图录
图1-1 短波通信示意图 (1)
图2-1 短波线性时变系统模型 (14)
图2-2 Watterson短波信道模型 (18)
图2-3 高斯随机延迟宽带模型 (19)
图2-4 多路DSP并行处理短波宽带信道模拟器框图 (20)
图3-1 功率延时分布函数剖面图 (29)
图3-2 三种延时功率分布函数比较 (35)
图3-3 改进ITS模型单模式冲激响应框图 (37)
图3-4 改进ITS模型整个信道系统框图 (38)
图3-5 O模式散射函数仿真图 (40)
图3-6 O模式散射函数等高线映射图 (40)
图3-7 X模式左分支散射函数仿真图 (41)
图3-8 X模式左分支散射函数等高线映射图 (42)
图3-9 X模式右分支散射函数仿真图 (42)
图3-10 X模式右分支散射函数等高线映射图 (43)
图3-11 改进ITS模型中纬度信道的散射函数仿真图 (44)
图3-12 改进ITS模型中纬度信道的散射函数等高线映射图 (44)
图3-13 ITS模型中纬度信道的散射函数仿真图 (45)
图3-14 ITS模型中纬度信道的散射函数等高线映射图 (46)
图3-15 ITS模型中纬度信道冲激响应图 (49)
图3-16 改进ITS模型高纬度散射函数仿真图 (49)
图3-17 改进ITS模型高纬度信道散射函数等高线映射图 (49)
图3-18 ITS模型高纬度散射函数仿真图 (50)
图3-19 ITS模型高纬度信道散射函数等高线映射图 (51)
图4-1 高斯滤波法的实现过程 (53)
图4-2 正弦和法的实现过程 (54)
VII
图4-3 CMEDS算法自相关函数均方误差变化曲线 (60)
图4-4 CMEDS算法补偿效果图 (61)
图4-5 CMEDS算法自相关函数合成图 (62)
图4-6 CMEDS算法效果对比图 (63)
图4-7 MEDS法和CMEDS法自相关函数均方误差对比图(N=30) (64)
图4-8 MEDS法和CMEDS法自相关函数均方误差对比图(MSE=0.00095) (64)
图4-9 MEDS法和CMEDS法正弦波数目开销对比 (64)
图5-1 基于有限反馈的多用户MIMO下行短波通信系统 (70)
图5-2 中纬度信道冲激响应仿真图 (75)
图5-3 中纬度信道冲激响应一阶自回归模型预测图 (76)
图5-4 中纬度信道冲激响应二阶自回归模型预测图 (77)
图5-5 反馈和信道估计示意图 (78)
图5-6 多普勒频移对短波MIMO系统预编码容量的影响(SNR=10dB) (79)
图5-7 多普勒频移对短波MIMO系统预编码容量的影响(K=250) (80)
图5-8 时间延迟对短波MIMO系统预编码容量的影响(SNR=10dB) (81)
图5-9 时间延迟对短波MIMO系统预编码容量的影响(K=250) (82)
VIII
表录
表2-1短波信道模型对比表 (23)
表3-1北极信道参数表 (35)
表3-2中纬度信道直接参数表 (39)
表3-3中纬度信道推导参数表 (39)
表3-4高纬度信道参数表 (48)
表4-1MEDS法和CMEDS法正弦波数目开销对比 (65)
IX
目录
摘要 ................................................................................................................................ I ABSTRACT .................................................................................................................. III 英文缩略语说明表 ....................................................................................................... VI 图录 ............................................................................................................................ V II 表录 ............................................................................................................................. IX 目录 ............................................................................................................................... X 第一章绪论 . (1)
1.1 课题研究背景和意义 (1)
1.2 短波信道建模的研究进展 (3)
1.2.1 短波窄带信道的研究进展 (3)
1.2.2 短波宽带信道的研究进展 (4)
1.3 MIMO技术在短波通信中的应用进展 (6)
1.4 本文主要研究内容与结构 (7)
第二章短波信道特性与模型分析 (9)
2.1 引言 (9)
2.2 短波信道的传播特性 (9)
2.2.1 电离层的分层特性 (9)
2.2.2 短波信号在电离层中的传播特性 (9)
2.2.3 短波信道的噪声和干扰 (11)
2.3 传统短波固有特性传输方案 (11)
2.3.1 基于信道链路层的传输方案 (11)
2.3.2 基于信道物理层的传输方案 (12)
2.3.3 传统短波固有特性方案的缺陷 (13)
X
2.4 短波信道的数学表述 (14)
2.5 短波信道的统计特性 (15)
2.5.1 散射函数的定义和意义 (15)
2.5.2 多普勒频率扩展 (16)
2.5.3 多径延时扩展 (17)
2.6 短波信道模型的发展与介绍 (17)
2.6.1 Watterson信道模型 (18)
2.6.2 Watterson加高斯随机延迟模型 (19)
2.6.3 子带并行模型 (20)
2.6.4 ITS短波信道模型 (21)
2.7 短波信道模型的对比分析 (23)
2.8 本章小结 (24)
第三章短波信道模型的优化研究 (27)
3.1 引言 (27)
3.2 ITS短波宽带信道模型的重构 (27)
3.2.1 延时功率分布函数的重构 (27)
3.2.2 随机调制函数的重构 (29)
3.2.3 确定性相位函数的重构 (30)
3.3 改进的延时功率分布函数算法 (30)
3.3.1 延时功率分布函数仿真面临的问题 (30)
3.3.2 改进延时功率分布函数的研究进展 (32)
3.3.3 延时功率分布函数改进方案 (33)
3.3.4 延时功率分布函数改进方案有效性验证 (35)
3.3.5 延时功率分布函数改进方案复杂度分析 (36)
3.4 改进ITS短波宽带信道模型的实现结构 (37)
3.5 改进ITS短波信道模型的仿真 (38)
3.5.1 中纬度信道仿真 (38)
XI
3.5.2 高纬度信道仿真 (47)
3.6 本章小结 (51)
第四章随机调制过程的实现优化 (53)
4.1 引言 (53)
4.2 复随机调制过程模型概述 (53)
4.3 复随机调制过程建模过程面临的问题 (55)
4.4 改进的SoS仿真模型参数计算方法 (57)
4.4.1 SoS模型基本统计特性 (57)
4.4.2 补偿MEDS算法(CMEDS法) (58)
4.5 仿真结果和分析 (59)
4.6 本章小结 (67)
第五章MIMO预编码技术在短波通信中的应用 (69)
5.1 引言 (69)
5.2 多用户MIMO下行短波通信系统模型 (69)
5.2.1 信道方向信息反馈 (71)
5.2.2 信道质量信息反馈 (71)
5.2.3 用户选择方案 (72)
5.2.4 迫零波束成形技术 (73)
5.2.5 短波信道估计方案 (73)
5.3 仿真结果和分析 (78)
5.4 本章小结 (82)
第六章全文总结与展望 (85)
6.1 本文主要工作与贡献 (85)
6.2 后续工作展望 (86)
参考文献 (89)
致谢 (95)
XII
攻读硕士学位期间发表学术论文情况 (97)
XIII
第一章绪论
1.1 课题研究背景和意义
根据国际无线电咨询委员会(International Radio Consultative Committee，简称为CCIR)的划分，短波定义为频率范围在3MHz~30MHz的电磁波[1]，而在短波频段上进行的无线通信被我们称作短波通信。短波的传播主要有两种方式：利用地波进行的近距离通信，或者利用天波经电离层反射进行的远距离通信，即如图1-1中的A站到B站、C站之间的通信。
图1-1 短波通信示意图
Fig.1-1 Short-wave communication diagram
地波传播的特点是电磁波在行进的过程中受到地的表面导电率及相对介电常数的影响产生衰减。一般情况下，若和越大，则损耗越小，因而在海面环境下，地波传输的距离将比陆地环境下更远。在通过地波传输的过程中，损耗将会随着电磁波频率的升高而加剧，即便在频率较低的短波频段，如果信号发射的功率不是特别大的时候，地波的传输距离也只能达到几十千米的数量级。
天波传播的特点是利用电离层的一次反射或者多次反射，来达到远距离传输的目的。通常情况下，一次反射传输的距离可以达到几千公里，而多次反射传输的距离可以达到上万公里，甚至可以实现环地球的传播。因此，天波传输是短波通信的主要方式。也正因如此，电离层的结构特性以及变化规律对短波通信系统的开发和设计有着重大影响。
电离层指的是地球高层大气中从离地面50km到1000km左右的高度范围。在此
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