卫星移动通信信道模型分析

卫星移动通信信道模型分析

1主要信道模型目前，建立卫星移动通信的信道模型有很多形式。如城市无线传输模型——Suzuki概率分布模型,得出了信道的几种统计状态—瑞利分布、莱斯分布、对数正态分布均是Suzuki分布的特例。其中比较有代表性的信道模型主要有:C.Loo的乡村环境模型;Corazza的低轨卫星模型及Lutz的两状态混合模型。本文首先讨论并分析了以上几种信道概率模型的特性及应用环境,并对不同地理环境的信道模型进行了计算机仿真。2模型中移动通信的信道模型2.1c.loo模型C.Loo模型适用于乡村环境,模型假设大部分时间存在直视信号,并且叶饰对直视信号有阴影作用,同时存在漫反射形成的多径信号。多径信号不受阴影作用,而且多径和阴影有很大的相关性。在上述假设条件下,接收信号是对数正态和瑞利分布的随机变量和,即:其中,相位ue001φ和ue001φ0在0～2π之间均匀分布,z是对数正态分布,w是瑞利分布。假设z暂时保持不变,r的条件概率函数简化成莱斯分布:其中,b0表示由于多径引起的平均散射能量,I0()为零阶修正Bessel函数,p(z)是对数正态分布,若用_和d0分别表示lnz的均值和方差则有:p(z)=1/(2πd0−−−−√z)exp[−(lnz−μ)2/2d0](3)p(z)=1/(2πd0z)exp[-(lnz-μ)2/2d0](3)由全概率公式得:p(r)=∫0∞p(r,z)dz=∫0∞p(r/z)p(z)dz=r/(b02πd0−−−−√)∫0∞1zexp[−(lnz−μ)2/2d0−(r2+z2)/2b0]I0(rz/b0)dz(4)p(r)=⎧⎩⎨1r2πd0√exp[−(lnr−μ)2/2d0]r≫b0−−√rb0exp[−r2/2b0]r≪b0−−√(5)p(r)=∫0∞p(r,z)dz=∫0∞p(r/z)p(z)dz=r/(b02πd0)∫0∞1zexp[-(lnz-μ)2/2d0-(r2+z2)/2b0]Ι0(rz/b0)dz(4)p(r)={1r2πd0exp[-(lnr-μ)2/2d0]r≫b0rb0exp[-r2/2b0]r≪b0(5)式(5)可以理解为若接收信号能量远大于多径能量即接收以直射波为主,分布应是对数正态的,若接收信号能量远小于多径能量,接收以多径为主,分布近似为瑞利的。由其假设条件可知C.Loo模型应用范围受到限制,只适用于乡村或郊区,并且存在直视信号分量,且直视信号分量不受阴影作用。有关C.Loo的模型参数见文献。2.2接收信号能量的描述Lutz模型是在实验基础上建立起来的。利用计算机分析记录结果,得出了衰落幅度、概率密度、接收信号能量分布,以及衰落和非衰落期持续时间的百分比,并在此基础上建立了多径和阴影效应的信道概率分布模型。根据接收的平均信号的大小将信道分为两种状态——理想的信道状态和非理想的信道状态。当信道处于理想的状态时,接收端能接收到直射波分量,处于非理想的信道状态时,路径上有阻挡,直射波分量受到建筑物等的阴影作用。对应于理想的信道状态:直射波不受阴影作用,服从瑞利分布的多径信号叠加在直射波分量上,总的接收信号能量服从莱斯概率密度分布:PRice(S)=ce−C(S+1)I0(2cS√)(6)ΡRice(S)=ce-C(S+1)Ι0(2cS)(6)其中,c为直射波与多径波能量比(即莱斯因子),I0()为零阶修正Bessel函数,S为接收信号能量。若将直射波能量归一化,总接收信号能量平均值为(1+1/c)。对应于非理想的信道状态:存在阴影效应,无直射波分量,多径分量在一定条件下服从瑞利分布。假设S0表示由于阴影引起的短期内时变的平均接收能量,则接收信号能量S在S0条件下的概率密度函数表示为:PRay1(S/S0)=1/S0exp(-S/S0)(7)S0服从对数正态分布:Plog(S0)=4.3432π√σS0exp[−(10logS0−μ)22σ2](8)Ρlog(S0)=4.3432πσS0exp[-(10logS0-μ)22σ2](8)其中,μ为以dB计的平均能量电平,σ2为由于阴影引起的能量电平的方差。由全概率公式,在非理想的信道状态下总接收信号概率密度可表示成:由于车辆是在很大范围的地形表面运动,信道的状态也可能时好时坏。为了表示一段时间(对应于一段行驶距离)内信道的总体状态,引入阴影持续时间百分比概念,用A表示,则信道的总概率密度函数:Lutz模型参数见文献。2.3+1r/s1exp1/2r/sames3/hCorazz模型认为信道的概率分布是莱斯和对数正态的联合分布,阴影不但作用于直射波分量,也作用于漫反射分量,通过调整参数值,模型可以适用于所有环境(城市、郊区、乡村)。Corazza模型接收信号包络r的概率密度函数:其中p(r/S)是某一给定阴影条件下的莱斯分布:p(r/S)=2(K+1)r/S2exp[−(K+1)r2/S2−k]I0(2r/SK(K+1)−−−−−−−−√)(r≥0)(12)p(r/S)=2(Κ+1)r/S2exp[-(Κ+1)r2/S2-k]Ι0(2r/SΚ(Κ+1))(r≥0)(12)式中I0()是零阶修正Bessel函数,K为莱斯因子,阴影S为对数正态分布:ps(S)=12π√hσSexp[−12(lnS−μhσ)2](S≥0)(13)ps(S)=12πhσSexp[-12(lnS-μhσ)2](S≥0)(13)h=(ln10)/20,μ和(hσ)2是ln(S)的均值和方差。满足Corazza模型的接收信号包络可以解释为r=RS,即接收包络r是两个独立随机过程——对数正态和莱斯过程随机变量的乘积,R是莱斯分布随机变量,S是对数正态随机变量,由于R和S是相互独立的,所以有:pr(r)=∫∞01SpR(r/S)ps(S)dS=∫∞01Rps(r/R)pR(R)dR(14)pr(r)=∫0∞1SpR(r/S)ps(S)dS=∫0∞1Rps(r/R)pR(R)dR(14)将(11)式与(13)式比较得累积包络概率分布函数:pr(r0)=Prob{r＜r0}=∫r00∫∞0ps(S)spR(r/s)dsdr=1−Es{Q(2K−−−√,r0S2(K+1)−−−−−−−√)}(15)pr(r0)=Ρrob{r＜r0}=∫0r0∫0∞ps(S)spR(r/s)dsdr=1-Es{Q(2Κ,r0S2(Κ+1))}(15)其中:ES{}代表对S求期望值,Q是Marcum-Q函数,各参数均与仰角有关,参数K,μ,σ等参数可根据文献经验公式获得。3不同的生境下的信号模型通过分析可以看出,以上所提出的几种概率分布模型,都是针对在某一特定的地理环境和条件下所提出的。适用范围受到限制。在实际当中。由于接收者在一个较大的范围内移动时,环境参数会随之改变,实际的信道模型并不唯一。如果假设环境特性是缓变的,在一个小的地理环境内,环境参量可以认为是不变的,因而,实际的陆地移动卫星信道可以看成是几种有限状态的集合,每种状态分别属于上述的几种状态之一,也就是说,可以用有限状态的马尔可夫过程来表示。本文根据不同的地理环境提出了三状态信道模型。信道特性按直视信号被阻挡的程度分为:直视信号完全被阻挡(城市模型);直视信号部分被阻挡(郊区模型);直视信号未被阻挡(开阔地模型)。本文分别对不同地理环境的信道模型进行了计算机仿真。给出了接收电平的时间波形、信号幅度电平的累积概率分布函数以及QPSK调制方式在不同衰落信道中的误码率性能分析,同时考虑了不同仰角下的误码特性。3.1过程间的两状态模型在开阔地环境下,可以近似地认为直视信号(LOS)基本上没有受到遮蔽的影响,接收信号主要是直视信号和多径信号的叠加,所以用莱斯信道来仿真这一环境下的电波传播特性。为了能够更好的反映出运动体在开阔地运动时偶尔遇到的深度遮蔽的情况,还采用了lutz两状态模型来描述这一情况。模型基本参数为:遮蔽因子A=0.93,莱斯因子K=10dB,对数正态均值为-2.5方差为1.2。3.2c.loo模型仿真郊区环境是既存在遮蔽的情况也存在非遮蔽的情况,用C.Loo模型来仿真。仿真参数见文献。利用这些数据,可以得出卫星工作于不同仰角情况下的信道特性。3.3城市环境在城市环境中,由于遮蔽比较严重,直视信号几乎不存在。接收信号主要是多径信号,所以可以利用瑞利信道来仿真。3.4一般环境在广域环境中,移动体会经过以上三种环境,可以利用广域Markov信道模型可以近似地仿真这一环境的电波传播特性。3.5模拟调用和解调特性这里,将各种环境下的信道仿真模型作为一种乘性干扰直接应用于调制与解调的仿真。4模拟结果分析4.1时间波形分析在不同地理环境下仿真得到的接收信号电平的时间连续波形图分别如图1～4所示,其中0dB对应于平均接收能量。4.2qpsk调制方式图5～8分别给出了不同地理环境下接收信号的累积概率分布函数。图9给出了在郊区环境下卫星接收机工作在不同仰角下接收信号电平的累积概率分布。图10～12分别给出了在不同地理环境下采用QPSK调制方式时的误码率曲线。图13给出了仰角不同时的误码率曲线。图10、图11、图12分别给出了QPSK调制在不同衰落信道中的误码性能,由于在城市环境中直视波分量完全被遮蔽,所以误码性能较差,甚至中断通信,必须采取各种抗衰落措施,在郊区环境下本文给出了在不同的衰落情况下的误码曲线,在开阔地环境中本文给出了不同的莱斯因子的误码性能,可以看出,随着莱斯因子的不断增加曲线逐渐接近于理想曲线。从图13中可以看出,随着仰角的增加误码率有很大的改善并逐渐接近于理想曲线,说明增加仰角可以改善电波的传播环境,从而提高通信系统