一种新的临近空间通信信道模型及其仿真分析

施春强,郭道省

(解放军理工大学 通信工程学院,南京210007)

1 引 言

近年来, 临近空间平台(又称高空平台站,HAPS)通信作为一种新的移动通信手段,与传统的卫星通信和地面移动通信相比,具有一定的综合优势,逐渐被人们所重视,成为研究的热点。临近空间平台通信使用高空平台站(飞艇、无人机、气球等)作为中继站,在提供高速、大容量业务方面有着广阔的应用前景[1-2]。

目前,关于临近空间平台通信的研究大多集中于平台的制造与飞行问题,在具体通信技术方面的成果十分有限[3],对适用于临近空间通信的信号传输技术也相对较少,其主要原因就在于缺少对通信信道进行有效的描述。文献[4] 中提出了一种考虑多径和阴影效应的概率统计衰落模型,但该模型属于单信道模型,难以表示大范围内临近空间通信信道的动态变化特性;文献[5]提出了一种基于马尔科夫过程的三状态切换模型,克服了传统的单状态不能确切描述大环境范围内的信道特性的缺点,但未考虑降雨衰减对信道的影响。

为了确保临近空间通信的可靠性和有效性,为后续的通信体制的研究奠定基础,本文结合临近空间通信信道的具体特性,对经典Lutz 模型进行了修订,从多径衰落和雨衰两个方面综合考虑,对Ka 频段通信信道模型进行研究与仿真。仿真结果表明,本文提出的模型能够较好地反映临近空间通信的信道特性,具有一定的实用性,为临近空间通信的系统分析设计提供了仿真环境。

2 临近空间通信系统概述

临近空间是指高于普通航空器飞行空间,而低于轨道飞行器运行空间的区域。国际上一般将距地面20 ～100 km的空域视为临近空间,如图1 所示。运行在临近空间的飞行器称之为临近空间平台,有高空无人机、飞艇、气球等多种形式[6]。

图1 大气空间划分Fig.1 The partition of the aerosphere

与卫星通信相比,临近空间通信平台传播距离短、传播损耗少、时延较小、所需发射功率低,有利于实现宽带传输和通信终端的小型化;与地面中继系统相比,其作用距离远,覆盖范围大,机动灵活,特别适用于山区、沙漠等偏远地区和应急通信。

在军事上,临近空间平台在未来战争中将提供支持一体化联合作战的信息平台,是军事力量的倍增器。临近空间为通信系统和预警探测系统构建了一个信息平台,为实现空天地一体信息作战,夺取信息优势,并最终实现信息全谱优势有着十分重要的意义。在民用上,一方面,将地面移动基站进行改造,以适应于临近空间平台,并进行移动接入服务,研究表明,使用临近空间平台作为移动基站的接入载体,具有作用距离远、覆盖地区大等优点;另一方面,近年来的研究表明,由于具有布站迅捷、灵活等优点,临近空间平台也是大规模应急救灾(地震、洪涝灾害)的有效手段[7]。

通过以上应用与比较分析可以看出,临近空间平台在军用民用两个方面都具有广阔的发展前景,同时,临近空间平台与卫星系统具有此长彼短,优势互补的关系,因此,研究临近空间通信的信道模型,具有重大的现实意义。

3 临近空间信道特性

为了研究临近空间平台通信的传输技术,评估系统的传输性能,必须建立合适的信道模型。临近空间平台通信与卫星通信和地面移动通信相比,具有一些不同的特点,如表1 所示。

表1 临近空间平台通信、地面移动通信和卫星通信的特点比较[ 8]Table 1 The comparison between HAPS communication,mobile communication and satellite communication

根据ITU 分配的临近空间(平流层)通信系统使用的频段,我国采用27.5 ～28.35 GHz(下行)和31.0～31.3 GHz(上行)的Ka 频段,在这个频段的雨衰对通信链路的性能会产生较大的影响。根据临近空间的系统组成和平台高度可以发现,Ka 频段的临近空间通信信道具有Ka 频段卫星信道一切特征,因此在建立信道模型时,可以参照Ka 频段静止卫星信道的模型。

临近空间平台通信信道是一个复杂的时变信道,在信号的传输过程中,不仅存在路径损耗和降雨衰减,而且还存在多径衰落、阴影效应。临近空间平台能够长期稳定地停留在平流层的某一固定位置,因此基本上不存在由于平台移动引起的多普勒频移,如图2 所示。

图2 临近空间通信示意图Fig.2 The sketch map of HAPS communication

本文主要将临近空间通信的衰落分为两大部分,一是降雨衰减,二是多径和阴影效应的衰落。

3.1 降雨衰减[9]

降雨衰减(雨衰)是由于电磁波受雨滴的吸收和散射影响而产生的衰减,它主要与雨滴的几何尺寸、降雨强度、雨区范围、信号频率、极化方式等有关。在Ka 频段,雨衰是影响通信链路质量的最主要因素,可用下式计算:

式中,L0为降雨经历的等效倾斜路径长度,rr(r)为降雨衰减率。

3.2 多径衰落和阴影效应[ 9]

3.2.1 多径衰落

信号在传播过程中,会遇到各种物体,如建筑物、树木等,发生反射、散射和绕射,因此接收机接收到的信号是从各个路径到达的合成信号,即多径传输。各个路径分量的包络和相位存在着差异,因此合成信号幅度波动会比较剧烈,这就是多径衰落。在分析信道传输特性的概率分布模型时,多径衰落主要用瑞利分布描述,即信号包络的概率密度函数为

式中,σ为由于多径引起的平均散射功率。

3.2.2 阴影效应

当信号在传播路径上遇到建筑物、树木、起伏山丘等障碍物的阻挡时,会使信号产生衰减,从而造成接收信号电平的下降,这种现象成为阴影效应。当临近空间平台与地面的直射信号被障碍物吸收或者散射掉时,阴影效应出现。用于描述阴影效应的概率分布模型为对数正态分布,信号包络的概率密度分布为

式中, μ和σ为直射信号幅度对数的均值和方差。

4 临近空间信道的统计模型

通信信道的建模方法主要有以下几种方式:经验模型、统计模型和几何分析模型,本文采用统计模型的方法。经典的移动信道模型有C.Loo 模型[11]、Lutz模型和Corazza 模型,但是这些模型都是用固定的概率分布模式来对信道特性进行拟合,当终端在较大范围内移动时,无法全面反映信道的特性。因此,应建立一个包含好状态和坏状态的混合状态模型。

另外,根据上面的信道特性分析,本文对信道统计模型的建立主要考虑两个方面,一是降雨衰减的影响,二是多径衰落和阴影效应的影响。下面分别建立两种情况的统计模型。

4.1 多径和阴影效应统计模型

以Lutz 的经典两状态切换信道[10]作为参考,本文对多径衰落和阴影效应的分析采用两状态切换信道模型,并对Lutz 的模型进行一定的改进。Lutz 的模型是针对地面移动卫星信道(LMSC)建立的,两状态的划分依据是直射信号分量的存在与否。好状态假定信号只存在直射分量而且不受阴影遮蔽,坏状态则假定信号完全没有直射分量而且还要受到阴影遮蔽,因此是两种较为极端的情况。但由于临近空间平台通信常存在直射分量,极少存在直射信号被完全遮挡的情况,因此在信道处于坏状态时,不应假定信号完全没有直射分量,可采用C.Loo 模型。

4.1.1 好状态

好状态下,信号不受阴影遮蔽效应的影响,直射信号没有受到阻挡,接收信号与直视信号叠加,从而信道可用直视信号幅度归一化的Rician 分布对信道进行描述。接收信号的包络的概率密度为[5]

4.1.2 坏状态

本文对坏状态采用C.Loo 模型,即接收信号受到阴影遮蔽效应。但是直射信号没有被完全遮蔽,接收信号是受到阴影遮蔽效应的直射信号和多径信号的叠加。因此接收信号可以表示为

式中,r(t)表示接收信号,z(t)表示LOS 信号,w(t)表示纯多径信号,s(t)表示阴影衰落。

当只考虑多径和阴影效应的影响时,接收信号表示为

式中,r、z 和w 分别为接收信号、LOS 分量和纯多径分量的包络, θ、φ0和φ分别为接收信号、LOS 分量和纯多径分量的相位。

在直射信号分量的幅度z 保持不变的条件下,接收信号的包络r 服从Rician 分布,即

式中,b0是平均散射多径功率,I0(·)是第一类零阶修正贝塞尔函数。

由于受到阴影效应的作用,直射信号分量的幅度z 服从对数正态分布,即

式中, μ和d0 分别是ln z 的均值和方差。根据全概率公式可以得到接收信号的包络r 的概率密度函数为

接收信号的相位分量θ可以近似满足高斯分布:

式中,mθ和σθ分别为高斯分布的均值和标准方差。C.Loo 等人在Olympus 星实测数据的基础上,给出了相应的模型参数,如表2 所示。

表2 不同阴影条件下信号包络和相位模型参数[8]Table 2 The model parameters of envelope and phase in different shadow conditions

4.2 降雨衰减的统计模型

在分析信道的统计模型时,除了考虑多径和阴影的影响以外,大气因素对整个通信链路的特性也有很大的影响。卫星对地链路包含了电离层、中间层、平流层和对流层,由图1 可知临近空间处在平流层下部和电离层下部,其对地通信穿越了平流层和对流层,Ka 频段的空地链路主要受对流层影响,而在电离层和中间层的通信是非常理想的。因此Ka频段的临近空间通信和卫星通信在对流层受到的雨衰是一致的。

由文献[9]中的试验数据可得,大气对Ka 频段临近空间信道的影响在包络和相位上均服从高斯分布,即

其中,fw(rw)为信号包络的概率密度函数,fw(φ)是信号相位的概率密度函数,m′w和mw分别是信号包络和相位的均值, σ2w和σ′2w分别是信号包络和相位的方差。表3 给出了在中雨和雷雨条件下,Ka 频段临近空间通信信道包络和相位的模型参数。

表3 中雨和雷雨条件下信道包络和相位模型参数[12]Table 3 The model parameters of envelope and phase in the weather of rain and thunder

不失合理性,可以将多径和阴影效应的影响与降雨的影响看作是相互独立的。

5 临近空间信道的仿真验证

在对信道特性进行描述时,电平通过率(LCR)和平均衰落持续(AFD)是很常用的高阶统计量。

LCR 定义为信号包络以正的斜率通过指定信号电平r 的期望值:

式中,f(r,﹒r)是随机过程s(t)及其导函数﹒s(t)=s(t)/d t 在同一时间的联合概率密度函数。

AFD 反映了信号包络低于给定电平r 的时间间隔的统计平均值:

验证信道模型正确性和可行性的最直接方法就是与实际测试数据进行比较,由于测试数据都是在特定环境下测试得到的,因此本文可以通过对C.Loo模型(坏状态)的测试数据来验证文中模型在存在阴影效应的情况下的有效性。

下面对临近空间信道模型进行计算机仿真,其中仿真参数可以根据文献[13]中的模型参数的优化结果确定,并将仿真结果与文献[14]中的测量结果进行对比。

图3 不同阴影条件下的信道模型的LCR 和AFD 与实测数据的比较Fig.3 Comparison between simulated LCR and AFD by channel model and measured data under different shadowing conditions

从图3 可以看出,本文模型的归一化电平通过率与测量数据的差别是可以接受的,而仿真模型的归一化平均衰落持续与测量数据能够较好地吻合,证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 临近空间信道的误码率仿真

根据信道统计模型的论述,可以建立临近空间平台通信信道的仿真模型,如图4 所示。

图4 临近空间通信信道仿真模型Fig.4 Simu lation model of HAPS communication

仿真采用BPSK 调制方式,用Matlab 产生随机二进制序列作为输入信号,经过两状态信道,同时受到降雨衰减的影响,之后受到加性高斯白噪声的影响,在接收端进行误码率的统计。信道的状态切换由一个半Markov 过程控制, 好状态代表Rician 模型,Rician 因子取3.9,坏状态使用C.Loo 模型,

好坏两种状态的状态转移矩阵可参考文献[5] ,即两状态的稳态概率为Pg=0.565, Pb=0.434。Rician 模型可由Matlab 自带的模块实现,而C.Loo 模型模块和雨衰模块如图5 所示。

图5 临近空间信道衰减模块Fig.5 The channel fading module for HAPS communication

信号在通过不同状态的信道时,其衰减程度是不同的,如图6 所示,第6 300～10 000个信号样点由于信道状态的切换处于坏状态,处于好状态的信号功率包络高出处于坏状态的信号功率包络约10～20 dB。

图6 两状态信道衰落信号的功率Fig.6 The power of the two-state fading signal

临近空间通信信道的误码性能如图7 ～9 所示。其中,图7 展示了在不考虑雨衰,假定C.Loo 模型的阴影遮蔽程度为中度阴影的情况下,两状态切换信道的误码性能。由仿真结果可见,两状态切换信道的误码性能介于好状态与坏状态的误码性能之间,从统计的角度看,这个结果是合理的。

图8 的结果是在好状态下,不同降雨条件对信道误码率的影响,根据本文选取的信道参数,误码率为10-4时,中雨和雷雨天气将对信道误码性能造成约10 dB和20 dB的损失。图9 则对坏状态下不同阴影遮蔽程度的误码性能进行比较。

图7 无雨衰两状态切换信道的误码性能Fig.7 The performance of the two-state channel without rain attenuation

图8 好状态下受雨衰影响的信道误码率Fig.8 The BER of channel with rain attenuation in good state

图9 C.Loo 模型中不同阴影条件对信道误码率的影响Fig.9 The BER of C.Loo′s model with different shadow conditions

7 总 结

本文在分析临近空间通信系统的覆盖特性、链路损耗特性与降雨衰减特性基础上,从多径衰落和雨衰两个方面综合考虑,改进了Lutz 模型,对通信信道的模型进行研究与仿真,提出了一种新的两状态切换信道模型,仿真结果与实测数据吻合良好,证明了文中建立的统计模型是正确的、可用的。同时,还对信道误码率进行了仿真分析。仿真结果表明,本文提出的信道模型能够反映出临近空间通信信道的特性,具有一定实用意义,为调制及编码方案的优化、均衡器的设计等通信体制的研究提供了背景。

[1] Tozer T C, Grace D.High-altitude platforms for wireless communications[ J] .IEE Electronics &Communications Engineering Journal,2001,13(3):127-137.

[2] 吴佑寿.高空平台信息系统——新一代无线体系(上)[J] .中国无线电管理,2003(6):3-8.

Wu You-shou.High Altitude Platform Stations Information System:New Generation—Wireless Communications System(Part I)[ J] .China Radio,2003(6):3-8.(in Chinese)

[ 3] 杨明川,姜义成.低仰角动态环境下高空平台站通信信道的衰落特性[J] .华南理工大学学报,2009,37(1):27-33.

YANG Ming-chuan, JIANG Yi-cheng.Fading Characteristics of HAPS Communication Channel in Dynamic Environment with Low Elevation Angle[J] .Journal of South China University of Technology,2009,37(1):27-33.(in Chinese)

[ 4] 杨红卫,何晨, 诸鸿文,等.平流层通信衰落信道的统计模型[ J] .上海交通大学学报,2002,36(3):331-336.

YANG Hong-wei, HE Chen, ZHU Hong-wen,et al.Statistical model for the fading channel of the stratospheric communication[ J] .Journal of Shanghai Jiaotong University,2002,36(3):331-336.(in Chinese)

[ 5] José Luis Cuevas-Ruí z, José A Delgado-Pení n.Channel model based on semi-Markovian processes.An approach for HAPS systems[ C]//Proceedings of the 14th International Conference on Electronics, Communications and Computers.Veracruz, Mexico:IEEE,2004:52-56.

[ 6] Elabdin Z, Elshaikh O, Islam R,et al.H igh altitude platform for wireless communications and other service[C]//Proceedings of the 4th International Conference on Electrical and Computer Engineering.Dhaka:IEEE,2006:432-438.

[ 7] 李铮,赵大勇.美军临近空间平台的开发利用及对我军的启示[ J] .火力与指挥控制, 2009,34(8):21-23.

LI Zheng,ZHAO Da-yong.Exploitation of American Military Near Space Platform and Its Inspiration to Our[J] .Fire Control&Command Control,2009,34(8):21-23.(in Chinese)

[ 8] Stylianos Karapantazis,Pavlidou Fotini-Niovi.Broadband communications via high-Altitude platforms:A survey [J] .IEEE Communications Surveys&Tutorials,2005,7(1):2-31.

[ 9] 黄和,王东进, 刘发林.Ka 波段移动卫星信道的综合模型及误码率分析[ J] .中国科学技术大学学报,2005, 35(3):346-353.

HUANG He,WANG Dong-jin, LIU Fa-lin.Modeling of Ka-Band Mobile Satellite Channel and Ber Performance Analysis[ J] .Journal of University of Science and Technolog of China,2005, 35(3):346-353.(in Chinese)

[10] Erich Lutz, Daniel Cygan, Michael Dippold,et al.The land mobile satellite communication channel - Recoding,statidtics, and channel model[ J] .IEEE Transactions on Vehicular Technology,1991, 40(2):375-386.

[11] Chun Loo.A statistical model for a land mobile satellite link[J] .IEEE Transactions on Vehicu lar Technology, 1985, 34(3):122-127.

[12] Chun Loo,John S.Butterworth.Land Mobile Satellite Channel Measurements and Modeling[ J] .Proceedings of the IEEE, 1998,86(7):1442-1463.

[13] Matthias Patzold.移动衰落信道[M] .陈伟, 译.北京:电子工业出版社, 2009.

Matthias Patzold.Mobile fading channels[M] .Translated by CHEN Wei.Pub lishing House of Electronics Industry,2009.(in Chinese)

[14] Butterworth J S, Matt E E.The characterization of propagation effects for land mobile satellite services[ C]//Proceedings of the IEE 3rd International Conference on Satellite Systems for Mobile Communications and Navigations.London,UK:IEEE,1983:51-54.