基于射線追蹤法的衛星通信MIMO信道特性研究

摘 要:衛星信道的研究一直是衛星通信系統的難點，傳統上的研究方法都有很明顯的缺陷。將來，衛星移動通信系統會使用MIMO分集技術，這更增加了衛星通信系統研究的難度。而近年來，隨著射線追蹤法的發展，運用射線追蹤法研究衛星通信信道成為現實，具有很多優勢。運用射線追蹤法，建立了城市環境下衛星移動通信MIMO信道的射線追蹤模型，對其空間分集和極化分集性能進行了模型仿真性研究。結果表明，MIMO信道的射線追蹤技術能有效提高信道容量。

關鍵詞: 衛星通信; 多輸入多輸出; 射線追蹤; 模型仿真

中圖分類號:TP9115 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0076-03

Characteristics of Satellite Communication MIMO Channel Model Based on Ray-tracing

LI Yun-long， GAO Xiao-feng

(Modern Education Technology and Information Center， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471003， China)

Abstract:It is difficult to research the channel of satellite communication， and the traditional method has obvious defects. In the future， the MIMO diversity technology will be used in satellite communication system， what will add the difficulty of the research on satellite communication system. Recently， the research on satellite communication channel by using the ray-tracing with its development is realized. The satellite communication MIMO channel model based on ray-tracing techniques in urban environments was setup， the performances of spatial diversity and polarization diversity were simulated and analyzed. The results show that satellite communication MIMO channel model based on ray-tracing technique can improve the channel capacity efficiently.

Keywords:satellite communication; MIMO; ray-tracing; model simulation

0 引 言

衛星通信系統的可靠性很大程度上取決于電波傳播因素，衛星至移動終端的通信鏈路工作在較窄的信號范圍內，地形和樹木的遮蔽衰減以及由反射信號引起的多徑衰落都會大大降低通信質量，甚至造成通信中斷。因此，不管是在軍用還是在民用環境下，衛星通信信道[1]的建模是一個必須研究和解決的首要問題。

由于地面移動終端所處的環境復雜且不斷變化，使星地之間信道特性研究難度較大，國內外主要研究途徑有三個方面[2]:建立數學模型的理論分析;信道特性的仿真研究;進行實測，以供設計系統時參考。前兩種方法著重于理論上的研究，而第三種方法必須要利用衛星或飛機進行實測，費時費力，特別是在預研階段的前期研究中，由于條件的限制，在國內進行星載或機載試驗，在技術和經費上都有問題，隨時隨地對實際衛星移動通信信道[3]進行測試常常不可能實現。所以，如果能夠根據衛星信道的特性，建立一個能夠很好反映衛星移動通信信道傳播特性的模型[4]，將是一個較好的解決辦法，具有重要的實際意義，而射線追蹤法[5]的出現，為這一問題提供了較好的解決辦法。

1 射線追蹤法簡介

射線追蹤技術在20世紀90年代以來被廣泛地研究，其算法是基于幾何光學理論，是光學的射線技術在電磁計算領域中的應用，能夠準確地考慮到電磁波的各種傳播途徑，包括直射、反射、繞射、透射等，能夠考慮到影響電波傳播的各種因素。

在射線追蹤法中，電磁波可被簡化為射線，從而使用光的理論比如反射定律、折射定律、光程定律等研究電磁傳播特性。同時，對于障礙物的繞射，通過引入繞射射線來補充幾何光學(GO)理論，即GTD[6](Geometric Theory of Diffraction，幾何繞射理論)和UTD[7](Uniform Theory of Diffraction，一致性繞射理論)。

射線追蹤法的基本思想是:把從源點輻射出的電磁波分解為一條條射線，能量在各自獨立的射線管內傳播，對每一條射線的傳播進行追蹤，直到射線到達目標點或射線能量低于需要考慮的限度。在這個過程中計算出射線能量，求得所有到達接收點的射線，然后采用向量迭加的方法得出輻射源的影響。射線追蹤法所需要的地理信息通常為兩大類:所在地的幾何描述;所在地的形態描述，即所在地的材料特性。單個建筑物室外所在地模型包括6個多面體面，其中4個多面體面為墻，1個面為屋頂，1個面為地面。

2 衛星通信MIMO信道特性與建模

在城市環境中，衛星信道具有多徑效應，衛星通信多徑鏈路如圖1所示。由于收發終端設備間的距離很遠，另外散射體也和衛星很遠，所以使用的接收天線的增益高，傳播路徑的相關性低，同時到達地面散射體的電波為平面波，到達地面終端的電波多集中于有限的角度范圍內，主要由二維正交極化成分組成。

圖1 衛星通信多徑鏈路示意圖

衛星MIMO通信系統采用了分集技術，即多個衛星和一個多天線或者多極化的接收終端通信，分集技術的應用可以為整個系統提供額外的增益，提高系統性能。對于衛星，可以通過放置于大距離分隔開的軌道位置用以提供空間分集，雖然這樣放置衛星對陰影效應提供的增益可以忽略，但是它提供了空間分集增益與小尺度衰落增益[8]。

本文研究的是陸地雙星通信，引入MIMO抗多徑技術，研究兩個相鄰同軌道衛星在城市環境下，分別對使用不同分集方式的天線進行通信的情況。運用射線追蹤法建立可信、適用和完整的信道模型，并進行性能仿真，分析了潛在的衛星信道容量增益。

模型中天線的極化方式為圓極化，當信號在導體表面反射時，圓極化方向會反向。在散射環境中，能量在多徑傳播機制中傳播，合成的正交極化成分中有用的功率，因此，模型反映了組合信道和天線的系統，而不是純粹的信道描寫。

這里通過仿真研究了S波段雙星MIMO信道，模擬了兩個臨近的低軌衛星(各使用一個右旋極化天線)與地面使用空間分集和極化分集方式的兩種天線接收系統進行通信的情況。仿真場景如圖2所示，在城市較遠處(12 km)上空，設著兩個發射機，仿效兩個右極化的通信衛星(仰角30°)，發射機間相距10個波長。接收機放置于城市環境中，如圖2中曲線所示。對于空間分集，沿接收路徑成對放置396對接收機，一對接收機間相距4波長，組成MIMO接收系統，接收天線均是右旋極化方式;對于極化分集，沿接收機路徑同一位置上放置396對接收機，一對接收機中的兩個天線分別使用右旋和左旋不同的極化方式。仿真模型參數設置中，設置建筑物高度為15~100 m，接收天線高度為1.7 m，載波頻率為2.45 GHz，帶寬為200 MHz，天線間不考慮的干擾，完全隔離，其余相關參數采用的是典型的實際天線參數，仿真采用Full 3D模式。

圖2 城區環境仿真場景圖

3 數據處理

對于發射機的每個發射天線都具有相同平均發射功率的慢衰落MIMO系統，考慮信號為窄帶的、點到點的、接收機精確信道估計的、無回饋的信號，那么MIMO信號模型為:

r = H#8226;s + n

式中: r 為M×1的接收信號向量; s 為N×1發射信號向量; n 為M×1獨立同分布加性復白高斯噪聲向量，每個分量的方差是σ2; H 為M×N信道矩陣，其中第i行、第j列矩陣元素表示為hij，N和M分別是發射和接收天線數目，則MIMO容量為[9]:

C=log2det I M+ρN HH H (1)

式中: I M表示單位M階矩陣，H H表示矩陣 H 的共軛轉置;det表示對方陣求行列式值;ρ為接收機每根接收天線分支上的平均信噪比(SNR);C表示系統容量。這樣就可以從射線追蹤法得到的參數來構造信道矩陣 H，然后按照式(1)得出系統容量C。發射和接收天線對之間的信道沖激響應可以表示為所有被接收天線接收的射線向量:

g ij(t)=∑Mk=0Pk#8226;eiθk#8226;δ(t-τk) (2)

式中:Pk，θk和τk分別為接收功率、位相角和第k根射線的相對時延;M為被接收的射線的數目;δ(t)為δ函數。因此窄帶的系統頻率響應為:

hij=∑Mk=0Pk#8226;eiθk#8226;e-i2πf0τk (3)

利用式(3)，構建信道矩陣 H，Pk，θk和τk等參數可以利用射線追蹤法得到。這樣所有的N×M個hij就都是復數。

另外，通常對接收信號的概率密度函數做數學上的近似，進而采用統計模型來分析和研究衛星移動通信信道傳播特性，這是因為概率分布模型通過利用概率分布函數來建立對傳播過程的理解，對實際情況作了簡化假設，其分析過程比較簡單，物理意義比較明確，仿真實現比較簡單，因此，在對衛星移動通信信道[10]傳播特性的研究中，通常采用概率分布的統計模型來對衛星移動通信信道進行建模。

這里，如果沿接收路徑放置若干個接收天線，另外考慮到現實的衰減和典型的信道編碼噪聲，選取適當的噪聲參數，在此基礎上就可以計算得到每個信道樣本的容量C，進而得到累積分布函數(CDF)。

4 仿真結果分析

對于圖2中各接收機，分別提取出每個天線接收功率、到達角、時延等參數，另外考慮到現實的衰減和典型的信道編碼噪聲(這里取接收機平均信噪比為15 dB)，在此基礎上計算得到了每個信道樣本的容量C，進而得到累積分布函數(CDF)。

在計算接收功率時，由于模型中發射機到衛星還有一定的距離，為了使結果準確，考慮使用了相對于自由空間損耗的接收功率。得出的信道功率的累積分布函數如圖3所示，實線為空間分集，虛線為極化分集。圖中展示了標準窄帶陸地衛星移動信道特性，對于極化分集系統，接收功率為自由空間衰減35 dB以下時達到1%的信道衰減，而對于所建的空間分集系統，接收功率大約為自由空間衰減33 dB以下時達到1%的信道衰減。

圖3 相對于自由空間損耗的功率分布

最后，對此MIMO信道的數據進行了研究，分析了相對于SISO系統潛在的容量改進，如圖4所示，粗實線為SISO信道容量積累分布，虛線為空間分集信道容量積累分布，細實線為極化分集信道容量積累分布。結果顯示，相對于SISO系統，50%的信道大于2.4 b/cycle，而對于分集系統，這個值為3.8 b/cycle。如果考慮指標為10%，那么對于SISO系統信道容量為0.9 b/cycle，空間分集系統為3 b/cycle，極化分集系統為3.3 b/cycle。說明使用MIMO技術對于SISO系統有很明顯的改進。

圖4 信道容量累積分布圖

5 結 語

研究了衛星移動通信的信道特性和建模方法，建立了基于射線追蹤法的衛星MIMO信道模型，分析了其相對于自由空間損耗的衰落特性，分別對其空間分集和極化分集性能進行了研究，計算了其信道容量積累分布，并與單衛星SISO系統進行了性能比較，結果表明基于射線追蹤法的衛星MIMO信道模型能有效提高信道容量，相對于SISO系統有很明顯的改進。衛星信道建模一直是衛星通信系統的難點，本文的工作為解決這一問題進行了有益的探索。

參考文獻

[1]李銳.對衛星通信及衛星信道的論述[J].中國新技術新產品，2009(13):14-16.

[2]CYAN D， DIPPOLD M， FINKENZELLER J. Models for the land mobile satellite channel[J]. Archiv. Elec. Ubertr.， 1988， 42: 329-339.

[3]朱析，李慶，朱立東，等.基于信道特性的低軌衛星切換性能研究[J].空間電子技術，2009，6(2):8-12.

[4]劉明富.無線通信系統中的信道模型及信道檢測[J].科技資訊，2009(3):29-31.

[5]BROWN P G， CONSTANTINOU C C. Investigations on the prediction of radio wave propagation in urban microcell environments using ray-tracing methods[J]. IEEE Proceedings: Microwaves， Antennas and Propagation， 1996， 143(1): 36-42.

[6]CHAMBERLIN A， LUEBBERS R. An evaluation of longley-rice and GTD propagation models[J]. IEEE Trans. on Antennas， 1982， 30(6): 1093-1098.

[7]ANDERSEN J B， WIART J. EURO-COST231 TD(96)-003 UTD transition region diffraction[C]. Belfort: [ s.n.] ， 1996.

[8]EVANS J V. Satellite systems for personal communications[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine， 1997， 39(3): 7-20.

[9]呂劍剛，呂英華，張洪欣，等.射線跟蹤法對室內MIMO信道容量分析[J].無線電工程，2005，35(8):11-13.

[10]熊明玥.MIMO-OFDM系統中的信道估計算法[J].中國新通信，2009(5):46-49.