卫星通信信道的建模和测量
一、通信卫星分类
卫星可以分类的方式有很多种，这里只列出常见的分类。
1.1 轨位
卫星可以根据轨道的高度分为以下几种。其中，近地轨道卫星（Land mobile satellite-LMS）为当前研究的热点。因为在高轨位上，卫星信道更加趋近于高斯信道。而在低轨位工作的卫星，由于其运动性，会存在遮挡、时变、多径效应和多普勒效应。
1.LEO (low earth orbit): 160~2000km
2.MEO (medium earth orbit): 2000~36000km
3.HEO (high earth orbit)：>36000km
4.GEO (geostationary orbit)：36000km
1.2 频段
按照卫星工作的频段，一般可以分为以下几类。其中，在卫星信道测量上，要特别考虑高频段所带来的阴影衰落，以及天气状况。工作在ka波段的卫星，雨衰严重。
1.L-band: 0.3~3G
2.S-band: 2-4G
3.C-band: 4~8G
4.X-band: 8~12G
5.Ku-band: 12~18G
6.Ka-band: 27~40G
1.3 服务区域
根据卫星服务的区域不同，又可以把卫星分为以下几类。如果卫星服务的区域在城区，则遮挡会更加严重。而在空旷的郊区，则遮挡会相应变少。另外，最近有些工作是测量热带区域的卫星信道，主要是因为热带区域天气多变，因此，有必要单独考虑。
1.Rural
2.Suburban
3.Urban
4.Tropical area
1.4 极化方式
根据卫星的极化方式不同，又可以把卫星分为多极化和双极化卫星。
1.Single-polarized
2.Dual-polarized
目前，大部分信道建模或者测量都是选择其中的一个子集，作为研究对象。比如，研究近地轨道卫星在Ka波段下城区的信道的测量和建模。就调研的结果来看，现在大部分文献都集中在低轨卫星条件下，研究卫星信道的测量和建模。主要是由于低轨卫星高度低，卫星运动速度快，当最小通信仰角为10°，卫星轨道高度为1300km时，用户看到卫星升起到卫星落下的持续时间在10分钟左右。因此在用户的一次呼叫过程中，用户与卫星之间的仰角变化很快且变化范围大。因而，在研究信道模型时，必须研究通信全仰角下的信道模型。
多数研究都是假设在大部分时间内卫星和移动台之间存在直射分量；由于建筑物和树木等物体的遮蔽，存在阴影效应；由于信号的反射、散射和绕射造成的多径效应；由于卫星和移动台间的相对运动形成的多普勒效应。所以，移动卫星通信信道的特点可以归纳为：时变、多径效应、阴影效应和多普勒效应。
在卫星信道建模和测量中，比较有代表性的研究是C.Loo[1]和Lutz[2]等人的工作。Loo模型假设信道由直射分量和散射分量组成。其中直射分量（LOS component）服从log-normal 分布，而多径分量服从瑞利分布。Lutz通过对信道处在不同状态的概率的研究，提出了基于markov链的信道模型。
大部分论文都是针对不同的卫星、不同的地理环境，通过测量或者改进他人的信道模型，得到不同的有针对性的卫星信道模型。比如，很多论文都是应用C.Loo 的基本模型，但是采用其他概率分布来满足不同场景下的信道特性。或者，通过状态细分，扩展Lutz模型，建立更加准确的反映实际卫星信道的模型。
2.0综述类文献
1.Karaliopoulos, M. S. and F.-N. Pavlidou (1999). "Modelling the land mobile satellite channel: a
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2.Loo, C. and J. S. Butterworth (1998). "Land mobile satellite channel measurements and
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3.Lutz, E. (2012). "Modelling of the Satellite Communications Channel – With Emphasis on the
Land Mobile Satellite Channel." Invited Lecture.
2.1卫星信道测量和建模的有关文献
2.1.1 Statistical Model
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2.Cheffena, M., et al. (2012). "Land Mobile Satellite Dual Polarized MIMO Channel Along
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3.Corazza, G. E., et al. A Rice-lognormal terrestrial and satellite channel model. Proceedings of
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159.
4.Corazza, G. E. and F. Vatalaro (1994). "A statistical model for land mobile satellite channels
and its application to nongeostationary orbit systems." IEEE Transactions on Vehicular
Technology 43: 738-742.
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6.Fontan, F. P. (2010). "Channel modeling for land mobile satellite services." Antennas and
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8.Kanellopoulos, S. A., et al. (2014). "Channel Model for Satellite Communication Links Above
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10.Li, W., et al. Ka-band land mobile satellite channel model: with rain attenuation and other
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13.Liolis, K. P., et al. (2007). On the Relation between Mobility and Rainfall Effects in Ku/Ka-band
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15.Loo, C. (1985). "A statistical model for a land mobile satellite link." IEEE Transactions on
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16.Lutz, E. (2012). "Modelling of the Satellite Communications Channel – With Emphasis on the
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21.Seyedi, Y., et al. (2013). "Use of Shadowing Moments to Statistically Model Mobile Satellite
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22.Zhang, X. and Z. Wang (2014). "Characteristics of narrow band dual-polarized MIMO over
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2.1.2 Empirical Model
1.Moraitis, N., et al. (2007). On the Empirical Model Comparison for the Land Mobile Satellite
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1409.
2.1.3Geometric Model
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2.Ni Mhearain, F., et al. (2015). A Comparison of Statistical and Geometric Models for the Dual
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Conference (VTC Spring), IEEE: 1-5.
3.Oestges, C., et al. (2014). A geometry-based physical-statistical model of land mobile satellite
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4.Oestges, C., et al. (1999). "Physical statistical modelling of the land mobile satellite channel
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5.Sofos, T., et al. A deterministic ray-tracing based model for land mobile satellite channel in
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2.1.4 Markov Chain Based Model
1.Alasseur, C., et al. Application of Monte Carlo Markov chain to determination of hidden
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2.Alasseur, C., et al. (2008). "A novel approach to model the land mobile satellite channel
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3.Dottling, M., et al. (2001). "Two- and three-dimensional ray tracing applied to the land mobile
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4.Drougas, A. E., et al. (2008). "Stochastic Verification of the First-Order Markovian Assumption
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5.Hofmann, C. A., et al. (2015). Measurement and modeling of the UHF satellite channel for
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参考文献
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《电子信息系统仿真》课程设计 级电子信息工程专业班级 题目FM调制解调系统设计与仿真 姓名学号 指导教师胡娟 二О一年月日
内容摘要 频率调制(FM)通常应用通信系统中。FM广泛应用于高保真音乐广播、电视伴音信号的传输、卫星通信和蜂窝电话系统等。 FM调制解调系统设计是对模拟通信系统主要原理和技术进行研究，理解FM系统调制解调的基本过程和相关知识，利用MATLAB集成环境下的M文件，编写程序来实现FM调制与解调过程，并分别绘制出基带信号，载波信号，已调信号的时域波形；再进一步分别绘制出对已调信号叠加噪声后信号，非相干解调后信号和解调基带信号的时域波形；最后绘出FM基带信号通过上述信道和调制和解调系统后的误码率与信噪比的关系，并通过与理论结果波形对比来分析该仿真调制与解调系统的正确性及噪声对信号解调的影响。在课程设计中，系统开发平台为Windows XP，使用工具软件为 7.0。在该平台运行程序完成了对FM调制和解调以及对叠加噪声后解调结果的观察。通过该课程设计，达到了实现FM信号通过噪声信道，调制和解调系统的仿真目的。了解FM调制解调系统的优点和缺点，对以后实际需要有很好的理论基础。 关键词 FM；解调；调制；M ATL AB仿真；抗噪性
一、M ATLAB软件简介 MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。其特点是： (1) 可扩展性：Matlab最重要的特点是易于扩展，它允许用户自行建立指定功能的M文件。对于一个从事特定领域的工程师来说，不仅可利用Matlab所提供的函数及基本工具箱函数，还可方便地构造出专用的函数。从而大大扩展了其应用范围。当前支持Matlab的商用Toolbox(工具箱)有数百种之多。而由个人开发的Toolbox则不可计数。 (2) 易学易用性：Matlab不需要用户有高深的数学知识和程序设计能力，不需要用户深刻了解算法及编程技巧。 (3) 高效性：Matlab语句功能十分强大，一条语句可完成十分复杂的任务。如fft语句可完成对指定数据的快速傅里叶变换，这相当于上百条C语言语句的功能。它大大加快了工程技术人员从事软件开发的效率。据MathWorks公司声称，Matlab软件中所包含的Matlab 源代码相当于70万行C代码。
2009年第01期，第42卷 通 信 技 术 Vol.42，No.01,2009 总第205期Communications Technology No.205,Totally 宽带移动卫星通信信道模型研究 雍明远①， 梁 俊②，袁小刚② （①空军驻西北地区军事代表室，陕西 西安 710043；②空军工程大学 电讯工程学院，陕西 西安 710077） 【摘 要】从多径衰落、阴影效应和多普勒效应三个方面研究宽带移动卫星通信信道的频率色散特性和多普勒功率谱非对称特性。基于WSSUS模型提出宽带移动卫星通信信道的统计模型。采用蒙特卡洛仿真方法对农村地区和城市地区两种信道的冲激响应和误码率特性进行仿真。仿真结果表明该信道模型能够真实反映宽带移动卫星通信信道的特性，对卫星通信系统关键技术设计具有参考价值。 【关键词】宽带；卫星通信；广义平稳非相关散射；信道模型 【中图分类号】TN927【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2009)01-0065-03 Study on Simulation Model for Wideband Satellite Mobile Communications Channels YONG Ming-yuan①， LIANG Jun②， YUAN Xiao-gang② (①Army Representation Office of Air Force in Northwest Area, Xi’an Shaanxi 710043, China； ②The Telecommunication Engineering Institute, Air Force Engineering University, Xi’an Shaanxi 710077, China) 【Abstract】In the paper, the fading characteristics of the frequency-dispersion and dissymmetry of Doppler frequency shifts of the wideband satellite mobile communications are studied. The model for wideband satellite mobile communications channels is proposed considering the multi-path and Doppler frequency shifts. Finally, two channels of country and urban area are simulated using Monte Carlo method. The model provides a theoretic suggestion for design of the wideband satellite mobile communications systems. 【Key words】wideband；satellite communications；WSSUS；channel model 0 引言 卫星移动信道同时具有卫星信道和移动信道的特征，存在着多径效应、阴影效应、多普勒频移和电离层闪烁等严重影响着数字信号传输可靠性的因素。窄带卫星移动通信信道的研究较早，提出了Loo模型、Corazza-Vatalaro模型和扩展Suzuki模型等多种比较符合实际的成熟信道模型。目前，由于实现全球漫游和宽带业务传输等需求，宽带移动卫星通信的发展很快，因而对于宽带卫星移动信道的研究也一步步展开。而在军用方面，如美军用于传输机载传感器所获取的实时高速数据、图像信号的通用数据链，其低轨道卫星通信的传输速率将分别达到137.08 Mb/s和274.17 Mb/s[1]。通信信道是通信系统设计的一个关键技术问题，因此对宽带卫星移动信道的研究很有意义。Bello提出的小尺度衰落信道WSSUS（广义静态非相关散射）模型，较好地描述了宽带信道的频率色散特性。文中基于WSSUS信道，研究非对称多普功率谱下，增加直射分量的宽带移动卫星通信信道模型。 1 移动卫星通信信道的传输特性 1.1 多径衰落 无线环境中始终存在反射和散射物体，使得信道处于一种不停地变化环境中，从而影响信号的幅度、相位、时延以及到达天线时的入射角度，造成接收到的合成信号起伏很大，这就是多径衰落，它是一种快衰落。在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展，时延扩展值的大小将决定信号的衰落是否具有频率选择性。在窄带卫星移动通信中，此时的衰落为平坦衰落，基带码元速率较低、信号带宽远小于信道相关带宽，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有一致性。但在宽带移动卫星通信中，收发端的基带码元速率较高， 收稿日期：2008-06-26。 基金项目：国家自然科学基金（60671001）。 作者简介：雍明远（1963-），男，高级工程师，主要从事无线通信研究工作；梁 俊（1962-），男，教授，硕士研究生导师，主要从事微波通信和卫星通信研究工作；袁小刚（1980-），男，博士生，主要从事卫星通信研究工作。 65
毕业论文（设计）原创性声明 本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期： 毕业论文（设计）授权使用说明 本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名：指导教师签名： 日期：日期：
摘要 移动通信最近几年得到了突飞猛进的发展，人们对无线信道的研究也成了当前通信行业的主题，特别是对无线信道的建模与仿真也受到了许多学者的关注,在这个领域的研究也取得了很大成果。无线信道模型分为自由空间模型、无线视距模型和经验模型，本文首先研究了无线信道模型的特点，建立了无线信道的的模型，对自由空间模型和经验模型Okumura-Hata 模型、COST-231 Hata模型以及COST231-WI模型进行了比较，并将其用Matlab软件仿真，对仿真结果进行了分析。 关键字：无线信道、Hata模型、COST231-WI模型
Abstract Mobile communication several years obtained the development recently which progresses by leaps and bounds, The people have also become the current correspondence profession subject to the wireless channel research. Specially has also received many scholars' attention to the wireless channel modeling and simulation, Has also yielded the very big result in this domain research. Wireless channel model is divided into free space model, the wireless line of sight and empirical model, this paper studied the characteristics of wireless channel model is established radio channel model, on the free space model and empirical model Okumura-Hata model, COST-231 Hata model and COST231-WI model were compared, using Matlab software to simulate, the simulation results are analyzed. Keywords: Wireless channel, Hata model, COST231-WI model
收稿日期:2003-09-10 基金项目:国家自然科学基金资助项目/个人移动卫星通信电波传播特性研究0(60172006) 作者简介:1.符世钢(1979-),男,云南安宁人,云南大学信息学院通信与信息系统专业在读硕士研究生,主要从事 移动通信关键技术研究; 2.任友俊(1973-),男,云南宣威人,曲靖师范学院计科系讲师、工学硕士,主要从事网络通信及其编程研究; 3.申东娅(1965-),女,云南昆明人,云南大学信息学院副教授,主要从事移动通信研究. 卫星移动通信信道特性分析 符世钢1,任友俊2,申东娅3 (1.3.云南大学信息学院,云南昆明 650091;2.曲靖师范学院计科系,云南曲靖 655000) 摘 要:卫星移动通信作为地面移动通信的补充,是实现全球个人通信的必不可少的手段之一,同时也是目前发展最迅速的通信技术之一.卫星移动通信具有卫星固定业务和移动通信双重特点,其电波传输距离远,经历的环境特殊,导致其信道特性远比地面系统复杂.因此,研究其信道特性是设计出高效实用的通信系统的关键环节.本文对其信道特性进行了具体深入的分析,并对某些衰减因素的解决措施作了简要探讨. 关键词:卫星移动通信;信道特性;传输损耗;多普勒频移 中图分类号:TN927+123 文献标识码:A 文章编号:1009-8879(2003)06-0071-04 卫星移动通信是指利用卫星实现移动用户间或移动用户与固定用户间的相互通信.近年来地面蜂窝移动通信系统得到了飞速发展,但是它的覆盖范围有限,仅能为人口集中的城市及其附近地区提供服务.为了获得全球范围的无缝覆盖,实现名符其实的全球个人通信,不得不引入卫星移动通信来作为地面移动通信的补充.卫星移动通信具有覆盖面积大、业务范围广、适用于各种地理条件等优点,在过去二三十年中发展十分迅速,成为极具竞争力的通信手段之一. 与地面移动通信系统不同,卫星移动通信系统的电波传播要经过漫长的距离,其间要受到多种因素的干扰.这大大增加了接收信号的波动性,成为保证通信质量的最大障碍.为此,研究信道特性成为设计通信系统的首要任务.本文将对其进行具体分析. 1 传输损耗 卫星移动通信中电波传播要经过对流层(含云层和雨层)、平流层直至外层空间,传输损耗大致为自由空间传输损耗与大气损耗之和.111 自由空间传输损耗 在整个卫星无线路径中自由空间(近于真空 状态)占了绝大部分,因此,首先考虑自由空间传播损耗.卫星移动通信系统无线链路与大尺度无线电波传播模型类似,在自由空间模型中,接收功率的衰减为T-R 距离的幂函数[1] .当发射和接收天线均具有单位增益时,自由空间路径损耗为:L f =10lg( 4P K d )2=20lg(4P 3@108 d f )(db)(1)当d 取km 、f 取GHz 为单位时,可简化为下式: L f =92145+20lgd +10lg f (db) (2) 112 大气层损耗 大气层在卫星无线路径中所占比例不大,但却是最不稳定的区域,其损耗是卫星移动通信最具特色的信道特征之一.伴随着天气的变化,降雨、降雪、云、雾等都不可避免地对穿透其中的电波产生损耗,个别极恶劣的天气甚至会造成通信信号的中断.由于各种客观条件的限制,目前对其损耗只能通过实际观测积累数据并由此总结出一些经验公式. 在各种天气引起的损耗因素中,降雨损耗所占的比例最大且具有代表性.在雨中传播的电波会受到雨滴的吸收和散射影响而产生衰落.此时引入降雨衰减系数的概念,即由降雨雨滴引起的每单位路径上的衰减R ,R 如下式所示: 第22卷 第6期 2003年11月 曲 靖 师 范 学 院 学 报 JOURNAL OF QUJING TEACHERS COLLE GE Vol.22 No.6Nov.2003
摘要 移动通信最近几年得到了突飞猛进的发展，人们对无线信道的研究也成了当前通信行业的主题，特别是对无线信道的建模与仿真也受到了许多学者的关注,在这个领域的研究也取得了很大成果。无线信道模型分为自由空间模型、无线视距模型和经验模型，本文首先研究了无线信道模型的特点，建立了无线信道的的模型，对自由空间模型和经验模型Okumura-Hata 模型、COST-231 Hata模型以及COST231-WI模型进行了比较，并将其用Matlab软件仿真，对仿真结果进行了分析。 关键字：无线信道、Hata模型、COST231-WI模型
Abstract Mobile communication several years obtained the development recently which progresses by leaps and bounds, The people have also become the current correspondence profession subject to the wireless channel research. Specially has also received many scholars' attention to the wireless channel modeling and simulation, Has also yielded the very big result in this domain research. Wireless channel model is divided into free space model, the wireless line of sight and empirical model, this paper studied the characteristics of wireless channel model is established radio channel model, on the free space model and empirical model Okumura-Hata model, COST-231 Hata model and COST231-WI model were compared, using Matlab software to simulate, the simulation results are analyzed. Keywords: Wireless channel, Hata model, COST231-WI model
综合课程设计 卫星通信信道链路参数计算与模拟 姓名： 学号： 一、课程设计内容及基本参数
1、 设计目的 近年来互联网和移动通信飞速发展，使得网络终端用户数量不断扩大、新业务不断增加，这对通信技术的发展提出了新的挑战。卫星通信系统以其全球覆盖性、固定的广播能力、按需灵活分配带宽以及支持移动终端等优点，逐渐成为一种向全球用户提供互联网络和移动通信网络服务的补充方案。 本学期我们学习了《微波与卫星通信技术》这门课程，对于卫星通信技术有了基本的了解。本课程设计基于已学的的基本理论，对卫星通信信道链路参数进行计算和模拟，从而掌握卫星通信信道链路参数计算的基本方法，了解影响卫星通信信道性能的因素。同时熟悉Matlab 编程仿真过程，利于今后的学习和研究。 2、 基本参数列表 表1 根据学号得到的系统参数3、 涉及公式 1） ITU 法计算雨衰值： ),()(βα p p R L R K A =(dB) (1) 其中，p R 为降雨率，单位为mm/h ，β为仰角，可以通过以下经验公式获得 0779.041.1-?=f α (255.0≤≤f ) (2) 42 .251021.4f K ??=- (549.0≤≤f ) (3)
上式中频率f 的计算单位为GHz 。 雨衰距离： 14766.03]sin )108.1232.0(1041.7[),(---?-+?=ββp p p R R R L (km) (4) 2)ITU 法计算氧、水蒸气分子吸收损耗值： 氧分子损耗率，对于57GHZ 以下的频段，可以按下式近似计算 3230226.09 4.81[7.1910]100.227(57) 1.50 f f f γ--=?++??+-+(dB/km) (5) 对流层氧气的等效高度0h 和水蒸气的等效高度可分别按如下公式确定： 06(57)h km f GHz =< 因此，对于氧分子的吸收损耗为： 002h R O γ= (dB) (6) 水蒸气分子损耗率与频率和水蒸气密度 )/(3m g p w 有关，对于350GHz 以下频段，都可以用下式计算（dB/km)： 242223.610.68.9[0.050.0021]10(22.7)8.5(183.3)9.0(325.4)26.3 w w w p f p f f f γ-=++++???-+-+-+ (7) 对流层水蒸气等效高度w h 可按如下公式确定： ]4 )4.325(5.26)3.183(0.55)2.22(0.31[2220+-++-++-+=f f f h h w w (km) (350f GHz <) (8) 其中，0w h 取2.1km 。 同样，对于水蒸气分子的吸收损耗为： w w O H h R γ=2 (dB) (9) 3)给出经纬度，计算卫星于地面距离及仰角β; 同步卫星的经度s θ，地心角θ定义为从地心点看卫星与卫星终端之间的夹角，卫星终端所在地的经度和纬度（L L φθ,）,卫星距地球中心的距离近似为42164.2r km =,地球的平均赤道半径为6378.155e R km =。 )cos(cos cos S L L θθφθ-= (10) θcos 222r R r R d e e -+= (11) 如图1所示，A 为卫星，B 为地心，C 为地球站，仰角为地球站与卫星连线与水平 C
移动通信瑞利衰落信道建模及仿真 信息与通信工程学院 09211123班 09212609 蒋砺思 摘要：首先分析了移动信道的表述方法和衰落特性，针对瑞利衰落，给出了Clarke模型，并阐述了数学模型与物理模型之间的关系，详细分析了Jakes仿真方法，并用MATLAB进行了仿真，并在该信道上实现了OFDM仿真系统，仿真曲线表明结果正确，针对瑞利衰落的局限性，提出了采用Nakagami-m分布作为衰落信道物理模型，并给出了新颖的仿真方法。 关键词：信道模型；Rayleigh衰落；Clarke模型；Jakes仿真；Nakagami-m分布及仿真 一．引言 随着科学技术的不断进步和经济水平的逐渐提高，移动通信已成了我们日常生活中不可缺少的必备品。然而，移动通信中的通话常常受到各种干扰导致话音质量的不稳定。本文应用统计学及概率论相关知识对移动通信的信道进行建模仿真和详尽的分析。 先来谈谈移动通信的发展历史和发展趋势。所谓通信就是指信息的传输、发射和接收。人类通信史上革命性的变化是从电波作为信息载体（电信）开始的，近代电信的标志是电报的诞生。为了满足人们随时随地甚至移动中通信的需求，移动通信便应运而生。所谓移动通信是指通信的一方或双方处于移动中，其传播媒介是无线电波，现代移动通信以Maxwel1理论为基础，他奠定了电磁现象的基本规律；起源于Hertz的电磁辐射，他认识到电磁波和电磁能量是可以控制发射的，而Marconi无线电通信证实了电磁波携带信息的能力。第二次世界大战结束后，开始了建立公用移动通信系统阶段。这第一代移动通信系统最大缺点是采用模拟技术，频谱利用律低，容量小。90年代初，各国又相继推出了GSM等第二代数字移动通信系统，其最大缺点是频谱利用率和容量仍然很低，不能经济的提供高速数据和多媒体业务，不能有效地支持Internet业务。90年代中期以后，许多国家相继开始研究第三代移动通信系统，目前，我国及其他国家已开始了第四代移动通信的研究。相比之前的系统，3G或4G有以下一些特点：1.系统的国际通用性：全球覆盖和漫游。2.业务多样性，提供话音、数据和多媒体业务，支持高速移动。3.频谱效率高，容量大。4.提供可变速率业务，具有QoS保障。在3G或4G的发展中，一个核心问题就是系统的高速数据传输与信道衰落之间的矛盾。从后面的分析中，我们会看到多径衰落是影响移动通信质量的重要因素，而高速数据传输和移动终端高速移动会加剧多径衰落，因此，抗衰落是3G或4G的重要技术，对移动信道的研究是抗衰落的基础，建模及仿真是研究衰落信道的基本方法之一。 再来看看移动通信系统组成及移动信道特点。移动通信组成如图（1）所示，包括信源、信道、信宿，无线信道是移动通信系统的重要
城市环境下低轨道卫星信道模型及Rake接收 摘要: 对城市环境城市环境下低轨道卫星低轨道卫星的信道进行了研究和建模，并对城市环境下低轨卫星地面终端采用Rake接收的性能进行了研究。关键词：低轨道卫星; CDMA; Rake; 多径多径衰落 低轨道卫星信道高度低，重量轻，研发周期短，研发成本低，组成星座系统可以实现全球任何人、任何时间、任何地点的通信，因此，低轨道卫星移动通信系统近年来已成为全球卫星通信领域的研究热点。然而，由于低轨道卫星存在较大的多普勒频移，在复杂的地面接收环境下，卫星信号会受到建筑物和树木遮挡，其信道又具有时变和衰落的特性，尤其在城市环境下，终端所接收到的信号常常没有直视分量，进入接收机的主要是多径信号。为了在如此恶劣的信道环境下实现有效的通信，采用扩频通信体制是一种可以有效抵抗衰落和干扰的方法，全球星(GlobalStar)、铱星等卫星系统的成功充分证实了这一点。在复杂的地形环境下，由于电波在传播时会遇到各种物体的反射、散射、绕射等作用，到达接收天线的信号是由幅度和相位各不相同的路径分量组成的，此时的合成信号起伏很大，称为多径衰落信号。因此对城市环境下低轨卫星信道特性进行研究和建模，是低轨卫星通信系统设计中必须考虑的重要方面。在扩频通信体制下，克服这种多径衰落的有效办法是采用Rake接收机对多径信号进行分集接收，并根据每条多径信号的信噪比按相应的权重合并起来，获得分集增益，以对抗多径衰落的影响。本文讨论了城市环境下低轨道卫星信道的特点并给出了信道模型，对Rake接收技术和性能进行了分析和仿真。1 低轨道卫星移动通信信道特性对于低轨道卫星信道特性和建模的研究，必须建立在大量的实验数据基础上，美国、日本和欧洲已对卫星信道进行了大规模测量，取得了卫星移动信道下信号传播的实际数据，为卫星通信系统的建立和运营打下了基础。目前，国内外常用的研究低轨道卫星移动通信信道特性的模型有：C.LOO模型、Corazza模型和Lutz模型三种概率分布模型。此三种模型把低轨卫星信道信号所受到的衰落分为三种：莱斯衰落、瑞利衰落和对数正态高斯衰落。在低轨道卫星移动通信系统中，卫星地面通信接收终端所处的环境较为复杂，对于不同的接收环境，低轨道卫星移动通信信道各有不同的特点。根据卫星地面终端所处的环境，将低轨道卫星移动传输环境分为三类：(1) 开阔地地区：接收信号由直视信号分量和反射多径信号分量(由镜反射和漫反射造成)组成，且直视信号不受遮蔽和阻挡，此时的接收信号包络服从莱斯分布；(2) 农村和城郊地区：接收信号存在直视分量，且直视信号被部分阻挡，存在阴影遮蔽效应，此时，受阴影遮蔽效应影响的直视信号包络服从对数正态高斯分布；(3) 城市地区：分为“好状态”和“坏状态”。“好状态”时，用户相对卫星的仰角较高，接收信号存在直视信号分量，并且直视信号不被遮挡，属于莱斯衰落信道衰落信道；“坏状态”时，用户相对卫星的仰角较低，直视信号被完全阻挡，接收信号不存在直视信号分量，此时的接收信号只有多径信号分量组成，属于瑞利衰落信道。下面重点对城市环境下的低轨道卫星信道做建模分析：① “好状态”情况:在“好状态”情况下，地面接收信号存在直视信号分量，图1给出了城市环境“好状态”情况下低轨卫星地面终端接收情景模型[1]。 ，在“好状态”时，卫星到地面接收机的信号由直视分量和反射分量组成。直视路径和反射路径的路径差Δr=rd+rS-rLOS,其中，rd=r′+r′′，因此，反射信号相对直视信号的延时为：Δt=c·Δr，其中c为光速，利用下列公式：以及等式γ-ε+α=0和r′′=rLOS·cos(γ)可以得到下式：由于γ很小，反射源靠近接收机，并且接收机和反射源之间的距离可近似为：rS=h/sin(α)≈h/sin(ε)，则接收机端接收到的可解析路径数可由主径和次径时间差除以码片码片周期Tc求得，即：将Δr代入(6)式，则
第5章 信道及信道容量 教学内容包括：信道模型及信道分类、单符号离散信道、多符号离散信道、多用户信道及连续信道 5．1信道模型及信道分类 教学内容： 1、一般信道的数学模型 2、信道的分类 3、信道容量的定义 1、 一般信道的数学模型 影响信道传输的因素：噪声、干扰。 噪声、干扰：非函数表述、随机性、统计依赖。 信道的全部特性：输入信号、输出信号，以及它们之间的依赖关系。 信道的一般数学模型： 2、 信道的分类 输出随机信号 输入、输出随机变量个数 输入和输出的个数 信道上有无干扰 有无记忆特性 3、信道容量的定义 衡量一个信息传递系统的好坏，有两个主要指标： 图5.1.1 一般信道的数学模型 离散信道、连续信道、半离散或半连续信道 单符号信道和多符号信道 有干扰信道和无干扰信道 有记忆信道和无记忆信道 单用户信道和多用户信道 速度指标 质量指标
速度指标：信息（传输）率R ，即信道中平均每个符号传递的信息量； 质量指标：平均差错率e P ，即对信道输出符号进行译码的平均错误概率； 目标：速度快、错误少，即R 尽量大而e P 尽量小。 信道容量：信息率R 能大到什么程度； )/()()/()();(X Y H Y H Y X H X H Y X I R -=-== 若信道平均传送一个符号所需时间为t 秒，则 ) ;(1 Y X I t R t =（bit/s ） 称t R 为信息（传输）速率。 分析： 对于给定的信道，总存在一个信源（其概率分布为* )(X P ），会使信道的信息率R 达到 最大。 （);(Y X I 是输入概率)(X P 的上凸函数，这意味着);(Y X I 关于)(X P 存在最大值） 每个给定的信道都存在一个最大的信息率，这个最大的信息率定义为该信道的信道容量，记为C ，即 ) ;(max max Y X I R C X X P P ==bit/符号 （5.1.3） 信道容量也可以定义为信道的最大的信息速率，记为 t C ?? ? ???==);(1max max Y X I t R C X X P t P t （bit /s ） （5.1.4） 解释： (1)信道容量C 是信道信息率R 的上限，定量描述了信道（信息的）最大通过能力； (2)使得给定信道的);(Y X I 达到最大值（即信道容量C ）的输入分布，称为最佳输入（概率）分布，记为* )(X P ； (3)信道的);(Y X I 与输入概率分布)(X P 和转移概率分布)/(X Y P 两者有关，但信道容量 C 是信道的固有参数，只与信道转移概率)/(X Y P 有关。 4、意义： 研究信道，其核心问题就是求信道容量和最佳输入分布。根据定义，求信道容量问题就是求平均互信息量);(Y X I 关于输入概率分布)(X P 的最大值问题。一般来说，这是一个很困难的问题，只有对一些特殊信道，如无噪信道等，才能得到解析解，对于一般信道，必须借助于数值算法。
卫星通信信道的建模和测量 一、通信卫星分类 卫星可以分类的方式有很多种，这里只列出常见的分类。 1.1 轨位 卫星可以根据轨道的高度分为以下几种。其中，近地轨道卫星（Land mobile satellite-LMS）为当前研究的热点。因为在高轨位上，卫星信道更加趋近于高斯信道。而在低轨位工作的卫星，由于其运动性，会存在遮挡、时变、多径效应和多普勒效应。 1.LEO (low earth orbit): 160~2000km 2.MEO (medium earth orbit): 2000~36000km 3.HEO (high earth orbit)：>36000km 4.GEO (geostationary orbit)：36000km 1.2 频段 按照卫星工作的频段，一般可以分为以下几类。其中，在卫星信道测量上，要特别考虑高频段所带来的阴影衰落，以及天气状况。工作在ka波段的卫星，雨衰严重。 1.L-band: 0.3~3G 2.S-band: 2-4G 3.C-band: 4~8G 4.X-band: 8~12G 5.Ku-band: 12~18G 6.Ka-band: 27~40G
1.3 服务区域 根据卫星服务的区域不同，又可以把卫星分为以下几类。如果卫星服务的区域在城区，则遮挡会更加严重。而在空旷的郊区，则遮挡会相应变少。另外，最近有些工作是测量热带区域的卫星信道，主要是因为热带区域天气多变，因此，有必要单独考虑。 1.Rural 2.Suburban 3.Urban 4.Tropical area 1.4 极化方式 根据卫星的极化方式不同，又可以把卫星分为多极化和双极化卫星。 1.Single-polarized 2.Dual-polarized 目前，大部分信道建模或者测量都是选择其中的一个子集，作为研究对象。比如，研究近地轨道卫星在Ka波段下城区的信道的测量和建模。就调研的结果来看，现在大部分文献都集中在低轨卫星条件下，研究卫星信道的测量和建模。主要是由于低轨卫星高度低，卫星运动速度快，当最小通信仰角为10°，卫星轨道高度为1300km时，用户看到卫星升起到卫星落下的持续时间在10分钟左右。因此在用户的一次呼叫过程中，用户与卫星之间的仰角变化很快且变化范围大。因而，在研究信道模型时，必须研究通信全仰角下的信道模型。 多数研究都是假设在大部分时间内卫星和移动台之间存在直射分量；由于建筑物和树木等物体的遮蔽，存在阴影效应；由于信号的反射、散射和绕射造成的多径效应；由于卫星和移动台间的相对运动形成的多普勒效应。所以，移动卫星通信信道的特点可以归纳为：时变、多径效应、阴影效应和多普勒效应。
基于MATLAB的无线多径信道建模与仿真分析 摘要:对于无线通信, 衰落是影响系统性能的重要因素, 而不同形式的衰落对于信号产生的影响也不相同。本文在阐述移动多径信道特性的基础上, 建立了不同信道模型下多径时延效应的计算机仿真模型，不仅针对不同信道衰落条件下多径衰落引起的多径效应进行仿真, 而且进一步阐述了多径效应的影响。本文运用MATLAB语言对有5条固定路径的多径信道中的QPSK系统进行BER 性能仿真。 关键词:多径衰落信道，瑞利/莱斯分布，码间干扰，QPSK，MATLAB仿真，BER 移动通信技术越来越得到广泛的应用,在所有移动通信基本理论和工程技术的研究中,移动无线信道的特性是研究各种编码、调制、系统性能和容量分析的基础。因此,如何合理并且有效地对移动无线信道进行建模和仿真是一个非常重要的问题。 本文在Matlab环境下的，通过编写程序让二进制数据经过QPSK调制，然后再让信号分别通过高斯信道、瑞利信道、莱斯信道和码间干扰信道，并在接收端进行QPSK解调后计算这三种信道条件下的误码性能，并得到了相应的分析结果。 1移动无线信道 无线信道是最为复杂的一种信道。无线传播环境是影响无线通信系统的基本因素。信号在传播的过程中,受各种环境的影响会产生反射、衍射和散射,这样就使得到达接收机的信号是许多路径信号的叠加,因而这些多径信号的叠加在没有视距传播情况下的包络服从瑞利分布。当多径信号中包含一条视距传播路径时,多径信号就服从莱斯分布[1]。在存在多径传输的信道中，由于各路径传输时间延迟不一致，以及传输特性不理想，加上信道噪声的影响，使得接受信号在时间上被展宽，从而延伸到临近码元上去，使得符号重叠，这样的信道会造成码间干扰。 2瑞利分布和莱斯分布 在实际情况中对数字通信系统来说,调制符号的周期比由多径传播引起的时延扩展要大,因此在一个符号周期内的所有频率分量都会经历相同的衰减和相移。信道对于所有频率分量来说是平坦的,因而定义这类信道为平坦衰落信道。理论分析和实测试验结果表明:平坦衰落的幅度在大多数情况下,符合瑞利分布(rayleigh distribution)或莱斯分布( rice distribution) 。由于移动通信信道的复杂性,其仿真一般是以平坦衰落信道建模为基础的,然后在此基础上,再对频率选择性信道等进行建模和仿真,下面就对瑞利分布和莱斯分布的特性进行推导和仿真。 当存在视距传播信号时,接收信号的视距成分由一个通用的时变成分描述[2]为：
南昌大学实验报告 学生姓名：学号：专业班级： 实验类型：□验证□综合 设计□创新实验日期：2018/6/16 实验成绩： 一、实验名称 实验七4G基站与移动通信信道建模 二、实验目的 1、熟悉4G基站设备 2、熟悉信道衰落对移动通信系统性能的影响 3、掌握移动多径信道特性及信道模型 4、掌握不同信道衰落条件下对传输信号误码率的影响; 三、实验原理 1、信道分类 瑞利信道就是没有直射路径信号到达接收端的，主要用于描述多径信道和多普勒频移现象 莱斯信道是当移动台与基站间存在直射波信号时，即有一条主路径，通过主路径传输过来被接收的信号为一个稳定幅度Ak和相位φk，其余多径传输过来的信号仍如“瑞利衰落概率模型”所述。 高斯信道(AWGN)主要是加性高斯白噪声，用于描述恒参信道，例如卫星通信，光纤信道，同轴电缆等等 2、损耗分类： （1）、路径传播损耗 电波在空间传播所产生的损耗。它反映出传播在宏观大范围（千米量级）的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。路径损耗在有线通信中也存在。 （2）、慢衰落损耗 它主要是指电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡产生的阴影效应而产生的损耗，它反映了在中等范围内（数百波长量级）的接收信号电平平均值起伏变化的趋 势。这类损耗一般为无线传播所特有的。它服从对数正态分布，其变化率比传送信 息率慢，故称为慢衰落。 （3）、快衰落 它反映微观小范围（数十波长以下量级）接收电平平均值的起伏变化趋势。它一般服从瑞利、莱斯、纳卡伽米分布，其变化速率比慢衰落快，故称快衰落。快衰落又 可分为：空间选择性快衰落、频率选择性快衰落与时间选择性快衰落。 3、效应分类 （1）、阴影效应 由大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区。它类似于太阳光受阻挡后可产生的阴影，光波的波长较短，因此阴影可见，电磁波波长 较长，阴影不可见，但是接收终端(如手机)与专用仪表可以测试出来。 （2）、远近效应 由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也是在随机变化，若各
收稿日期 :2003-09-10 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 /个人移动卫星通信电波传播特性研究0(60172006 作者简介 :1. 符世钢 (1979- , 男 , 云南安宁人 , 云南大学信息学院通信与信息系统专业在读硕士研究生 , 主要从事 移动通信关键技术研究 ; 2. 任友俊 (1973- , 男 , 云南宣威人 , 曲靖师范学院计科系讲师、工学硕士 , 主要从事网络通信及其编程研究 ; 3. 申东娅 (1965- , 女 , 云南昆明人 , 云南大学信息学院副教授 , 主要从事移动通信研究 . 卫星移动通信信道特性分析 符世钢 1, 任友俊 2, 申东娅 3 (1. 3. 云南大学信息学院 , 云南昆明 650091; 2. 曲靖师范学院计科系 , 云南曲靖 655000 摘要 :卫星移动通信作为地面移动通信的补充 , 是实现全球个人通信的必不可少的手段之一 , 同时也是目前发展最迅速的通信技术之一 . 卫星移动通信具有卫星固定业务和移动通信双重特点 , 其电波传输距离远 , 经历的环境特殊 , 导致其信道特性远比地面系统复杂 . 因此 , 研究其信道特性是设计出高效实用的通信系统的关键环节 . 本文对其信道特性进行了具体深入的分析 , 并对某些衰减因素的解决措施作了简要探讨 . 关键词 :卫星移动通信 ; 信道特性 ; 传输损耗 ; 多普勒频移 中图分类号 :TN927+123 文献标识码 :A 文章编号 :1009-8879(2003 06-0071-04
卫星移动通信是指利用卫星实现移动用户间或移动用户与固定用户间的相互通信 . 近年来地面蜂窝移动通信系统得到了飞速发展 , 但是它的覆盖范围有限 , 仅能为人口集中的城市及其附近地区提供服务 . 为了获得全球范围的无缝覆盖 , 实现名符其实的全球个人通信 , 不得不引入卫星移动通信来作为地面移动通信的补充 . 卫星移动通信具有覆盖面积大、业务范围广、适用于各种地理条件等优点 , 在过去二三十年中发展十分迅速 , 成为极具竞争力的通信手段之一 . 与地面移动通信系统不同 , 卫星移动通信系统的电波传播要经过漫长的距离 , 其间要受到多种因素的干扰 . 这大大增加了接收信号的波动性 , 成为保证通信质量的最大障碍 . 为此 , 研究信道特性成为设计通信系统的首要任务 . 本文将对其进行具体分析 . 1 传输损耗 卫星移动通信中电波传播要经过对流层 (含云层和雨层、平流层直至外层空间 , 传输损耗大致为自由空间传输损耗与大气损耗之和 . 111 自由空间传输损耗 在整个卫星无线路径中自由空间 (近于真空 状态占了绝大部分 , 因此 , 首先考虑自由空间传播损耗 . 卫星移动通信系统无线链路与大尺度无线电波传播模型类似 , 在自由空间模型中 , 接收功率的衰减为T-R 距离的幂函数 [1] . 当发射和接收天线均具有单位增益时 , 自由空间路径损耗为 :L f =10lg( K 2=20lg(3@108 d f (db (1 当 d 取 km 、 f 取 GHz 为单位时 , 可简化为下式 : L f =92145+20lgd +10lg f (db (2
移动卫星通信系统信道分配比较研究 移动卫星通信系统信道分配比较研究 1、引言 单路单载波(SCPC)是频分多址(FDMA)的一种，即每一话路使用一个载波。信道的按需分配方式(DAMA)是指所有的信道归各站所公有，信道的分配是根据各地面站提出的申请而临时决定。SCPC／DAMA因为是在每一载波上只传输一路话（或相当于 一路话的报或数据业务），当没有话音信号时，可以利用话音开关，关闭所有载波，有话音信号时才发射载波，从而可以大大节约卫星功率。：又由于DAMA可以提高信道利用率，使用比较灵活。所以，在每站的通信容量较小，通信地址数较多的移动卫星通信系统中，使用这种方式是非常有利的。但是，这种SCPC／DAMA方式有一个重要 缺点是产生互调干扰。产生互调干扰的主要原因是：卫星转发器的行波管放大器在同时放大多个不同频率的信号时，由于它的输入输出特性的非线性，使输出信号中出现各种组合频率成分。这种现象不但影响了通信质量，而且浪费了卫星的功率。为了避开这些干扰频率，有些频带便不得不禁止使用，因而又造成了卫星频带的浪费。另外，如果被放大的各个载波信号强度不同时，还会发生强信号抑制弱信号的现象，使弱信号大大削弱，以致无法为对方地面站所接收。由此可见，为了有利于发射功率不同的大小站兼容， 需要确定出系统的最佳或准最佳信道分配方案。本文首先利用SCPC的特点，推导出SCPC移动卫星系统中互调干扰功率谱的一种快速计算方法；然后通过对四种信道分配方法的比较，给出了SCPC／DAMA移动卫星通信系统的信道最佳分配方法；最后对一个具体的移动卫星通信系统，确定出其最佳的信道分配方案。2、三阶互调功率 谱的快速计算为了简化分析计算的过程，必须运用如下三个重要结论：第一，对等幅互调的分析表明，三阶互调显著地大于五阶互调，因而五阶互调可以忽略不计；对于 不等幅载波的情况，只要它们之间幅度相差不大(例如不超过一个数量级)，此结论仍然成立。第二，有两种三阶互调物：(fi+fj+fk)型和(2fi-fk)型，前者的功率电平比后者高6dB。第三，如果载波中没有主载波，即没有一个载波的功率超过总输入功率的 10％，那么互调产物的功率同各载波的电平成比例。通过采用快速付立叶（FFT）计算，避免了计算单个互调载波的功率，使得运算速度大为加快，并且得出计算时间与