倪光華，杜智遠，王　東，石玉景

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2.中國人民解放軍92493部隊，遼寧 葫蘆島 125001)

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地空通信信道特性仿真與分析

倪光華1，杜智遠2，王東1，石玉景1

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2.中國人民解放軍92493部隊，遼寧 葫蘆島 125001)

摘要地空通信信道是一個典型的二徑衰落信道，會產(chǎn)生較深的多徑衰落，需要采用分集接收技術(shù)提高通信性能。利用電磁波傳輸理論，對地空通信信道的信號傳輸過程進行分析，建立了地空通信的分集接收模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了專用仿真軟件。利用仿真軟件進行了仿真，對比不同分集條件下的分集接收效果，得出在地空通信信道下，必須對頻率規(guī)劃和天線架高進行綜合考慮，才能取得較好的分集接收效果。

關(guān)鍵詞地空信道；多徑衰落；分集；信道模型

0引言

地空通信是利用升空平臺搭載通信載荷，通過空中中繼或交換，實現(xiàn)多個地面臺(站)間信息交互的一種無線通信方式。其本質(zhì)是通過升高空中通信設(shè)備的辦法，變超視距通信為視距通信，具有通信距離遠、覆蓋面積大、傳輸帶寬寬、易于組網(wǎng)和機動靈活等特點。

地空無線信道衰落的傳播模型主要分為自由空間傳輸、陰影衰落和多徑衰落的傳播模型3類。其中，自由空間傳輸和陰影衰落對無線信號產(chǎn)生的影響是緩慢的，通?？梢苑Q之為大尺度衰落，也可稱為慢衰落；多徑衰落對無線信號產(chǎn)生的影響是快速的，使得接收信號幅度、功率和相位等在很短的時間內(nèi)即產(chǎn)生迅速的變化，通常稱之為小尺度衰落即快衰落，該衰落對傳輸性能影響十分明顯，需采取必要措施予以克服。

分集接收是一種抑制信道多徑衰落的有效方法[1]。根據(jù)基本的電磁傳播理論，對地空信道的多徑傳輸特性進行研究、分析，并針對性的進行分集接收方案設(shè)計，對地空通信的實際應(yīng)用提供參考。

1信道建模與計算

典型的地空通信系統(tǒng)由一個地面設(shè)備和一個機載設(shè)備組成，其主要無線通信路徑為兩者之間的直射路徑[2]。但是，在電磁波傳播過程中，在地面會發(fā)生反射，這部分反射信號也很有可能進入信號接收設(shè)備[3]，從而造成多徑干擾。

為降低研究難度，電磁波的地面反射只考慮地面對信號的反射，不考慮地形對信號反射的影響。因此地空通信信道可以簡化為一個典型的二徑信道模型[4]，如圖1所示。

在仿真系統(tǒng)建模中，選擇的最終觀測量為在一定發(fā)射功率和信息速率條件下的信道余量，這樣就可以摒棄信道對信號影響的細節(jié)部分，只考慮其對信號能量的衰減。

圖1　地空通信信道示意

研究地空信道對信號的衰減，除了需要考慮由地面設(shè)備和機載設(shè)備之間的距離引起的電磁波自由空間損耗外，最主要的就是分析多徑干擾對信號的影響。為研究多徑干擾，必須得到多徑信號相對直射信號的多徑時延，以及信號經(jīng)地面反射后產(chǎn)生的幅度和相位的變化。前者涉及到計算多徑和直射路徑的路徑差；后者為地面反射系數(shù)的計算[5]。

1.1　鏈路損耗與系統(tǒng)余量計算

地空信道作為一種無線信道，其亦滿足一般的無線信號傳輸規(guī)律，因此可以使用以下的基本鏈路計算公式[6]。

鏈路總的損耗SL為：

SL=Lp+Lt+Lr+LA。

(1)

式中，Lp為路徑損耗；Lt為發(fā)射機附加損耗；Lr為接收機附加損耗；LA為附加損耗，如雨衰和大氣吸收損耗[7]等。

鏈路總增益為：

SG=Power+Gt+Gr。

(2)

式中，Power為發(fā)射功率；Gt為發(fā)射機天線增益；Gr為接收機天線增益[8]。

則系統(tǒng)余量為：

SM=SG-SL-Threshold。

(3)

式中，Threshold為接收機門限。

1.2　反射系數(shù)和多徑衰減的計算

任意線極化信號可以分解成垂直極化和水平極化信號，假設(shè)到達反射點的信號為[9]：

E=E0e-βrcos(ωt-kr)=

E1cos(ωt-kr)=EH+jEV。

(4)

式中，

EH=E1sinαcos(ωt-kr)，為水平分量；

EV=E1cosαcos(ωt-kr)，為垂直分量。

1.3　分集合并算法

為了能夠有效對抗地空信道中產(chǎn)生的衰落，需要采用分集措施[10]。在仿真中會對不同的分集方式進行仿真、分析。仿真中主要針對機載雙天線、雙頻率分集方式，并兼顧對地面也采用雙天線分集的情況進行仿真分析[11]。

(5)

合并方式包括選擇性合并、最大比值合并以及等增益合并，這里不再細述[12]。

2仿真軟件

MATLAB軟件具有強大的計算功能，能夠充分滿足上文所述算法的計算要求。因此，地空信道仿真系統(tǒng)在MATLAB環(huán)境下構(gòu)建。為了方便使用，提供簡單的人機交互功能，基于MATLAB中的GUI組件，設(shè)計了軟件界面，如圖2所示。

圖2　地空信道仿真界面

3結(jié)論分析

在完成了仿真軟件的設(shè)計后，通過改變仿真參數(shù)，對地空信道各項特性進行詳細研究，得出了以下相關(guān)結(jié)論。

3.1　單天線工作的鏈路二徑仿真

天線在不同頻率上的增益和方向圖的不同，會對系統(tǒng)余量產(chǎn)生較大影響。機載天線為全向天線，其方向圖雖然也隨頻率的變化而變形，但通過仿真發(fā)現(xiàn)，這樣的變化對系統(tǒng)余量并無太大影響。頻率變化的影響主要體現(xiàn)在地面天線上。

地面天線采用的是一個1.2 m口徑的定向天線，當(dāng)工作頻率為4 GHz時，其主瓣半功率角為4.4°，主瓣增益為37 dBi。當(dāng)工作頻率升高時，主瓣半功率角被壓縮，相應(yīng)主瓣增益會增高。

當(dāng)采用較高頻率作為工作頻率時，信號的自由空間損耗會隨頻率的升高而有所增加，但主瓣增益也隨之增加，因此直射路徑信號強度不會有太大變化。

采用單天線—單天線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以通過架高地面天線，飛行器爬升和采用較高頻段的方式，減輕信道多徑的影響，但無法避免信道多徑引起的深度衰落，因此需要采用更多的措施以對抗這種信道衰落。

3.2　地面單天線空中雙天線分集接收仿真

由于單天線—單天線結(jié)構(gòu)，并不能完全對抗多徑衰落，考慮使用多天線分集合并方式。

首先考慮地面設(shè)備單天線—機載雙天線的結(jié)構(gòu)，地面為帶有自動跟蹤伺服系統(tǒng)的定向天線，機載為2個全向天線，分別于機腹和機頂處相對安裝。

針對這種單天線—雙天線結(jié)構(gòu)在不同頻率組合下的仿真對比圖如圖3所示。

圖3　不同頻率組合下分集接收效果

仿真參數(shù)設(shè)置：地面天線架高為10 m，飛行器高度3.5 km，頻率選擇分別為：4.08 GHz+4 GHz和8 GHz+2 GHz兩種組合。從圖3中可以看出，單天線—雙天線結(jié)構(gòu)的確可以提供一定的分集增益，但是只有頻率間隔很近的情況下(如圖3(a)所示)，才能避免衰落“深坑”(如圖3(b)所示)。

3.3　地面雙天線空中雙天線分集接收仿真

當(dāng)?shù)孛嬉苍O(shè)置為雙天線(垂直布設(shè))，分別與機頂天線和機腹天線建立2條通信鏈路鏈路。選擇2條通信鏈路的工作頻率，當(dāng)2條通信鏈路的工作頻率和相應(yīng)地面設(shè)備天線高度的乘積大致相等時，可以獲得較好的分集接收效果。

針對這種雙天線—雙天線結(jié)構(gòu)在不同頻率組合下的仿真曲線如圖4所示。仿真參數(shù)設(shè)置：飛行器高度3.5 km，對準機頂天線的地面天線架高為10 m，工作頻率為4 GHz；對準機腹天線的地面天線架高為5 m，工作頻率為8 GHz。此時，2條通信鏈路的地面天線架高與工作頻率的乘積相等，分集接收后，接收到的信號電平隨傳輸距離變化較為平坦，不會產(chǎn)生衰落“深坑”。

圖4　雙天線異頻分集

如果不按照上述規(guī)則設(shè)置工作頻率和天線架高，則不能避免衰落“深坑”的出現(xiàn)，分集接收不能取得較好的效果。

3.4　仿真結(jié)論

通過仿真發(fā)現(xiàn)，地空通信信道中存在較強的多徑信號，會產(chǎn)生較深的多徑衰落。僅使用單天線結(jié)構(gòu)很難取得較好的通信效果，而采用地面設(shè)備雙天線—機載雙天線結(jié)構(gòu)和地面設(shè)備單天線—機載雙天線結(jié)構(gòu)2種分集接收方式，通過選擇合適的工作頻率，可以獲得較好的分集接收效果。

4結(jié)束語

地空信道是一個典型的二徑信道，存在較深的多徑衰落，對通信系統(tǒng)性能影響較大。利用電磁傳輸理論，建立地空多徑傳播模型，研究地空地空分集接收特性。通過仿真研究，總結(jié)出了系統(tǒng)傳輸余量和地面天線架高、系統(tǒng)工作頻率、通信距離和飛機高度等因素的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了地面設(shè)備雙天線—機載雙天線結(jié)構(gòu)和地面設(shè)備單天線—機載雙天線結(jié)構(gòu)2種分集接收方式。仿真結(jié)果證明，通過合理設(shè)置地面天線架高和系統(tǒng)工作頻率2個參數(shù)，2種分集接收方式均可以取得較好的分集接收效果，提高系統(tǒng)通信性能。

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倪光華男，(1982—),碩士,工程師。主要研究方向：無線傳輸技術(shù)。

杜智遠男，(1976—)，碩士。主要研究方向：測控總體技術(shù)。

Performance Simulation and Analysis on Transmission

Characteristics of Ground-to-air Channel

NI Guang-hua1,DU Zhi-yuan2,WANG Dong1,SHI Yu-jing1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China；

2.Unit92493,PLA,HuludaoLiaoning125001,China)

AbstractGround-to-air communication channel which is a two-path fading channel and causes deep multi-path fading,needs to adopt diversity reception technique to improve the communication performance.The signal transmitting process in ground-to-air communication channel has been analyzed and diversity reception model of ground-to-air communication has been constructed by using the electromagnetic transmission theory,on the basis special-purpose simulation software is designed.By comparing different diversity reception performance on different diversity conditions,the paper presents that it is necessary to take comprehensive consideration of frequency planning and antenna height to achieve the better performance of diversity reception.

Key wordsground-to-air channel;multi-path fading;diversity;channel model

作者簡介

基金項目：國家部委基金資助項目。

收稿日期：2015-03-11

中圖分類號TP925

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2015)06-0078-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.21

引用格式：倪光華，杜智遠，王東，等.地空通信信道特性仿真與分析[J].無線電工程，2015，45(6)：78-80，84.