CN113644942B - 一种基于几何的3d mimo leo卫星空天地信道建模方法 - Google Patents

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CN113644942B CN202110936363.6A CN202110936363A CN113644942B CN 113644942 B CN113644942 B CN 113644942B CN 202110936363 A CN202110936363 A CN 202110936363A CN 113644942 B CN113644942 B CN 113644942B
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    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本发明涉及一种基于几何的3D MIMO LEO卫星空天地信道建模方法，属于无线通信技术领域。该方法包括：S1：建立LEO卫星发射端通过移动的无人机中继端到达移动的地面接收端的3D双球信道模型；S2：根据3D双球信道模型，生成3D MIMO LEO卫星信道发射端天线p经过中继端天线l到接收端天线q之间的信道冲激响应；S3：根据移动的LEO卫星发射端、移动的无人机中继端、移动的地面接收端之间的几何关系，计算信号到达角、离开角、时变的传播距离的时变信道参数。本发明丰富了卫星信道建模方法，信道的统计特性对卫星通信系统设计与评估具有实际的应用价值。

Description

一种基于几何的3D MIMO LEO卫星空天地信道建模方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及LEO卫星通信技术领域，具体涉及一种基于几何的3D MIMO LEO卫星空天地信道建模方法。
背景技术
卫星通信可提供全球范围内的无线覆盖，以补充和扩展地面通信网络。轨道高度在500km-2000km之间的卫星通信定义为低地球轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星通信。LEO卫星由于具有链路损耗小、低时延、应用场景丰富、覆盖面积广、发射灵活、成本低等优势，更有利于实现个人全球通信。目前卫星通信已经引起了人们的广泛关注，卫星通信将有望纳入未来的无线网络。随着后5G和6G无线通信进程的加速，卫星通信技术和无人机(Unmanned Aerial Vehicles，UAV)通信技术因其特有的优势而被广泛的关注。
卫星信道研究过程中，考虑一些特殊环境(如森林、海面、灾难地区)无法部署地面基站，引入无人机作为中继建立卫星信道。UAV作为通信中继建立空-天-地集成网络由于其优势(无缝的广域连接，高吞吐量和强大的通信弹性)被学者们引入到卫星信道的建模上。学者朱秋明等将卫星到无人机中继之间的通信视为视距(Line of sight，LoS)传输建立莱斯信道；学者黄清泉等利用悬停无人机作为中继建立了静止卫星到地面的信道模型，在卫星到UAV中继之间建立S-R模型，在中继和地面终端之间建立莱斯衰落模型。然而，这些信道模型均是在传统信模型的基础上建立起来，并且没有详细研究信道模型的统计特性。因此，在无法部署基站的地区，引入运动的中继基站来连接卫星到终端之间的通信。针对卫星信道进行评估之后，展开3D MIMO LEO卫星信道的建模工作。
目前，对卫星信道建模的相关报道较少，学者白露等提出在同步卫星与地面终端之间建立3D规则信道模型，研究了移动接收端运动而移动发射端相对静止的信道统计特性。该模型假设散射体呈现von Mises概率密度函数分布，该分布中达到较和离开角的方位角和仰角是相对独立的。然而在实际的规则球型信道模型中，方位角和仰角之间是存在几何关系的，因此有必要建立一种新型的3D MIMO LEO卫星空天地信道模型。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于几何的3D MIMO LEO卫星-空-天地信道建模方法，丰富了卫星信道建模方法，对卫星通信系统设计与评估具有实际的参考价值。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于几何的3D MIMO LEO卫星空天地信道建模方法，具体包括以下步骤：
S1：建立LEO卫星发射端通过移动的无人机中继端到达移动的地面接收端的3D双球信道模型；
S2：根据3D双球信道模型，生成3D MIMO LEO卫星信道发射端天线p经过中继端天线l到接收端天线q之间的信道冲激响应；
S3：根据移动的LEO卫星发射端、移动的无人机中继端、移动的地面接收端之间的几何关系，计算信号到达角、离开角、时变的传播距离的时变信道参数。
进一步，步骤S1中，建立的3D双球模型中包含LEO卫星发射端T、移动的无人机中继端U和移动的地面接收端R，并且在无人机中继端U和地面接收端R周围有N1和N2个独立的有效散射体，第n1(n1＝1,2,3,...,N1)个有效散射体由
Figure BDA0003213338810000021
表示，第n2(n2＝1,2,3,...,N2)个有效散射体由/>
Figure BDA0003213338810000022
表示，这些散射体随机分布在以移动的无人机中继端U和移动的地面接收端R为中心的球面上；在该3D双球模型中，无线信号由LEO卫星发射端发出，历经无人机中继端U转发，到达地面接收端R。
进一步，步骤S2中，生成3D MIMO LEO卫星信道发射端天线p到中继端天线l再到接收端天线q之间的信道冲激响应hpq(t)为：
Figure BDA0003213338810000023
式中，
Figure BDA0003213338810000024
为LEO卫星发射端T到无人机中继端U的路径损耗，hpl(t)为LEO卫星发射端T到无人机中继端U的冲激响应，hlq(t)为无人机中继端U到地面接收端R的冲激响应。
进一步，步骤S2中，LEO卫星发射端T到无人机中继端U的路径损耗
Figure BDA0003213338810000025
为：
Figure BDA0003213338810000026
式中，Dpl(t)为LEO卫星发射端T到无人机中继端U的距离，fc为载波频率，c为光速。
进一步，步骤S2中，LEO卫星发射端T的第p(p＝1,…,MT)根天线与无人机中继端U的第l(l＝1,…,MU)根天线之间接收到的信道冲激响hpl(t)为视距(LoS)
Figure BDA0003213338810000027
与经过中继端周围散射体的一次散射/>
Figure BDA0003213338810000028
之和，表达式为：
Figure BDA0003213338810000029
Figure BDA0003213338810000031
Figure BDA0003213338810000032
式中，fTm、fUm分别为LEO卫星发射端和无人机中继端的最大多普勒频移；
Figure BDA0003213338810000033
分别为LEO卫星发射端到无人机中继端的视距出发角的方位角和仰角；/>
Figure BDA0003213338810000034
分别为LEO卫星发射端速度的方位角和仰角；/>
Figure BDA0003213338810000035
分别为LEO卫星发射端到无人机中继端的视距到达角的方位角和仰角；/>
Figure BDA0003213338810000036
分别为无人机中继端速度的方位角和仰角；/>
Figure BDA0003213338810000037
分别为LEO卫星发送端发送的波撞击散射体/>
Figure BDA0003213338810000038
的到达角的方位角和仰角；/>
Figure BDA0003213338810000039
卫星撞击散射体/>
Figure BDA00032133388100000310
的离开角方位角和仰角；/>
Figure BDA00032133388100000311
为散射体/>
Figure BDA00032133388100000312
引起的相位，是独立随机的并且服从均匀分布[-π，π)；/>
Figure BDA00032133388100000313
分别表示LEO卫星发射端到散射体n1的距离和散射体n1到无人机中继端的距离，K表示莱斯因子。
进一步，步骤S2中，无人机中继端U的第l(l＝1,…,MU)根天线与地面接收端R的第q(q＝1,…,MR)根天线之间接收到的信道冲激响hlq(t)为视距(LoS)
Figure BDA00032133388100000314
与经过无人机中继端周围散射体的一次散射/>
Figure BDA00032133388100000315
经过地面接收端周围散射体的一次散射/>
Figure BDA00032133388100000316
和经过无人机中继端周围散射体和经过地面接收端周围的散射体的两次散射/>
Figure BDA00032133388100000317
之和，表达式：
Figure BDA00032133388100000318
Figure BDA00032133388100000319
Figure BDA0003213338810000041
Figure BDA0003213338810000042
Figure BDA0003213338810000043
式中，
Figure BDA0003213338810000044
分别为无人机中继端到地面接收端的视距出发角的方位角和仰角；/>
Figure BDA0003213338810000045
Figure BDA0003213338810000046
分别为无人机中继端到地面接收端的视距到达角的方位角和仰角；/>
Figure BDA0003213338810000047
为地面接收端速度的方位角；/>
Figure BDA0003213338810000048
分别为无人机中继端到散射体n1的距离和散射体n1到地面接收端的距离；/>
Figure BDA0003213338810000049
分别为无人机中继端发送的波撞击散射体/>
Figure BDA00032133388100000410
的到达角的方位角和仰角；/>
Figure BDA00032133388100000411
分别为无人机中继端发送的波撞击散射体/>
Figure BDA00032133388100000412
的离开角的方位角和仰角；fRm为地面接收端的最大多普勒频移；/>
Figure BDA00032133388100000413
分别为无人机中继端到散射体n2(n2＝1,2,3,...,N2)的距离和散射体n2到地面接收端的距离；/>
Figure BDA00032133388100000414
分别为无人机中继端发送的波撞击散射体/>
Figure BDA00032133388100000415
的到达角的方位角和仰角；/>
Figure BDA00032133388100000416
分别为无人机中继端发送的波撞击散射体/>
Figure BDA00032133388100000417
的离开角的方位角和仰角；/>
Figure BDA00032133388100000418
为散射体/>
Figure BDA00032133388100000419
引起的相位，是独立随机的并且服从均匀分布[-π，π)；/>
Figure BDA00032133388100000420
为散射体n1到散射体n2之间的距离；/>
Figure BDA00032133388100000421
为散射体/>
Figure BDA00032133388100000422
和
Figure BDA00032133388100000423
引起的相位，是独立随机的并且服从均匀分布[-π，π)；Dlq为无人机中继端到地面接收端的距离，Ωlq为接收总功率，ηSB1、ηSB2、ηDB为能量相关参数，代表SB1、SB2、DB分量占总散射功率的比例，并且ηSB1+ηSB2+ηDB＝1；K表示莱斯因子。
进一步，步骤S3中，计算信号到达角，具体包括：分别建立LEO卫星发射端、无人机中继端和地面接收端的坐标系，中继端的散射体用
Figure BDA00032133388100000424
表示，终端的散射体用/>
Figure BDA00032133388100000425
表示；
1)LEO卫星发送端发送的波撞击散射体
Figure BDA0003213338810000051
的到达角的方位角/>
Figure BDA0003213338810000052
和仰角/>
Figure BDA0003213338810000053
分别为：
Figure BDA0003213338810000054
Figure BDA0003213338810000055
式中，θ0为LEO卫星发射端到无人机中继端的初始仰角，R1为无人机中继端周围散射体分布的半径，dTU为LEO卫星发射端到无人机中继端的水平距离；
2)无人机中继端发送的波撞击散射体
Figure BDA0003213338810000056
的到达角的方位角/>
Figure BDA0003213338810000057
和仰角/>
Figure BDA0003213338810000058
分别为：
Figure BDA0003213338810000059
Figure BDA00032133388100000510
式中，θ1为无人机中继端到地面接收端的初始仰角，R2为终端周围散射体分布的半径，dUR为无人机中继端到地面接收端的水平距离；
3)无人机中继端发送的波撞击散射体
Figure BDA00032133388100000511
的到达角的方位角/>
Figure BDA00032133388100000512
和仰角/>
Figure BDA00032133388100000513
分别为：
Figure BDA00032133388100000514
Figure BDA00032133388100000515
进一步，步骤S3中，计算信号传播时变距离，具体包括：
1)LEO卫星发射端到无人机中继端时变的传播距离为：
Figure BDA00032133388100000516
式中，Dx/y/z表示在3D坐标轴上x/y/z轴的坐标；
Figure BDA00032133388100000517
Figure BDA00032133388100000518
Figure BDA00032133388100000519
其中H为LEO卫星发射端到地面接收端的垂直距离，Hu为无人机中继端到地面接收端的垂直距离；ΔT表示LEO卫星发射端中第p个天线元件与天线阵列中心之间的距离，ΔU表示地面接收端中第l个天线元件与天线阵列中心之间的距离；对于均匀天线阵列来说，ΔT和ΔU分别表示为：
Figure BDA0003213338810000061
其中δT和δU分别为卫星空间间隔和无人机中继端空间间隔；
2)无人机中继端到地面接收端时变的传播距离为：
Figure BDA0003213338810000062
式中，
Figure BDA0003213338810000063
Figure BDA0003213338810000064
其中ΔR表示接收端中第q个天线元件与天线阵列中心之间的距离，对于均匀天线阵列来说，ΔR表示为：/>
Figure BDA0003213338810000065
δR为地面终端空间间隔的函数。
本发明的有益效果在于：
1)本发明建立的3D MIMO LEO卫星空天地信道模型是对卫星信道的扩展，利用VMF概率分布联合考虑散射体中离开角、到达角的方位角和仰角关系，更加准确的建立模型；
2)本发明将LEO卫星、无人机中继、终端的移动方向、速度、天线阵列方向以及散射体的分布等参数综合作用于信道统计特性；
3)本发明丰富了LEO卫星信道建模方法，信道的统计特性对卫星通信系统设计与评估具有实际的应用价值。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明基于几何的3D MIMO LEO卫星空天地信道建模方法的流程图；
图2为3D MIMO LEO卫星空天地信道模型；
图3为卫星空天地信道模型的时间自相关函数示意图；
图4为卫星空天地信道模型的空间互相关函数示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
请参阅图1～图4，本发明设计了一种基于几何的3D MIMO LEO卫星空天地信道建模方法，具体包括以下步骤：
S1：建立LEO卫星发射端通过移动的无人机中继端到达移动的地面接收端的3D双球信道模型。
步骤S1中，建立的3D双球模型中包含LEO卫星发射端T、移动的无人机中继端U和移动的地面接收端R，并且在无人机中继端U和地面接收端R周围有N1和N2个独立的有效散射体，第n1(n1＝1,2,3,...,N1)个有效散射体由
Figure BDA0003213338810000071
表示，第n2(n2＝1,2,3,...,N2)个有效散射体由/>
Figure BDA0003213338810000072
表示，这些散射体随机分布在以移动的无人机中继端U和移动的地面接收端R为中心的球面上；在该3D双球模型中，无线信号由LEO卫星发射端发出，历经无人机中继端U转发，到达地面接收端R。
S2：根据3D双球信道模型，生成3D MIMO LEO卫星信道发射端天线p经过中继端天线l到接收端天线q之间的信道冲激响应。
步骤S2中，生成3D MIMO LEO卫星信道发射端天线p到中继端天线l再到接收端天线q之间的信道冲激响应hpq(t)为：
Figure BDA0003213338810000073
式中，
Figure BDA0003213338810000081
为LEO卫星发射端T到无人机中继端U的路径损耗，hpl(t)为LEO卫星发射端T到无人机中继端U的冲激响应，hlq(t)为无人机中继端U到地面接收端R的冲激响应。
LEO卫星发射端T到无人机中继端U的路径损耗
Figure BDA0003213338810000082
为：
Figure BDA0003213338810000083
式中，Dpl(t)为LEO卫星发射端T到无人机中继端U的距离，fc为载波频率，c为光速。
LEO卫星发射端T的第p(p＝1,…,MT)根天线与无人机中继端U的第l(l＝1,…,MU)根天线之间接收到的信道冲激响hpl(t)为视距(LoS)
Figure BDA0003213338810000084
与经过中继端周围散射体的一次散射/>
Figure BDA0003213338810000085
之和，表达式为：
Figure BDA0003213338810000086
Figure BDA0003213338810000087
Figure BDA0003213338810000088
式中，fTm、fUm分别为LEO卫星发射端和无人机中继端的最大多普勒频移；
Figure BDA0003213338810000089
分别为LEO卫星发射端到无人机中继端的视距出发角的方位角和仰角；/>
Figure BDA00032133388100000810
分别为LEO卫星发射端速度的方位角和仰角；/>
Figure BDA00032133388100000811
分别为LEO卫星发射端到无人机中继端的视距到达角的方位角和仰角；/>
Figure BDA00032133388100000812
分别为无人机中继端速度的方位角和仰角；
Figure BDA00032133388100000813
分别为LEO卫星发送端发送的波撞击散射体/>
Figure BDA00032133388100000814
的到达角的方位角和仰角；
Figure BDA00032133388100000815
卫星撞击散射体/>
Figure BDA00032133388100000816
的离开角方位角和仰角；/>
Figure BDA00032133388100000817
为散射体/>
Figure BDA00032133388100000818
引起的相位，是独立随机的并且服从均匀分布[-π，π)；/>
Figure BDA00032133388100000819
分别表示LEO卫星发射端到散射体n1的距离和散射体n1到无人机中继端的距离，K表示莱斯因子。
无人机中继端U的第l(l＝1,…,MU)根天线与地面接收端R的第q(q＝1,…,MR)根天线之间接收到的信道冲激响hlq(t)为视距(LoS)
Figure BDA0003213338810000091
与经过无人机中继端周围散射体的一次散射/>
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经过地面接收端周围散射体的一次散射/>
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和经过无人机中继端周围散射体和经过地面接收端周围的散射体的两次散射/>
Figure BDA0003213338810000094
之和，表达式：
Figure BDA0003213338810000095
Figure BDA0003213338810000096
Figure BDA0003213338810000097
Figure BDA0003213338810000098
Figure BDA0003213338810000099
式中，
Figure BDA00032133388100000910
分别为无人机中继端到地面接收端的视距出发角的方位角和仰角；/>
Figure BDA00032133388100000911
Figure BDA00032133388100000912
分别为无人机中继端到地面接收端的视距到达角的方位角和仰角；/>
Figure BDA00032133388100000913
为地面接收端速度的方位角；/>
Figure BDA00032133388100000914
分别为无人机中继端到散射体n1的距离和散射体n1到地面接收端的距离；/>
Figure BDA00032133388100000915
分别为无人机中继端发送的波撞击散射体/>
Figure BDA00032133388100000916
的到达角的方位角和仰角；/>
Figure BDA00032133388100000917
分别为无人机中继端发送的波撞击散射体/>
Figure BDA00032133388100000918
的离开角的方位角和仰角；fRm为地面接收端的最大多普勒频移；/>
Figure BDA00032133388100000919
分别为无人机中继端到散射体n2(n2＝1,2,3,...,N2)的距离和散射体n2到地面接收端的距离；/>
Figure BDA0003213338810000101
分别为无人机中继端发送的波撞击散射体/>
Figure BDA0003213338810000102
的到达角的方位角和仰角；/>
Figure BDA0003213338810000103
分别为无人机中继端发送的波撞击散射体/>
Figure BDA0003213338810000104
的离开角的方位角和仰角；/>
Figure BDA0003213338810000105
为散射体/>
Figure BDA0003213338810000106
引起的相位，是独立随机的并且服从均匀分布[-π，π)；/>
Figure BDA0003213338810000107
为散射体n1到散射体n2之间的距离；/>
Figure BDA0003213338810000108
为散射体/>
Figure BDA0003213338810000109
和
Figure BDA00032133388100001010
引起的相位，是独立随机的并且服从均匀分布[-π，π)；Dlq为无人机中继端到地面接收端的距离，Ωlq为接收总功率，ηSB1、ηSB2、ηDB为能量相关参数，代表SB1、SB2、DB分量占总散射功率的比例，并且ηSB1+ηSB2+ηDB＝1；K表示莱斯因子。
S3：根据移动的LEO卫星发射端、移动的无人机中继端、移动的地面接收端之间的几何关系，计算信号到达角、离开角、时变的传播距离的时变信道参数，具体包括：分别建立LEO卫星发射端、无人机中继端和地面接收端的坐标系，中继端的散射体用
Figure BDA00032133388100001011
表示，终端的散射体用/>
Figure BDA00032133388100001012
表示；
1)LEO卫星发送端发送的波撞击散射体
Figure BDA00032133388100001013
的到达角的方位角/>
Figure BDA00032133388100001014
和仰角/>
Figure BDA00032133388100001015
分别为：
Figure BDA00032133388100001016
Figure BDA00032133388100001017
式中，θ0为LEO卫星发射端到无人机中继端的初始仰角，R1为无人机中继端周围散射体分布的半径，dTU为LEO卫星发射端到无人机中继端的水平距离；
2)无人机中继端发送的波撞击散射体
Figure BDA00032133388100001018
的到达角的方位角/>
Figure BDA00032133388100001019
和仰角/>
Figure BDA00032133388100001020
分别为：
Figure BDA00032133388100001021
Figure BDA00032133388100001022
式中，θ1为无人机中继端到地面接收端的初始仰角，R2为终端周围散射体分布的半径，dUR为无人机中继端到地面接收端的水平距离；
3)无人机中继端发送的波撞击散射体
Figure BDA00032133388100001023
的到达角的方位角/>
Figure BDA00032133388100001024
和仰角/>
Figure BDA00032133388100001025
分别为：
Figure BDA00032133388100001026
Figure BDA00032133388100001027
4)LEO卫星发射端到无人机中继端时变的传播距离为：
Figure BDA0003213338810000111
式中，Dx/y/z表示在3D坐标轴上x/y/z轴的坐标；
Figure BDA0003213338810000112
Figure BDA0003213338810000113
Figure BDA0003213338810000114
其中H为LEO卫星发射端到地面接收端的垂直距离，Hu为无人机中继端到地面接收端的垂直距离；ΔT表示LEO卫星发射端中第p个天线元件与天线阵列中心之间的距离，ΔU表示地面接收端中第l个天线元件与天线阵列中心之间的距离；对于均匀天线阵列来说，ΔT和ΔU分别表示为：
Figure BDA0003213338810000115
其中δT和δU分别为卫星空间间隔和无人机中继端空间间隔；
5)无人机中继端到地面接收端时变的传播距离为：
Figure BDA0003213338810000116
式中，
Figure BDA0003213338810000117
Figure BDA0003213338810000118
其中ΔR表示接收端中第q个天线元件与天线阵列中心之间的距离，对于均匀天线阵列来说，ΔR表示为：/>
Figure BDA0003213338810000119
δR为地面终端空间间隔的函数。
本实施例采用的模型经过理论分析能获得参考模型，其中有效散射体的数量是无限多个，即N1→∞，N2→∞。散射体的到达角和离开角
Figure BDA00032133388100001110
Figure BDA00032133388100001111
可以用连续的随机变量/>
Figure BDA00032133388100001112
表示。考虑了方位角和仰角的影响，有效散射体分布由VMF(von Mises Fisher)表示，VMF的概率分布函数表示为：
Figure BDA0003213338810000121
Figure BDA0003213338810000122
式中，
Figure BDA0003213338810000123
和分别表示/>
Figure BDA0003213338810000124
和/>
Figure BDA0003213338810000125
的统计平均值。非负实数kTU和kUR表示散射体n1和散射体n2的分布密度，当kTU、kUR较大时，散射体会集中分布在平均角度方向周围。卫星信道的时间-空间相关函数为：
Figure BDA0003213338810000126
在式(1)中hpl和hlq为统计独立，因此式(13)可改写为：
Rpq,p'q'(δT,δU,δR,τ)＝Rpl,p'l'(δT,δU,τ)×Rlq,l'(δU,δR,τ) (16)
Figure BDA0003213338810000127
/>
Figure BDA0003213338810000128
Figure BDA0003213338810000129
Figure BDA00032133388100001210
Figure BDA00032133388100001211
Figure BDA0003213338810000131
Figure BDA0003213338810000132
Figure BDA0003213338810000133
应用实施例：本发明用于3D MIMO LEO卫星空天地信道建模以及参数计算，为了验证3D MIMO LEO卫星信道模型的有效性，本发明结合VMF分布，对基于几何的3D MIMO LEO卫星空天地信道模型进行研究，分析信道的时变统计特性。相关参数设置如：Hu＝100m，H＝500km，R1＝10m,R2＝50m，K＝0.01，kTU＝3，kUR＝5，vT＝7900m/s，vU＝10m/s，vR＝0.5m/s。
图2描述了在无人机作中继的情况下，基于几何的3D MIMO LEO卫星空天地信道模型，该模型包含一个移动的发射端、一个中继转发端和一个接收端，在中继和终端为中心的球面上分布有相对独立的散射体。此外，假设卫星通信系统中移动端设置有MT、MU和MR根均匀线性全向天线，天线高度忽略不计。移动发射端、中继转发端、移动接收端的天线阵列分别由δT、δU、δR表示，天线阵列的方向角由θT、θU、θR表示。
图3比较了不同的速度方向的3D MIMO LEO卫星空天地信道模型的时间相关函数的绝对值。从图3中可以看出，信道的时间相关性随时间的变化而变化，这表明建立的模型在时间域上能够对3D MIMO LEO卫星空天地信道模型的非平稳性建模。
图4利用本发明方法建立的3D MIMO LEO卫星空天地信道模型的空间相关函数的绝对值。从图4中可以看出，信道的空间相关性随天线间距的变化而变化，这表明建立的模型在空间域上能够模拟卫星信道的非平稳特性。
综上所述，本发明扩展了卫星信道建模方法，所建立的基于几何的3D MIMO LEO卫星空天地信道模型能够描述信道的统计特性，得到的统计特性研究对卫星通信系统设计具有实际应用价值。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于几何的3D MIMO LEO卫星空天地信道建模方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：建立低地球轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星发射端通过移动的无人机中继端到达移动的地面接收端的3D双球信道模型；
S2：根据3D双球信道模型，生成3D MIMO LEO卫星信道发射端天线p经过中继端天线l到接收端天线q之间的信道冲激响应；
S3：根据移动的LEO卫星发射端、移动的无人机中继端、移动的地面接收端之间的几何关系，计算信号到达角、离开角、时变的传播距离的时变信道参数；
步骤S1中，建立的3D双球模型中包含LEO卫星发射端T、移动的无人机中继端U和移动的地面接收端R，并且在无人机中继端U和地面接收端R周围有N1和N2个独立的有效散射体，第n1个有效散射体由
Figure FDA0004245516760000011
表示，第n2个有效散射体由/>
Figure FDA0004245516760000012
表示，这些散射体随机分布在以移动的无人机中继端U和移动的地面接收端R为中心的球面上；其中，n1＝1,2,3,...,N1，n2＝1,2,3,...,N2；
步骤S2中，生成3D MIMO LEO卫星信道发射端天线p到中继端天线l再到接收端天线q之间的信道冲激响应hpq(t)为：
Figure FDA0004245516760000013
式中，
Figure FDA0004245516760000014
为LEO卫星发射端T到无人机中继端U的路径损耗，hpl(t)为LEO卫星发射端T到无人机中继端U的冲激响应，hlq(t)为无人机中继端U到地面接收端R的冲激响应；
LEO卫星发射端T到无人机中继端U的路径损耗
Figure FDA0004245516760000015
为：
Figure FDA0004245516760000016
式中，Dpl(t)为LEO卫星发射端T到无人机中继端U的距离，fc为载波频率，c为光速；
LEO卫星发射端T的第p根天线与无人机中继端U的第l根天线之间接收到的信道冲激响hpl(t)为视距
Figure FDA0004245516760000017
与经过中继端周围散射体的一次散射/>
Figure FDA0004245516760000018
之和，表达式为：
Figure FDA0004245516760000019
Figure FDA0004245516760000021
Figure FDA0004245516760000022
式中，fTm、fUm分别为LEO卫星发射端和无人机中继端的最大多普勒频移；
Figure FDA0004245516760000023
分别为LEO卫星发射端到无人机中继端的视距出发角的方位角和仰角；/>
Figure FDA0004245516760000024
分别为LEO卫星发射端速度的方位角和仰角；/>
Figure FDA0004245516760000025
分别为LEO卫星发射端到无人机中继端的视距到达角的方位角和仰角；/>
Figure FDA0004245516760000026
分别为无人机中继端速度的方位角和仰角；/>
Figure FDA0004245516760000027
分别为LEO卫星发送端发送的波撞击散射体/>
Figure FDA0004245516760000028
的到达角的方位角和仰角；/>
Figure FDA0004245516760000029
分别为卫星撞击散射体/>
Figure FDA00042455167600000210
的离开角方位角和仰角；/>
Figure FDA00042455167600000211
为散射体/>
Figure FDA00042455167600000212
引起的相位，是独立随机的并且服从均匀分布[-π，π)；/>
Figure FDA00042455167600000213
分别表示LEO卫星发射端到散射体n1的距离和散射体n1到无人机中继端的距离，K表示莱斯因子；
无人机中继端U的第l根天线与地面接收端R的第q根天线之间接收到的信道冲激响hlq(t)为视距
Figure FDA00042455167600000214
与经过无人机中继端周围散射体的一次散射/>
Figure FDA00042455167600000215
经过地面接收端周围散射体的一次散射/>
Figure FDA00042455167600000216
和经过无人机中继端周围散射体和经过地面接收端周围的散射体的两次散射/>
Figure FDA00042455167600000217
之和，表达式：
Figure FDA00042455167600000218
Figure FDA00042455167600000219
Figure FDA0004245516760000031
Figure FDA0004245516760000032
Figure FDA0004245516760000033
式中，
Figure FDA0004245516760000034
分别为无人机中继端到地面接收端的视距出发角的方位角和仰角；
Figure FDA0004245516760000035
Figure FDA0004245516760000036
分别为无人机中继端到地面接收端的视距到达角的方位角和仰角；/>
Figure FDA0004245516760000037
为地面接收端速度的方位角；/>
Figure FDA0004245516760000038
分别为无人机中继端到散射体n1的距离和散射体n1到地面接收端的距离；/>
Figure FDA0004245516760000039
分别为无人机中继端发送的波撞击散射体/>
Figure FDA00042455167600000310
的到达角的方位角和仰角；/>
Figure FDA00042455167600000311
分别为无人机中继端发送的波撞击散射体/>
Figure FDA00042455167600000312
的离开角的方位角和仰角；fRm为地面接收端的最大多普勒频移；/>
Figure FDA00042455167600000313
分别为无人机中继端到散射体n2的距离和散射体n2到地面接收端的距离；/>
Figure FDA00042455167600000314
分别为无人机中继端发送的波撞击散射体/>
Figure FDA00042455167600000315
的到达角的方位角和仰角；/>
Figure FDA00042455167600000316
分别为无人机中继端发送的波撞击散射体/>
Figure FDA00042455167600000317
的离开角的方位角和仰角；/>
Figure FDA00042455167600000318
为散射体/>
Figure FDA00042455167600000319
引起的相位，是独立随机的并且服从均匀分布[-π，π)；/>
Figure FDA00042455167600000320
为散射体n1到散射体n2之间的距离；/>
Figure FDA00042455167600000321
为散射体/>
Figure FDA00042455167600000322
和/>
Figure FDA00042455167600000323
引起的相位，是独立随机的并且服从均匀分布[-π，π)；Dlq为无人机中继端到地面接收端的距离，Ωlq为接收总功率，ηSB1、ηSB2、ηDB为能量相关参数，代表SB1、SB2、DB分量占总散射功率的比例，并且ηSB1+ηSB2+ηDB＝1；K表示莱斯因子；
步骤S3中，计算信号到达角，具体包括：
1)LEO卫星发送端发送的波撞击散射体
Figure FDA0004245516760000041
的到达角的方位角/>
Figure FDA0004245516760000042
和仰角/>
Figure FDA0004245516760000043
分别为：
Figure FDA0004245516760000044
Figure FDA0004245516760000045
式中，θ0为LEO卫星发射端到无人机中继端的初始仰角，R1为无人机中继端周围散射体分布的半径，dTU为LEO卫星发射端到无人机中继端的水平距离；
2)无人机中继端发送的波撞击散射体
Figure FDA0004245516760000046
的到达角的方位角/>
Figure FDA0004245516760000047
和仰角/>
Figure FDA0004245516760000048
分别为：
Figure FDA0004245516760000049
Figure FDA00042455167600000410
式中，θ1为无人机中继端到地面接收端的初始仰角，R2为终端周围散射体分布的半径，dUR为无人机中继端到地面接收端的水平距离；
3)无人机中继端发送的波撞击散射体
Figure FDA00042455167600000411
的到达角的方位角/>
Figure FDA00042455167600000412
和仰角/>
Figure FDA00042455167600000413
分别为：
Figure FDA00042455167600000414
Figure FDA00042455167600000415
计算信号传播时变距离，具体包括：
1)LEO卫星发射端到无人机中继端时变的传播距离为：
Figure FDA00042455167600000416
式中，Dx/y/z表示在3D坐标轴上x/y/z轴的坐标；
Figure FDA00042455167600000417
Figure FDA00042455167600000418
Figure FDA00042455167600000419
其中H为LEO卫星发射端到地面接收端的垂直距离，Hu为无人机中继端到地面接收端的垂直距离；ΔT表示LEO卫星发射端中第p个天线元件与天线阵列中心之间的距离，ΔU表示地面接收端中第l个天线元件与天线阵列中心之间的距离；
2)无人机中继端到地面接收端时变的传播距离为：
Figure FDA0004245516760000051
式中，
Figure FDA0004245516760000052
Figure FDA0004245516760000053
其中ΔR表示接收端中第q个天线元件与天线阵列中心之间的距离。
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