摘 要:? 對城市環(huán)境" title="城市環(huán)境">城市環(huán)境下低軌道衛(wèi)星" title="低軌道衛(wèi)星">低軌道衛(wèi)星的信道進行了研究和建模,，并對城市環(huán)境下低軌衛(wèi)星地面終端采用Rake接收的性能進行了研究,。
關鍵詞： 低軌道衛(wèi)星; CDMA; Rake; 多徑" title="多徑">多徑衰落
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低軌道衛(wèi)星信道高度低,，重量輕,，研發(fā)周期短,，研發(fā)成本低,，組成星座系統(tǒng)可以實現(xiàn)全球任何人,、任何時間,、任何地點的通信,，因此,，低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)近年來已成為全球衛(wèi)星通信領域的研究熱點。然而,，由于低軌道衛(wèi)星存在較大的多普勒頻移,，在復雜的地面接收環(huán)境下，衛(wèi)星信號會受到建筑物和樹木遮擋,，其信道又具有時變和衰落的特性,，尤其在城市環(huán)境下，終端所接收到的信號常常沒有直視分量,，進入接收機的主要是多徑信號,。
為了在如此惡劣的信道環(huán)境下實現(xiàn)有效的通信,，采用擴頻通信體制是一種可以有效抵抗衰落和干擾的方法，全球星(GlobalStar),、銥星等衛(wèi)星系統(tǒng)的成功充分證實了這一點,。在復雜的地形環(huán)境下，由于電波在傳播時會遇到各種物體的反射,、散射,、繞射等作用，到達接收天線的信號是由幅度和相位各不相同的路徑分量組成的,，此時的合成信號起伏很大,，稱為多徑衰落信號。因此對城市環(huán)境下低軌衛(wèi)星信道特性進行研究和建模,，是低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計中必須考慮的重要方面,。
在擴頻通信體制下，克服這種多徑衰落的有效辦法是采用Rake接收機對多徑信號進行分集接收,，并根據(jù)每條多徑信號的信噪比按相應的權重合并起來,，獲得分集增益，以對抗多徑衰落的影響,。本文討論了城市環(huán)境下低軌道衛(wèi)星信道的特點并給出了信道模型,，對Rake接收技術和性能進行了分析和仿真。
1 低軌道衛(wèi)星移動通信信道特性
對于低軌道衛(wèi)星信道特性和建模的研究,，必須建立在大量的實驗數(shù)據(jù)基礎上,，美國、日本和歐洲已對衛(wèi)星信道進行了大規(guī)模測量,，取得了衛(wèi)星移動信道下信號傳播的實際數(shù)據(jù),，為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建立和運營打下了基礎。目前,，國內(nèi)外常用的研究低軌道衛(wèi)星移動通信信道特性的模型有：C.LOO模型,、Corazza模型和Lutz模型三種概率分布模型。此三種模型把低軌衛(wèi)星信道信號所受到的衰落分為三種：萊斯衰落,、瑞利衰落和對數(shù)正態(tài)高斯衰落,。
在低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星地面通信接收終端所處的環(huán)境較為復雜,，對于不同的接收環(huán)境,，低軌道衛(wèi)星移動通信信道各有不同的特點。根據(jù)衛(wèi)星地面終端所處的環(huán)境,，將低軌道衛(wèi)星移動傳輸環(huán)境分為三類：
(1) 開闊地地區(qū)：接收信號由直視信號分量和反射多徑信號分量(由鏡反射和漫反射造成)組成,，且直視信號不受遮蔽和阻擋，此時的接收信號包絡服從萊斯分布,；
(2) 農(nóng)村和城郊地區(qū)：接收信號存在直視分量,，且直視信號被部分阻擋,，存在陰影遮蔽效應，此時,，受陰影遮蔽效應影響的直視信號包絡服從對數(shù)正態(tài)高斯分布,；
(3) 城市地區(qū)：分為“好狀態(tài)”和“壞狀態(tài)”?！昂脿顟B(tài)”時,，用戶相對衛(wèi)星的仰角較高，接收信號存在直視信號分量,，并且直視信號不被遮擋,，屬于萊斯衰落信道" title="衰落信道">衰落信道；“壞狀態(tài)”時,，用戶相對衛(wèi)星的仰角較低,，直視信號被完全阻擋，接收信號不存在直視信號分量,，此時的接收信號只有多徑信號分量組成,，屬于瑞利衰落信道。
下面重點對城市環(huán)境下的低軌道衛(wèi)星信道做建模分析：
?、?“好狀態(tài)”情況:在“好狀態(tài)”情況下,，地面接收信號存在直視信號分量,，圖1給出了城市環(huán)境“好狀態(tài)”情況下低軌衛(wèi)星地面終端接收情景模型[1],。
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如圖1所示，在“好狀態(tài)”時,，衛(wèi)星到地面接收機的信號由直視分量和反射分量組成,。直視路徑和反射路徑的路徑差Δr=rd+rS-rLOS,其中，rd=r′+r′′,，因此,，反射信號相對直視信號的延時為：Δt=c·Δr，其中c為光速,，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,，反射源靠近接收機，并且接收機和反射源之間的距離可近似為：rS=h/sin(α)≈h/sin(ε),，則接收機端接收到的可解析路徑數(shù)可由主徑和次徑時間差除以碼片" title="碼片">碼片周期Tc求得,，即：
??? 
將Δr代入(6)式，則可以得到接收機端接收到的可解析路徑數(shù)：
由(7)式可以看出,，接收機接收到的可解析路徑數(shù)是反射源高度h,、碼片間隔TC以及衛(wèi)星仰角ε的函數(shù)。假設反射源高度h=50m,，則圖2表示在不同的碼片速率情況下接收機端接收到的可解析路徑數(shù)隨衛(wèi)星仰角的變化情況,。
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??? 由圖2得出的不同碼片速率可解析碼片數(shù)在衛(wèi)星60度,、40度、30度,、20度下可解析碼片數(shù)的情況如表1所示,。
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??? 由此可得：碼片速率為1.228 8Mb/s時，如果衛(wèi)星仰角小于20度,，則地面終端接收信號可解析路徑數(shù)大于1,，衛(wèi)星信道屬于頻率選擇性衰落信道；如果衛(wèi)星仰角大于20度,，則接收信號可解析路徑數(shù)小于1,，屬于頻率非選擇性衰落信道。碼片速率為3.84Mb/s時,，如果衛(wèi)星仰角小于40度,，則終端接收信號可解析路徑數(shù)大于1，衛(wèi)星信道屬于頻率選擇性衰落信道,，如果衛(wèi)星仰角大于40度,，則接收信號可解析路徑數(shù)小于1，屬于頻率非選擇性衰落信道,；碼片速率為10Mb/s時,，如果衛(wèi)星仰角小于60度，則地面終端接收信號可解析路徑數(shù)大于1,，衛(wèi)星信道屬于頻率選擇性衰落信道,，如果衛(wèi)星仰角大于60度，則接收信號可解析路徑數(shù)小于1,，屬于頻率非選擇性衰落信道,。在頻率選擇信道時，可以采用Rake接收技術來對抗衰落,，提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量,。
??? 近年來，美國,、歐洲,、亞洲等都對城市環(huán)境下無線信道多徑時延參數(shù)進行了測量，文獻[1]給出了城市環(huán)境下GPS衛(wèi)星信道多徑模型,，文獻[2]將發(fā)射機置于高樓頂,，對城市環(huán)境下的多徑時延參數(shù)進行了測量。綜合上述文獻的測量數(shù)據(jù),，并結合圖2中的結果,，對城市環(huán)境“好狀態(tài)”下低軌衛(wèi)星信道可建立為表2所表示的三徑模型。
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?、?“壞狀態(tài)”情況：在城市環(huán)境“壞狀態(tài)”下,，低軌衛(wèi)星傳輸?shù)降孛娼K端的信號受到建筑,、樹木及其它障礙物的遮擋和反射，接收信號不存在直視分量,，此時的低軌衛(wèi)星信道屬于瑞利衰落信道,，可建模為圖3所示的抽頭延遲線模型。
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???? 圖3中,，s(t)為發(fā)射信號,，a0(t),a1(t),a2(t)…,aL(t)表示瑞利衰落造成的復信道系數(shù)，多徑時延Δτ1,Δτ2,…,，ΔτL根據(jù)具體環(huán)境由測量值決定,。在大多數(shù)情況下，由于反射造成的多徑信號總是比第一徑信號經(jīng)歷更大的衰減,，因此有：
???? |a0(t)|>|a1(t)|>|a2(t)|>…>|aL(t)|
參考文獻[3]給出了低軌道衛(wèi)星城市環(huán)境下瑞利衰落信道的多徑時延參數(shù),，如表3所示。
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??? 由表3可以看出,，在城市環(huán)境“壞狀態(tài)”下,，當碼片速率小于2Mb/s時，沒有可分離多徑信號存在,，若要采用Rake接收技術來提高系統(tǒng)性能,，則需要采用更高的碼片速率。
2 Rake接收性能
??? 在城市環(huán)境下,，低軌衛(wèi)星信道存在多徑分量,，此時采用Rake接收技術來對抗多徑衰落，提高系統(tǒng)的誤碼性能,。在第一節(jié)建立的低軌道衛(wèi)星城市信道模型的基礎上,，本節(jié)討論采用最大比合并Rake接收的性能,，比較采用Rake接收和未采用Rake接收時的誤碼率及性能改善,。
假設信道存在L路多徑信號，其復信道系數(shù)分別為：ai(t),i=0,1,…,L-1,，其幅度服從瑞利分布,，其相位服從[0 -2π]的均勻分布。
當不采用Rake分集接收時,，接收機只接收主徑信號(i-0),則接收機輸出端的瞬時信噪比為[2]：
其中,，G為擴頻增益，N0為熱噪聲功率密度,，并假設每條多徑信號具有相同的信道噪聲功率密度,。
當采用最大比合并Rake分集接收時，每徑信號都乘上一個與本徑信號強度相關的權值系數(shù)wi,，此時接收機輸出端的瞬時信噪比為：
對于相干PSK解調(diào),，其誤碼率可由公式(9)計算：
將公式(8)和公式(9)代入公式(10),，即可得到采用Rake和未采用Rake接收時的系統(tǒng)瞬時誤碼率。
多徑信號的信號強度是時變的,，為了求得接收端輸出的平均信噪比SNRa v,，可將其瞬時信噪比在其信號幅度的概率分布密度函數(shù)上求統(tǒng)計平均得到。由于多徑信號幅度服從瑞利分布,，即：
其中,，2δa2表示每條路徑的平均功率。
則接收端的平均誤碼率可由公式(11)計算：
??? 
??? 在城市環(huán)境“好狀態(tài)”下,，根據(jù)表2的三徑信道模型,，采用計算機模擬仿真得到最大比合并Rake接收所得到的平均誤碼率曲線如圖4所示；在城市環(huán)境“壞狀態(tài)”下,，根據(jù)表3的瑞利信道模型,，采用計算機仿真得到最大比合并Rake接收所得到的平均誤碼率曲線如圖5所示。仿真中擴頻增益G為1 024,擴頻碼速率為10Mb/s,，數(shù)據(jù)源用計算機產(chǎn)生,，經(jīng)擴頻、上變頻后發(fā)射,。發(fā)射信號經(jīng)計算機模擬的萊斯衰落信道,，在接收端解擴后得到的數(shù)據(jù)與信源數(shù)據(jù)比較得到其誤碼率，仿真中未采用編碼,，接收采用硬判決,。
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由圖4和圖5可以看出，在“好狀態(tài)”情況下,，為達到10-4誤碼率采用3徑Rake接收可使系統(tǒng)的信噪比改善1.6dB左右,；而在“壞狀態(tài)”情況下，為達到10-4誤碼率,采用4徑Rake接收可使系統(tǒng)的信噪比改善2dB左右,，但需采用較高的碼片速率,。由此可見，在城市環(huán)境下采用Rake接收技術可有效地對抗多徑衰落,。
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低軌衛(wèi)星信道的研究及其模型的建立是低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)設計的前提和基礎,，本文對城市環(huán)境下低軌道衛(wèi)星信道、Rake接收技術及其性能進行了研究和仿真,。仿真結果表明,，在城市環(huán)境下采用Rake接收技術獲得的收益可達1～2dB，達到了較好的效果,，但需要采用較高的碼片速率,。本文中仿真所用的信道模型是建立在一些文獻研究結果的基礎上的，具有一定的參考價值。然而,，地面接收環(huán)境復雜多變,，要建立合適的信道模型，其基本參數(shù)應來源于實測,，針對我國特殊的地形地貌環(huán)境進行低軌道衛(wèi)星信道參數(shù)實測十分必要,，對于我國發(fā)展低軌道衛(wèi)星通信技術具有非常重要的意義。
參考文獻
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