一種地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的無線信道分析方法

陳 婷 鄭 昱 洪 偉

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)主要用于空中端機(jī)和地面控制站之間的數(shù)據(jù)通信，是保證飛機(jī)飛行以及完成遙控任務(wù)的重要手段。無線通信信道是地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的重要通道，由于地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)主要工作在頻段高、運(yùn)動(dòng)速度快、多徑擴(kuò)展大為主要特征的復(fù)雜衰落無線信道中，因此無線信道的信道特性是影響地空數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

影響無線信道傳播的因素包括地形或者障礙物等引起的陰影效應(yīng)、通信節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)隨機(jī)性而引入的遠(yuǎn)近效應(yīng)、復(fù)雜地形和地物環(huán)境引起的多徑效應(yīng)，以及由于通信節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動(dòng)而引起的多普勒效應(yīng)。以上這些傳播方式及影響無線信道傳播的因素在很大程度上影響了到達(dá)接收端的信號(hào)電平強(qiáng)度，因而造成了無線信號(hào)在無線信道中的衰落。基于以上分析，本文將對(duì)無線信道的傳輸特性進(jìn)行了研究和仿真分析，為地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)建立合適的無線信道衰落模型，為系統(tǒng)的鏈路設(shè)計(jì)提供支撐。

1 無線信道衰落模型設(shè)計(jì)

1.1 無線信道衰落

在無線通信系統(tǒng)中，電波的主要傳播方式為直射、反射、繞射和散射?；陔姴ǖ膫鞑C(jī)制，地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的幅度衰落可以分為大尺度衰落和小尺度衰落這兩種類型。

大尺度衰落是指路徑傳輸損耗和衰落發(fā)生的傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無線電信號(hào)的波長(zhǎng)，前者反映在宏觀大范圍一般可達(dá)千米量級(jí)，后者反映在中等范圍內(nèi)一般為數(shù)百米波長(zhǎng)量級(jí)的。慢衰落損耗一般為無線電波傳播過程中所特有的，服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其變化速度比傳送信息率要慢[1]。小尺度衰落又稱快衰落，反映的是無線接收信號(hào)電平平均值的起伏變化趨勢(shì)是在微觀小范圍，一般為數(shù)十米波長(zhǎng)以下量級(jí)，其電平幅度一般服從萊斯分布或瑞利分布，變化速度比慢衰落快。小尺度衰落主要由信號(hào)的多普勒擴(kuò)展以及多徑傳播引起。

1.2 適用于地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的無線信道模型

常用的無線信道模型包括自由空間傳播損耗模型以及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｗ杂煽臻g傳播損耗模型是無線電波傳播的最簡(jiǎn)單的模型。自由空間即指在均勻的、理想的、無任何阻擋、多徑的介質(zhì)中傳播，單純地由電磁波能量擴(kuò)散而引起傳播損耗的空間。而在實(shí)際大氣環(huán)境中，理想的無線傳播條件是不存在的，實(shí)際的傳輸損耗要遠(yuǎn)大于自由空間傳輸損耗，為描述這種情況，研究機(jī)構(gòu)根據(jù)大量的實(shí)地測(cè)量的數(shù)據(jù)推演除了一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停渲凶畛Ｓ玫挠蠬ata模型、Okumura模型等。

在地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景中，根據(jù)地面控制站與空中端機(jī)的連線與水平線的夾角，可將通信區(qū)域范圍劃分為以下三種：將夾角大于等于30°的區(qū)域劃為高仰角區(qū)，夾角在10°和30°中間的區(qū)域劃為中仰角區(qū)，夾角小于10°的區(qū)域劃為低仰角區(qū)。

在高仰角區(qū)域，信道質(zhì)量較好，可認(rèn)為其服從高斯分布，可用自由空間傳輸損耗模型進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

設(shè)地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)發(fā)射端的發(fā)射功率為Pt，天線增益為Gt，接收天線的有效接收面積為Ar，則在自由空間中，當(dāng)發(fā)射天線和接收天線相距D時(shí)，接收天線接收到的回波功率Pr為：

(1)

由天線理論得知，天線增益和有效接收面積之間滿足以下關(guān)系：

(2)

式(2)中，Gr表示接收天線的增益，λ表示地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)。

當(dāng)Gt=Gr=1時(shí)，自由空間的路徑損失可寫為：

(3)

式(3)中，F(xiàn)是為以MHz為單位的系統(tǒng)工作頻率，D單位為km。

在中仰角區(qū)域，發(fā)射天線和接收天線之間存在一條直視波分量，到達(dá)接收天線端的接收信號(hào)則是由直視波分量和其余多徑分量疊加而成的。該多徑分量的角度和幅度隨機(jī)分布并且各分量具有統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性，服從萊斯分布。一般認(rèn)為，中仰角區(qū)域的多徑分量到達(dá)接收天線端接近總分量的一半，等效于接收端天線的增益減少約3dB。

在低仰角區(qū)，由于地形和地物環(huán)境比較復(fù)雜，發(fā)射和接收天線之間由于反射、散射以及繞射引起的路徑數(shù)較多，此時(shí)多徑分量大于直射分量，信道的沖激響應(yīng)可看作一個(gè)復(fù)高斯過程，其包絡(luò)復(fù)合瑞利分布。由于低仰角區(qū)域通信的隨機(jī)性和多變性，低仰角區(qū)域的信道模型無法直接用理論公式進(jìn)行模擬，可采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，比如Okuruma模型進(jìn)行計(jì)算。

Okumura模型是根據(jù)CCIR推薦的一種電波傳播實(shí)際衰減計(jì)算模式。該模型是參考準(zhǔn)平坦地形的傳播路徑損耗，對(duì)其他的一些地形條件因素分別以校正因子進(jìn)行修正得到的基本通用模型。

Okumura模型的基本傳輸損耗的計(jì)算公式如下：

(4)

式(4)中，F(xiàn)為工作頻率(單位：MHz)；D為發(fā)送端和接收端天線之間的距離(單位：km)；hb為地面控制站天線高度(單位：m)；hm為空中端機(jī)天線高度(單位：m)；a(hm)為移動(dòng)臺(tái)天線高度校正因子。a(hm)由式(5)計(jì)算：

(5)

2 無線信道仿真

對(duì)無線信道的仿真，重點(diǎn)是對(duì)無線鏈路進(jìn)行運(yùn)算而得到合理的信道鏈路余量。無線鏈路運(yùn)算，是指在一個(gè)通信系統(tǒng)中，對(duì)發(fā)送端、通信鏈路、無線傳播環(huán)境和接收端中所有增益和衰減的核算。其通常用來估算信號(hào)能夠成功從發(fā)射端傳送到接收端之間的最遠(yuǎn)距離。信道鏈路余量則是對(duì)通信系統(tǒng)中上下行信號(hào)傳播途徑中各種影響因素進(jìn)行考察后，獲得保持一定通信質(zhì)量下減去鏈路所允許的最大傳播損耗而剩余的信道余量。

本節(jié)將給出在不同通信場(chǎng)景下，計(jì)算某地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的鏈路余量的過程方法，從而為本通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供支撐，同時(shí)為其他通信系統(tǒng)的鏈路余量計(jì)算及設(shè)計(jì)提供參考。

圖2 信道鏈路余量計(jì)算框圖

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本文所仿真的地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)由地面控制站和空中端機(jī)組成，地面控制站固定不動(dòng)，空間端機(jī)隨空中平臺(tái)在空中飛行。該通信系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。

表1 本文所仿真的通信系統(tǒng)的參數(shù)

工作頻率5GHz空中端機(jī)接收機(jī)帶寬10Mbps地面控制站發(fā)射功率40W空中端機(jī)接收機(jī)噪聲系數(shù)6dB地面控制站天線增益6dB空中端機(jī)天線增益6dB系統(tǒng)損耗(包括饋線、器件、基帶處理以及天線損耗等)6dB

2.2 仿真分析

下面將分別計(jì)算在不同地形條件下、不同的通信區(qū)域下系統(tǒng)的最大通信距離。

通過上面的分析，可以看出，在高仰角條件下，我們可以利用自由空間傳輸損耗模型計(jì)算該地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的鏈路余量，結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著通信距離的增加，系統(tǒng)鏈路余量呈指數(shù)衰減，在47.8km處鏈路余量衰減為0。即在高仰角條件下，系統(tǒng)的最遠(yuǎn)通信距離為47.8km。若系統(tǒng)的通信距離要求為25km，那么，此時(shí)高仰角下該數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的鏈路余量為5.6dB。

圖3 高仰角條件下鏈路余量仿真結(jié)果

在中仰角條件下，由于直徑傳輸分量大約總接收分量的50%，因此，系統(tǒng)的鏈路余量比高仰角條件下減少約3dB。圖4為中仰角條件下系統(tǒng)的鏈路余量隨距離的變化圖。

經(jīng)分析得出，在中仰角條件下，該系統(tǒng)的最遠(yuǎn)通信距離為33.8km。在相同通信距離25km的條件下，該數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的鏈路余量為2.6dB。

在低仰角條件下，由于地形及地物環(huán)境復(fù)雜，無法利用自由空間傳輸模型進(jìn)行模擬分析，本文采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚈kumura模型進(jìn)行仿真分析。圖5為空中端機(jī)天線高度為200m時(shí)，在城市、郊區(qū)、開闊地、50m丘陵起伏、200m丘陵起伏等五種地形條件下，系統(tǒng)的鏈路余量仿真結(jié)果(設(shè)地面端機(jī)天線高度3.5m)。

圖4 中仰角條件下鏈路余量仿真結(jié)果

圖5 低仰角條件下鏈路余量仿真結(jié)果

經(jīng)分析可得出，在城市、郊區(qū)、200m丘陵起伏、50m丘陵起伏以及開闊地地形條件，空中端機(jī)天線高度為200m時(shí)，該地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的最遠(yuǎn)通信距離如表2所示。在低仰角條件下的開闊地，該系統(tǒng)的最遠(yuǎn)通信距離17.2km。隨著地形條件的遮擋越來越嚴(yán)重，該通信系統(tǒng)的鏈路余量逐漸減少，并且系統(tǒng)的鏈路余量遠(yuǎn)小于高仰角和中仰角條件下的鏈路余量值。

表2 低仰角條件下無線通信系統(tǒng)的最遠(yuǎn)通信距離

城市郊區(qū)200m丘陵50m丘陵開闊地空中端機(jī)天線高度200m2.0km4.7km7.1km11km17.2km

3 結(jié)束語

通過針對(duì)某地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果進(jìn)行分析得出 ，在低仰角通信場(chǎng)景下，信道衰減遠(yuǎn)大于高仰角和中仰角通信場(chǎng)景。因此在地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的鏈路設(shè)計(jì)中，應(yīng)該充分考慮低仰角帶來的信道衰減，為系統(tǒng)預(yù)留出充分的鏈路余量來保證通信質(zhì)量在不同通信場(chǎng)景下不受太大影響。

本文通過對(duì)地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)在高中低仰角下工作的無線傳播環(huán)境特點(diǎn)的研究，給出了在地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)中，適用于不同通信區(qū)域的合適的地空無線信道模型；同時(shí)給出了一種針對(duì)地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)適用在不同通信場(chǎng)景下的鏈路余量的仿真分析方法。通過對(duì)仿真模型的計(jì)算分析，有效地利用無線信道的傳輸潛力，提高地空數(shù)據(jù)鏈通信的可靠性，并且為深入研究地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)提供了評(píng)估基礎(chǔ)和平臺(tái)。