（通信与信息系统专业论文）卫星移动通信信道研究及性能仿真.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 移动卫星通信系统是下一代移动系统中必不可少的一个组成部分，本文对移动 卫星通信系统中的部分关键技术一信道模拟技术、信道编码技术、交织技术、非线 性效应进行了研究，对目前航空领域的发展热点一航空移动卫星通信进行了综合性 的分析，并对它的信道特点和信道模型进行了研究。 本文首先对移动卫星通信系统进行了概括性的介绍，分析了移动卫星通信系统 的特点及与一般移动通信系统的相比的特殊性。并且对移动卫星通信系统的设计重 点和设计难点进行了分析。概括性地介绍了移动卫星通信信道的特点一时变、存在 多径效应、遮蔽效应和多普勒频移。然后介绍了经典的移动卫星通信信道模型，分 析了这几种经典信道模型的特点；其次对移动卫星通信信道上的通信技术一信道编 码、交织技术进行了分析；再次，对卫星通信中的放大器非线性特性进行了简单的 分析；最后，分析了航空移动卫星通信的信道特点，并提出了研究重点。因此，本 章重点是对本文研究内容的国内、外现状进行了分析，并提出本文的研究意义和全 文结构安排。 提出了高斯色噪声的模拟方法，并确定了具有较好逼真度的路径数量。在此基 础上，给出了其它移动卫星信道建模常用的分布函数一r a y l e i g h 、l o g n o r m a l 和r i c e 的仿真模型，经过与理论概率分布函数的比较，验证了仿真模型的有效性。 分析了3 种经典的信道模型，在参考c h o o 模型的基础上，提出了基于实测数 据的u h f 频段的信道模型；给出了不同通信仰角下的信道参数，并经过最小二乘拟 合，给出了信道参数全仰角下的拟合公式，使信道模型具备了一定的通用性；经过 仿真运算，得到了信道的一阶和二阶特性一累计概率分布、电平交叉率和平均衰落 时长，并将仿真数值与实测数据进行比较，从而验证了本文提出信道模型及相关参 数的有效性。 移动卫星通信系统为功率受限系统，为了增大系统容量，设计的系统链路裕度 均不大，通常链路裕度仅为1 0 d b 左右，而在移动卫星通信系统中，当移动终端工 作在小仰角时，信道传输所造成的信号衰落可达到2 5 3 0 d b 。因此需要采用相关的 通信技术以保证一定的通信q o s 。本文在信道模型的基础上，完成了小仰角下移动 卫星通信系统性能的改善研究。对信道编码和交织技术( 时间分集技术的一种) 进行 了研究，在理论分析和仿真计算的基础上，提出了交织技术的关键参数一交织深度 的设计标准，给出了相应的数学解析式，得到通信仰角越小，所需的最佳交织深度 越大这一结论，并对卷积编码的解码深度进行了分析；通过仿真运算，得到了采用 卷积编码和采用最佳深度的交织技术后对系统性能的改善。 本文对星载放大器进行了分析，在经典的s a l c h 非线性模型的基础上，提出了 1 电子科技大学硕士论文 一种包括移动卫星信道模型、滤波器和放大器在内的综合信道模型；比较了q p s k 和 o q p s k 这两种常用的调制方式下系统的性能；通过理论分析和仿真计算，得到不同 通信仰角下放大器的重要参数一最佳回退值的选择，并得到通信仰角越小，最佳的 回退值越小这一结论；对滤波器的滚降因子进行了分析，给出了最佳的滤波器滚降 因子范围。 在对航空移动卫星通信( a m s s ) 的过去、现状和将来以及a m s s 关键技术及发展趋 势进行分析的基础上，提出了a m s s 的主要业务及应用；分析了a m s s 系统通信信道 的特殊性，提出了一种全新的包括各种影响因素在内的a m s s 信道模型，并给出了飞 行的两个重要阶段一起飞降落和巡航阶段的模型参数，并对累积概率密度函数进行 了仿真，得到了相应的结果。 最后，本文对整个研究工作进行了总结，并展望了移动通信技术的发展为人类 带来的美好未来。 2 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t 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 n s y s t e m i san e c e s s a r yp a r to fn e x t g e n e r a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o m eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e ss u c ha sc h a n n e lm o d e l s i m u l a t i o n ，c h a n n e lc o d i n g ，i n t e r l e a v i n ga n dn o n l i n e a re f f e c ts t u d i e di nt h i sp a p e r ，a n d c u r r e n tp o p u l a rs t u d yi na v i a t i o n a v i a t i o nm o b i l es a t e l l i t es y s t e mh a sb e e na n a l y z e d ， p l u s ，i t sc h a n n e lc h a r a c t e ra n dc o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e ns t u d i e d f i r s t l y , t h ep a p e rh a s a l lo v e r v i e wo fm 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 ， a n a l y z e si t s c h a r a c t e ra n dt h e p e c u l i a r i t yc o m p a r e dw i t ht e r r e s t r i a l w i r e l e s s s y s t e m d e s i g ne m p h a s i sa n d d i f f i c u l t i e so fm o b i l es a t e l l i t es y s t e mh a sb e e n w i d e l ya n a l y z e d h a s ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h es y s t e mc h a n n e lc h a r a c t e r t i m ev a r y i n g ，m u l t i p a t h ，s h a d o w i n g a n d d o p p l e rf r e q u e n c y s e c o n d l y , t y p i c a lc h a n n e l m o d e l st h a th a v eb e e nw i d e l ya c c e p t e d h a sb e e ni n t r o d u c e d ，a n dt h e i rc h a r a c t e ra n a l y z e d ；t h i r d l y ，t e c h n o l o g i e ss u c ha sc h a n n e l c o d i n ga n di n t e r l e a v i n g h a sb e e na n a l y z e d ；f o u r t h l y , h a sab r i e f o v e r v i e wo f t h en o n l i n e a r e f f e c to f t h ea m p l i f i e re q u i p p e di nt h es a t e l l i t e ；a tl a s t ，a m s sc h a n n e lc h a r a c t e rh a sb e e n a n a l y z e d ，a n d t h es t u d y e m p h a s i s b e e n p u tf o r w a r d g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h i sc h a p t e r d e a l s w i t ht h ea n a l y s i so fc u r r e n ts t a t u so ft h ew o r l d ，a n db r i e f e dt h es i g n i f i c a t i o no ft h es t u d y o f t h i s p a p e r t h ew a yo fc o l o r e dg a u s s i a nn o i s ep r o c e s sh a sb e e np u tf o r w a r d ，a n dt h eo p t i m u m p a t hi n t h es i m u l a t i o nm o d e lb e e nd e t e r m i n e d b a s e do nt h eg a u s s i a ns i m u l a t i o n ， p r e s e n t s t h es i m u l a t i o nr e a l i z a t i o no fo t h e rr a n d o mp r o c e s s e st h a tc o m m o n l yu s e di n c h a n n e ls i m u l a t i o ns u c ha sr a y l e i g h ，l o g n o r m a la n dr i c e t h ep d fr e s u l t e df r o mt h e s i m u l a t i o nm o d e lb e e nc o m p a r e dw i t ht h et h e o r i z a t i o n ，r e s u l t s i nv e r i f i c a t i o no ft h e v a l i d i t yo f t h e s i m u l a t i o nm o d e l s 3c o m m o n l y a c c e p t e d c h a n n e lm o d e lh a sb e e na n a l y z e d ，n e wc h a n n e lm o d e la tu h f p r e s e n t e db a s e do nc l o ot h e o r y ；t h em o d e lp a r a m e t e r s a td i f f e r e n te l e v a t i o na n g l e p r o v i d e d ，w i t hp o l y s t t i n gp r o c e s s ，t h ee q u a t i o n sf o rt h ep a r a m e t e r sp r o v i d e d a te l e v a t i o n a n g l e1 5 8 0 ；t h r o u g h s i m u l a t i o n c o m p u t a t i o n ，f i r s t a n ds e c o n do r d e ro f s t a t i s t i c c u m u l a t i v ed e n s i t yf u n c t i o n ，l c ra n da f da c h i e v e d ，p l u s ，c o m p a r e dw i t ht h e m e a s u r e dd a t a ，t h ev a l i d i t yo ft h es i m u l a t i o nm o d e la n dc o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r sp u t t h r o u g h i nt h ep a p e rh a sb e e nv e r i f i e d m o b i l es a t e l l i t es y s t e mi sp o w e rl i m i t e ds y s t e m ，i no r d e rt oe n h a n c et h ec a p a c i t yo f t h es y s t e m ，t h el i n km a r g i ni sa l w a y ss m a l l ，t y p i c a l l y , a b o u t1 0 d b h o w e v e r , w h e nt h e c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a lo p e r a t e sa ts m a l le l e v a t i o na n g l e ，t h ea t t e n u a t i o no ft h es i g n a l 3 电子科技大学硕士论文 c a r lr e a c ha sm u c ha s3 0 d b t h e r e f o r e s o m et e c h n o l o g i e sn e e d e dt om e e tg i v e nq o s b a s e do nt h ec h a n n e ls i m u l a t i o nm o d e l ，c h a n n e lc o d i n ga n di n t e r l e a v i n gt e c h n o l o g i e s h a v eb e e ns t u d i e d w i t ht h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nc o m p u t a t i o n ，t h ek e yp a r a m e t e r w h i c hi s i n t e r l e a v i n gd e p t hp r e s e n t e d ，t h ec o n c l u s i o nt h a ts m a l l e rt h ee l e v a t i o na n g l ei s ， o p t i m u md e p t hn e e d ，a c h i e v e d ，p l u s ，t h ed e c o d i n gd e l a yo f c o n v o l u t i o ni s a n a l y z e d ；t h e s y s t e mg a i nb ya p p l i c a t i o no fc o n v o l u t i o nc o d i n ga n di n t e r l e a v i n gw i t ho p t i m u md e p t h h a sb e e ng i v e n t h ea i r b o r n ea m p l i f i e rh a sb e e na n a l y z e d ，b a s e do ns a l e hn o n l i n e a rm o d e l ，t h e s y n t h e s i s c h a n n e lm o d e l i n c l u d i n gm o b i l e s a t e l l i t e c h a n n e l ，f i l t e r a n d a m p l i f i e r i s p r e s e n t e d ；t h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tm o d u l a t i o nt e c h n i q u e q p s ka n do q p s k h a s b e e ns i m u l a t e do nt h ea b o v ec h a n n e lm o d e l ；t h r o u g ht h e o r ya n a l y z i n ga n ds i m u l a t i o n ， t h eo p t i m u mv a l u eo f k e yp a r a m e t e ro f t h ea m p l i f i e r - i b o o b oh a sb e e n d e t e r m i n e d ，a n d t h ec o n c l u s i o nt h a ts m a l l e rt h ee l e v a t i o na n g l ei s ，t h es m a l l e ro ft h eo p t i m u m1 1 3 0 ，h a s b e e nd r a w n ；p l u s ，t h er o l l o f ff a c t o ro ft h ef i l t e rh a sb e e na n a l y z e da n ds i m u l a t e d ，t h e o p t i m u ms c o p e o f t h er o l l - o f f f a c t o ri sg i v e n t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h eh i s t o r y , n o w a d a y sa n df u t u r e ，t h ek e yt e c h n i q u e sa n d p r o g r e s s i n gt r e n do ft h ea m s s ，t h em a i ns e r v i c e s a n da p p l i c a t i o n so fa m s si s p u t f o r w a r d ；t h ep a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e ro f t h ea m s s c h a n n e l ，a n dp u tf o r w a r dab r a n d n e wc h a n n e lm o d e li n c l u d i n ge v e r ye f f e c t t h em o d e lp a r a m e t e ro ft w oi m p o r t a n tf l i g h t p h a s e t a k e o f f t o u c h d o w n a n dc r u i s ei s p r e s e n t e d ，t h e c d fi s c o m p u t e d a n dt h e c o r r e s p o n d i n gc o n c l u s i o n i sd r a w n a tl a s t ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h et o t a lr e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e ra n dd e s c r i b e st h e b e a u t i f u lf u t u r eo fh u m a nb r o u g h to u tb yt h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电 子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 签名：叠丕日期：。衅7 月j e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 徘塑墨导师魏邀 日期：觇年多月f 日 电子科技大学硕士论文 1 1 移动卫星通信概述 第一章绪论 卫星通信是利用人造地球卫星作为空间中继站来转发无线电信号，在两个或多 个地球站之间进行的通信，它是宇宙通信形式之一。由于卫星移动通信系统具有通 信距离远、通信费用与距离无关、覆盖面积大、不受地理条件限制、通信频带宽、 传输容量大、适用于多种业务传输、可进行多址通信、既可以为固定通信终端又可 以为车载、船载、机载和个人移动通信终端提供随时随地的通信服务，以及还可以 接入全球最大的因特网( i n t e r n e t ) 来构成空间、空中、海洋、地面之间立体交叉、 无缝连接的通信网等一系列突出的优点，使得它成为当前通信领域中发展非常迅速 的研究方向和现代通信强有力的手段之一。 通信网络的最终目的是向任何地点、任何时间的用户提供可靠、无缝和高性价 比的通信服务。地面蜂窝移动网络能向处于运动中的用户提供无线通信服务，但它 们的覆盖区域是有限的。从这方面讲，移动卫星通信能作为传统通信网络的一种具 有吸引力的选择方案。移动卫星通信网络能向地面网络不能覆盖的地区提供通信连 接，如海事和航空通信，或者人口密度很低的农村。同时，在地面网络较脆弱的地 方( 如灾害和地震频发区) ，移动卫星通信可向人们和救援组织提供唯一可行的通信 方式。所以，移动卫星通信应是下一代移动系统中必不可少的一个组成部分。 近二十年来，做得比较成功的卫星通信是采用位于赤道同步轨道( 约3 6 0 0 0 公里) 的静止轨道卫星，在静止同步卫星通信中，实现对大部分人口密集区域的覆盖仅需 3 颗卫星，此外，它还不需要跟踪系统。然而，g e o 卫星的通信时延较大，双跳通 信时时延至少为o 5 秒，在国际电话呼叫中，该时延是导致通信服务质量降低的主 要因素。而且，移动终端在低仰角下工作时，由于传播路径增大，大气损失、多径 衰落和阴影衰落均增强。除此之外，由于g e o 卫星轨道高度较高，为了获得所需要 的链路裕度和波束覆盖区域，要求卫星平台具有大的发射功率和大尺寸的天线。 低时延、高仰角以及卫星平台的设计限制如天线尺寸和功率要求，使得设计人 员选择低轨作为移动卫星通信的轨道。轨道高度的选择是由轨道环境和预算费用决 定的，同时，范艾伦散射带的存在也影响到卫星高度的选择。 1 2 移动卫星通信信道模型概述 所谓的信道模型就是在通信系统设计时，为了研究信号传播特性及信道对传播 信号的影响而建立的数学模型及其对应的仿真模型，信道模型必须能模拟真实通信 1 电子科技大学硕士论文 信道的特性：相似的冲激响应。 由于低轨卫星高度低，卫星运动速度快，当最小通信仰角为1 0 0 ，卫星轨道高度 为1 3 0 0 k m 时，用户看到卫星升起到卫星落下的持续时间在1 0 分钟左右。因此在用 户的一次呼叫过程中，用户与卫星之间的仰角变化很快且变化范围大。因而，在研 究信道模型时，必须研究通信全仰角下的信道模型。同时，由于低轨卫星的快速运 动，用户通信仰角的快速变化，造成了多普勒频移大范围的快速时变。以轨道高度 为1 0 0 0 k m 的卫星为例，多普勒频移将达8 k h z ，且变化速度达到l o h z s 。由于多普 勒频移决定了信道的平均衰落率、平均电平通过率和平均衰落时间等重要信道特性， 因此，在信道模型中应反映到这一点。 相对地面移动通信系统而言，移动卫星通信的信道具有其特殊性：在大部分时 间内卫星和移动台之间存在直射分量( l o s ) ；由于建筑物和树木等物体的遮蔽，存在 阴影效应；由于信号的反射、散射和绕射造成的多径效应；由于卫星和移动台间的 相对运动形成的多普勒效应。所以，移动卫星通信信道的特点可以归纳为：时变、 存在多径效应、阴影效应和多普勒效应。 目前，在对卫星移动通信信道的传播特性的研究中有3 类分析模型被用来描述 卫星移动通信信道的传播特性，即：经验模型、几何分析模型、概率分布模型。其 中，经验模型可以描述出对重要参数的敏感度，但不能揭示传播过程的物理本质； 几何分析模型采用几何分析的方法，能预测单个或多个散射源的作用，解释衰落机 制，但需将结果进行扩展且分析过程比较复杂：概率分布模型建立了对传播过程的 理解，对实际情况作了简化假设，其分析过程比较简单，物理意义比较直观。因此， 在对卫星移动通信信道传播特性的研究中，通常采用概率分布模型来研究信道的传 播特性。 常用的卫星移动通信信道传播特性的概率分布模型有：c l o o 模型、c o r a z z a 模 型和l u t z 模型。这三个典型的概率分布模型都是根据信号在传播路径上受到的遮蔽 情况来对l 波段的卫星移动通信信道的传播特性进行建模的。 c l o o 模型假设接收信号中只有直射信号分量受到阴影遮蔽的作用而多径信 号分量不受阴影遮蔽的作用，因此该模型又称为部分阴影信道模型，该信道模型适 用于乡村信道环境。 l u t z 模型将卫星移动通信信道分为两个状态好状态和坏状态，当 信道为好状态时接收信号中的直射信号分量和多径信号分量均不受到阴影遮蔽 的作用，此时接收信号包络服从r i c e 分布；而当信道为坏状态时接收信号中只 有受到阴影遮蔽作用的多径信号分量且不存在着直射信号分量，因此该模型又称为 两状态信道模型。 c o r a z z a 模型假设接收信号中的直射信号分量和多径信号分量均受到阴影遮蔽 2 电子科技大学硕士论文 的作用，因此该模型又称为全阴影信道模型，该信道模型适用于所有信道环境。 尽管c l o o 模型、c o r a z z a 模型和l u t z 模型都是对l 波段的卫星移动通信信道 的传播特性进行建模的，但这三个模型相互之间是有差异的：c l o o 模型和c o r a z z a 模型是从接收信号包络的角度而l u t z 模型是从接收信号功率的角度来对信道进行 建模的；c l o o 模型只适用于乡村信道环境而c o r a z z a 模型和l u t z 模型均适用所有 的信道环境( 乡村、郊区和城市) 。由于c l o o 模型和c o r a , z z a 模型在分析和软、硬 件仿真实现时比l u t z 模型要简单得多，因此国内外学者在对卫星移动通信信道进行 建模时通常都选用这两个模型。 随世界上航空运输市场的快速发展，航空运输业对航空移动卫星通信系统的需 求逐步增大。目前，一些航空公司、飞机生产厂家和通信公司已大力在进行航空移 动卫星通信系统的设计和试验。因此，航空移动卫星通信( a m s s ) 信道模型也已成为 目前信道模型的研究重点。 a m s s 的信道特性不同于一般的移动卫星通信信道，其主要特征有： 一 在一个航班中，飞机要经历滑行、起飞、爬升、巡航、降落和滑行几个阶段，每 个阶段通信信道的特征不同，比如在地面或低空时，信号传播要受遮蔽效应的影 响，而在巡航阶段则基本不受该效应的影响； 民用航空飞机机体本身较大，来自于飞机机体本身的反射信号会进入机载接收 机，从而对接收机所接收到的信号质量产生影响； 一 由于地面或海平面的反射，这些反射信号也会有部分进入到接收机，同样要对接 收信号产生影响。而且在不同的反射条件下，如海平面的浪高、地形，对接收信 号的影响程度也是不同的。 因此，在实现航空移动卫星通信系统的信道建模时，除了考虑一般移动卫星信 道的遮蔽效应以外，还应考虑到机身反射、地面海平面镜面反射以及地面海平面漫 反射。 i 3 本文的研究意义及课题来源 在移动卫星通信系统的研究、开发、工程设计中，卫星移动通信信道传播特性 的研究是其中最重要的一个方面。为了向用户提供优质、可靠的移动通信服务，必 须首先要充分考虑卫星移动通信信道的传播特性，以便进行合理的链路预算、选择 高效和强有力的调制方式、多址访问方式、信道编码方式以及语音( 图像) 编码方 式等：同时，对于采用功率控制技术的移动卫星通信系统，为了使系统能够迅速、 可靠地进行功率控制，就必须交换有关信道传播特性的信息。目前，在第三代移动 通信系统的无线接口技术规范中关于卫星移动通信系统的就有6 个；因此，研究移 电子科技大学硕士论文 动卫星通信信道的传播特性以及研制移动卫星通信信道的基带模拟器正是对第三代 移动通信系统中的移动卫星通信系统进行研究和开发所必须的，具有十分重要的意 义。 在c l o o 等人提出的信道模型中，其信道参数均是基于l 波段的，而且有的信 道模型还未考虑卫星与移动台的相对运动即多普勒频移。在我教研室的课题中，在 进行星座的总体设计时，首先要论证波段的选择，而选择不同的波段，其信道参数 是有较大差异的；另外在目前军用移动卫星通信系统上，普遍采用的是u h f 频段。 所以，需要对不同的频段建立相应的信道模型，特别是目前研究很少的u h f 频段， 然后在此基础上研究通信系统的性能，从而选择合适的调制方式、信道编码方案、 交织技术的选择以及非线性的补偿等，以提高移动卫星通信系统的服务质量( 特别是 小仰角条件下) 。 在移动卫星信道的基础上，完成信道编码方案、交织以及非线性效应对通信系 统性能影响的研究是实现系统总体设计必不可少的一项工作。采用m o n t e c a r l o 法， 通过仿真分析，可以预测在移动卫星通信中，在不同仰角通信时系统的性能，从而 可以估计满足一定服务质量( q o s ) 的通信时，链路所需的电平预算，为系统的总体设 计提供可靠的依据。 当地面用户终端工作在小仰角时，由于严重的遮蔽效应，接收机接收到的信号 电平衰落可能达到3 0 d b 。而卫星通信系统是功率受限系统，为了保证在一定的卫星 通信电源功率下使系统容量达到最大，设计的链路电平裕度均不能太大，通常为l o d b 左右，如i r i d i u m 和o l o b a l s t a r 系统。因此，要保证小仰角工作条件下系统的正常 工作，必须采用合适的信道编码、交织技术，以获得一定的增益，从而评估这些技 术在移动卫星通信系统中的应用。 在研究交织技术的应用时，最主要的工作是要确定交织器的交织深度。交织深 度与信道的相关函数紧密相关，由于移动卫星通信系统为时变系统，而且其信道的 概率模型并不属于如r a y l e i g h 信道的简单模型，因此，并不能用数学推导的方法找 到完全适合于移动卫星信道特点的相关函数。唯一可行的方法是通过在信道模型的 基础上进行仿真，以确定合适的交织深度，从而找到适合于卫星移动通信的最佳的 编码和交织技术方案。 移动卫星信道综合了移动通信和无线信道的特性，因此，相对有线传输信道、 固定网络的通信信道而言，移动卫星信道具有一些无线通信信道所固有的复杂性， 其中最具代表性的是多径衰落效应和阴影效应。由于对可靠数字信号传输及接收的 要求越来越高，为尽可能地减小及消除卫星移动信道的衰落信道特性的影响，高输 出功率的功率放大器被广泛应用在卫星通信中。此种放大器是星载设备，其作用是 4 电子科技大学硕士论文 对信号进行放大，转发，以达到抑制信号衰落，提高通信可靠性的目的。该放大器 能放大信号功率，却由于其自身特性会在信道中引入非线性，对通信造成不利影响。 因此，非线性成了卫星信道的另一个重要特性。在卫星信道非线性的理论研究方面， 较多学者已有相当的研究，并提出了可供参考的非线性卫星信道模型，较多的反映 用于卫星通信的非线性放大器的数学模型可被参考利用。但是，将非线性和卫星移 动通信信道本身所具有的一些无线信道的衰落特性相结合的研究还较少。 本文通过对非线性效应的系统仿真，研究不同调制方式、不同滤波器设计参数 和不同星载放大器工作状态对于系统性能的影响，得到相应的结论，为系统的设计 提供一定的依据。 在设计高质量的航空移动卫星通信服务时，航空卫星信道传输特性就显得尤为 重要。这是一方面航空移动卫星信道与一般的移动卫星信道的特性不同，它除了具 备一般移动卫星通信的信道特点以外，还具有其特殊的方面：机体的反射、地面海 平面的反射，而且在通信过程中，直射分量基本不被遮蔽；另一方面，由于飞机在 一个起落中，要经历滑行、起飞、爬升、巡航和降落这几个阶段，而且每一个阶段 的通信条件又是不相同的，因此在研究航空移动卫星通信时，应对几个飞行阶段进 行分别的建模研究。 在巡航阶段，航空卫星信道可以用r i c e 模型表示，此时r i c e 因子很大，达到 了3 4 d b ，卫星与飞机的通信为直射波通信，在通信路径上几乎没有遮蔽，也基本不 存在散射效应。当飞机在地面滑行、降落的最后阶段以及抬起阶段时，由于地面建 筑物可能对直射波进行遮蔽，所以存在遮蔽效应；同时，地面反射波的传输路径与 直射波传输路径差别不大，附加传播损耗小，因此，地面反射波对接收信号的影响 较大，应加以考虑。 由于卫星通信系统为功率受限系统，通信卫星不可能为对抗遮蔽效应和多径效 应而提供大的链路电平设计裕度。因此，航空移动卫星通信中的阴影和折射效应将 导致通信服务质量的下降，甚至可能导致无线链路的中断。 在以前已有的信道模型中，要么未考虑机体的反射效应对接收信号的影响，要 么未考虑地面的漫反射效应。因此，应在实际测试的基础上对航空移动卫星通信信 道进行建模，同时信道模型应适用于不同的飞行阶段。这就要求提出一种新的考虑 各种影响因素在内的信道模型，并提出信道模型中的不同飞行阶段的相应参数，以 使信道模型具备一定的通用性。从而可以在信道模型的基础上，研究通信系统的性 能，选择合适的通信体制。 本研究受“十五”军事预研项目及国家自然科学基金项目用中轨星座构建我 国的跟踪与数据中继卫星系统的资助。 5 毫子科技文学| 骥士论文 1 4 全文缡构安篝 全文共分六章，英中藜二章到繁五章楚本文酶纛点章节，是对作者在硕士研究 生阶段所做研究工作的详细介绍。 第一章为绪论部分，作者首先对移动卫艟通信系统进行了概括能的介绍，分析 了移动卫星邋信系绞熬特点教与一般移动邋绩系统黝超比的姆穗蛙。并且对移动卫 星通信系统的设计熏点和设计难点谶行了分析。在本章的第二节和第三节中，作者 概揍性地介缨了移动卫星邋信信道敬特点一时变、存在多经效应、避蔽效应和多营 勒频移，首先介绍了经典的移动卫鬣通信信道模型，分析了这几种经典信邋模型的 特点；然后对移动卫星通信信道上的通信技术信道编码、交织技术进行了分析；其 次，对卫星邋信中的放大器非线性特性迸幸亍了简单的分析；缀后，分析了航空移动 卫星通信的信道特点，并提出了研究重点。豳此，本掌重点是对本文磺究内客的国、 内外现状进行了分析，并提出了本文的研究意义和全文结构安排。 在第二露孛，本文蓄先对移囊_ 翌藿运蕊簧遂攘黧豹重要经进行了分褥，并分援 了目前国、内外在此方面的研究状况。然后对信道建模常用的概率分布一r a y l e i g h 、 l o g n o n n a l 稻r i c e 逡行了磅究及仿_ 囊实瑰，验证了麓本模块仿真模型兹有效经，荠 对仿真中的参数进彳亍了优化设计；其次，在测试数据的基础上，提出了基于c l o o 摸篓静信遂模型，绘窭了套遴售馋麓下酶摸怒参数，并经造最小二黎毅台，绘出了 各参数的拟合公式，使信道模型具备了一定的通用性；最后，对信j 趋的仿真模型进 行傍真运算，褥到不疑通毽傍角下僚遭匏一除积二除统计撼性撩计概率分枣、 电平通过率和平均衰落时长，并将仿真数值与实测数据进行比较，从而验诚了本文 提出售道模避及相关参数的鹰效性，为觋究通信系统豹透信体到及捆关的遐售技术 打下了基础。 在第三章中，作者结合本文第二章所建立的信邋模型，仿真计舞岛了不同通信 仰角下的系统性能误码率，并将其与a w g n 信道下的通俗性能进行比较；提出了 卷较编码+ 交织静技术方案，僵在方案静设诗中，最主要豹工 乍是需确定舍邋豹交织 深度。从交织技术的分析得出交织深度与信道的相关函数相关，由于移动卫星信邀 是一时交僖道，_ 莠无相应懿数学耱耩式对绩i 莲进行摇述，酝以本耄邋过访粪计算豹 方式，得到了最佳的交织深度，提出了交织深度的设计标准算法；最后，本章在采 角豢萃蟊缡碣纛最佳的交缓深菠磊，褥黉了蓉统瓣璞爨，为系统熬逶信体澍静设诗提 供了依据。 电子科技大学硕士论文 第四章是对卫星移动通信系统中所采用的放大器的非线性效应进行了分析，在 经典的s a l e h 非线性模型的基础上，建立了包括遮蔽效应、多径效应、非线性效应、 a w g n 在内的综合仿真模型。对不同的调制方式、放大器回退值和滤波器参数进行 了仿真运算，给出了最佳的参数确定方法及其对应数值。 第五章是航空移动卫星通信及其信道研究。本章首先对航空移动卫星通信的历 史、现在和将来，关键技术及发展趋势进行了概括性的介绍；然后分析了航空移动 卫星通信的信道特点，在理论分析的基础上，提出了一种全新的包括直射分量、机 体反射分量、地面镜面反射和地面漫反射分量在内的信道模型，并从数学上进行了 分析；最后，在s i m u l i n k 仿真环境下建立了信道的仿真模型，并参考实测数据给 出了信道模型的相关参数，得到了起飞和巡航这两个关键飞行阶段信道的统计特性。 第六章是全文的最后一章，作者对整个研究工作进行了总结，并展望了移动通 信技术的发展为人类带来的美好未来。 7 电子科技大学硕士论文 第二章移动卫星信道的建模 移动卫星通信信道是一个极其复杂多变的信道。移动卫星通信信道的特点是： 在大部分时间内卫星和移动台之间存在直射分量( l o s ) ；由于建筑物和树木等物体的 遮蔽，存在阴影效应；由于信号的反射、散射和绕射造成的多径效应；由于卫星和 移动台间的相对运动形成的多普勒效应。所以，移动卫星通信信道的特点可以归纳 为：时变、存在多径效应、阴影效应和多普勒效应。 多径效应对通信造成的影响有两个方面：一方面，接收信号是各路径的信号分 量到达接收机的合成波，由于各传播路径分量的幅度和相位各不相同，所以合成信 号的起伏很大，造成信号幅度的深度衰落，电平低于接收机检测门限的概率增大， 通信的误码率就相应增大；另一方面，由于多径效应将会导致信号的时延，如果信 号的带宽大于信道的相干带宽，将会形成码间干扰。 多普勒效应对通信造成的影响是：信号接收端收到的发射端的载频发生频移， 形成多普勒频谱扩展，这将会在信号接收端造成接收信号的失真。该效应对采用相 关解调的通信系统性能危害较大。 阴影效应对通信造成的影响是：在某些时间或某些环境下，由于树木等物体的 阴影遮蔽效应，会导致接收端信号电平的降低。如果由于该效应导致的信号电平下 降超过接收机门限时，将会造成误码率的增大。 在过去2 0 年的时间里，人们在移动卫星信道的测量和建模方面已经做了大量的 工作。7 0 年代末8 0 年代初，gc h e s s 在美国航空航天局( n a s a ) 的资助下利用 a c t _ 6 卫星做了一些测量工作。加拿大通信研究中心( c r c ) 自1 9 8 1 年开始研究移 动卫星信道的传播特性，到1 9 9 8 年已经实测了u h f 频段和l 频段的移动卫星信道 的传播特性。从1 9 8 4 年开始，德国的航空研究中心( d f v l r ，现称d l r ) 利用 m a r e c s 等卫星做了一系列的测量工作。n a s a 从1 9 8 3 年开始进行了各个频段的移 动卫星信道的大量测量工作，g o l d h i r s h 和v o g e l 等人发表了u h f l s k a 波段的若 干测量结果。同时，欧洲、日本和澳洲的研究人员也进行了相应的测量和建模研究。 1 9 9 9 年，中国电波传播研究所利用日本g m s l 4 0 e 气象卫星实测了l r h f 波段公路环 境下的移动卫星信道传播特性。近年来，测量工作渐渐转移到更高的频段如 k a ( 2 0 3 0 g h z ) 波段。但是由于低轨小卫星和军事卫星通信的发展，u h f 和l 波段的 测量工作仍然有重要意义。 在国内外开展测量工作的同时，信道模型的研究也有大量的成果。有三类分析 模型被用来描述卫星移动信道的传播特性，即经验模型、概率分布模型和几何分析 模型。经验模型不能揭示传播过程的物理本质，但可以描述出对重要参数的敏感度； 概率分布模型建立了对传播过程的理解，对实际情况作了简化假设；几何分析模型 用几何分析的方法，能预测单个或多个散射源的作用，解释衰落机制，但需将结果 r 电子科技大学硕士论文 扩展到实际的复杂情况。大多数信道模型都是将经验模型和概率分布模型相结合， 形成具有统计接近度的统计模型。c l o o 在1 9 8 4 年提出的统计模型认为接收信号有 l o s ( 1 i n eo f s i g h t ) 分量和多径分量之和组成【l 】。e l u t z 等人在1 9 9 1 年提出的统计模 型是一个含有m a r k o v 双态的模型【2 】，是g i l b e r te l l i o t t 方法在移动卫星信道中的具体 应用。1 9 9 7 年，中国科学院遥感卫星地面站的刘以嵩提出用最小二乘法突发型链路 分析器f b m l a l s ) 方法对k a 波段移动卫星通信衰落信道进行模型分析。 本章分为三个部分，首先在介绍移动卫星通信信道传播特性研究中的几个基本 概念的基础上，给出在卫星移动通信信道建模中常用的概率分布函数、从物理意义 的角度给出它们的详细推导过程，给出常用概率分布的仿真实现并将仿真结果与理 论概率密度函数进行对比以验证仿真模型的可行性；其次，基于cl o o 等人的测试 结果，给出u h f 频段的信道模型并给出不同仰角下模型参数的拟合公式，从而使该 仿真模型具有一定的通用性，计算出不同仰角下信道的累计概率分布( c d f ) 、电平交 叉率( l