基于射线追踪法的卫星通信MIMO信道特性研究

摘 要:卫星信道的研究一直是卫星通信系统的难点,传统上的研究方法都有很明显的缺陷。将来,卫星移动通信系统会使用MIMO分集技术,这更增加了卫星通信系统研究的难度。而近年来,随着射线追踪法的发展,运用射线追踪法研究卫星通信信道成为现实,具有很多优势。运用射线追踪法,建立了城市环境下卫星移动通信MIMO信道的射线追踪模型,对其空间分集和极化分集性能进行了模型仿真性研究。结果表明,MIMO信道的射线追踪技术能有效提高信道容量。

关键词: 卫星通信; 多输入多输出; 射线追踪; 模型仿真

中图分类号:TP9115 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)13-0076-03

Characteristics of Satellite Communication MIMO Channel Model Based on Ray-tracing

LI Yun-long, GAO Xiao-feng

(Modern Education Technology and Information Center, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

Abstract:It is difficult to research the channel of satellite communication, and the traditional method has obvious defects. In the future, the MIMO diversity technology will be used in satellite communication system, what will add the difficulty of the research on satellite communication system. Recently, the research on satellite communication channel by using the ray-tracing with its development is realized. The satellite communication MIMO channel model based on ray-tracing techniques in urban environments was setup, the performances of spatial diversity and polarization diversity were simulated and analyzed. The results show that satellite communication MIMO channel model based on ray-tracing technique can improve the channel capacity efficiently.

Keywords:satellite communication; MIMO; ray-tracing; model simulation

0 引 言

卫星通信系统的可靠性很大程度上取决于电波传播因素,卫星至移动终端的通信链路工作在较窄的信号范围内,地形和树木的遮蔽衰减以及由反射信号引起的多径衰落都会大大降低通信质量,甚至造成通信中断。因此,不管是在军用还是在民用环境下,卫星通信信道[1]的建模是一个必须研究和解决的首要问题。

由于地面移动终端所处的环境复杂且不断变化,使星地之间信道特性研究难度较大,国内外主要研究途径有三个方面[2]:建立数学模型的理论分析;信道特性的仿真研究;进行实测,以供设计系统时参考。前两种方法着重于理论上的研究,而第三种方法必须要利用卫星或飞机进行实测,费时费力,特别是在预研阶段的前期研究中,由于条件的限制,在国内进行星载或机载试验,在技术和经费上都有问题,随时随地对实际卫星移动通信信道[3]进行测试常常不可能实现。所以,如果能够根据卫星信道的特性,建立一个能够很好反映卫星移动通信信道传播特性的模型[4],将是一个较好的解决办法,具有重要的实际意义,而射线追踪法[5]的出现,为这一问题提供了较好的解决办法。

1 射线追踪法简介

射线追踪技术在20世纪90年代以来被广泛地研究,其算法是基于几何光学理论,是光学的射线技术在电磁计算领域中的应用,能够准确地考虑到电磁波的各种传播途径,包括直射、反射、绕射、透射等,能够考虑到影响电波传播的各种因素。

在射线追踪法中,电磁波可被简化为射线,从而使用光的理论比如反射定律、折射定律、光程定律等研究电磁传播特性。同时,对于障碍物的绕射,通过引入绕射射线来补充几何光学(GO)理论,即GTD[6](Geometric Theory of Diffraction,几何绕射理论)和UTD[7](Uniform Theory of Diffraction,一致性绕射理论)。

射线追踪法的基本思想是:把从源点辐射出的电磁波分解为一条条射线,能量在各自独立的射线管内传播,对每一条射线的传播进行追踪,直到射线到达目标点或射线能量低于需要考虑的限度。在这个过程中计算出射线能量,求得所有到达接收点的射线,然后采用向量迭加的方法得出辐射源的影响。射线追踪法所需要的地理信息通常为两大类:所在地的几何描述;所在地的形态描述,即所在地的材料特性。单个建筑物室外所在地模型包括6个多面体面,其中4个多面体面为墙,1个面为屋顶,1个面为地面。

2 卫星通信MIMO信道特性与建模

在城市环境中,卫星信道具有多径效应,卫星通信多径链路如图1所示。由于收发终端设备间的距离很远,另外散射体也和卫星很远,所以使用的接收天线的增益高,传播路径的相关性低,同时到达地面散射体的电波为平面波,到达地面终端的电波多集中于有限的角度范围内,主要由二维正交极化成分组成。

图1 卫星通信多径链路示意图

卫星MIMO通信系统采用了分集技术,即多个卫星和一个多天线或者多极化的接收终端通信,分集技术的应用可以为整个系统提供额外的增益,提高系统性能。对于卫星,可以通过放置于大距离分隔开的轨道位置用以提供空间分集,虽然这样放置卫星对阴影效应提供的增益可以忽略,但是它提供了空间分集增益与小尺度衰落增益[8]。

本文研究的是陆地双星通信,引入MIMO抗多径技术,研究两个相邻同轨道卫星在城市环境下,分别对使用不同分集方式的天线进行通信的情况。运用射线追踪法建立可信、适用和完整的信道模型,并进行性能仿真,分析了潜在的卫星信道容量增益。

模型中天线的极化方式为圆极化,当信号在导体表面反射时,圆极化方向会反向。在散射环境中,能量在多径传播机制中传播,合成的正交极化成分中有用的功率,因此,模型反映了组合信道和天线的系统,而不是纯粹的信道描写。

这里通过仿真研究了S波段双星MIMO信道,模拟了两个临近的低轨卫星(各使用一个右旋极化天线)与地面使用空间分集和极化分集方式的两种天线接收系统进行通信的情况。仿真场景如图2所示,在城市较远处(12 km)上空,设着两个发射机,仿效两个右极化的通信卫星(仰角30°),发射机间相距10个波长。接收机放置于城市环境中,如图2中曲线所示。对于空间分集,沿接收路径成对放置396对接收机,一对接收机间相距4波长,组成MIMO接收系统,接收天线均是右旋极化方式;对于极化分集,沿接收机路径同一位置上放置396对接收机,一对接收机中的两个天线分别使用右旋和左旋不同的极化方式。仿真模型参数设置中,设置建筑物高度为15~100 m,接收天线高度为1.7 m,载波频率为2.45 GHz,带宽为200 MHz,天线间不考虑的干扰,完全隔离,其余相关参数采用的是典型的实际天线参数,仿真采用Full 3D模式。

图2 城区环境仿真场景图

3 数据处理

对于发射机的每个发射天线都具有相同平均发射功率的慢衰落MIMO系统,考虑信号为窄带的、点到点的、接收机精确信道估计的、无回馈的信号,那么MIMO信号模型为:

r = H•s + n

式中: r 为M×1的接收信号向量; s 为N×1发射信号向量; n 为M×1独立同分布加性复白高斯噪声向量,每个分量的方差是σ2; H 为M×N信道矩阵,其中第i行、第j列矩阵元素表示为hij,N和M分别是发射和接收天线数目,则MIMO容量为[9]:

C=log2det I M+ρN HH H (1)

式中: I M表示单位M阶矩阵,H H表示矩阵 H 的共轭转置;det表示对方阵求行列式值;ρ为接收机每根接收天线分支上的平均信噪比(SNR);C表示系统容量。这样就可以从射线追踪法得到的参数来构造信道矩阵 H,然后按照式(1)得出系统容量C。发射和接收天线对之间的信道冲激响应可以表示为所有被接收天线接收的射线向量:

g ij(t)=∑Mk=0Pk•eiθk•δ(t-τk) (2)

式中:Pk,θk和τk分别为接收功率、位相角和第k根射线的相对时延;M为被接收的射线的数目;δ(t)为δ函数。因此窄带的系统频率响应为:

hij=∑Mk=0Pk•eiθk•e-i2πf0τk (3)

利用式(3),构建信道矩阵 H,Pk,θk和τk等参数可以利用射线追踪法得到。这样所有的N×M个hij就都是复数。

另外,通常对接收信号的概率密度函数做数学上的近似,进而采用统计模型来分析和研究卫星移动通信信道传播特性,这是因为概率分布模型通过利用概率分布函数来建立对传播过程的理解,对实际情况作了简化假设,其分析过程比较简单,物理意义比较明确,仿真实现比较简单,因此,在对卫星移动通信信道[10]传播特性的研究中,通常采用概率分布的统计模型来对卫星移动通信信道进行建模。

这里,如果沿接收路径放置若干个接收天线,另外考虑到现实的衰减和典型的信道编码噪声,选取适当的噪声参数,在此基础上就可以计算得到每个信道样本的容量C,进而得到累积分布函数(CDF)。

4 仿真结果分析

对于图2中各接收机,分别提取出每个天线接收功率、到达角、时延等参数,另外考虑到现实的衰减和典型的信道编码噪声(这里取接收机平均信噪比为15 dB),在此基础上计算得到了每个信道样本的容量C,进而得到累积分布函数(CDF)。

在计算接收功率时,由于模型中发射机到卫星还有一定的距离,为了使结果准确,考虑使用了相对于自由空间损耗的接收功率。得出的信道功率的累积分布函数如图3所示,实线为空间分集,虚线为极化分集。图中展示了标准窄带陆地卫星移动信道特性,对于极化分集系统,接收功率为自由空间衰减35 dB以下时达到1%的信道衰减,而对于所建的空间分集系统,接收功率大约为自由空间衰减33 dB以下时达到1%的信道衰减。

图3 相对于自由空间损耗的功率分布

最后,对此MIMO信道的数据进行了研究,分析了相对于SISO系统潜在的容量改进,如图4所示,粗实线为SISO信道容量积累分布,虚线为空间分集信道容量积累分布,细实线为极化分集信道容量积累分布。结果显示,相对于SISO系统,50%的信道大于2.4 b/cycle,而对于分集系统,这个值为3.8 b/cycle。如果考虑指标为10%,那么对于SISO系统信道容量为0.9 b/cycle,空间分集系统为3 b/cycle,极化分集系统为3.3 b/cycle。说明使用MIMO技术对于SISO系统有很明显的改进。

图4 信道容量累积分布图

5 结 语

研究了卫星移动通信的信道特性和建模方法,建立了基于射线追踪法的卫星MIMO信道模型,分析了其相对于自由空间损耗的衰落特性,分别对其空间分集和极化分集性能进行了研究,计算了其信道容量积累分布,并与单卫星SISO系统进行了性能比较,结果表明基于射线追踪法的卫星MIMO信道模型能有效提高信道容量,相对于SISO系统有很明显的改进。卫星信道建模一直是卫星通信系统的难点,本文的工作为解决这一问题进行了有益的探索。

参考文献

[1]李锐.对卫星通信及卫星信道的论述[J].中国新技术新产品,2009(13):14-16.

[2]CYAN D, DIPPOLD M, FINKENZELLER J. Models for the land mobile satellite channel[J]. Archiv. Elec. Ubertr., 1988, 42: 329-339.

[3]朱析,李庆,朱立东,等.基于信道特性的低轨卫星切换性能研究[J].空间电子技术,2009,6(2):8-12.

[4]刘明富.无线通信系统中的信道模型及信道检测[J].科技资讯,2009(3):29-31.

[5]BROWN P G, CONSTANTINOU C C. Investigations on the prediction of radio wave propagation in urban microcell environments using ray-tracing methods[J]. IEEE Proceedings: Microwaves, Antennas and Propagation, 1996, 143(1): 36-42.

[6]CHAMBERLIN A, LUEBBERS R. An evaluation of longley-rice and GTD propagation models[J]. IEEE Trans. on Antennas, 1982, 30(6): 1093-1098.

[7]ANDERSEN J B, WIART J. EURO-COST231 TD(96)-003 UTD transition region diffraction[C]. Belfort: [ s.n.] , 1996.

[8]EVANS J V. Satellite systems for personal communications[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 1997, 39(3): 7-20.

[9]吕剑刚,吕英华,张洪欣,等.射线跟踪法对室内MIMO信道容量分析[J].无线电工程,2005,35(8):11-13.

[10]熊明玥.MIMO-OFDM系统中的信道估计算法[J].中国新通信,2009(5):46-49.

推荐访问:卫星通信 信道 射线 追踪 特性