CN114499724A - 一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法 - Google Patents

一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法 Download PDF

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CN114499724A CN202210401167.3A CN202210401167A CN114499724A CN 114499724 A CN114499724 A CN 114499724A CN 202210401167 A CN202210401167 A CN 202210401167A CN 114499724 A CN114499724 A CN 114499724A
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Abstract

本发明公开一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法,通过设置低轨卫星移动通信场景，并建立直角坐标系；计算发射端和接收端间的直达路径长度；计算非直达路径的传输路径长度；分别计算直达路径和非直达路径的信道复冲激函数；基于信道复冲激函数，建立信道矩阵；基于直达路径和非直达路径的信道复冲激函数，分析低轨卫星移动通信的空时频非平稳特性。用于解决低轨卫星移动通信场景下时域或频域非平稳、散射体丰富、多移动性等技术问题；同时对于评估低轨卫星移动通信信道容量、传输增益等系统性能具有重要的指导意义和应用价值。

Description

一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法
技术领域
本发明涉及一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
近年来，低轨卫星移动通信已经在导航、通信与广播等各个领域得到了应用，并且在学术界和工业界都成为了广泛关注。低轨卫星移动通信的服务质量可靠，成本较低，因此能够给全球提供覆盖服务。通常来说，卫星移动通信分为静止轨道和非静止轨道，其中静止轨道卫星是位于赤道上空35786km的对地同步卫星；结合卫星到达地球的距离，非静止轨道可分为低轨道、中轨道以及高轨道。因此在低轨卫星移动通信场景中,针对信号在发射端和接收端之间的传输环境中进行信道建模，对于设计高性能和高频谱效率的无线通信系统具有重要的理论意义和应用价值。本发明主要围绕低轨卫星移动通信场景展开分析, 深入研究无线信道模型, 为相关领域的开发与设计提供理论基础。
低轨卫星移动通信信道传输特性容易受到气候条件(比如风、云、雨、雾等)的影响，降雨是引起卫星信号衰减的主要因素，尤其是对于高频段来说，这种影响会异常激烈。研究表明，低轨卫星移动通信信道低轨卫星移动通信信道表现出非常大的多普勒扩展和多普勒频移。除此之外，低轨卫星移动通信信道的频率相关性非常高、覆盖范围广、通信距离长。在低轨卫星移动通信信道中，发射端主要通过直达路径和非直达路径将信号传输到接收端。由于不存在路径散射在当前关于卫星通信信道建模的研究中，大都推导和分析接收信号幅度的概率密度函数，结合信道状态可以将其分为好、中、差三种，进而采用马尔科夫链理论对其进行信道模型。与此同时，在建立低轨卫星移动通信信道模型时，需要采用大发射功率和高增益天线对抗由于长通信距离和高频段引起的大路径损耗。
在近几年中，国内外许多团队针对低轨卫星移动通信传输特性分析和建立理论展开了研究。举例来说，英国赫瑞瓦特大学的Chengxiang Wang教授课题组针对低轨卫星移动通信场景开展了大量系统参数配置下的信道测量实验，结合仿真结论和实验测量数据指出，基于实验测量数据的低轨卫星移动通信信道模型能够有效地用来描述实际的移动通信环境。北京邮电大学的张建华教授课题组通过测量低轨卫星移动通信场景收集到大量的实验数据, 分析了低轨卫星移动通信信道中的动态传输特性。除此之外, METIS提出了多元化移动通信场景的低轨卫星移动通信信道模型; 3GPP提出了一个初步的低轨卫星移动通信信道模型; 另外, MiWEBA提出了一个在高频段的低轨卫星移动通信信道模型。
在当前信道建模理论中，信道模型分为确定性模型和非确定性模型，其中确定性信道模型主要基于大量的信道测量而提出的一种面向特定场景的建模方法。而非确定性信道模型则引入随机参数而提出的一种统计信道模型，这种信道模型能够通过改变模型参数描述多个移动通信环境。这种信道模型可细分为非规则几何形状的非确定性模型和规则几何形状的非确定性模型。其中, 非规则几何形状的非确定性模型也可称为是参数模型, 主要指的是结合实验数据来构建的信道模型; 而规则几何形状的非确定性模型则指的是几何散射体的分布情况构建的信道模型。在近几年中，国内外很多研究学者采用椭圆模型描述宽带信道中的路边建筑物，这是由于当发射端和接收端位于椭圆的焦点位置时, 发射端发出的信号经过散射边界多次反射到达接收端, 而每条传输路径具有相同的时延。结合实验测量数据可知，三维信道模型相比于二维信道模型可以更加准确地描述实际的移动通信环境。针对不同形式的低轨卫星移动通信, 国内外许多研究学者提出不同参数配置的几何统计信道模型, 通过结合仿真结论指出提出的信道模型能够有效的用来描述路边的建筑物分布。因此，本发明为解决这一问题，提出一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法, 对于解决低轨卫星移动通信场景下时域或频域非平稳、散射体丰富、多移动性等难题；同时对于评估低轨卫星移动通信信道容量、传输增益等性能具有重要的指导意义和应用价值。
发明内容
发明目的：针对低轨卫星移动通信信道分析不充分的问题，本发明提出一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法，对于实现6G大宽带、高频谱复用以及全球低价无缝高速通信覆盖，具有重要的理论意义和应用价值。
技术方案：一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法，包含以下步骤：
步骤S1：设置低轨卫星移动通信场景，并建立直角坐标系；
步骤S2：发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，计算发射端和接收端间的直达路径长度；
步骤S3：发射端发出的信号经散射簇反射到达接收端为非直达路径，计算非直达路径的传输路径长度；
步骤S4：分别计算直达路径和非直达路径的信道复冲激函数；
步骤S5：基于信道复冲激函数，建立信道矩阵；
步骤S6：基于直达路径和非直达路径的信道复冲激函数，分析低轨卫星移动通信的空时频非平稳特性。
优选的，所述步骤S2中当发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，计算发射 端第
Figure 577881DEST_PATH_IMAGE001
根
Figure 231716DEST_PATH_IMAGE002
天线与接收端第
Figure 988320DEST_PATH_IMAGE003
根
Figure 374302DEST_PATH_IMAGE004
天线间传输路径的长度为：
Figure 452241DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 706505DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 317615DEST_PATH_IMAGE007
，参数
Figure 874498DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 938269DEST_PATH_IMAGE008
分别表示发射端 和接收端天线的数目；
Figure 698021DEST_PATH_IMAGE009
为发射端任意两相邻天线的间距；
Figure 960375DEST_PATH_IMAGE010
为接收端任意两相邻天线的 间距；
Figure 688160DEST_PATH_IMAGE011
为发射端天线阵列与
Figure 239227DEST_PATH_IMAGE012
轴正方向的夹角；
Figure 100873DEST_PATH_IMAGE013
为接收端天线阵列与
Figure 922460DEST_PATH_IMAGE012
轴正方向的 夹角；
Figure 149042DEST_PATH_IMAGE014
表示发射端天线阵列中点映射在水平面上的投影到达接收端天线阵列中点的距 离，
Figure 452985DEST_PATH_IMAGE015
表示发射端天线阵列中点到达水平面的距离。
优选的，所述步骤S3中发射端第
Figure 728108DEST_PATH_IMAGE001
根天线与接收端第
Figure 902738DEST_PATH_IMAGE008
根天线间非直达路径的传 输路径长度为：
Figure 884511DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 144591DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 223405DEST_PATH_IMAGE018
分别表示信号到达角度的水平角度和竖直角度；
Figure 252541DEST_PATH_IMAGE019
为接收端天 线阵列中点到达散射边界的距离。
优选的，所述步骤S4中计算直达路径和非直达路径的信道复冲激函数的具体步骤为：
步骤401：发射端第
Figure 883242DEST_PATH_IMAGE020
根天线与接收端第
Figure 132083DEST_PATH_IMAGE021
根天线间直达路径的信道复冲激函数 计算为：
Figure 76906DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 163810DEST_PATH_IMAGE023
表示莱斯因子，
Figure 903096DEST_PATH_IMAGE024
为复数，
Figure 200085DEST_PATH_IMAGE025
为载波频率，
Figure 181555DEST_PATH_IMAGE026
为光的传输速率，
Figure 450862DEST_PATH_IMAGE027
为波长，
Figure 298732DEST_PATH_IMAGE028
为发射端和接收端的运动时间，
Figure 20701DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 104063DEST_PATH_IMAGE030
分别是视距传播链路的离开水平角和离开竖 直角；
Figure 729342DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 482534DEST_PATH_IMAGE032
分别是视距传播链路的到达水平角和到达竖直角；
Figure 957378DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 782114DEST_PATH_IMAGE034
分别表示发 射端和接收端的运动速度；
Figure 822751DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 573276DEST_PATH_IMAGE036
分别表示发射端和接收端的运动方向和
Figure 941941DEST_PATH_IMAGE037
轴正方向的 夹角。
步骤402：发射端第
Figure 304789DEST_PATH_IMAGE038
根天线与接收端第
Figure 465512DEST_PATH_IMAGE039
根天线间非直达路径的信道复冲激函 数计算为：
Figure 888403DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure 744364DEST_PATH_IMAGE041
是等效散射体的个数；
Figure 412368DEST_PATH_IMAGE042
是初始随机相位；
Figure 427597DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure 21389DEST_PATH_IMAGE044
分别表示信号离 开角度的水平角度和竖直角度；
Figure 364646DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 69297DEST_PATH_IMAGE046
分别表示信号到达角度的水平角度和竖直角度
优选的，所述步骤S5计算信道矩阵为：
Figure 437568DEST_PATH_IMAGE047
优选的，所述步骤S6中基于直达路径和非直达路径的信道复冲激函数，分析低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性的具体步骤为：
步骤601：当发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，发射端第
Figure 202262DEST_PATH_IMAGE048
根天线和接 收端第
Figure 32814DEST_PATH_IMAGE049
根天线间传输链路，与发射端第
Figure 541156DEST_PATH_IMAGE050
根天线与接收端第
Figure 468661DEST_PATH_IMAGE051
根间传输路径的空间互相 关特性计算为：
Figure 968037DEST_PATH_IMAGE052
其中，
Figure 20307DEST_PATH_IMAGE053
表示发射端第
Figure 597919DEST_PATH_IMAGE050
根天线与接收端第
Figure 114351DEST_PATH_IMAGE051
根天线间直达路径的传输路径 长度。
当发射端发出的信号经非直达路径到达接收端时，发射端第
Figure 17585DEST_PATH_IMAGE048
根天线和接收端第
Figure 822730DEST_PATH_IMAGE054
根天线间传输链路，与发射端第
Figure 171409DEST_PATH_IMAGE050
根天线和接收端第
Figure 870244DEST_PATH_IMAGE051
根间传输路径的空间互相关特性 计算为：
Figure 147642DEST_PATH_IMAGE055
其中，
Figure 767979DEST_PATH_IMAGE056
表示发射端第
Figure 93918DEST_PATH_IMAGE050
根天线与接收端第
Figure 86407DEST_PATH_IMAGE051
根天线间非直达路径的传输路 径长度。
步骤602：发射端第
Figure 862602DEST_PATH_IMAGE057
根天线和接收端第
Figure 704656DEST_PATH_IMAGE058
根天线间直达路径的时域自相关特性计 算为：
Figure 896603DEST_PATH_IMAGE059
其中，
Figure 445396DEST_PATH_IMAGE060
表示发射端和接收端运动的时间差；
发射端第
Figure 563131DEST_PATH_IMAGE057
根天线和接收端第
Figure 689219DEST_PATH_IMAGE061
根天线间非直达路径的时域自相关特性计算为：
Figure 684857DEST_PATH_IMAGE062
步骤603：当发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，发射端第
Figure 88156DEST_PATH_IMAGE057
根天线和接 收端第
Figure 143837DEST_PATH_IMAGE061
根天线间传输链路，与发射端第
Figure 196369DEST_PATH_IMAGE063
根天线和接收端第
Figure 792435DEST_PATH_IMAGE064
根间传输路径的频域互 相关特性计算为：
Figure 112558DEST_PATH_IMAGE065
其中，
Figure 276823DEST_PATH_IMAGE066
表示发射端/接收端的频率差；
当发射端发出的信号经非直达路径到达接收端时，发射端第
Figure 580766DEST_PATH_IMAGE057
根天线与接收端第
Figure 151162DEST_PATH_IMAGE061
根天线间传输链路，和第
Figure 653688DEST_PATH_IMAGE063
根天线与接收端第
Figure 785592DEST_PATH_IMAGE064
根间传输路径的频域互相关特性计算 为：
Figure 576830DEST_PATH_IMAGE067
。
与现有技术相比，本发明所提供的一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法，具有如下优点：
（1）通用性强，能够通过改变模型参数，本发明专利提出的方法能够描述不同频段、不同参数配置下的低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性；
（2）精确度高，相比于现有技术，能够有效的分析模型的统计特性；
（3）复杂度低，相比于现有技术，能够在很大程度上降低仿真时间，缓解计算负担。
附图说明
图1：本发明提出的面向低轨卫星移动通信信道模型的示意图；
图2：低轨卫星移动通信信道的空间互相关特性；
图3：低轨卫星移动通信信道的时域自相关特性；
图4：低轨卫星移动通信信道的频域互相关特性。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法，假设发射 端和接收端分别配置
Figure 390065DEST_PATH_IMAGE068
根和
Figure 982983DEST_PATH_IMAGE069
根天线，系统模型图如图1；建立
Figure 551368DEST_PATH_IMAGE070
直角坐标系，其 中
Figure 564323DEST_PATH_IMAGE071
轴定义为发射端天线阵列中点在水平面上的投影与接收端天线阵列中点的连线；
Figure 181249DEST_PATH_IMAGE072
轴 定义为经过发射端天线阵列中点垂直于水平面的线；而
Figure 330471DEST_PATH_IMAGE073
轴可以根据右手定则得到，采用 半球体描述接收端的散射体分布。在建立的信道模型中，发射端发出的信号一部分经过直 达路径到达接收端，一部分经过非直达路径(即散射簇反射)到达接收端，接收端接收到的 信号可以表示为：
Figure 630609DEST_PATH_IMAGE074
其中，
Figure 865281DEST_PATH_IMAGE075
表示发射端发送信号的功率；
Figure 20319DEST_PATH_IMAGE076
表示低轨卫星移动通信信道矩阵；
Figure 289626DEST_PATH_IMAGE077
是 信道中的加性高斯白噪声。因此，在探索低轨卫星移动通信系统性能时，推导信道矩阵
Figure 262130DEST_PATH_IMAGE076
尤 为重要。在本发明方案中，主要针对建立一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性 分析方法。
具体包含以下6个步骤：
第一步、设置低轨卫星移动通信场景，建立直角坐标系；
第二步、发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，计算发射端和接收端间的直达路径长度：
步骤201：当发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，计算发射端第
Figure 751143DEST_PATH_IMAGE001
根
Figure 772188DEST_PATH_IMAGE002
天线与接收端第
Figure 568106DEST_PATH_IMAGE008
根
Figure 649194DEST_PATH_IMAGE004
天线间传输路径的长度为：
Figure 920776DEST_PATH_IMAGE078
其中，
Figure 267485DEST_PATH_IMAGE079
，
Figure 183488DEST_PATH_IMAGE080
，参数
Figure 169899DEST_PATH_IMAGE081
和
Figure 928776DEST_PATH_IMAGE082
分别表示发射端 和接收端天线的数目；
Figure 557204DEST_PATH_IMAGE083
为发射端任意两相邻天线的间距；
Figure 157075DEST_PATH_IMAGE010
为接收端任意两相邻天线的 间距；
Figure 579966DEST_PATH_IMAGE084
为发射端天线阵列与
Figure 701505DEST_PATH_IMAGE012
轴正方向的夹角；
Figure 868045DEST_PATH_IMAGE085
为接收端天线阵列与
Figure 617695DEST_PATH_IMAGE012
轴正方向的 夹角；
Figure 710022DEST_PATH_IMAGE014
表示发射端天线阵列中点映射在水平面上的投影到达接收端天线阵列中点的距 离，
Figure 381175DEST_PATH_IMAGE015
表示发射端天线阵列中点到达水平面的距离。
第三步、发射端发出的信号经散射簇反射到达接收端为非直达路径，计算非直达 路径的传输路径长度，发射端第
Figure 289088DEST_PATH_IMAGE081
根天线与接收端第
Figure 96507DEST_PATH_IMAGE082
根天线间非直达路径的传输路径 长度为：
Figure 923518DEST_PATH_IMAGE086
其中，
Figure 317852DEST_PATH_IMAGE087
和
Figure 763877DEST_PATH_IMAGE018
分别表示信号到达角度的水平角度和竖直角度；
Figure 691382DEST_PATH_IMAGE019
为接收端天 线阵列中点到达散射边界的距离。
第四步、计算直达路径和非直达路径的信道复冲激函数的具体步骤为：
步骤401：发射端第
Figure 423715DEST_PATH_IMAGE020
根天线与接收端第
Figure 803880DEST_PATH_IMAGE021
根天线间直达路径的信道复冲激函数 计算为：
Figure 788017DEST_PATH_IMAGE088
其中，
Figure 68563DEST_PATH_IMAGE023
表示莱斯因子，
Figure 237376DEST_PATH_IMAGE024
为复数，
Figure 104838DEST_PATH_IMAGE025
为载波频率，
Figure 220562DEST_PATH_IMAGE026
为光的传输速率，
Figure 794763DEST_PATH_IMAGE027
为波长，
Figure 573625DEST_PATH_IMAGE028
为发射端和接收端的运动时间，
Figure 725121DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 378956DEST_PATH_IMAGE089
分别是视距传播链路的离开水平角和离开竖 直角；
Figure 135559DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 255962DEST_PATH_IMAGE032
分别是视距传播链路的到达水平角和到达竖直角；
Figure 862130DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 116394DEST_PATH_IMAGE034
分别表示发 射端和接收端的运动速度；
Figure 461925DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 612284DEST_PATH_IMAGE036
分别表示发射端和接收端的运动方向和
Figure 613738DEST_PATH_IMAGE037
轴正方向的 夹角。
步骤402：发射端第
Figure 110840DEST_PATH_IMAGE090
根天线与接收端第
Figure 576457DEST_PATH_IMAGE039
根天线间非直达路径的信道复冲激函 数计算为：
Figure 428875DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure 917625DEST_PATH_IMAGE041
是等效散射体的个数；
Figure 451375DEST_PATH_IMAGE042
是初始随机相位；
Figure 332350DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure 558932DEST_PATH_IMAGE044
分别表示信号离 开角度的水平角度和竖直角度；
Figure 269399DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 606839DEST_PATH_IMAGE046
分别表示信号到达角度的水平角度和竖直角度。
第五步、计算信道矩阵为：
Figure 109365DEST_PATH_IMAGE091
第六步、基于直达路径和非直达路径的信道复冲激函数，分析低轨卫星移动通信的空时频非平稳特性的具体步骤为：
当发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，发射端第
Figure 742734DEST_PATH_IMAGE048
根天线和接收端第
Figure 533972DEST_PATH_IMAGE054
根天线间传输链路，与发射端第
Figure 347207DEST_PATH_IMAGE050
根天线与接收端第
Figure 641922DEST_PATH_IMAGE051
根间传输路径的空间互相关特性计 算为：
Figure 7045DEST_PATH_IMAGE092
其中，
Figure 518535DEST_PATH_IMAGE093
表示发射端第
Figure 135461DEST_PATH_IMAGE050
根天线与接收端第
Figure 284683DEST_PATH_IMAGE051
根天线间直达路径的传输路径 长度。
当发射端发出的信号经非直达路径到达接收端时，发射端第
Figure 86286DEST_PATH_IMAGE048
根天线和接收端第
Figure 320958DEST_PATH_IMAGE054
根天线间传输链路，与发射端第
Figure 475996DEST_PATH_IMAGE050
根天线和接收端第
Figure 512347DEST_PATH_IMAGE051
根间传输路径的空间互相关特性 计算为：
Figure 156955DEST_PATH_IMAGE094
其中，
Figure 941240DEST_PATH_IMAGE095
表示发射端第
Figure 962286DEST_PATH_IMAGE096
根天线与接收端第
Figure 23783DEST_PATH_IMAGE097
根天线间非直达路径的传输路 径长度。
步骤602：发射端第
Figure 603407DEST_PATH_IMAGE057
根天线和接收端第
Figure 874988DEST_PATH_IMAGE061
根天线间直达路径的时域自相关特性计 算为：
Figure 434145DEST_PATH_IMAGE098
其中，
Figure 350149DEST_PATH_IMAGE099
表示发射端和接收端运动的时间差；
发射端第
Figure 602138DEST_PATH_IMAGE057
根天线和接收端第
Figure 862481DEST_PATH_IMAGE061
根天线间非直达路径的时域自相关特性计算为：
Figure 225329DEST_PATH_IMAGE100
步骤603：当发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，发射端第
Figure 995839DEST_PATH_IMAGE057
根天线和接 收端第
Figure 418730DEST_PATH_IMAGE061
根天线间传输链路，与发射端第
Figure 664903DEST_PATH_IMAGE063
根天线和接收端第
Figure 64399DEST_PATH_IMAGE064
根间传输路径的频域互 相关特性计算为：
Figure 954994DEST_PATH_IMAGE101
其中，
Figure 548787DEST_PATH_IMAGE102
表示发射端/接收端的频率差；
当发射端发出的信号经非直达路径到达接收端时，发射端第
Figure 16677DEST_PATH_IMAGE057
根天线与接收端第
Figure 986907DEST_PATH_IMAGE061
根天线间传输链路，和第
Figure 732009DEST_PATH_IMAGE063
根天线与接收端第
Figure 998168DEST_PATH_IMAGE064
根间传输路径的频域互相关特性计算 为：
Figure 953354DEST_PATH_IMAGE103
。
基于上述推导，图2-4给出本发明提出的低轨卫星移动通信的空时频非平稳特性。图2描述了低轨卫星移动通信信道的空间互相关特性。仿真结果指出，当相邻天线间距增大时，信道的空间互相关特性会不断地减小，体现出本发明所提模型的空间非平稳特性。从图中还可以看出，当发射端和接收端由静止状态变为运动状态时，信道的空间互相关特性会缓慢的增大。上述理论结果和仿真结果相吻合，表明图2关于分析低轨卫星移动通信信道的空间互相关特性的正确性。
图3描述了低轨卫星移动通信信道的时域自相关特性。仿真结果指出，当时间间隔
Figure 196117DEST_PATH_IMAGE104
增大时，信道的频域互相关特性会不断地减小。在信道模型处于平稳状态，即
Figure 61305DEST_PATH_IMAGE105
时， 接收端的移动方向
Figure 996899DEST_PATH_IMAGE036
不会对时域自相关特性造成影响。而在信道模型处于非平稳状态，即
Figure 961355DEST_PATH_IMAGE106
时，当接收端沿着
Figure 7808DEST_PATH_IMAGE107
轴的正方向运动时，即
Figure 727503DEST_PATH_IMAGE108
时，时域自相关特性要明显小于 接收端沿着
Figure 833999DEST_PATH_IMAGE109
轴负方向(即
Figure 763778DEST_PATH_IMAGE110
)运动的情况。从图中还可以发现，无论信道是处于平稳 状态还是非平稳状态，信道在散射体非常稀疏时的时域自相关特性要明显大于信道在散射 体密集时的时域自相关特性，表明了低轨卫星移动通信场景在不同运动时刻都会对传输特 性造成影响。
图4描述了低轨卫星移动通信信道的频域互相关特性。仿真结果指出，当相邻天线 间距增大时，信道的频域互相关特性会不断地减小。从图中可以发现，当低轨卫星移动通信 信道中的散射体非常稀疏(即莱斯因子
Figure 115387DEST_PATH_IMAGE111
取值较小)时，频域互相关特性要明显大于信道中 的散射体非常密集的情况，这一结论和过去研究的仿真结果相吻合，表明上述仿真结果是 正确的且符合客观规律。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1：设置低轨卫星移动通信场景，并建立直角坐标系；
步骤S2：发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，计算发射端和接收端间的直达路径长度；
步骤S3：发射端发出的信号经散射簇反射到达接收端为非直达路径，计算非直达路径的传输路径长度；
步骤S4：分别计算直达路径和非直达路径的信道复冲激函数；
步骤S5：基于信道复冲激函数，建立信道矩阵；
步骤S6：基于直达路径和非直达路径的信道复冲激函数，分析低轨卫星移动通信的空时频非平稳特性。
2.如权利要求1所述的一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法，其 特征在于：所述步骤S2中当发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，计算发射端第
Figure 593152DEST_PATH_IMAGE001
根
Figure 136129DEST_PATH_IMAGE002
天线与接收端第
Figure 225308DEST_PATH_IMAGE003
根
Figure 144722DEST_PATH_IMAGE004
天线间传输路径的长度为：
Figure 402790DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 116668DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 21039DEST_PATH_IMAGE007
，参数
Figure 212986DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 322631DEST_PATH_IMAGE003
分别表示发射端和接 收端天线的数目；
Figure 472990DEST_PATH_IMAGE008
为发射端任意两相邻天线的间距；
Figure 474444DEST_PATH_IMAGE009
为接收端任意两相邻天线的间 距；
Figure 204503DEST_PATH_IMAGE010
为发射端天线阵列与
Figure 732436DEST_PATH_IMAGE011
轴正方向的夹角；
Figure 289581DEST_PATH_IMAGE012
为接收端天线阵列与
Figure 512752DEST_PATH_IMAGE011
轴正方向的夹 角；
Figure 312081DEST_PATH_IMAGE013
表示发射端天线阵列中点映射在水平面上的投影到达接收端天线阵列中点的距离，
Figure 694521DEST_PATH_IMAGE014
表示发射端天线阵列中点到达水平面的距离。
3.如权利要求2所述的一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法，其 特征在于：所述步骤S3中发射端第
Figure 327628DEST_PATH_IMAGE001
根天线与接收端第
Figure 365991DEST_PATH_IMAGE003
根天线间非直达路径的传输路 径长度为：
Figure 264283DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 111016DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 508500DEST_PATH_IMAGE017
分别表示信号到达角度的水平角度和竖直角度；
Figure 830897DEST_PATH_IMAGE018
为接收端天线阵 列中点到达散射边界的距离。
4.如权利要求3所述的一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法，其特征在于：所述步骤S4中计算直达路径和非直达路径的信道复冲激函数的具体步骤为：
步骤401：发射端第
Figure 972028DEST_PATH_IMAGE019
根天线与接收端第
Figure 938847DEST_PATH_IMAGE020
根天线间直达路径的信道复冲激函数计算 为：
Figure 805434DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 83969DEST_PATH_IMAGE022
表示莱斯因子，
Figure 763212DEST_PATH_IMAGE023
为复数，
Figure 850116DEST_PATH_IMAGE024
为载波频率，
Figure 323823DEST_PATH_IMAGE025
为光的传输速率，
Figure 119347DEST_PATH_IMAGE026
为波长，
Figure 602281DEST_PATH_IMAGE027
为 发射端和接收端的运动时间，
Figure 543693DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 453880DEST_PATH_IMAGE029
分别是视距传播链路的离开水平角和离开竖直 角；
Figure 238165DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 26255DEST_PATH_IMAGE031
分别是视距传播链路的到达水平角和到达竖直角；
Figure 415648DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 496736DEST_PATH_IMAGE033
分别表示发射 端和接收端的运动速度；
Figure 378105DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 202841DEST_PATH_IMAGE035
分别表示发射端和接收端的运动方向和
Figure 765451DEST_PATH_IMAGE036
轴正方向的夹 角；
步骤402：发射端第
Figure 17441DEST_PATH_IMAGE037
根天线与接收端第
Figure 651684DEST_PATH_IMAGE038
根天线间非直达路径的信道复冲激函数计 算为：
Figure 14533DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 909676DEST_PATH_IMAGE040
是等效散射体的个数；
Figure 834032DEST_PATH_IMAGE041
是初始随机相位；
Figure 689993DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 122111DEST_PATH_IMAGE043
分别表示信号离开角 度的水平角度和竖直角度；
Figure 75024DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 731133DEST_PATH_IMAGE045
分别表示信号到达角度的水平角度和竖直角度。
5.如权利要求4所述的一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法，其特征在于：所述步骤S5计算信道矩阵为：
Figure 635242DEST_PATH_IMAGE046
。
6.如权利要求5所述的一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法，其特征在于：所述步骤S6中基于直达路径和非直达路径的信道复冲激函数，分析低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性的具体步骤为：
步骤601：当发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，发射端第
Figure 277575DEST_PATH_IMAGE047
根天线和接收端 第
Figure 350574DEST_PATH_IMAGE048
根天线间传输链路，与发射端第
Figure 115267DEST_PATH_IMAGE049
根天线与接收端第
Figure 70454DEST_PATH_IMAGE050
根间传输路径的空间互相关特 性计算为：
Figure 80261DEST_PATH_IMAGE051
其中，
Figure 679869DEST_PATH_IMAGE052
表示发射端第
Figure 881043DEST_PATH_IMAGE049
根天线与接收端第
Figure 261209DEST_PATH_IMAGE050
根天线间直达路径的传输路径长度；
当发射端发出的信号经非直达路径到达接收端时，发射端第
Figure 635559DEST_PATH_IMAGE047
根天线和接收端第
Figure 916105DEST_PATH_IMAGE048
根 天线间传输链路，与发射端第
Figure 960284DEST_PATH_IMAGE049
根天线和接收端第
Figure 827746DEST_PATH_IMAGE053
根间传输路径的空间互相关特性计算 为：
Figure 677891DEST_PATH_IMAGE054
其中，
Figure 579987DEST_PATH_IMAGE055
表示发射端第
Figure 421167DEST_PATH_IMAGE049
根天线与接收端第
Figure 775925DEST_PATH_IMAGE056
根天线间非直达路径的传输路径长 度；
步骤602：发射端第
Figure 429760DEST_PATH_IMAGE057
根天线和接收端第
Figure 124047DEST_PATH_IMAGE058
根天线间直达路径的时域自相关特性计算 为：
Figure 572345DEST_PATH_IMAGE059
其中，
Figure 912935DEST_PATH_IMAGE060
表示发射端和接收端运动的时间差；
发射端第
Figure 901619DEST_PATH_IMAGE057
根天线和接收端第
Figure 450412DEST_PATH_IMAGE058
根天线间非直达路径的时域自相关特性计算为：
Figure 69612DEST_PATH_IMAGE061
步骤603：当发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，发射端第
Figure 398963DEST_PATH_IMAGE057
根天线和接收端 第
Figure 958382DEST_PATH_IMAGE062
根天线间传输链路，与发射端第
Figure 423999DEST_PATH_IMAGE063
根天线和接收端第
Figure 151783DEST_PATH_IMAGE064
根间传输路径的频域互相关 特性计算为：
Figure 702850DEST_PATH_IMAGE065
其中，
Figure 564496DEST_PATH_IMAGE066
表示发射端/接收端的频率差；
当发射端发出的信号经非直达路径到达接收端时，发射端第
Figure 648733DEST_PATH_IMAGE057
根天线与接收端第
Figure 281840DEST_PATH_IMAGE062
根 天线间传输链路，和第
Figure 320203DEST_PATH_IMAGE063
根天线与接收端第
Figure 719960DEST_PATH_IMAGE067
根间传输路径的频域互相关特性计算为：
Figure 894590DEST_PATH_IMAGE068
。
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