廖 希，薛 睿，趙旦峰

(哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，150001哈爾濱)

近年來(lái)，能為用戶(hù)各種應(yīng)用提供無(wú)縫接入的陸地移動(dòng)衛(wèi)星(land mobile satellite，LMS)系統(tǒng)成為第三代和第四代無(wú)線系統(tǒng)所必需的部分，而傳播信道中復(fù)雜的電磁波特性嚴(yán)重影響了接收信號(hào)可靠性.因此需要建立一個(gè)準(zhǔn)確信道模型.研究表明:一個(gè)能有效代表窄帶LMS信道傳播特性的信道模型可進(jìn)一步擴(kuò)展到多衛(wèi)星單極化天線、單衛(wèi)星雙極化天線及多波束天線的LMS信道［1-3］、混合衛(wèi)星 - 陸地移動(dòng)信道［3］和寬帶衛(wèi)星信道［4-7］等建模中，為L(zhǎng)MS系統(tǒng)的物理層和網(wǎng)絡(luò)層仿真研究提供信息.

目前，常用概率統(tǒng)計(jì)模型來(lái)描述窄帶LMS信道，該模型包含表征信道非常慢變化的狀態(tài)轉(zhuǎn)移、快變化和慢變化衰落信號(hào)兩個(gè)過(guò)程.文獻(xiàn)［8-10］對(duì)一階 Markov模型，Semi-Markov對(duì)數(shù)正態(tài)擬合、分段指數(shù)擬合、修正的對(duì)數(shù)正態(tài)擬合模型、動(dòng)態(tài)Markov及其近似模型的研究表明對(duì)數(shù)正態(tài)擬合的Semi-Markov狀態(tài)模型能更精確地生成狀態(tài)概率和狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)特性，且復(fù)雜度較低，可作為窄帶LMS傳播信道狀態(tài)模型的較優(yōu)選擇.在不同衛(wèi)星仰角下，文獻(xiàn)［11］將用戶(hù)-衛(wèi)星間視距(line-of-sight，LOS)信號(hào)分為3種狀態(tài)，并由經(jīng)驗(yàn)擬合公式計(jì)算傳播參數(shù).在L、S、Ka頻段的給定環(huán)境和衛(wèi)星仰角下，文獻(xiàn)［12］提取出窄帶、寬帶LMS信道狀態(tài)參數(shù)和傳播參數(shù)，并假定每一狀態(tài)內(nèi)信號(hào)包絡(luò)服從Loo分布［13］.參考數(shù)字視頻廣播-手持終端接收衛(wèi)星業(yè)務(wù)(digital video broadcasting-satellite services to handhelds，DVBSH)標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)［14］修正三狀態(tài) LMS信道模型［11-12］，提出適用于單衛(wèi)星系統(tǒng)通用兩狀態(tài)LMS信道模型，該模型僅適用于S頻段給定環(huán)境和衛(wèi)星仰角的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).由于限定頻段、環(huán)境和衛(wèi)星仰角，以上提出信道模型僅能描述有限場(chǎng)景的陰影條件.為能準(zhǔn)確有效地代表不同環(huán)境、不同衛(wèi)星仰角和不同方位角的信道傳播特性，有必要在一組具有統(tǒng)計(jì)意義接收環(huán)境的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)下研究適用于多場(chǎng)景的LMS信道模型.

本文采用基于角度分集的移動(dòng)衛(wèi)星信道(mobile satellite channelwith angle diversity，MiLADY)項(xiàng)目［15-19］中兩組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提取的狀態(tài)參數(shù)和傳播參數(shù)，研究一種適用于更多操作場(chǎng)景的窄帶LMS信道模型.相比DVB-SH系統(tǒng)中的兩狀態(tài)LMS信道模型［14］，該模型的狀態(tài)參數(shù)依賴(lài)于狀態(tài)持續(xù)時(shí)間和當(dāng)前狀態(tài)，且在慢衰落信號(hào)成分中引入與衛(wèi)星方位角有關(guān)多普勒頻移，增加模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù).在不同環(huán)境、不同仰角和不同方位角下，研究對(duì)數(shù)正態(tài)擬合的Semi-Markov狀態(tài)模型的‘壞’狀態(tài)概率、輸出載噪比(carrier-tonoise ratio，C/N)時(shí)間序列的累積分布函數(shù)(cumulative distribution function，CDF)及90%信號(hào)有效性所需的余量，并與衛(wèi)星數(shù)字音頻無(wú)線業(yè)務(wù)(satellite digital audio radio services，SDARS)實(shí)測(cè)及DVB-SH參考模型［14］比較.

1 窄帶LMS信道的場(chǎng)景

建立一個(gè)能準(zhǔn)確有效地代表陰影場(chǎng)景的LMS信道模型，需要描述信道陰影條件變化的狀態(tài)參數(shù)及描述快變和慢變信號(hào)成分的傳播參數(shù).MiLADY項(xiàng)目進(jìn)行了兩次具有統(tǒng)計(jì)代表意義的實(shí)測(cè)［15-16］.第一次沿著 U.S.東海岸以 2.1 kHz的采樣率在2.3 GHz頻段左右的S波段同時(shí)記錄4顆SDARS衛(wèi)星的功率及天線的噪聲功率，進(jìn)而從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中提取出信道模型的狀態(tài)參數(shù)(即對(duì)數(shù)正態(tài)擬合Semi-Markov鏈的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差)和Loo分布的傳播參數(shù)(即多徑平均功率、陰影遮蔽成分的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差).盡管SDARS測(cè)試能有效地代表U.S.陰影環(huán)境，但僅包含XM衛(wèi)星無(wú)線電的兩顆GEO衛(wèi)星和Sirius衛(wèi)星無(wú)線電的兩顆HEO衛(wèi)星，只能獲得有限的軌道星座，受限于衛(wèi)星方位角或仰角的分析.第二次在德國(guó)愛(ài)爾蘭根測(cè)試記錄了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite systems，GNSS)在 L波段(1 575.42 MHz)下至少8顆GPS衛(wèi)星的信號(hào).由于C/N的時(shí)間分辨率(20 Hz)和幅度分辨率(1 dB)較低，僅能提取出狀態(tài)參數(shù)，但能在更寬范圍的衛(wèi)星仰角和運(yùn)動(dòng)方向下研究衰落對(duì)LMS信道影響.因此，為擴(kuò)展模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，本文采用以上兩組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提取的信道參數(shù)，建立一個(gè)適用于多場(chǎng)景窄帶LMS信道模型，其參數(shù)定義為:

1)MiLADY SDARS參數(shù)組.Loo分布的傳播參數(shù)和Semi-Markov鏈的狀態(tài)參數(shù)均來(lái)自SDARS實(shí)測(cè)，稱(chēng)為Model SDARS.與衛(wèi)星方位角有關(guān)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?°～360°.

2)MiLADY SDARS Loo-＆GNSS狀態(tài)參數(shù)組.將SDARS實(shí)測(cè)提取的傳播參數(shù)與GNSS實(shí)測(cè)提取的狀態(tài)參數(shù)結(jié)合，生成不同場(chǎng)景的時(shí)間序列，稱(chēng)為Model GNSS.4種不同間隔的方位角:0°～10°、10°～30°、30°～60°和 60°～90°及方位角0°～360°.

1)和2)均能描述5個(gè)不同環(huán)境(城市、城郊、森林(或鄉(xiāng)村)、商業(yè)區(qū)和開(kāi)闊地(或高速公路))和8 個(gè)不同衛(wèi)星仰角(15°，25°，…，85°);2)還可描述5個(gè)不同間隔的方位角.因此，可將參數(shù)組的每個(gè)實(shí)測(cè)條件定義為一個(gè)場(chǎng)景，共有5×8+5×8×5=240個(gè)的場(chǎng)景，如采用MiLADY SDARS Loo-＆GNSS狀態(tài)參數(shù)組，可將城市環(huán)境，衛(wèi)星仰角25°，方位角20°作為一個(gè)場(chǎng)景.

2 窄帶LMS信道模型

2.1 窄帶LMS信道模型的結(jié)構(gòu)

基于MiLADY實(shí)測(cè)的單衛(wèi)星窄帶LMS信道模型修正了通用的兩狀態(tài)LMS信道模型結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1.

圖1 窄帶LMS信道模型框圖

為生成接收信號(hào)復(fù)包絡(luò)的時(shí)間序列，圖1中模型包含3個(gè)生成器:狀態(tài)序列生成器(state sequence generator，SSG)、傳播參數(shù)生成器(propagation parameter generator，PPG)和小尺度衰落生成器(small-scale fading generator，SSFG).

2.2 基于Semi-Markov鏈的狀態(tài)序列生成器

相比兩狀態(tài)LMS信道模型，SSG的改進(jìn)在于:假設(shè) SDPDF服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，Semi-Markov鏈根據(jù)狀態(tài)持續(xù)長(zhǎng)度控制狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移，彌補(bǔ)了一階Markov鏈不能精確地描述狀態(tài)持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)特性的缺陷，且具有參數(shù)少和復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn).信道模型能否代表衰落傳播特性，依賴(lài)于狀態(tài)概率的精確性.因此Semi-Markov狀態(tài)模型的‘壞’狀態(tài)概率pb的精確性至關(guān)重要，它依賴(lài)于移動(dòng)終端所處的環(huán)境、衛(wèi)星仰角和運(yùn)動(dòng)方向，如圖2所示.pb隨著衛(wèi)星仰角的增加而降低，降低趨勢(shì)依賴(lài)于運(yùn)動(dòng)方向.相比衛(wèi)星仰角，狀態(tài)概率更大程度上取決于運(yùn)動(dòng)方向，pb隨著運(yùn)動(dòng)方向的增加而變大，一般將90°視為最差情況，可為衰落抑制和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供信息.相比圖2(b)、(d)和(e)、(a)和(c)區(qū)域的pb較高，運(yùn)動(dòng)方向90°和0°之間的偏差較大.當(dāng)衛(wèi)星仰角大于70°時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向?qū)顟B(tài)概率影響較小，且在城市環(huán)境中由于樹(shù)陰影導(dǎo)致的阻塞概率較低使得pb小于城郊和森林環(huán)境.同時(shí)，僅在城市環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)方向 0°～360°下，Model SDARS和 Model GNSS有相似的結(jié)果，而在森林和開(kāi)闊區(qū)域，Model SDARS較Model GNSS低.

圖2 不同環(huán)境下‘壞’狀態(tài)的概率

2.3 傳播參數(shù)生成器

當(dāng)進(jìn)入新?tīng)顟B(tài)時(shí)，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)及移動(dòng)終端的接收環(huán)境，由相應(yīng)的聯(lián)合分布函數(shù)更新傳播參數(shù).

式中:N(·)為高斯分布，MA，∑A分別為對(duì)數(shù)正態(tài)分布均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，MP為多徑分量的平均功率，均以dB為單位.系數(shù)μi，σi，ai，bi取決于環(huán)境類(lèi)型、衛(wèi)星仰角和方位角［14］.

在城市環(huán)境，衛(wèi)星仰角45°，運(yùn)動(dòng)方向20°下，圖3給出Loo分布的傳播參數(shù).圖3表明多徑衰落對(duì)接收信號(hào)影響較小，而陰影遮蔽效應(yīng)嚴(yán)重.同時(shí)表明建立信道模型具有可變的傳播參數(shù).圖4分別給出對(duì)數(shù)正態(tài)分布的均值與‘好’、‘壞’狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的關(guān)系.

圖4分別表明對(duì)于不同的狀態(tài)持續(xù)長(zhǎng)度，‘好’狀態(tài)的均值變化較小，而‘壞’狀態(tài)的均值在較大范圍內(nèi)波動(dòng).因此，可通過(guò)狀態(tài)持續(xù)長(zhǎng)度修正‘壞’狀態(tài)時(shí)均值的高斯分布來(lái)避免長(zhǎng)期深度衰落

結(jié)合圖4(b)，式(2)的衰減指數(shù)修正了‘壞’狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間.

圖3 Loo分布的傳播參數(shù)

圖4 MA與狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的關(guān)系

2.4 小尺度衰落生成器

根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)持續(xù)時(shí)間和Loo分布的傳播參數(shù)，在SSFG中輸出C/N的時(shí)間序列，包含慢變和快變信號(hào)成分，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程見(jiàn)圖1.相比通用的兩狀態(tài)LMS信道模型，該SSFG先對(duì)采樣值進(jìn)行三次樣條插值提高其采樣率并歸一化處理得到零均值單位方差的采樣序列，且經(jīng)過(guò)非線性變化得到服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的序列a.然后，引入與運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)的多普勒頻移Δφ1［n］，擴(kuò)展該模型的使用場(chǎng)景.

在窄帶LMS信道模型中，每一狀態(tài)持續(xù)時(shí)間內(nèi)信號(hào)包絡(luò)r的概率密度函數(shù)服從Loo分布，

3 仿真分析

為驗(yàn)證所建的窄帶LMS信道模型在不同場(chǎng)景下的準(zhǔn)確性和適用性，在不修改模型結(jié)構(gòu)的前提下，仿真分析信道模型輸出的時(shí)間序列的一階統(tǒng)計(jì)特性，并與SDARS實(shí)測(cè)及DVB-SH參考模型比較.由于L波段和S波段之間的頻帶僅影響快衰落特性，對(duì)狀態(tài)參數(shù)的影響可以忽略，因此仿真系統(tǒng)采用S波段.仿真參數(shù)設(shè)置為:移動(dòng)終端速度50 km/h，快衰落采樣率為八分之一波長(zhǎng)，慢衰落相關(guān)距離lcorr=2 m.巴特沃斯低通濾波器的通帶和阻帶的歸一化截止頻率分別為0.225和0.75.對(duì)于單衛(wèi)星接收系統(tǒng)，MiLADY模型的兩個(gè)參數(shù)組分別是:SDARS測(cè)試提取的傳播參數(shù)及SDARS或GNSS測(cè)試提取的Semi-Markov鏈的狀態(tài)參數(shù).

3.1 載噪比的一階統(tǒng)計(jì)特性

在城郊環(huán)境中，衛(wèi)星仰角分別為35°、55°和75°下，圖5給出該模型一階統(tǒng)計(jì)特性，即輸出載噪比時(shí)間序列小于給定門(mén)限的概率，并與文獻(xiàn)［14］中DVB-SH參考模型比較，其衛(wèi)星仰角分別為40°、60°和80°及 SDARS 實(shí)測(cè)比較.

從圖5中可看出:在低仰角和高方位角下，視距分量被嚴(yán)重遮蔽導(dǎo)致接收信號(hào)包絡(luò)受到深度衰落，如35°仰角，75°方位角下，C/N ＜ -10 dB 的概率約為0.2.采用Model SDARS參數(shù)組，仿真結(jié)果與SDARS實(shí)測(cè)擬合地很好表明該參數(shù)組能正確地估計(jì)出狀態(tài)參數(shù)及傳播參數(shù).采用Model GNSS參數(shù)組，信號(hào)的有效性隨運(yùn)動(dòng)方向的增加而降低，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?0°時(shí)，傳播環(huán)境對(duì)LMS信道影響最嚴(yán)重.DVB-SH參考模型在衛(wèi)星仰角40°時(shí)與SDARS實(shí)測(cè)相似.圖5(b)、(c)中，DVB-SH參考模型與LMS信道模型之間的偏差可能是由測(cè)試位置的差異引起的.

3.2 信號(hào)余量

為全面分析MiLADY窄帶LMS信道模型的衰落特性，有必要在各種場(chǎng)景下研究滿(mǎn)足某一給定信號(hào)有效性時(shí)所需的余量.假設(shè)信號(hào)的有效性為90%，結(jié)合載噪比時(shí)間序列的累積分布函數(shù)，所需余量為L(zhǎng)oS電平(0 dB)與CDF等于0.1相應(yīng)的C/N之間的差值.分別在城市、城郊、森林、商業(yè)區(qū)和開(kāi)闊地，衛(wèi)星仰角25°，35°，…，85°下采用兩個(gè)參數(shù)組分析信號(hào)余量，如圖6所示.

信號(hào)有效性取決于移動(dòng)終端所處的環(huán)境、衛(wèi)星仰角和運(yùn)動(dòng)方向.圖6表明5種不同環(huán)境中，給定信號(hào)有效性時(shí)，城市環(huán)境所需C/N較高.采用Model SDARS參數(shù)組的仿真結(jié)果與SDARS實(shí)測(cè)高度一致，因此采用該參數(shù)組的MiLADY信道模型能有效地代表SDRAS實(shí)測(cè)場(chǎng)景.采用Model GNSS參數(shù)組的仿真結(jié)果表明單衛(wèi)星LMS信道模型所需的信號(hào)余量隨運(yùn)動(dòng)方向的增加而增加.

圖5 城郊環(huán)境不同仰角下的CDF

圖6 90%信號(hào)有效性時(shí)所需的余量

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于MiLADY項(xiàng)目的兩組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提取的模型參數(shù)，在多場(chǎng)景下研究窄帶LMS信道模型.相比通用的兩狀態(tài)LMS信道模型，該模型采用Semi-Markov鏈實(shí)現(xiàn)‘好’、‘壞’狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移.同時(shí)，在生成對(duì)數(shù)正態(tài)分布之前進(jìn)行樣條插值并修正其均值，且引入多普勒頻移，降低深度衰落持續(xù)時(shí)間并使依賴(lài)于運(yùn)動(dòng)方向的研究成為可能.仿真結(jié)果表明:MiLADY SDARS參數(shù)組與SDARS實(shí)測(cè)的一階統(tǒng)計(jì)特性一致，能有效地代表SDARS實(shí)測(cè)場(chǎng)景.而采用 MiLADY SDARS Loo-GNSS參數(shù)組，信號(hào)衰減較SDARS實(shí)測(cè)大，但能代表更多的陰影場(chǎng)景，尤其是窄街道和陰影較高的區(qū)域.同時(shí)，接收信號(hào)的質(zhì)量由環(huán)境類(lèi)型、衛(wèi)星仰角和方位角共同決定.對(duì)單衛(wèi)星窄帶LMS信道模型的研究可進(jìn)一步擴(kuò)展到多衛(wèi)星信道模型的建立和角度分集及時(shí)間分集等系統(tǒng)性能分析中.該模型是否能有效地代表我國(guó)信道環(huán)境的陰影條件值得深入研究，但卻受限于我國(guó)匱乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但本文對(duì)國(guó)外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的研究可為國(guó)內(nèi)開(kāi)展這方面的研究提供參考依據(jù).

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