卫星移动通信信道特性分析

1、收稿日期:2003-09-10基金项目：国家自然科学基金资助项目/个人移动卫星通信电波传播特性研究0(60172006作者简介：1.符世钢(1979-,男，云南安宁人，云南大学信息学院通信与信息系 统专业在读硕士研究生，主要从事移动通信关键技术研究；2.任友俊(1973-,男，云南宣威人，曲靖师范学院计科系讲师、工学硕士，主 要从事网络通信及其编程研究；3.申东娅(1965-,女,云南昆明人,云南大学信息学 院副教授，主要从事移动通信研究卫星移动通信信道特性分析符世钢1,任友俊2,申东娅3(1.3.云南大学信息学院,云南昆明650091; 2.曲靖师范学院 计科系,云南曲 靖 655000摘要

2、：卫星移动通信作为地面移动通信的补充，是实现全球个人通信的必不 可少的手 段之一，同时也是目前发展最迅速的通信技术之一卫星移动通信具有卫星固定业务和移动通信双重特点，其电波传输距 离远，经历的环境特殊，导致其 信道特性远比地面系统复杂因此，研究其信道特性是设计出高效实用的通信系统的关键环节本文对其信道特性进行了具体深入的分析，并对某些衰减因素的解决 措施作了简要探讨关键词：卫星移动通信；信道特性；传输损耗；多普勒频移中图分类号:TN927+123文献标识码:A文 章编号:1009-8879(2003 06-0071-04卫星移动通信是指利用卫星实现移动用户间或移动用户与固定用户间的相互通信近年

3、来地面蜂窝移动通信系统得到了飞速发展，但是它的覆盖范围有限，仅 能为人口集中的城市及其附 近地区提供服务为了获得全球范围的无缝覆盖,实现 名符其实的全球个人通信，不得不引入卫星移动通信来作为地面移动通信的补充 卫星移动通信具有覆盖面积大、业务范围广、适用于各种地理条件等优点，在过 去二三十年中发展十分迅速，成为极具竞争力的通信手段之一 与地面移动通信系统不同，卫星移动通信系统的电波传播要经过漫长的距离， 其间要受到多种因素的干扰这大大增加了接收信号的波动性，成为保证通信质量 的最大障碍为此，研究信道特 性成为设计通信系统的首要任务本文将对其进 行 具体分析.1传输损耗卫星移动通信中电波传播要经

4、过对流层(含云层和雨层、平流层直至外层空 间，传输损耗大 致为自由空间传输损耗与大气损耗之和.111自由空间传输损耗在整个卫星无线路径中自由空间(近于真空状态占了绝大部分，因此，首先考虑自由空间传 播损耗.卫星移动通信系统无 线链路与大尺度无 线电波传播模型类似，在自由空间模型中，接收功率的衰减为 T-R距离的幕函数1.当发射和接收天线均具有单位增益时，自由空间路径损耗为：L f =10lg(K 2=20lg(3108d f (db (1当d取km、f取GHz为单位时,可简化为下式：L f =92145+20lgd +10lg f (db112大气层损耗大气层在卫星无线路径中所占比例不大，但却

5、是最不稳定的区域，其损耗是卫 星移动通信最具特色的信道特征之一 伴随着天气的变化，降雨、降雪、云、雾 等都不可避免地对穿透其中的电 波产生损耗，个别极恶劣的天气甚至会造成通信 信号的中断由于各种客观条件的限制，目前对其 损耗只能通过实际观测积累数据 并由此总结出一 些经验公式.在各种天气引起的损耗因素中，降雨损耗所 占的比例最大且具有代表性.在雨 中传播的电波会受到雨滴的吸收和散射影响而产生衰落.此时引入降雨衰减系数 的概念，即由降雨雨滴引起的 每单位路径上的衰减R , R如下式所示：第22卷第6期2003年11月曲靖师范学院学报JOURNAL OF QUJING TEACHERS COLLE

6、 GEVol. 22 No. 6Nov. 2003R =41343103Q +0 n(r 8(r , K d r (db/km (3 上式中 n(r d r 是单位体积中半径在r和(r + d r之间的雨滴数目，它取决 于降雨强度；8(r, K是半径为r的雨滴对电波 为K的衰减截面，它取决于工作频率.值得注意的是，当电波波长远大 于雨滴的直 径时，降雨损耗中雨滴的吸收起主要 作用；而当雨滴的直径增加或波长缩短时，散 射作用就会增大2.理论上用降雨衰减系数与电波穿透的雨区路径相乘即可得总的降雨损耗.但实际上降雨衰减 系数在电波传播路径上的不同点各不相同，给计算带来了极大的困 难，为此需要对二者进

7、行转换.此时引入了降雨强度P的概念，即单位时间的降 雨 量，P如下式所示P =Q +0n(r (3r 3 Q v(r d r (4式中,Q是水的密度，v(r是地面处半径为r的雨滴 的下落速度.在计算卫星通信传播路径上的降雨损耗时，必须知道降雨区域的等效路径长度 D (B ,其基本定义如下：D(B =当仰角为B时传播路径上产生的总降雨 衰减/对应于地球站所在地降雨 强度的单位距离 降雨衰减系数(5在150GHz的频段内,可以认为降雨衰减大致 与降雨强度成正比，因此借助于降雨强度的概念，(5式可近似表示为：D(B = +R (r d rR (0(km (6这就是说，所谓降雨地区的等效路径长度，就是

8、把电波传播路径上不同点的不 同降雨强度折算成地 球站所在地的降雨强度时得到的等效路径长度.从(5式可以看出，可以用地球站所在地的降雨 衰减系数与等效路径长度相乘，来得到仰角为B 的传播路径上产生的总的降雨损耗，这将极大地 方便我们进行计算和预测.但是,在具体计 算D(B时,既不可 能测定Q +0R (r d r ,又不可能计算出时刻 都在变化着的 等效路径长度的瞬时值，所以，一般都是使用等效 路径长度的统计 值.它定义为：某一仰角的传播路，概率的降雨衰减量(db ,与同一时期内测得的、 同一时间概率的降雨衰减系数之比(db/km .2折射、闪烁、法拉第旋转除了大气层中的传输损耗外，大气层中的不

9、 规则特性也会对无线电波产生衰 减.此外，当电波通过电离层这一极其特殊的环境时，也会发生特殊的变化.211大气折射无线电波穿透大气层时要发生折射，大气折射率随着高度增加、大气密度减 小而减小于是，从地球站看卫星，电波射线传播路径产生向上凸 出的弯曲，致使 该路径的仰角比真实仰角偏高，且还因传播途中大气折射率的变化而随时变化 大 气折射率的这一变化对穿透其中的电波起到一个 凹透镜的作用，从而使电波的聚 束失散而引起散 焦损耗，这种损耗与频率无关此外，对流层的扰 动引起大气折射 率发生起伏，使得电波向各个方 向上散射，导致了波前到达大天线口面时其幅度 和 相位分布不规则.这种损耗称为漫射损耗或散

10、射损耗.散焦衰减和散射衰减通常都 很小，但它们与大气层的天气状况无关而经常存在，因此在设计卫星移动通信系 统，特别是低仰角系统时必须加以考虑.212闪烁闪烁按其 成因可分为大 气闪烁和电 离层闪烁.21211大气闪烁由于大气折射率的不规则变化引起的信号强度的起伏现象，称之为大气闪烁.这类闪烁的周期 约为几十秒.210GHz的大气闪烁是由于大气的 不规则引起的电 波的多径散射和收敛.测量表明，标准大气中的信号强度为高斯分布.如直径为30 米的天线在仰角为5b的情况下，信号强度的起伏 幅度为016分贝.21212电离层闪烁电离层中自由电子并非均匀分布，而是呈层 式分布，此外，自由电子在电离层 中不

11、断地发生随时游动.电离层结构的这种不均匀性和时变性造成穿透其中的无 线电波在振幅、相位、到达角、极化状态等方面发生短周期的不规则变化，这种 现象称为/电离层闪烁0.它与卫星移动通信系统的#曲靖师范学院学报第22卷时间等有关，尤其与地磁纬度和当地时间有关3.在地磁赤道附近及咼纬度地 区（尤其地磁65b以上电离层闪烁极其明显和频繁.时间上,在太阳活动较强的年 份闪烁频度会明显增大，甚至在白天也能观测到闪烁.电离层闪烁涉及到的频域很宽，这使得通常采用的频率分集、极化分集、扩 展频谱等抗衰落措 施往往行不通.例如在UHF频段，3db相关带宽超 过100MHz, 如要使用频率分集，则需要频率间隔 大于1

12、00MHz,这在实现上存在很大困难.此 外，电离层闪烁涉及的地域也很广阔，且电离层中不规 则区域会发生漂移从而引起 所涉及的地域发生变化，这些特点使得采用空间分集的抗衰落方法也变得不现实. 目前解决电离层闪烁的有效办法是 时间分集和编码分集，也可采用增加储备余量的 方法来减小其造成的影响.213法拉第旋转由于地球磁场的影响，电离层中等离子体媒 质呈现出各向异性特性.卫星移动 通信中电波广 泛采用线极化和圆极化的形式.一个线极化波可 以看成是等振幅的 左旋和右旋两个圆极化波的合 成，在属于磁性等离子媒质的电离层中传播时，由于 其各向异性特性，这两者的相速不同，致使两个圆极化波之间的相位差发生变化

13、. 当它们通过电 离层后，重新合成的线极化波的极化面相对于入 射波方向产生缓慢 的旋转，称为法拉第旋转4.旋转角度H的大小与电波频率、 地球磁场强度、等 离子体的电子密度、传播路径长度等有关，其计算可以使用下式：H =21365104f 2LNB cos A d L （弧度（7式中f为频率，N是电子密度，B是地球磁场 的磁能量密 度，A是传播路径与地球磁场的夹角，L是在电离层中传播路径的长度.从上式可见，法拉第旋转的大小与频率的平 方成反比.因此，对于较低的频率 （1GHz ,为了克服法拉第旋转，需要采用圆极化作为发射电波的 极化方式，或者采 用极化跟踪技术.当频率升高（尤其是大于10GHz时

14、，法拉第效应往往可以忽 略， 此时就可以采用线极化波了 .3阴影效应，多径衰落，多普勒频移其本身兼有卫星固定业务和移动通信双重 特色，使其信道具有更多的复杂性，这成为研究的又一重点.311阴影效应与单纯的固定业务卫星通信不同，卫星移动通信具有很大的机动性和灵活性， 地面通信地点 无法预先选择.因此当电波传播路径遇到建筑物、树木、起伏山丘等障碍的阻挡时，会造成接收信号 电平的下降，这一现象称为阴影效应，所引起的 信号衰落称为阴影衰落，其大小取决于障碍物状况 和信号的频率.目前针对不同 的障碍物已做出许 多实际测试，比如针对树木遮挡损耗，典型的就有Goldhirsh和 Vogel实测的单棵树木在8

15、70MHz（右旋圆极化传输的衰减量和Michigan进行的 以116GHz电波仰角穿透单棵红树冠时的衰减量.从实际测试中已得到大量有用数 据和经验公式.312多径衰落无线电波在传播过程中会遇到建筑物、树木、山丘等各种障碍物，产生出反射波、散射波、绕射波，这就使得接收到的信号是从多条路径传播来的信号的合成.由于在各条路径上信号传输时间 不同，到达接收端时相位也就不同.不同相位 的信号叠加时往往是同相增强、反相减弱，有时甚至相 互抵消.这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落，被称为多径衰落.与固定卫星通信不同，卫星移动通信中移动台的接收天线较小且几乎没有方向 性，会从各个 方向上接收信号，因

16、此多径衰落广泛地存在于其 信道中，其大小与工 作频率、天线增益、天线仰角、地形等因素有关.例如对目前常用的GEO（静止 地球轨道卫星移动通信系统，其最大的多径衰落 可以超过20db.目前克服多径衰 落的措施主要有交织编码与卷积编码相结合、采用差分调制方式、极化成形及空 间分集等.313多普勒频移当无线电波收发终端之间产生相对运动时，接收端收到的频率相对于发送端而 言就会发生变 化，产生的这个附加频率偏移量称为多普勒频移在卫星移动通信中卫星和地面移动台的运动都 会引起多普勒频移，其大小与卫星轨道高度、 轨道类 型、地面站纬度等因素有关.MEO（中轨道、LEO（低轨道 卫星由于与地球产 生相对运动

17、,因此多普勒频移通常比GEO（静止地球轨道卫星# 73 #第6期符世钢，任友俊，申东娅：卫星移动通信信道特性分析有最大的正多普勒频移；当卫星通过地面移动台的最大仰角时，多普勒频移为 零；当卫星从地平面 消失时，有最大的负多普勒频移另外，卫星的轨 道越低，飞 行速度越快，多普勒频移就越大.如果两个发射频率之间的间隔不够大，即小于最 大多普勒频移时，则接收端就可能产生相互干扰.同时，它还会使接收机输出信号 幅度下降，也会引起较大的相位误差.多普勒频移通常采用闭环频率 控制、预校 正、差分调制等方法来解决.4结论在卫星移动通信的发展进程中其信道特性一直是研究的重点.本文从传输损 耗，折射、闪烁、法拉

18、第旋转，阴影效应、多径效应、多普勒频移3个方面进 行分析,得出的结论普遍适用于GEO, MEO, LEO, HEO等多种卫星系统,在论 述现象的同时给出了一批量化表达式，为理论预测打下了基础.从各种分析中可以 看出：由于卫星中继的特殊位置，其双向链路传输损耗大；在传输环境中的 多种不稳定因素干扰下信道 参数的波动性很大，且在个别情况下产生极大的接收信号衰落.因此，如何对其特性进行优化必将成为又一个研究重点.参考文献1 Theodore S. Rappaport :Wireless com muni catio ns prin ciples and practice .Prentice Hall

19、 Inc.中文本：无线通信原理与 应用M.蔡涛,李旭,杜振民译.北京： 电子 工业出 版社,1999:5051.2 全庆一，廖建新，于玲，等.卫星移动通信M.北京邮电大学出版社， 2000:3940.3 吴志忠.移动通信无 线电波传播M .北京：人民邮电出版社，2002:85.4 张乃通，张中兆，李英涛.卫星移动通信系统M .北京:电子工业出版 社,1997:25.张更新,张杭.卫星移动通信系统M .北京：人民邮电出版社,2001:95.An alysis of cha nnel property for mobile satellite com muni catio nFU Sh-i gan

20、g 1, REN You -jun 2, SHEN Dong -ya 3(1.3. Information Co llege of Y u nnan Univer sity, K u nming Y unnan 650091,China; 2. Compu ter Dep. , Quji ng Teachers Co llege, Quji ng Yunnan 655000, ChinaAbstract :As a compleme nt of land -mobile com muni cati on, mobile satellite com muni cati on is an esse ntial method to achieve global pers onal com muni cati on. Mean while, it is also one of the com muni cati on tech no logies that develop fa