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地球同步軌道衛星信道模型分析及實現

2014年電子技術應用第8期

郭業才，袁濤，周潤之，張秀再

(南京信息工程大學電子與信息工程學院, 江蘇南京210044)

摘要： 為研究地球同步軌道衛星信道的傳播特性，依據星地鏈路空間分布情況，研究了自由空間損耗、電離層閃爍、大氣吸收、多徑及陰影對信道鏈路的影響；根據天氣狀況的“好”與“壞”，提出了地球同步軌道衛星信道的Rice模型和Suzuki模型，并用兩狀態Markov巧妙地聯系在一個動態模型中，以反映天氣變化帶來的狀態之間的轉換；最后設計了信道模型的實現方法。仿真結果表明，所提模型仿真數據與實測數據具有很好的一致性。

關鍵詞： 多徑效應陰影效應 Markov模型

中圖分類號： TN927.23
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)08-0098-03

The analysis and implementation of geosynchronous orbit meteorological satellite

Guo Yecai， Yuan Tao， Zhou Runzhi， Zhang Xiuzai

College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China

Abstract： In order to study the propagation characteristic of geosynchronous orbit satellite channel，the free space loss, ionospheric scintillation, atmospheric absorption, multipath and shadow effects were analyzed based on the spatial distribution of the satellite-earth link. The Rice and Suzuki model of the geosynchronous orbit satellite channel were proposed according to the good or bad weather condition. Then the two-state Markov model was introduced into satellite channel model. Finally, the satellite channel simulator was designed and simulated based on the proposed method. The results show that the data of proposed model has a good consistency of the measured one.

Key words : multipath effect; shadow effect; Markov model

　　衛星信號傳播特性是衛星通信技術中最基礎的研究之一[1]。通過數學方法建立衛星信道模型可較準確地反映信道真實物理傳播特性[2-4]。本文以地球同步軌道衛星和地面接收站之間鏈路為對象，先分析自由空間損耗、電離層閃爍、大氣吸收、多徑及陰影對信道鏈路的影響，再根據天氣狀況的“好”與“壞”，建立衛星信道Rice模型和Suzuki模型，視為兩狀態Markov鏈動態模型，以描述天氣狀態的轉換，并給出信道模型的實現方法。

1 地球同步軌道衛星信道傳播特性

　　現分析星地鏈路中自由空間損耗、電離層閃爍、大氣吸收、多徑陰影效應的特性。

　　1.1 自由空間損耗

　　同步衛星在36 785 km的高空中，由衛星向地面接收站傳播的信號首先經歷外層空間，外層空間含有密度很低的物質。由于信號在自由空間經歷的路徑很長，占總路徑的95%以上，因此對靜止衛星通信鏈路而言，自由空間損耗Lf是最主要的損耗，其具體計算方法為:

　　 ${99I0~QSX3VV7{@CF_2~2RM.png$

　　式中，R為傳輸距離，載波波長。因為衛星通信系統設計時，載波波長是確定的，所以自由空間損耗只與路徑長度有關。

　　1.2 電離層閃爍效應

　　衛星信號經過外層空間后，依次通過散逸層、熱層和中間層，這幾層物質處于部分電離或完全電離的狀態,能使無線電波改變傳播速度。其中，電離層閃爍[5]的影響比較明顯，它與季節、頻率、觀測點的幾何位置有很大關系,通常用幅度閃爍指數S4來定量描述這種閃爍效應，S4為每分鐘信號強度S的標準差與均值的比值，計算方法為:

　　 U{6(6X1)NM(4LGF3GI0TYAW.png

　　式中，<·>為時間均值；S4為電離層閃爍的強度大小。

　　1.3 大氣吸收損耗

　　電波信號由上而下依次經過平流層和對流層，它們集中了幾乎所有的大氣和水蒸氣，其中臭氧、氧氣和水蒸氣會對電波傳播造成損耗。大氣吸收損耗主要與電波的頻率、地面站天線波束仰角、地面站海拔高度及水蒸氣密度有關，且隨著頻率升高，損耗明顯增加，因此在通信線路設計時必須考慮大氣吸收損耗。主要是H2O和O2引起的大氣吸收損耗，即:

　　 H0$L~39V1UF2XKHKMP{YK`X.png

　　其中，下標L可分別代表水蒸氣或氧氣； `EZ$@J%51GC((VM)C1NS}9X.png L為損耗系數；h為有效高度； L]A$JH`3R{R{BWI]}TSEETH.png 為仰角。

　　1.4 多徑、陰影傳播效應

　　當終端所處地區為濃霧環境時，信號在傳播過程中由于霧的阻礙產生多徑效應，會造成信號傳播方向的改變及強度的變化，從而導致多徑衰落。接收信號的包絡服從Rayleigh分布[4]，幅度a1的概率分布函數為:

　　 G[AN){3Y79AIRP4X6Y8}5EV.png

　　其中， %[B]VP3KKJ]F_XLL6ZNQMC2.jpg 12為a1的功率；a1=a1(t)是時間t的函數。

　　與此同時，衛星信號在傳播的過程中經歷諸如云層、樹木環境時，信號會產生陰影衰落效應，這種效應存在于不理想傳播環境的整個路徑。這種陰影衰落信號包絡a2=a2(t)服從Lognormal分布，即:

　　 W1G~W%(6]_(V3E69%DAV5OL.png

　　式中， }6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png 2和 S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png 2分別是a2的方差和均值。

2 同步軌道衛星信道Markov模型

　　研究發現對流層以上各層影響衛星信道的傳播損耗存在以下特點：外層空間的自由空間損耗僅是傳輸距離的函數，電離層閃爍和對流層的大氣吸收在某一確定時間和地點是確定值，所以星地鏈路概率統計模型可建模成多徑與陰影效應模型。

　　由第1節分析可知，同步軌道衛星信道的多徑陰影效應與星地鏈路天氣狀況有直接關系，可按天氣狀況的“好”、“壞”分別建模。

　　2.1 “好”天氣下的Rice模型

　　當天氣狀況良好時，信號經信道傳輸時沒有受到云層的阻礙，終端接收的信號包含多徑和直射分量，此時接收信號包絡a3=a3(t)服從Rice分布，即

　　 R46JZA)%LHYB`YJO(@@F19H.png

　　式中， U0OF12G{G3T$JU][5{4[NPT.png 表示直射信號幅度； }6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png 32為a3=a3(t)的功率；I0為第一類修正貝塞爾函數。當直射信號幅度減小時，Rice分布轉化為Rayleigh分布。

　　2.2 “壞”天氣下的Suzuki模型

　　當天氣狀況較差時，信號經衛星信道傳播時主要受到陰影效應和不存在直射信號的多徑效應影響，可以描述為Suzuki模型[3]，即:

　　 )HS%I3Z}3ZKS6VYMU6V`JKL.png

　　式中， }6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png 4是Rayleigh中各高斯分量的標準差； S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png 2和2分別為服從Lognormal分布信號的均值和標準差。

　　2.3 同步軌道衛星信道Markov模型

　　衛星和接收終端是靜止的，接收環境也比較理想，但衛星信道隨著天氣的變化、云朵的移動，會產生Rice模型(表示“好”狀態)和Suzuki模型(表示“壞”狀態)之間的相互轉換,這種轉換可用兩狀態Markov模型描述[6]，以較確切地反映衛星信道的動態特性。Markov模型可以由狀態矩陣S和轉移矩陣P表示。狀態矩陣S為:

　　S=[sg,sb] (8)

　　式中，sg表示“好”狀態的Rice模型，sb表示“壞”狀態的Suzuki模型。

　 ])%A13NL}1AL99G7T}JH2$K.png

　　式中，pgb表示由“好”狀態轉移到“壞”狀態的轉移概率，Pgg表示仍然保持“好”狀態的概率，Pbb和Pbg的物理意義依此類推。由于Markov鏈是非周期、不可約的，所以它的穩態分布存在且等于狀態分布。在Markov鏈中，k次轉移之后的狀態Sk為:

　　Sk=SP k-1 (10)

　　式中，P k-1表示轉移矩陣的k次相乘。

3 同步軌道衛星信道實現方法

　　信道模型是物理信道傳播特性的數學表示，只有用硬件或軟件實現才有意義。因此，需要研究衛星信道模型的實現方法。

　　3.1 實高斯隨機過程實現方法

　　在介紹實現方法之前，首先說明實高斯隨機過程 S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png i(t),i=1,2,3,4,5的產生方法，如圖1所示，i(t)是由有限多個加權諧波疊加產生的第i個實高斯隨機過程。

　　圖1中ci,n為產生第i個實高斯隨機過程時第n次諧波的權值[6]，取值為:

　　 3L]TJOHIAGFS7{EZAYJD`]Y.png

　　式中， }6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png 為功率；i,n和fi,n為產生第i個實高斯隨機過程時第n次諧波的初始相位和頻率[7-8]，取值為:

　　 SN2@VH`47O~TD_T$6SCM}}R.png

　　3.2 信道模型的實現方法

　　“好”天氣狀態下，Rice信道表式為:

　　 W6AK86H93VN_CF~R3[IKR6K.png

　　 %VAFL~O42QQI6$IB(@X]J}C.png

　　3.3 Suzuki信道模型的實現方法

　　對按圖1所示方法產生的實高斯隨機過程 S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png 3(t)和4(t)求和，再取模得瑞利分布Rayleigh信號包絡 )970Z7C2GD%7F]DX@C0SSH7.png 1(t)，如圖3所示。產生1(t)時，式(11)中 }6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png 取1。

　　由圖1所示方法產生的實高斯隨機過程 S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png 5(t)通過指數變換得Lognormal信號包絡 M2G}COO6W%G9J7PJ04S%[UT.png (t)，如圖4所示。產生(t)時，式(11)中 }6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png 取3。