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
可以得到接收机端接收到的可解析路径数：由(7)式可以看出，接收机接收到的可解析路径数是反射源高度h、码片间隔TC以及卫星仰角ε的函数。假设反射源高度h=50m，则图2表示在不同的码片速率情况下接收机端接收到的可解析路径数随卫星仰角的变化情况。
由图2得出的不同码片速率可解析码片数在卫星60度、40度、30度、20度下可解析码片数的情况如表1所示。
由此可得：码片速率为1.228 8Mb/s时，如果卫星仰角小于20度，则地面终端接收信号可解析路径数大于1，卫星信道属于频率选择性衰落信道；如果卫星仰角大于20度，则接收信号可解析路径数小于1，属于频率非选择性衰落信道。码片速率为3.84Mb/s时，如果卫星仰角小于40度，则终端接收信号可解析路径数大于1，卫星信道属于频率选择性衰落信道，如果卫星仰角大于40度，则接收信号可解析路径数小于1，属于频率非选择性衰落信道；码片速率为10Mb/s时，如果卫星仰角小于60度，则地面终端接收信号可解析路径数大于1，卫星信道属于频率选择性衰落信道，如果卫星仰角大于60度，则接收信号可解析路径数小于1，属于频率非选择性衰落信道。在频率选择信道时，可以采用Rake接收技术来对抗衰落，提高系统的通信质量。近年来，美国、欧洲、亚洲等都对城市环境下无线信道多径时延参数进行了测量，文献[1]给出了城市环境下GPS卫星信道多径模型，文献[2]将发射机置于高楼顶，对城市环境下的多径时延参数进行了测量。综合上述文献的测量数据，并结合图2中的结果，对城市环境“好状态”下低轨卫星信道可建立为表2所表示的三径模型。
② “坏状态”情况：在城市环境“坏状态”下，低轨卫星传输到地面终端的信号受到建筑、树木及其它障碍物的遮挡和反射，接收信号不存在直视分量，此时的低轨卫星信道属于瑞利衰落信道，可建模为图3所示的抽头延迟线模型。
图3中，s(t)为发射信号，a0(t),a1(t),a2(t)…,aL(t)表示瑞利衰落造成的复信道系数，多径时延Δτ1,Δτ2,…，ΔτL根据具体环境由测量值决定。在大多数情况下，由于反射造成的多径信号总是比第一径信号经历更大的衰减，因此有：|a0(t)|>|a1(t)|>|a2(t)|>…>|aL(t)|
