CN110730047A - 一种信道仿真模型检验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种信道仿真模型检验方法及装置，应用于天波传播场景，所述方法包括：根据实际应用场景，对天波多跳的每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型，利用所有单跳信道衰落仿真模型进行信号衰落仿真，得到多跳仿真结果；将多跳仿真结果与基本传播损耗模型输出的待检验仿真结果进行对比，以对基本传播损耗模型进行校准，用于指导基本传播损耗模型的模型优化和参数调整。该方法可在成本、时间可控的情况下，准确检验天波多跳传播的信道建模仿真的有效性，在实验室条件下验证基本传输损耗模型的适用性和信号特性的差异，通过调节模型和优化模型参数从而真实模拟和重现天波多跳传播的信道特征，完成短波通信终端的性能指标综合评估和分析验证。

Description

一种信道仿真模型检验方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地说，涉及一种信道仿真模型检验方法及装置。

背景技术

目前，短波通信，又称高频通信，依靠3～30MHz的电磁波进行信号传输，是被广泛应用的无线通信方式，至今仍是中远距离通信的重要手段。作为短波通信的主要传播模式，天波传播的单跳通信距离通常在2000-4000公里以内，如图1所示；要想实现超远距离的通信覆盖，需要利用多跳反射传播，如图2所示。

目前短波电波传播的理论比较成熟，电波传播的场强预测模型已有多种，但这些模型大多是在基本传输损耗模型的基础上，基于特定区域和地形条件下测得的现场实测数据，经过数值统计获得的经验公式，运用到天波传播时，并未充分考虑天波传播的地理特征差异、电离层特性和气候条件等，同时也不能完全体现多跳传播中地面反射引入的多径干扰、多普勒效应等小尺度衰落影响，其所建模型仅限于理论分析阶段，和实际传播场景有区别。

现有的场强预测模型虽然能够满足仿真的实时性要求，但由于每次的实际场景与使用的场强预测模型所模拟场景在地理特征、气候条件等方面的差异，导致最终仿真结果与实际场景不匹配。而目前还没有一种简单有效的检验方法，能够体现各场景下天波传播中每一跳传播对信号的传输损耗，从而检验和调整依据理论所建的基本传输损耗模型的适用性和信号特性差异。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于在成本、时间可控的情况下，准确检验天波多跳传播的信道建模仿真的有效性，在实验室条件下验证基本传输损耗模型的适用性和信号特性的差异，通过调节模型和优化模型参数从而真实模拟和重现天波多跳传播的信道特征，完成短波通信终端的性能指标综合评估和分析验证。

为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

本发明实施例提供一种信道仿真模型检验方法，应用于天波传播场景，包括：

确定天波传播的传播模式，所述传播模式包括单跳传播和多跳传播；

在确定出所述传播模式为多跳传播时，根据发射仰角确定跳数和每一跳的反射位置；

根据实际应用场景、跳数和每一跳的反射位置，对每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型；

利用所建立的所有单跳信道衰落仿真模型对仿真输入信号进行信号衰落仿真，得到多跳仿真结果，其中，前一跳的单跳信道衰落仿真模型的输出结果作为后一跳的单跳信道衰落仿真模型的输入；

将所述仿真输入信号输入基本传播损耗模型，得到待检验仿真结果；

将所述多跳仿真结果与所述待检验仿真结果进行对比，以对所述基本传播损耗模型进行校准。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述确定天波传播的传播模式，包括：

根据收发端的经纬度确定总地表大圆距离；

当所述总地表大圆距离大于4000km时，所述传播模式为多跳传播；

当所述总地表大圆距离小于2000km时，所述传播模式为单跳传播；

当所述总地表大圆距离介于2000km至4000km之间时，根据实际应用场景确定所述传播模式。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，根据发射仰角确定跳数和每一跳的反射位置，包括：

根据F2层平均反射高度查表得到相应的电离层反射高度；

根据所述电离层反射高度和所述发射仰角，确定电离层反射位置和地面反射位置；

依据所述电离层反射位置和所述地面反射位置确定每一跳地表大圆距离；

根据所述总地表大圆距离和所述每一跳地表大圆距离确定跳数。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述根据实际应用场景、跳数和每一跳的反射位置，对每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型，包括：

若反射位置在电离层，根据电离层吸收损耗模型和电离层反射信道的小尺度衰落模型，建立相应的单跳信道衰落仿真模型；每一跳的电离层吸收损耗模型根据如下公式建立：

其中，La为电离层吸收损耗，n为跳数；θ₀为100km高度处的入射角；f为所述仿真输入信号的频率；f_H为100km高度处的磁旋谐振频率的平均值；I为吸收系数，依据吸收系数列线图确定。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述根据实际应用场景、跳数和每一跳的反射位置，对每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型，还包括：

若反射位置在地面，进一步判断反射点类别，所述反射点类别包括陆地和海平面；

若所述反射点类别为陆地，则根据陆地反射影响因素、地表面反射信道建模理论和小尺度衰落建模理论，建立相应的单跳信道衰落仿真模型；

若所述反射点类别为海平面，则根据海平面反射影响因素、地表面反射信道建模理论和小尺度衰落建模理论，建立相应的单跳信道衰落仿真模型；

其中，所述陆地反射影响因素包括地面电导率、陆地介电常数、地面反射系数、地球曲率半径、电波入射角、地面粗糙度；所述海平面反射影响因素包括海水电导率、海水介电常数、镜面反射系数、地球曲率半径、电波入射角。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述将所述多跳仿真结果与所述待检验仿真结果进行对比，以对所述基本传播损耗模型进行校准，包括：

将所述多跳仿真结果和所述待检验仿真结果的统计特性参数作比对，得到差异值；

若所述差异值大于预设阈值，则调整所述基本传播损耗模型的参数。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述统计特性参数包括信号的功率中值、衰落深度和速度中的一个或者多个。

本发明实施例还提供一种信道仿真模拟检验装置，应用于天波传播场景，包括：

第一确定模块：用于确定天波传播的传播模式，所述传播模式包括单跳传播和多跳传播；

第二确定模块：用于在确定出所述传播模式为多跳传播时，根据发射仰角确定跳数和每一跳的反射位置；

仿真模型建立模块：用于根据实际应用场景、所述跳数和每一跳的反射位置，对每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型；

仿真结果计算模块：用于利用所建立的所有单跳信道衰落仿真模型对仿真输入信号进行信号衰落仿真，得到多跳仿真结果，其中，前一跳的单跳信道衰落仿真模型的输出结果作为后一跳单跳信道衰落仿真模型的输入；

待检验仿真结果计算模块：用于将所述仿真输入信号输入基本传播损耗模型，得到待检验仿真结果；

模型校准模块：用于将所述多跳仿真结果与所述待检验仿真结果进行对比，以对所述基本传播损耗模型进行校准。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述第一确定模块包括：

总地表大圆距离确定单元：用于依据收发端的经纬度确定总地表大圆距离；

传播模式确定单元：用于当所述地表总大圆距离大于4000km时，将所述传播模式确定为多跳传播；当所述地表总大圆距离小于2000km时，将所述传播模式确定为单跳传播；当所述总地表大圆距离介于2000km至4000km之间时，根据实际应用场景确定所述传播模式。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述第二确定模块包括：

电离层反射高度确定单元：用于根据F2层平均反射高度查表得到相应的电离层反射高度；

多跳传播反射位置确定单元：用于根据所述电离层反射高度和所述发射仰角，确定电离层反射位置和地面反射位置；

每一跳大圆距离确定单元：若所述传播模式为多跳传播，所述每一跳大圆距离确定模块用于依据所述电离层反射位置和所述地面反射位置确定每一跳地表大圆距离；

跳数确定单元：用于根据所述每一跳地表大圆距离和所述总地表大圆距离确定跳数。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述仿真模型建立模块，包括：

第一模型建立单元：用于若反射位置在电离层，根据电离层吸收损耗模型和电离层反射信道的小尺度衰落模型，建立相应的单跳信道衰落仿真模型；每一跳的电离层吸收损耗模型根据如下公式建立：

其中，La为电离层吸收损耗，n为跳数；θ₀为100km高度处的入射角；f为所述仿真输入信号的频率；f_H为100km高度处的磁旋谐振频率的平均值；I为吸收系数，依据吸收系数列线图确定。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述仿真模型建立模块，还包括：

类别判断单元：用于若反射位置在地面，进一步判断反射点类别，所述反射点类别包括陆地和海平面；

第二建立单元：用于若所述反射点类别为陆地，则根据陆地反射影响因素、地表面反射信道建模理论和小尺度衰落建模理论，建立相应的单跳信道衰落仿真模型；若所述反射点类别为海平面，则根据海平面反射影响因素、地表面反射信道建模理论和小尺度衰落建模理论，建立相应的单跳信道衰落仿真模型；其中，所述陆地反射影响因素包括地面电导率、陆地介电常数、地面反射系数、地球曲率半径、电波入射角、地面粗糙度；所述海平面反射影响因素包括海水电导率、海水介电常数、镜面反射系数、地球曲率半径、电波入射角。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述仿真校准模块，包括：

比对单元：用于将所述多跳仿真结果和所述待检验仿真结果的统计特性参数作比对，得到差异值；

调整单元：用于若所述差异值大于预设阈值，则调整所述基本传播损耗模型的参数。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述统计特性参数包括信号的功率中值、衰落深度和速度中的一个或者多个。

本发明提出的信道仿真模型检验方法，根据实际应用场景，确定天波传播的传播模式，在确定出所述传播模式为多跳传播时，根据发射仰角确定跳数和每一跳的反射位置，进一步对每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型；利用所建立的所有单跳信道衰落仿真模型对仿真输入信号进行信号衰落仿真，得到多跳仿真结果，与依据相同的仿真输入信号建立的基本传播损耗模型输出的待检验仿真结果进行对比，以对所述基本传播损耗模型进行校准，用于指导基本传播损耗模型的模型优化和参数调整。该检验方法能有效地反映实际天波多跳传播的信道特性，更为准确的体现每一跳的传播模型所带来的传输损耗，为天波传播的性能评估提供了判定依据，从而可检验依据理论所建的基本传输损耗模型的适用性，并对基本理论模型存在的偏差进行及时调整，该方法可在成本、时间可控的情况下，准确检验天波多跳传播的信道建模仿真的有效性，在实验室条件下验证基本传输损耗模型的适用性和信号特性的差异，通过调节模型和优化模型参数从而真实模拟和重现天波多跳传播的信道特征，完成短波通信终端的性能指标综合评估和分析验证。

同时，该方法并不局限于信道仿真的检验，其思想可用于信道建模的半实物仿真中，通过依次配置多个仿真文件的方式，实现动态轨迹的信道建模仿真，从而方便信道建模领域的技术人员能够模拟不同通信场景的信道特征，具有较强的可扩展性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的几种示例性的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为一种天波传播方式为单跳反射的原理图；

图2为一种天波传播方式为多跳反射的原理图；

图3为本发明实施例提出一种信道仿真模型检验方法；

图4为本发明实施例提出又一种信道仿真模型检验方法；

图5为本发明实施例提出又一种信道仿真模型检验方法；

图6为本发明实施例提出又一种信道仿真模型检验方法；

图7为本发明实施例提出一种信道仿真模型检验装置原理图；

图8为第一确定模块的原理图；

图9为第二确定模块的原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的一个实施例提出的信道仿真模型检验方法，如图3所示，包括：

步骤S1：确定天波传播的传播模式，所述传播模式包括单跳传播和多跳传播。

天波传播主要通过电离层反射完成，电离层是由地球处于不同高度的4个导电层组成，如图1所述，这4个导电层分别称为D层、E层、F1层和F2层，其中，D层的电离层反射高度介于60至90km之间，E层的电离层反射高度介于90至150km之间，F层的电离层反射高度介于150至450km之间。一般而言，E层反射的一跳最远距离约为2000km，F层反射的一跳最远距离约为4000km。而要达到更远的传输距离，只能通过多跳传播才能到达接收点，如图2所示。因此，天波的实际传播距离大小是与传播模式密切相关的，因此天波传播需要首先确定传播模式。

在天波传播的传播模式为单跳传播时，即认为天波经电离层一次反射即到达接收点，此时，反射位置为电离层反射高度对应的大圆中点，即图1中的G1。

步骤S2：在确定出所述传播模式为多跳传播时，根据发射仰角确定跳数和每一跳的反射位置。

当传播模式为多跳传播时，需要根据发射仰角进一步确定每一跳的反射位置和跳数，如图2所示。

步骤S3：根据实际应用场景、跳数和每一跳的反射位置，对每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型。

天波传播的应用场景包括空地传播特性、电离层反射特性、地表地理特征、信道环境的气候因素等，信道建模时要针对具体的通信场景(即实际应用场景)分析。

对于天波多跳中的每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型，即是根据实际的应用场景，针对天波多跳中的每一跳的反射位置、反射高度、传播频率等因素进行针对性的建模，使得每一跳的仿真结果更接近真实状态，避免由于实际场景与使用的场强预测模型所模拟场景在地理特征、气候条件等方面的差异，导致现有的场强预测模型输出结果与实际场景不匹配。

步骤S4：利用所建立的所有单跳信道衰落仿真模型对仿真输入信号进行信号衰落仿真，得到多跳仿真结果，其中，前一跳的单跳信道衰落仿真模型的输出结果作为后一跳单跳信道衰落仿真模型的输入。

如图2所示，第一跳的仿真输入信号，即为发射信号源；后续每一跳的输入信号，就是前一跳的输出结果，将按照步骤S3建立的单跳信道衰落仿真模型输出的吸收损耗相加求和，即为某时刻的总吸收损耗，即多跳仿真结果，从而实现发射信号经过多跳传播的完整的信道仿真过程。

步骤S5：将所述仿真输入信号输入基本传播损耗模型，得到待检验仿真结果。

将建立单跳信道仿真模型所依据的仿真输入信号输入至基本传播损耗模型，保证单跳信道仿真模型的多跳仿真结果和基本传播损耗模型输出待检验仿真结果有相同的输入信号。

步骤S5：将所述多跳仿真结果与所述待检验仿真结果进行对比，以对所述基本传播损耗模型进行校准。

将多跳仿真结果和依据理论建模得到的基本传播损耗模型的待检验仿真结构进行比较，分析二者输出信号存在的差异，用于调整和优化基本传播损耗模型。

本发明提出的信道仿真模型检验方法，根据实际应用场景，确定天波传播的传播模式；在确定出所述传播模式为多跳传播时，根据发射仰角确定跳数和每一跳的反射位置，进一步对每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型；利用所建立的所有单跳信道衰落仿真模型对仿真输入信号进行信号衰落仿真，得到多跳仿真结果，与依据相同的仿真输入信号建立的基本传播损耗模型输出的待检验仿真结果进行对比，以对所述基本传播损耗模型进行校准，用于指导基本传播损耗模型的模型优化和参数调整。该检验方法能有效地反映实际天波多跳传播的信道特性，更为准确的体现每一跳的传播模型所带来的传输损耗，为天波传播的性能评估提供了判定依据，从而可检验依据理论所建的基本传输损耗模型的适用性，并对基本理论模型存在的偏差进行及时调整。

同时，该方法并不局限于信道仿真的检验，其思想可用于信道建模的半实物仿真中，通过依次配置多个仿真文件的方式，实现动态轨迹的信道建模仿真，从而方便信道建模领域的技术人员能够模拟不同通信场景的信道特征，具有较强的可扩展性。

在本发明的一个实施例中，步骤S1中可依据收发端所对应的总地表大圆距离确定传播模式，具体实现方式如下：

根据短波通信理论，如果已知发射点A的地理经纬度(x₁,y₁)和接收点B的地理经纬度(x₂,y₂)，则求出总地表大圆距离D，即图1和图2中AB之间的弧线总长为：

D＝α×111.17km (1)

式中，x₁,x₂为纬度值，y₁,y₂为经度值，α是A、B两点分别向地球中心的连线后所形成的地球中心夹角，单位：°(度)，α从下式中得到：

cosα＝sinx₁·sinx₂+cosx₁·cosx₂·cos(y₁-y₂) (2)

其中，北纬纬度取正值，南纬纬度取负值，(y₁-y₂)为收发两点间的经度间隔。

当计算出总地表大圆距离D时，可按D的大小选择传播模式。当0<D<2000km时，属于近距离天波传播，则认为电波是经E层或F2层一次反射，即单跳反射，反射点为电离层反射高度对应的大圆中点，如图1所示。在一般情况下，远距离短波通信都选用F2层作反射层；当2000km≤D≤4000km时，则认为电波是经F2层1次或2次反射得到，具体为1次还是2次反射根据实际应用场景而定。而当D>4000km时，电波通常要经过几次反射才能到达接收点，则认为是经过F2层的多次反射得到，如图2所示，即多跳传播。

需要说明的是，确定传播模式的主要目的是判断天波传播属于多跳还是单跳反射，具体反射点处于哪个电离层等信息。上述依据收发点经纬度确定传播模式仅是一种示例性方式，实际上也可依据收发端的实际传播距离等参数确定，本发明对传播模式的确定方式不做限定。

在本发明的一个实施例中，如图4所示，步骤S2可包括如下步骤：

步骤S21：根据F2层平均反射高度表查表得到相应的电离层反射高度h_e。

步骤S22：根据电离层反射高度和发射仰角，确定电离层反射位置和地面反射位置。

若为多跳反射，利用发射信号仰角计算公式，并根据F2层平均反射高度表查表得到相应的电离层反射高度h_e，从而确定每跳的电离层反射位置，实现过程如下：

如图1，A点为发射点，B点为接收点，G₁为电离层反射点，单跳反射存在以下几何关系，

式中，θ是发射点位置和电离层反射点的夹角，即反射角；α是发射和接收两点分别向地球中心的连线后所形成的地球中心夹角；Δ是发射信号的仰角，即发射信号与地球切线方向的夹角。

通过上式可解算出仰角Δ，

同时，参见图1，可确定单跳收发点A与B之间的有效几何路径长度：

式中，D_e即图1中的AG₁与G₁B的线段长度之和，单位Km；h_e是电离层反射高度，根据F2层平均反射高度表查表得到，单位Km；R是地球半径(以6370Km计)。

假设每跳的反射点是对称分布(符合电磁波反射定律)，依据发射信号仰角Δ可推算出反射角，即图1中θ，根据几何关系可确定每跳的地面反射位置，如图2中所示，G1、G2、G3为电离层反射位置，C1、C2为地面反射位置。

步骤S23：依据所述电离层反射位置和所述地面反射位置确定每一跳地表大圆距离。

当确定了各个反射点的位置，即可依据公式(1)确定每一跳地表大圆距离。

步骤S24：根据所述总地表大圆距离和所述每一跳地表大圆距离确定跳数；

结合地球半径R及每一跳大圆距离，再和按照公式(1)得出的发射点与接收点间地表传播总大圆距离D对照，得到发射电波到达接收点所需的跳数n。

除此之外，可根据上述参数计算出发射点和接收点之间的有效几何路径D_en：

根据上述反射点位置及公式(5)可确定每跳收发点之间的有效几何路径长度D_e，从而进一步确定多跳的有效几何路径长度D_en，例如图2中的天波多跳是从发射点至接收点经过3跳完成，因此总的有效几何路径长度D_en：

D_en＝D_e1+D_e2+D_e3＝AG₁+G₁C₁+C₁G₂+G₂C₂+C₂G₃+G₃B (6)

需要说明的是，上述是依据单跳传播距离和多跳传播总距离计算跳数和每一跳的位置，仅为一种示例性实现方式，能最真实的反映天波多跳的传播情况；实际上还包含其他方式，例如可根据多种天波多跳的实际应用场景，预先建立传播场景-传播距离-跳数及位置的对应关系表，在计算时通过查表的方式直接得到，节省人力和时间成本。本发明对跳数及每一跳的位置的实际确定方式不做限定。

传统的采用基本传播损耗模型进行估算时，通常忽略了陆地反射和海面反射等不同的地表情况带来的损耗差异，采用总吸收损耗用跳数n乘以每跳的吸收损耗来做近似计算。

本发明提出的检测方法与这种近似计算方法有所区别。通过依次对每一跳的地面反射传播区分具体的反射点位置位于陆地还是海平面，并进行针对性的建模，使得检测方法考虑了不同的地面反射情况和参数估值，从而保证多跳地面反射损耗的精确估算，在本发明的一个实施例中，单跳信道衰落仿真模型的建立过程如下：

(1)若反射点位置在地面

将地面反射损耗分为陆地反射和海面反射两种情况，陆地反射情况的影响因素包括着地面电导率、陆地介电常数、地面反射系数、地球曲率半径、电波入射角、地面粗糙度等；海面反射的影响因素包括海水电导率、海水介电常数、镜面反射系数、地球曲率半径、电波入射角等；综合上述所有的反射因素，结合每一跳反射点的位置，利用成熟的地表面反射信道建模理论和小尺度衰落建模方法，就可以分别对陆地反射和海面反射建立单跳仿真衰落模型。

(2)若反射点位置在电离层

电离层是天波传播最主要的反射媒介，因此电离层的结构、特性、变化规律对天波通信的构成、信号形式、调制样式、处理方式及应用范围都有重大影响。电离层的密度随昼夜、季节、太阳活动周期和经纬度变化而变化，不同的电离层也会因此具有不同的最高可用频率。因此传输损耗也是时间、季节、经纬度位置、地形等诸多实时变化因素的函数，精确计算非常困难，工程中常采用插值查表的方法求得接收场强。

由于工程上使用的这种查表求值的方法很难在仿真中实现，需要建立庞大的数据库，所以短波通信工程上常采用半经验公式求解。电离层吸收损耗La(电离层吸收损耗模型)，一般分为非偏移吸收和偏移吸收两种，前者是指电离层D、E区域的吸收，后者是指反射区附近遭受的吸收。一般偏移吸收损耗极小(≤1dB)可以忽略，而非偏移吸收损耗的计算相当复杂，工程中常利用半经验公式，

式中，n是跳数；θ₀是100km高度处的入射角；f为所述仿真输入信号的频率；f_H是100km高度处的磁旋谐振频率的平均值(MHz)。其中，每一跳的吸收系数I_i如下求解：

I_i＝(1+0.0037R₁₂)(cos0.881χ_i)^1.3 (8)

上式中，χ_i是穿透吸收区的太阳天顶角平均值；R₁₂是12个月太阳黑子的流动平均值。工程上常利用吸收指数列线图和电离层吸收损耗计算图得到La。

通过电离层吸收损耗特性分析，再选择适用于电离层反射信道的小尺度衰落模型及参数，利用目前成熟的电离层吸收损耗模型理论和经典的小尺度衰落建模方法，就可以对电离层反射信道进行大/小尺度衰落建模。

需要说明的是，单跳传播模型的小尺度衰落建模，反映了信号在空间域或时间域传播时接收场强的快速随机波动，在通信信号传输过程中信号幅度、相位或多径时延发生的快速变化，使得无线信道在时间、频率和角度域造成了色散。小尺度衰落建模主要考虑信道的多径传播、时延特性、多普勒谱、角度扩展等影响因素。

当建立完成每一跳的单跳信道仿真模型后，步骤S4包括：利用所建立的所有单跳信道衰落仿真模型对仿真输入信号进行信号衰落仿真，得到多跳仿真结果，其中，前一跳的单跳信道衰落仿真模型的输出结果作为后一跳单跳信道衰落仿真模型的输入，即：

将各跳的吸收损耗相加求和，即为某时刻的总吸收损耗。

由于此检验方法是针对每一跳的传播模型(即单跳信道衰落仿真模型)进行单独建模，因此应该按照上述方法逐一求出各跳的吸收损耗，再通过相加的方式求出总的吸收损耗。

参见图5，在本发明的一个实施例中，可通过模型管理软件来配置，包括如下步骤：

步骤S41：将天波多跳传播的每一跳传播模型和相应的模型参数传给模型配置管理软件；

步骤S42：依次配置单跳的信道模型和模型参数；

收到全部跳数的传播模型后，模型配置管理软件开始依次配置单跳的信道模型和模型参数；

步骤S43：配置好信道模型和参数后，对输入信号进行单跳信道衰落模型仿真；

每一跳完成信道仿真后，给配置管理软件一个单跳结束的确认信号，收到确认信号后，软件配置下一跳的信道模型，同时将输出信号反馈到输入端作为下一跳的输入。直到最后一跳的信道仿真结束后，输出最终的仿真结果，即为多跳仿真结果。

利用同样的仿真输入信号建立基本传播损耗模型，得到待检验仿真结果，即可利用多跳仿真结果对待检验仿真结果进行校准。

天波多跳传播的电离层是随时空变化的有耗媒质，有很多因素对传输损耗及接收点场强是有影响的，电离层反射损耗远小于地波，但其电离层特性的时变性以及多跳传播中地表面反射信道受到的多径干扰、多普勒效应等影响，使得天波多跳传播过程中信道参数随时间急剧变化。影响场强预测的因素有很多,除了发射功率、发射频率、天线增益等发射机的指标因素外,还有自由空间路径损耗、电离层吸收损耗、多跳地面反射损耗、额外系统损耗等链路损耗的因素。

依据已有的预测场强结论可知，天波传播的基本传播损耗主要包括：自由空间传播损耗、电离层的吸收损耗、多跳地面反射损耗、系统损耗和极化耦合损耗等，目前能够计算的损耗只有自由空间传播损耗、电离层非偏移吸收损耗和多跳地面反射损耗，而其他各项损耗合并统称为“额外系统损耗”，分别叙述如下：

(1)自由空间传输损耗Lbf

自由空间传输损耗是逐渐远离发射点的传播能量在空间扩散所引起的。自由空间是一种理想的传播介质，电磁波在介质中传播时不存在反射，绕射，散射和电磁波吸收等干扰的现象。自由空间传播损耗实际上就是计算电波沿直射径传输的路径损耗。根据收发天线高度、地球等效半径等计算LOS(lineofsight，视线传输)直射径的视距，结合电磁波频率计算自由空间路径损耗，并考虑气候影响因素带来的附加衰减。其计算公式如下：

Lbf＝32.45+20lgf(MHz)+20lgr(Km) (9)

其中，f为信号频率，r为总的有效几何路径长度，即D_en，由公式(6)计算得到。

(2)多跳地面反射损耗Lg

基本传播损耗模型估算时，通常忽略了陆地反射和海面反射等不同的地表面情况带来的损耗差异，总吸收损耗用跳数n乘以每跳的吸收损耗来做近似计算。

(3)电离层吸收损耗La

电离层吸收损耗的计算方法参照公式(7)，这里不再详述。

(4)额外系统损耗Yb

额外系统损耗Yb，是指除了以上三种损耗以外，由于其它原因而引起的损耗。现有文献和研究中显示，额外系统损耗不是一个稳定的参数，它的数值与地磁纬度、季节、本地时间、路径长度等都有关系，准确计算其损耗值非常困难。工程计算中，通常用经过反复校核的统计值来进行估算或列表查询。

依据上述原理即可建立基本传播损耗模型，当基本传播损耗模型所输出的待检验仿真结果与多跳仿真结果差别较大，可按照下述方式校正，即：

依据模型管理软件输出的多跳仿真结果对基本损耗模型进行校正，参见图6，具体包括：

步骤S51：将多跳仿真结果和待检验仿真结果的统计特性参数作比对，得到差异值；

在本发明的一个实施例中，将多跳仿真结果和待检验仿真结果输出信号的二阶统计特性参数进行比较，得到二者的差异值。所述二阶统计特性参数括但不限于信号的功率中值、衰落深度和速度等二阶统计特性参数中的一个或者多个，比较二阶统计特性参数的主要目的是为了评价基本传播损耗模型的输出结果与多跳仿真结果的偏离程度，实际上，任何能反映二者差异性的统计参数均能作为提取的目标参数，本发明对所选取的参数种类不做限定。

步骤S52：判断差异值是否大于预设阈值，若是，执行步骤S53；

步骤S53：调整所述基本传播损耗模型的参数；

当统计参数的差异值大于预设阈值，则认为基本传播模型的参数选择不合理，无法真实反映实际的传播损耗，因此，需要针对模型中的参数进行调整，直至上述多跳仿真结果与待检验仿真结果的二阶统计特性参数的差异值小于等于预设阈值，即认为基本传播损耗模型校准完成。

需要说明的是，上述预设阈值可依据统计结果或者实际工程经验具体设置。当所选择的二阶统计特性参数为多个时，对应的预设阈值也为多个，每个所选择的二阶统计特性参数种类对应着一个预设阈值。

本发明提出一种信道仿真模型检验方法及装置，应用于天波传播场景，所述方法包括：根据实际应用场景，对天波多跳的每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型，利用所有单跳信道衰落仿真模型进行信号衰落仿真，得到多跳仿真结果；将多跳仿真结果与基本传播损耗模型输出的待检验仿真结果进行对比，以对基本传播损耗模型进行校准，用于指导基本传播损耗模型的模型优化和参数调整。该方法可在成本、时间可控的情况下，准确检验天波多跳传播的信道建模仿真的有效性，在实验室条件下验证基本传输损耗模型的适用性和信号特性的差异，通过调节模型和优化模型参数从而真实模拟和重现天波多跳传播的信道特征，完成短波通信终端的性能指标综合评估和分析验证。

同时，该方法并不局限于信道仿真的检验，其思想可用于信道建模的半实物仿真中，通过依次配置多个仿真文件的方式，实现动态轨迹的信道建模仿真，从而方便信道建模领域的技术人员能够模拟不同通信场景的信道特征，具有较强的可扩展性。

参见图7，相对于上面的方法实施例，本发明还提出了一种信道仿真模拟检验装置，用于执行前述实施例中的信道仿真模拟检验方法，包括：

第一确定模块10：用于确定天波传播的传播模式，所述传播模式包括单跳传播和多跳传播；

第二确定模块20：用于当所述第一确定模块确定所述传播模式为多跳传播时，根据所述传播模式和发射仰角确定跳数和每一跳的反射位置；

仿真模型建立模块30：用于根据实际应用场景、所述跳数和每一跳的反射位置，对每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型；

仿真结果计算模块40：用于利用所建立的所有单跳信道衰落仿真模型对仿真输入信号进行信号衰落仿真，得到多跳仿真结果，其中，前一跳的单跳信道衰落仿真模型的输出结果作为后一跳单跳信道衰落仿真模型的输入；

待检验仿真结果计算模块50：用于将所述仿真输入信号输入基本传播损耗模型，得到待检验仿真结果；

模型校准模块60：用于将所述多跳仿真结果与所述待检验仿真结果进行对比，以对所述基本传播损耗模型进行校准。

参见图8，在本发明的另一实施例中，上述第一确定模块10具体包括：

总地表大圆距离确定单元101：用于依据收发端的经纬度确定总地表大圆距离；

传播模式确定单元102：用于当所述地表总大圆距离大于4000km时，将所述传播模式确定为多跳传播；当所述地表总大圆距离小于2000km时，将所述传播模式确定为单跳传播；当所述总地表大圆距离介于2000km至4000km之间时，根据实际应用场景确定所述传播模式。

参见图9，在本发明的另一实施例中，上述第二确定模块20具体包括：

电离层反射高度确定单元201：用于根据F2层平均反射高度查表得到相应的电离层反射高度；

多跳传播反射位置确定单元202：用于根据所述电离层反射高度和所述发射仰角，确定电离层反射位置和地面反射位置；

每一跳大圆距离确定单元203：若所述传播模式为多跳传播，所述跳数确定模块用于依据电离层反射位置、地面反射位置确定每一跳地表大圆距离；

跳数确定单元204：用于根据所述每一跳地表大圆距离和所述总地表大圆距离，确定跳数。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述仿真模型建立模块，包括：

第一模型建立单元：用于若反射位置在电离层，根据电离层吸收损耗模型和电离层反射信道的小尺度衰落模型，建立相应的单跳信道衰落仿真模型；每一跳的电离层吸收损耗模型根据如下公式建立：

其中，La为电离层吸收损耗，n为跳数；θ₀为100km高度处的入射角；f为所述仿真输入信号的频率；f_H为100km高度处的磁旋谐振频率的平均值；I为吸收系数，依据吸收系数列线图确定。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述仿真模型建立模块，还包括：

类别判断单元：用于若反射位置在地面，进一步判断反射点类别，所述反射点类别包括陆地和海平面；

第二建立单元：用于若所述反射点类别为陆地，则根据陆地反射影响因素、地表面反射信道建模理论和小尺度衰落建模理论，建立相应的单跳信道衰落仿真模型；若所述反射点类别为海平面，则根据海平面反射影响因素、地表面反射信道建模理论和小尺度衰落建模理论，建立相应的单跳信道衰落仿真模型；其中，所述陆地反射影响因素包括地面电导率、陆地介电常数、地面反射系数、地球曲率半径、电波入射角、地面粗糙度；所述海平面反射影响因素包括海水电导率、海水介电常数、镜面反射系数、地球曲率半径、电波入射角。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述仿真校准模块，包括：

比对单元：用于将所述多跳仿真结果和所述待检验仿真结果的统计特性参数作比对，得到差异值；

调整单元：用于若所述差异值大于预设阈值，则调整所述基本传播损耗模型的参数。

可选的，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述统计特性参数包括信号的功率中值、衰落深度和速度中的一个或者多个。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种信道仿真模型检验方法，应用于天波传播场景，其特征在于，包括：

确定天波传播的传播模式，所述传播模式包括单跳传播和多跳传播；

在确定出所述传播模式为多跳传播时，根据发射仰角确定跳数和每一跳的反射位置；

根据实际应用场景、跳数和每一跳的反射位置，对每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型；

利用所建立的所有单跳信道衰落仿真模型对仿真输入信号进行信号衰落仿真，得到多跳仿真结果，其中，前一跳的单跳信道衰落仿真模型的输出结果作为后一跳的单跳信道衰落仿真模型的输入；

将所述仿真输入信号输入基本传播损耗模型，得到待检验仿真结果；

将所述多跳仿真结果与所述待检验仿真结果进行对比，以对所述基本传播损耗模型进行校准。

2.根据权利要求1所述的信道仿真模型检验方法，其特征在于，所述确定天波传播的传播模式，包括：

根据收发端的经纬度确定总地表大圆距离；

当所述总地表大圆距离大于4000km时，所述传播模式为多跳传播；

当所述总地表大圆距离小于2000km时，所述传播模式为单跳传播；

当所述总地表大圆距离介于2000km至4000km之间时，根据实际应用场景确定所述传播模式。

3.根据权利要求1所述的信道仿真模型检验方法，其特征在于，根据发射仰角确定跳数和每一跳的反射位置，包括：

根据F2层平均反射高度查表得到相应的电离层反射高度；

根据所述电离层反射高度和所述发射仰角，确定电离层反射位置和地面反射位置；

依据所述电离层反射位置和所述地面反射位置确定每一跳地表大圆距离；

根据所述总地表大圆距离和所述每一跳地表大圆距离确定跳数。

4.根据权利要求1所述的信道仿真模型检验方法，其特征在于，所述根据实际应用场景、跳数和每一跳的反射位置，对每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型，包括：

若反射位置在电离层，根据电离层吸收损耗模型和电离层反射信道的小尺度衰落模型，建立相应的单跳信道衰落仿真模型；每一跳的电离层吸收损耗模型根据如下公式建立：

其中，La为电离层吸收损耗，n为跳数；θ₀为100km高度处的入射角；f为所述仿真输入信号的频率；f_H为100km高度处的磁旋谐振频率的平均值；I为吸收系数，依据吸收系数列线图确定。

5.根据权利要求1至4任一项所述的信道仿真模型检验方法，其特征在于，所述根据实际应用场景、跳数和每一跳的反射位置，对每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型，还包括：

若反射位置在地面，进一步判断反射点类别，所述反射点类别包括陆地和海平面；

若所述反射点类别为陆地，则根据陆地反射影响因素、地表面反射信道建模理论和小尺度衰落建模理论，建立相应的单跳信道衰落仿真模型；

若所述反射点类别为海平面，则根据海平面反射影响因素、地表面反射信道建模理论和小尺度衰落建模理论，建立相应的单跳信道衰落仿真模型；

其中，所述陆地反射影响因素包括地面电导率、陆地介电常数、地面反射系数、地球曲率半径、电波入射角、地面粗糙度；所述海平面反射影响因素包括海水电导率、海水介电常数、镜面反射系数、地球曲率半径、电波入射角。

6.根据权利要求1所述的信道仿真模型检验方法，其特征在于，所述将所述多跳仿真结果与所述待检验仿真结果进行对比，以对所述基本传播损耗模型进行校准，包括：

将所述多跳仿真结果和所述待检验仿真结果的统计特性参数作比对，得到差异值；

若所述差异值大于预设阈值，则调整所述基本传播损耗模型的参数。

7.根据权利要求6所述的信道仿真模型检验方法，其特征在于，所述统计特性参数包括信号的功率中值、衰落深度和速度中的一个或者多个。

8.一种信道仿真模拟检验装置，其特征在于，包括：

第一确定模块：用于确定天波传播的传播模式，所述传播模式包括单跳传播和多跳传播；

第二确定模块：用于在确定出所述传播模式为多跳传播时，根据发射仰角确定跳数和每一跳的反射位置；

仿真模型建立模块：用于根据实际应用场景、所述跳数和每一跳的反射位置，对每一跳单独建立单跳信道衰落仿真模型；

仿真结果计算模块：用于利用所建立的所有单跳信道衰落仿真模型对仿真输入信号进行信号衰落仿真，得到多跳仿真结果，其中，前一跳的单跳信道衰落仿真模型的输出结果作为后一跳单跳信道衰落仿真模型的输入；

待检验仿真结果计算模块：用于将所述仿真输入信号输入基本传播损耗模型，得到待检验仿真结果；

模型校准模块：用于将所述多跳仿真结果与所述待检验仿真结果进行对比，以对所述基本传播损耗模型进行校准。

9.根据权利要求8所述的信道仿真模拟检验装置，其特征在于，所述第一确定模块包括：

总地表大圆距离确定单元：用于依据收发端的经纬度确定总地表大圆距离；

传播模式确定单元：用于当所述地表总大圆距离大于4000km时，将所述传播模式确定为多跳传播；当所述地表总大圆距离小于2000km时，将所述传播模式确定为单跳传播；当所述总地表大圆距离介于2000km至4000km之间时，根据实际应用场景确定所述传播模式。

10.根据权利要求8所述的信道仿真模拟检验装置，其特征在于，所述第二确定模块包括：

电离层反射高度确定单元：用于根据F2层平均反射高度查表得到相应的电离层反射高度；

多跳传播反射位置确定单元：用于根据所述电离层反射高度和所述发射仰角，确定电离层反射位置和地面反射位置；

每一跳大圆距离确定单元：若所述传播模式为多跳传播，所述每一跳大圆距离确定模块用于依据所述电离层反射位置和所述地面反射位置确定每一跳地表大圆距离；

跳数确定模块：用于根据所述每一跳地表大圆距离和所述总地表大圆距离确定跳数。

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