移動衛(wèi)星通信信道分析

不同地域的傳播特性在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，移動設(shè)備不可避免地通過城市、郊區(qū)、農(nóng)村和開放空間等不同地理環(huán)境，并以一種獨特的方式解釋衛(wèi)星移動通信的信道特性。需要分析不同的地理環(huán)境，以確定各自的傳播特性。1在不同的環(huán)境下，衛(wèi)星移動信道模型1.1心極限定理由于城市地區(qū)高大建筑物和樹木的影響,電磁波的能量傳播主要通過散射方式進行,接收信號由很多相位相互獨立的反射波遞加而成。根據(jù)中心極限定理,當反射波數(shù)目N很大時,接收信號可以看成是兩個相互獨立的均值為0,方差為σd2的高斯隨機過程疊加。經(jīng)推導(dǎo),此時信號包絡(luò)的概率密度函數(shù)(pdf)為瑞利分布:p(D)=Dσd2exp(?D22σd2)d＜0(1)p(D)=Dσd2exp(-D22σd2)d＜0(1)式(1)中,2σd2為多徑反射信號的平均功率,由周圍環(huán)境決定。接收信號的相位在0～2π之間均勻分布。1.2x-qp--t包絡(luò)在開闊地區(qū),由于直射波s(t)沒有阻擋,所以接收信號可表示為:r(t)=s(t)+d(t)+g(t)(2)式(2)中,g(t)為加性白高斯噪聲(AWGN);d(t)為多徑反射信號之和,其包絡(luò)服從瑞利分布。設(shè)直射信號的包絡(luò)為定值,恒包絡(luò)的直射波與瑞利分布的漫反射之和產(chǎn)生萊斯分布的合成信號,其包絡(luò)的概率密度函數(shù)為:p(R)=2R1+k????√exp[?k?(1+k)R2]?I0(2Rk(k+1)???????√)(3)p(R)=2R1+kexp[-k-(1+k)R2]?Ι0(2Rk(k+1))(3)式(3)中,k表示直射與散射信號的功率之比,叫做萊斯因子(Ricianfactor),它與接收仰角的大小有關(guān)。I0(x)表示零階修正貝塞爾函數(shù)。1.3合成向量的一般過程中,傳統(tǒng)的多徑現(xiàn)象的特征,在一般在農(nóng)村和城郊,由于道路兩旁樹木房屋和小型建筑物的阻擋,直射信號會有不同程度的衰減。實驗證明,直射波的包絡(luò)變化服從對數(shù)正態(tài)分布:p(S)=12π√hσSexp[?12(lnS?μhσ)2](4)p(S)=12πhσSexp[-12(lnS-μhσ)2](4)即lnS服從窄帶正態(tài)分布,均值為μ,方差為(hσ)2,其中h=(ln10)/20。直射信號衰落相對于多徑衰落是一個慢變過程,所以可假設(shè)在一個小范圍內(nèi)(通常為幾十個載波長),直射信號為定值S,則接收信號包絡(luò)的條件概率密度函數(shù)符合萊斯分布:p(R|S)=Rσd2exp(?R2+S22σd2)?I0(RSσd2)(5)p(R|S)=Rσd2exp(-R2+S22σd2)?Ι0(RSσd2)(5)式(5)中,2σd2為多徑傳播引起的平均散射功率。接收信號包絡(luò)總的概率密度函數(shù)為:p(R)=∫∞0p(R|S)·P(S)dS(6)接收到的直射信號相位近似為高斯分布。以上是針對不同傳播條件進行的理論分析,許多學(xué)者對此進行了深入分析,提出了各種模型。目前普遍采用LOO等人提出的數(shù)學(xué)模型。在此模型中,信號的幅度電平被描述成兩個向量的和:一是信道中的慢幅度變化,在統(tǒng)計上是對數(shù)正態(tài)分布;二是多徑現(xiàn)象,它的向量幅度概率密度函數(shù)服從瑞利分布。合成向量的概率密度函數(shù)如式(7)所示:f(r)=rb02πd0√∫∞01zexp[?(lnz?μ)22d0?(r2+z2)2b0]?I0(r?zb0)dz(7)f(r)=rb02πd0∫0∞1zexp[-(lnz-μ)22d0-(r2+z2)2b0]?Ι0(r?zb0)dz(7)式(7)中,I0(z)是零階貝塞爾函數(shù),b0代表多徑引起的平均散射功率,d0??√d0和μ分別是對數(shù)正態(tài)分布中的標準方差和均值。b0、μ、d0??√d0是上述Rician/Lognormal信道的3個參數(shù),隨環(huán)境不同而改變。由于衛(wèi)星不斷運動,地球上任何觀察點看衛(wèi)星的仰角都在不斷變化,因而傳播條件也不斷變化,這與觀察點的位置無關(guān)。仰角是影響非靜止軌道衛(wèi)星移動通信性能的主要因素?？傊?移動衛(wèi)星信道屬于線性時變信道,它的沖擊響應(yīng)隨時間而變化,它對有用信號的干擾稱為乘性干擾,設(shè)ei(t)為輸入的已調(diào)信號,e0(t)為信道總輸出波形,n(t)為加性噪聲,三者的關(guān)系為:e0(t)=k(t)·ei(t)+n(t)(8)式(8)中,k(t)為乘性干擾。根據(jù)前面的分析,3類信道都能用兩個獨立的高斯隨機過程得到,即:瑞利(Rayleigh)信道:r(t)=a2c(t)+as2(t)???????????√r(t)=ac2(t)+as2(t)萊斯(Rician)信道:r(t)=[Ac+ac(t)]2+as2(t)?????????????????√r(t)=[Ac+ac(t)]2+as2(t)阻擋效應(yīng)下的萊斯(Rician/Lognornal)信道:r(t)=[yc(t)+ac(t)]2+[ys(t)+as(t)]2?????????????????????????√yc(t)+jys(t)=exp[μ+d0??√xc(t)]?[cos(d0??√xs(t)+jsin(d0??√xs(t))]r(t)=[yc(t)+ac(t)]2+[ys(t)+as(t)]2yc(t)+jys(t)=exp[μ+d0xc(t)]?[cos(d0xs(t)+jsin(d0xs(t))]其中,yc(t)+jys(t)的包絡(luò)呈對數(shù)正態(tài)分布,通過兩個獨立的高斯過程xc(t)和xs(t)得到。ac(t)、as(t)和xc(t)、xs(t)都是呈高斯分布的隨機過程,在仿真中用高斯分布的隨機數(shù)代表。2基于rician分布的誤差仿真3種信道模型中,Rician信道和Rayleigh信道可看成是Rician/Lognormal信道的特例。如果對數(shù)部分是零,得到的是Rayleigh信道;如果對數(shù)正態(tài)部分為定值,則為Rician信道。仿真中,ac(t)、as(t)是兩個獨立的N(0,1)正態(tài)分布隨機數(shù),所以瑞利信號的多徑平均功率b0=2(b0=2σd2),Rayleigh分布為:p(r)=rexp[-r2/2];由于Rician因子k=Ac2/b0,所以改變k值,得到相應(yīng)的Rician分布的概率密度函數(shù)曲線。對于Rayleigh信道,其3個參數(shù)隨遮陰程度的不同,分為3種情況,如下頁表1所示:在仿真中,一般用誤碼率曲線來表示信道的誤碼性能。下面設(shè)定信道的參數(shù),比較它在不同參數(shù)、不同程度的陰影條件下,經(jīng)過Rician信道的BER曲線(左)和Rician/Lognormal信道的BER曲線(右)比較,如圖2～圖4所示:3參數(shù)選擇的靈活性從仿真曲線可知,發(fā)送終端和接收終端所處的環(huán)境不同,信道參數(shù)不同,得到的誤碼率曲線不同。信道的性能主要取決于信道參數(shù),而信道參數(shù)不僅取決于接收環(huán)境,同時也取決于所接收的系統(tǒng),因此,參數(shù)選擇具有很大的靈活性。Ray