CN113411123B - 一种空间等离子体云团信道特性及通信性能的快速估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间等离子体云团信道特性及通信性能的快速估算方法，包括如下步骤：步骤1，计算空间等离子体云团有效区域：步骤2，估算空间等离子体云团最大多径时延：步骤3，估算空间等离子体云团最大多普勒频移：步骤4，估算空间等离子体云团信道相干带宽：步骤5，估算空间等离子体云团信道相干时间：步骤6，估算空间等离子体云团的最大通信速率：步骤7，估算空间等离子体云团通信误码率。本发明所公开的方法，给出了包括最大多径时延、最大多普勒频移、相干带宽、相干时间、最大通信速率以及通信误码率在内的信道特性及通信系统性能的估算方法，针对空间等离子体云团信道的特殊性，具有一定的快捷性和有效性。

Description

一种空间等离子体云团信道特性及通信性能的快速估算方法

技术领域

本发明属于新概念通信技术领域，特别涉及该领域中的一种空间等离子体云团信道特性及通信性能的快速估算方法。

背景技术

应急通信作为日常通信手段的一种补充，已经逐渐成为全球关注的焦点。近些年来发生了很多起重大自然灾害，如2004年印度洋大海啸、2008年我国南方大部分地区遭受特大暴风雪、冻雨的袭击，四川汶川8级大地震等，由于受灾地区的常规通信网络遭到物理破坏，灾区与外界长时间失去联系，导致救援延迟，造成重大人员伤亡和财产损失。因此世界各国都在积极构建发展本国的战略应急通信系统，战略应急通信系统是指在最险恶的战争环境中，特别是在遭受核袭击之后，各级指挥所常规通信手段受到打击破坏，在通信中断的紧急情况下保证指挥战略武器的最低限度通信系统。战略应急通信系统必须具备多种应付“双重”威胁的通信手段，必须具有顽存、机动、抗干扰、区域覆盖和核爆条件下的有效传输等能力，才能确保在各种战争环境下的生存和应急通信保障能力。

利用突发E层(Es层)和流星余迹等高密度等离子体层结或特殊区域可实现短波、超短波的远程通信和应急通信，但依赖于自然环境，无法实现自主可控，使用受到限制，因此研究发展自主可靠新概念通信技术变得极为迫切。利用探空火箭等飞行器平台将特定化学物质注入电离层中，可人为改变电离层等离子体组分与结构，在电离层中生成高密度电离云团，形成无线电波的强反射/散射区，构造“空中桥梁”，从而实现自主可靠的远程无线通信。目前，国内外文献针对空间等离子体云团的生成和演化机制进行了详细研究，但对空间等离子体云团信道特性及形成链路的通信系统性能鲜有报道。虽然可以通过射线追踪方法对空间等离子体云团信道特性及通信性能进行计算，但射线追踪方法存在计算耗时长、实时性差等缺点。因此研究提出一种空间等离子体云团信道特性及通信性能的快速估算方法是非常有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种空间等离子体云团信道特性及通信性能的快速估算方法。

本发明采用如下技术方案：

一种空间等离子体云团信道特性及通信性能的快速估算方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，计算空间等离子体云团有效区域：

假设电波频率为f，空间等离子体云团某一点的电子密度为N_e，则其等离子体频率f_p可由下式计算：

忽略地磁场的影响，频率为f的电波经过该点时，其折射指数n计算方法如下：

设定一个阈值n₀，当n＞n₀时，该点才会对该频率的电波传播产生影响，将n₀带入到式(1)和式(2)，可算出对应的电子密度N₀：

利用式(3)计算空间等离子体云团的有效区域：云团电子密度大于N₀的区域及频率为f的电波对应的有效区域；

步骤2，估算空间等离子体云团最大多径时延：

设云团中心点距地面高度为h，距发射点的水平距离为l_ct，发射点与接收点的距离为l_tr，根据步骤1计算得出云团的水平方向宽度为w_c，竖直方向宽度为h_c，计算得到发射点至接收点间路程差最大的两条路径长度l₁和l₂：

空间等离子体云团的最大多径时延τ计算方法如下：

c为光速；

步骤3，估算空间等离子体云团最大多普勒频移：

假设通过风场模型HWM07得到在云团高度处的纬向最大风速为v₁，经向最大风速为v₂，高度方向速度为v_v，则水平方向的合速度v_h为：

假设v_h与发射点和接收点间连线的夹角为θ，则高空风场沿着发射点和接收点间连线方向的速度为：

v_tr＝v_h cosθ (8)

假设发射点与接收点的距离为l_tr，t₁时刻云团中心距地面高度为h₁，云团中心距发射点水平距离为l_ct1，利用步骤1中方法计算得到云团竖直方向宽度为h_c1，则t₁时刻电波的传播路径长度l_t1为：

t₂时刻云团中心距地面高度h₂＝h₁+v_v(t₂-t₁)，云团中心距发射点水平距离l_ct2＝l_ct1+v_tr(t₂-t₁)，利用步骤1中方法计算得到云团竖直方向宽度为h_c2，则t₂时刻电波的传播路径长度l_t2为：

发射点与接收点间的相对移动速度v_d计算方法如下：

空间等离子体云团最大多普勒频移f_d计算方法如下：

c为光速，f为电波频率；

步骤4，估算空间等离子体云团信道相干带宽：

根据步骤2计算得到空间等离子体云团最大多径时延为τ，则其相干带宽B_c计算方法如下：

步骤5，估算空间等离子体云团信道相干时间：

根据步骤3计算得到空间等离子体云团最大多普勒频移为f_d，则其信道相干时间T_c计算方法如下：

步骤6，估算空间等离子体云团的最大通信速率：

根据步骤4计算得到的空间等离子体云团信道相干带宽B_c，可得出其信道带宽

根据香农定理，信道容量C可表示为：

其中，S为接收信号的平均功率，N为噪声功率，

接收信号的平均功率S可由发射功率P_t与路径损耗L计算得到，路径损耗分为两部分，一部分为自由空间损耗Lf，另一部分为电离层和云团的吸收损耗Li，计算方法分别为：

L_f＝20lg f+20lg d+32.44 (16)

L_i＝8.68∫_SβdS (17)

f为电波频率，d为自由空间传播距离，

为吸收指数，

c为光速，ω为角频率，f_p为等离子体频率，v为碰撞频率；

接收信号的平均功率S可表示为：

天线的噪声系数F_a计算方法如下：

F_a＝c_a-d_a lgf (19)

ca与d_a为设定常数；

热噪声功率n_t可表示为：

n_t＝KT₀B_n (20)

K为波尔兹曼常数，其值为1.38×10^-23J/K，T₀为环境温度，B_n为接收机噪声带宽；噪声功率N为：

将接收信号平均功率S与噪声功率N带入式(15)中，计算得到的信道容量C即为空间等离子体云团的最大通信速率；

步骤7，估算空间等离子体云团通信误码率：

采用相干解调方法，当信噪比大于1时，2ASK、2FSK、2PSK误码率可分别有以下公式计算：

r为信噪比，由步骤6中的接收信号平均功率S除以噪声功率N得到。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的方法，给出了包括最大多径时延、最大多普勒频移、相干带宽、相干时间、最大通信速率以及通信误码率在内的信道特性及通信系统性能的估算方法，针对空间等离子体云团信道的特殊性，具有一定的快捷性和有效性。

本发明所公开的方法，能够快速评估空间等离子体云团信道特性及通信系统性能，基于此方法能够快速有效地优选给出适宜的通信频段，为空间等离子体云团通信方向的应用奠定了基础。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是空间等离子体云团模型；

图3是电波传播多径效应示意图；

图4是电波传播多普勒效应示意图。

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，以下结合附图和实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，本实施例公开了一种空间等离子体云团信道特性及通信性能的快速估算方法，由空间等离子体云团有效区域估算、信道特性估算、通信性能估算组成，首先空间等离子体云团有效区域估算是所有工作的基础，根据计算得到的空间等离子体云团有效区域来对其信道特性以及通信性能进行估算，空间等离子体云团信道特性包括多径时延、多普勒频移、相干带宽以及相干时间，空间等离子体云团通信系统性能包括通信速率和通信误码率。如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1，计算空间等离子体云团有效区域：

结合电波频率以及空间等离子体云团电子密度时空分布，根据设定的折射指数阈值可计算给出空间等离子体云团有效区域，不同的电波频段对应不同的有效区域；

空间等离子体云团生成及时空演化模型，能够给出某一时刻空间等离子体云团电子密度的时空分布，如图2所示。不同频率电波经过空间等离子体云团后的传播特性并不相同，因此对于不同频率的电波来讲，云团的有效区域也不同。假设电波频率为f，空间等离子体云团某一点的电子密度为N_e，则其等离子体频率f_p可由下式计算：

忽略地磁场的影响，频率为f的电波经过该点时，其折射指数n计算方法如下：

可设定一个阈值n₀，当n＞n₀时，该点才会对该频率的电波传播产生影响，将n₀带入到式(1)和式(2)，可算出对应的电子密度N₀：

利用式(3)即可计算空间等离子体云团的有效区域：云团电子密度大于N₀的区域及频率为f的电波对应的有效区域；

步骤2，估算空间等离子体云团最大多径时延：

基于空间等离子体云团有效区域的空间尺度，计算最极端情况下电波最短路径和最长路径的路程差，从而估算出空间等离子体云团的最大多径时延。

根据步骤1中的方法，计算空间等离子体云团的有效区域，高度为h，宽度为w。图3给出了发射点至接收点间最极端情况下的两条传播路径，即两条路径间的路程差最大，通过计算两条路径间的路程差值，就可以估算出空间等离子体云团的最大多径时延。假设云团中心点距地面高度为h，距发射点的水平距离为l_ct，发射点与接收点的距离为l_tr，根据步骤1计算得出云团的水平方向宽度为w_c，竖直方向宽度为h_c，根据图3中的几何关系分别计算得到路径1的长度l₁，路径2的长度l₂：

空间等离子体云团的最大多径时延τ计算方法如下：

c为光速；

步骤3，估算空间等离子体云团最大多普勒频移：

基于高空大气风场模型以及空间等离子体云团时空演化模型，计算最大风速条件下不同时刻电波路径的路程差，并在此基础上获得接收点相对于发射点的移动速度，从而估算得到空间等离子体云团最大多普勒频移。

空间等离子体云团电波多普勒效应可认为主要由高空风场所致，根据国际参考风场模型HWM07可以得到高空风场的变化特性。假设通过风场模型得到在云团高度处的纬向最大风速为v₁，经向最大风速为v₂，高度方向速度为v_v，则水平方向的合速度v_h为：

假设v_h与发射点和接收点间连线的夹角为θ，则高空风场沿着发射点和接收点间连线方向的速度为：

v_tr＝v_h cosθ (8)

图4中给出了两个不同时刻电波经云团传播的路径，假设发射点与接收点的距离为l_tr，t₁时刻云团中心距地面高度为h₁，云团中心距发射点水平距离为l_ct1，利用步骤1中方法计算得到云团竖直方向宽度为h_c1，则t₁时刻电波的传播路径长度l_t1为：

t₂时刻云团中心距地面高度h₂＝h₁+v_v(t₂-t₁)，云团中心距发射点水平距离l_ct2＝l_ct1+v_tr(t₂-t₁)，利用步骤1中方法计算得到云团竖直方向宽度为h_c2，则t₂时刻电波的传播路径长度l_t2为：

发射点与接收点间的相对移动速度v_d计算方法如下：

空间等离子体云团最大多普勒频移f_d计算方法如下：

c为光速，f为电波频率；

步骤4，估算空间等离子体云团信道相干带宽：

在广义平稳非相关散射(WSSUS)假设下，相干带宽定义为相关函数的3dB带宽，更一般的情况，信道相干带宽可由其最大时延得到。根据步骤2计算得到空间等离子体云团最大多径时延为τ，则其相干带宽B_c计算方法如下：

步骤5，估算空间等离子体云团信道相干时间：

根据步骤3计算得到空间等离子体云团最大多普勒频移为f_d，则其信道相干时间T_c计算方法如下：

步骤6，估算空间等离子体云团的最大通信速率：

基于空间等离子体云团信道相干带宽及其计算得到的接收点信号功率，综合考虑接收点的噪声水平，最终估算给出空间等离子体云团通信速率。

根据步骤4计算得到的空间等离子体云团信道相干带宽B_c，一般工程上取相干带宽的1/5到1/3为信号带宽，本实施例采用1/3进行计算，即信道带宽

根据香农定理，信道容量C可表示为：

其中，S为接收信号的平均功率，N为噪声功率，单位均为W。

接收信号的平均功率S可由发射功率P_t(单位dB)与路径损耗L(单位dB)计算得到，路径损耗分为两部分，一部分为自由空间损耗L_f，另一部分为电离层和云团的吸收损耗L_i，计算方法分别为：

L_f＝20lg f+20lg d+32.44 (16)

L_i＝8.68∫_SβdS (17)

L_f与L_i的单位为dB，f为电波频率，单位MHz，d为自由空间传播距离，单位km。

为吸收指数，

c为光速，ω为角频率，f_p为等离子体频率，v为碰撞频率；

接收信号的平均功率S可表示为：

噪声主要考虑从环境中接收的热噪声与人为噪声，首先计算天线的噪声系数F_a，计算方法如下：

F_a＝c_a-d_a lgf (19)

c_a与d_a为设定常数，取值如下表所示。

热噪声功率n_t可表示为：

n_t＝KT₀B_n (20)

K为波尔兹曼常数，其值为1.38×10^-23J/K，T₀为环境温度，单位K，B_n为接收机噪声带宽，单位Hz；

噪声功率N为：

将接收信号平均功率S与噪声功率N带入式(15)中，计算得到的信道容量C即为空间等离子体云团的最大通信速率；

步骤7，估算空间等离子体云团通信误码率：

考虑几种常用的调制方式，分别为2ASK、2FSK、2PSK，采用相干解调方法，当信噪比远远大于1时，其误码率可分别有以下公式计算：

r为信噪比，由步骤6中的接收信号平均功率S除以噪声功率N得到。

综上所述，本发明公开的方法可实现对空间等离子体云团信道特性以及通信性能的快速估算，有效并具有相对较高的准确性，特别适用于对等离子体云团信道特性及通信性能实时快速评估，对空间等离子体云团通信技术的发展与应用具有重要的价值与意义。

Claims (1)

1.一种空间等离子体云团信道特性及通信性能的快速估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，计算空间等离子体云团有效区域：

假设电波频率为f，空间等离子体云团某一点的电子密度为N_e，则其等离子体频率f_p由下式计算：

忽略地磁场的影响，频率为f的电波经过该点时，其折射指数n计算方法如下：

设定一个阈值n₀，当n＞n₀时，该点才会对该频率的电波传播产生影响，将n₀带入到式(1)和式(2)，算出对应的电子密度N₀：

利用式(3)计算空间等离子体云团的有效区域：云团电子密度大于N₀的区域及频率为f的电波对应的有效区域；

步骤2，估算空间等离子体云团最大多径时延：

设云团中心点距地面高度为h，距发射点的水平距离为l_ct，发射点与接收点的距离为l_tr，根据步骤1计算得出云团的水平方向宽度为w_c，竖直方向宽度为h_c，计算得到发射点至接收点间路程差最大的两条路径长度l₁和l₂：

空间等离子体云团的最大多径时延τ计算方法如下：

c为光速；

步骤3，估算空间等离子体云团最大多普勒频移：

假设通过风场模型HWM07得到在云团高度处的纬向最大风速为v₁，经向最大风速为v₂，高度方向速度为v_v，则水平方向的合速度v_h为：

假设v_h与发射点和接收点间连线的夹角为θ，则高空风场沿着发射点和接收点间连线方向的速度为：

v_tr＝v_hcosθ (8)

假设发射点与接收点的距离为l_tr，t₁时刻云团中心距地面高度为h₁，云团中心距发射点水平距离为l_ct1，利用步骤1中方法计算得到云团竖直方向宽度为h_c1，则t₁时刻电波的传播路径长度l_t1为：

t₂时刻云团中心距地面高度h₂＝h₁+v_v(t₂-t₁)，云团中心距发射点水平距离l_ct2＝l_ct1+v_tr(t₂-t₁)，利用步骤1中方法计算得到云团竖直方向宽度为h_c2，则t₂时刻电波的传播路径长度l_t2为：

发射点与接收点间的相对移动速度v_d计算方法如下：

空间等离子体云团最大多普勒频移f_d计算方法如下：

c为光速，f为电波频率；

步骤4，估算空间等离子体云团信道相干带宽：

根据步骤2计算得到空间等离子体云团最大多径时延为τ，则其相干带宽B_c计算方法如下：

步骤5，估算空间等离子体云团信道相干时间：

根据步骤3计算得到空间等离子体云团最大多普勒频移为f_d，则其信道相干时间T_c计算方法如下：

步骤6，估算空间等离子体云团的最大通信速率：

根据步骤4计算得到的空间等离子体云团信道相干带宽B_c，得出其信道带宽

根据香农定理，信道容量C表示为：

其中，S为接收信号的平均功率，N为噪声功率，

接收信号的平均功率S由发射功率P_t与路径损耗L计算得到，路径损耗分为两部分，一部分为自由空间损耗L_f，另一部分为电离层和云团的吸收损耗L_i，计算方法分别为：

L_f＝20lg f+20lg d+32.44 (16)

L_i＝8.68∫_SβdS (17)

f为电波频率，d为自由空间传播距离，

为吸收指数，

c为光速，ω为角频率，f_p为等离子体频率，v为碰撞频率；

接收信号的平均功率S表示为：

天线的噪声系数F_a计算方法如下：

F_a＝c_a-d_alg f (19)

c_a与d_a为设定常数；

热噪声功率n_t表示为：

n_t＝KT₀B_n (20)

K为波尔兹曼常数，其值为1.38×10^-23J/K，T₀为环境温度，B_n为接收机噪声带宽；

噪声功率N为：

将接收信号平均功率S与噪声功率N带入式(15)中，计算得到的信道容量C即为空间等离子体云团的最大通信速率；

步骤7，估算空间等离子体云团通信误码率：

采用相干解调方法，当信噪比大于1时，2ASK、2FSK、2PSK误码率分别由以下公式计算：

r为信噪比，由步骤6中的接收信号平均功率S除以噪声功率N得到。

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