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对卫星通信及卫星信道的论述
作者：张海深
来源：《数字技术与应用》2012年第12期
摘要：21世纪是移动通信的世纪，移动终端仅仅在21世纪的第一个10年中就已经显示出了无与伦比的优势，并在21世纪的第二十年从通信行业跨行业第一次超越了计算机占据了互联网的大舞台。卫星通信做为通信系统的重要组成部分，一直默默地为全球数以十亿计的用户提供着移动通信、语音、视频等服务。
关键词：卫星通信信道模型传播特性移动卫星
中图分类号：TN927.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）12-0022-02
由于卫星系统的优势明显，并且其服务不受天气等自然因素影响，全球覆盖率最高，因此，21世纪终将是一个卫星通信的世纪。最迟在21世纪中后期，人人都可以通过移动设备随时随地使用通信卫星进行近乎免费的移动通信。然而，就目前卫星的通信技术来讲，卫星通信中信道问题尤为突出，常见的信道问题有多径衰落、多普勒频移以及影衰落，很好地解决信道问题将可以为人类更快地通向不分区域不分等级地免费使用卫星通信扫清障碍。
1、卫星通信简介
1.1 卫星通信及发展过程
卫星通信即指以卫星与地面站做为中继，以微波作为传输媒介，有多址技术做为技术依托，为全球任何区域提供统一的无关距离的通信。卫星移动通信则可以提供全球任意位置的用户之间以及任意用户与任意移动用户或固定用户之间的互联互通，这一点目前的科技早已实现，只是还没有普及到大众使用阶段而已。卫星移动通信区别于通常的移动通信的最大特点就是提供更大跨度、更大范围、更远距离的无限制漫游，并且可以将服务范围覆盖到所有陆地蜂窝无法覆盖的所有区域。甚至是在荒无人烟的无人区，在不可能有人类活动的区域不可能有任何一家移动公司为用户建立陆地蜂窝基站，而卫星通信却可以在这样的区域内无限制通话，通话品质与在城市之中没有任何差别。
卫星通信是现代科技与现代通讯技术的完美结合，也是航空航天事业的重大突破。截止2013年，地球静止轨道上的同步卫星就已经超过500颗，非静止轨道卫星已经超过800颗。由于静止轨道整个地球只有一条，而且在这一条轨道上不可能放置太多的卫星，否则这些卫星之间就会出现无线电干扰、碰撞等问题，因此静止轨道资源十分有限，目前世界各主要发达国家都在想方设法地抢占静止轨道资源。我国的航空航天事业也必须加大发射力度，超前占据亚太地区静止轨道资源。目前，滞空的各类航天器已经超过6000颗，并且这个数量还在每年增长之中。
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
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
通信原理复习资料 第一章 绪论 1、模拟通信系统模型 模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统 2、数字通信系统模型 数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统 3、数字通信的特点 优点： （1）抗干扰能力强，且噪声不积累 （2）传输差错可控 （3）便于处理、变换、存储 （4）便于将来自不同信源的信号综合到一起传输 （5）易于集成，使通信设备微型化，重量轻 （6）易于加密处理，且保密性好 缺点： （1）需要较大的传输带宽 （2）对同步要求高 4、通信系统的分类 （1）按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统 （2）按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统 （3）按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统 （4）按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统 （5）按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信 （6）按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用 ★★5、通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性 有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔）， 是“速度”问题； 模拟通信系统模型 信息源 信源编码 信道译码 信道编码信 道数字调制 加密 数字解调解密 信源译码 受信者 噪声源 数字通信系统模型
可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。 （1）模拟通信系统： 有效性：可用有效传输频带来度量。 可靠性：可用接收端解调器输出信噪比来度量。 （2）数字通信系统： 有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。 可靠性：常用误码率和误信率表示。 码元传输速率R B ：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud ）； 信息传输速率R b ：定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒。 6、通信的目的：传递消息中所包含的信息。 7、通信方式可分为：单工、半双工和全双工通信 ★8、信息量是对信息发生的概率（不确定性）的度量。一个二进制码元含1b 的信息量；一个M 进制码元含有log 2M 比特的信息量。 9、信息源的熵，即每个符号的平均信息量：)x (p log )x (p I i 2n 1 i i ∑=- = 结论：等概率发送时，信息源的熵有最大值。 第二章 信道与噪声 一 确知信号与随机过程 1、确知信号：是指其取值在任何时间都是确定的和可预知的信号，通常可以用数学公式表示它在任何时间的取值。 2、确知信号的类型 （1）按照周期性区分：周期信号和非周期信号 （2）按照能量区分：能量信号和功率信号： 特点：能量信号的功率趋于0，功率信号的能量趋于￥ 3、确知信号在频域中的性质有四种，即频谱、频谱密度、能量谱密度和功率谱密度。 4、确知信号在时域中的特性主要有自相关函数和互相关函数。 ★ 5、自相关函数反映一个信号在不同时间上取值的关联程度。能量信号的自相关函数R （0）等于信号的能量；功率信号的自相关函数R （0）等于信号的平均功率。 6、随机过程是一类随时间作随机变化的过程，它不能用确切的时间函数描述。 ★7、随机过程具有随机变量和时间函数的特点，可以从两个不同却又紧密联系的角度来描述：①随机过程是无穷多个样本函数的集合②随机过程是一族随机变量的集合。 ★8、随机过程的统计特性由其分布函数或概率密度函数描述。 9、高斯过程的概率分布服从正态分布，它的完全统计描述只需要它的数字特征。 ★★10、瑞利分布、莱斯分布、正态分布是通信中常见的三种分布：正弦载波信号加窄带高斯噪声的包络为莱斯分布；当大信噪比时，趋近于正态分布；小信噪比时近似为瑞利分布。 11、窄带随机过程：若随机过程x (t )的谱密度集中在中心频率f c 附近相对窄的频带范围Df 内，即满足Df << f c 的条件，且 f c 远离零频率，则称该x (t )为窄带随机过程。 ★★12、宽平稳随机过程的定义：P ？？. ★★13、各态历经性定义及应用：P ？？ 宽平稳与各态历经性的关系。 二、信道分类： （1）无线信道 － 电磁波（含光波）
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
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
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。
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
第1章引言 1.1 学习指导 1.1.1 要点 本章的要点有通信系统的数学模型，通信系统的分类及通信方式，信息及其度量，通信系统的主要性能指标。 1.通信系统的数学模型 通信系统是指传递消息所需的一切技术设备（含信道）的总和。通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。 （1）一般模型 以图1-1所示的功能框图来表示。 图1-1通信系统的一般模型 信息源。信源所产生的信息可以是声音、图像或文本。信息源一般包含变换器，将信源的输出变换成电信号。例如，用作变换器的话筒，可以将语音信号变换成电信号，而摄像机则将图像信号变换成电信号。这些设备输出的信号一般称为基带信号。在接收端，使用类似的变换器就可以将接收到的电信号变换成适合用户的形式，如声音信号、图像等。 发送设备。发送设备将原始基带电信号变换成适合物理信道或其他传输介质传输的形式。例如在无线电和电视广播中，通信部门规定了各发射台的频率范围，因此，发射机必须将待发送的信息信号转换到适合的频率范围来发送，以便与分配给此发射机的频率相匹配。这样，由多个无线电台发送的信号就不会彼此干扰。又如果信道是光纤组成的，那么发送设备就要将处理好的基带信号转换光波信号再发送。因此发送设备涵盖的内容很多，可能包含变换、放大、滤波、编码调制等过程。对于多路传输系统，发送设备中还包括多路复用器。 信道。信道用于将来自发送设备的信号发送到接收端的物理介质。信道可以分为两大类：无线信道和有线信道。在无线信道中，信道可以是大气、自由空间和海水。有线信道有双绞电话线、同轴电缆及光纤等。信道对不同种类的信号有不同的传输特性，但都会对在信道中传输的信号产生衰减，信道中的噪声和由不理想接收机引入的噪声会引起接收信号的失真 接收设备。接收设备的功能是恢复接收信号中所包含的消息信号。使用和发送端相
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
信道编码基本概念 线性分组码 循环码 卷积码 交织技术 Hailiang Xiong Shandong University
?实际信道中传输数字信号时，由于信道传输特性的不理想及加性噪声的影响，我们接收到的数字信号不可避免地会发生错误。 ?合理设计基带信号，选择调制解调方式等可以使误比特率降低；但如果得到的误比特率仍无法满足要求，则必须采用信道编码，即差错控制编码来降低误比特率。 Hailiang Xiong Shandong University
?信道编码的基本做法： 在发送端给被传输的信息序列附加上一定的监督码元，这些多余的监督码元和信息码元之间有某种确定的关连规则（约束关系）。 接收端则按照这种既定的规则检验信息码元与监督码元之间的关系，一旦传输中发生错误，则信息码元和监督码元之间的关系将受到破坏，从而可以发现错误甚至纠正错误。 Hailiang Xiong Shandong University
1.信道编码在通信系统中的位置和作用 Hailiang Xiong Shandong University
2.信道编码的基本分类：线性码和非线性码；分组码和非分组 码（依据构造，编译码过程，性能指标）。 ?三种主要的信道编译码原理 线性分组码 循环码 卷积码 3.了解其他类型的信道编码以及相关编码界限 ?信道编码的性能分析 ?信道编码的发展与应用 Hailiang Xiong Shandong University
9.1 信道编码的基本概念 1. 信道传输所引起的差错类型 随机差错：一般无记忆信道中发生噪声独立随机的干扰每个传输码元——接收码元中错误也是独立随机出现。高斯白噪声信道、 卫星信道、光纤信道、微波视距中继传播信道 突发差错：一般有记忆信道中发生噪声、干扰具有相关性——错误成对成串出现。实际衰落信道、无线移动信道、短波信道等 混合信道：信道中既有独立随机错误也有突发性错误发生 Hailiang Xiong Shandong University
3.1 单状态模型 3.1.1 Rayleigh 模型 在移动无线信道中，瑞利模型是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收包络统计时变特性的一种经典模型。众所周知，两个正交的正态分布的随机过程之和的包络服从瑞利分布，即设X 和Y 为正态随机过程，则R=X+jY 的包络r =|R |则服从瑞利分布。瑞利分布的概率密度函数（pdf ）为[24,27,28]： ?? ???<≥??? ? ??-=0 ,00,2exp )(222 r r r r r p σσ (3-1) 其中，][22r E =σ是包络检波之前的接收信号包络的时间平均功率。R 的相位θ服从0到2π之间的均匀分布，即 ?????≤≤=其他 ，020,21)(πθπ θp (3-2) 则接收信号包络不超过某特定值R 的累计概率分布函数（CDF ）为 ????? ??--==≤=R R dr r p R r p R F 0 222exp 1)()()(σ (3-3) 图3-1所示为瑞利模型的概率密度函数曲线图。
123 45678910 00.10.20.30.4 0.5 0.6 0.7 接收信号包络r p d f 瑞利分布包络的概率密度曲线图 图3-1 瑞利模型的概率密度函数曲线图 3.1.2 Ricean 模型 当接收端存在一个主要的静态（非衰落）信号时，如LOS 分量（在郊区和农村等开阔区域中，接收端经常会接收到的）等，此时接收端接收的信号的包络就服从莱斯分布。在这种情况下，从不同角度随机到达的多径分量迭加在静态的主要信号上，即包络检波器的输出端就会在随机的多径分量上迭加一个直流分量。当主要信号分量减弱后，莱斯分布就转变为瑞利分布。莱斯分布的概率密度函数为： ?????<≥≥??? ? ????? ? ?+-=0 ,00,0,2exp )(202222 r r C Cr I C r r r p σσσ （3-4） 其中C 是指主要信号分量的幅度峰值，()0I 是0阶第一类修正贝赛尔函数。为了更好的分析莱斯分布，定义主信号的功率与多径分量方差之比为莱斯因子K ，则K 的表达式可以写为
第一章绪论 1.1以无线广播和电视为例，说明图1-1模型中的信息源，受信者及信道包含的具体内容是什么 在无线电广播中，信息源包括的具体内容为从声音转换而成的原始电信号，收信者中包括的具体内容就是从复原的原始电信号转换乘的声音；在电视系统中，信息源的具体内容为从影像转换而成的电信号。收信者中包括的具体内容就是从复原的原始电信号转换成的影像；二者信道中包括的具体内容分别是载有声音和影像的无线电波 1.2何谓数字信号，何谓模拟信号，两者的根本区别是什么 数字信号指电信号的参量仅可能取有限个值；模拟信号指电信号的参量可以取连续值。他们的区别在于电信号参量的取值是连续的还是离散可数的 1.3何谓数字通信，数字通信有哪些优缺点 传输数字信号的通信系统统称为数字通信系统；优缺点： 1.抗干扰能力强； 2.传输差错可以控制； 3.便于加密处理，信息传输的安全性和保密性越来越重要，数字通信的加密处理比模拟通信容易的多，以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密，解密处理； 4.便于存储、处理和交换；数字通信的信号形式和计算机所用的信号一致，都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储，处理和交换，可使通信网的管理，维护实现自动化，智能化； 5.设备便于集成化、微机化。数字通信采用时分多路复用，不需要体积较大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，因此体积小，功耗低； 6.便于构成综合数字网和综合业务数字网。采用数字传输方式，可以通过程控数字交换设备进行数字交换，以实现传输和交换的综合。另外，电话业务和各种非话务业务都可以实现数字化，构成综合业务数字网；缺点：占用信道频带较宽。一路模拟电话的频带为4KHZ带宽，一路数字电话约占64KHZ。 1.4数字通信系统的一般模型中的各组成部分的主要功能是什么 数字通行系统的模型见图1-4所示。其中信源编码与译码功能是提高信息传输的有效性和进行模数转换；信道编码和译码功能是增强数字信号的抗干扰能力；加密与解密的功能是保证传输信息的安全；数字调制和解调功能是把数字基带信号搬移到高频处以便在信道中传输；同步的功能是在首发双方时间上保持一致，保证数字通信系统的有序，准确和可靠的工作。1-5按调制方式，通信系统分类？ 根据传输中的信道是否经过调制，可将通信系统分为基带传输系统和带通传输系统。 1-6 按传输信号的特征，通信系统如何分类？ 按信号特征信道中传输的信号可分为模拟信号和数字信号，相应的系统分别为模拟通信系统和数字通信系统。 1-7按传输信号的复用方式，通信系统如何分类？ 频分复用，时分复用，码分复用。 1-8单工，半双工及全双工通信方式是按什么标准分类的？解释他们的工作方式并举例说明他们是按照消息传递的方向与时间关系分类。单工通信是指消息只能单向传输的工作方式，通信双方只有一个进行发送，另一个只能接受，如广播，遥测，无线寻呼等。半双工通信指通信双方都能进行收发信息，但是不能同时进行收发的工作方式，如使用统一载频的普通对讲机。全双工通信是指通信双方能同时进行收发消息的工作方式，如电话等。 1-9通信系统的主要性能指标是什么？ 分为并行传输和串行传输。并行传输是将代表信息的数字信号码元以组成的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输，其优势是传输速度快，无需附加设备就能实现收发双方字符同步，缺点是成本高，常用于短距离传输。串行传输是将代表信息的数字码元以串行方式一
《移动通信原理》复习大纲 第1 章 1、蜂窝移动通信系统经历了几代移动通信系统（包括研发系统）？每一代移动通信系统的 多址方式是什么？其主要的技术特征是什么？P2 答：多址方式：1G频分多址（FDMA），2G使用电路交换的数字时分多址（TDMA）或码分多址（CDMA），3G使用分组/电路交换的CDMA，4G使用了不同的高级接入技术并采用全IP(互联网协议)网络结构。 主要技术特征：1G模拟技术，2G数字话音系统，B2G数字话音/数据系统，3G宽带数字系统，B3G/4G极高速数据系统。 2、我国移动通信发展经历了哪4个发展阶段？P3 引进、吸收、改造、创新4个阶段 3、蜂窝小区的几何形状要符合哪两个条件？符合这种条件的有正方形、三角形和六边形， 该选用哪一种形状？为什么？P6 条件①能在整个覆盖区域内完成无缝连接而没有重叠②每一个小区能进行分裂，以扩展系统容量，也就是能用更小的相同几何形状的小区完成区域覆盖，而不影响系统的结构。 六边形：最接近小区基站通常的圆形辐射模式。 4、数字时分GSM系统，采用TDMA方式，设分配给系统的总频宽1.25MHz；载频间隔 200kHz；每载频时隙为8；频率重用的小区数为4，则系统容量为多少？如果AMPS系统采用FDMA方式，载频间隔为25 kHz，不分时隙，其他参数相同，系统容量为多少？ 1.系统容量为1.25/0.2*8*4=200， 2.系统容量为1.25/.0.025*4=200 5、最简单的蜂窝系统由哪3部分组成？其中，MSC和普通交换相比，除完成交换功能之外， 还要完成什么功能？P7 最简单的蜂窝系统由移动台、基站和移动交换中心3部分组成。其中，MSC和普通交换相比，除完成交换功能之外，还要增加移动性管理和无线资源管理的功能。 6、增加蜂窝小区容量的主要方式有哪3种？P7 小区分裂、裂向和覆盖区分区域 7、什么叫越区切换？软切换和硬切换的区别是什么？GSM采用什么形式的硬切换？技术上有什么特征？P9 ①当处在通话过程中的移动台从一个小区进入另一个相邻小区时，其工作频率及基站与 移动交换中心所用的连续链必须从它离开的小区转换到正在进入的小区，这一过程称为“越区切换”。②硬切换是指在新的连接建立以前，先中断旧的连接，而软切换是指维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量，与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路。软切换和硬切换相比，可以大大减少掉话的可能性，是一种无缝切换。③GSM采用了移动台辅助的越区切换方式。④对于切换时的信道分配采取了优先切换的策略。 8、典型移动通信系统可分为哪6类？它们各自的技术特点是什么？有何异同点？ （提示，可从组网方式、无线接入方式、调制技术、传输信息种类、交换方式等多方面总结） 蜂窝移动通信系统、无绳电话系统、集群移动通信系统、移动卫星通信系统、分组无线网、无线寻呼系统 9、“小灵通”系统采用什么双工方式？其多址方式是什么？每载频划分多少时隙？每载频最多可提供多少对双工信道？P12 时分双工方式时分多址每载频划分8个时隙，最多提供4对双工信道