UHF频段卫星移动信道建模与仿真

倪 娟，黄国策，陈 强，余 辉

(1.空军工程大学信息与导航学院，陕西 西安 710077;2.中国人民解放军95866部队，河北 保定 071051)

责任编辑:薛 京

UHF频段凭借信号穿透力强、终端实用性强以及可实现全球波束覆盖和广播联网、接入得到保证［1］等优点，大量应用于战术卫星通信系统。然而，UHF频段通信存在带宽有限、信道衰落严重等缺点，将导致卫星通信可靠性降低。因此，急需开展UHF频段卫星信道传输特性的研究，从而采取抗衰落技术来抵抗恶劣环境的影响。

随着卫星移动通信发展到第三代，传输数据速率提高，系统频谱带宽增大，信道衰落特性也变成频率选择性衰落，研究模型建立和仿真也变得更加困难［2］。Bello在1963年首次提出用广义平稳非相关散射(Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering，WSSUS)模型对频率选择性衰落信道进行简单建模［3］。陈立虎［4］等人基于WSSUS模型，建立了中继卫星与导弹之间通信信道模型，并在海面、平原和山区3种通信环境下进行信道仿真。张嘉铭［2］等人基于多点散射理论和WSSUS模型，建立了宽带移动卫星信道模型，仿真得到的山区、公路和城区3种典型环境下的数据与德国航空研究中心的实测数据进行了比较验证。文献［5］在经典Corazza模型基础上，考虑UHF频段卫星移动信道电离层闪烁和阴影效应的主要影响，提出了Nakagami-Lognormal混合统计信道的概念。本文基于WSSUS模型，针对UHF频段不同场景下卫星移动通信信道进行研究，充分考虑电离层闪烁、多径效应、多普勒频移以及阴影效应等因素的影响，建立相应数学模型，并对不同场景下的信道进行了性能分析及仿真。

1 UHF频段卫星移动信道的建立

信道的传播特性是研究卫星移动通信时遇到的重要问题之一。在系统的总体设计中，为向用户提供可靠服务，需充分考虑信道传播特性以选择合适的调制、编解码和多址方式等［6］。如图1所示，UHF频段卫星移动信道兼具卫星信道和移动信道的特征，是一种复杂的时变衰落信道，受到电离层闪烁效应、多径衰落、多普勒频移和阴影效应的影响，严重影响了数字信号传输的可靠性，由于移动终端所处的物理环境各不相同，必须对不同场景逐一进行分析，分别确定各自的传播特性。

1.1 常见场景描述

图1 UHF频段卫星移动通信信道示意图

UHF频段卫星移动信道不仅信道复杂，而且终端呈现样式也较多，包括地面手持、机载、车载等。由于信号变化的统计特性很大程度上依赖于终端所处环境，可以将其分为没有阴影效应的传播和有阴影效应的传播。一般地，对于机载终端和开阔区域的车载终端，认为直射分量没有阻挡，此时是一种莱斯信道;当受到阴影衰落影响时，根据直射分量和多径分量受遮蔽的不同，又可以分为部分阴影遮蔽和全阴影遮蔽两种场景。

1.2 多普勒频移和多径时延

1.2.1 机载终端信道

此时卫星与飞行器通信，视距路径为常数，多径分量服从瑞利衰落。假设飞行器速率(即终端速率)v=100 m/s，电离层闪烁的莱斯因子为14.8 dB，陆地多径的莱斯因子为7 dB。

1)多普勒功率谱

机载场景下，由于飞行器速度远远大于其他场景，会产生较大的多普勒频移，此时信道表现为频率选择性快衰落。卫星与飞行器中的终端通信，多径分量一般不是全向分布的，天线波束宽度小于360°，通常假设有一个3.5°的散射成分。当散射是各向异性时，Jakes推出的多普勒“U”型功率谱［7］变为

式中:θαL是天线波束到达的最小角度;θαH是天线波束到达的最大角度。

2)多径时延分布

卫星与飞机通信时，假设飞机飞行高度为10 km，卫星高度为36000 km，最大多径时延为11 μs，时延功率谱的斜率为τslope=1 μs。信道多径时延服从指数分布［8］

1.2.2 开阔区域车载终端信道

该信道场景下，卫星与汽车通信，此时信道符合莱斯衰落，假设运动速率v=13 m/s，电离层闪烁的莱斯因子为14.8 dB，陆地多径的莱斯因子为17 dB。

1)多普勒功率谱

相比于飞行器，汽车以较小的速度运动，可认为多径分量入射角在0°～360°全向均匀分布，此时多谱勒功率谱为Jakes典型功率谱，表达式为

式中:fDmax

2)多径时延分布

开阔区域可以借鉴COST207乡村模型，信道的时延值服从指数分布，最大多径时延 τmax=0.15 μs，τslope=延迟功率谱［4］为

1.2.3 部分阴影信道

接收信号由直射分量和多径分量组成，阴影效应只作用于直射分量，可以把该场景看做是Loo信道模型［9］，此时电离层闪烁的莱斯因子为14.8 dB，陆地多径的莱斯因子为15 dB，最大多径时延为400 ns，平均路径损耗为6 dB。

1.2.4 全阴影信道

阴影效应同时作用于直射分量和多径分量，可以把该场景看作是Lutz信道模型［9］，此时电离层闪烁的莱斯因子为14.8 dB，陆地多径的莱斯因子为6 dB，最大多径时延为400 ns，平均路径损耗为5.8 dB，无阴影遮盖时间概率为0.1。

2 等效莱斯因子计算

信道模型中，基本衰落类型之间彼此独立［6］，电离层闪烁效应和多径效应均有各自的莱斯因子，为了获得不同场景的莱斯因子，需要计算出这些衰落效应合并后的等效莱斯因子。

2.1 存在电离层闪烁和多径效应时等效莱斯因子

设Rs为电离层闪烁效应对应莱斯因子，Rm为多径效应对应莱斯因子，Requal为等效莱斯因子［9］。

如果信道只存在电离层闪烁效应或多径效应，则Requal等于Rs或者Rm;如果信道同时存在这两种衰落效应，则

2.2 同时存在电离层闪烁、多径和阴影效应时等效莱斯因子计算

设Gs为阴影遮蔽效应下的平均路径损耗，当信道同时存在电离层闪烁、多径和阴影效应时，若阴影效应为Loo型，则等效莱斯因子为

式中:a=Rs/(Rs+1)为电离层闪烁效应对直射信号功率的影响因子;b=1/(Rs+1)为电离层闪烁效应对随机散射信号功率的影响因子。

若信道存在的阴影效应为Lutz型，则等效莱斯因子为

式中:pcnt为信道处于无阴影遮蔽状态的时间百分比。

3 基于WSSUS模型的移动卫星信道模型系统

WSSUS模型是基于小尺度衰落的广义平稳非相关过程，信道特性能由概率密度函数和一个双变量相关函数完全确定。信道广义平稳是指信道冲激响应的自相关函数与时间无关，只与时间差有关;非相关散射是指不同散射体的延时分布不相关［4］。WSSUS模型两个显著特点，一是时延域和多普勒频偏域上具有非相关特性，二是时间域和频率域上具有广义平稳特性。

3.1 信道冲激响应

根据分析，多径衰落分析基于 WSSUS 模型［2，10］的UHF频段移动卫星通信信道冲激响应为

式中，t，τ为特定的时刻和时间的增量;M为多径信号数目;fDLos

为直射分量的多普勒频移;φm为第m个多径分量达到接收端的初始相位，φm相互独立且在［0，2π］上服从均匀分布;fDm为第m个多径分量的多普勒频偏;τm独立同分布，为第m个多径分量的多径时延。

由式(8)可以看出，h(τ，t)由1个直射分量和M个互不相关的多径信号组成，1/为归一化因子，确保信号总功率为1。当M→∞ 时，由中心极限定理可知，h(τ，t)中的多径部分是一个复高斯过程，幅度服从瑞利分布。p∈R是视距路径的幅度，q∈R是多径部分的标准差。等效莱斯因子被定义为K=p2/q2。由E=

3.2 随机变量的模拟

信道模型仿真时，主要考虑多径分量初相位φm、各条多径的多普勒频偏fDm和多径时延τm的参数选择。根据蒙特卡罗(Monte-Carlo，MC)仿真方法，在开区间(0，1)之间选择服从均匀分布的随机数vm来模拟概率分布的随机变量um，则um=gu(vm)=(vm)，gu(·)为模拟变量概率密度的反函数［10］，则参数模拟如下:

1)φm的概率密度函数p(φm)=，则φm=2π·vm;

2)p(fD)满足Jakes功率谱，得到fDm=fDmax·cos［θαL+(θαH－ θαL)·vm］，其中满足全向 Jakes 功率谱时，fDmax·cos(2πvm);

3)p(τ)服从指数分布，得到 τm≈－ τslope·ln(1 －vm)，τmax≥ τslope。

4 仿真分析

以前面的分析和建立的模型为基础，本文针对直射路径存在与否情况下对所建立的信道进行了仿真。设置载波频率为fc=300 MHz，数据传输速率为3.84 Mbit/s，调制方式为QPSK，多径数M=128。

图2和图3分别为不存在直射分量和存在直射分量时信道包络的概率密度函数与理论瑞利分布、莱斯分布的比较图。可以看出，图2的信道包络概率密度函数基本服从瑞利分布，而图3的信道包络概率密度函数服从莱斯分布，这与前面的分析是一致的、对应的，因此满足了不同场景下信道模型的要求，通过验证得出所建立的信道模型是正确的、科学合理的。

图2 无直射分量信道的概率密度函数

本文在建立的相应的信道模型基础上，对机载、车载、部分阴影、全阴影以及理想高斯信道5种场景进行了误码率的计算机数据仿真。仿真中仿真点数是100000点，其他参数设置与上述实验相同，假设接收机与直射分量完全同步，得到误码率曲线如图4所示。

图3 有直射分量信道的概率密度函数

图4 UHF卫星移动信道不同场景下的误码率曲线

由图4可以看出，相同信噪比情况下，误码率性能由好到差依次是:理想高斯信道＞车载终端信道＞地面部分阴影＞地面全阴影＞机载终端信道。机载场景由于飞行器运动速率较大，会产生较大的多普勒频移，严重影响信号接收，对信道性能影响较大，使系统误码率恶化，因此需要采取抗衰落技术，提高误码率性能。随着阴影效应影响的减弱，信道的性能也有所提高，当信噪比为12 dB时，车载场景比地面部分阴影场景性能约有一个数量级的提升，达到10-5，而地面部分阴影场景又比地面全阴影场景性能提升一个数量级。

5 结束语

本文根据接收终端环境的不同，充分考虑电离层闪烁、多径效应、多普勒频移和阴遮蔽的影响，分析了信道的统计特性，提出了一种UHF卫星移动信道模型，并给出了不同场景下误码率性能仿真结果。针对机载场景、地面全阴影场景性能很差，无法直接进行通信的问题，需要采取诸如信道编码、分集接收和自适应均衡等抗衰落技术来加以改善，这对于将来解决卫星宽带无线信道模拟与通信等关键技术研究具有重要的参考价值。

［1］INGERSKI J，SAPP A.Mobile tactical communications，the role of the UHF Follow-On satellite constellation and its successor，mobile user objective system［C］//Proc.2002 MILCOM.Anaheim:IEEE Press，2002:302-306.

［2］张嘉铭，杨明川，郭庆.宽带频率选择性卫星移动信道仿真模型［J］.哈尔滨工业大学学报，2011，43(7):46-50.

［3］BELLO P.Characterization of randomly time-variant linear channels［J］.IEEE Trans.Communications Systems，1963，11(4):360-393.

［4］陈利虎，王世练，张尔扬.导弹飞控数据链中星弹链路的信道建模与仿真［J］. 系统工程与电子技术，2007，29(6):971-973.

［5］张小辉，于坚，陈建华，等.UHF频段军事卫星通信及其信道的仿真研究［J］. 军事通信学术，2010，31(3):72-75.

［6］张更新，张杭.卫星移动通信系统［M］.北京:人民邮电出版社，2001:79-130.

［7］HAAS E.Aeronautical channel modeling［J］.IEEE Trans.Vehicular Technology，2002，51(2):254-264.

［8］金石，张晓林，周琪.无人机通信信道的统计模型［J］.航空学报，2004(1):62-65.

［9］HANT J，LIN V，ANDERSON P.Verification of satellite-channel simulators with scintillation，terrestrial multipath，and shadowing effects［C］//Proc.IEEE Aerospace Conference，2005. ［S.l.］:IEEE Press，2005:1750-1763.

［10］HOEHER P.A statistical discrete-time model for the WSSUS multipath channel［J］.IEEE Trans.Vehicular Technology，1992，41(4):461-468.