CN112671489B - 基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于短波数据通信技术邻域，具体涉及一种基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法，包括获取飞行器的运行状态；所述飞行器的运行状态包括飞行器的最大移动速度、加速度、机动频率以及运动轨迹；根据飞行器的运行状态和改进的沃特森模型构建短波航空移动信道模型；改进的沃特森模型中通过对信道的多普勒频移进行重新建模，将多普勒频移构建成与运动状态相关的时变多普勒频移；本发明通过研究飞行器的最大移动速度和加速度、机动频率、运动轨迹等因素对短波航空移动信道的影响，将移动场景的复杂性与信道衰落结合起来，反映出短波移动通信的全部特征，对短波航空移动通信系统的进一步的研究有重要的参考价值。

Description

基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法

技术领域

本发明属于短波数据通信技术邻域，具体涉及一种基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法。

背景技术

短波通信(3～30MHz)利用电离层对高频电磁波反射的机理实现长达数千公里的超视距通信，经多次反射可实现全球覆盖，是国家、军队远程通信、移动通信和应急通信的基本手段。在卫星通信系统失效的情况下，短波通信是飞行器超视距远程指挥控制的主要手段，有时甚至是唯一手段。在航空移动通信系统中，当飞行器做变速直线运动或圆周运动时，收发两端的相对运动将会使接收信号产生时变的多普勒频移和扩展。结合短波信道本身随机多径所带来的信号失真和多径时延，使得短波航空移动信道的衰落特性也更加复杂。建立准确而有效的短波航空移动信道模型，能够有效加快技术迭代，降低实验成本，有利于短波通信技术在航空领域的进一步发展和推广应用。

短波传播主要是通过天波传播，依靠电离层反射可以跨越复杂的地形实现数百乃至上千公里的通信。因此，短波信道建模与仿真的研究始于对电离层特性的探究。由于电离层本身的复杂性和时变性，很难用一个准确的模型来描述短波信道，目前典型的两种短波信道模型Watterson模型和ITS模型都是基于实测数据得到的统计性模型。其中Watterson模型采用抽头延迟线结构，实现复杂度相对较低且全面描述了短波信道中的各种特性，所以成为了ITU推荐的短波通信性能测试标准信道模型。

但是由于现有的Watterson模型的功能性不完善，因此，在建立短波信道模型时，其模型结构简单，没有将移动场景的复杂性与信道衰落结合起来，不能的反映出短波移动信道的全部特性。因此，对于短波航空移动信道，缺乏一个标准的信道模型。

发明内容

为解决以上现有技术的问题，本发明提出了一种基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法，该方法包括：获取飞行器的运行状态；所述飞行器的运行状态包括飞行器的最大移动速度、加速度、机动频率以及运动轨迹；根据飞行器的运行状态和改进的Watterson模型构建短波航空移动信道模型；对Watterson模型进行改进包括将Watterson模型中固定的信道多普勒频移转化为与运动状态相关的时变多普勒频移。其中，Watterson模型为沃特森模型。

优选的，时变多普勒频移包括电离层产生的多普勒频移f_iB和相对运动产生的多普勒频移f_iA；将电离层产生的多普勒频移f_iB和相对运动产生的多普勒频移f_iA进行相加，得到短波航空移动信道的多普勒频移。

进一步的，相对运动产生的多普勒频移f_iA的过程包括：

进一步的，短波信道的多普勒频移的公式包括：f_i＝f_iA+f_iB。

优选的，短波航空信道模型中还包括两个带通滤波器；所述两个带通滤波器采用有限长单位冲激响应FIR低通滤波器，将该滤波器的通带设置为所需要滤波器通带的1/2，并采用系数转换公式将FIR低通滤波器的系数转换成FIP带通滤波器的I、Q两路系数。

进一步的，对低通滤波器进行设计的过程包括：设定多普勒扩展为d，噪声采样频率为Fs，在信号截断过程中两个不同频率信号的最小间隔Δf≥d，根据以上信息确定高斯滤波器的阶数N，根据高斯滤波器的阶数求出低通高斯滤波器的系数，完成低通滤波器的设计。

进一步的，确定高斯滤波器的阶数N的公式为：

进一步的，低通高斯滤波器的系数为：

进一步的，系数转换公式包括：

优选的，信号的时变频响为：

本发明结合相对运动多普勒效应的影响对沃特森模型信道模型进行改进，实现了对特定场景下的短波航空移动行动的制定；本发明通过将收发两端相对运动带来的多普勒频移和扩展对模型进行优化，将移动场景的复杂性与信道衰落结合起来，反映出短波移动通信的全部特征，对短波航空移动通信系统的进一步的研究有重要的参考价值。

附图说明

图1为Watterson模型短波信道模型的示意图；

图2为Watterson短波航空移动信道模型的实现框图；

图3为本发明的飞行器轨迹图；

图4为本发明的飞行器速度上限变化图；

图5为本发明的短波航空移动信道子路径的仿真框图；

图6为本发明Watterson短波信道模型的时频图；

图7为本发明的随机生成的航空飞行器的飞行速度图；

图8为本发明的低机动率短波航空移动信道时频图；

图9为本发明的中机动率短波航空移动信道时频图；

图10为本发明的高机动率短波航空移动信道时频图；

图11为本发明的航线轨迹确定下短波航空移动信道仿真图；

图12为本发明的不同运动状态下单路径Watterson模型与航空移动信道模型频谱对比图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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不付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。

一种基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法，包括获取飞行器的运行状态；所述飞行器的运行状态包括飞行器的最大移动速度、加速度、机动频率以及运动轨迹；根据飞行器的运行状态和改进的Watterson模型构建短波航空移动信道模型；对Watterson模型进行改进包括将Watterson模型中固定的信道多普勒频移转化为与运动状态相关的时变多普勒频移。改进的模型适用于短波地空移动通信信道与空空移动通信信道。

短波电离层反射信道在时间和频率上都是时变的，如图1所示，Watterson模型确定了短波信道中的多径传播、衰落、多普勒频移和扩展等各种特性；从图1中可以看出，输入信号经过抽头延迟线后生成多条路径，每个抽头就相当于一种电离层传播模式或路径。抽头增益函数G_i(t)对每路的延迟信号进行调制来模拟信号在传播过程经历的衰落。最后，各路已调信号和加性噪声相加，形成最终的输出信号。

在Watterson模型中对信道进行了以下规定：1)每条路径增益是复高斯随机过程；2)每条路径增益函数是相互独立的；3)每条路径增益对应频谱是两个高斯谱的叠加。根据图2可知路径的抽头增益的表达式为：

G_i(t)＝G_ia(t)exp(j2πf_iat)+G_ib(t)exp(j2πf_ibt)

其中，G_i(t)表示路径i的抽头增益，G_ia(t)和G_ib(t)表示相互独立的复高斯随机过程，其均值为0，其包络服从瑞利分布，其相位服从均匀分布；f_ia表示第i条路径的多普勒频移，f_ib表示第i条路径的多普勒频移，t表示时间。

抽头增益函数的自相关函数为：

C_i(Δt)＝C_ia(0)exp[-2π²σ_ia ²(Δt)²+j2πv_iaΔt]+C_ib(0)exp[-2π²σ_ib ²(Δt)²+j2πv_ibΔt]

其中，C_i(Δt)表示抽头增益函数的自相关函数，Δt表示时间间隔，C_ia(0)表示G_ia(Δt)的自相关函数在Δt＝0时的值，σ_ia表示第i条路径的多普勒扩展，v_ia表示，C_ib(0)表示G_ib(Δt)的自相关函数在Δt＝0时的值，σ_ib表示第i条路径的多普勒扩展，v_ib表示。

根据抽头增益函数的自相关函数求出抽头增益谱函数为：

其中，f_i(f)表示抽头增益谱函数，f表示频率。

当载频较低时，两个磁离子分量的多普勒频移和扩展几乎一致，其功率谱也几乎重合，仿真时往往将其简化成一个。

如图2所示，抽头增益谱函数主要由多普勒频移和多普勒频率扩展决定，并且还需要考虑多径的实现以及实际短波信道存在的各种干扰和噪声。

从图2中可以看出输入信号首先要分别通过两个线性带通滤波器合并生成解析信号。带通滤波器用于去除输入信号中不能通过高频信道的频率分量，希尔伯特变换提供90°相移，用与生成解析信号，便于信号处理。

经过上述处理，信号已经变成了一个复信号。让一个复信号频移Δf相当于时域上乘以e^j2πΔft，假设输入信号为e^j2πft，频移后的信号应为e^j2π(f+Δf)t，由欧拉公式，可以把实部和虚部分开写成下面的形式：

e^j2π(f+Δf)t＝(cos2πftcos2πΔft-sin2πftsin2πΔft)+j(cos2πftsin2πΔft+sin2πftcos2πΔft)

由于高斯白噪声的功率谱服从均匀分布，可以利用高斯滤波器对高斯白噪声进行滤波，得到具有高斯功率谱的噪声序列，再与输入信号相乘，从数字信号处理角度来看，两个信号在时域做乘法运算，相当于在频域做卷积运算，即可实现频谱扩展。

优选的，带通滤波器的设计包括：设计有限长单位冲激响应FIR低通滤波器，将该滤波器的通带设置为所需要滤波器通带的1/2；采用系数转换公式将FIR低通滤波器的系数转换成FIP带通滤波器的I、Q两路系数，完成带通滤波器的设计。

所述系数转换公式包括：

其中，h_IBP(n)表示n阶FIR低通滤波器的I路系数，n表示低通滤波器的阶数，h_LP(n)表示n阶FIR低通滤波器的系数，f₀表示通带中心频率，N表示滤波器阶数，T表示采样周期，h_QBP(n)表示n阶FIR低通滤波器的Q路系数。

设计的低通滤波器的过程包括：设定多普勒扩展为d，噪声采样频率为Fs，在信号截断过程中两个不同频率信号的最小间隔Δf≥d，根据以上信息确定高斯滤波器的阶数N，根据高斯滤波器的阶数求出低通高斯滤波器的系数，完成低通滤波器的设计。

确定高斯滤波器的阶数N的公式为：

其中，K表示滤波器质量因子，Fs表示噪声采样频率，d表示多普勒扩展，

表示向下取整。

低通高斯滤波器的系数为：

其中，σ表示高斯滤波器宽度，n表示高斯滤波器第几个系数，N表示高斯滤波器的阶数，且

为保证信号通过不同扩展后，整个系统保持一个恒定的功率带宽,高斯白噪声序列滤波前必须附加一个额外增益：

其中Fs为采样频率，K_ENB为当多普勒扩展为1Hz时的等效噪声带宽,通过计算为常数0.626657。

在进行信号处理的过程中需要对噪声进行处理，计算输入信号的噪声均方根值的公式为：

其中，x_i表示输入信号或噪声的采样，N表示采样点数。

系统的信噪比可表示为：

其中，G_s表示信号增益系数，G_n表示噪声增益系数，RMS_s表示输入信号的均方根值，RMS_n表示噪声的均方根值。

传统的短波信道模型往往忽略了由收发两端相对运动带来的多普勒效应的影响对于短波航空信道而言，相对运动带来的多普勒效应不可忽略；因此采用改进的Watterson模型建立短波航空信道模型能解决该问题。

对Watterson模型进行改进包括进行短波信道的多普勒频移，所述短波信道的多普勒频移包括电离层产生的多普勒频移f_iB和相对运动产生的多普勒频移f_iA。即短波信道多普勒频移公式为：

f_i＝f_iA+f_iB

其中，f_i表示多普勒频移。

电离层产生的多普勒频移f_iB是电离层经常性的快速运动，以及反射层高度的快速变化，使传播路径的长度不断的变化引起的。一般情况下其值在在0.1-1Hz左右，日出和日落期间呈现出比较大的数值。当电离层处于平静的夜间，不存在多普勒效应，多普勒频移为零。当发生磁暴时，频移最高可达6Hz。收发两端相对运动所带来的多普勒频移f_iA的计算公式为：

其中，f_c表示载波频率，c表示光速，v表示飞行器的运动速率，θ_i表示接收端的入射电波与其运动方向的夹角。在不同路径下接收端的入射电波与其运动方向的夹角的大小不同，当cosθ＝1时得到最大多普勒频移f_iAmax，多普勒频移的值服均匀分布。短波信道的每条路径本身是由大量不可分离的电磁波射线组成，由于电离层的抖动，每条路径内都会产生一定的多普勒扩展。一般条件下，多普勒扩展值在0.1～1Hz。

如图3所示，由于飞行器的飞行状态会导致每一传播模式下不同的多普勒频移。对于民用航空信道而言，飞行器机动频率较低，飞行器飞行状态在较长时间内保持不变。而当飞行器的机动频率较高时(如无人机等)，其运动速度的大小和方向在短时间内变化很快，飞行器的运动轨迹也难以估计。通常可以将轨迹分成很多小段，每小段都可以看成直线运动和部分圆周运动。

在航空移动信道中，当飞行器做变速运动或圆周运动时，每条路径内多普勒频移的快速变化会导致其多普勒扩展短时间内发生急剧变化。飞行器在进行运动过程中，其速度公式为：

v(t)＝v₀+a(t)cosα(t)*t

其中，v₀表示飞行器的初始速度，a(t)表示飞行器的加速度，α(t)表示飞行器的加速度与飞行器的角度，t表示飞行的时间。

当飞行器的加速度为0时，即a(t)＝0时，飞行器做匀速运动。α(t)为平直平面内速度与加速度方向的夹角，当α＝0时，飞行器做直线运动，其余情况下飞行器做圆周运动。飞行器做每条路径的多普勒频移为：

由于a(t)和cosα(t)都是时变值，可将其视为a₁(t)，此时可将f_i简化为：

由于飞行器都具有最大上行速度，不可能一直加速，当飞行器以加速度a飞行时，发动机的功率为：

P＝Fv＝(f+ma)v＝(kv²+ma)v

其中，F表示飞行器的牵引力，v表示飞行器的当前速度，f表示飞行中所受到的空气阻力，k表示比例系数，m表示飞行器的质量，a表示飞行器的加速度。

由于飞行器的加速度和飞行速度具有最大值，则有当|v/v_max|≥0.8时，飞行器发动机的功率保持最大恒定，最大功率为：

P_max＝kv_max ³＝kv³+mav

则有加速度为：

令|v/v_max|＝x，

即：

如图4所示，当|v/v_max|≥0.8时，加速度逐渐降低，当飞行器达到最大飞行速度时，其加速度为0。

如图5所示，一种短波航空移动信道子路径，子路径获取输入的信号，经过路径时延后，采用电离层的多普勒频移和相对运动时变多普勒频移对时延后的信号进行处理，将处理后的信号进行进行多普勒扩展，最终输出信号。

在进行信道仿真中，信号的输入路径有三条，输入的信号为载频为200Hz的单音信号，三条路径的时延分别为无时延、1ms、2ms，多普勒扩展分别为0.5Hz、1Hz、1.5Hz，多普勒频移分别为1Hz、2Hz、5Hz，信噪比为10db；对Watterson信道模型进行仿真，其仿真结果如图6所示，从时域波形图可以看出输入信号经过短波信道传输后，产生了明显的衰落；而在频域波形中，输出信号发生了频移和频谱扩展现象。

在进行短波航空移动信道的仿真时，飞行器的速度不能超过其最大上行速度，且不同运动方式下多普勒频移往往不同。当航空飞行器飞行轨迹不确定时，信号的多普勒频移还与其机动频率有关。根据机动频率的等级，确定三种典型场景下的机动频率参考值，如表1所示。

表1三种典型场景下参数参考值

针对机动频率较低的航空飞行器，如民用航空飞机等，这里仿真时假设其机动频率为0.01Hz。针对机动频率适中的航空飞行器，如民用私人小飞机等，这里假设其机动频率为0.1Hz。针对机动频率高的航空飞行器，如无人载具等，这里假设其机动频率为1Hz。针对这三种典型场景对航空飞行器速度进行仿真，假设飞行器的最大加速度为80m/s²，最大飞行速度600m/s，随机生成100s的速度变化仿真结果如图7所示。从图中可以看出飞行器可以做各种不同类型的运动，且随着机动频率的提升，飞行器的运动状态越来越复杂。

对短波航空移动信道仿真时，由于实际上产生多普勒频移的是在3～30MHz，但是数字信号处理的过程往往是在基带中进行，要进行下变频处理。这里仿真时假设输入信号为从15MHz下变频到200Hz的单音信号，θ_i在[0,π/2]内服从均匀分布，飞行器速度如上随机生成，其余参数与Watterson模型的仿真参数一致。仿真结果如图8～图10所示，与图6中Watterson模型的仿真结果相比，通过短波航空移动信道后的信号整体频移和扩展明显增大，且随着机动率的提升，信号的衰落也随之增加。

当航空飞行器的飞行航线轨迹确定时，参照图3，飞行器每个时刻的速度是确定值，仿真运动参数如表2所示。除飞行器的运动参数外，其余仿真参数与Watterson模型仿真参数一致，输出信号的仿真结果如图11所示。为了便于观察每一种固定运动状态下多普勒频移和扩展的情况，这里取Watterson模型的一条径与短波航空移动信道的一条径在5s内的频谱进行对比，如图12所示。从图中可以看出，在无噪声干扰的情况下，不同运动状态的频移和扩展差异很大，匀加速直线运动相比匀速直线运动，频谱扩展更大，而圆周运动也伴随着运动方向的改变发生正向和负向频偏，与理论相符。

表2飞行器的飞行航线轨迹确定时运动参数

本发明结合飞行器的的各个运动状态以及改进的Watterson模型建立短波航空移动信道模型，该模型除了能够实现对短波信道典型特征的仿真与模拟，还能有效描述由收发两端相对运动带来的多普勒频移和扩展，本发明还对不同种类不同参数飞行器进行了差异化的信道仿真。最后，当飞行器的航行航迹确定时，该模型能将其作为先验信息，实现对特定场景下的短波航空移动信道的定制化仿真，对短波航空移动通信系统的进一步的研究有重要的参考价值

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法，其特征在于，包括：获取飞行器的运行状态；所述飞行器的运行状态包括飞行器的最大移动速度、加速度、机动频率以及运动轨迹；根据飞行器的运行状态和改进的Watterson模型构建短波航空移动信道模型；对Watterson模型进行改进包括将Watterson模型中固定的信道多普勒频移转化为与运动状态相关的时变多普勒频移；时变多普勒频移包括电离层产生的多普勒频移f_iB和相对运动产生的多普勒频移f_iA；将电离层产生的多普勒频移f_iB和相对运动产生的多普勒频移f_iA进行相加，得到短波航空移动信道的多普勒频移；相对运动产生的多普勒频移f_iA的公式为：

其中，f_c表示载波频率，c表示光速，v表示飞行器的运动速率，θ_i表示接收端的入射电波与其运动方向的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法，其特征在于，短波航空信道模型中还包括两个带通滤波器；所述两个带通滤波器采用有限长单位冲激响应FIR低通滤波器，将该滤波器的通带设置为所需要滤波器通带的1/2，并采用系数转换公式将FIR低通滤波器的系数转换成FIP带通滤波器的I、Q两路系数。

3.根据权利要求2所述的一种基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法，其特征在于，对低通滤波器进行设计的过程包括：设定多普勒扩展为d，噪声采样频率为Fs，在信号截断过程中两个不同频率信号的最小间隔Δf≥d，根据以上信息确定高斯滤波器的阶数N，根据高斯滤波器的阶数求出低通高斯滤波器的系数，完成低通滤波器的设计。

4.根据权利要求3所述的一种基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法，其特征在于，所述确定高斯滤波器的阶数N的公式为：

其中，K表示滤波器质量因子，Fs表示噪声采样频率，d表示多普勒扩展，

表示向下取整。

5.根据权利要求3所述的一种基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法，其特征在于，低通高斯滤波器的系数为：

其中，σ表示高斯滤波器宽度，n表示高斯滤波器第几个系数，N表示高斯滤波器的阶数。

6.根据权利要求2所述的一种基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法，其特征在于，所述系数转换公式包括：

其中，h_IBP(n)表示n阶FIR低通滤波器的I路系数，n表示低通滤波器的阶数，h_LP(n)表示n阶FIR低通滤波器的系数，f₀表示通带中心频率，N表示滤波器阶数，T表示采样周期，h_QBP(n)表示n阶FIR低通滤波器的Q路系数。

7.根据权利要求1所述的一种基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法，其特征在于，Watterson模型的时变多普勒频移响应公式为：

其中，f表示短波信道的多普勒频移，t表示时间，i表示路径标号，n表示路径总数，τ_i表示第i条路径的时延，G_i(t)表示第i条路径的抽头增益函数。

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