地空通信信道特性仿真与分析

倪光华，杜智远，王　东，石玉景

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；

2.中国人民解放军92493部队，辽宁 葫芦岛 125001)



地空通信信道特性仿真与分析

倪光华1，杜智远2，王东1，石玉景1

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；

2.中国人民解放军92493部队，辽宁 葫芦岛 125001)

摘要地空通信信道是一个典型的二径衰落信道，会产生较深的多径衰落，需要采用分集接收技术提高通信性能。利用电磁波传输理论，对地空通信信道的信号传输过程进行分析，建立了地空通信的分集接收模型，并在此基础上设计了专用仿真软件。利用仿真软件进行了仿真，对比不同分集条件下的分集接收效果，得出在地空通信信道下，必须对频率规划和天线架高进行综合考虑，才能取得较好的分集接收效果。

关键词地空信道；多径衰落；分集；信道模型

0引言

地空通信是利用升空平台搭载通信载荷，通过空中中继或交换，实现多个地面台(站)间信息交互的一种无线通信方式。其本质是通过升高空中通信设备的办法，变超视距通信为视距通信，具有通信距离远、覆盖面积大、传输带宽宽、易于组网和机动灵活等特点。

地空无线信道衰落的传播模型主要分为自由空间传输、阴影衰落和多径衰落的传播模型3类。其中，自由空间传输和阴影衰落对无线信号产生的影响是缓慢的，通常可以称之为大尺度衰落，也可称为慢衰落；多径衰落对无线信号产生的影响是快速的，使得接收信号幅度、功率和相位等在很短的时间内即产生迅速的变化，通常称之为小尺度衰落即快衰落，该衰落对传输性能影响十分明显，需采取必要措施予以克服。

分集接收是一种抑制信道多径衰落的有效方法[1]。根据基本的电磁传播理论，对地空信道的多径传输特性进行研究、分析，并针对性的进行分集接收方案设计，对地空通信的实际应用提供参考。

1信道建模与计算

典型的地空通信系统由一个地面设备和一个机载设备组成，其主要无线通信路径为两者之间的直射路径[2]。但是，在电磁波传播过程中，在地面会发生反射，这部分反射信号也很有可能进入信号接收设备[3]，从而造成多径干扰。

为降低研究难度，电磁波的地面反射只考虑地面对信号的反射，不考虑地形对信号反射的影响。因此地空通信信道可以简化为一个典型的二径信道模型[4]，如图1所示。

在仿真系统建模中，选择的最终观测量为在一定发射功率和信息速率条件下的信道余量，这样就可以摒弃信道对信号影响的细节部分，只考虑其对信号能量的衰减。

图1　地空通信信道示意

研究地空信道对信号的衰减，除了需要考虑由地面设备和机载设备之间的距离引起的电磁波自由空间损耗外，最主要的就是分析多径干扰对信号的影响。为研究多径干扰，必须得到多径信号相对直射信号的多径时延，以及信号经地面反射后产生的幅度和相位的变化。前者涉及到计算多径和直射路径的路径差；后者为地面反射系数的计算[5]。

1.1　链路损耗与系统余量计算

地空信道作为一种无线信道，其亦满足一般的无线信号传输规律，因此可以使用以下的基本链路计算公式[6]。

链路总的损耗SL为：

SL=Lp+Lt+Lr+LA。

(1)

式中，Lp为路径损耗；Lt为发射机附加损耗；Lr为接收机附加损耗；LA为附加损耗，如雨衰和大气吸收损耗[7]等。

链路总增益为：

SG=Power+Gt+Gr。

(2)

式中，Power为发射功率；Gt为发射机天线增益；Gr为接收机天线增益[8]。

则系统余量为：

SM=SG-SL-Threshold。

(3)

式中，Threshold为接收机门限。

1.2　反射系数和多径衰减的计算

任意线极化信号可以分解成垂直极化和水平极化信号，假设到达反射点的信号为[9]：

E=E0e-βrcos(ωt-kr)=

E1cos(ωt-kr)=EH+jEV。

(4)

式中，

EH=E1sinαcos(ωt-kr)，为水平分量；

EV=E1cosαcos(ωt-kr)，为垂直分量。

1.3　分集合并算法

为了能够有效对抗地空信道中产生的衰落，需要采用分集措施[10]。在仿真中会对不同的分集方式进行仿真、分析。仿真中主要针对机载双天线、双频率分集方式，并兼顾对地面也采用双天线分集的情况进行仿真分析[11]。

(5)

合并方式包括选择性合并、最大比值合并以及等增益合并，这里不再细述[12]。

2仿真软件

MATLAB软件具有强大的计算功能，能够充分满足上文所述算法的计算要求。因此，地空信道仿真系统在MATLAB环境下构建。为了方便使用，提供简单的人机交互功能，基于MATLAB中的GUI组件，设计了软件界面，如图2所示。

图2　地空信道仿真界面

3结论分析

在完成了仿真软件的设计后，通过改变仿真参数，对地空信道各项特性进行详细研究，得出了以下相关结论。

3.1　单天线工作的链路二径仿真

天线在不同频率上的增益和方向图的不同，会对系统余量产生较大影响。机载天线为全向天线，其方向图虽然也随频率的变化而变形，但通过仿真发现，这样的变化对系统余量并无太大影响。频率变化的影响主要体现在地面天线上。

地面天线采用的是一个1.2 m口径的定向天线，当工作频率为4 GHz时，其主瓣半功率角为4.4°，主瓣增益为37 dBi。当工作频率升高时，主瓣半功率角被压缩，相应主瓣增益会增高。

当采用较高频率作为工作频率时，信号的自由空间损耗会随频率的升高而有所增加，但主瓣增益也随之增加，因此直射路径信号强度不会有太大变化。

采用单天线—单天线的系统结构，可以通过架高地面天线，飞行器爬升和采用较高频段的方式，减轻信道多径的影响，但无法避免信道多径引起的深度衰落，因此需要采用更多的措施以对抗这种信道衰落。

3.2　地面单天线空中双天线分集接收仿真

由于单天线—单天线结构，并不能完全对抗多径衰落，考虑使用多天线分集合并方式。

首先考虑地面设备单天线—机载双天线的结构，地面为带有自动跟踪伺服系统的定向天线，机载为2个全向天线，分别于机腹和机顶处相对安装。

针对这种单天线—双天线结构在不同频率组合下的仿真对比图如图3所示。

图3　不同频率组合下分集接收效果

仿真参数设置：地面天线架高为10 m，飞行器高度3.5 km，频率选择分别为：4.08 GHz+4 GHz和8 GHz+2 GHz两种组合。从图3中可以看出，单天线—双天线结构的确可以提供一定的分集增益，但是只有频率间隔很近的情况下(如图3(a)所示)，才能避免衰落“深坑”(如图3(b)所示)。

3.3　地面双天线空中双天线分集接收仿真

当地面也设置为双天线(垂直布设)，分别与机顶天线和机腹天线建立2条通信链路链路。选择2条通信链路的工作频率，当2条通信链路的工作频率和相应地面设备天线高度的乘积大致相等时，可以获得较好的分集接收效果。

针对这种双天线—双天线结构在不同频率组合下的仿真曲线如图4所示。仿真参数设置：飞行器高度3.5 km，对准机顶天线的地面天线架高为10 m，工作频率为4 GHz；对准机腹天线的地面天线架高为5 m，工作频率为8 GHz。此时，2条通信链路的地面天线架高与工作频率的乘积相等，分集接收后，接收到的信号电平随传输距离变化较为平坦，不会产生衰落“深坑”。

图4　双天线异频分集

如果不按照上述规则设置工作频率和天线架高，则不能避免衰落“深坑”的出现，分集接收不能取得较好的效果。

3.4　仿真结论

通过仿真发现，地空通信信道中存在较强的多径信号，会产生较深的多径衰落。仅使用单天线结构很难取得较好的通信效果，而采用地面设备双天线—机载双天线结构和地面设备单天线—机载双天线结构2种分集接收方式，通过选择合适的工作频率，可以获得较好的分集接收效果。

4结束语

地空信道是一个典型的二径信道，存在较深的多径衰落，对通信系统性能影响较大。利用电磁传输理论，建立地空多径传播模型，研究地空地空分集接收特性。通过仿真研究，总结出了系统传输余量和地面天线架高、系统工作频率、通信距离和飞机高度等因素的变化规律，并在此基础上设计了地面设备双天线—机载双天线结构和地面设备单天线—机载双天线结构2种分集接收方式。仿真结果证明，通过合理设置地面天线架高和系统工作频率2个参数，2种分集接收方式均可以取得较好的分集接收效果，提高系统通信性能。

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倪光华男，(1982—),硕士,工程师。主要研究方向：无线传输技术。

杜智远男，(1976—)，硕士。主要研究方向：测控总体技术。

Performance Simulation and Analysis on Transmission

Characteristics of Ground-to-air Channel

NI Guang-hua1,DU Zhi-yuan2,WANG Dong1,SHI Yu-jing1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China；

2.Unit92493,PLA,HuludaoLiaoning125001,China)

AbstractGround-to-air communication channel which is a two-path fading channel and causes deep multi-path fading,needs to adopt diversity reception technique to improve the communication performance.The signal transmitting process in ground-to-air communication channel has been analyzed and diversity reception model of ground-to-air communication has been constructed by using the electromagnetic transmission theory,on the basis special-purpose simulation software is designed.By comparing different diversity reception performance on different diversity conditions,the paper presents that it is necessary to take comprehensive consideration of frequency planning and antenna height to achieve the better performance of diversity reception.

Key wordsground-to-air channel;multi-path fading;diversity;channel model

作者简介

基金项目：国家部委基金资助项目。

收稿日期：2015-03-11

中图分类号TP925

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)06-0078-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.21

引用格式：倪光华，杜智远，王东，等.地空通信信道特性仿真与分析[J].无线电工程，2015，45(6)：78-80，84.