论文总字数：14563字

目 录

1 绪论 2

1.1 研究背景及意义 2

1.2 卫星信道建模研究现状 2

1.2.1单状态信道模型 3

1.2.2多状态信道模型 3

1.3 本文的主要内容 3

2 卫星信道分层传播特性研究 5

2.1 传输环境 5

2.2 外层空间 6

2.3 散逸层、热层、中间层 6

2.4 平流层、对流层 7

2.4.1 大气吸收损耗 7

2.4.2 降雨衰减 7

2.4.3 云和雾衰减 8

2.4.4 对流层闪烁 8

2.5 本章小结 9

3 两状态Markov信道模型实现与统计特性 10

3.1 两状态Markov信道模型实现 10

3.1.1 有色高斯过程产生方法 10

3.1.2 “好天气”下Rice信道模型的实现 11

3.1.3 “坏天气”下Nakagami信道模型的实现 11

3.1.4 卫星信道Markov模型的实现 12

3.2 两状态Markov信道模型统计特性 13

3.2.1 累积分布函数 13

3.2.2 电平通过率 13

3.2.3 平均衰落持续时间 14

3.3 本章小结 14

4 仿真实验与分析 15

4.1 仿真实例 15

4.2 本章小结 17

5 总结 18

参考文献 18

致谢 20

不同天气对卫星信道建模影响研究

周润之

，China

Abstract：For mobile satellite communications, signal will in turn go through outer space, exosphere, thermal layer, an intermediate layer, the stratosphere and the troposphere after it is transmitted through the satellite, and finally to the ground receiving terminal.During this process,it often subject to various obstacles blocking (clouds, fog, rain, etc.), and may be a variety of physical phenomena, such as reflection or scattering. These cause a decrease in signal amplitude ，phase changes and the quality of the communication. Based on this background, this paper analyzes the characteristics of the propagation of the satellite channel. Then the two state Markov model is established, and the implementation method of the model is studied and the performance of the channel is simulated and analyzed.

Key words：Channel propagation characteristics；Channel modeling；Markov model

1 绪论

1.1 研究背景及意义

在当今社会，移动卫星通信是当今通信领域中发展最迅速的领域，同时也是对人类生活以及社会发展具有重大影响的科学领域。移动卫星通信作为重要通信形式之一，使用卫星转发无线电信号的方法，使两个或更多个空间电台之间建立通信。卫星通信系统具有许多突出的优点，如通信距离长，不受地域限制，覆盖面积大，可以为各种服务提供多址通信。它不仅可为固定通讯终端和车、船、个人等移动通讯终端随时随地提供通信服务，并且接入了全球最大的互联网，在海、陆、空三者之间构成了立体交叉的网络，成为了现代通信领域中发展非常迅速的研究方向。

通信质量需求随着社会的不断发展和卫星通信技术的不断进步而越来越高。在通信系统的研究中，其中最重要的是卫星信道传播相关特性的研究。无线通信的传输环境会直接影响通信的质量，信号的传播会受到云层、降雨、雾霾等气象因素的影响，发生反射、衍射、散射，对卫星通信产生的影响极大，这表明大气空间环境对信道传播特性的影响不容小觑。因此，根据卫星信道不同的传播特性，要建立不同的数学模型和仿真也就具有重要意义。

卫星通信信道传播特性研究是卫星通信技术的关键性研究之一，众多学者针对单一信道环境提出了统计模型，在以往的研究中，不同的物理量被用来定量描述其影响，这些物理量可以从不同的方面反映信道传播特性。学者们用这些物理量建立了多种不同的卫星信道模型，这些模型主要存在着以下几点问题: 第一，部分模型只考虑到一两个影响因素，例如，只考虑云雾衰减或只考虑大气吸收损耗，虽然这种处理降低了建模和计算的难度和复杂性，但它很可能不能反映实际的传播特性。其次，虽然部分模型考虑了各种因素，但没有分析清楚各因素的主次，同时，这些因素存在着较大的关联性，计算的复杂度和错误率大大加强了。第三，一些多状态模型完全凭借个人经验进行状态划分，缺乏理论依据。第四，很多研究中只能给出信道模型，却没有给出实现方法，缺乏现实意义。

1.2 卫星信道建模研究现状

卫星通信信道建模技术相对于其他通信技术发展得较晚，而且不同的通信卫星、工作频率、地面环境所表现的特性具有较大差异。统计模型的概率分布模型具有简单、准确、清晰等特征，因此被广泛应用。该模型根据信道状态的不同被分为单状态信道模型和多状态信道模型两大类。

1.2.1单状态信道模型

单状态信道模型通常只考虑一两个信道影响因素，该模型可以详细刻画特定场景下的卫星信道，充分研究某一种因素对信道传播特性的影响。根据影响因素的不同，分别建立以下几种模型:

1）根据传播信号中多径信号和阴影效应的关系、信号中有无直射信号，分别建立了三种信道模型:第一种为城区传播环境中，没有直射信号到达接收端，只有多径效应信号，信号包络服从Rayleigh分布；第二种为开阔地传播环境中，直射信号没有任何阻挡，接收终端可接收直射和多径信号，信号包络服从Rice分布；第三种为乡村或郊区传播环境中，接收信号中有经历阻挡的直射信号，接收信号包络服从Rice分布和Lognomal分布的联合分布。

2）根据信号的衰减速度，可将信道模型分为大尺度传播模型和小尺度传输模型两种。大尺度传播模型是指卫星发射机和终端接收机之间要经过很长的距离引起的比较缓慢的衰减。小尺度传播模型被定义为信号衰减发生在极短距离或时间内的快速衰减类型。

总体来说，单状态模型确实建模简单并且具有明确的物理意义，但是适用性不强。

1.2.2多状态信道模型

该类模型采用多种状态来描述某一地区的移动卫星通信信道传播特性的动态变化过程。随着接收端的移动、天气变化以及云的漂移，卫星信道的传播特性将发生变化，从而使用单一状态模型来描述区域的信道传输特性是不合理的。20世纪后期，学者提出了两状态Markov模型，该模型是“好天气”和“坏天气”两种信道状态的叠加，这两种信道状态分别对应于无衰落和有衰落信道环境。有研究表明,信道状态数在一定程度内越多,其对信道特性的描述也就越准确。传统的多状态下马尔可夫模型完全是依据个人经验进行划分，这种分类方法缺乏理论依据而且研究人员不同会导致信道模型划分结果也不一样。另外,有些学者为了取得更加准确描述信道传输特性的效果，不断地在尝试增加信道状态,但现实是随着信道状态数的不断增加不仅没有达到预期的效果,而且大大增加了运算量，实用性不强。

1.3 本文的主要内容

本文在分析卫星信道分层传播特性的基础上,着重阐述了不同气象要素对信道传输特性的影响。其次,建立卫星信道两状态Markov模型,最后研究所建模型的实现方法并对信道性能进行仿真分析。全文章节安排如下:

第一章介绍“不同天气对卫星信道建模影响研究”的研究背景及研究现状,最后阐述本文的主要研究内容。

第二章研究卫星通信系统链路的基本组成,同时系统分析卫星信道分层传播特性并总结出信号传播过程中存在的几种主要损耗。

第三章在综合分析信道传播特性的前提下, 将不同的天气状况分为“好天气”和“坏天气”两种不同的环境，分别建立Rice模型和Nakagami模型，这样的两状态Markov模型可以有效描述信道动态传播特性。

第四章选取适当的参数对卫星信道模型进行仿真模拟实验以验证所建立模型的正确性及有效性。

第五章进行全文总结。

2 卫星信道分层传播特性研究

对于卫星移动通信而言，在传输过程中其信号经常会受到各种障碍物（如云、雾、雨等）的遮挡。信号经过这些障碍物时会发生反射、衍射或散射等现象，导致接收端接收的信号功率和时间是不相同的。接收端接收的电磁波信号实际上是由各种时间延迟场强度矢量叠加形成的合成信号，此信号是由原信号的干扰所产生的复合信号，并受到衰落效应的影响。

2.1 传输环境

气体吸收、云雾遮挡、极化效应、闪烁效应等多种因素都会对卫星信道传播特性造成影响，这些因素可以改变信号的方向和幅度，从而导致信号的质量下降。卫星通信信道链路图，如图1所示。

图1 卫星通信信道链路图

由图1可知，电磁波通过太空卫星发射层、热层、中间层、平流层和对流层到地面接收站，其中每一层所包含的内容是不一样的，其传播环境也不尽相同，因此，损失和衰减类型通常来说也不一样。卫星与地面接收终端之间的无线传输主要是由中间链路来实现的，而通信质量直接受信道环境的影响。中间链路中的如空气、雨水、云朵等各种物质会产生不同程度的干扰和损耗，包括自由空间损耗、电离层闪烁、大气吸收损耗等，这些效应将严重影响通信系统的稳定性。本文根据卫星下行信号传播的空间顺序，分析了其主要的衰减和干扰类型，并给出了相应的计算方法。基于空间分布的简单衰减和干扰类型，如图2所示。

图2 基于空间分布的衰减类型

2.2 外层空间

自由空间损耗是影响卫星通信传输损耗的最主要因素。这是因为在卫星通信传输系统中，电磁波在自由空间中传播，卫星信号首先要经过外层空间才向地面接收终端传播，外层空间主要含有的物质是等离子体状态下的氢，其密度非常低而且波在自由空间路径最长，达95%以上的总路径，因此这部分损失占绝大多数。信号传播损耗研究首先应研究通过自由空间所产生损耗。对于一个静止的卫星通信链路，自由空间损耗是最重要的损耗。其具体计算方法为：

(2.1）

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