CN110708130A - 一种平流层毫米波基站对地信道建模方法及其建模系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平流层毫米波基站对地信道建模方法及其建模系统。本方法通过计算基站通信的空间段对地面接收端的用户信道的天气影响，以将空间段的空间天气条件对平流层毫米波信号的影响建模成高斯分布模型；通过计算地面段对用户信道的地面环境影响，以将地面段的地面环境对平流层毫米波信号的影响建模成三状态一阶Markov模型；通过计算基站通信信道模型中的联合影响，以联合天气条件和接收端所处地面环境引起的多径衰落及阴影衰落对信道的影响对信进行建模。本发明能准确模拟出平流层毫米波信号对地通信时的实际传输过程中受到的各类因素的影响，适用于各类天气和环境条件下的建模工作，可为平流层毫米波通信系统仿真工作和实际系统部署提供参考。

Description

一种平流层毫米波基站对地信道建模方法及其建模系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域中的一种对地信道建模方法及其对地信道建模系统，具体涉及一种平流层毫米波基站对地信道建模方法及其建模系统。

背景技术

空天地一体化网络是一个由同步卫星中继网络、中低轨卫星网络、平流层高空平台(High Altitude Platforms，HAPs)网络、地面有线/无线移动网络等组成的复杂巨系统。通过多层通信网络的协同，不仅可以实现全球无缝覆盖，也可以为导航、遥感、应急通信、军事通信提供重要保障。平流层通信系统是指利用距地20km～55km的平流层高空平台搭载通信设备进行通信覆盖，它作为空天地一体化网络中的空基节点，兼具地面移动通信系统和卫星通信系统的优点，是整个网络的重要组成部分。Ka波段的频率范围大致是25～40GHz，已经是属于毫米波范畴，与传统广泛使用的低频波段相比，Ka波段有更宽的频谱资源，系统吞吐量更大，频点更高，传输方向性较好，波长短，设备天线尺寸小等诸多优点。如果利用平流层飞艇搭载Ka毫米波基站设备进行对地通信覆盖，可以有效解决当前网络覆盖不均、局部负载过大、部分区域覆盖成本过高等问题，同时在应急通信和军事通信中也有重要作用。

无线信道是无线通信的传输媒介，无线通信很大一部份工作都是在研究如何对抗信道衰落，如果能了解信道的传输特性，就可以采取相应的通信策略，最大程度提高系统的传输效率和质量。当前针对平流层Ka毫米波信道特性的研究工作非常有限，已有工作要么没有考虑空间天气条件对平流层Ka毫米波信号传输的影响，要么将地面环境对平流层Ka毫米波信号的影响建立为单一模型，给出的模型不具有代表性，无法为平流层Ka毫米波通信系统仿真工作和实际系统部署提供支持。

发明内容

为了解决平流层Ka毫米波信号对地通信时存在的干扰，本发明提供一种平流层毫米波基站对地信道建模方法及其建模系统，通过建立平流层毫米波基站对地通信信道模型，从而最大程度的模拟出平流层毫米波信号对地通信时的实际传输过程，因而能准确模拟出平流层毫米波信号对地通信时的实际传输过程中受到的各类因素的影响，适用于各类天气条件和环境条件下的建模工作，可为平流层毫米波通信系统仿真工作和实际系统部署提供参考。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：一种平流层毫米波基站对地信道建模方法，其包括以下步骤：

步骤一，通过计算平流层毫米波基站通信的空间段对地面接收端的用户信道的天气影响c_w(t)，以将空间段的空间天气条件对平流层毫米波信号的影响建模成高斯分布模型：

其中，通过计算不同天气对平流层毫米波基站的平流层毫米波信号的幅度和相位影响，来获取c_w(t)；

步骤二，通过计算平流层毫米波基站通信的地面段对地面接收端的用户信道的地面环境影响c_β(t)，以将地面段的地面环境对平流层毫米波信号的影响建模成三状态一阶Markov模型：

其中，通过计算所述平流层毫米波信号在经历空间传输后、到达地面接收端周围时，受所述接收端所处环境的影响，来获取c_β(t)；

步骤三，通过计算平流层毫米波基站通信信道模型中的联合影响c_total(r)，以联合平流层空间天气条件和接收端所处地面环境引起的多径衰落及阴影衰落对信道的影响对信进行建模：

其中，假设平流层毫米波基站通信空间段与地面段对用户信道的影响彼此独立，令c_total(r)＝c_β(r)c_w(r)。

作为上述方案的进一步改进，c_w(t)的计算方法为：

(1)设计不同天气对所述平流层毫米波信号的幅度r和相位影响服从高斯分布；

(2)设计的高斯分布为：

其中，f_w,r(r)为天气对所述平流层毫米波信号的幅度r影响的概率密度函数，

为天气对所述平流层毫米波信号的相位

影响的概率密度函数，m_w,r和

分别幅度r和相位

的均值，而

和

分别为相应的方差；

(3)令c_w(t)为：

进一步地，c_β(t)的计算方法为：

(1)设计所述接收端所处环境的环境种类，在每一环境种类下，所述接收端的用户信道都可能处在n种状态，n为正整数；

(2)设计在每一环境种类下，所述用户信道在n种状态中的信号转移过程，所述信号转移过程的设计方法为：采用一阶Markov模型表征某一环境种类下，所述用户信道在n种状态中的信号转移过程；

所述一阶Markov模型采用状态空间S、状态转移矩阵P和状态分布概率矩阵w来表示，其中，

状态空间S为：S＝{s₁,……,s_n}；

状态转移矩阵P为：

p_ij表示从状态i转移到状态j的概率，i＝1,2,……,n，j＝1,2,……,n，且0≤p_ij≤1；

状态分布概率矩阵w为：w＝(w_s1,w_s2,……,w_sn)，w_s1,w_s2,……,w_sn是各个状态的概率；

(3)设计在n状态、一阶Markov模型下接收所述平流层毫米波信号的信号强度的统计模型f_r,β(r)：f_r,β(r)＝w_s1f_s1,r(r)+w_s2f_s2,r(r)+……+w_snf_sn,r(r)，

其中，f_s1,r(r),f_s2,r(r),……,f_sn,r(r)为n种状态下接收所述平流层毫米波信号的信号幅度满足的Loo模型分布的概率密度函数；

(4)令c_β(t)为：c_β(t)＝f_r,β(r)。

进一步地，所述接收端所处环境的环境种类包括开阔地带、市郊、市区，且n为3，所述接收端的用户信道都可能处在3种状态：LOS状态s₁、中度阴影衰落状态s₂、深度阴影衰落状态s₃；

状态空间S为：S＝{s₁,s₂,s₃}；

状态转移矩阵P为：

p_ij表示从状态i转移到状态j的概率，i＝1,2,3，j＝1,2,3，且0≤p_ij≤1；

状态分布概率矩阵w为：w＝(w_s1,w_s2,w_s3)，w_s1、w_s2、w_s3是各个状态的概率；

f_r,β(r)＝w_s1f_s1,r(r)+w_s2f_s2,r(r)+w_s3f_s3,r(r)，其中，f_s1,r(r)，f_s2,r(r)，f_s3,r(r)为三种状态下接收所述平流层毫米波信号的信号幅度满足的Loo模型分布的概率密度函数。

进一步地，在步骤三中，假设对流层空间天气条件在一段时间内对所述平流层毫米波信号的影响保持不变，且忽略天气条件改变信号相位产生的影响，c_total(r)为信道模型中接收信号包络的概率密度函f_total,r(r)：

进一步地，所述Loo模型f_loo,r(r)为：

其中，a是直射径信号幅度，M_dB和Σ_dB是对数正态分布的均值和标准差，

MP_dB是多径分量的功率。

进一步地：

本发明还提供一种平流层毫米波基站对地信道建模系统，其包括：

天气影响建模模块，其用于通过计算平流层毫米波基站通信的空间段对地面接收端的用户信道的天气影响c_w(t)，以将空间段的空间天气条件对平流层毫米波信号的影响建模成高斯分布模型，其中，通过计算不同天气对平流层毫米波信号的幅度和相位影响，来获取c_w(t)；

地面环境影响建模模块，其用于通过计算平流层毫米波基站通信的地面段对地面接收端的用户信道的地面环境影响c_β(t)，以将地面段的地面环境对平流层毫米波信号的影响建模成三状态一阶Markov模型，其中，通过计算所述平流层毫米波信号在经历空间传输后、到达地面接收端周围时，受所述接收端所处环境的影响，来获取c_β(t)；

联合影响建模模块，其用于通过计算平流层毫米波基站通信信道模型中的联合影响c_total(r)，以联合平流层空间天气条件和接收端所处地面环境引起的多径衰落及阴影衰落对信道的影响对信进行建模：

在平流层毫米波基站通信空间段与地面段对用户信道的影响彼此独立的条件下，令c_total(r)＝c_β(r)c_w(r)。

进一步地，所述平流层毫米波基站对地信道建模系统采用上述任意平流层毫米波基站对地信道建模方法。

本发明还提供一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任意所述的平流层毫米波基站对地信道建模方法的步骤。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明将空间天气条件对平流层毫米波信号的影响建模成高斯分布模型，将地面复杂环境对平流层毫米波信号的影响建模成三状态一阶Markov模型，其中每种状态下均服从具有不同参数的Loo模型分布，不同天气条件和不同环境的影响通过对模型参数的设定来体现，能准确模拟出平流层毫米波信号对地通信时的实际传输过程中受到的各类因素的影响，适用于各类天气条件和环境条件下的建模工作，可为平流层毫米波通信系统仿真工作和实际系统部署提供参考。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的平流层毫米波基站对地信道建模方法的流程图。

图2为图1中天气影响c_w(t)的计算方法的流程图。

图3为图1中地面环境影响c_β(t)的计算方法的流程图。

图4为本发明实施例2提供的平流层毫米波基站通信信道时间序列生成器仿真模型图。

图5为开阔环境、仰角为40°不同天气条件下的信道序列图。

图6为市郊环境、仰角为40°不同天气条件下的信道序列图。

图7为市区环境、仰角为40°不同天气条件下的信道序列图。

图8为平流层Ka毫米波基站对地通信场景图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1，本实施例的平流层毫米波基站对地信道建模方法包括以下步骤：

步骤一，通过计算平流层毫米波基站通信的空间段对地面接收端的用户信道的天气影响c_w(t)，以将空间段的空间天气条件对平流层毫米波信号的影响建模成高斯分布模型；

步骤二，通过计算平流层毫米波基站通信的地面段对地面接收端的用户信道的地面环境影响c_β(t)，以将地面段的地面环境对平流层毫米波信号的影响建模成三状态一阶Markov模型；

步骤三，通过计算平流层毫米波基站通信信道模型中的联合影响c_total(r)，以联合平流层空间天气条件和接收端所处地面环境引起的多径衰落及阴影衰落对信道的影响对信进行建模。

在步骤一中，通过计算不同天气对平流层毫米波信号的幅度和相位影响，来获取c_w(t)。

平流层毫米波基站对地通信时发出的信号先会在空间传输，此阶段信号会到受到对流层空间天气条件的影响，空间天气条件的种类主要有三种，分别为晴天、阴天、雷雨。不同天气条件对平流层毫米波信号的幅度r和相位的影响可通过高斯分布的均值和方差的不同来区分。

在本实施例中，请参阅图2，c_w(t)的计算方法为：

(1)设计不同天气对所述平流层毫米波信号的幅度r和相位

影响服从高斯分布；

(2)设计的高斯分布为：

其中，f_w,r(r)为天气对所述平流层毫米波信号的幅度r影响的概率密度函数，

为天气对所述平流层毫米波信号的相位

影响的概率密度函数，m_w,r和

分别幅度r和相位

的均值，而

和

分别为相应的方差；

(3)令c_w(t)为：

在步骤二中，通过计算所述平流层毫米波信号在经历空间传输后、到达地面接收端周围时，受所述接收端所处环境的影响，来获取c_β(t)。

在本实施例中，将地面复杂环境对平流层毫米波信号的影响建模成三状态一阶马尔科夫(Markov)模型。平流层毫米波基站对地通信时发出的信号在经历空间传输后到达地面接收端周围，此时信号会受接收端所处环境的影响，比如，当用户终端处于开阔环境时，由于不存在遮挡物和障碍物的影响，接收信号大部分时间处于视距传输(LOS)状态；当用户处于市郊时，由于树木等遮挡物的影响，接收信号大部分时间处于中度阴影衰落状态，当用户处于市区环境时，由于建筑等障碍物的影响，接收信号大部分时间处于深度阴影衰落状态，根据接收端所处的环境将用户信道的状态看可分为视距传输状态s₁、中度阴影衰落状态s₂与深度阴影衰落状态s₃，采用部分阴影信道模型(Loo)表征三种不同衰落状态的模型。

Loo模型假设直射分量受阴影衰落影响，多径反射分量不受阴影衰落影响。如果受阴影衰落影响的直射信号分量保持不变，则接收信号满足莱斯(Rice)分布，实际上直射分量受阴影衰落影响是变化的，阴影衰落影响满足对数正态分布，所以对阴影衰落影响求均值即可得到接收信号的分布模型，也就是Loo模型。

根据Loo模型的建立过程可知Loo模型有很好的通用性，通过调整受对数正态分布阴影衰落影响的直射分量的M_dB和Σ_dB以及决定多径分量功率的MP_dB三个参数，使Loo模型可以很好的表征平流层Ka毫米波基站对地通信时，受地面环境而所属的三种信道状态：LOS状态、中度阴影衰落状态、深度阴影衰落状态。

实际通信过程中，用户终端经常会长时间、大范围的移动，用户在覆盖范围内经历的环境参量并不是固定的，而是会大范围的变动。单状态统计模型并不能描述这种复杂、动态的变化过程，必须采用多状态模型建模。

终端用户可能处在的环境可为三种：开阔地带、市郊和市区。在每一种环境下，用户信道都可能处在LOS状态(s₁)、中度阴影衰落状态(s₂)、深度阴影衰落状态(s₃)。采用一阶Markov模型表征某一环境下受地面环境影响的信道在三种信道状态中的转移过程，三状态一阶Markov模型用状态空间S、状态转移矩阵P和状态分布概率矩阵W来表示。

在本实施例中，请参阅图3，c_β(t)的计算方法为：

(1)设计所述接收端所处环境的环境种类，在每一环境种类下，所述接收端的用户信道都可能处在n种状态，n为正整数；

(2)设计在每一环境种类下，所述用户信道在n种状态中的信号转移过程，所述信号转移过程的设计方法为：采用一阶Markov模型表征某一环境种类下，所述用户信道在n种状态中的信号转移过程；

所述一阶Markov模型采用状态空间S、状态转移矩阵P和状态分布概率矩阵w来表示，其中，

状态空间S为：S＝{s₁,……,s_n}；

状态转移矩阵P为：

p_ij表示从状态i转移到状态j的概率，i＝1,2,……,n，j＝1,2,……,n，且0≤p_ij≤1；

状态分布概率矩阵w为：w＝(w_s1,w_s2,……,w_sn)，w_s1,w_s2,……,w_sn是各个状态的概率；

(3)设计在n状态、一阶Markov模型下接收所述平流层毫米波信号的信号强度的统计模型f_r,β(r)：f_r,β(r)＝w_s1f_s1,r(r)+w_s2f_s2,r(r)+……+w_snf_sn,r(r)，

其中，f_s1,r(r),f_s2,r(r),……,f_sn,r(r)为n种状态下接收所述平流层毫米波信号的信号幅度满足的Loo模型分布的概率密度函数；

(4)令c_β(t)为：c_β(t)＝f_r,β(r)。

其中，所述Loo模型f_loo,r(r)为：

其中，a是直射径信号幅度，M_dB和Σ_dB是对数正态分布的均值和标准差，

MP_dB是多径分量的功率。

在步骤三中，在平流层毫米波基站通信空间段与地面段对用户信道的影响彼此独立的条件下，令c_total(r)＝c_β(r)c_w(r)。在本实施例中，联合平流层空间天气条件和接收端所处地面环境引起的多径衰落及阴影衰落对信道的影响对信进行建模。

假设平流层毫米波基站通信空间段与地面段对信道的影响c_β(t)和c_w(t)彼此独立，则两者在平流层毫米波基站通信信道模型中的联合影响为：

c_total(r)＝c_β(r)c_w(r)

根据随机过程理论，假设对流层空间天气条件在一段时间内对信号的影响保持不变，且天气条件改变信号相位产生的影响基本可以忽略，则信道模型中接收信号包络的概率密度函数表示为：

根据全概率公式，将天气对信号幅度影响的概率密度函数与三状态一阶Markov模型下接收信号强度满足的统计模型表达式代入上式，得到

由上式即可构建平流层毫米波基站通信信道时间序列生成器仿真模型，整个建模过程结束，该建模方法将空间天气条件对平流层毫米波信号的影响建模成高斯分布模型，将地面复杂环境对平流层毫米波信号的影响建模成三状态一阶Markov模型，其中每种状态下均服从具有不同参数的Loo分布，不同天气条件和不同环境的影响通过对模型参数的设定来体现，能准确模拟出平流层毫米波信号对地通信时的实际传输过程中受到的各类因素的影响。

因此在本实施例中，假设对流层空间天气条件在一段时间内对所述平流层毫米波信号的影响保持不变，且忽略天气条件改变信号相位产生的影响，c_total(r)为信道模型中接收信号包络的概率密度函f_total,r(r)：

实施例2

请参阅图4，其为平流层毫米波基站通信信道时间序列生成器仿真模型图，实施例2与实施例1的区别在于，所述接收端所处环境的环境种类包括开阔地带、市郊、市区，且n为3，在每一种环境种类下，所述接收端的用户信道都可能处在3种状态：LOS状态s₁、中度阴影衰落状态s₂、深度阴影衰落状态s₃。

平流层毫米波基站对地通信时发出的信号在经历空间传输后到达地面接收端周围，此时信号会受接收端所处环境的影响，比如，当用户终端处于开阔环境时，由于不存在遮挡物和障碍物的影响，接收信号大部分时间处于视距传输(LOS)状态；当用户处于市郊时，由于树木等遮挡物的影响，接收信号大部分时间处于中度阴影衰落状态，当用户处于市区环境时，由于建筑等障碍物的影响，接收信号大部分时间处于深度阴影衰落状态，根据接收端所处的环境将用户信道的状态分为视距传输状态s₁、中度阴影衰落状态s₂与深度阴影衰落状态s₃。

终端用户可能处在的环境为三种：开阔地带、市郊和市区。在每一种环境下，用户信道都可能处在LOS状态(s₁)、中度阴影衰落状态(s₂)、深度阴影衰落状态(s₃)。采用一阶Markov模型表征某一环境下受地面环境影响的信道在三种信道状态中的转移过程，三状态一阶Markov模型用状态空间S、状态转移矩阵P和状态分布概率矩阵W来表示。

状态空间S如下：

S＝{s₁,s₂,s₃}

三种状态下接收信号幅度满足Loo分布的概率密度函数为f_s1,r(r)，f_s2,r(r)，f_s3,r(r)分别表示如下：

状态转移矩阵如下：

其中，p_ij表示从状态i(i＝1,2,3)转移到状态j(j＝1,2,3)的概率，且0≤p_ij≤1；

状态分布概率矩阵为：w＝(w_s1,w_s2,w_s3)，w_s1、w_s2 w_s3是各个状态的概率。该三状态一阶Markov模型的稳态分布概率矩阵与状态分布概率矩阵相等，即：

WP＝w；

将三状态一阶Markov模型下接收信号强度满足的统计模型表示为：

f_r,β(r)＝w_s1f_s1,r(r)+w_s2f_s2,r(r)+w_s3f_s3,r(r)。

f_r,β(r)＝w_s1f_s1,r(r)+w_s2f_s2,r(r)+w_s3f_s3,r(r)，其中，f_s1,r(r)，f_s2,r(r)，f_s3,r(r)为三种状态下接收所述平流层Ka毫米波信号的信号幅度满足的Loo模型分布的概率密度函数。

根据随机过程理论，假设对流层空间天气条件在一段时间内对信号的影响保持不变，且天气条件改变信号相位产生的影响基本可以忽略，则信道模型中接收信号包络的概率密度函数表示为：

根据全概率公式，将步骤S1中的天气对信号幅度影响的概率密度函数与步骤S3中得到的三状态一阶Markov模型下接收信号强度满足的统计模型表达式代入上式，得到：

由上式即可构建平流层毫米波基站通信信道时间序列生成器仿真模型，整个建模过程结束，该建模方法将空间天气条件对平流层毫米波信号的影响建模成高斯分布模型，将地面复杂环境对平流层毫米波信号的影响建模成三状态一阶Markov模型，其中每种状态下均服从具有不同参数的Loo分布，不同天气条件和不同环境的影响通过对模型参数的设定来体现，能准确模拟出平流层毫米波信号对地通信时的实际传输过程中受到的各类因素的影响。

实施例3

本实施的平流层Ka毫米波基站对地信道建模系统，其采用实施例1所述的平流层Ka毫米波基站对地信道建模方法，平流层Ka毫米波基站对地信道建模系统包括：天气影响建模模块、地面环境影响建模模块、联合影响建模模块。

天气影响建模模块用于通过计算平流层Ka毫米波基站通信的空间段对地面接收端的用户信道的天气影响c_w(t)，以将空间段的空间天气条件对平流层毫米波信号的影响建模成高斯分布模型。其中，通过计算不同天气对平流层Ka毫米波信号的幅度和相位影响，来获取c_w(t)。c_w(t)的计算方法请参阅实施例1。

地面环境影响建模模块用于通过计算平流层Ka毫米波基站通信的地面段对地面接收端的用户信道的地面环境影响c_β(t)，以将地面段的地面环境对平流层毫米波信号的影响建模成三状态一阶Markov模型。其中，通过计算所述平流层Ka毫米波信号在经历空间传输后、到达地面接收端周围时，受所述接收端所处环境的影响，来获取c_β(t)。c_β(t)的计算方法请参阅实施例1。

联合影响建模模块用于通过计算平流层Ka毫米波基站通信信道模型中的联合影响c_total(r)，以联合平流层空间天气条件和接收端所处地面环境引起的多径衰落及阴影衰落对信道的影响对信进行建模。其中，在平流层Ka毫米波基站通信空间段与地面段对用户信道的影响彼此独立的条件下，令c_total(r)＝c_β(r)c_w(r)。c_total(r)的计算方法请参阅实施例1。

本实施例具有与实施例1相同的有益效果。

实施例4

实施例4是实施例2的一个具体应用。

平流层Ka毫米波基站对地通信信号传输过程中会同时受到空间天气条件和地面环境的影响，信道建模时将空间天气条件对平流层Ka毫米波信号的影响建模成高斯分布模型，将地面复杂环境对平流层Ka毫米波信号的影响建模成三状态一阶Markov模型。平每种状态下是服从具有不同参数的Loo分布，流层Ka毫米波基站的基本参数设置如表1所示，不同天气对应的高斯分布模型参数如表2所示，不同环境及仰角的三状态Loo模型参数如表3所示，各环境不同仰角Markov模型参数如表4～表6所示。仿真生成三种环境(开阔、市郊、市区)、三种天气条件(晴天、阴天、雷雨)、三种仰角(40°、60°、80°)下的游动10000m的信道序列来定性考察本专利提出的信道模型的有效性。

表1基本参数设置

仿真参量	数值
		系统频率	28GHz
基站发射功率	0dBW
		用户运动速度	10m/s
用户环境	开阔、市郊、市区
		用户仰角	40°、60°、80°
空间天气条件	晴天、阴天、雷雨
		用户单场景移动距离	10km
单状态持续距离	6.3m

表2不同天气对应的高斯分布模型参数

表3不同环境及仰角下三种状态Loo模型参数

表4开阔地带不同仰角环境Markov模型参数

表5市郊地带不同仰角环境Markov模型参数

表6市区不同仰角环境Markov模型参数

本实施例在基站端依次执行以下具体操作步骤：

第一步：平流层Ka毫米波基站对地通信时发出的信号首先会在空间传输，由毫米波的传输特性可知此阶段信号会到受到对流层天气条件的影响，不同天气对Ka毫米波信号幅度和相位的影响服从高斯分布：

由式(1)和式(2)可以构建图4下半部分所示的仿真模型，代入表2的参数即可生成受对流层天气条件影响的信道序列。

第二步：平流层Ka毫米波基站对地通信时发出的信号在经历空间传输后会到达地面接收端周围时信号会受接收端所处环境的影响，实际通信过程中，用户终端经常会长时间、大范围的移动，用户在覆盖范围内经历的环境参量并不是固定的，而是会大范围的变动。单状态统计模型并不能描述这种复杂、动态的变化过程，必须采用多状态模型建模。

终端用户可能处在的环境为三种：开阔地带、市郊和市区。在每一种环境下，用户信道都可能处在LOS状态(s₁)、中度阴影衰落状态(s₂)、深度阴影衰落状态(s₃)。采用一阶Markov模型表征某一环境下受地面环境影响的信道在三种信道状态中的转移过程，三状态一阶Markov模型可以用状态空间S、状态转移矩阵P和状态分布概率矩阵W来表示。

状态空间S为：S＝{s₁,s₂,s₃} (3)

三种状态下接受信号幅度满足的Loo分布的概率密度函数为

状态转移矩阵为：

上式中p_ij表示从状态i(i＝1,2,3)转移到状态j(j＝1,2,3)的概率，且0≤p_ij≤1；

状态分布概率矩阵为：

w＝(w_s1,w_s2,w_s3) (8)

w_s1、w_s2、w_s3是各个状态的概率，因为该Markov链是非周期、不可约的，所以它的稳态分布存在，且等于状态分布，即：

WP＝w (9)。

所以三状态一阶Markov模型下接收信号强度满足的统计模型可以表示为：

f_r,β(r)＝w_s1f_s1,r(r)+w_s2f_s2,r(r)+w_s3f_s3,r(r) (10)

由上述推导过程可以构建图4上半部分所示的仿真模型，代入表3-表6的参数即可生成受地面环境影响时不同环境和仰角下的信道序列。

第三步：由第一步、第二步分析可知，平流层毫米波基站通信信道模型时综合考虑平流层天气因素和接收端所处地面环境引起的多径衰落及阴影衰落对信道的影响。不失合理性，我们假设平流层毫米波基站通信空间段与地面段对信道的影响c_β(t)和c_w(t)彼此独立，因此两者在平流层毫米波基站通信信道模型中的联合影响为：

c_total(r)＝c_β(r)c_w(r) (11)

根据随机过程理论，假设对流层天气条件在一段时间内对信号的影响保持不变，且天气条件改变信号相位产生的影响基本可以忽略，信道模型中接收信号包络的概率密度函数可表示为：

根据全概率公式，将式(1)和式(10)代入式(12)可得：

由式(13)可以构建图4整体所示的平流层Ka毫米波基站通信信道时间序列生成器仿真模型图，代入表1-表6的参数即可生成受对流层Ka毫米波基站对地通信信道序列。

如图5所示，给出了用户处于开阔环境、仰角为40°不同天气条件下的信道序列。对比同一环境、同一仰角、同一天气条件时三个不同状态(LoS状态、中度阴影衰落状态、深度阴影衰落状态)的信道序列幅度可知，不同状态呈现出不同的衰落，大致衰落程度比较结果是：深度阴影衰落状态大于中度阴影衰落状态，中度阴影衰落状态大于LoS状态。

如图5所示，比较不考虑对流层天气(Ideal)的信道序列和考虑对流层不同天气(晴天(Clear)、阴天(Overcast)、雷雨(Thunder Rain))的信道序列幅度可知，信号会受到天气条件的不同程度影响，天气产生的衰落影响程度为：雷雨对信道的衰落作用大于阴天，阴天对信道的衰落作用大于晴天。

如图6、图7所示，分别给出市郊环境、市区环境仰角为40°不同天气条件下的信道序列。对比图5、图6和图7可知不同地面环境下信道序列衰落程度各不一样，开阔地带信道序列衰落程度大致在5dB至10dB，且衰落变化缓慢；市郊信道序列衰落程度大致在10dB至15dB，且衰落变化较大；市区信道序列衰落程度大致在10dB至30dB，且衰落变化剧烈。

如图8所示，为平流层Ka毫米波基站对地通信场景图，平流层Ka毫米波基站对地通信时发出的信号首先会在空间传输，再到达地面接收端被其接收。

实施例5

本实施例提供一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述程序时实现实施例1的平流层毫米波基站对地信道建模方法的步骤。

实施例1的平流层毫米波基站对地信道建模方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成独立运行的程序，安装在计算机终端上，计算机终端可以是电脑、智能手机等。也可以设计成嵌入式运行的程序，安装在计算机终端上，如安装在单片机上。

在其他实施例中，也可采用计算机可读存储介质实现平流层毫米波基站对地信道建模方法。如，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，则所述程序被处理器执行时，可实现实施例1的平流层毫米波基站对地信道建模方法的步骤。

实施例1的平流层毫米波基站对地信道建模方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成计算机可读存储介质可独立运行的程序，计算机可读存储介质可以是U盘，设计成U盾，通过U盘设计成通过外在触发启动整个方法的程序。

综上所述，上述五组实施例中的平流层毫米波基站对地信道建模方法及系统，将空间天气条件对平流层毫米波信号的影响建模成高斯分布模型，将地面复杂环境对平流层毫米波信号的影响建模成三状态一阶Markov模型，其中每种状态下均服从具有不同参数的Loo分布，不同天气条件和不同环境的影响通过对模型参数的设定来体现，能准确模拟出平流层毫米波信号对地通信时的实际传输过程中受到的各类因素的影响，适用于各类天气条件和环境条件下的建模工作，可为平流层毫米波通信系统仿真工作和实际系统部署提供参考，值得被推广使用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平流层毫米波基站对地信道建模方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，通过计算平流层毫米波基站通信的空间段对地面接收端的用户信道的天气影响c_w(t)，以将空间段的空间天气条件对平流层毫米波信号的影响建模成高斯分布模型：

其中，通过计算不同天气对平流层毫米波基站的平流层毫米波信号的幅度和相位影响，来获取c_w(t)；

步骤二，通过计算平流层毫米波基站通信的地面段对地面接收端的用户信道的地面环境影响c_β(t)，以将地面段的地面环境对平流层毫米波信号的影响建模成三状态一阶Markov模型：

其中，通过计算所述平流层毫米波信号在经历空间传输后、到达地面接收端周围时，受所述接收端所处环境的影响，来获取c_β(t)；

步骤三，通过计算平流层毫米波基站通信信道模型中的联合影响c_total(r)，以联合平流层空间天气条件和接收端所处地面环境引起的多径衰落及阴影衰落对信道的影响对信进行建模：

其中，假设平流层毫米波基站通信空间段与地面段对用户信道的影响彼此独立，令c_total(r)＝c_β(r)c_w(r)。

2.如权利要求1所述的平流层毫米波基站对地信道建模方法，其特征在于，c_w(t)的计算方法为：

(1)设计不同天气对所述平流层毫米波信号的幅度r和相位

影响服从高斯分布；

(2)设计的高斯分布为：

其中，f_w,r(r)为天气对所述平流层毫米波信号的幅度r影响的概率密度函数，

为天气对所述平流层毫米波信号的相位

影响的概率密度函数，m_w,r和

分别幅度r和相位的均值，而

和

分别为相应的方差；

(3)令c_w(t)为：

3.如权利要求2所述的平流层毫米波基站对地信道建模方法，其特征在于，c_β(t)的计算方法为：

(1)设计所述接收端所处环境的环境种类，在每一环境种类下，所述接收端的用户信道都可能处在n种状态，n为正整数；

(2)设计在每一环境种类下，所述用户信道在n种状态中的信号转移过程，所述信号转移过程的设计方法为：采用一阶Markov模型表征某一环境种类下，所述用户信道在n种状态中的信号转移过程；

所述一阶Markov模型采用状态空间S、状态转移矩阵P和状态分布概率矩阵w来表示，其中，

状态空间S为：S＝{s₁,……,s_n}；

状态转移矩阵P为：

p_ij表示从状态i转移到状态j的概率，i＝1,2,……,n，j＝1,2,……,n，且0≤p_ij≤1；

状态分布概率矩阵w为：w＝(w_s1,w_s2,……,w_sn)，w_s1,w_s2,……,w_sn是各个状态的概率；

(3)设计在n状态、一阶Markov模型下接收所述平流层毫米波信号的信号强度的统计模型f_r,β(r)：f_r,β(r)＝w_s1f_s1,r(r)+w_s2f_s2,r(r)+……+w_snf_sn,r(r)，

其中，f_s1,r(r),f_s2,r(r),……,f_sn,r(r)为n种状态下接收所述平流层毫米波信号的信号幅度满足的Loo模型分布的概率密度函数；

(4)令c_β(t)为：c_β(t)＝f_r,β(r)。

4.如权利要求3所述的平流层毫米波基站对地信道建模方法，其特征在于，所述接收端所处环境的环境种类包括开阔地带、市郊、市区，且n为3，所述接收端的用户信道都可能处在3种状态：LOS状态s₁、中度阴影衰落状态s₂、深度阴影衰落状态s₃；

状态空间S为：S＝{s₁,s₂,s₃}；

状态转移矩阵P为：

p_ij表示从状态i转移到状态j的概率，i＝1,2,3，j＝1,2,3，且0≤p_ij≤1；

状态分布概率矩阵w为：w＝(w_s1,w_s2,w_s3)，w_s1、w_s2、w_s3是各个状态的概率；

f_r,β(r)＝w_s1f_s1,r(r)+w_s2f_s2,r(r)+w_s3f_s3,r(r)，

其中，

为三种状态下接收所述平流层毫米波信号的信号幅度满足的Loo模型分布的概率密度函数。

5.如权利要求4所述的平流层毫米波基站对地信道建模方法，其特征在于，在步骤三中，假设对流层空间天气条件在一段时间内对所述平流层毫米波信号的影响保持不变，且忽略天气条件改变信号相位产生的影响，c_total(r)为信道模型中接收信号包络的概率密度函f_total,r(r)：

6.如权利要求4所述的平流层毫米波基站对地信道建模方法，其特征在于，所述Loo模型f_loo,r(r)为：

其中，a是直射径信号幅度，M_dB和Σ_dB是对数正态分布的均值和标准差，

MP_dB是多径分量的功率。

7.如权利要求4所述的平流层毫米波基站对地信道建模方法，其特征在于，

8.一种平流层毫米波基站对地信道建模系统，其特征在于，其包括：

天气影响建模模块，其用于通过计算平流层毫米波基站通信的空间段对地面接收端的用户信道的天气影响c_w(t)，以将空间段的空间天气条件对平流层毫米波信号的影响建模成高斯分布模型，其中，通过计算不同天气对平流层毫米波信号的幅度和相位影响，来获取c_w(t)；

地面环境影响建模模块，其用于通过计算平流层毫米波基站通信的地面段对地面接收端的用户信道的地面环境影响c_β(t)，以将地面段的地面环境对平流层毫米波信号的影响建模成三状态一阶Markov模型，其中，通过计算所述平流层毫米波信号在经历空间传输后、到达地面接收端周围时，受所述接收端所处环境的影响，来获取c_β(t)；

联合影响建模模块，其用于通过计算平流层毫米波基站通信信道模型中的联合影响c_total(r)，以完成平流层毫米波基站对地通信信道模型的建模，其中，假设平流层毫米波基站通信空间段与地面段对用户信道的影响彼此独立，令c_total(r)＝c_β(r)c_w(r)。

9.如权利要求8所述的平流层毫米波基站对地信道建模系统，其特征在于，所述平流层毫米波基站对地信道建模系统采用如权利要求1至7中任意一项所述的平流层毫米波基站对地信道建模方法。

10.一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7中任意一项所述的平流层毫米波基站对地信道建模方法的步骤。

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