（通信与信息系统专业论文）卫星移动通信信道模型研究及基带仿真实现.pdf

攘要 f 卫星移动通傣系统已经成为当翦遂傣领域中发鼹j 碧迅速的礤究方自积现 代通信强商力的手段之。在卫星移动通信系统的硪究开发、工程设计中，卫星 移动通信信道传攒特性的研究是最重要的要素之一。) 夕“一 本文在对卫璧移动通信信道的概率分布模型进行理论分柝的基础上，绘出了 l u t z 模型的软件仿真实现的详细过程。为了做到能够尽可能地逼近实际卫星移 动通信信道的传播特性和减少信邀模型在硬件防真实现时的风险，我们的工作流 程是：首先立足于理论分析和软件仿真，然后将理论公式和仿真所得到的数据与 实测数据进行对比，最后才应用于具体的硬件实现。 本文包含有以下的主爱内容： 对卫星移动通信信道传播特性研究中常用的三个概率分布给出了详细的推导 过程；以便对这几个卫星移动通信信道传播特性的研究中常用的概率分布函数有 更深韵理辩，对迸步研究卫星移动通信信道传播特性和对信道的建模提供了更 为详尽酌疆论基础； 对至基移动通信信道传播特往的研究中常掰的信邋模型进行了理论上的分析 葶鞋讨论，著对卫星移动通倍倍道建模桶研究工作掇出了一定韵看法； 指出了戳懿赘文献中关于c l o o 模型弱c o r a z z a 模型豹等同谴的证明错误： 并从接收信号功率熬焦度澎发，透过理论攘导及仿真翡线拟合蓬新证锈了在乡村 环境下，这弱令模型蛉礁怒具蠢等嗣没鹄；扶两，在对乡村琢境下酌翌星移动通 信信遵佳攒特性进行磺究时，霹以只采用c o r a z z a 模型来对实黪赘信道进舒建 模，这样可以避免重复灼建模王作势掇裹磺突工作匏效率魏准确性， 绘出了l u t z 模型在姒t l h b 6 o _ s i m u l i n k 4 。0 环境下酌软件镌冀实现款诺鲻过 程和整体仿真测试的对比绒果，保证了该模型在硬件实现蹲的可靠性葶娶可行性， 从而可以将它们应用子指鬈模型的硬件仿真实现并可以降低硬件实现对的风殓。l ，“ 夕 关键词：卫星移动通信；倍道传播特性 通粹夯希稹麴骏砰丽冀萎碗基带、 一一7 ， a b s t 轧c 王 s a t e l l i t em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m h a sb e c o m eo n eo ft h eg a l l o p i n g c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hf i e l d sa n dau s e f u lm e a n so fm o d e r nc o m m u n i c a t i o n d u r i n g t h ew o r ko fs t u d y i n g , p l a n n i n ga n d d e s i g n i n g m o d e r nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m sw h i c ha r eb a s e do ns a t e l l i t e s t h es t u d yo fp r o p a g a t i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h e s 雏e l l i t em o b i l ec h a n n e li so n eo f 氇em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s ， i nt h i sd i s s e r t a t i o n 。o nt h eb a s i so f t h et h e o r e t i c a la n a l y s e so f t h ep r o b a b i l i s t i c a l l y d i s t r i b u t e dm o d e l so fs a t e l l i t em o b i l ec h a n n e l s ，w eg a v et h ed e t a i l e dp r o c e s s e so f t h e s o f t w a r es i m u l a t i o no fl u t zm o d e l i no r d e rt oa p p r o x i m a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e r e a ls a t e l l i t em o b i l ec h a n n e l sa sw e l la sp o s s i b l ea n dt ol o w e rr i s k si nt h eh a r d w a r e s i m u l a t i o no ft h em o d e l 。w ef i r s td i dt h ew o r ko ft h e o r e t i c a la n a l y s e sa n ds o f t w a r e s i m u l a t i o n s 、t h e nc o m p a r e dt h ed a t af r o mt h et h e o r e t i c a if o r m u l aa n ds i m u l a t i n gw i t h t h em e a s u r e d d a t a ，f i n a l l yw ea p p l i e d t h ec o n c l u s i o n st ot h ew o r ko fh a r d w a r e s i m u l a t i o no f l u t zm o d e l t h em a i nc o n t e n ti nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： t h ed e t a i l e dp r o c e s s e so f t h ed e r i v a t i o n so f t h e r ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n sw h i c ha r e o f t e nu s e di ns t u d y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs a t e l l i t em o b i l ec h a n n e l sw e r eg i v e n t h i s c o n t r i b u t et ot h ed e e p e rc o m p r e h e s i o no ft h e s ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n s ，a f r o r dt h e m o r ed e t a i l e dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u r t h e rs t u d y i n ga n ds i m u l a t i n gs a t e l l i t em o b i l e c h a n n e l s ， t h et h e o r e t i c a ia l l a l y s e sa n dd i s c u s s i o n so f t h e e sm o d e l sw h i c ha r eo f t e nu s e di nt h e s t u d yo f t h ep r o p a g a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs a t a l l i t em o b i l ec h a n n e l sw e r eg i v e n ，a n d s o m ed i s c u s s i o n sw e r ea l s og i v e no nt h ew o r ko f m o d e ls i m u l a t i o n s ， t h ei n c o r r e c td e r i v a t i o no f t h ee q u a l i t yb e t w e e ncl o om o d e la n dc o r a z z am o d e li n s o m eo t h e rp a p e r sw a s p o i n t e do u t o nt h el i g h to ft h er e c e i v e dp o w e r , w ed e r i v a t e d t h a ti nt h er u r a le n v i r o n m e n t st h e s et w om o d e l sr e a l l yh a v et h ee q u a lr e l a t i o nb yt h e w a yo ft h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n ds i m u l a t a n tf i t t i n g s t h e r e f o r e j ti sa b l et ou s e c o r a z z am o d e ii ns t u d y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs a t e l l i t em o b i l ec h a n n e li nt h ed 1 r a i e n v i r o n m e n t sa n dt oa v o i dt h ei t e r a n tm o d e l i n gs oa st oe n h a n c et h ee 衢c i e n c ya n d a c c u r a c yo f t h e r e s e a r c hw o r k ， t h ed e t a i l e dp r o c e s s e s o f s i m u l a t i n g l u t zm o d e lb y u s i n gm a t l a b 6 0s i m u l i n k 40 a n dt h er e s u l t so fc o m p a r i s i o n sw e r e g i v e n t h i s c a na s s u r et h e r e l i a b i l i t y a n d p r a c t i c a b i l i t yo f t h eh a r d w a r es i m u l a t i o no fl u t zm o d e i f h ec o n c l u s i o n sf r o mt h i s d i s s e r t a t i o nc a nb eu s e dt od i r e c tt h eh a r d w a r es i m u l a t i o n so fm o d e l ss oa st ol o w e r r i s k so f t h e m k e y w o r d s ：s a t e l l i t em o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，p r o p a g a t i n gc h a r a c t e r i s t i co f c h a n n e l p r o b a b i l i s t i c a l l yd i s t r i b u t e dm o d e l ，s o f t w a r es i m u l a t i o n ，b a s e b a n d h 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，除了文中特别加瓯标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包岔 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。 与我网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：茎硅 目期：加眨年陀月卯日 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缳留、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痒进行检索，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) 签名：蕉垄导师签名： 臼期：冽二年，五月却目 1 1 研究意义 第一章绪论 卫星移动通信系统是指提供卫星移动业务( m s s ) 的通信系统；其典型的特 征是利用卫星作为空间中继站向分布在广大地理范围内的用户提供移动通信业 务。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。 在卫星移动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。这是因为在卫星移动通信系统的研究、设计中， 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( 图象) 编码方式等；同时，对于采用功率控制技术的卫星移动通信 系统来说，为了使系统能够迅速、可靠地进行功率控制，就必须首先要有关于卫 星移动通信信道传播特性的信息。因此，卫星移动通信信道传播特性的研究对于 卫星移动通信系统的总体设计是必不可少的；系统设计者必须充分、细致地了解 卫星移动通信信道的传播特性，才能设计出低成本、高质景的卫星移动通信系统。 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，研究卫星移动通信信道的传播特性以及研制卫星移动通信信道的 基带模拟器正是对第三代移动通信系统中的卫星移动通信系统进行研究和开发 所必须的，具有十分重要的意义： 卫星移动通信系统所能提供的业务的可行性与质量在很大程度上受到卫星移动 通信信道传播特性的影响。为了研究这些影响，就需要在实际的卫星移动通信信 道环境下进行实验；但由于实际条件的限制，要在设备研制的全过程中随时随地 的进行现场实验是不现实的。因此，采用具有良好近似效果的卫星移动通信信道 模拟器是一个比较好的解决方法；它可以方便研发部门对卫星移动通信系统进行 调试，加快研发速度以便在激烈的竞争中取得有利地位。 在对一般的无线移动通信信道的传播特性进行建模时，通常是采用个单的 概率分布函数来描述( 如：城市环境下的无线移动信道传播特性常常采用 r a y l e i g h 分布来表示) 但e s a ( e u r o p e a n s p a c ea g e n c y ) 在欧洲对实际卫星 移动通信信道进行的一系列测试、统计、分析表明，卫星移动通信信道的传播特 性不能用单一的概率分布函数来描述，而应该根据信道上所传播的信号受到的遮 挡情况来划分信号的传播环境，即：卫星移动通信信道的传播特性需要用多个信 道状态和多个概率分布函数的组合来描述。 对卫星移动通信信道传播特性的仿真可以使用软件仿真和硬件仿真两种方式， 这两种方式都同样能较好地模拟实际卫星移动通信信道的传播特性。目前己发展 了许多对通信系统进行研究的软件仿真语言和仿真程序包，使得软件仿真具有精 度高、重复性好、灵活性强、费用较低、使用方便的优点。对卫星移动通信信道 传播特性的模型进行软件仿真实现，可以很方便地对不同的卫星移动通信系统设 计方案进行性能比较，同时还可以指导卫星移动通信信道模拟器的硬件仿真实现 并降低硬件仿真实现时的风险，以节约时间和资金。 1 2 国内外研究现状 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 ( 文献 1 ) 。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( 文献 2 ) 、c o r a z z a 模型( 文献 3 ) 和l u t z 模型( 文献 4 ) 。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。其中，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；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 量同时都受到阴影遮蔽的作用，因此该模型又称为全阴影信道模型；而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。尽管c l o o 模型、 2 c 。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( 文献 1 4 、 6 、 7 、 9 、 1 2 2 6 ) ， 因此对这两个模型研究得比较多而对l u t z 模型的研究就很少。 对卫星移动通信信道的传播特性的分析和研究通常是在仿真软件m a t l a b 的 环境下进行的。m a t l a b ( 文献 5 ) 是一个集数值计算、符号运算和图形处理等 强大功能于一体的科学计算语言，它被认为是准确、可靠的科学计算标准软件且 己作为工程和科学教育界的一种行业标准。m a t l a b 的工具组件s i m u l i n k 采用模 块组合的方法，可以使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机仿真模型； 它还可以与m a t l a b 中的信号处理工具箱( s i g n a lp r o c e s s i n gt o o l b o x ) 、通信 工具箱( c o m m u n i c a t j o l 3 st 0 0 1 b o x ) 以及实时工作组( r e a l _ i i m ew o r k s h o p ) 等 联合使用，生成高度优化和完全注释的c 代码，并可以自动建立在实时系统和单 机仿真环境下运行的可执行程序。从而实现软、硬件的接口，成为实用的控制软 件。 1 3 本文研究的内容和课题来源 卫星移动通信信道的传播特性是影响卫星移动通信系统的服务质量的一个 重要因素。由于l u t z 模型既是两状态的m a r k o v 信道模型又是研究广域环境下 多状态的m a r k o v 信道模型的基础，它对卫星移动通信信道传播特性模型的研究 具有极为重要的作用；因此，本文在对三个典型的卫星移动通信信道传播特性的 概率分布模型进行分析、讨论的基础上，完成了在m a t l a b 6 0s i m u li n k 4 0 环境 下l u t z 模型的软件仿真实现。该课题来源于总某所项目“卫星移动通信信道 模拟器” ；该项目的理论研究和软件仿真实现已经完成，目前正在进行该卫星 移动通信信道基带模拟器的硬件设计和相应配套的软件设计工作。 第二章在介绍卫星移动通信信道研究中的几个基本概念的基础上，给出在卫 星移动通信信道传播特性的研究和分析的中所涉及到的三个概率分布函数，并从 物理意义的角度给出这些概率分布函数的详细推导过程。 第三章详细介绍了三个典型的卫星移动通信信道传播特性的概率分布模型， 并对它们进行分析和讨论。 第四章首先给出文献 6 中关于c l o o 模型和c o r a z z a 模型的等同性的推导 过程并指出其错误；然后从接收信号功率的角度来推证这两个模型的等同性。 第五章首先介绍模型的软件仿真环境一一 i a t l a b 6 一s i m u l i n k 4 0 ；然后给 出l u t z 模型在此环境下的软件仿真实现的详细过程和整体测试对比结果。 第六章是全文的总结。 第二章模型中常用的概率分布函数 卫星移动通信信道是一个极其复杂多变的信道。在卫星移动通信系统中，由 于用户在通信过程中不断的移动，使得信号电波不可避免地受到山川、植被、建 筑物等的遮挡而引起信号的反射、衍射和散射，从而使信号产生多径衰落、阴影 遮蔽衰落和多普勒频移等现象。尽管卫星移动通信信道中所传播的信号是随机变 化、无法预先确定的，但研究表明，信号的统计特性是可以用一定的概率分布函 数来描述。由于在国内外的研究文献中，对卫星移动通信信号统计特性的概率分 布通常是直接引用，因此本章在介绍卫星移动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并从物理 意义的角度给出它们的详细推导过程，最后是本章的小结。 2 1 基本概念 在卫星移动通信信道传播特性的研究中，常常遇到的基本概念有( 文献 7 ) ： l o s 、多径衰落、阴影衰落及多普勒频移。 2 1 1l o s l o s ，即1 i n e o f s i g h t ( 直射) 的缩写；是指在卫星与地面用户之间的传 播信道上不存在任何障碍物，信号从发射端沿单一路径直接到达接收端。在卫星 移动通信中，当卫星与移动用户之间存在着视距传播路径时，接收信号中就含有 l o s 信号分最。 2 1 2 多径衰落 卫星移动通信中，从一个发射端发出的信号电波在从发送到接收的传播过程 中，会由于在其传播路径上存在建筑物、树木、植被、起伏的地形、海面和水面 等因素而引起信号电波的反射、散射和绕射，使得到达接收站的信号不是从单一一 路径传播来的，而是从许多条路径传播来的众多反射电波的合成。由于信号电波 通过的各条路径的距离不同，因而由各条路径传播来的反射电波到达接收端的时 间不同，相位也不同。不同相位的多个信号电波在接收端进行迭加，有时是同相 迭加而增强，有时是反相迭加而减弱，从而使接收端的信号幅度急剧起伏，这就 产生了多径衰落，它是一种快衰落。在卫星移动通信过程中，由于用户端移动站 的天线一般较矮和较小且几乎没有方向性，移动站会接收从各条传播路径而来的 信号电波，因此，卫星移动通信中的信号电波必然会受到多径衰落的影响。 2 1 3 阴影衰落 当信号电波在传播路径上受到建筑物、树木和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。移动站在通信过程中经 过不同的障碍物的阴影时，信号电平会产生不同程度的衰耗，使得接收端信号的 幅度在一定的范围内产生起伏，这就产生了阴影衰落，它是一种慢衰落。阴影衰 落的衰落率主要取决于移动站周围的环境和收发双方的运动速度与频率基本无 关而阴影衰落的深度取决于信号的频率和障碍物状况。 2 1 4 多普勒频移 卫星移动通信过程中，当卫星与用户终端之间、卫星与基站之间、卫星与卫 星之间存在相对运动时，接收端接收到的信号载频就会发生频率上的偏移，即信 号产生了多普勒频移。多普勒频移对采用相关解调的数字通信的危害较大，它可 由下式表示： 厂d ：t ”c o s a ( 2 一1 ) ，0 其中，厶是多普勒频移；口是入射电波与移动站运动方向之间的夹角；1 ，是移动 站的径向运动速度；旯是信号的波长。由公式可以看出，信号的频率越高( 波长 五越短) 或者径向移动速度v 越高，则多普勒频移就越大。 下面给出卫星移动通信信道中信号电波的传播示意图，如图2 1 所示。 图2 kl 卫星移动通信信道中信号电波的传播示意图 6 2 2 常用概率分布函数的推导 由于概率分布模型建立了对卫星移动通信信道中传播过程的理解，对实际 情况作了简化假设，其分析过程比较简单，物理意义比较明确，仿真实现比较简 单，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 对卫星移动通信信道进行建模。经过对目前常用的卫星移动通信信道传播特性的 概率分布模型进行分析可知，有三种概率分布函数：r i c i a n 分布函数、r a y l e i g h 分布函数和l o g n o r m a l 分布函数在对卫星移动通信信道传播特性的研究中有着 重要的理论基础作用。因此，下面给出这三个概率分布函数的详细推导过程。 2 2 1r i c ia n 概率分布函数 由建筑物、树木或其它反射物造成的反射波形成的多径信号分量与直射波信 号分量合成的接收信号的包络服从r i c i a n 分布，其概率密度函数为： 川= 砉州一等( 暑 ( 2 - - 2 ) 其中：r 是接收信号的包络；z 是直射波信号的幅度；盯2 是平均多径功率；j 。( ) 是第一类零阶修正贝塞尔函数。 t n n o jr i c i a n 概率密度分布函数的详细推导过程。设5 ( ，) 为未调制的载 波信号，即： s o ) = c o s ( c o 。+ 妒。) ； 而对于移动台则存在着多谱勒频移蜕( 针对第n 条信号路径的) ，即： 瓴= q ”- c o s ( a 。) ； ，0 服从r j c i a n 信号为直射波信号与多径信号的迭加，所以r i c i a n 信号，( ，) 可表示 为： r ( ，) = c 。c o s ( ，+ 吼+ a c o 。，) + c 。c o s ( m 。，+ 纯十。+ a c o 。0 其中：。= 2 氓，。为第n 条路径的相位偏差； 令： 则 又令 则有： 再令： q = 纯+ a c o o ， 0 2 2 p 。+ 。+ a c o 。t ， n ，( ，) = c 。c o s ( o i j 。，+ 只) + 吒c o s ( 国。，+ 口! ) n 2 l ，( ，) c 0c o s 吼fc o s 岛- c 0 s i n c o 。fs i n 护l + c 。c o s ( w 。t ) c o s 0 2 2 一+ 擎n： c o s ( o c t - - c o s 0 ， c o s 0 一s i n b 2 h + 巳 ：lh b 月= l 、 c oc o s 0 1 + 巳c o s 口2 q o ) = c 。s i n b + 巳s i n 臼： ，。o ) = i ( t ) c o s ( 0 。t q ( ，) s i nc o 。， s i n 国fs i np 由中心极限定理( 文献 8 ) 可知：瓦( ，) 与t o ) 为正态随机过程；对于某特定 的时间f ，有 c d c ns 、， ，_ 口ns h c + 2 伊soc “ = 、j0t 伊ns h c d f j 、jot ，= ，( ，。) = c o s 口l + t ( ，。) = c oc o s 8 1 + 瓦 q = 0 ( t 。) = s i n b 十t o 。) = c 。s i n 只+ t 且随机变量与t 的概率密度函数分别为 矗一刁1 翥e x 一( ，自 去exp(3-( 一割2 0 - f l 一ji 。2 丌l；j 它们的均值为： e 正】2 e t 2 0 ； 方差为： d ( r o ) = d ( ) = a ；= 盯；= o 2 因为曰。在 o ，2 丌 内是均匀分布的，即： 臼。u ( 0 ，2 n - ) ； 所以随机变量正与t 的协方差为 c m ，( t o ，瓦) 一e 阮t 】 ：争争，e f 堕丝i ：o 2 n = l t = 1 叩一，l 半pl l 而i 与q 的概率密度函数分别为： 五( ) = 矗( 一c 0c o s 0 。) 陋一c 0c o s 0 1 ) = 去唧卜掣2 0 - l仃压 1 2 i 又因为 尼0 ) = 矗0 一c 0s i n 臼。) 0 一c 0s i n 0 1 ) 一1 i ( g c 0s i n 幺) 2 2 习翥唧 一尹 、 一2 f 上撕 i = c ng o s 0 1 + t ， q = c os i n o l + 瓦； 所以，和q 的均值分别为 e 【，】= c o s t 9 l ， e i q = c 。s i n 鼠， 则1 和q 的协方差为： c o l ，( ，q ) = e 一e p q e 【q d 】= e 阢t 】= o ； 因此，与o 是相互独立的；由此可得到，与q 的联合概率密度函数为 石。( f ，g ) = 石( 珑( g ) 由前可得 又令 则有 1 2 万仃。 ，2 = i 2 + q 2 0 = 0 1 + a r c t g q ， ，= ，c o s 0 q = ，s i n 0 可得到j a c o b j a l l 行列式为： i ，：一8 0 , q ) ：c s口o a ( r ，0 ) s i n 0 tz + g ：- 2 c o 厢。矿毋 l 十a r c t g 军1 + c 。2 1 l o 2 0 r 2 | | pn 8 心 瞄 一 r 接收信号的包络r 与其相位0 的联合概率密度函数为 六。d ，目) = 厶( j ，q ) i j l 由此可得接收信号的包络，的概率密度函数 z p ) = ef r 。p ，o ) d o 又因为 所以： 2 r c oc o s 0 + c j 2 盯 2 寺唧c 一等，e x p l 等c o s 目扣 ，。( x ) = 去e x p ( x c 。s o ) d o ( 第一类零阶修正b e s s e l 函数) ，( ，) = 乓e x p f o - 。 l等j ，0 l 纠o - 2 仃2j “l 2 j 令z = c 。，则可得到公式( 2 2 ) 。 包络，的n 阶原点矩为： e l r n 】= ( 2 。：乒e t 币+ a 曩( t + 三；，；七 ；”， c2 - - 3 ) _ 2 其中：后2 丢_ 是r i c i a n 因子；r ( ) 是6 a m m a 函数；- 鼻( ) 是合流超几何函数 不。 下面给出r i c l a n 分布的概率密度函数曲线( z = 1 、盯= 2 4 ) ，如图2 2 所 ，一 嘉 概 室 密 度 信号的包络 图2 2r i c l a n 分布的概率密度函数曲线 2 2 2r a y i e i g h 概率分布函数 由纯多径信号分量组成的接收信号的包络，服从r a y l e i g h 分布，其概率密 度函数为： ，o ) 2 砉e 卅三2 0 a 。 。 ( 2 4 ) 其中：仃2 是平均多径功率； 下面给出r a y l e i g h 概率密度函数的推导。令公式( 2 2 ) 中的：= 0 ，因为 ，。( o ) = 1 ，所以由公式( 2 2 ) 可以得到( 2 4 ) 式。 包络，的n 阶原点矩为： e 川= 力o - 2 e 眇2 j ，行2 ( 2 5 ) 其中：”= 1 时，m e r 2 盯j 三； 下面给出r a y l e i g h 分布的概率密度函数曲线( 1 3 = 3 ) ，如图2 - - 3 所示。 概 室 密 度 信号的包络 图2 3r a y l e i g h 分布的概率密度函数曲线 2 2 3 l o g n o r m ai 概率分布函数 当卫星与移动站之间的信号电波途经树木或其它障碍物而被吸收或散射 时，阴影效应出现。此时的信号电波的幅度由于n 影而服从l o g n o r m a l 分布，其 概率密度函数为： 加) 2 面1e x p 【一学 ( 2 - - 6 ) 其中：z 是信号电波的幅度，和吼分别是i n z 的均值和方差； 下面给出l o g n o r m a l 概率密度函数的详细推导过程。设s ( ，) 为未调制载波信 号，即： s ( ，) = a c o s ( o ) 。，+ 仗) ， 受阴影遮蔽的信号电波的多谱勒频移够= 姜c 。s q ( 针对第i 条传播路径的) ， 阴影遮蔽因子c ( ，) ：卉q ( ，) ；由文献 可知c ( ，) 是乘性因子，所以受阴影遮 蔽的信号电波可以表示为 ，( ，) - c ( 啪( ，) = n c i ( ，口c o s 如。h 纯+ 2 z a f o t ) t ：1 兀c f ( t ) a c o s 0c o s c o 。， j = 1 对于任一特定的时间，。，设，_ ，o 。) ，则 因为 又设 则有： n 丌t ( t ) a s i n0 s i n c a 。， l = 1 r = ( i c ，o 。，4 c 。s 臼) 2 + ( i c ，( ，。，4 s i n 目) 2 j i nr = i n a + i n c ，( ，。) l n ，= v 1 n a = 膏 i nc ，( ，。) = x y = k + x ， 所以由中心极限定理可知，x 服从正态分布，即 x ( l ，仃1 2 ) 1 4 a llc ，( ，。) 则其概率密度函数为： 肌，= 赤唧卜警1 口z 厅l 二u i 所以 又因为 所以 办”厶( y 刊训i = 而1 唧 斛赤7 唧 盯，r 、上l f i n ，4 一k 2 c r 2 l n r 的均值为： e 1 nr = e 1 n a i + e l i n c n，( ，。) l = j | + ，= ll ll = 1l 方差为 因此 厂n d i n r = d 1 1 n 一】+ d i 善1 喝叫= 0 + o r i 删= 志唧譬 再令z = ，_ d o = 口2 ，则可以得到公式( 2 - - 6 ) 。 包络，的n 阶原点矩为 e ”唧卜等矿j ；捌 盯2 2 c r 2 ( 2 7 ) 下面给出l o g n o r m a 分布的概率密度函数曲线( d 。= 15 ，= 0 1 ) ，如图 3 4 所示。 1 5 概 室 密 度 2 3 本章小结 信号的包络 图3 4l o g n o r m a l 分布的概率密度函数曲线 卫星移动通信信道是一个极其复杂多变的信道，尽管信道中所传播的信号是 随时间和地点在不停地随机变化着，但可以通过信号的统计概率分布来研究信道 的传播特性。本章在介绍卫星移动通信信道传播特性的研究中的常遇到的几个基 本概念的基础上，给出常用的概率分布函数从物理意义角度的详细推导过程，以 便对这几个卫星移动通信信道传播特性的研究中常用的概率分布函数有更深的 理解，建立了进一步研究卫星移动通信信道传播特性和对信道建模的理论基础。 1 6 第三章常用的卫星移动通信信道模型 与远距离的光纤、电缆、微波中继线路通信和无线短波通信等通信方式相比， 卫星移动通信由于具有覆盖面广、通信距离远、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、传输质量高以及既可为固定终端又可为车载、 船载、机载和个人终端提供通信等一系列的突出特点而成为现代军用和民用通信 中的重要手段。在军用通信中，卫星移动通信系统可以提供远程直至全球范围的 战略通信和地区性战术通信：而在民用通信中，卫星移动通信系统可作为地面蜂 窝移动通信系统的延伸和补充。不管是在军用还是在民用环境下，卫星移动通信 信道的传播特性是一个必须研究和解决的首要问题。由于在实际的卫星移动通信 过程中用户与卫星之间存在着相对位移、多径效应和阴影遮蔽等因素的影响，使 得卫星移动通信信道具有复杂的时变特性，从而引起信号电平的深度衰落和码问 串扰，导致接收端的误码率增大，使通信质量恶化，甚至使通信中断。尽管研究 信道传播特性对卫星移动通信系统可靠性和有效性影响的最好办法是在实际的 通信环境下对信道进行测试和分析，但由于各种现实条件的限制，要随时随地的 对实际的卫星移动通信信道进行测试常常是不可能实现的；所以采用能够很好反 映卫星移动通信信道传播特性的模型是通常使用的解决方法。本章首先介绍卫星 移动通信系统研究中常用的信道模型c l o o 模型、c o r a z z a 模型和l u t z 模型 并给出模型数据与实测数据的拟合曲线，然后对这三个模型进行了分析和讨论， 最后是本章的小结。 3 1 卫星移动通信信道模型 国内外通常是采用概率分布模型来分析和研究卫星移动通信信道传播特性 的，这是因为概率模型通过利用概率分布函数来建立对传播过程的理解，其物理 意义比较直观、分析过程比较简单、仿真实现都比较容易。目前，在国内外研究 中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。它们常用于选择高效的调制解调方式、多址访问方式、信道 编码方式和预测接收端的误码率。 3 1 1 c l o o 模型 该模型适用于乡村信道环境。c l o o 模型假设接收到的信号是由受到阴影作 用的直射信号分量和不受阴影作用的纯多径信号分量组成的，即接收到的信号可 1 7 表示为： r ( ，) = z o ) s ( f ) + d ( ，) ( 3 一1 ) 其中：r ( ，) 是接收到的信号；z ( ，) 是直射波信号；d 一z 一号；5 ( ，) 表示阴 影衰落； 在直射信号分量的幅度z 暂时保持不变的条件下，接收信号的包络，一服从r j c j a n 分布，即： 删= re x p 一掣k ， c 。吲 其中：b o 是平均散射多径功率，。( ) 是第一类零阶修正贝塞尔函数； 由于受到阴影遮蔽的作用，直射信号分量的幅度z 服从l o g n o r m a l 分布，即： 衅丽1 唧 _ 警 c 。吲 其中：u 和d o 是i n z 的均值和方差； 由全概率公式和公式( 3 - - 2 ) 、( 3 - - 3 ) 可以得到接收信号的包络r 的概率密度 函数为： ，o ) = f 一p k 0 皿 = 去踟 _ 警一掣卜 c s 删 公式( 3 - - 4 ) 可视为c l o o 模型的理论公式。 接收信号的包络，的残余累积概率分布函数为： c 月( ，) = p ( ， 尺) = j 一( ，) 毋= 1 一r ，( ，) 咖 ( 3 5 ) 其中：r 是某个确定的值。 c l o o 用直升机模拟卫星，在乡村非经常性轻阴影和经常性重阴影环境中 通过仰角为1 5 0 时的实测数据得出该模型的参数，如表l 所示。 表ic l o o 模型的参数( d b ) 环境 1 0 1 。g ，。慵) l o l o g ，。0 )l o l o g ，。p 。) 非经常性轻阴影 05058 经常性重阴影 351 70 1 2 信号的平均电平通过率( l c r ) 为 耻嗣焉删， 卜 信号的平均电平衰落时间( a f d ) 为 t n2 轰“鼢 ( 3 7 ) 图3 1 给出车速为6 0 k m h 、卫星仰角为1 5 0 时在乡村环境下c l o o 模型的 理论公式的数据与实测数据的残余累积概率分布( c o m p l e m e n t a r y c u m u l a t i v e p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n ) 曲线拟合图。其中，图3 1 a 是乡村非经常性轻 阴影环境下c l o o 模型理论公式的数据与实测数据的残余累积概率分布曲线：图 3 一l b 是乡村经常性重阴影环境下c l o o 模型理论公式的数据与实测数据的残余 累积概率分布曲线。 残余累积概率分旆【) 图3 1 a非经常性轻阴影环境 图3 1 b 经常性重阴影环境 图3 一i 乡村环境下c l o o 模型理论公式的数据与实测数据的残余累概率积分布曲线 2 0 ?咿芈掣鞲盆o1 n 靛罂 p)妒妲罂莓goj*靛辈 3 1 2c o r a z z a 模型 该模型适用于所有的卫星移动通信信道环境( 公路、乡村、郊区和城市) 。 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 的作用，则接收信号，( ，) 可表示为： r ( o = 【z ( f ) + d ( ，) - ( ，) = 只o b o ) ( 3 8 ) 其中：，0 ) 是接