一種新的臨近空間通信信道模型及其仿真分析

施春強,郭道省

(解放軍理工大學 通信工程學院,南京210007)

1 引 言

近年來, 臨近空間平臺(又稱高空平臺站,HAPS)通信作為一種新的移動通信手段,與傳統的衛星通信和地面移動通信相比,具有一定的綜合優勢,逐漸被人們所重視,成為研究的熱點。臨近空間平臺通信使用高空平臺站(飛艇、無人機、氣球等)作為中繼站,在提供高速、大容量業務方面有著廣闊的應用前景[1-2]。

目前,關于臨近空間平臺通信的研究大多集中于平臺的制造與飛行問題,在具體通信技術方面的成果十分有限[3],對適用于臨近空間通信的信號傳輸技術也相對較少,其主要原因就在于缺少對通信信道進行有效的描述。文獻[4] 中提出了一種考慮多徑和陰影效應的概率統計衰落模型,但該模型屬于單信道模型,難以表示大范圍內臨近空間通信信道的動態變化特性;文獻[5]提出了一種基于馬爾科夫過程的三狀態切換模型,克服了傳統的單狀態不能確切描述大環境范圍內的信道特性的缺點,但未考慮降雨衰減對信道的影響。

為了確保臨近空間通信的可靠性和有效性,為后續的通信體制的研究奠定基礎,本文結合臨近空間通信信道的具體特性,對經典Lutz 模型進行了修訂,從多徑衰落和雨衰兩個方面綜合考慮,對Ka 頻段通信信道模型進行研究與仿真。仿真結果表明,本文提出的模型能夠較好地反映臨近空間通信的信道特性,具有一定的實用性,為臨近空間通信的系統分析設計提供了仿真環境。

2 臨近空間通信系統概述

臨近空間是指高于普通航空器飛行空間,而低于軌道飛行器運行空間的區域。國際上一般將距地面20 ～100 km的空域視為臨近空間,如圖1 所示。運行在臨近空間的飛行器稱之為臨近空間平臺,有高空無人機、飛艇、氣球等多種形式[6]。

圖1 大氣空間劃分Fig.1 The partition of the aerosphere

與衛星通信相比,臨近空間通信平臺傳播距離短、傳播損耗少、時延較小、所需發射功率低,有利于實現寬帶傳輸和通信終端的小型化;與地面中繼系統相比,其作用距離遠,覆蓋范圍大,機動靈活,特別適用于山區、沙漠等偏遠地區和應急通信。

在軍事上,臨近空間平臺在未來戰爭中將提供支持一體化聯合作戰的信息平臺,是軍事力量的倍增器。臨近空間為通信系統和預警探測系統構建了一個信息平臺,為實現空天地一體信息作戰,奪取信息優勢,并最終實現信息全譜優勢有著十分重要的意義。在民用上,一方面,將地面移動基站進行改造,以適應于臨近空間平臺,并進行移動接入服務,研究表明,使用臨近空間平臺作為移動基站的接入載體,具有作用距離遠、覆蓋地區大等優點;另一方面,近年來的研究表明,由于具有布站迅捷、靈活等優點,臨近空間平臺也是大規模應急救災(地震、洪澇災害)的有效手段[7]。

通過以上應用與比較分析可以看出,臨近空間平臺在軍用民用兩個方面都具有廣闊的發展前景,同時,臨近空間平臺與衛星系統具有此長彼短,優勢互補的關系,因此,研究臨近空間通信的信道模型,具有重大的現實意義。

3 臨近空間信道特性

為了研究臨近空間平臺通信的傳輸技術,評估系統的傳輸性能,必須建立合適的信道模型。臨近空間平臺通信與衛星通信和地面移動通信相比,具有一些不同的特點,如表1 所示。

表1 臨近空間平臺通信、地面移動通信和衛星通信的特點比較[ 8]Table 1 The comparison between HAPS communication,mobile communication and satellite communication

根據ITU 分配的臨近空間(平流層)通信系統使用的頻段,我國采用27.5 ～28.35 GHz(下行)和31.0～31.3 GHz(上行)的Ka 頻段,在這個頻段的雨衰對通信鏈路的性能會產生較大的影響。根據臨近空間的系統組成和平臺高度可以發現,Ka 頻段的臨近空間通信信道具有Ka 頻段衛星信道一切特征,因此在建立信道模型時,可以參照Ka 頻段靜止衛星信道的模型。

臨近空間平臺通信信道是一個復雜的時變信道,在信號的傳輸過程中,不僅存在路徑損耗和降雨衰減,而且還存在多徑衰落、陰影效應。臨近空間平臺能夠長期穩定地停留在平流層的某一固定位置,因此基本上不存在由于平臺移動引起的多普勒頻移,如圖2 所示。

圖2 臨近空間通信示意圖Fig.2 The sketch map of HAPS communication

本文主要將臨近空間通信的衰落分為兩大部分,一是降雨衰減,二是多徑和陰影效應的衰落。

3.1 降雨衰減[9]

降雨衰減(雨衰)是由于電磁波受雨滴的吸收和散射影響而產生的衰減,它主要與雨滴的幾何尺寸、降雨強度、雨區范圍、信號頻率、極化方式等有關。在Ka 頻段,雨衰是影響通信鏈路質量的最主要因素,可用下式計算:

式中,L0為降雨經歷的等效傾斜路徑長度,rr(r)為降雨衰減率。

3.2 多徑衰落和陰影效應[ 9]

3.2.1 多徑衰落

信號在傳播過程中,會遇到各種物體,如建筑物、樹木等,發生反射、散射和繞射,因此接收機接收到的信號是從各個路徑到達的合成信號,即多徑傳輸。各個路徑分量的包絡和相位存在著差異,因此合成信號幅度波動會比較劇烈,這就是多徑衰落。在分析信道傳輸特性的概率分布模型時,多徑衰落主要用瑞利分布描述,即信號包絡的概率密度函數為

式中,σ為由于多徑引起的平均散射功率。

3.2.2 陰影效應

當信號在傳播路徑上遇到建筑物、樹木、起伏山丘等障礙物的阻擋時,會使信號產生衰減,從而造成接收信號電平的下降,這種現象成為陰影效應。當臨近空間平臺與地面的直射信號被障礙物吸收或者散射掉時,陰影效應出現。用于描述陰影效應的概率分布模型為對數正態分布,信號包絡的概率密度分布為

式中, μ和σ為直射信號幅度對數的均值和方差。

4 臨近空間信道的統計模型

通信信道的建模方法主要有以下幾種方式:經驗模型、統計模型和幾何分析模型,本文采用統計模型的方法。經典的移動信道模型有C.Loo 模型[11]、Lutz模型和Corazza 模型,但是這些模型都是用固定的概率分布模式來對信道特性進行擬合,當終端在較大范圍內移動時,無法全面反映信道的特性。因此,應建立一個包含好狀態和壞狀態的混合狀態模型。

另外,根據上面的信道特性分析,本文對信道統計模型的建立主要考慮兩個方面,一是降雨衰減的影響,二是多徑衰落和陰影效應的影響。下面分別建立兩種情況的統計模型。

4.1 多徑和陰影效應統計模型

以Lutz 的經典兩狀態切換信道[10]作為參考,本文對多徑衰落和陰影效應的分析采用兩狀態切換信道模型,并對Lutz 的模型進行一定的改進。Lutz 的模型是針對地面移動衛星信道(LMSC)建立的,兩狀態的劃分依據是直射信號分量的存在與否。好狀態假定信號只存在直射分量而且不受陰影遮蔽,壞狀態則假定信號完全沒有直射分量而且還要受到陰影遮蔽,因此是兩種較為極端的情況。但由于臨近空間平臺通信常存在直射分量,極少存在直射信號被完全遮擋的情況,因此在信道處于壞狀態時,不應假定信號完全沒有直射分量,可采用C.Loo 模型。

4.1.1 好狀態

好狀態下,信號不受陰影遮蔽效應的影響,直射信號沒有受到阻擋,接收信號與直視信號疊加,從而信道可用直視信號幅度歸一化的Rician 分布對信道進行描述。接收信號的包絡的概率密度為[5]

4.1.2 壞狀態

本文對壞狀態采用C.Loo 模型,即接收信號受到陰影遮蔽效應。但是直射信號沒有被完全遮蔽,接收信號是受到陰影遮蔽效應的直射信號和多徑信號的疊加。因此接收信號可以表示為

式中,r(t)表示接收信號,z(t)表示LOS 信號,w(t)表示純多徑信號,s(t)表示陰影衰落。

當只考慮多徑和陰影效應的影響時,接收信號表示為

式中,r、z 和w 分別為接收信號、LOS 分量和純多徑分量的包絡, θ、φ0和φ分別為接收信號、LOS 分量和純多徑分量的相位。

在直射信號分量的幅度z 保持不變的條件下,接收信號的包絡r 服從Rician 分布,即

式中,b0是平均散射多徑功率,I0(·)是第一類零階修正貝塞爾函數。

由于受到陰影效應的作用,直射信號分量的幅度z 服從對數正態分布,即

式中, μ和d0 分別是ln z 的均值和方差。根據全概率公式可以得到接收信號的包絡r 的概率密度函數為

接收信號的相位分量θ可以近似滿足高斯分布:

式中,mθ和σθ分別為高斯分布的均值和標準方差。C.Loo 等人在Olympus 星實測數據的基礎上,給出了相應的模型參數,如表2 所示。

表2 不同陰影條件下信號包絡和相位模型參數[8]Table 2 The model parameters of envelope and phase in different shadow conditions

4.2 降雨衰減的統計模型

在分析信道的統計模型時,除了考慮多徑和陰影的影響以外,大氣因素對整個通信鏈路的特性也有很大的影響。衛星對地鏈路包含了電離層、中間層、平流層和對流層,由圖1 可知臨近空間處在平流層下部和電離層下部,其對地通信穿越了平流層和對流層,Ka 頻段的空地鏈路主要受對流層影響,而在電離層和中間層的通信是非常理想的。因此Ka頻段的臨近空間通信和衛星通信在對流層受到的雨衰是一致的。

由文獻[9]中的試驗數據可得,大氣對Ka 頻段臨近空間信道的影響在包絡和相位上均服從高斯分布,即

其中,fw(rw)為信號包絡的概率密度函數,fw(φ)是信號相位的概率密度函數,m′w和mw分別是信號包絡和相位的均值, σ2w和σ′2w分別是信號包絡和相位的方差。表3 給出了在中雨和雷雨條件下,Ka 頻段臨近空間通信信道包絡和相位的模型參數。

表3 中雨和雷雨條件下信道包絡和相位模型參數[12]Table 3 The model parameters of envelope and phase in the weather of rain and thunder

不失合理性,可以將多徑和陰影效應的影響與降雨的影響看作是相互獨立的。

5 臨近空間信道的仿真驗證

在對信道特性進行描述時,電平通過率(LCR)和平均衰落持續(AFD)是很常用的高階統計量。

LCR 定義為信號包絡以正的斜率通過指定信號電平r 的期望值:

式中,f(r,﹒r)是隨機過程s(t)及其導函數﹒s(t)=s(t)/d t 在同一時間的聯合概率密度函數。

AFD 反映了信號包絡低于給定電平r 的時間間隔的統計平均值:

驗證信道模型正確性和可行性的最直接方法就是與實際測試數據進行比較,由于測試數據都是在特定環境下測試得到的,因此本文可以通過對C.Loo模型(壞狀態)的測試數據來驗證文中模型在存在陰影效應的情況下的有效性。

下面對臨近空間信道模型進行計算機仿真,其中仿真參數可以根據文獻[13]中的模型參數的優化結果確定,并將仿真結果與文獻[14]中的測量結果進行對比。

圖3 不同陰影條件下的信道模型的LCR 和AFD 與實測數據的比較Fig.3 Comparison between simulated LCR and AFD by channel model and measured data under different shadowing conditions

從圖3 可以看出,本文模型的歸一化電平通過率與測量數據的差別是可以接受的,而仿真模型的歸一化平均衰落持續與測量數據能夠較好地吻合,證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 臨近空間信道的誤碼率仿真

根據信道統計模型的論述,可以建立臨近空間平臺通信信道的仿真模型,如圖4 所示。

圖4 臨近空間通信信道仿真模型Fig.4 Simu lation model of HAPS communication

仿真采用BPSK 調制方式,用Matlab 產生隨機二進制序列作為輸入信號,經過兩狀態信道,同時受到降雨衰減的影響,之后受到加性高斯白噪聲的影響,在接收端進行誤碼率的統計。信道的狀態切換由一個半Markov 過程控制, 好狀態代表Rician 模型,Rician 因子取3.9,壞狀態使用C.Loo 模型,

好壞兩種狀態的狀態轉移矩陣可參考文獻[5] ,即兩狀態的穩態概率為Pg=0.565, Pb=0.434。Rician 模型可由Matlab 自帶的模塊實現,而C.Loo 模型模塊和雨衰模塊如圖5 所示。

圖5 臨近空間信道衰減模塊Fig.5 The channel fading module for HAPS communication

信號在通過不同狀態的信道時,其衰減程度是不同的,如圖6 所示,第6 300～10 000個信號樣點由于信道狀態的切換處于壞狀態,處于好狀態的信號功率包絡高出處于壞狀態的信號功率包絡約10～20 dB。

圖6 兩狀態信道衰落信號的功率Fig.6 The power of the two-state fading signal

臨近空間通信信道的誤碼性能如圖7 ～9 所示。其中,圖7 展示了在不考慮雨衰,假定C.Loo 模型的陰影遮蔽程度為中度陰影的情況下,兩狀態切換信道的誤碼性能。由仿真結果可見,兩狀態切換信道的誤碼性能介于好狀態與壞狀態的誤碼性能之間,從統計的角度看,這個結果是合理的。

圖8 的結果是在好狀態下,不同降雨條件對信道誤碼率的影響,根據本文選取的信道參數,誤碼率為10-4時,中雨和雷雨天氣將對信道誤碼性能造成約10 dB和20 dB的損失。圖9 則對壞狀態下不同陰影遮蔽程度的誤碼性能進行比較。

圖7 無雨衰兩狀態切換信道的誤碼性能Fig.7 The performance of the two-state channel without rain attenuation

圖8 好狀態下受雨衰影響的信道誤碼率Fig.8 The BER of channel with rain attenuation in good state

圖9 C.Loo 模型中不同陰影條件對信道誤碼率的影響Fig.9 The BER of C.Loo′s model with different shadow conditions

7 總 結

本文在分析臨近空間通信系統的覆蓋特性、鏈路損耗特性與降雨衰減特性基礎上,從多徑衰落和雨衰兩個方面綜合考慮,改進了Lutz 模型,對通信信道的模型進行研究與仿真,提出了一種新的兩狀態切換信道模型,仿真結果與實測數據吻合良好,證明了文中建立的統計模型是正確的、可用的。同時,還對信道誤碼率進行了仿真分析。仿真結果表明,本文提出的信道模型能夠反映出臨近空間通信信道的特性,具有一定實用意義,為調制及編碼方案的優化、均衡器的設計等通信體制的研究提供了背景。

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