空中轉(zhuǎn)信平臺下地空信道的傳輸特性

付小彬，鄭寶輝

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空中轉(zhuǎn)信平臺下地空信道的傳輸特性

付小彬，鄭寶輝

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

衛(wèi)星通信解決了全球廣域的通信問題，但不易部署，星上資源有限，使用飛行器搭載衛(wèi)星通信載荷，在距地不超過10 km處構(gòu)造空中轉(zhuǎn)信平臺與地面節(jié)點實現(xiàn)互通，從而彌補了傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的不足。針對轉(zhuǎn)信平臺與地面通信時電波傳輸損耗進(jìn)行分析，提出了轉(zhuǎn)信平臺下的Ku/Ka波段寬帶信道模型，理論分析和仿真結(jié)果均表明，該信道的衰落十分明顯，對信息傳輸性能造成不可忽略的影響。尤其在低仰角傳輸時，多徑效應(yīng)使得萊斯因子較小，應(yīng)用OFDM技術(shù)可以對抗多徑衰落，實現(xiàn)轉(zhuǎn)信平臺與地面節(jié)點之間的寬帶通信。

空中轉(zhuǎn)信平臺；信道模型；多徑效應(yīng)

1 引言

空中轉(zhuǎn)信平臺是利用升空飛行器搭載通信載荷，通過空中中繼或交換，從而實現(xiàn)多個地面站之間信息交換的一種通信方式。其實質(zhì)是采取升高通信載荷的方法，變超視距通信為視距通信。空中轉(zhuǎn)信平臺具有寬傳輸帶寬、易于組網(wǎng)和機動靈活等特點[1]。轉(zhuǎn)信平臺的升空高度不超過10 km，要實現(xiàn)較大的通信覆蓋半徑，會存在低仰角通信，使得接收信號幅度以及功率在很短的時間內(nèi)發(fā)生快速變化，對傳輸性能產(chǎn)生較大的影響。本文通過分析不同仰角下地空信號的衰落類型[2]，在地面信道和航空信道模型的基礎(chǔ)上對Ku/Ka轉(zhuǎn)信平臺信道進(jìn)行建模，仿真其傳輸特性并采用OFDM技術(shù)進(jìn)行傳輸性能的改善。

2 無線信道衰落模型

無線信道衰落類型主要有大尺度衰落和小尺度衰落[3]。轉(zhuǎn)信平臺下的大尺度衰落主要包括非常慢的自由空間損耗和比較慢的陰影衰落，小尺度衰落主要考慮低仰角時的多徑效應(yīng)引起的時延擴展和多普勒頻移。

2.1 大尺度衰落

轉(zhuǎn)信平臺存在時變的自由空間傳播損耗，按式（1）計算：

其中，d是傳播距離（km），fc是載波頻率（GHz）。自由空間損耗與仰角大小成反比關(guān)系，平臺處于10 km高度時，不同仰角下自由空間損耗的變換情況如圖1所示。

由于電波遇到遮擋傳播路徑的障礙物時，障礙物后面就會形成電波的陰影，在陰影區(qū)內(nèi)接收信號強度會發(fā)生變化，產(chǎn)生陰影衰落[4]。在陰影衰落中，路徑損耗的統(tǒng)計特性通常符合對數(shù)正態(tài)分布：

表1 不同環(huán)境下的路徑損耗指數(shù)

圖2 對數(shù)正態(tài)陰影路徑損耗模型

2.2 小尺度衰落

對自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，得到衰落信道的頻域模型，功率譜密度可表示為：

根據(jù)實測，時延功率譜密度一般服從單邊指數(shù)分布，即：

其中，T是常數(shù)，表示多徑時延的平均值。

地面站采用定向天線時，地面站和飛行器所接收信號的到達(dá)方向均可認(rèn)為限制在一定角度內(nèi)，只是角度擴展范圍的不同導(dǎo)致多普勒功率譜變化范圍有所不同，當(dāng)?shù)孛嬲緩浬⒎至坑梢淮睾苷牟ㄊM成，且來波均勻，則彌散徑的多普勒功率譜僅為U型譜中的一部分：

當(dāng)信號的相干時間大于碼元持續(xù)時間時，信道為快衰落信道；反之，則為慢衰落信道。

3 轉(zhuǎn)信平臺信道模型和仿真分析

轉(zhuǎn)信平臺多徑信道模型可以用一個時變復(fù)低通等效沖激響應(yīng)表示：

其中，LOS是直射徑的多普勒頻移，是信道抽樣間隔，是服從萊斯分布的隨機變量。所有其他的非直射分量為：

當(dāng)萊斯因子較大時，多徑分量較少，信號趨于高斯分布；萊斯因子較小時，多徑分量較多，信號趨于瑞利分布[7,8]。

轉(zhuǎn)信平臺在Ku/Ka頻段工作，地面站采用0.5 m定向天線時，主瓣寬度BW0.5≈2.8°/1.1°，第一旁瓣電平FSLL=-13.5 dB[9]。地面天線定向性較好時，由于主瓣寬度和旁瓣電平較小，轉(zhuǎn)信平臺信道可認(rèn)為由一條LOS徑和一簇經(jīng)反射、散射以及時延的復(fù)合徑組成[10]，根據(jù)多徑時延可以建立平坦衰落信道和頻率選擇性衰落信道。

測控信道通常采用窄帶通信系統(tǒng)，目前對于空中轉(zhuǎn)信平臺的寬帶通信系統(tǒng)應(yīng)用較少，缺乏實測數(shù)據(jù)建立信道模型，本文結(jié)合地面寬帶系統(tǒng)和航空窄帶系統(tǒng)的信道模型和實測數(shù)據(jù)，進(jìn)行信道建模，為轉(zhuǎn)信平臺下傳輸體制的選擇提供信道模型。（說明：結(jié)合參考文獻(xiàn)，推導(dǎo)轉(zhuǎn)信平臺公式和信道模型，進(jìn)行仿真。）

3.1 高仰角信道

二階附加時延為：

計算均方時延擴展為：

如果定義相干帶寬0為一個頻率間隔，在該間隔內(nèi)信道的復(fù)頻率傳遞函數(shù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.5時，有：

圖3 平坦慢衰落信道模型

3.2 低仰角信道

低仰角下，地面站接收的散射和反射分量較多，萊斯因子較小，根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]中測試數(shù)據(jù)，將定義為：

低仰角下轉(zhuǎn)信平臺信道仿真模型采用抽頭時延線來模擬，由于接收信號是一些隨機向量的疊加，每個振幅將呈現(xiàn)出萊斯或瑞利分布，特別是轉(zhuǎn)信平臺覆蓋下，通常存在一個萊斯分布的路徑，因此可以建立基本的頻率選擇性衰落模型。萊斯瑞利頻率選擇性衰落信道模型的可分辨徑分別由萊斯過程和瑞利過程來模擬，如圖4所示。

圖4 萊斯—瑞利頻率選擇性衰落信道仿真模型

3.3 OFDM仿真分析

OFDM具有頻帶利用率高、抗多徑能力良好、帶寬擴展性強、頻譜資源分配靈活等特點，能很好地克服低仰角下轉(zhuǎn)信平臺的多徑效應(yīng)，在文中建立的轉(zhuǎn)信平臺信道模型中進(jìn)行OFDM傳輸仿真，分析傳輸性能，為轉(zhuǎn)信平臺下OFDM傳輸系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

如圖5所示，低仰角通信時，采用參數(shù)為128個載波、QPSK調(diào)制、載波頻率為13.75 GHz和200 MHz帶寬的OFDM在頻率選擇性衰落信道下進(jìn)行仿真，QPSK在誤碼率為10?4時信噪比與高斯信道下相差13 dB，OFDM技術(shù)在多徑信道下傳輸，可以減少多徑效應(yīng)的影響。

頻率選擇性衰落信道下的OFDM傳輸誤碼率曲線如圖6所示。由圖6可知，在低仰角狀態(tài)下，轉(zhuǎn)信平臺的速度對OFDM傳輸性能影響較大，速度較大引起的多普勒頻移會引起相鄰載波干擾，影響OFDM的正交性，使誤碼率下降，橫向比較載波數(shù)=128和=256可知：在低仰角時低速飛行，當(dāng)速度較大時可以用較少載波來對抗多普勒頻移，提高誤碼性能。

3.4 結(jié)論與分析

結(jié)合航空窄帶信道和地面寬帶系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，對轉(zhuǎn)信平臺傳輸信道進(jìn)行建模，分析信道的時延功率譜和多普勒功率譜，當(dāng)?shù)孛嫣炀€仰角較大（大于15°）時，地空信道為準(zhǔn)高斯信道，此時可以選擇高階調(diào)制解調(diào)，實現(xiàn)信息的高速穩(wěn)定傳輸；仰角較?。ㄐ∮?0°）時，地空信道為頻率選擇性信道，采用OFDM技術(shù)進(jìn)行信息傳輸，實現(xiàn)多徑信道下的高速數(shù)傳[12]；仰角在10°~15°時，通過萊斯因子的大小表征信道質(zhì)量的好壞程度，值一般大于20 dB。

圖5 QPSK在不同信道下的誤碼率曲線

圖6 頻率選擇性衰落信道下的OFDM傳輸誤碼率曲線

4 結(jié)束語

本文提出了Ku/Ka頻段下轉(zhuǎn)信平臺信道傳輸體系，由于寬帶高空通信數(shù)據(jù)較少，結(jié)合窄帶航空信道和地面寬帶系統(tǒng)，建立了轉(zhuǎn)信平臺下的信道模型，模型中的參數(shù)可以調(diào)節(jié)，為不同的仰角下信號的傳輸體制選擇提供仿真模型。高仰角下，轉(zhuǎn)信平臺傳輸信道為理想模型，可利用高階調(diào)制實現(xiàn)高速數(shù)傳；低仰角下，OFDM技術(shù)將一個高碼元速率的信息序列分割為個碼元組，使每個碼元組的碼元速率降低，當(dāng)其小于信道相干帶寬時，多徑帶來的影響較小，為轉(zhuǎn)信平臺傳輸體制的設(shè)置提供參考。

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Transmission characteristics of air-ground channel in aerial communication platform

FU Xiaobin, ZHENG Baohui

The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050081, China

Satellite communication can solve the problem of global communication, at the same time, it follows the problems of difficult deploy and limited satellite resources. Aerial communication platform is consisted of aircraft with payload communication and not more than 10 km from ground. The platform communicating with ground nodes can solve the weakness of traditional satellite communication. The loss of air-to-ground channel was analyzed to model the air-to-ground wideband channel in Ku and Ka band. The consequence of theory and simulation demonstrates that the fading of the model has serious influence on transmission performance. In low elevation transmission, the value of-factor is small because of multipath reception. Simulation results show that orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) can be a good candidate for wideband communications to transmit payload data from aerial platform to ground station.

aerial communication platform, channel model, multipath effect

TN911

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018023

2017?09?07；

2017?12?10

付小彬（1991?），男，中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所工程師，主要研究方向為信號與信息處理。

鄭寶輝（1964?），男，博士，中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所研究員，主要研究方向為衛(wèi)星通信系統(tǒng)。