一種新的臨近空間通信信道模型及其仿真分析

施春強(qiáng),郭道省

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院,南京210007)

1 引 言

近年來(lái), 臨近空間平臺(tái)(又稱高空平臺(tái)站,HAPS)通信作為一種新的移動(dòng)通信手段,與傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信和地面移動(dòng)通信相比,具有一定的綜合優(yōu)勢(shì),逐漸被人們所重視,成為研究的熱點(diǎn)。臨近空間平臺(tái)通信使用高空平臺(tái)站(飛艇、無(wú)人機(jī)、氣球等)作為中繼站,在提供高速、大容量業(yè)務(wù)方面有著廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

目前,關(guān)于臨近空間平臺(tái)通信的研究大多集中于平臺(tái)的制造與飛行問(wèn)題,在具體通信技術(shù)方面的成果十分有限[3],對(duì)適用于臨近空間通信的信號(hào)傳輸技術(shù)也相對(duì)較少,其主要原因就在于缺少對(duì)通信信道進(jìn)行有效的描述。文獻(xiàn)[4] 中提出了一種考慮多徑和陰影效應(yīng)的概率統(tǒng)計(jì)衰落模型,但該模型屬于單信道模型,難以表示大范圍內(nèi)臨近空間通信信道的動(dòng)態(tài)變化特性;文獻(xiàn)[5]提出了一種基于馬爾科夫過(guò)程的三狀態(tài)切換模型,克服了傳統(tǒng)的單狀態(tài)不能確切描述大環(huán)境范圍內(nèi)的信道特性的缺點(diǎn),但未考慮降雨衰減對(duì)信道的影響。

為了確保臨近空間通信的可靠性和有效性,為后續(xù)的通信體制的研究奠定基礎(chǔ),本文結(jié)合臨近空間通信信道的具體特性,對(duì)經(jīng)典Lutz 模型進(jìn)行了修訂,從多徑衰落和雨衰兩個(gè)方面綜合考慮,對(duì)Ka 頻段通信信道模型進(jìn)行研究與仿真。仿真結(jié)果表明,本文提出的模型能夠較好地反映臨近空間通信的信道特性,具有一定的實(shí)用性,為臨近空間通信的系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)提供了仿真環(huán)境。

2 臨近空間通信系統(tǒng)概述

臨近空間是指高于普通航空器飛行空間,而低于軌道飛行器運(yùn)行空間的區(qū)域。國(guó)際上一般將距地面20 ～100 km的空域視為臨近空間,如圖1 所示。運(yùn)行在臨近空間的飛行器稱之為臨近空間平臺(tái),有高空無(wú)人機(jī)、飛艇、氣球等多種形式[6]。

圖1 大氣空間劃分Fig.1 The partition of the aerosphere

與衛(wèi)星通信相比,臨近空間通信平臺(tái)傳播距離短、傳播損耗少、時(shí)延較小、所需發(fā)射功率低,有利于實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸和通信終端的小型化;與地面中繼系統(tǒng)相比,其作用距離遠(yuǎn),覆蓋范圍大,機(jī)動(dòng)靈活,特別適用于山區(qū)、沙漠等偏遠(yuǎn)地區(qū)和應(yīng)急通信。

在軍事上,臨近空間平臺(tái)在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中將提供支持一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的信息平臺(tái),是軍事力量的倍增器。臨近空間為通信系統(tǒng)和預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)信息平臺(tái),為實(shí)現(xiàn)空天地一體信息作戰(zhàn),奪取信息優(yōu)勢(shì),并最終實(shí)現(xiàn)信息全譜優(yōu)勢(shì)有著十分重要的意義。在民用上,一方面,將地面移動(dòng)基站進(jìn)行改造,以適應(yīng)于臨近空間平臺(tái),并進(jìn)行移動(dòng)接入服務(wù),研究表明,使用臨近空間平臺(tái)作為移動(dòng)基站的接入載體,具有作用距離遠(yuǎn)、覆蓋地區(qū)大等優(yōu)點(diǎn);另一方面,近年來(lái)的研究表明,由于具有布站迅捷、靈活等優(yōu)點(diǎn),臨近空間平臺(tái)也是大規(guī)模應(yīng)急救災(zāi)(地震、洪澇災(zāi)害)的有效手段[7]。

通過(guò)以上應(yīng)用與比較分析可以看出,臨近空間平臺(tái)在軍用民用兩個(gè)方面都具有廣闊的發(fā)展前景,同時(shí),臨近空間平臺(tái)與衛(wèi)星系統(tǒng)具有此長(zhǎng)彼短,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的關(guān)系,因此,研究臨近空間通信的信道模型,具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

3 臨近空間信道特性

為了研究臨近空間平臺(tái)通信的傳輸技術(shù),評(píng)估系統(tǒng)的傳輸性能,必須建立合適的信道模型。臨近空間平臺(tái)通信與衛(wèi)星通信和地面移動(dòng)通信相比,具有一些不同的特點(diǎn),如表1 所示。

表1 臨近空間平臺(tái)通信、地面移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信的特點(diǎn)比較[ 8]Table 1 The comparison between HAPS communication,mobile communication and satellite communication

根據(jù)ITU 分配的臨近空間(平流層)通信系統(tǒng)使用的頻段,我國(guó)采用27.5 ～28.35 GHz(下行)和31.0～31.3 GHz(上行)的Ka 頻段,在這個(gè)頻段的雨衰對(duì)通信鏈路的性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)臨近空間的系統(tǒng)組成和平臺(tái)高度可以發(fā)現(xiàn),Ka 頻段的臨近空間通信信道具有Ka 頻段衛(wèi)星信道一切特征,因此在建立信道模型時(shí),可以參照Ka 頻段靜止衛(wèi)星信道的模型。

臨近空間平臺(tái)通信信道是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)變信道,在信號(hào)的傳輸過(guò)程中,不僅存在路徑損耗和降雨衰減,而且還存在多徑衰落、陰影效應(yīng)。臨近空間平臺(tái)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地停留在平流層的某一固定位置,因此基本上不存在由于平臺(tái)移動(dòng)引起的多普勒頻移,如圖2 所示。

圖2 臨近空間通信示意圖Fig.2 The sketch map of HAPS communication

本文主要將臨近空間通信的衰落分為兩大部分,一是降雨衰減,二是多徑和陰影效應(yīng)的衰落。

3.1 降雨衰減[9]

降雨衰減(雨衰)是由于電磁波受雨滴的吸收和散射影響而產(chǎn)生的衰減,它主要與雨滴的幾何尺寸、降雨強(qiáng)度、雨區(qū)范圍、信號(hào)頻率、極化方式等有關(guān)。在Ka 頻段,雨衰是影響通信鏈路質(zhì)量的最主要因素,可用下式計(jì)算:

式中,L0為降雨經(jīng)歷的等效傾斜路徑長(zhǎng)度,rr(r)為降雨衰減率。

3.2 多徑衰落和陰影效應(yīng)[ 9]

3.2.1 多徑衰落

信號(hào)在傳播過(guò)程中,會(huì)遇到各種物體,如建筑物、樹木等,發(fā)生反射、散射和繞射,因此接收機(jī)接收到的信號(hào)是從各個(gè)路徑到達(dá)的合成信號(hào),即多徑傳輸。各個(gè)路徑分量的包絡(luò)和相位存在著差異,因此合成信號(hào)幅度波動(dòng)會(huì)比較劇烈,這就是多徑衰落。在分析信道傳輸特性的概率分布模型時(shí),多徑衰落主要用瑞利分布描述,即信號(hào)包絡(luò)的概率密度函數(shù)為

式中,σ為由于多徑引起的平均散射功率。

3.2.2 陰影效應(yīng)

當(dāng)信號(hào)在傳播路徑上遇到建筑物、樹木、起伏山丘等障礙物的阻擋時(shí),會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生衰減,從而造成接收信號(hào)電平的下降,這種現(xiàn)象成為陰影效應(yīng)。當(dāng)臨近空間平臺(tái)與地面的直射信號(hào)被障礙物吸收或者散射掉時(shí),陰影效應(yīng)出現(xiàn)。用于描述陰影效應(yīng)的概率分布模型為對(duì)數(shù)正態(tài)分布,信號(hào)包絡(luò)的概率密度分布為

式中, μ和σ為直射信號(hào)幅度對(duì)數(shù)的均值和方差。

4 臨近空間信道的統(tǒng)計(jì)模型

通信信道的建模方法主要有以下幾種方式:經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、統(tǒng)計(jì)模型和幾何分析模型,本文采用統(tǒng)計(jì)模型的方法。經(jīng)典的移動(dòng)信道模型有C.Loo 模型[11]、Lutz模型和Corazza 模型,但是這些模型都是用固定的概率分布模式來(lái)對(duì)信道特性進(jìn)行擬合,當(dāng)終端在較大范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí),無(wú)法全面反映信道的特性。因此,應(yīng)建立一個(gè)包含好狀態(tài)和壞狀態(tài)的混合狀態(tài)模型。

另外,根據(jù)上面的信道特性分析,本文對(duì)信道統(tǒng)計(jì)模型的建立主要考慮兩個(gè)方面,一是降雨衰減的影響,二是多徑衰落和陰影效應(yīng)的影響。下面分別建立兩種情況的統(tǒng)計(jì)模型。

4.1 多徑和陰影效應(yīng)統(tǒng)計(jì)模型

以Lutz 的經(jīng)典兩狀態(tài)切換信道[10]作為參考,本文對(duì)多徑衰落和陰影效應(yīng)的分析采用兩狀態(tài)切換信道模型,并對(duì)Lutz 的模型進(jìn)行一定的改進(jìn)。Lutz 的模型是針對(duì)地面移動(dòng)衛(wèi)星信道(LMSC)建立的,兩狀態(tài)的劃分依據(jù)是直射信號(hào)分量的存在與否。好狀態(tài)假定信號(hào)只存在直射分量而且不受陰影遮蔽,壞狀態(tài)則假定信號(hào)完全沒(méi)有直射分量而且還要受到陰影遮蔽,因此是兩種較為極端的情況。但由于臨近空間平臺(tái)通信常存在直射分量,極少存在直射信號(hào)被完全遮擋的情況,因此在信道處于壞狀態(tài)時(shí),不應(yīng)假定信號(hào)完全沒(méi)有直射分量,可采用C.Loo 模型。

4.1.1 好狀態(tài)

好狀態(tài)下,信號(hào)不受陰影遮蔽效應(yīng)的影響,直射信號(hào)沒(méi)有受到阻擋,接收信號(hào)與直視信號(hào)疊加,從而信道可用直視信號(hào)幅度歸一化的Rician 分布對(duì)信道進(jìn)行描述。接收信號(hào)的包絡(luò)的概率密度為[5]

4.1.2 壞狀態(tài)

本文對(duì)壞狀態(tài)采用C.Loo 模型,即接收信號(hào)受到陰影遮蔽效應(yīng)。但是直射信號(hào)沒(méi)有被完全遮蔽,接收信號(hào)是受到陰影遮蔽效應(yīng)的直射信號(hào)和多徑信號(hào)的疊加。因此接收信號(hào)可以表示為

式中,r(t)表示接收信號(hào),z(t)表示LOS 信號(hào),w(t)表示純多徑信號(hào),s(t)表示陰影衰落。

當(dāng)只考慮多徑和陰影效應(yīng)的影響時(shí),接收信號(hào)表示為

式中,r、z 和w 分別為接收信號(hào)、LOS 分量和純多徑分量的包絡(luò), θ、φ0和φ分別為接收信號(hào)、LOS 分量和純多徑分量的相位。

在直射信號(hào)分量的幅度z 保持不變的條件下,接收信號(hào)的包絡(luò)r 服從Rician 分布,即

式中,b0是平均散射多徑功率,I0(·)是第一類零階修正貝塞爾函數(shù)。

由于受到陰影效應(yīng)的作用,直射信號(hào)分量的幅度z 服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,即

式中, μ和d0 分別是ln z 的均值和方差。根據(jù)全概率公式可以得到接收信號(hào)的包絡(luò)r 的概率密度函數(shù)為

接收信號(hào)的相位分量θ可以近似滿足高斯分布:

式中,mθ和σθ分別為高斯分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)方差。C.Loo 等人在Olympus 星實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,給出了相應(yīng)的模型參數(shù),如表2 所示。

表2 不同陰影條件下信號(hào)包絡(luò)和相位模型參數(shù)[8]Table 2 The model parameters of envelope and phase in different shadow conditions

4.2 降雨衰減的統(tǒng)計(jì)模型

在分析信道的統(tǒng)計(jì)模型時(shí),除了考慮多徑和陰影的影響以外,大氣因素對(duì)整個(gè)通信鏈路的特性也有很大的影響。衛(wèi)星對(duì)地鏈路包含了電離層、中間層、平流層和對(duì)流層,由圖1 可知臨近空間處在平流層下部和電離層下部,其對(duì)地通信穿越了平流層和對(duì)流層,Ka 頻段的空地鏈路主要受對(duì)流層影響,而在電離層和中間層的通信是非常理想的。因此Ka頻段的臨近空間通信和衛(wèi)星通信在對(duì)流層受到的雨衰是一致的。

由文獻(xiàn)[9]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得,大氣對(duì)Ka 頻段臨近空間信道的影響在包絡(luò)和相位上均服從高斯分布,即

其中,fw(rw)為信號(hào)包絡(luò)的概率密度函數(shù),fw(φ)是信號(hào)相位的概率密度函數(shù),m′w和mw分別是信號(hào)包絡(luò)和相位的均值, σ2w和σ′2w分別是信號(hào)包絡(luò)和相位的方差。表3 給出了在中雨和雷雨條件下,Ka 頻段臨近空間通信信道包絡(luò)和相位的模型參數(shù)。

表3 中雨和雷雨條件下信道包絡(luò)和相位模型參數(shù)[12]Table 3 The model parameters of envelope and phase in the weather of rain and thunder

不失合理性,可以將多徑和陰影效應(yīng)的影響與降雨的影響看作是相互獨(dú)立的。

5 臨近空間信道的仿真驗(yàn)證

在對(duì)信道特性進(jìn)行描述時(shí),電平通過(guò)率(LCR)和平均衰落持續(xù)(AFD)是很常用的高階統(tǒng)計(jì)量。

LCR 定義為信號(hào)包絡(luò)以正的斜率通過(guò)指定信號(hào)電平r 的期望值:

式中,f(r,﹒r)是隨機(jī)過(guò)程s(t)及其導(dǎo)函數(shù)﹒s(t)=s(t)/d t 在同一時(shí)間的聯(lián)合概率密度函數(shù)。

AFD 反映了信號(hào)包絡(luò)低于給定電平r 的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值:

驗(yàn)證信道模型正確性和可行性的最直接方法就是與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,由于測(cè)試數(shù)據(jù)都是在特定環(huán)境下測(cè)試得到的,因此本文可以通過(guò)對(duì)C.Loo模型(壞狀態(tài))的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證文中模型在存在陰影效應(yīng)的情況下的有效性。

下面對(duì)臨近空間信道模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,其中仿真參數(shù)可以根據(jù)文獻(xiàn)[13]中的模型參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果確定,并將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[14]中的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖3 不同陰影條件下的信道模型的LCR 和AFD 與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較Fig.3 Comparison between simulated LCR and AFD by channel model and measured data under different shadowing conditions

從圖3 可以看出,本文模型的歸一化電平通過(guò)率與測(cè)量數(shù)據(jù)的差別是可以接受的,而仿真模型的歸一化平均衰落持續(xù)與測(cè)量數(shù)據(jù)能夠較好地吻合,證明本文中的信道模型和分析方法是合理的,具有一定可行性。

6 臨近空間信道的誤碼率仿真

根據(jù)信道統(tǒng)計(jì)模型的論述,可以建立臨近空間平臺(tái)通信信道的仿真模型,如圖4 所示。

圖4 臨近空間通信信道仿真模型Fig.4 Simu lation model of HAPS communication

仿真采用BPSK 調(diào)制方式,用Matlab 產(chǎn)生隨機(jī)二進(jìn)制序列作為輸入信號(hào),經(jīng)過(guò)兩狀態(tài)信道,同時(shí)受到降雨衰減的影響,之后受到加性高斯白噪聲的影響,在接收端進(jìn)行誤碼率的統(tǒng)計(jì)。信道的狀態(tài)切換由一個(gè)半Markov 過(guò)程控制, 好狀態(tài)代表Rician 模型,Rician 因子取3.9,壞狀態(tài)使用C.Loo 模型,

好壞兩種狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣可參考文獻(xiàn)[5] ,即兩狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率為Pg=0.565, Pb=0.434。Rician 模型可由Matlab 自帶的模塊實(shí)現(xiàn),而C.Loo 模型模塊和雨衰模塊如圖5 所示。

圖5 臨近空間信道衰減模塊Fig.5 The channel fading module for HAPS communication

信號(hào)在通過(guò)不同狀態(tài)的信道時(shí),其衰減程度是不同的,如圖6 所示,第6 300～10 000個(gè)信號(hào)樣點(diǎn)由于信道狀態(tài)的切換處于壞狀態(tài),處于好狀態(tài)的信號(hào)功率包絡(luò)高出處于壞狀態(tài)的信號(hào)功率包絡(luò)約10～20 dB。

圖6 兩狀態(tài)信道衰落信號(hào)的功率Fig.6 The power of the two-state fading signal

臨近空間通信信道的誤碼性能如圖7 ～9 所示。其中,圖7 展示了在不考慮雨衰,假定C.Loo 模型的陰影遮蔽程度為中度陰影的情況下,兩狀態(tài)切換信道的誤碼性能。由仿真結(jié)果可見,兩狀態(tài)切換信道的誤碼性能介于好狀態(tài)與壞狀態(tài)的誤碼性能之間,從統(tǒng)計(jì)的角度看,這個(gè)結(jié)果是合理的。

圖8 的結(jié)果是在好狀態(tài)下,不同降雨條件對(duì)信道誤碼率的影響,根據(jù)本文選取的信道參數(shù),誤碼率為10-4時(shí),中雨和雷雨天氣將對(duì)信道誤碼性能造成約10 dB和20 dB的損失。圖9 則對(duì)壞狀態(tài)下不同陰影遮蔽程度的誤碼性能進(jìn)行比較。

圖7 無(wú)雨衰兩狀態(tài)切換信道的誤碼性能Fig.7 The performance of the two-state channel without rain attenuation

圖8 好狀態(tài)下受雨衰影響的信道誤碼率Fig.8 The BER of channel with rain attenuation in good state

圖9 C.Loo 模型中不同陰影條件對(duì)信道誤碼率的影響Fig.9 The BER of C.Loo′s model with different shadow conditions

7 總 結(jié)

本文在分析臨近空間通信系統(tǒng)的覆蓋特性、鏈路損耗特性與降雨衰減特性基礎(chǔ)上,從多徑衰落和雨衰兩個(gè)方面綜合考慮,改進(jìn)了Lutz 模型,對(duì)通信信道的模型進(jìn)行研究與仿真,提出了一種新的兩狀態(tài)切換信道模型,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好,證明了文中建立的統(tǒng)計(jì)模型是正確的、可用的。同時(shí),還對(duì)信道誤碼率進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明,本文提出的信道模型能夠反映出臨近空間通信信道的特性,具有一定實(shí)用意義,為調(diào)制及編碼方案的優(yōu)化、均衡器的設(shè)計(jì)等通信體制的研究提供了背景。

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