面向6G的低轨卫星通信信道特性分析与建模文献综述

 2023-08-11 10:56:33

文献综述(或调研报告):

LEO卫星通信系统具有传输时延小、覆盖范围广、成本低等优点,已成为近年来最热门的研究领域之一。信道特性的知识对于卫星移动通信系统的开发和部署至关重要。信道模型用于系统性能评估和通信系统的设计,尤其是用于DS/SS系统中Rake接收机的设计。而且,无线电信道模型的特性取决于频带和周围环境而不同。因此,近年来有众多学者针对不同频带、环境下的卫星移动通信系统进行了测量与建模。

1) LEO信道测量及特性分析

一部分学者的测量选择将发射端置于建筑物的顶端[1]-[6],模拟卫星周围无散射体的环境,将接收端置于森林、乡村、郊区、城区等环境中,研究不同环境、不同频带中通信信道的特性。

Edgar Lemos Cid等学者在Ku波段和X波段进行了宽带信道测量活动[1],实验中发射端设置在在环境中较高位置(高建筑顶端),仅考虑由于终端周围环境引起的传播影响。该测量在四个不同的环境中进行:森林,乡村,郊区和城市,研究了无线电信道的时延扩展和相干带宽。测量结果显示,森林环境中,时延扩展均方根最小,不同距离变化不大;乡村环境中时延扩展均方值随距离变化而变化;郊区环境比城市环境的时延扩展均方根大。测量得到了时延扩展均方值的累计分布函数,树木繁茂的环境中延扩展均方值较小,因为此环境中检测到的多径分量较少;郊区环境中时延扩展均方值较大。因为发射机的仰角减小和周围建筑物产生的强烈信号障碍;城市环境的时延扩展均方值比郊区环境小。

德国航空航天研究机构(Deutsches Zentrum fuuml;r Luft- und Raumfahrt, DLR)与Inmarsat合作进行了一系列测量活动[5],以调查对卫星移动链路影响的影响。该实验包括L-, S-波段窄带和宽带传播测量以及卫星上行链路和下行链路的干扰测量。发射机位于飞机上,飞机以接收端为中心的圆运动,以获取所有仰角和方位角的数据库,或模拟真实中间圆轨道(Intermediate Circular Orbit, ICO)时间方位角和仰角的飞行路径;接收器部分内置在货车中,货车分别在乡村、城市、郊区和室内环境中运动。测量结果显示,固定用户功率电平由于两路径衰落而严重失真,衰落深度高达20 dB; 移动用户则不受双径效应的强烈影响。该实验还测量了不同环境下的平均功率谱,观察到微波炉的辐射范围在2.35-2.5 GHz之间,会引起强烈的干扰情况,功率峰值为10-20 dB,持续约100秒;在固定服务塔附近的区域,用户终端将受到比背景噪声高20 dB的强烈频谱峰值的影响。

文献[6]中的测量是在上海市区、郊区和开放环境三种典型信道环境下进行,测量波段为UHF-band。针对市区,分别在LOSNLOS两个观测点进行测量。发射机由LEO卫星模拟器等组成,安置在高的建筑物顶端。LEO卫星模拟器可以产生与LEO卫星相同的图样及多普勒特性的信号。测量得到了接收信号频谱,在城市环境中,接收到的信号有较大衰减,且NLOS观测点的衰减相对更大。在郊区和空旷环境中,接收到的信号只有些许的削弱。此外,城市环境中,相干带宽比信号带宽小,即这个信道是具有频率选择性的。该实验还测量了码片周期内的多路时延(multipath delay over the chip period)和子码片多路时延(sub-chip multipath delay),结果显示在城市环境中,码片周期内的多径时延约为2~3个码片。在郊区和空旷环境中,在码片周期内不存在强的多径;在城市环境中,子码片多径时延约为0.4-0.7个码片,在郊区和空旷环境中,在一个码片内不存在强的多径。

在真实的卫星通信测量实验中,学者们主要关注终端环境的不同对信道特性的影响[7]-[9],卫星快速移动带来的多普勒效应[10],[11],以及雨衰、大气湍流等气象因素[42]对信道的影响。

文献[7]的测量是在2002年冬天,德国慕尼黑进行。水平极化的测试信号由位于19.2ordm;E、仰角为34°的静地卫星(GEO)Astra发射,并通过增益为19 dBi的低增益10times;10 cm扁平天线接收。测量环境分别为乡村、郊区、城市,以及高速公路,其中用户终端移动速度最大为120 km/h。连接的时间份额(time share of connections, TSC)定义为给定时刻属于持续时间ge;Tc的连接的概率,对于城市和高速公路环境,可以看出,将链路预算增加超过2.5 dB只会导致TSC的微小改进。衰落的时间份额(time share of fades, TSF)定义为服务中断时间的等效统计,对于城市和高速公路环境,针对持续时间短的衰落,由于较高的预算而引起的改善是明显的,但仅仅通过增加链路预算不能有效地抵消较长的衰落。对于乡村环境,使用较大的链路预算,TSF的降低也更为明显。

Erich Lutz等学者测量并记录了位于26°W的MARECS(GEO)卫星与一辆巡游货车之间L波段的通信信道[8],接收端位于城市,郊区,乡村道路及高速等不同环境中。由于阴影和多径衰落,陆地移动终端接收信号功率强烈变化。传播路径中的障碍物(建筑物,桥梁,树木等)对卫星信号的遮蔽会导致整个信号带宽上的衰减,这种衰减随载波频率的增加而增加,即在L波段比在UHF处更明显。对于低仰角的卫星,阴影区域大于高仰角。文章分别测量记录了城市和高速环境中的接收信号功率。城市环境中,接收信号表现为高频衰减过程叠加在低频阴影过程上,该过程可以区分“好”和“很坏”的信道周期,其平均电平差约为15 dB。对于高速公路环境,在大多数情况下,占主导地位的仅是多径衰落引起的小尺度衰落,明显的阴影是由高架桥引起的。

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