何涛
线圈耳机
北京邮电大学无线新技术研究所，北京 (100876)
E-mail ：buptnimo@gmail
摘 要：本文首先介绍了无线信道中主要的损耗和主要的信道模型。接下来，在理论分析的基础上，提出了一种卫星信道模型。模型按照卫星直视信号受遮挡的程度不同，将陆地卫星移动通信信道质量的变化描述为三个不同状态。同时考虑了卫星对接收机仰角不同、不同通信环境等因素对模型的影响。 关键词：信道模型，损耗模型，卫星移动通信
1．引言
公交车 诗洁移动卫星信道是一种时变信道，其特性是比较复杂、恶劣的，它带来的多径效应、Doppler 频移和阴影效应严重影响数字信号传输的可靠性，并且可用的频率带宽和功率受到限制[1]。因此对这样恶劣的信道的建模需要考虑不同的条件，相应不同条件下的信道模型会更加的适用。
由于卫星通信具有通信距离远、覆盖面积大、不受地理条件限制、通信频带宽、传输容量大、通信质量稳定可靠，且费用与通信距离无关，既可以为固定终端，又可为车载、船载和机载移动体以及个人终端提供各种通信业务等特点，所以卫星移动通信在未来的个人通信中将扮演重要的角。目前对于高轨道卫星（GEO ）来讲，由于卫星轨道高，路径损耗大，延迟时间长，要求地面站用户终端设备具有高增益、大口径的天线装置和大功率发射设备，显然不能满足全球个人移动通信终端设备体积小、重量轻、易于携带的要求。而低轨道（LEO ）卫星系统，由于轨道高度低、路径损耗小，能够达到系统所要求的EIRP 和G/T 值，卫星终端可以做到手机化，是实现全球个人移动通信的有效手段之一[2]。特别是将陆地蜂窝移动通信系统和低轨道移动卫星通信系统相结合作为相互补充可覆盖全球。使最终真正实现全球个人
通信成为可能[3]。
2．无线通信系统的信道模型
卫星通信系统服从无线通信系统的性质，多以首先介绍一下无线通信系统中的主要问题和对应的模型。
2.1信道损耗模型
在信道的传输中，人们用平均路径损耗来描述和测量发射机与接收机之间的平均衰落。根据理论和实验的传播模型，无论室内或者室外信道，平均接受信号功率随距离对数衰减，这种模型已经被广泛的接受。人们根据不同的地形地貌条件，归纳总结出了不同的电磁场传播模型[4]。
2.1.1自由空间模型
假定发射天线和接收台都处于自由空间中，我们所说的自由空间是指真空，或者在发射天线和接受台之间不存在任何可能影响电波传播的物体，电波是以直射线的方式到达移动台的。其路径损耗的公式：
f d Lp l
g 20lg 204.32++=
其中，是以dB为单位的路径损耗，d是以km为单位的移动台与之间的距离，f是以MHz为单位的移动工作频点或工作频段的频率。
Lp 空气的性质可以近似为真空，在发射天线和移动台距离地面都较高时，可以近似使用自由空间模型来估计路径损耗。
2.1.2布灵顿模型
布灵顿模型假设发射天线和接收台之间是理想的平面大地，而且两者之间的距离大于发射天线的高度或者移动台的高度，此时的路径损耗的计算公式为：
d ht hr
hr ht d Lp lg 20lg 20lg 40120−−+=
其中距离的单位是km，天线和移动台的高度单位是m，路径损耗的单位是dB
d Lp 一般把移动台的高度默认为1.5m，所以公式可以简化为：
ht d Lp lg 20lg 405.116−+=
按照自由空间模型计算，每增加一倍的传输路径，对应的损耗增加6dB，而对于布灵顿模型则要增加12dB。
2.1.3 Egli 模型
前面的两种模型都是理论推导的结果，而Egli模型是从大量的实测结果中归纳出来的中值预测公式，属于经验模型，其计算公式为：
wsrd
G f hr ht d Lp −+−−+=lg 20lg 20lg 20lg 4088
其中路径损耗的单位是dB，距离d 的单位是km，天线高度和移动台高度单位是m，工作频率的单位是MHz，地形修正因子G 的单位是dB。G 反映了地形因素对路径损耗的影响。Egli模型认为路径损耗和接受点的地形起伏程度ht hr h Δ有关，地形起伏越大，路径损耗也越大。当用m 来测量时，可按照下式近似的估计地形的影响。 h Δ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧>ΔΔ−>ΔΔ−<Δ≈MHz m h h MHz m h h m h G 28015)151(05.315015)151(43.2150
将移动台的典型高度设定为1.5m，那么模型公式可以简化为：
G f ht d Lp −+−+=lg 20lg 20lg 405.84
2.1.4 Hata-Okumura 模型
Hata-Okumura 模型也是根据实测数据建立的模型，当移动台的典型值设定为1.5m的时候，Hata-Okumura 模型下的损耗的计算公式为
市区：
d ht ht f Lp lg )lg 55.69.44(lg 82.13lg 2.2655.691−+−+=
开阔地：
94.40lg 33.18)(lg 78.4122−+−=f f Lp Lp
2.2 阴影衰落
在无线信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或者其他物体对电波的遮挡，所以接收到的信号是各种绕射、反射、散射波的合成。所以在距离距离相同的地方，由于阴影效应的影响，收到的信号功率可能相差很大。而这样的信号的功率的值只能用随机函数来描述。但是这样的因素对卫星通信的影响很小。
2.3建筑物的穿透损耗
建筑物的穿透损耗对于在室内或者在城市环境下的通信信道具有重要的意义。由于建筑物存在的屏蔽效应，室内的场强一定要比室外的场强弱，造成传输损耗。而这样的参数对于卫星通信具有重要的意义。
3．不同终端条件下的卫星通信系统模型
首先是无线通信系统中的信道模型所反映的问题在卫星移动通信系统中都有体现。在分析了卫星通信
的特点之后，认为影响卫星通信的主要因素是大路径损耗和在终端的阴影损耗和穿透损耗。在大路径损耗中，自由空间模型很显然适用。
而且，在卫星移动通信系统中，移动终端（如汽车卫星电话）不可避免的要经过城市、郊区、农村和开阔地等地形地物各不相同的物理环境，试图以一种单一的信道特性模型描述卫星移动通信信道是不现实的。所以要考虑不同的地理环境下的信道模型和各种环境之间的
切换的问题，才能建立比较完善的数学模型。同时，在任何环境下，信道参数总是和卫星对终端的仰角密切相关的，特别是工作在低仰角的中、低卫星通信系统更是如此。下面的模型正是基于这样的假设[5]。
3.1开阔地
在开阔地带，直视（LOS，line of sight）信号不受任何遮挡，总的接收信号是直视信号和散射分量以及高斯噪声之和，即：
)(t s )(t d )(t g )()()()(t g t d t s t r ++= 散射分量接收包络Ｄ呈瑞利分布，如下式：
2exp()()(22
2,d d Rayleigh D D D
D f σσ−= 其中，为平均散射功率，假设只是信号的包络恒定，散射成分和归一化的直视
信号之和呈莱斯分布，其概率密度函数为：
2d σ)(t s )2()]1(exp[)(02,2
多媒体教室录播KD I K KD D f D Rice D +−=
21
d K σ= Ｋ为归一化的直视分量和散射功率之比，称莱斯因子。为修正零阶贝塞尔函数。
2d σ()0I 3.2农村和公路树木阴影环境
在这类环境中，由于阴影效应（shadowing effects）的影响，直视信号收到一定程度的衰减。实验表明，直视信号的衰减引起接收信号的衰减，呈对数正态分布。 给定直视信号包络S，则总的接收信号的包络D 的概率密度函数为条件莱斯分布：
)(2exp()/(02
2,KDS I S D K KD S D f Rice D +−= 接收信号的包络的变幻可以描述为对数正态概率密度函数：
]2)log 20(exp[2686.8)(22log ,s m S sS S f normal S −−=π
m 和分别是的均值和方差，取决于信号包络变幻的程度。
2s ()S log 203.3城市环境
在城市环境中，移动终端和卫星间的直视信号通常被完全遮挡，接收机接收到的电磁波完全有散射分量构成。在我国，城市中常常是高楼林立，卫星信号总是受到很到程度的反射和遮挡，信号包络D 用瑞利分布是合适的。
)2exp()(2
Re ,D K D K D f yleigh D −= 尽管没有直视分量存在，这里仍然定义一个参量K ：
21
d K σ=
考虑到在城市中没有直视分量存在，建筑物等对多径成分的影响便比较突出。假设接收
到的平均散射功率呈对数正态分布。不难得到，参数2d σK 也就有类似的分布，其概率密度
函数为： 2))log(10(exp[2343.4)(22log ,s m K s K K f normal K −−=π 式中s 和m 分别是)log(10K 的均方根和均值。
这里指出，传统的信道模型中，大部分是以接收信号的电压包络作为变量来表征接收信
号的概率分布，而在计算信号衰减程度时候却使用的功率变化。另一方面，在进行系统链路设计和分析误码率等重要的系统参数时，更关心的还是信号的功率，基于以上考虑，本文提出的模型在描述信号的衰落与变化时，采用功率的概率密度函数。为此，作者进行了理论推导，这里给出上面的概率密度函数的功率形式，公式中以/
P 表示功率，以区别于概率P： （1）开阔地： )
2()]1(exp[)(/0//,P K I P K K P f Rice P +−= 2/11
d multipath P K σ== 表示平均多径散射功率。
/multipath
P （2）农村和有树木遮挡的区域 )
2()](exp[)/(/0//,Q P K I Q p K K Q P f Rice P +−=
]2))log(10(exp[2343.4)(22log ,s m Q Qs Q f normal Q −−=
π )]log(10[Q E m = （3）城市环境 ]
离心制丸机
))log(10[(222m Q E s −=)exp()/(//,P K K K P f Rsyleigh P −=
K 满足2))log(10(exp[2343.4)(22
log ,s m K s K K f normal K −−=π 的分布。
4．三态信道模型
前面分别讨论了不同的地理环境下信号的传输模型，然而一种更一般的情况是，车载终端在不同的环境中不停的切换。这样当移动终端的位置改变时，周围的环境特性变化很大，在不同的环境采用不同的模型，但问题的关键在于怎样描述终端在各类地形环境中的穿梭行使。
通常可以将用户终端运动的连续环境近似划分成环紧特性相对较稳定的N个小区与环境，在每个小区域环境里可以采用单一环境信道模型来描述其信道特点，这样用户终端在变化环境里的信道特点就可以采用有限状态（N信道状态）马尔可夫过程来描述。为使问题进一步简化，同时考虑到在变化环境里用户—卫星间LOS路径信号的状态典型的可概括为三种状态即无遮挡（状态1）、部分遮挡（状态2）硅片切割
、完全遮挡（状态3），因此可以将连续信道环境里的信道状态变化过程简化成三状态马尔可夫过程来描述。
定义状态概率列为：
][][221S S S S =显然：][]][[I E S =
这里为单位列向量，为单位矩阵
][E ][I 于是可以得到，三状态的功率密度函数分别是：
K
d K f K P f P f Lognormal K Rayleigh P stat
e p )()/()(,/0,/3,⋅=∫∞ dQ Q
f Q P f P f Lognormal Q Rice P state p )()/()(,/0,/2,⋅=∫∞
)
()(/
,/1,P f P f Rice P state p =
最后，总的接收信号的功率密度函数为
)()(/,31/P f S P f statei P i i ⋅=∑=接收信号的累积分布为：
/
0/00)()(dP P f P F P ∫=接收信号功率大于某门限
的概率为 in M P arg
)(1)()(arg arg arg in M P in M P F dP P f P P p in M −==>∫∞5．总结
在该模型中，除状态概率外，还有六个参数需要确定：状态1的莱斯因子K，状态的K 因子、的均值和均方根，状态中2)log(20S m s 3)log(10K 的均值均方根。这些参数，可以分成莱斯/瑞利因子，均值和均方根。在卫星的仰角比较小的条件下，这些参数可以在相应的资料中到。
m s 值得注意的是在这个模型中，状态概率对模型的计算结果影响很大，因而它们是需要精确确定的量。由于这些状态和具体的地理位置（比如国家不同，城市发展情况不平衡）有很大的关系，所以本文给出的模型还需要具体环境下的具体条件的支持。
本文在理论分析的基础上，按照卫星直视信号受遮挡的程度（即完全遮挡、部分遮挡、无遮挡）不同，建立了一种三状态卫星移动通信信道模型，并将其表示成功率的形式。此模型的物理意义更明确、更实用。
在模型中令、、中一个或两个为零，即可以计算出两种或一种（城市、树木阴影环境或开阔地）环境下的信号累积分布，也即可推导出其他信道模型，在这个意义上，它是一个比较普遍使用的模型。
1S 2S 3S
参考文献
[1] Gold Hirsh J, V ogel W J ．《Propagation Handbook for Land-Mobile-Satellite Systems 》．Maryiand ，1998．
[2] Branke Vucetic, Jun Du ．Channel Modeling and Simulation in Satellite Mobile Systems ．IEEE Journal on
Selected Areas in Communication ，1992．
[3] Loo C. A Statistical Mobile for a Land Mobile Satellite Link. IEEE Transactions on Vehicular Technology ，
1987．
[4] Dharma Prakash Agrawa, Qing-An Zeng ．《无线与移动系统导论》．高等教育出版社，2003
[5] 徐林娟，杨鸿文等．《无线通信》．人民邮电出版社，2007
Channel Model in Mobile Satellite Communications
HeTao
WTI ，Beijing University of Posts and Telecommunications ，Beijing
（100876）
Abstract
Firstly, the paper describes the major losses in wireless channel and the major channel models. Then, a new satellite channel model is proposed based on theoretical analysis, which considers such environments as urban, rural or open areas and their influence on satellite signals. The model treats the change of channel properties as three different states according to the extant to which the
line-of-sight signal is shadowed. Meanwhile, the influence elevation angle has on the model parameters is also discussed, so does the differences of varied environments, which makes the model more rational. Key words ： Channel model,Loss model,mobile satellite communication
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