（通信与信息系统专业论文）卫星cdma链路性能及系统容量研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 中文摘要 卫星遴僖是羹要鼹瑗代遂售技术之一，卫星c d m a 遴信系统跫当蓑卫星逶 信界的研究热点之一。本文对卫望c d m a 通信系统的链路性能进行了较完备的 仿真磅究，莠以链路债真缭暴力基破，对卫星c d m a 系绞窭量进行了分攒、研 究和仿真。 本文救第一耄赡介了卫星移动通信系统的概念以及豳内外卫星移动邋信的 茂展历史，分析了c d m a 技术的特点以及其在卫曩移动通信系统中的应罔，并 且对本文的工作和成果进行了说明。 第二牵对仿真使用韵卫星c d m a 移动通信系统基本构架进行了介绍，给出 了空间段霹地面段的系统参数。介绍了无线接入部分参照的i s 一9 5 标准。本章对 在不同卫攫仰角下的前向下行链路和反向上行链路进行链路亳平信算，给出在 一定b e r 要求下的卫星墩小发射功率和在不同用户终端发射功率下卫星的接收 功率。 第三章研究了卫星c d m a 系统的链路性能。酋先在研究国内外有关移动卫 整通信信道的代袭往文献豹基穑上，建立了里鼙移动遥锩信道模藿，搭建了卫 盛c d m a 链路性能仿真平台，给出了前向链路和反向链路在不同卫星仰角下的 镳路性豁仿寞结聚，镑粪结莱对蘸统容蠹分辑及系统巍潮、瑟务质量保证、无 线资源管理等提供有力的依据。 第强牵殴第三章链黪往镜谤真缝栗为基穑，遥遭瑾谂推导裁诗算瓿仿真稳 结合进一步对系缆容量进行了较全面的研究。在理想功率控制条件下，酋先对 肇波素系缝容量滋嚣了蘧论提导，著进一步雄导了蠖蠲多液衷翌屋霹懿系统容 量，给出了不同仰角下的信道数的理论分析结果。同时，在第二章的链路电平 德算基礤上，对存在多蟪予捷懿蠡自下露链路邈萼亍了系绞参数设诗，给凌了在 不同卫星仰角下，给定b e r 要求下的卫凝最小发射功率。第四章还进一步研究 了 e 理怒功率控铡下单波寒款系绞容量，分辑了不同接缡控制方案下懿系统察 量，给出了相应的仿真结果。 最鏖，在第五章中黠本文的硬究工作稠进展进行了总结。 关键词卫耀c d m ai s 一9 5 链路性能系统容量 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ， a n ds a t e l l i t em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ep a r t so fr e a l i z i n gg l o b a lp e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n s 。r e c e n t l y ，s a t e l l i t ec d m a c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb e c o m eo n eo f t h em a i nr e s e a r c hf i e l d so fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s t h ep a p e r a d d r e s s e s t h el i n k l a y e r s i m u l a t i o no far e l a t i v e c o m p l e t e s a t e l l i t ec d m ac o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，a n d b a s e do nt h er e s u l t so fl i n kl a y e rs i m u l a t i o n ，w ef o c u so n s y s t e mc a p a c i t y a n a l y s i s c o n s i d e r i n gi d e a lp o w e rc o n t r o la n di m p e r f e c tp o w e rc o n 竹o l ，t h es y s t e m c a p a c i t y i sa l s o a n a l y z e d i n d e t a i l b yu s i n g d i f f e r e n tc a l la d m i s s i o nc o n t r o l a l g o r i t h m s c h a p t e r 1i n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t sa n dt h eh i s t o r yo fs a t e l l i t em o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ef e a t u r e so fc d m a t e c h n o l o g ya r ea n a l y z e da n di t s a p p l i c a t i o n si ns a t e l l i t em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ei n t r o d u c e d 。t h er e s e a r c h s i g n i f i c a n c ea n dt h es t r u c t u r ea r r a n g e m e n to f t h ep a p e ra r eg i v e ni nt h ee n do ft h i s c h a p t e r c h a p t e r 2i n t r o d u c e st h e s y s t e m s i m u l a t i o ns t r u c t u r eo fs a t e l l i t ec d m a c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dp r o v i d e st h es y s t e mp a r a m e t e r so f t h es p a c es e g m e n ta n d t h eg r o u n ds e g m e n t ，c o n s i d e r i n gt h er a d i oa c c e s sp a r to ft h es i m u l a t i o ns y s t e mi s b a s e do ni s 9 5c d m as t a n d a r d ，t h i sc h a p t e ra l s oi n t r o d u c e st h ea i ri n t e r f a c eo f i s 一9 5 c d m as t a n d a r d l i n k b u d g e t s o ff o r w a r dl i n ka n dr e v e r s el i n ka r e a n a l y z e d r e s p e c t i v e l y , w h i c hc o m b i n et h e l i n k l a y e rs i m u l a t i o nr e s u l t s o fd i f f e r e n ts a t e l l i t e e l e v a t i o n n u m e r i c a lr e s u l t so ft h em i n i m u ms a t e l l i t et r a n s m i t t i n gp o w e rt os a r i s f ya c e r t a i nb e r r e q u i r e m e n ta n dt h er e c e i v i n gp o w e r o fs a t e l l i t eb a s e do nd i f f e r e n tu s e r t e m t i n a lt r a n s m i t t i n gp o w e ra r ep r o v i d e di nd e t a i l c h a p t e r3a n a l y z e st h el i n kp e r f o r m a n c eo f s a t e l l i t ec d m a s y s t e mi n d e t a i l ， f i r s t l y t h e s a t e l l i t em o b i l ec h a n n e lm o d e li sd e s c r i b e da n dr e a l i z e d t h es t a t i s t i c a l f e a t u r e so ft h ec h a n n e lm o d e la r ev e r i f i e db ys i m u l a t i o nt om a k es u r et h a tt h e s i m u l a t i o nm o d e lc a nr e f l e c tp r a c t i c es i t u a t i o na sg o o da sp o s s i b l e “n kp e r f o r m a n c e h 一皇王型照盔兰堡主堂焦堡塞 s i m u l a t i o nm o d e li sb u i l ti nt h i sc h a p t e r n e a r l ya l lt e c h n o l o g i e sa r ea d o p t e di nt h e l i n k p e r f o r m a n c es i m u l a t i o nm o d e lo fs a t e l l i t ec d m as y s t e me x c e p tf o rp o w e r c o n t r o l ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ff o r w a r dl i n kp e r f o r m a n c ea n dr e v e r s el i n k p e r f o r m a n c e a r e p r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y ，c o n s i d e r i n g t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n t s a t e l l i t ee l e v a t i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ev a l u a b l et o s y s t e mc a p a c i t ya n a l y s i s ， g u a r a n t e eo fq u a l i t yo fs e r v i c e ，r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ta n ds oo n c h a p t e r4f o c u so nc o m p l e t ea n a l y s i so fs y s t e mc a p a c i t yb a s e do nt h el i n k p e r f o r m a n c e s i m u l n i o nr e s u l t s p r e s e n t e db yc h a p m r3 t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d c o m p u t e rs i m u l a t i o na r ec o m b i n e di nt h i sc h a p t e r f i r s t b ；s y s t e mc a p a c i t yo ft h e s i n g l eb e a ms y s t e ma n do fm u l t i b e a ms y s t e mi st h e o r e t i c a la n a l y z e da n dc o m p a r e d u s i n gi d e a lp o w e r c o n t r 0 1 t h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s t f l t sa r ep r e s e n t e d t h i s c h a p t e r a l s o p r e s e n t s t h ef o r w a r dl i n ks y s t e mp a r a m e t e rd e s i g n ，c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c e so f m u l t i - u s e r s b a s e do n t h e l i n k b u d g e t o f c h a p t e r 2 ，a n d s y s t e mc a p a c i t y o f s i n g l e b e a m s y s t e mu s i n gi m p e r f e c tp o w e rc o n t r o li ss i m u l a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e d a n dc o m p a r e da d o p t i n gd i f f e r e n tc a l la d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h m s + t h es i m u l a i o n r e s u l t sa r ea l s oc o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t s c h a p t e r5i st h es u m m a r i z a t i o n o ft h ed i s s e r t a t i o n ，a n di n d i c a t e st h ec o n c l u s i o n s a n dt h ev a l u e so f t h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：s a t e l l i t ec d m a i s 一9 5l i n k p e r f o r m a n c es y s t e mc a p a c i t y i l i 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面使用过的 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；犯暂日期2 7 驴o j - 年岁月，9 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) ，、 签名：逛垒至导师签名：篡i 盔鉴 日期：徊，年；月，o 日 电子科技大学硕士学位论文 1 翌鬟通信豢统篱介 第一章缝埝 在久类已经遴入2 麓纪静今天，人们谈论褥最多静落题之一是信息纯和信 息社会。作为信息系统组成部分之一的通信系统魑信息系统的主骚通信平台， 囊l i 翌星逶镶又是邋倍平台静重要缀或部分。 卫星通信系统由处在地球上空一定高度的通信卫星、地球站和地面终端组 成。逶售卫星逯攀峦星髂秘通信缀件稳残，曩寒接收遗球蛞遴来瓣焙号，逡罩亍 处理、交换、放大等，荐将信号传回地面戚传至其它卫星系统。依照卫星在地 璩上空与筑球媚鼹位霍憨不曩，分为蟪球羚壹鞔遴里星( g e o ) 毒羹j 静止孰遂里星 g e o ) 两类。 地球羚止辕遴逶信卫星的概念最旱是曳醒色尔- 竞技竟( a r t h u rc l a r k e ) 子 1 9 5 4 年1 0 月提出的。他通过研究指出，一个在地球赤道上空3 5 7 8 6 6 公里( 足巨离 越心4 2 0 0 0 公里) 处的卫壁相对于媳球是静止的，蕊均匀分布在地球赤道上空的 三颗这种卫星可以覆盖地球全部表面9 0 以上的地区。最早的实用静止轨道通 信卫星是由美国体凝公司磷制的，分别予1 9 6 3 年7 月2 6 旦和1 9 6 4 年8 尽1 9 舀发射，熟名称为s y n c o m 一2 和s y n c o m - 3 。 当前，全世界通信领域的一个发展重点是实现全球移动通信，两全球移动 通信的重瑟组成部分是卫疆移动通信。由于菲静止轨道卫星移动通信系统宣于 支持手持终端实现个人通信全球化，已成为全球通信领域的一个发展热点。卫 虽移动通俗系统怒由按照一定的轨道平面( 或者与赤道平稀有一定夹角的极地轨 道，或者楚与赤道平面有一定夹角的大椭圆轨道平面，或者是礴赣混合组成的 凡个孰道平面) 运行静不黼数量的通信卫星组成。_ 卫星移动通信系统分为 氛孰道 ( l e o ) 系统，轨邋高度7 0 0 2 0 0 0 k r n ；中轨道( m e o ) 系统，轨道高度为1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 k m ；拣嚣鞔遘( 骶) 系统。低鞔道移珐至震透信豢统按葵功瑟又分为小 ( 1 i t t l e ) l e o 系统( 仅支持数据业务) 、大( b i g ) l e o 系统( 支持语音通信) 莘鬟超大型l e o ( m e g al e o ) 系统，按瑟撼貘壁务可分为窜带系统帮宽萤蓉统。 按覆盖区域可分为全球覆盏，称之为全球卫星移动通信系统，覆菔地球部分地 电子科技大学硕士学位论文 区称之为区域性卫星移动通信系统。 1 。2 卫蔓移动邋信系缝发展瓣状 至l 嚣麓为止，卫星移麓通信系统已发鼹到第二 弋，第三代正在计剜中。第 一代主要指的是铱系统、全球星系统等。第二代，主要指的是大型l e o 系统， 这炎系统大多处予计翊或筹建中。一、二代称之为窄饔 系统，提供话音荠辩数据 为主的业务。第三代卫星移动系统指的是卫星i m t - 2 0 0 0 。向i t u 提出的卫星 i m t 2 0 0 0 曦平信冀 a - 瑁户按牧税潦声动辫谱密凄 n 。一k 譬，藤串，k 秀渡兹曼常鼗，k = 1 3 8 x 1 0 - 2 3 w s k ，t 为噪声瀑度， 攀* 3 0 0 k = 2 4 。7 7 d b k 。 繇以，n o = - 2 0 3 ，8 3 d b w h z 。羧攘浚凝繁竟l 。2 2 8 8 m h z 诗冀，疆菝枝弱豹磉 声功率受，1 4 3 d b w 。 b 。要浓装e b 对于不曩靛卫星傣建，在穰裁瓣b e r 臻求下囊不溺憋磁，袋2 - 6 绘 妊在b e r 为1 0 。时军嚣里鬟镲热下麴黾簧藩。不阕卫星 璎霸下豹兹溺镳醛b e r 性裁可瞧 强3 ，1 0 褥到，话音信感遮搴为9 。6 k h i t s 。 袭2 - 6 蓑弱下 子链踌= 棼弱里攫熟热下秘簧求( b e r = i 扩) 习瓣秘燕( 毫)簧象鹣e b ( d b w h z ) 2 0- | 9 3 7 3 9，1 9 4 + 2 4 0一1 9 4 7 5 01 9 5 。5 6 0。1 9 6 。0 7 01 9 6 ，6 8 0，1 9 7 。3 o + 要求黪每路接收镶等功率c 每嬉接l | 芟绥号功率可按爨式( 2 3 ) 冀褥， 电子科技大学硕士学位论文 c = e b + 1 0 4 1 0 9 9 6 0 0 ( 2 3 ) 表2 7 绘出在不同仰角下要求的每路接收信号功率。 表2 7 前向下行链路不同卫璧仰角下每路接收信号功率c ( b e r = 1 0 3 ) 卫星傍楚( 度)要求懿c ( d b w ) 2 01 5 3 9 3 0。1 5 4 。4 4 0，1 5 4 9 5 01 5 5 ，7 6 0。1 5 6 2 7 01 5 6 。8 8 0。1 5 7 5 d 要求鲍卫星e i r p e i r p = c + l - - g r ( 2 - 4 ) 不同卫星仰角下要求的卫星e i r p 如袭2 - 8 所示 表2 - 8 前向下彳亍链路不同二巳星仰角下要求的e i r p ( b e r = 1o w 3 ) 卫星假燕( 度)蚕求的e i r p ( d b w ) 2 01 8 9 1 3 01 1 8 4 4 07 8 9 5 04 9 3 6 03 4 7 7 0l 。8 l 8 00 7 4 e ，要求的卫星发射功率 由要求的卫璧e i r p 和卫星( 点波束) 天线增益( 1 4 5 d b i ) 可得到在不同卫 星仰角下耍求的卫星发射功率，如表2 - 9 所示。 电子科技大学硕士学位论文 表2 - 9 不同卫星仰角下要求的卫星发射功率( b e r = 1 0 。) 卫星仰角( 度)卫星发射功率( w ) 2 02 7 6 0 3 00 5 4 2 4 0o 2 1 8 5 0o 1 1 0 6 00 0 7 9 7 00 0 5 4 8 00 0 4 2 2 4 2 反向上行链路( 用户上行) 电平估算 2 4 2 1 反向上行链路的相关参数 ( 1 ) 用户上行链路的相关参数 频段：1 6 8 3 1 6 9 0 m h z 。计算链路损耗时，考虑最坏情况，f 取1 6 9 0 m h z ， 传播距离与卫星仰角有关，如表2 - 2 所示。 ( 2 ) 卫星星载设备参数 用户链路：( 点波束) 天线增益g t = 1 4 5 d b i ，噪声温度为3 0 0 k 。 用户终端：天线增益g r = 2 d b i ，发射功率p ：话音0 4 w ，数据o 6 w 。 2 4 2 2 反向上行链路电平估算 ( 1 ) 自由空间损耗 根据式( 2 2 ) ，可以计算出反向上行链路的自由空间损耗。表2 - 1 0 给出反 向上行链路不同卫星仰角下的自由空间传播损耗。 1 9 电子科技大学硕士学位论文 表2 - 1 0 反向上行链路不同卫星仰角下的自由空间传播损耗 卫星仰角( 度)自由空间传播损耗( d b ) 2 01 6 6 1 0 3 01 6 4 4 4 4 01 6 3 0 8 5 01 6 2 0 1 6 01 6 1 5 8 7 01 6 0 6 5 8 01 6 0 3 3 ( 2 ) 附加损耗 假定收、发天线与射频前端的馈线损耗分别为o 5 d b ，并考虑到不同卫星仰 角下不同的阴影遮蔽效应，结合表2 - 4 、表2 1 0 得到不同卫星仰角下包含阴影效 应的链路损耗l 如表2 - 1 1 所示。 表2 1 1 反向上行链路不同卫星仰角下的链路损耗 i卫星仰角( 度)链路损耗l ( d b ) 2 01 7 5 9 1 3 01 6 9 3 4 4 01 6 5 8 9 5 01 6 3 7 3 6 01 6 2 7 7 7 01 6 1 7 1 8 01 6 1 3 4 ( 3 ) 电平估算 a 卫星接收机噪声功率谱密度n o n o = k t ，其中，k 为波兹曼常数，k = 1 3 8 1 0 - 2 3 w s k ，t 为噪声温度， t = 3 0 0 k = 2 4 7 7 d b k 。所以，n o 一2 0 3 8 3 d b w h z 。按接收机带宽1 2 2 8 8 m h z 计算， 则接收到的噪声功率为一1 4 3 d b w 。 b 卫星实际的接收信号功率c 和e b ( 设定用户终端发射功率为：话音1 w ，o 4 w ) 话音：c = e i r p + g r l ，e b = c - 1 0 1 9 9 6 0 0 由于不同仰角下的链路损耗不同，表2 1 2 给出在不同卫星仰角下，不同的终 电子科技大学硕士学位论文 端发射功率下能提供的最大e b 斛。以及卫星的接收功率。 表2 一1 2 反向上行链路不同卫星仰角下的e b n 0 卫星仰e b ，n o ( d b ) e b n o ( d b )1 w 时的接收功率o 4 w 时的接收功率 角( 度)1 w0 4 wf d b m 、 ( d b m ) 2 04 5 90 5 9 1 2 94 11 3 34 1 3 01 1 1 67 1 6 1 2 2 8 41 2 6 8 4 4 01 4 6 11 0 6 1 1 1 9 3 91 2 3 _ 3 9 5 01 6 7 71 2 7 7 - 1 1 72 3- 1 2 1 2 3 6 01 7 7 31 3 7 3 1 1 6 2 71 2 0 2 7 7 01 8 7 91 4 7 9 1 1 5 - 2 l一1 1 9 2 1 8 01 9 1 61 5 1 6 1 1 4 8 41 1 88 4 2 5 本章小结 本章对仿真使用的卫星c d m a 移动通信系统基本构架进行了介绍，给出 了空间段和地面段的系统参数。由于该系统的无线接入部分参考i s 一9 5 标准，第 二章也对i s 9 5 标准的空中接口进行了介绍。本章给出了在不同卫星仰角下的前 向链路和反向链路的链路电平估算，由于该链路电平估算结合了实际的仿真结 果，并考虑了不同的卫星仰角，因此在工程应用上具有较大意义。 电子科技大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章卫星c d m a 链路性能仿真 卫星移动通信通常使用的多址技术有f d m a 、t d m a 和c d m a 等几种方式。 与传统的点对点定向传输的卫星通信不同，卫星移动通信是一点对多点的全向 性传输，必须采用扩频技术提高抗多址干扰能力。在c d m a 中还可以采用语音 激活、频率复用、扇区划分等技术来增加系统容量，而在f d m a 和t d m a 中扩 容技术实现起来难度较大。在全球卫星移动通信系统中若采用c d m a 技术，则 具有组网相对简单、灵活、抗干扰能力强、系统容量潜力大、成本低等一系列 优点【_ ”。卫星通信属于空间通信范畴，信号传输距离长，同时由于信号传播时受 到多径和遮蔽效应等因素的影响，使得卫星移动通信信道具有时变特性，从而 对卫星移动通信系统的调n 解调体制、编码技术带来很大的影响【l 】 引。由于卫星 c d m a 通信系统中的链路性能对进一步分析系统容量、服务质量保证以及无线 资源管理等具有较大参考价值，国内外为对卫星c d m a 通信系统的链路性能也 进行了较多的研究【1 9 】【2 7 】，但这些研究大多侧重于某一具体技术特征，缺乏对链 路性能较完备的研究。本章研究了参考i s 9 5 标准的卫星c d m a 移动通信系统 的链路性能，对在不同卫星仰角下的前向下行链路和反向上行链路的链路性能 进行仿真分析。由于仿真系统使用了除功率控制以外的所有技术特征，与真实 实现的卫星移动通信系统很接近。同时链路仿真结果为第四章进一步分析系统 容量奠定了良好的基础。 3 2 经典卫星移动通信信道模型 影响低轨卫星移动通信信道特性的主要因素是多径效应和遮蔽效应，以及 多普勒频移和加性高斯白噪声等【1 】。移动用户终端接收到的信号包括直射分量 ( 当有树木、建筑物等掌碍物遮挡时，直射分量可能会大大削弱，严重时将不 存在直射分量) 、多径分量( 由地形、地物、建筑物等引起) 和加性高斯白噪声。 由于多径效应和遮蔽效应是随机变化的，因而用户所接收信号得幅度和相位也 电子科技大学硕士学位论文 是随机变化的，服从一定的统计规律障1 。 在低轨卫星移动通信系统中，卫星与地面移动终端之间存在高速相对运动， 因而它们作为发射机或接收机的载体，接收信号相对与发送信号将产生多普勒 频移。多普勒频移的计算可参考文献【5 。由于多普勒频移造成频率扩散的功率 谱可由式( 3 - 1 ) 给出 f f1 ：1 一二纠“2(31 1 ) f ( ) = 一半l 3 一 式中，丘是载波频率，厶。是最大多普勒频移。 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【8 】【9 】【l o 】 1 5 ，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时作为参考。信道仿真模型参照 cl o o 模型搭建，并结合c o r a z z a 模型的研究结果，以下对这两个模型进行介绍。 3 2 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 可表示为： r o ) = z o ) s o ) + d o ) ( 3 2 ) 其中：，o ) 是接收到的信号；z o ) 是直射波信号；d ( f ) 是纯多径信号；s ( f ) 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r 服从r i e i a n 分布，即： 删= 云e 冲卜掣k ， ， 其中：6 。是平均散射多径功率，i o ( ) 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： 电子科技大学硕士学位论文 删= 丽1e 坤卜警 4 ， 其中：和d 。是i n z 的均值和方差； 由全概率公式和公式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 可以得到接收信号的包络r 的概率密度函 数为： 六o ) = f y , p k 玩0 ) a z 2 击脚 _ 警一掣卜 s ， 公式( 3 - 5 ) 可视为c l o o 模型的理论公式。 接收信号的包络r 的残余累积概率分布函数为： c r ( r ) 2 p ( r r ) 2l 工( ，) 咖2 1 一jf ，( r ) d r ( 3 6 ) 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3 1 所示。 表3 - ic l o o 模型的参数( d b ) 环境 1 0 1 。g 。嘛)1 0 l 0 9 1 0 )1 0 l o g 。) 非经常性轻阴影 o 5o 58 经常性重阴影 35一1 7 o一1 2 信号的平均电平通过率( l c r ) 为： 卟丽孺删 信号的平均电平衰落时间( a f d ) 为： 强= 瓦1 r 六( r 净 ( 3 - 7 ) ( 3 。8 ) 皇土型垫查兰堡主兰垡笙墨 3 2 - 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r ( f ) 可表示为： r o ) = l ( f ) + d ( r ) p ( f ) = r e b o ) ( 3 9 ) 其中：，o ) 是接收到的信号；z ( f ) 是直射波分量；d ( r ) 是多径分量；j ( f ) 表示阴 影衰落； 在实际信道中，月( ，) 反映了信道的快衰落特征，j ( f ) 反映的是阴影慢衰落效 应，它们是两个相互独立的随机过程。根据随机过程理论，可以用厶p ) a n 正0 ) 来表示接收信号包络r 的概率密度函数： o ) 2 r 厶( 舡( s 皿 - 。) 另外，假设j p ) 暂时保持不变，则由全概率公式可得接收信号包络r 的概率密度 函数： ，p ) = f 工阢0 ( 3 1 1 ) 由公式( 3 1 0 ) 与( 3 - 1 1 ) 比较可得： f = ! s k s ( 3 - 1 2 ) 而且( f ) 是服从r i c i a n 分布的，所以有： 州班三s 厶件k s ) 南唧 _ 高一茜卜苦， n n r i c i 胡子碇义舫专，所以静卜掣若对总脯恢功率进 行归一化处理，即令： z 2 + 2 0 ；= 1 ，则：t ：k + 1 “ 2 0 j 所以： 一皇王型茎盔堂堡主兰垡笙苎 州= 学唧 _ 学斗f 警卫 而j p ) 服从l o g n o r m a l 分布，其概率密度函数： 删2 志唧卜耕 其中： = 1 l n 矿l o ， 和盯2 为l n s 的均值和方差 由全概率公式、公式( 3 1 4 ) 、( 3 1 5 ) 可得到接收信号包络r 的概率密度函数： 正o ) = c 口，抚0 协 2 丽2 ( k + 1 ) r 唧小坤 _ 学一祥卜2 r 掣出 ( 3 1 6 ) 公式( 3 1 6 ) 可视为c o r a z z a 模型的理论公式。 c o r a z z a 根据e s a ( e u r o p e a ns p a c ea g e n c y ) 在乡村环境下对l 波段的 信号进行测量而得的数据，在最小误差平方和准则下采用最小二乘曲线拟合， 得到在乡村有阴影遮蔽的环境下、卫星仰角口 2 0 0 , 8 0 0 】之间的模型参数七，皿，口 的拟合公式： 瓦扛) = k o + 七】口+ 尼2 口2( 3 1 7 ) k ) = o + i 盘+ 2 d2 + 3 d 3 ( 3 1 8 ) 盯扛) = 口o + 0 1 口( 3 1 9 ) 拟合公式( 3 - 1 7 ) 、( 3 - 1 8 ) 、( 3 - 1 9 ) 中的系数如表3 - 2 所示。 电子辩鼓大学疆学位谚文 表3 - 2c o r a z z a 模型的参数 k 疗 k o = 2 7 3 t o = - 2 3 3 t 盯o = 4 5 k ，= - i 0 7 4 8 1 0 “ 乒l i 。1 4 2 4 1 0 1 秽，= 一+ 0 5 k 。= 2 7 7 4 8 t 0 2 一- 1 ，9 3 94 1 0 3 u 3 = 1 0 9 4 + 1 0 4 3 3 卫星移动通信能道仿真实现 由于本文研究的 ! 腿c d m a 通信系统主要工作在多树环境，因此惰道模型 采角传统静c l o o 模鍪，c l o o 模型霰设接浚鬟酾信号麓由受弱稿影 管瘸懿壹装 信号分爨和不受阴影作用的纯多径信号分量组成的。 3 。3 1r a y l e i g h 分布的仿真模块 盘文献【3 】f 1 7 】可知，鞭觚r a y l e i g h 分希的信号哥褫为由羟过多条不同路径来 的分量迭加而成，因此服从r a y l e i g h 分布的信号e ( t ) 可以表示为： e ( t ) 一r e t ( t ) e 3 叫】 ( 3 2 0 ) 其中：r 2 岛争一一舶2 。磊1 如； 设接收售号夔樱囊在【o ，2 茚】蠹均匀分悫，嚣：如= 等， 则有： o 专，虽= 等，删 于是褥到： r ( r ) = 鲁 0 8 州。+ 8 叫一一蚺一虬。靴“h “+ 口“h 正“1 】) ( 3 2 1 ) v v n = l 一皇兰型垫奎兰堡主兰垡笙苎 其中：。：i 1 ( i n 一1 ) 式( 3 - 2 1 ) 的前半部分代表从+ c o s ( 等) 到- w mc o s ( - 等) 的多普勒频移， 后两项分别为最大多普勒频移+ w 。和一w 。当n 比较大时，r ( f ) 是一个复高斯 过程，因此丁( f ) 的模服从瑞利分布，相位服从 o ，2 万 内的均匀分布。计算结果表 明当n 3 4 时，可以获得很好的结果。考虑到硬件实现上的复杂性，现取n ：3 4 ， 即n 。= 8 。此时所得到的功率谱为： ，一，三 f ( ，) = 1 - 上 2 ( 3 2 2 ) 其中：正是载波频率，f m 是最大多普勒频移。这样可以方便地调节最大多普勒 频移来控制输出信号的功率谱。由上面的推导可以画出在a d s 环境下产生复高 斯过程r ( t ) 的仿真结构，如图3 - 1 所示。 图3 - 1 复高斯过程t ( t ) 的a d s 仿真结构 电子科技大学硕士学位论文 其中_ a ) c o s 。s ( 2 n f c 。s 罢) ， 州2 s i n ( 詈) ， “_ 2 c o s ( ( i = 1 8 ) b ) c o s 9 = c o s ( 2 n f 。r 1 ， 加压s i n ( 三) ， 班压c 。s 呼) ， 又因为z ( t ) 的模服从瑞利分布，则服从r a y l e i g h 衰落分布的信号包络可表示为 ，：归西硒万 ( 3 2 3 ) 由上式可以得到r a y l e i g h 分布的a d s 仿真模块如图3 - 2 所示。 图3 - 2 r a y l e i g h 分布的a d s 仿真模块 图3 - 3 给出由图3 - 2 产生的信号包络，的统计特性与r a y l e i g h 分布理论公式 的拟合曲线。其中，厂卅= 8 6 h z ，由图3 3 可看出，仿真值与理论值的拟合程度 很好，这表明由图3 1 及图3 2 的仿真模块产生的信号包络的统计特性的确是服 从r a y l e i g h 分布的。 电子科技大学硕士学位论文 例 佣 挺l 枣 信号包鲳r 图3 - 3r a y l e i g h 分布仿真模块产生的数据的概率密度与其理论公式的拟合曲线 3 3 2l o g n o r m a1 分布的仿真模块 由对数正态分布与正态分布之间的关系可知：若随机过程x 服从正态分布 则过程y = e 。就服从对数正态分布。下面对此进行简要的证明。 证明：设随机过程x 服从正态分布，则其概率密度函数为： i x ( x ) 2 面1 e 2 4 2 ( j 一) 其中：“，盯2 分别是x 的均值和方差； 令y = e 。，则有： x = i n y ； 由此可得y 的概率密度函数为： 兀( y ) = f x o n y ) | ( 1 n y ) ( 3 - 2 4 ) 电子科技大学硕士学位论文 ，柚y 一r = _ = 一e 2 a2 ：0 耐。等。& 6 ) g - a ” 为了获得较大的系统容量丽又不致对系统功率提出过离的要求，卫星 c d m a 系统规划上通常选取多址干扰和裔斯噪声棚等，也就是n r = 2 。 4 。3 。 。2 发蘩臻攀受隈弱系统窭重努耩 由于用户手持终端发射功率肖限，同时考虑剡链路损耗，卫羼实际接收到 鹃僚号功率是有限豹。缓设一定b e r 要求下豹荤愆户信曝阮为s n r ，卫獯接收 到的单用户功率为p s ，噪声功率为晶，则 s n r = 擅( 4 7 ) p w 假设卫星# 够接收翻静最大用户葫率为p 。，用户数为m ，剐在穗同b e r 要求 下： 墨叠虬一：s n r ( 4 - 8 ) ( m 一1 ) b 。+ & 由式( 4 8 ) 可得 m ：! ! 嬲! ：堡幽：= 墨：婴 最一，s n r 若考虑话蠢激活因子岱，则式( 4 ，8 ) 变为 d 二量懋魁一= s n r g ( m 1 ) r 忍。4 - 乓 此时的用户数m 为 ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) m；(1+asnr)ps,n-pnsnr ( 4 1 1 ) 甜b 。s n r 电子科技大学硕士学位论文 4 。3 。1 3 联论分析辖果 匿4 一l ，4 2 分别绘出强户发射功搴分列为1 w 强0 4 w 时，爱用单浚豪至 星，b e r = 1 0 。在不同约束条件下的系统容量，并对比了使用话音激活和宋使用 话港激活时的系统容量，落音激淫因子靠一0 。5 。 图4 - 3 给出用户发射功率不同时，发射功率受限时的用户数比较。由表2 1 2 和图3 1 1 可知，在鼹户发射功率为1 w 时，卫星馋蹙为2 0 度时，系统能掇供静 最大信嗓比为4 5 9 d b ，无法满足b e r = 1 0 。时的信号功率耍求，因此，讨论用 户发射功率为1 w 时的系统容量从仰角3 0 度开始，同理，在讨论用户发射功率 为o 4 w 时的系统容量从仰角4 0 艨开始。 6 0 5 0 4 0 巅 畦、3 0 瓣 2 0 1 0 o j 。 ? r ，l 厂一o 一。 2 03 04 05 06 07 08 09 0 卫星仰缃( 度) 国4 1 单波柬系统容爨( 焉户教射功率为1 w ，b e r = 1 0 0 ) 电子科技大学硕士学位论文 6 0 5 0 4