CN105281855B - 一种基于曲边梯形的对流层散射通信随机信道建模方法 - Google Patents
一种基于曲边梯形的对流层散射通信随机信道建模方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于曲边梯形对流层散射随机的信道建模方法，其特征在于，包括如下步骤：将对流层建模为多条平行可微的曲线，从而构建以曲边梯形为几何结构的信道参考模型；计算信道的空域链路总长度；量化波束散射时的能量损耗；得出基于曲边梯形对流层散射随机信道的信道冲激响应；本发明在不增加成本的前提下，对对流层散射通信中，电磁波束与散射体碰撞时，散射体对电磁波束的吸收和散射产生的能量损耗进行了量化，得出了基于曲边梯形对流层散射随机信道的信道冲激响应的闭式解，使信道衰减模型更加完备准确，本发明可广泛应用于电力通讯系统中。
Description
技术领域
本发明涉及对流层散射信道建模方法，具体涉及一种基于曲边梯形的对流层散射通信随机信道建模方法。
背景技术
对流层里集中了大气质量的3/4和几乎全部水汽，又有强烈的垂直运动，主要的天气现象和过程都发生在这一层，受气象参数影响极为密切，这决定了利用电磁波的对流层散射传播建立的对流层散射通信信道是一种多径、衰落典型的变参信道。散射信道是一种复杂的变参信道，这一特性使得散射通信链路架设前期的传播可靠度预测显得尤为重要，而散射通信传播可靠度的预测相比微波、卫星等也要复杂得多。由于散射通信与气象条件、地形和地貌等密切相关，其传输损耗不仅是通信距离和工作频率等因素的函数，更是散射体高度、散射角、地区和季节等许多因素的函数。
在对流层散射通信中，电磁波束的损耗不仅来源于传输距离，信号频率，散射角度等传播路径中的因素。当电磁波射入某散射体时，其出射时的能量也决定于入射角度与出射角度的关系和散射体的电介质参数。目前使用范围最广的湍流非相干散射理论提出，对流层散射使原来朝一个方向传播的电波在其他方向上也有能量传播，而分散的角度越大，能量就越小。
目前工程上常用ITU-R617和NBS-101两种方法对散射通信链路传输损耗进行预计，继而指导散射站型设计。在ITU-R617和NBS-101中均采用等效地球的信道空域分析方法。等效地球的方法指出，在近地表面大气中，可认为大气折射指数随高度均匀变化，在这种情况下，电波射线曲率为固定常数。在等效地球之上，除电波射线变为直线外，天线仰角、端点高度和地面距离等都不变。两者的区别在于，ITU-R617中所采用的气候参数更为精确，计算方便；而NBS-101对信号频域的衰减给出了更为完备的计算公式，但计算十分繁琐。
由于对流层多变的气候特性，同时也为了便于分析，本发明将湍流非相干散射理论与几何随机分布理论相结合，将对流层建模为多条平行可微的曲线，从而构建以曲边梯形为几何结构的信道模型，并根据电磁波经过散射体时，入射角度与出射角度的关系与散射体的电介质参数结合，将电磁波经过散射体后的能量损耗量化，从而得到一种基于曲边梯形的对流层散射通信随机信道建模方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于曲边梯形的对流层散射随机信道建模方法。本方法是针对对流层散射通信中，电磁波束与散射体碰撞时产生的能量损耗，将湍流非相干散射理论与几何随机分布理论相结合，从而得到的一种对流层散射随机信道建模方法。
本发明的技术方案是：
一种基于曲边梯形的对流层散射通信随机信道建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将对流层建模为多条平行可微的曲线，从而构建以曲边梯形为几何结构的信道参考模型；
步骤2，计算信道的空域链路总长度；Dpq为链路的总长度，其表达式为：
其中:
为发射端到达散射体的距离；
为散射体到接收端的距离；
p表示电磁波束经过散射次数，q表示由远及近的路径；
P描述电磁波束从发射端到接收端所经历的最大散射次数；
dpq为电磁波束在散射体间传播的距离，其满足如下表达式：
其中：
为发射端发射波束与水平线的夹角；
代表经过p次散射的第(q+1)条路径的发射波束与水平线的夹角；
代表经过p次散射的第(q+1)条路径的发射端到达散射体的距离；
代表经过p次散射的第(q+1)条路径的散射体到接收端的距离；
步骤3，量化波束散射时的能量损耗：
为散射介质对电磁波束的衰减系数，其满足如下表达式：
其中：
γ为散射介质常数，表征了散射体对电磁波的吸收能力；
p表示电磁波束经过散射次数，q表示由远及近的路径；
αpq为散射波束与镜面反射波束的夹角，其满足如下表达式：
其中：
为经过p次散射的第q条路径的接收端接收波束与水平线的夹角；
为经过p次散射的第q条路径的发射端发射波束与水平线的夹角；
为经过p次散射的第(q+1)条路径的发射端发射波束与水平线的夹角；
f(x)为散射体所在曲边的解析方程；
Ψ为f(x)在散射点x0处的切线与水平线的夹角，满足：
步骤4，得出基于曲边梯形对流层散射随机信道的信道冲激响应h(t)；信道响应h(t)：
h(t)≈hNLOS(t)，
其中：
表示由近及远，电磁波束所走的路径总数；
其中：
Epq为非视距链路增益；
npq表示经过p次散射的第q条路径上的第n个散射体；
Npq表示经过p次散射的第q条路径上的散射体的总数；
ηpq为链路损耗中值，其计算方法可参考ITU-R617的建议；
θpq为散射后叠加上的随机相位，其服从[0,2π)的均匀分布；
k0为自由空间波数，有λ0为发射波束的波长。
本发明所述的一种基于曲边梯形的对流层散射通信随机信道建模方法的有益效果是：本发明在不增加成本的前提下，将对流层建模为多条平行可微的曲线，从而构建以曲边梯形为几何结构的信道参考模型；并对对流层散射通信中，电磁波束与散射体碰撞时，散射体对电磁波束的吸收和散射产生的能量损耗进行了量化，得出了基于曲边梯形对流层散射随机信道的信道冲激响应的闭式解，使信道衰减模型更加完备准确，本发明可广泛应用于电力通讯系统中。
附图说明
图1是基于曲边梯形的对流层散射随机信道建模方法的流程图。
图2是电力通信中静态站点通信示意图。
图3是散射体散射波束模型图。
图4是对流层散射通信几何学曲边梯形散射模型。
具体实施方式
以下，描述本发明的具体实施方式。
参见图1，一种基于曲边梯形的对流层散射通信随机信道建模方法，包括如下步骤：
步骤1，将对流层建模为多条平行可微的曲线，从而构建以曲边梯形为几何结构的信道参考模型；可微的曲线是指一条曲线能被分割为无数的小片段，这些小片段互相连接没有断点；
参见图2，两个静止的电力通信站点，地面距离为L(L>＝30km)，且处在不同海拔高度的两点处。两个站点由于距离较远故接受信号中既有视距分量，也有非视距分量。其中视距分量在站点距离较远的情况下将受到较大损耗，而变得十分微弱；而非视距分量的主要来源就是通过对流层散射而得到的信号。由于对流层中各点气压不同，产生了湍流现象，导致对流层各点到地面的距离均不相等；同时为了便于分析，在信道模型构建时，将对流层视作多条互相平行的可微曲线，各散射集群就随机的分布在这些曲线之间。每个散射集群又包括多个散射体，电磁波束就通过各散射体的散射从而将波束传向接收站点。
参见图4，假定与某个路径长度关联的所有局部散射体 位于同一条曲边上，其中位于同一个散射集群。两个电力通信站位于曲边梯形的两个顶点处。通信站A是发射端，通信站B为接收端；发射端与接收端是均只有一根天线。经散射体散射后的入射波与散射波的夹角为β，散射波与镜面反射波的夹角为α。发射端A发射波束与水平线夹角为αT，接收端B接收波束与水平线夹角为αR。设散射体所在曲边的函数表达式为f(x),且曲线可微，以此建立信道参考模型；例如可以将对流层建模为一椭圆此时f(x)满足其中a为椭圆的长半轴长，b为椭圆的短半轴长。
步骤2，计算信道的空域链路总长度；Dpq为链路的总长度，其表达式为：
其中：
为发射端到达散射体的距离；
为散射体到接收端的距离；
p表示电磁波束经过散射次数，q表示由远及近的路径；
P描述电磁波束从发射端到接收端所经历的最大散射次数；
dpq为电磁波束在散射体间传播的距离，其满足如下表达式：
其中：
为发射端发射波束与水平线的夹角；
代表经过p次散射的第(q+1)条路径的发射波束与水平线的夹角；
代表经过p次散射的第(q+1)条路径的发射端到达散射体的距离；
代表经过p次散射的第(q+1)条路径的散射体到接收端的距离；
步骤3，量化电磁波束散射时的能量损耗：
波束在通过散射体散射时的模型如图3所示，从图中可见，散射出的波束将射向四面八方。散射波束的相位服从均匀分布，其能量随着散射角的增大而减小。在产生镜面反射的角度上的散射波束的能量最大，在其它角度上波束能量随散射角度与反射角夹角的增大呈指数衰减。同时能量衰减的程度还与散射体对电磁波的吸收能力有关。
通过以上的介绍分析可知，在对流层散射信道中信号的损耗来源于两个方面，一方面来源于信号在传输过程中链路中的损耗，另一方面来源于波束在经过多个散射体散射过程中消耗的能量。而信号相位的变化也来源于两个方面，一方面是由信号波长和链路长度决定的相移，另一方面来源于波束在经过散射后所附加上的随机相移。
为散射介质对电磁波束的衰减系数，其满足如下表达式：
其中：
γ为散射介质常数，表征了散射体对电磁波的吸收能力；
P描述电磁波束从发射端到接收端所经历的最大散射次数；q表示由远及近的路径；
αpq为散射波束与镜面反射波束的夹角，αpq满足如下表达式
其中
考虑到可能存在的四种情况，即
由此得到αpq的表达式如下
其中：
为经过p次散射的第q条路径的接收端接收波束与水平线的夹角；
为经过p次散射的第q条路径的发射端发射波束与水平线的夹角；
为经过p次散射的第(q+1)条路径的发射端发射波束与水平线的夹角；
f(x)为散射体所在曲边的解析方程；
Ψ为f(x)在散射点x0处的切线与水平线的夹角，满足：
步骤4，得出基于曲边梯形对流层散射随机信道的信道冲激响应h(t)；信道响应h(t)：
h(t)＝hLOS(t)+hNLOS(t)
其中，hLOS(t)为信道冲激响应CIR的视距分量，但由于视距分量十分微弱，在此处为分析简便，忽略不计，所以有
h(t)≈hNLOS(t)
非视距的信道冲激响应CIR分量可表示为
P描述电磁波束从发射端到接收端所经历的最大散射次数；
表示由近及远，传输波所走的路径总数；
例如，根据由近及远的原则：h13(t)代表电磁波经历1跳，且其路径表示第3条一跳路径，即A→S(3)→B
散射分量可表示为
其中：
Epq为非视距链路增益；
npq表示经过p次散射的第q条路径上的第n个散射体；
Npq表示经过p次散射的第q条路径上的散射体的总数；
ηpq为链路损耗中值；其计算方法可参考ITU-R617的建议；
θpq为散射后叠加上的随机相位，其服从[0,2π)的均匀分布；
k0为自由空间波数，有λ0为发射波束的波长。
根据中心极限定理，分析可知hpq(t)是均值为0，方差为1的复高斯过程，因此其包络|hpq(t)|为瑞利分布。
步骤5，结束。
如上所述，本发明提出一种基于曲边梯形的对流层散射随机信道建模方法，针对对流层散射通信中，电磁波束与散射体碰撞时产生的能量损耗，将散射带来的能量衰减量化，结合湍流非相干散射理论与几何随机分布理论，计算出了信道CIR的闭式解。
本发明上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明的权利要求进行限制，其它的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变及等效置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于曲边梯形的对流层散射通信随机信道建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将对流层建模为多条平行可微的曲线，从而构建以曲边梯形为几何结构的信道参考模型；
步骤2，计算信道的空域链路总长度；Dpq为链路的总长度，其表达式为：
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<mo>,</mo>
</mrow>
其中:
为发射端到达散射体的距离；
为散射体到接收端的距离；
p表示电磁波束经过散射次数；q表示由远及近的路径；
P描述电磁波束从发射端到接收端所经历的最大散射次数；
dpq为电磁波束在散射体间传播的距离，其满足如下表达式：
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其中：
为发射端发射波束与水平线的夹角；
代表经过p次散射的第(q+1)条路径的发射波束与水平线的夹角；
代表经过p次散射的第(q+1)条路径的发射端到达散射体的距离；
代表经过p次散射的第(q+1)条路径的散射体到接收端的距离；
步骤3，量化波束散射时的能量损耗：
为散射介质对电磁波束的衰减系数，其满足如下表达式：
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其中：
γ为散射介质常数，表征了散射体对电磁波的吸收能力；
p表示电磁波束经过散射次数，q表示由远及近的路径；
αpq为散射波束与镜面反射波束的夹角，其满足如下表达式：
<mrow>
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其中：
为经过p次散射的第q条路径的接收端接收波束与水平线的夹角；
为经过p次散射的第q条路径的发射端发射波束与水平线的夹角；
为经过p次散射的第(q+1)条路径的发射端发射波束与水平线的夹角；
f(x)为散射体所在曲边的解析方程；
Ψ为f(x)在散射点x0处的切线与水平线的夹角，满足：
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步骤4，得出基于曲边梯形对流层散射随机信道的信道冲激响应h(t)；信道响应h(t)：
h(t)≈hNLOS(t)，
其中：
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其中：
Epq为非视距链路增益；
npq表示经过p次散射的第q条路径上的第n个散射体；
Npq表示经过p次散射的第q条路径上的散射体的总数；
ηpq为链路损耗中值；为散射介质对电磁波束的衰减系数；
θpq为散射后叠加上的随机相位，其服从[0,2π)的均匀分布；
k0为自由空间波数，有λ0为发射波束的波长。
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