y s t e m sp o w e ri sl i m i t e d ，s i m p l yi n c r e a s i n gt h ee i r pi s i n e f f i c i e n t s o m ee f f e c t i v em e t h o d sa r es u g g e s t e dt oi m p r o v ep e r f o r m a n c e ，s u c ha su p l i n kp o w e r c o n t r o l ，a d a p t i v ec o d i n g a n dm o d u l a t i o ne t c i nt h e p a p e r , w ea p p l y t h et u r b oc o d et o k a - b a n dm o b i l es a t e l l i t es y s t e m ，s i m u l a t et h eb e rp e r f o r m a n c ea n dm o d i f yas n r e s t i m a t i o nm e t h o d f r o mt h es i m u l a t i n gr e s u l t s ，w e f i n d t h e e s t i m a t e ds n r p e r f o r m a n c ei sc l o s et ot h a to fp e r f e c ts n r s o t h em o d i f i e dm e t h o di ss u i t a b l ef o r k a - b a n dm o b i l es a t e l l i t es y s t e m ，a n dt h et u r b oc o d ec a l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f s y s t e m k e y w o r d s ： s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n ，k a b a n d ，c h a n n e lm o d e l i n g ，s i m u l a t i o n ， b e r ，t u r b oc o d e ，s n re s t i m a t e d i l k a 波段移动卫星信道分析及t u r b c - 码的应用 第一章鳍论 第一章绪论 1 1 卫星移动通信系统概述 卫星移动通信系统( m s c s ，m o b i l es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 是指以 通信卫星为基础，在广大地域内为多种终端( 含移动终端) 提供多种业务的系统。 卫星移动通信是移动通信技术与卫星通信技术的有机结合，通过卫星向地面基站 和手持终端、陆地车辆、空中飞机、海上船只等移动用户提供语音、数据通信业 务及其他业务。卫星移动通信系统对于解决大量稀路由地区的通信、乡村通信、 客运、货运、海运、旅游、航空、抢险救灾、部队调动等移动载体业务，甚至于 个人全球通业务，具有举足轻重的作用和灵活独到的优势。同一般的地面移动通 信系统相比，如蜂窝通信、专业化移动无线电装置、第二代无绳电话和未来的个 人网络等，卫星移动通信不仅包容了地面系统的有效覆盖范围，又把触角伸到海 陆空的任何地方。这是其它通信手段难以解决或者是无能为力的。由于卫星通信 具有覆盖范围广、费用与通信距离无关等特点，尤其适用于农村、边远山区以及 陆地蜂窝无法覆盖的地区。因此，近年来卫星通信越来越受到人们的高度重视。 卫星移动通信系统主要由空间部分、地面部分和用户部分组成。空间部分中 卫星星座是指运行于规定的轨道上，构成一个中、低轨道卫星系统所需要的所有 卫星。星座的轨道高度及星座配置是关系到卫星覆盖能力和通信质量的重要参 数。地面部分一般包括卫星测控中心及相应的卫星测控网络、网络控制中心 ( n c c ) 或者叫系统控制中心( s c c ) 及各关口站( g a t e w a y ) 等；用户段由各 种用户终端组成，可以是手持机、便携机、机( 船、车) 载站等各种地面移动终 端设备，也可以是各种固定站用作通信的一方。 1 2 卫星移动通信系统的主要类型及用途m 卫星移动通信系统按其不同的属性具有不同的分类方法。按照卫星移动通信 系统的业务可以分为海事卫星移动通信系统( m m s s ) 、航空卫星通信系统 ( a m s s ) 和陆地卫星移动通信系统( u s s ) 。 m m s s 罄在改善海上救援工作，提高船舶使用效率和管理水平，增强海上 通信业务和无线电定位能力。 a m s s 的主要用途是在飞机与地面之间为机组人员和乘客提供语言和数据 通信业务，大大增强空中通信业务和空中交通管制能力。国际民航组织( i c a o ) 提如的新航线系统的一个重要组成部分就是利用航空卫星移动通信系统。 l m s s 主要是利用卫星为行驶在陆地上的车辆和行人提供移动通信服务。 k a 波段移动卫星信道分折及t a r b o 码的应用第一章绪论 而按照卫星移动通信系统卫星的轨道可以分为静止( g e o s t a t i o n a r y ) 轨道卫 星移动通信系统( 轨道高度为3 6 0 0 0 k m 左右) 、中轨道( m e o ) 卫星移动通信系 统( 轨道高度为1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 k m ) 和低轨道( l e o ) 卫星移动通信系统( 轨道 高度为1 0 0 0 k m 左右) 。从应用来讲，地面移动通信网主要满足中到高业务量的 应用环境，而卫星移动通信系统最适合于低业务量地区、航海、航空及地面网欠 发达地区的应用环境，并且在地面网络过载或发送故障时作为其迂回网络。随着 向高频段的发展，移动系统也可以提出宽度服务。 1 3 研究的背景 由于移动卫星通信具有其他通信方式无法代替的突出优点，也是未来第三 代、第四代移动通信系统中不可缺少的一个组成部分，那么对移动卫星通信系统 的研究是必不可少的。随着对移动通信的需求越来越大，c k u 频段变得拥挤， 卫星通信也将向k a 及k a 以上频段发展。必需研究此波段的信道特性。 1 3 1k a 波段卫星通信系统的特点 i 。k a 波段卫星通信系统的业务口l 与较低频率的c ( 4 6 6 h z ) 频段和k u ( 1 2 1 4 g h z ) 频段相比，k a ( 2 0 3 0 g h z ) 频段的卫星通信具有三个明显优势，即频谱可用率高、潜在干扰小和设备体积小 等。因此，k a 频段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、 高清晰度电视( h d t v ) 、卫星新闻采集( s n g ) 、v s a t 业务、直接到家庭( d t h ) 业务 及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。 对交互多媒体业务需求的快速增长刺激了k a 波段卫星通信系统的研究和发 展。即将出现的k a 波段g e o 卫星通信系统可提供交互多媒体业务，同时也可提供 基本的话音数据业务。使用卫星通信系统，可在广域范国内( 如市区，乡村，遥 远地区) 为固定用户和移动用户提供多媒体业务。由于卫星通信系统易于实现全 球覆盖，因而对于没有地面网或地面网不足的地区可利用卫星通信系统为用户 直接提供宽带和传统的窄带业务。k a 波段特别适合卫星交互多媒体通信，表l 一1 绘出t k a 波段的一些应用和传输要求。 由于k a 波段已分配给全球所有地区用于卫星通信，因而k a 波段卫星通信系统 可采用相同的地球站，这样有利于降低地球站的成本，业务价格也能被用户所承 受。目前提出的k a 波段全球卫星通信系统的地球站可采用小口径天线，提供双向 数字综合多媒体、监务。其服务赞两地面话音线路费用相当。k a 波段卫星通信系统 采用点波束，因而功率密度得以大幅度提高，同时频率再用系数高，这样一来无 需设立主站，几千个用户终端就可以同时工作。k a 波段系统的容量增加了，但代 价是增加了卫星的复杂度。 k a 波段移动卫星信遒分析及t u r b o 码的应用第章鳍论 表l 一1k a 波段卫星通信系统支持豹多媒体业务及主要特性1 4 应用误码率要求最大时延数据速率( b s ) 计算机丽l o - 62 0 0 m s6 4 k e m a i l1 0 4 1 0 。，n u n1 - 5 k 寻呼l 矿j 矿，m l n1 5 k w e b 浏览器 1 0 一5 0 0 m sl 5 k 数据库寻址 1 0 45 0 0 m s2 m 电话及传真l o - 。1 0 1 5 2 5 0 m s6 4 k 视频电话 1 0 02 0 0 r a s6 4 k i m 视频会议 l o “2 0 0 m s6 4 k 屯m 远程医疗 1 0 *2 0 0 m s6 4 k 2 m 远程教育 l o 2 0 0 m sl m 2 k a 频段卫星通信系统的主要技术特点 目前已提出多个k 8 波段约交互多媒体业务卫星通信系统，并处于不同曲实 施阶段。虽然这些系统具有各自的特点，但它们具有些同c 波段和k u 波段的 g e 0 卫星系统所不同的相似技术特点。主要的共同技术特点如下： 1 ) 网状两和星型网并存。k a 波段卫星通信系统一般采用网状网和星形冈相结合 的混合结构，对于i ) t u ( d i r e c t t o u s e r ) 链路，采用网状结构，目的足提高频谱 剥用率积把时延降到最小：而对于关口站4 采用星形结构( 关口站一般p s t n ， i s d n 等地面公众网相连) 。 2 ) 开放式和封闭式网络并存，卫星通信系统一般可同时建立开放式网络和封闭 式网络。开放式网络指卫星通信系统同遗面公众通信网络互联，而封闭式网 络则指卫星特定的团体、单位或组织建立专用网。 3 ) 电路和分组交换方式并存。为了提高系统业务的吞吐量，卫星通信系统可同 时具有电路交和分组交换两种方式，对于连续业务采用电路交换方式，而对 于突发业务则采用分组交换方式。 4 ) 按需分配带宽。可以按照用户每、欢呼叫的业务类型来分配信道速率，并且e 行遵和下行信道的速率可以不同。 5 ) 协议。系统可同时具有多种不同的传输协议目前大多数计划中的k a 波段 至星通信系统采用a t m 协议或者类似于a t m 的协议。 6 ) 多颗卫星实现全球覆盖。多个i ，e 0 卫星组成的星座可实现全球覆盖，卫星主 耍位于陆地上空，一方面符台业务量的分布规律，另一方面可使终端的工作 k a 波段移动卫星信道分析及t u r b o 码的应用 第一章绪论 仰角最大。 7 j 多波束覆盖。每个卫星用多个点波束覆盖自己的覆盖区，点波束的波束宽度 在l 度到2 度左右。这样功率密度得以大幅度提高，从而可使用小型终端设 备。 8 ) 采用星间链路( i s l ) 。为使卫星网络成为一个独立于地面网的空中网络，一 般采用i s l ，i s l 用e h f ( 6 0 g h z ) 波段，速率在 g b i t s 左右。 9 ) 小型用户终端。用户天线的典型口径为0 6 到2 米。天线口径的大小与所需 的功率裕量具体取决于链路余量及所处雨区。 3 k a 波段的电波传输损耗 掌握卫星移动通信特定环境下的电波传播特点是卫星移动通信系统设计的 首要条件。由于特定的无线电波传播环境，使得卫星移动通信的电波传播兼具了 移动通信和卫星固定业务通信的双重特点，不但传输损耗大，而且还存在多径效 果等一系列特点【2 】。k a 波段卫星通信系统的主要难题是降雨损耗。在世界上的许 多地区，k a 波段的降雨损耗高达2 0 d b ，因此一段时间内大部分卫星通信研究人 员认为建立k a 波段卫星通信系统是不可能的。随着技术的进步，目前己可用系 统容量来补偿降雨损耗。在a c t s ( 先进的通信技术卫星) 系统中，通过降低数 据速率和采用信道编码可补偿1 0 d b 的降雨损耗。总而言之，目前卫星通信系统 已有相当的技术可用于对抗k a 波段的降雨损耗。 1 3 2k a 波段移动通信系统的研究现状及关键问题阱1 8 】 对于k a 波段( 2 0 3 0 g h z ) 及k a 以上波段卫星通信系统的研究和实验工作国际 上从7 0 年代开始就进行，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，采用工程测试卫星2 号( e t s i i ) 进行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 r b i r d ) 卫星可提供k a 波段国内业务。 摩托罗拉的“铱”系统由6 6 颗星组成，使用了k a 频段，已于1 9 9 8 年9 月全面 开题业务，宣布破产后已经重组再次提供服务。其重要意义在于验证了低轨道卫 星通信系统的可行性，可容纳3 0 0 - - 4 0 0 ) 5 - 用户。 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剥，系统容量为0 9 g b i ts s ，上 4 k a 波段移动卫星信道分析及t u r b o 码的应用 第一章绪论 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 4 0 5 0 g h z 的转发器在欧洲范盛内进行 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，因此n a s a 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f n g c ) 和政府支持这方面的研究和开发。 1 9 7 8 年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 一3 0 g h z 卫星通信的有关技术，以克服频带不足和轨道拥挤试题； 2 如何提高卫星通信系统的频谱利用率。从而增加通信量； 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 l 9 8 4 年的a c t s 计划。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k 黻段的降雨损耗； 二是采用了信道编码，系统的性能得以提高： 三是采用了具有处理存储私交换功能的星上处理技术( 0 b p ) ，使得餍户信 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。 我国相比国外虽然起步较晚，但也取得了一定的进展。在一些总体设计方案 ( 包括系统组成、系统网络参考模型、系统星座方案和控制接口等方面) 和若干 关键技术上取得了一定的成果。近几年来，一些有关卫星组网通信的专题会议对 卫星移动通信方案及其关键技术，包括星际链路技术等进行了广泛的探讨。其中， 中继星的星间通信链路拟采用k a 波段，完成g e o 轨道卫星与低轨道卫星之间的 通信功能。已有计戈9 考虑弱毫米波( 3 5 g h z 和6 0 0 h z ) 频段将会是星她和星闻 通信链路的首选频段，其中3 5 g h z 用于星地通信链路，6 0 g h z 用于星阆通信链 路；星地和星间毫米波链路包括低轨之间、中轨之间、地球同步轨道之间的同层 面卫星星问链路和不同轨道层面的星间链路。 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r r 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 n 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。 同时地球蛞的价格较低，能被广大用户所承受。全球信息设施( 岛i ) 是1 9 9 4 年 k a 波段移动卫星信道分析及t u r b o 码的应用 第一章绪论 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。 目前k a 波段卫星通信仍然存在一些还没有解决的问题：空间环境( 包括天 气、多径阴影) 对卫星通信链路的影响及消除措施；研制复杂的k a 频段星上处 理器；保证高速传输的数据没有明显的时延；保持星座中有关卫星之间的有效通 信；通过星上交换进行数据包的路由选择。 1 4 论文的研究内容、目的及意义 卫星通信是功率和带宽均受限的系统，在陆地移动卫星通信系统中，由于卫 星在不同的仰角下工作，再加上用户移动的特点，接收信号不可避免地受到多径 衰落、阴影效果等的影响，另外k a 波段存在c 、k u 等一些较低频段可以忽略的 天气问题。因此卫星和移动终端之间的通信链路是限制通信系统总体性能的关键 部分。 一研究的内容 1 考虑天气情况对k a 波段链路的影响；建立k a 波段天气衰落信道模型： 2 分析了现有的移动卫星通信的信道模型，综合两种因素对k a 频段移动卫星 系统性能的影响，并进行了性能分析和计算机仿真； 3 新型编码方式( t u r b o 码) 在k a 频段卫星移动通信系统中的应用，分析了信 噪比和衰落幅度的估计对解码的影响并进行了仿真。 虽然本论文主要是针对k a 频段的卫星通信计算进行的研究，但是文中的分 析及仿真方法对工作于其他频段( 例如c 、k u 频段) 的卫星通信系统也是适用， 为以后的研究工作提供了一个仿真平台。通过改变仿真中信道模块的参数就可以 进行各种系统的性能仿真，预测各种调制解调方式及纠错编解码方案对误码率的 影响，确定最佳的调制解调方式、编解码方式及多址接入方式。 一目的 k a 波段卫星通信系统的发展是卫星通信发展的一个重要方向和趋势，对它 的系统性能进行分析可以为实际设计提供理论依据；利用仿真技术对通信链路进 行分析，可以最大限度的发现问题，并为提出解决问题的措旌提供依据。通过建 立k a 波段信道模型，分析固定和移动卫星信道的性能。研究了t u r b o 码编解码 算法及在k a 波段卫星系统中的应用，分析了信道编码对系统误码率的影响。 论文的意义 本文针对目前k a 频段卫星通信计算仍处于研究阶段，国际上尚未形成统一 6 k a 波段移动卫星信道分析及t u r b o 码的应用 第一章绪论 的信道模型和系统数据的相关标准这一现状，在对k a 频段卫星通信信道传输特 性进行分析之后，利用国际研究机构提供的有关k a 频段卫星通信信道的测量数 据，建立了信道的数学和仿真模型。同时论文还提出了利用信道编码( t u r b o 码) 来抵抗信道衰落和提高系统性能，并论证了其可行性。 1 分析了k a 频段卫星通信信道的传播特性及统计特性，建立了k a 频段卫星移 动通信信道的统计和仿真模型，该模型表明，通信信道可分为星地链路和地 面传输链路，星地链路是一个非频率选择性慢衰落信道，而且这一个平坦衰 落随时间变化非常缓慢，它只与天气情况有关。不同天气条件下的信号包络 和信号相位均为高斯随机过程，其统计分布特性主要由天气条件决定。地面 部分链路根据不同的移动环境也有不同的模型，本文分析了其中一种模型并 建立了k a 频段的综合信道模型。该模型的建立为分析、设计k a 频段移动卫 星系统及其性能作好了理论准备； 2 通过对相干b p s k 卫星通信系统性能进行分析和仿真研究，发现不同天气条 件下信号衰落带来的系统性能恶化程度是不可忽略的，与信号包络衰落引起 的损失相比，信号相位衰落引起的损失几乎可以忽略不计，同时我们发现中 雨模型在低信噪比的时候与实际情况有一定差距，我们希望能尽快建立我国 关于k a 频段系统的模型。通过对系统定量分析和仿真，发现提高系统可用 性的方法，不能只靠简单地增加发送功率来克服系统性能的损失，我们通过 加入信道编码技术来提高系统性能 3 通过t u r b o 编码系统在k a 频段移动卫星通信信道上的b e r 性能及系统仿真， 发现t u r b o 码可以获得可观的编码增益，特别是对于恶劣天气情况，可以有 效地抵抗k a 频段卫星通信信道的非频率选择性慢衰落。同时我们给出的信 噪比估计的方法适合本文的k a 频段卫星通信系统，与完全知道信噪比下相 比，系统性能下降非常小，所以t u r b o 码编码方式适用于k a 波段卫星通信 系统。 本论文进行的分析与仿真研究，既有工程实用性，也有其理论完备性，得出 的结论及采用的分析方法，不仅对设计实用的k a 频段卫星通信具有一定的作用， 而且对我国自行研制、开发新型卫星通信系统和进行卫星通信系统地研究奠定了 坚实的基础。 1 5 文章的主要安排 第一章绪论，介绍卫星移动通信系统的特点及k a 波段卫星移动通信系统的优 点，以及国内外k a 频段通信系统的研究现状及关键问题。并且说明了 论文的研究背景、内容、研究目的以及意义。 第二章首先系统地分析了移动通信信道的传输特性，包括自由空间衰落以及大 k a 波段移动卫星信道分析及t u r b o 码的应用第一审绪论 范围、小范匿衰落。鼹时介绍了信号在卫星移动通信信道中传播所会受 到的影响与衰落：包括多径衰落、阴影效果、多普勒效应、大气影响等 等。目的是为了建立一个适用于实际衰落环境的综合信道模型。 第三章通过对k a 波段移动卫星信道统计特性的分析，建立了k a 频段移动卫星 通信系统的综合模型，在该模型中，空间到地面部分信道服从高斯分布， 地面多径阴影衰落信道服从n a k a g a m i 分布。利用分析方法推导出相干 b p s k 信号在k a 波段的误码率特性，另外相对定量的给出了多种条件下 的仿真结果；最后与理论计算结果进行比较，发现两者符合良好。这就 证明本文建立的k 8 波段移动卫星信道是正确的和可用的，可以作为对 k a 波段移动卫星通信技术进行研究的系统仿真平台。 第四章在k a 频段移动卫星通信系统的综合模型基础上加入了t u r b o 编码。分 析了t u r b o 在该系统中误码率性能，结合k a 频段衰落特性我们给出了 改进了现有的基本a w g n 信道的信噪比估计方法，使之适用于k a 频段， 最后我们仿真了不同天气和多径衰落信道下利用改进的估计算法得到 的误码率性能，并与已知信噪比情况进行了比较，发现系统的误码率非 常接近，证明了改进的估计方法在k a 频段是有效的。 第五章结束语 k ! 塑垦壁动卫墨算道分析及t u r b o 码的应用第二章k a 波段移动卫星信道的传输特性 第二章k a 波段移动卫星信道的传输特性 信道是通信系统的重要组成部分。在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。卫星移动通信信道，包括星际链路信道与 星地链路信道。与星地链路信道相比，星际链路信道所要考虑的因素较少，我们 主要分析星地信道的特性。从空间上加以区分，星地链路主要有两个方面的因素： 卫星到地面的部分：在2 0 3 0 g h z 的卫星通信中，由于大气层( 雨、水蒸气、 云雾、氧气、和闪烁) 将会引起信号的额外衰落，因此，自由空间传播公式需要 进行修正。这些衰落不仅是频率的函数，而且还是位置、仰角、季节和系统可行 性的函数，其中的一些衰落( 例如雨衰) 的年平均值将随着载频和系统可行性的 增加而迅速增大。 地面部分：由于电波在移动环境中传播时，会遇到各种物体，经反射、散射、 绕射等到达天线，各传播路径的分量的幅度和相位各不相同，因此，合成信号起 伏很大，称作为多径衰落。同时，天线电波收发终端之间存在沿他们二者径向相 对运动时，就会产生多普勒效应。 2 1 无线信道衰落特性。1 移动无线通信信道是k a 波段卫星通信的重要组成部分也是研究k a 波段卫 星通信需要借鉴的，因此我们首先对其加以简要的分析。与其它通信信道相比， 移动信道因为时变的缘故而更加复杂。无线电信号通过移动信道传播时会遭受到 来自不同途径的衰减。一般说来，这些损害可归纳为三类。若用公式表示时，接 收信号功率可表示为【2 j ： p ( d ) = d 1 s ( d ) x 五( d )( 2 1 ) 式中，d 表示通信距离，d 1 表示自由空间传播损耗与弥散。其中n 一般为 3 , - - 4 。s ( o 表示大范围衰落。这是由于传播环境中的地形起伏，建筑物及其它障 碍物对电波遮蔽所引起的在较大的时间或空间段范围内的衰落。r ( d ) 表示小范围 衰落，它是由于多径传输所造成的信号幅度在很短的时间或传输距离上的快速波 动。下面分别对这三类影响进行阐述。 2 1 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 自由空问是满足下述条件的一种理想空闻： k a 波段移动卫星信道分析及t u r b o 码的应用第二掌k a 波段移动卫星信道的传输特性 口均匀无损耗的无限大空阑 口各向同性 口电导率为零，相对介电常数和相对磁导率恒为1 ，即介电常数5 和磁导率 弘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。应用福利斯自由空间方程，在自由空间传播条件下， 接收信号功率p ，可用下式计算： e 3 鼻( 刍2 g ，g ， ( 2 2 ) 式中p c 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，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k 来表示。它定义为自由 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。 b ：掣) z(23l)b = f i ) 2( 2 ) 用分贝表示 l k 。3 2 4 5 + 2 0 l o g f + 2 0 1 0 9 d( 2 4 ) 式中距离d 强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。考虑到福利斯方程中的d 是处于发射天线的远场区， 无法包括d = 0 的情况。定义一个接近发射天线的参考点d o 。要求d 0 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 4 ) 式，有 “d ) = k ( d o ) + 1 0 1 0 9 ( 晏) 2 蛇氏列， ( 2 - 5 ) d ，是f r u n h o f e r 距离。由式( 2 3 ) 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，系统不可能工作在理想的自由空阃。实际 传输损耗要比按d 2 计算出的结果大许多。路径损耗三与d 的一般关系可用下式 表示( 2 。6 ) 或( 2 7 ) ： k * 唔) ” ( 2 6 ) 工( d ) = l ( d o ) + 1 0 n l o g ( 导) ( d 8 )( 2 7 ) 1 0 k a 波段移动卫星信道分析及t u r b o 码的应用第二章k a 波段移动卫星信道的传输特性 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a 的取值范围 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 表2 1 不同通信环境中的衰落指数 2 1 2 大范围衰落 大范围衰落是指接收天线处的场强中值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) 等障碍物的阻挡时，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： l = 云( d ) + 以= 云( 蟊) + 1 0 l o 烈) + 以( 拈) ( 2 8 ) “o 其中( 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6 的高斯正态 随机分布( 以分贝数表示) 。则l 是均值为云( d ) ，方差为a 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g ( 标准偏差) 的数值。 k a 波段移动卫星信道分析及t u r b o 码的应用第二章k a 波段移动卫星信道的传输特性 频率准平坦地区不规则地形，h ( 米) ( 兆