CN107517088B - 星地一体化系统基于混合信道衰落的干扰分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及星地一体化系统基于混合信道衰落的干扰分析方法，属于电信通讯技术领域，本发明首先使用混合衰落模型EGK建立地面链路接收信号的概率分布密度；混合衰落模型中包含阴影衰落和多径衰落；然后使用Gamma分布表示其它ATC基站的集总干扰的功率谱密度；使用Shadowed‑Rician模型表示卫星集总干扰的功率谱密度，根据用户接收功率的信干比门限值γ_th定义ATC用户中断概率P_out，获得ATC用户中断概率P_out的闭式表达，根据该公式利用Matlab工具计算P_out，进行ATC用户下行同频干扰分析。本发明方法进行干扰分析更加全面准确，计算更加快捷，进行干扰计算更快、更方便、更容易，能够快捷方便地获得干扰情况。

Description

星地一体化系统基于混合信道衰落的干扰分析方法

技术领域

本发明属于电信通讯技术领域，具体涉及星地一体化系统基于混合信道衰落的干扰分析方法。

背景技术

国际电信联盟ITU于2009年定义了包含移动卫星网络(MSS)与地面辅助网络(ATC)的集成系统。ATC基站构成的地面辅助网络可以采用3G或4G无线接口。卫星和地面网络共享频谱资源。卫星网络主要服务于地面网络覆盖不到的偏远地区。ATC主要服务于人口密集的城市地区，基于LTE-FDD无线标准进行部署，能够在室内以及无LOS(Line of Sight,视距)连接地区提供可靠的通信服务，延伸地面覆盖。尽管卫星移动运营商很早就获得授权，可以在地面上建造使用卫星频段的ATC基站，但至今没有实现一个能够运营的星地一体化网络。其中的一个重要问题就是干扰问题。

星地一体化卫星通信系统有诸多优点，比如：1)保障由于突发事件中有效通信服务；2)增强高密度城市或偏远地区信号强度；3)采用地基波束形成技术为卫星“减负”；4)适用于任何通信体制。因此，克服星地一体化网络中的干扰问题，实现星地一体化卫星通信系统是一个非常具有意义的工程。

如图1所示，MSS用户与卫星进行通信，同时受到N个ATC基站的干扰(CCI)；ATC用户与目标基站进行通信，同时受到卫星和其它N-1个ATC基站的同频干扰。目前，针对干扰的研究现状主要存在以下两个问题：

(1)只考虑卫星网络与地面辅助网络间的同频干扰(Inter-component CCI)，而没有考虑相邻ATC基站的干扰(Intra-component CCI)；

(2)对于信道的考虑过于简单，只考虑大尺度衰落或是小尺度衰落，而没有考虑混合衰落信道，即既包含阴影衰落也包含多径衰落的情况。

发明内容

针对目前星地一体化系统对于干扰分析存在的问题，本发明提出一种星地一体化系统基于混合信道衰落的干扰分析方法。

本发明提供的星地一体化系统基于混合信道衰落的干扰分析方法，包括：

第一步，使用混合衰落模型EGK建立地面链路接收信号的概率分布密度；混合衰落模型中包含阴影衰落和多径衰落；

第二步，使用Gamma分布表示其它ATC基站的集总干扰的功率谱密度；

第三步，使用Shadowed-Rician模型表示卫星集总干扰的功率谱密度；

第四步，根据用户接收功率的信干比门限值γ_th定义ATC用户中断概率P_out；

第五步，获得ATC用户中断概率P_out的闭式表达，根据该公式利用Matlab工具计算P_out，进行ATC用户下行同频干扰分析。

所述的第一步中，地面链路接收信号x的概率分布密度f_IΔ(x)表示如下：

其中，Δ＝{d，i}，Δ＝d表示接收信号来自目标ATC基站，Δ＝i表示接收信号来自相邻ATC基站；m表示多径衰落的强度因素，ξ表示多径衰落的形状因素；m_t表示阴影衰落的强度因素，ξ_t表示阴影衰落的形状因素；Γ(.)表示Gamma函数；

表示Fox’s H函数，h，n，p，q为其中的参数；Ω表示平均功率；中间变量β_t和β分别为：

所述的第二步中所用Gamma分布的形状参数为k_a，尺度参数为η_a。

所述的第五步中，获得的ATC用户中断概率P_out的闭式表达如下：

其中，y表示用户接收功率的信干比变量；参数

参数l取值从0到m_sd-1。

中间参数A、Q、P₁和P₂的表达式如下：

其中，

β_sd＝1/2b_sd，

δ_sd＝Ω_sd/2b_sd(2b_sdm_sd+Ω_sd)；

m_sd表示Nakagami参数，2b_sd表示卫星链路中多径分量的平均功率，Ω_sd表示卫星链路中视距分量的平均功率，P_s表示卫星的发射功率；

Ω_td表示地面链路中视距分量的平均功率。

相对于现有技术，本发明提供的干扰分析方法，其优点与积极效果在于：

(1)本发明同时考虑了卫星对ATC用户的干扰以及其它相邻ATC基站对ATC用户的干扰，推出了在阴影衰落和多径衰落同时存在的情况下的中断概率闭式表达式，该表达式中同时包含了阴影因子和多径因子，并且考虑了通用模型，可以作为评估星地一体化干扰性能的通用与快速的方法，相对于现有技术，利用本发明方法进行干扰分析更加全面准确，通过最终的闭式表达式能清楚看出小尺度与大尺度等多种因素的影响。

(2)本发明方法使用中断概率闭式解，为星地一体化系统下的干扰评估提供了更为全面和快捷的方式，降低了有效降低计算复杂度。相对于现有的干扰分析方法，本发明提供的中断概率闭式表达式易于Matlab计算，计算更加快捷，进行干扰计算更快、更方便、更容易，能够快捷方便地获得干扰情况，为进一步进行克服星地一体化网络中的干扰提供数据依据和支持。

附图说明

图1是星地一体化卫星通信系统中用户通信所受干扰的示意图；

图2是本发明的基于混合信道衰落的干扰分析方法整体示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

星地一体化系统包括移动卫星网络与地面辅助网络ATC，本发明主要分析星地一体化系统下的ATC用户的下行同频干扰(CCI)。本发明的干扰分析是基于混合衰落信道的用户性能分析，并使用中断概率对用户性能进行评估。

考虑星地一体化系统为干扰受限的情况，即噪声因素可以忽略，这样，目标ATC用户的接收信号y_d可以表示为：

其中，P_b、P_s和P_t分别表示ATC服务基站的发射功率、卫星的发射功率和相邻ATC基站的发射功率。h_bd表示ATC服务基站到目标ATC用户的信道系数，h_sd表示卫星到目标ATC用户的信道系数，h_id表示第i个相邻ATC基站到目标ATC用户的信道系数，N表示相邻ATC基站的个数。下角标中，b表示ATC服务基站，s表示卫星。

目标ATC用户的信干比γ_d可以表示为：

其中，I_b,I_s,I_a分别表示来自服务ATC基站、卫星和其他ATC基站的集总干扰。

本发明的基于混合信道衰落的干扰分析方法，首先，基于混合衰落模型建立地面链路接收信号的概率分布密度，使用Gamma分布表示其它ATC基站的集总干扰的功率谱密度，使用Shadowed-Rician模型表示卫星集总干扰的功率谱密度；其次，根据用户接收功率的信干比门限值定义ATC用户中断概率P_out；最后，推导获得ATC用户中断概率P_out的闭式表达，根据该公式利用Matlab计算P_out，进行ATC用户下行同频干扰分析。

对于地面链路，本发明使用EGK(Extended Generalized-K)模型，即拓展通用K模型，来表示。EGK模型是一种混合衰落模型，包含阴影衰落和多径衰落，它适用于高频情况下的下一代无线系统。地面链路接收信号x的概率分布密度f_IΔ(x)表示如下：

其中，Δ＝d,i，分别表示来自理想ATC基站和相邻ATC基站的接收信号；m表示多径衰落的强度因素，ξ表示多径衰落的形状因素；m_t表示阴影衰落的强度因素，ξ_t表示阴影衰落的形状因素；Γ(.)表示Gamma函数；

表示Fox’s H函数，h,n,p,q为其中的参数；Ω表示平均功率；中间变量β_t和β分别表示：

对于其它ATC基站的集总干扰I_a的功率谱密度，可以将其等效为Gamma分布G(k_a,η_a)，其中，k_a表示形状参数，η_a表示尺度参数。

对于卫星链路，本发明使用Shadowed-Rician模型，将卫星集总干扰I_s的功率谱密度

表示为：

式中三个参数计算如下：

δ_sd＝Ω_sd/2b_sd(2b_sdm_sd+Ω_sd)。

其中，2b_sd表示卫星链路中多径分量的平均功率，m_sd表示Nakagami参数，Ω_sd表示卫星链路中视距分量的平均功率，₁F₁(.)为合流超几何函数。

定义ATC用户中断概率(OP)为用户接收功率的信干比γ_d低于其门限值γ_th的概率P_out为：

P_out(γ_d≤γ_th)＝F_γd(γ_th) (5)

定义I＝I_a+I_s，则接收信干比的累计分布函数F_γd(y)可以写成：

此处，y表示用户接收功率的信干比变量，x表示的是地面链路接收信号。

依据下面函数求得

如下：

其中，Ω_td表示地面链路中视距分量的平均功率。

依据下面函数计算求得f_I(x)，如下：

其中，G(|)为Meijer’s G函数；参数

参数

参数A的计算公式为：

分子中下角标l为Pochhammer符号。

将公式(8)中参数代入其中，然后再将公式(8)和(7)代入公式(6)，得到F_γd(y)，进而推导获得ATC用户中断概率P_out的闭式表达式为：

其中，l取值是从0到m_sd-1。

其中，

从该表达式中可以看出阴影因素和多径因素均影响ATC用户的中断概率。该闭式表达式使用了Fox’s H函数，易于Matlab计算，减小了计算复杂度。

本发明适用于星地一体化系统的干扰分析方法中，同时考虑了星地一体化环境中的小尺度和大尺度因素，如公式(3)所示，使用实际的混合信道模型，推导获得地面用户的中断概率闭式表达式，从该公式中可以看出实际通信系统中影响用户中断性能的主要因素，包括多径因素和阴影衰落的因素，同时使用该闭式解，为星地一体化系统下的干扰评估提供了更为全面和快捷的方式，降低了有效降低计算复杂度。相对于现有的干扰分析方法，本发明提供的中断概率闭式表达式易于Matlab计算，计算更加快捷，更容易进行干扰评估。

Claims (2)

1.一种星地一体化系统基于混合信道衰落的干扰分析方法，其特征在于，包括：

第一步，使用混合衰落模型EGK建立地面链路接收信号的概率分布密度；

地面链路接收信号x的概率分布密度f_IΔ(x)表示如下：

其中，Δ＝{d,i}，Δ＝d表示接收信号来自目标ATC基站，Δ＝i表示接收信号来自相邻ATC基站；m表示多径衰落的强度因素，ξ表示多径衰落的形状因素；m_t表示阴影衰落的强度因素，ξ_t表示阴影衰落的形状因素；Γ(.)表示Gamma函数；

表示Fox’s H函数，h,n,p,q为其中的参数；Ω表示平均功率；中间变量β_t和β分别为：

第二步，使用Gamma分布表示其它ATC基站的集总干扰的功率谱密度；设所述Gamma分布的形状参数为k_a，尺度参数为η_a；

第三步，使用Shadowed-Rician模型表示卫星集总干扰的功率谱密度；

第四步，根据用户接收功率的信干比门限值γ_th定义ATC用户中断概率P_out；

第五步，获得ATC用户中断概率P_out的闭式表达，根据该公式利用Matlab工具计算P_out，进行ATC用户下行同频干扰分析；

所述的ATC用户中断概率P_out的闭式表达如下：

其中，y表示用户接收功率的信干比变量；参数

参数l取值从0到m_sd-1；

中间参数A、Q、P₁和P₂的表达式如下：

其中，

δ_sd＝Ω_sd/2b_sd(2b_sdm_sd+Ω_sd)；

m_sd表示Nakagami参数，2b_sd表示卫星链路中多径分量的平均功率，Ω_sd表示卫星链路中视距分量的平均功率，P_s表示卫星的发射功率；

Ω_td表示地面链路中视距分量的平均功率。

2.根据权利要求1所述的干扰分析方法，其特征在于，所述的第三步中，卫星集总干扰的功率谱密度表示为：

其中，

为卫星集总干扰I_s的功率谱密度，₁F₁(.)为合流超几何函数。

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