GEO衛(wèi)星信道建模分析及實時模擬環(huán)境構(gòu)建

呂國成， 趙燕飛， 李 毅

（1.北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100871；2.61648 部隊；3.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京 100091）

0 引 言

衛(wèi)星通信具有天然的廣域覆蓋性，是地面系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，在地面信號無法覆蓋的海洋、森林、沙漠等地區(qū)，衛(wèi)星通信是重要通信手段。歐美等發(fā)達(dá)國家正在全力構(gòu)建近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）、中地球軌道（Middle Earth Orbit，MEO）、地球靜止軌道（Geostationary Orbit，GEO）全空域衛(wèi)星通信系統(tǒng)，典型的LEO系統(tǒng)有SpaceX的StarLink，MEO系統(tǒng)有Google的另外的30 億（Other 3 billion，O3B）系統(tǒng)，GEO 有InmarSat、ViaSat等。GEO系統(tǒng)發(fā)展較為成熟，是當(dāng)前衛(wèi)星系統(tǒng)中的骨干網(wǎng)絡(luò)，近年來LEO系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)入了快車道，同時GEO系統(tǒng)向靈活配置多點波束、高速、大容量發(fā)展、多應(yīng)用場景擴(kuò)展［1-4］。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）發(fā)布的第2 代數(shù)字視頻廣播擴(kuò)展（Digital Video Broadcast-Second Generation Satellite Extensions，DVBS2X）標(biāo)準(zhǔn)中為更好地支持移動應(yīng)用場景，擴(kuò)展了低信噪比下物理層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［5］。隨著衛(wèi)星通信在多個場景下的深入應(yīng)用，對衛(wèi)星接收機(jī)的各項性能提出了更高的要求，在接收機(jī)研制過程中由于成本、時間等因素很難在實際應(yīng)用環(huán)境下進(jìn)行各項指標(biāo)的驗證。因此，如何快速、低成本構(gòu)建相應(yīng)的模擬環(huán)境對典型應(yīng)用場景下的信道參數(shù)進(jìn)行實時模擬成了衛(wèi)星科研項目的關(guān)鍵。

實時衛(wèi)星信道模擬環(huán)境是開展相關(guān)衛(wèi)星科研項目的基礎(chǔ)，是衛(wèi)星通信平臺建設(shè)中的重要組成部分。該平臺包括了射頻天饋單元、中頻Hollis信道模擬器、變頻器、基帶信號處理單元等。基于該平臺，結(jié)合Matlab分析計算，進(jìn)一步挖掘Hollis信道模擬器的潛能，完成從簡單到復(fù)雜等應(yīng)用場景下的GEO 衛(wèi)星信道模擬環(huán)境構(gòu)建。該環(huán)境實現(xiàn)對車載、船載、機(jī)載等典型應(yīng)用場景下的衛(wèi)星信道傳輸特性的實時模擬，保證了在相關(guān)領(lǐng)域的衛(wèi)星科研項目的順利開展。

1 衛(wèi)星信道建模分析

1.1 GEO衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)

GEO衛(wèi)星處在地球同步軌道，對地高度在36 000 km，與地面通信系統(tǒng)不同，GEO 衛(wèi)星信道中信號經(jīng)歷的時延長、衰減大［6-7］。典型的GEO 衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 GEO衛(wèi)星傳輸示意圖

GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)由地面段及空間段組成衛(wèi)星通系統(tǒng)。地面段由發(fā)送地球站及接收地球站組成，實現(xiàn)對信號發(fā)送及接收處理，衛(wèi)星地球站可以安裝在多種平臺上形成了車載、船載、機(jī)載等多種典型應(yīng)用場景?？臻g段包括衛(wèi)星天線、轉(zhuǎn)發(fā)器及功率放大器，接收地面發(fā)送端發(fā)送的信號，進(jìn)行放大后對地轉(zhuǎn)發(fā)?？臻g段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器包括透明轉(zhuǎn)發(fā)器及處理轉(zhuǎn)發(fā)器，處理轉(zhuǎn)發(fā)器需要完成星載的解調(diào)、解碼操作。本文主要考慮采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

1.2 GEO空間坐標(biāo)分析

在不同的地理位置，衛(wèi)星地面站的天線指向不同，為準(zhǔn)確描述由于相對運動對信道帶來的影響，建立空間坐標(biāo)系，如圖2 所示。S為衛(wèi)星，E 為地球站，r為地球半徑，θ、φ 分別為地球站緯度及經(jīng)度，h 為星地距離。

圖2 GEO衛(wèi)星通信空間坐標(biāo)分析

衛(wèi)星（R ＝r ＋h，θ ＝0，φS）坐標(biāo)為：

地球站（r，θE，φE）坐標(biāo)為：

衛(wèi)星與地球站的向量可以表示為：

當(dāng)?shù)厍蛘痉謩e在3 個方向上運動時，其在星站方向上的分量可以表示為：

其中：dr、dwe、dsn分別為徑向單位向量、東西向單位向量及南北向單位向量；為星站距離。

1.3 衛(wèi)星信號傳輸特性分析

1.3.1 衛(wèi)星信號自由空間傳播

衛(wèi)星通信中電波主要是在大氣層以外的自由空間以球面形式傳播，衛(wèi)星接收天線只能接收到其中一小部分能量［6］，電磁波在自由空間中傳輸引起的路徑損耗為

式中：d為傳播距離；λ為波長。

1.3.2 衛(wèi)星傳輸鏈路信噪比分析

衛(wèi)星傳輸鏈路信噪比由上行鏈路（Uplink）及下行鏈路（Downlink）共同決定。

在計算上行鏈路載噪比時，地球站為發(fā)射系統(tǒng)，衛(wèi)星為接收系統(tǒng)。設(shè)地球站有效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）上行線路傳播損耗為Lu，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收天線增益為GRS，則衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)載噪比（載波功率與噪聲功率之比）為［6-7］：

式中：k 為玻爾茲曼常數(shù)；TS為衛(wèi)星接收端噪聲溫度；B為信號帶寬。

在計算下行鏈路載噪比時，衛(wèi)星為發(fā)射系統(tǒng)，地球站為接收系統(tǒng)，下行線路傳播損耗為LD，地球站的接收天線增益為GRE，與上行鏈路載噪比計算類似，下行鏈路載噪比為

式中，TE為地面接收端噪聲溫度。

另外，由于信號交調(diào)、接收到其他干擾信號造成的信噪比損失為

得到整個衛(wèi)星鏈路載噪比為：

1.3.3 衛(wèi)星動態(tài)信道傳輸特性

在GEO衛(wèi)星通信中，信道處于開放的空間，同時GEO衛(wèi)星軌位較高，信號傳輸易受到雨、雪影響。由于地球站承載平臺與衛(wèi)星的相對運動，也會對衛(wèi)星傳輸信道帶來影響。GEO衛(wèi)星通信中，特別是在較高通信頻帶如Ku、Ka頻帶，地球站的天線指向需要保持與衛(wèi)星對準(zhǔn)，主要考慮直射方向的信號，而忽略其余多徑信號能量。本文中GEO 衛(wèi)星動態(tài)信道傳輸特性主要包括信號衰落、多普勒頻譜變化及傳輸時延變化。

（1）信號衰落。GEO 衛(wèi)星通信中信號衰落主要考慮雨衰及遮擋帶來的衰落。

雨衰是電波信號穿過對流層雨區(qū)時，受降雨雨滴的吸收和散射作用而引起的一種損耗。ITU-R給出了雨衰的具體計算模型［8-9］。不同地區(qū)、不同可用度下雨衰不同，北京地區(qū)雨衰值見表1。

表1 不同頻段、不同可用度下雨衰（北京）

天線遮擋帶來的信號衰落是影響衛(wèi)星通信質(zhì)量的又一重要因素，嚴(yán)重的深度衰落引起信道中斷。本文主要考慮周期性的遮擋，如直升機(jī)的旋翼遮擋［10］，典型的旋翼遮擋如圖3 所示。其中：T為信號變化周期；Dfade為衰落深度。

圖3 旋翼遮擋帶來的周期性信道衰落

（2）多普勒頻偏變化。由于地球站與衛(wèi)星的相對運動會產(chǎn)生多普勒頻偏及多普勒頻偏變化。由速度產(chǎn)生的多普勒頻偏為

由加速度產(chǎn)生的多普勒頻偏變化為

式中：c為光速；v、a分別為相對運動的速度及加速度；f0為載波頻率；α為運動方向與天線方向夾角。

在實際信道傳輸環(huán)境中，速度及加速度是時變的，難以實現(xiàn)對多普勒頻偏的精確的模擬，著重對多普勒頻偏的極限性能模擬，常用的對多普勒頻偏的模擬函數(shù)有鋸齒函數(shù)、余弦函數(shù)等［11］（見圖4）：

圖4 多普勒頻偏余弦函數(shù)模擬

式中：fD_max為最大多普勒頻偏；ΔfD_max為最大多普勒頻偏變化。

（3）時延及時延變化。根據(jù)式（1）、（2）計算地球站與衛(wèi)星之間的傳輸時延

地球站沿地表與衛(wèi)星的相對運動，信號傳輸路徑長度變化較小，因此忽略傳輸時延的變化。

2 模擬環(huán)境構(gòu)建

2.1 基于Matlab的典型信道參數(shù)分析

Matlab工具常用于通信系統(tǒng)的數(shù)值計算及仿真分析，同時Matlab 中也提供可視化編程接口。Matlab GUI由窗口、菜單、圖標(biāo)、光標(biāo)、按鍵、對話框和文本等各種圖形對象組成的用戶界面快速實現(xiàn)與用戶的交互［12-13］。

根據(jù)用戶的地理位置信息，地球站的運動參數(shù)、地球站與衛(wèi)星站的天線及功放等工作參數(shù)，由式（3）、（7）、（10）采用Matlab GUI工具，計算出信道基本參數(shù)如載噪比、多普勒頻偏、衛(wèi)星傳輸時延，如圖5 所示。

圖5 基于Matlab GUI的信道參數(shù)分析

2.2 基于Hollis實時模擬環(huán)境構(gòu)建

將Matlab分析計算得到的信道工作參數(shù)，注入Hollis 信道模擬器，完成實時信道模擬環(huán)境構(gòu)建。Hollis信道模擬器提供了兩個獨立通道可支持對衛(wèi)星傳輸?shù)纳?、下行信道進(jìn)行模擬［14］，信道參數(shù)配置界面如圖6 所示。

圖6 Hollis 信道參數(shù)配置界面

Hollis的每個信道模擬通道支持對簡單應(yīng)用環(huán)境下衛(wèi)星信道模擬（靜止），也可以完成對復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下的信道模擬（如移動、衰落等）。

（1）簡單應(yīng)用場景下信道模擬。簡單應(yīng)用場景下的信道模擬通過配置各個獨立通道下的載噪比、傳輸時延、頻偏參數(shù)來實現(xiàn)。根據(jù)具體應(yīng)用場景需求，可以針對信道的某一傳輸特性單獨配置進(jìn)行模擬，也可以同時配置多個信道參數(shù)實現(xiàn)對信道綜合傳輸模擬。

（2）復(fù)雜應(yīng)用場景下的信道模擬。針對復(fù)雜應(yīng)用場景下，傳輸信道主要特性產(chǎn)生動態(tài)變化，如由于地球站與衛(wèi)星相對運動引入了多普勒頻偏變化，或天氣變化及天線遮擋帶來了信號的衰落等。

Hollis信道模擬器中對多普勒頻偏的模擬有2 種方式：三角波函數(shù)方式及余弦函數(shù)方式，三角波方式著重對極限性能的驗證，余弦函數(shù)方式變化相對平滑，在實際的模擬環(huán)境構(gòu)建中通常采用余弦函數(shù)方式構(gòu)建。

對于更加復(fù)雜信道模擬，Hollis 信道模擬器還支持使用用戶自定義信道傳輸配置文件來模擬衛(wèi)星信道。文件中的各個離散點描述了信道的傳輸特性（信號衰減、頻偏等），如圖7 所示。文件最大支持1 024 個點，信道變化的時間最高分辨率為1 ms，載噪比最高分辨率為0.01 dB，信道模擬器周期性播放信道傳輸文件來實現(xiàn)對信道模擬。

圖7 Hollis 用戶自定義信道配置文件

3 典型應(yīng)用場景下模擬環(huán)境應(yīng)用分析

基于上述分析，結(jié)合具體的使用場景，給出了車載應(yīng)用場景下的GEO 衛(wèi)星信道的模擬參數(shù)。地球站位于北京（40°，115°），星地距離37 962 km，采用Ku 頻段（12 GHz/14 GHz），終端移動最大移動速度為80km/h，加速度考慮0 ～100 km/h 加速時間為20 s，多普勒頻偏采用余弦函數(shù)模擬。具體信道模擬參數(shù)見表2。

表2 車載移動環(huán)境下的信道典型參數(shù)

4 結(jié) 語

通過對多種應(yīng)用場景下GEO衛(wèi)星信道分析，構(gòu)建了基于Matlab 與Hollis 的實時信道模擬環(huán)境。通過Matlab計算得出信道傳輸?shù)幕緟?shù)，將得出的信道參數(shù)值配置到Hollis信道模擬器完成由簡單至復(fù)雜應(yīng)用場景下的衛(wèi)星傳輸信道構(gòu)建。該環(huán)境實現(xiàn)了衛(wèi)星信道模擬器的低成本、低復(fù)雜度、快速構(gòu)建，支持車載、船載、機(jī)載等多種典型應(yīng)用場景下的衛(wèi)星信道實時模擬，對衛(wèi)星接收站中的低信噪比接收、大頻偏捕獲、大動態(tài)跟蹤等關(guān)鍵算法的測試驗證起著重要作用，是相關(guān)衛(wèi)星科研平臺建設(shè)中的重要組成部分。