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目录

1 引言 1

2 卫星通信及信道特性概述 2

2.1卫星通信概述 2

2.2卫星链路传输损耗 2

2.2.1自由空间损耗 2

2.2.2电离层闪烁效应 3

2.2.3大气吸收损耗 3

2.2.4阴影效应 3

2.2.5 多径效应 3

2.3传输环境分析 4

3 移动卫星信道传播环境 5

3.1移动信道传播 5

3.1.1反射 5

3.1.2衍射 6

3.1.3散射 7

3.2移动无线电波传输 7

3.2.1基本概念 7

3.2.2描述信道特性的三种常用概率密度函数 8

4 卫星信道模型的仿真和实现方法 11

4.1 卫星信道模型的一阶统计特性 11

4.2 卫星信道模型的二阶统计特性 11

5 多状态Markov信道模型仿真方法研究 12

5.1单状态卫星信道模型仿真方法 12

5.2有色高斯噪声的产生方法 12

5.3 平坦衰落信道建模 13

5.3.1 Rayleigh衰落信道模型 13

5.3.2 Rice信道模型的实现方法 15

5.3.3 Lognormal模型的实现方法 15

5.3.4 Suzuki模型的实现方法 16

5.4地面环境不同状态的建模分析 17

5.4.1开阔地区的信道模型 17

5.4.2城乡结合地区的信道模型 17

5.4.3城市地区信道模型 18

5.5卫星信道三状态Markov模型 18

5.6卫星信道的模型仿真 19

5.7 三状态Markov模型实现 20

5.8 仿真实例 21

6 总结 24

参考文献 25

致谢 27

地面环境对卫星信道的影响

顾凌霄

, China

Abstract: In the satellite communication system, the characteristic of the system immediately impacts the communication standard of the system and the effect of the ground environment on the satellite channel characteristics has been researched in this paper. Firstly, we study the mobile satellite channel propagation environment and the first order, second order statistics about the channel model. Secondly, set up the city in urban and village in rural areas and rural-urban continuum of Rayleigh model, Rice model and the lognormal model and simulation. By using the principle of Markov chain, the three models are united with a three-state Markov model for a satellite channel. The model can be represented by the state space S, the state transition matrix P and the state probability matrix A. By fitting the measured data and model simulation data, the availability and correctness of the three-state Markov model are verified.

Key words: Satellite channel; a terrestrial environment; modeling and simulation

1 引言

作为强有力的现代化通信手段之一，当今社会通信领域中发展势头迅速的研究方向是无线移动通信，所以在通信工程设计中考虑的最基本因素是信道传播特性，这直接关系到通信质量及系统稳定性。

对于任何一个通信系统的研究，首先应依据信道的不同特征进行分析分类和选用适当模型建模，一是因为信道容量由信道特征决定，二是对码元的编解码、调制与解调都要由信道特征的特定性来分别设计。所以健全地认识和匹配地建立对应的数学模型，在卫星通信及信道特性的对进一步的研究和仿真中显得至关重要。

对信道的准确测量和选用匹配的数学模型建模是研究和开发通信系统的首要问题。由于移动终端和卫星两者之间存在相对运动，卫星信道具有时变特性和随机性。与此同时，卫星移动信道具有多样性，因为卫星移动通信系统中其使用轨道、终端和环境有所不同。

无线移动通信的重要领域之一是研究低轨卫星通信，其统计模型是否能较好吻合实际信道特性是一个关键性问题。为了能在建模和测试环节对其提供可靠依据，需要建立起符合卫星移动通信传播特性的动态模型。描述卫星链路传输损耗的主要参数有：自由空间损耗、电离层闪烁效应、大气吸收损耗、多径效应、阴影效应等，其中影响无线信道传播特性的核心要素是多径效应传播引起的信号衰落和信道时延扩展，信道衰落特性随环境改变产生的变化，以及受接收端移动速度的不同，进而对通信质量产生影响。

细致了解地面环境对卫星信道的影响，建立相应的卫星信道模型，对提高卫星通信质量具有重要意义。本文就是从卫星移动通信信道的统计特性入手研究，分析建筑物、树木等地面环境要素对卫星信道的影响，对不同类型进行建模，完成分析对比，推导出统计模型以符合衡量标准，状态模型其各组成模块的实现做了详尽的讨论，并实施软件仿真和结果分析。

2 卫星通信及信道特性概述

2.1卫星通信概述

通信卫星是在轨运行的人造地球卫星，它接收地面发射站的通信信号，对其进行放大并有可能进行处理，随后将信号发送回地面，由一个或多个地面接收站接收。卫星自身既不是通信信息的源头也不是终点，而是一个有源传输中继，功能上类似于地面微波通信中所采用的中继塔。

卫星通信具有地面微波、电缆、光纤网络等传输模式所不具备的许多特性。地球的大部分区域对于典型通信卫星来说都是可见的，因此卫星可以同时把许多用户连接起来。对于利用地面方式不易到达的偏远区域或部门，卫星通信尤其有用。卫星终端可以位于地面、海上或空中，也可以是固定或移动的。

卫星无线通信的成功实现需要健壮的空中链路，以提供通信信号的上行和下行链路路径。要取得好的卫星无线通信效果，就要为通信信号提供好的上、下行链路。然而，通过大气的传输将会降低信号的特性，并且在某些情况下空间可能会对传输信号产生衰减，有时它是影响系统性能的主要因素。通信链路设计和性能分析所用的卫星通信大气模型及预报方法，是无线卫星链路工程的基础^[5]。

2.2卫星链路传输损耗

在传输过程中不可避免地会由于传输介质引起损耗，从而影响卫星通信链路。

图1 卫星信道的传播特性

2.2.1自由空间损耗

在36785Km的高空是地球同步轨道气象卫星，外层空间是卫星信号最先经过的环境，物质密度低并包括电磁辐射和磁场等。因为历经的路径较长，即自由空间损耗最为重要，其具体计算方法为^[1]

(2.1)

其中F表示频率，D表示距离。

2.2.2电离层闪烁效应

外层空间是卫星信号最先经过的环境，其次是层间气体处于电离的散逸层、热层和中间层，这将改变电磁波传播速度，产生折射、反射及散射以及偏振面旋转和吸收程度不同。明显的电离层闪烁效应与季节、太阳活动、几何位置及无线电频率的观测有紧密的关联，多用幅度闪烁指数定量描述这类闪烁效应，用来表示电离层闪烁强度的影响，符号lt;·gt;是时间均值的表达，计算方法为^[1]

(2.2)