短波信道特性与模型分析

孟祥磊

一、引言

在对短波MIMO通信系统进行设计与开发的过程中，需要考虑信道的传输特性。短波信道具有很复杂的时域和频域特征，包括时变衰落、多普勒频移以及多径效应等等，可造成传输信号在时域、频域和空间域三维空间中的严重扩展，因此短波信道是最为复杂的传输信道类型之一。

现代化数字化战场有着高速大容量数据通信的需求，短波通信作为重要的中长距离无线电通信方式，具备军民多方面的用途应用，因此，宽带高速短波通信系统的研究很有意义，我们有必要针对短波信道的传播特性和信道模型进行讨论分析。

二、短波信号在电离层中的传播特性

短波信道存在多径效应、衰落、多普勒频移、起伏效应和频率色散等特性，虽然对于其它无线信道，也有类似的现象，但在短波信道中，这些特性表现地更加突出。

多径效应是指来自短板发射源的信号在到达远端接收端前，会经由不同路径和不同的传输模式的现象，并因此产生不同长度的时间延迟、互不一致的相位信息、不同程度的电场强度衰落。

衰落效应是指短波通信中，信号通过电离层传播被接收端接收时，电磁波的振幅呈现出大小随机变化现象。根据信号起伏持续时间不同，分为快衰落和慢衰落，前者是最短几分之一秒，最长不超过几十秒；后者持续时间比较长，可能长达一小时或更长。

多普勒效应使得电磁波在通过电离层时，由于发射端和接收端的相对运动，以及电离层中的随机变动，都会使接收到的电磁波出现频率漂移的现象，我们称之为“多普勒频移”。另外在太阳活动高峰期，磁暴现象也会引发很大的多普勒频移。

工程应用中，短波信道并不是纯净的，不可避免地会引入了噪声和干扰，按照引入来源不同可分为电台干扰、大气噪声和人为噪声。其中电台干扰是指因为其它无线电台工作在与本电台相接近的频率而引起的信号干扰，一般可以通过扩频技术来提高短波通信的抗电台干扰能力；大气噪声是因为大气中雷电、沙尘暴、暴风雨等剧烈的自然天气现象天气变化产生的电磁干扰；人为噪声主要包括人工部署的电气电子设备产生的电磁干扰，人为噪声具有突发性强的特征，并且受人类居住分布和工厂分布等相关因素影响。

三、短波信道模型的发展与介绍

Watterson模型是迄今为止被认可度最高的一种短波信道模型，但它属于窄带信道模型范畴，要求其有效带宽小12kHz，应用范围较窄。科研学者们以Watterson模型的建模思想为基础，做了一些拓展成宽带模型的改进尝试，但这些改进的模型由于缺少不具备完整的理论分析和实测验证，都不是很理想，不过它们在一定条件下是适用的，因此对这些模型进行讨论研究也具有一定价值。

首先对Watterson模型进行讨论，然后分析典型的改进模型：Watterson加高斯随机延迟模型，子带并行模型，最后介绍ITS模型。

1. Watterson信道模型

Watterson模型又被称为高斯型散射短波电离层信道模型，最早由Watterson所提出。此模型建立的基本思想是：虽然短波信道在时域和频域都是不稳定的，但是在足够短的时间和较窄的频带下，短波信道可以被视为恒参信道，可以利用静态模型来仿真。在Watterson模型中，假设信道衰落服从Rayleigh分布，而且在各个模式中，信道的多普勒扩展具有Gaussian功率谱的分布，同时我们假定各个传播模式均不存在延时扩展。

2.Watterson加高斯随机延迟模型

电离层具有时变、随机运动等特性，因此各个传输模式的时间延迟也是随机时变的，不过在Watterson短波信道模型中，采用了固定的抽头，基于这种缺陷提出了一种改进的信道模型fast，根据中心极限定理我们可以知道，大量的不确定性因素所引起的随机变化是服从高斯分布的。

Watterson后接高斯随机延迟模型的实现过程比较简单，不过此模型假设每条径的时间延迟变化服从高斯分布，同时能量不变。这样的假设有其局限性，因此该模型并没有得到广泛的认可。

3.子带并行模型

Watterson短波信道模型表明了短波信道在有限的带宽范围之内表现出的稳态特性可以用静态模型来描述，那么為了实现宽带短波系统，我们尝试对宽带信号进行划分，分成若干个子窄带信号，同时保证它们之间的带宽间距相等，并把它们控制在信道相关带宽范围之内，那么就能在理论上实现宽带信号窄带化。基于这种思想用多路DSP并行处理的方式实现了一种短波宽带信道模拟器，它的实现结构所示，该模拟器在频域上把宽带信号划分成若干子频段，每个子频段的带宽小于信道的相干带宽，各子带信号经历不同的衰落。

4. ITS短波信道模型

随着近年来数字通信技术的不断发展，对宽带短波信道模型的研究己经成为短波通信研究领域的重要方向。通过对Vogler提出的模型进行改进，并建立了时间延迟功率谱、多普勒频移和多普勒频率扩展三个模块的统计性模型，提出了一种可以同时适用于宽带和窄带通信的短波信道模型，我们称之为ITS短波信道模型。

四、短波信道模型的对比分析

Watterson后接高斯随机延迟模型虽然实现过程比较容易，但是该模型假定每条路径的时间延迟服从高斯分布且能量是不变的。这样的假设适用范围也很窄，所以没有得到广泛的认可。

子带并行模型通过使用多路DSP并行处理的方式去模拟短波宽带信道，信号的带宽最高可至1 MHz。而对于子带带宽小于相干带宽的限定可以保证子带以外频率分量的衰落特性互不相关。但是此方法的局限在于：信道的参数需要预先存储，而且对多个子带并行去做计算机处理非常消耗资源，因此这种方法不适合用于实际仿真。

ITS模型可以看作是广义的Watterson模型。其可以比较准确地反映短波宽带信道的信道特性，不过它的缺点是信道模型仿真实现过程比较复杂。现代化数字化战场有着高速大容量数据通信的需求，窄带短波通信系统渐渐无法满足现今高速率通信的需要，而ITS短波信道宽带模型从实际来看很好的体现了时延和频率扩展的信道特性，和子带并行模型相比，对硬件要求不高，且不需要提前对信道参数做存储，限制条件很少，适用范围比较广。虽然其具有参数计算过程繁琐，延时功率分布函数仿真过程复杂的缺点，但如果我们能够对ITS模型进行一些改进，在保证其适用条件和建模准确度高的优点的前提下，简化参数计算过程，减小建模难度，易于计算机仿真实现，将会为短波宽带通信系统设计提供有力的支持。因此，探寻改进的ITS短波宽带模型，使我们后续研究工作的重点。endprint