CN115378530A - 面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线通信技术技术领域的面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法，包括：基于包含发射端和接收端的低轨卫星移动通信场景建立直角坐标系；计算发射端发出的信号经直达路径到达接收端时直达路径的长度；计算发射端发出的信号经散射簇反射到达接收端时非直达路径的长度；基于直达路径和非直达路径的长度，分别计算直达路径和非直达路径的信道复冲激函数；基于直达路径和非直达路径的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。本发明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。

Description

面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法

技术领域

本发明涉及面向低轨卫星移动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，其中静止轨道卫星位于赤道上空35786km的对地同步卫星实现通信；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ChengxiangWang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。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法，能够适用低轨卫星移动通信场景下时域或频域非平稳、散射体丰富和多移动性，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。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法，包括：

基于包含发射端和接收端的低轨卫星移动通信场景建立直角坐标系；

计算发射端发出的信号经直达路径到达接收端时直达路径的长度；

计算发射端发出的信号经散射簇反射到达接收端时非直达路径的长度；

基于直达路径和非直达路径的长度，分别计算直达路径和非直达路径的信道复冲激函数；

基于直达路径和非直达路径的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。

进一步的，所述直达路径的长度为：

k_p＝(P-2p+1)/2

k_q＝(Q-2q+1)/2

其中，ζ_pq表示发射端第p根(p＝1，2，...P)天线与接收端第q根(q＝1，2，...Q)天线间传输路径的长度，D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，p和q分别表示发射端和接收端天线的数目，P和Q分别表示发射端和接收端天线的总数，δ_T为发射端任意两相邻天线的间距，δ_R为接收端任意两相邻天线的间距，ψ_T为发射端天线阵列与x轴正方向的夹角，ψ_R为接收端天线阵列与x轴正方向的夹角，H表示发射端天线阵列中点到达水平面的距离。

进一步的，所述非直达路径的长度为：

k_p＝(P-2p+1)/2

k_q＝(Q-2q+1)/2

其中，ξ_pq，n表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间非直达路径的传输路径长度，R为接收端天线阵列中点到达散射边界的距离，

和

分别表示信号到达角度的水平角度和竖直角度，H表示发射端天线阵列中点到达水平面的距离，p和q分别表示发射端和接收端天线的数目，P和Q分别表示发射端和接收端天线的总数，δ_T为发射端任意两相邻天线的间距，δ_R为接收端任意两相邻天线的间距，ψ_T为发射端天线阵列与x轴正方向的夹角，ψ_R为接收端天线阵列与x轴正方向的夹角，D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。

进一步的，所述直达路径的信道复冲激函数为：

其中，

表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间直达路径的信道复冲激函数，K表示莱斯因子，j为复数，f_c为载波频率，ξ_pq表示发射端第p根(p＝1，2，...P)天线与接收端第q根(q＝1，2，...Q)天线间传输路径的长度，c为光的传输速率，λ为波长，t为发射端和接收端的运动时间，

和

分别是视距传播链路的离开水平角和离开竖直角，

和

分别是视距传播链路的到达水平角和到达竖直角，v_T和v_R分别表示发射端和接收端的运动速度，γ_T和γ_R分别表示发射端和接收端的运动方向和x轴正方向的夹角。

进一步的，所述非直达路径的信道复冲激函数为：

其中，

表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间非直达路径的信道复冲激函数，N是等效散射体的个数，

是初始随机相位，

和

分别表示信号离开角度的水平角度和竖直角度，

分别表示信号到达角度的水平角度和竖直角度，K表示莱斯因子，j为复数，f_c为载波频率，ξ_pq，n表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间非直达路径的传输路径长度，c为光的传输速率，λ为波长，t为发射端和接收端的运动时间，v_T和v_R分别表示发射端和接收端的运动速度，γ_T和γ_R分别表示发射端和接收端的运动方向和x轴正方向的夹角。

进一步的，所述信道矩阵为：

其中，H(t)表示信道矩阵，

表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间直达路径的信道复冲激函数，

表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间非直达路径的信道复冲激函数，P和Q分别表示发射端和接收端天线的总数。

进一步的，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，包括：

当发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，发射端第p根天线与接收端第q根天线间传输链路，与发射端第p′根天线与接收端第q′根间传输路径的空间互相关特性计算为：

其中，

表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间传输链路与发射端第p′根天线与接收端第q′根间传输路径的空间互相关特性，j为复数，f_c为载波频率，ξ_pq表示发射端第p根(p＝1，2，...P)天线与接收端第q根(q＝1，2，…Q)天线间传输路径的长度，ξ_p′q′表示发射端第p′根天线与接收端第q′根天线间直达路径的传输路径长度，c为光的传输速率，λ为波长，v_T和v_R分别表示发射端和接收端的运动速度，t为发射端和接收端的运动时间，

和

分别是视距传播链路的离开水平角和离开竖直角，

和

分别是视距传播链路的到达水平角和到达竖直角，γ_T和γ_R分别表示发射端和接收端的运动方向和x轴正方向的夹角；

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p根天线与接收端第q根天线间传输链路，与发射端第p′根天线和接收端第q′根间传输路径的空间互相关特性计算为：

其中，

表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间传输链路与发射端第p′根天线和接收端第q′根间传输路径的空间互相关特性，N是等效散射体的个数，ξ_pq，n表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间非直达路径的传输路径长度，ξ_p′q′，n表示发射端第p′根天线与接收端第q′根天线间非直达路径的传输路径长度，

和

分别表示信号离开角度的水平角度和竖直角度，

分别表示信号到达角度的水平角度和竖直角度；

发射端第p根天线和接收端第q根天线间直达路径的时域自相关特性计算为：

其中，

表示发射端第p根天线和接收端第q根天线间直达路径的时域自相关特性，Δt表示发射端和接收端运动的时间差；

发射端第p根天线和接收端第q根天线间非直达路径的时域自相关特性计算为：

其中，

表示发射端第p根天线和接收端第q根天线间非直达路径的时域自相关特性；

当发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，发射端第p根天线和接收端第q根天线间传输链路，与发射端第p′根天线和接收端第q′根间传输路径的频域互相关特性计算为：

其中，

表示发射端第p根天线和接收端第q根天线间传输链路与发射端第p′根天线和接收端第q′根间传输路径的频域互相关特性，Δf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p根天线与接收端第q根天线间传输链路，和第p′根天线与接收端第q′根间传输路径的频域互相关特性计算为：

其中，

表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间传输链路和第p′根天线与接收端第q′根间传输路径的频域互相关特性。

第二方面，本发明提供了面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析系统，包括：

坐标系构建模块：用于基于包含发射端和接收端的低轨卫星移动通信场景建立直角坐标系；

直达路径计算模块：用于计算发射端发出的信号经直达路径到达接收端时直达路径的长度；

非直达路径计算模块：用于计算发射端发出的信号经散射簇反射到达接收端时非直达路径的长度；

信道复冲激函数计算模块：用于基于直达路径和非直达路径的长度，分别计算直达路径和非直达路径的信道复冲激函数；

信道矩阵建立模块：用于基于直达路径和非直达路径的信道复冲激函数建立信道矩阵；

特性分析模块：用于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。

第三方面，本发明提供了面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析装置，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述任一项所述方法的步骤。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明所提供的一种面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法，具有：(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。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。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的面向低轨卫星移动通信信道模型的示意图；

图2是本发明实施例一提供的低轨卫星移动通信信道的空间互相关特性示意图；

图3是本发明实施例一提供的低轨卫星移动通信信道的时域自相关特性示意图；

图4是本发明实施例一提供的低轨卫星移动通信信道的频域互相关特性示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

如图1所示，一种面向低轨卫星移动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P根和Q根天线，系统模型图如图1；建立x-y-z直角坐标系，其中x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；z轴定义为经过发射端天线阵列中点垂直于水平面的线；而y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y可以表示为：

y＝Hx+n

其中，x表示发射端发送信号的功率；H表示低轨卫星移动通信信道矩阵；n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H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移动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：

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p根(p＝1，2，...P)天线与接收端第q根(q＝1，2，...Q)天线间传输路径的长度为：

其中，k_p＝(P-2p+1)/2，k_q＝(Q-2q+1)/2，参数p和q分别表示发射端和接收端天线的数目；δ_T为发射端任意两相邻天线的间距；δ_R为接收端任意两相邻天线的间距；ψ_T为发射端天线阵列与x轴正方向的夹角；ψ_R为接收端天线阵列与x轴正方向的夹角；D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，H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p根天线与接收端第q根天线间非直达路径的传输路径长度为：

其中，

和

分别表示信号到达角度的水平角度和竖直角度；R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p根天线与接收端第q根天线间直达路径的信道复冲激函数计算为：

其中，K表示莱斯因子，j为复数，f_c为载波频率，c为光的传输速率，λ为波长，t为发射端和接收端的运动时间，

和

分别是视距传播链路的离开水平角和离开竖直角；

和

分别是视距传播链路的到达水平角和到达竖直角；v_T和v_R分别表示发射端和接收端的运动速度；γ_T和γ_R分别表示发射端和接收端的运动方向和x轴正方向的夹角。

步骤402：发射端第p根天线与接收端第q根天线间非直达路径的信道复冲激函数计算为：

其中，N是等效散射体的个数；

是初始随机相位；

和

分别表示信号离开角度的水平角度和竖直角度；

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：

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，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p根天线和接收端第q根天线间传输链路，与发射端第p′根天线与接收端第q′根间传输路径的空间互相关特性计算为：

其中，ξ_p′q′表示发射端第p′根天线与接收端第q′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p根天线和接收端第q根天线间传输链路，与发射端第p′根天线和接收端第q′根间传输路径的空间互相关特性计算为：

其中，ξ_p′q′，n表示发射端第p′根天线与接收端第q′根天线间非直达路径的传输路径长度。

步骤602：发射端第p根天线和接收端第q根天线间直达路径的时域自相关特性计算为：

其中，Δt表示发射端和接收端运动的时间差；

发射端第p根天线和接收端第q根天线间非直达路径的时域自相关特性计算为：

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p根天线和接收端第q根天线间传输链路，与发射端第p′根天线和接收端第q′根间传输路径的频域互相关特性计算为：

其中，Δf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p根天线与接收端第q根天线间传输链路，和第p′根天线与接收端第q′根间传输路径的频域互相关特性计算为：

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Δt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t＝0时，接收端的移动方向γ_R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t＝2s时，当接收端沿着x轴的正方向运动时，即γ_R＝0时，时域自相关特性要明显小于接收端沿着x轴负方向(即γ_R＝π)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K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。

实施例二：

面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析系统，可实现实施例一所述的面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法，包括：

坐标系构建模块：用于基于包含发射端和接收端的低轨卫星移动通信场景建立直角坐标系；

直达路径计算模块：用于计算发射端发出的信号经直达路径到达接收端时直达路径的长度；

非直达路径计算模块：用于计算发射端发出的信号经散射簇反射到达接收端时非直达路径的长度；

信道复冲激函数计算模块：用于基于直达路径和非直达路径的长度，分别计算直达路径和非直达路径的信道复冲激函数；

信道矩阵建立模块：用于基于直达路径和非直达路径的信道复冲激函数建立信道矩阵；

特性分析模块：用于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。

实施例三：

本发明实施例还提供了面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析装置，可实现实施例一所述的面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行下述方法的步骤：

基于包含发射端和接收端的低轨卫星移动通信场景建立直角坐标系；

计算发射端发出的信号经直达路径到达接收端时直达路径的长度；

计算发射端发出的信号经散射簇反射到达接收端时非直达路径的长度；

基于直达路径和非直达路径的长度，分别计算直达路径和非直达路径的信道复冲激函数；

基于直达路径和非直达路径的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。

实施例四：

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，可实现实施例一所述的面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现下述方法的步骤：

基于包含发射端和接收端的低轨卫星移动通信场景建立直角坐标系；

计算发射端发出的信号经直达路径到达接收端时直达路径的长度；

计算发射端发出的信号经散射簇反射到达接收端时非直达路径的长度；

基于直达路径和非直达路径的长度，分别计算直达路径和非直达路径的信道复冲激函数；

基于直达路径和非直达路径的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。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法，其特征是，包括：

基于包含发射端和接收端的低轨卫星移动通信场景建立直角坐标系；

计算发射端发出的信号经直达路径到达接收端时直达路径的长度；

计算发射端发出的信号经散射簇反射到达接收端时非直达路径的长度；

基于直达路径和非直达路径的长度，分别计算直达路径和非直达路径的信道复冲激函数；

基于直达路径和非直达路径的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。

2.根据权利要求1所述的面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法，其特征是，所述直达路径的长度为：

k_p＝(P-2p+1)/2

k_q＝(Q-2q+1)/2

其中，ξ_pq表示发射端第p根(p＝1，2，...P)天线与接收端第q根(q＝1，2，...Q)天线间传输路径的长度，D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，p和q分别表示发射端和接收端天线的数目，P和Q分别表示发射端和接收端天线的总数，δ_T为发射端任意两相邻天线的间距，δ_R为接收端任意两相邻天线的间距，ψ_T为发射端天线阵列与x轴正方向的夹角，ψ_R为接收端天线阵列与x轴正方向的夹角，H表示发射端天线阵列中点到达水平面的距离。

3.根据权利要求1所述的面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法，其特征是，所述非直达路径的长度为：

k_p＝(P-2p+1)/2

k_q＝(Q-2q+1)/2

其中，ξ_pq，n表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间非直达路径的传输路径长度，R为接收端天线阵列中点到达散射边界的距离，

和

分别表示信号到达角度的水平角度和竖直角度，H表示发射端天线阵列中点到达水平面的距离，p和q分别表示发射端和接收端天线的数目，P和Q分别表示发射端和接收端天线的总数，δ_T为发射端任意两相邻天线的间距，δ_R为接收端任意两相邻天线的间距，ψ_T为发射端天线阵列与x轴正方向的夹角，ψ_R为接收端天线阵列与x轴正方向的夹角，D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。

4.根据权利要求1所述的面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法，其特征是，所述直达路径的信道复冲激函数为：

其中，

表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间直达路径的信道复冲激函数，K表示莱斯因子，j为复数，f_c为载波频率，ξ_pq表示发射端第p根(p＝1，2，...P)天线与接收端第q根(q＝1，2，...Q)天线间传输路径的长度，c为光的传输速率，λ为波长，t为发射端和接收端的运动时间，

和

分别是视距传播链路的离开水平角和离开竖直角，

和

分别是视距传播链路的到达水平角和到达竖直角，v_T和v_R分别表示发射端和接收端的运动速度，γ_T和γ_R分别表示发射端和接收端的运动方向和x轴正方向的夹角。

5.根据权利要求1所述的面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法，其特征是，所述非直达路径的信道复冲激函数为：

其中，

表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间非直达路径的信道复冲激函数，N是等效散射体的个数，

是初始随机相位，

和

分别表示信号离开角度的水平角度和竖直角度，

分别表示信号到达角度的水平角度和竖直角度，K表示莱斯因子，j为复数，f_c为载波频率，ξ_pq，n表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间非直达路径的传输路径长度，c为光的传输速率，λ为波长，t为发射端和接收端的运动时间，v_T和v_R分别表示发射端和接收端的运动速度，γ_T和γ_R分别表示发射端和接收端的运动方向和x轴正方向的夹角。

6.根据权利要求1所述的面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法，其特征是，所述信道矩阵为：

其中，H(t)表示信道矩阵，

表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间直达路径的信道复冲激函数，

表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间非直达路径的信道复冲激函数，P和Q分别表示发射端和接收端天线的总数。

7.根据权利要求1所述的面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析方法，其特征是，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，包括：

当发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，发射端第p根天线与接收端第q根天线间传输链路，与发射端第p′根天线与接收端第q′根间传输路径的空间互相关特性计算为：

其中，

表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间传输链路与发射端第p′根天线与接收端第q′根间传输路径的空间互相关特性，j为复数，f_c为载波频率，ξ_pq表示发射端第p根(p＝1，2，...P)天线与接收端第q根(q＝1，2，...Q)天线间传输路径的长度，ξ_p′q′表示发射端第p′根天线与接收端第q′根天线间直达路径的传输路径长度，c为光的传输速率，λ为波长，v_T和v_R分别表示发射端和接收端的运动速度，t为发射端和接收端的运动时间，

和

分别是视距传播链路的离开水平角和离开竖直角，

和

分别是视距传播链路的到达水平角和到达竖直角，γ_T和γ_R分别表示发射端和接收端的运动方向和x轴正方向的夹角；

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p根天线与接收端第q根天线间传输链路，与发射端第p′根天线和接收端第q′根间传输路径的空间互相关特性计算为：

其中，

表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间传输链路与发射端第p′根天线和接收端第q′根间传输路径的空间互相关特性，N是等效散射体的个数，ξ_pq，n表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间非直达路径的传输路径长度，ξ_p′q′，n表示发射端第p′根天线与接收端第q′根天线间非直达路径的传输路径长度，

和

分别表示信号离开角度的水平角度和竖直角度，

分别表示信号到达角度的水平角度和竖直角度；

发射端第p根天线和接收端第q根天线间直达路径的时域自相关特性计算为：

其中，

表示发射端第p根天线和接收端第q根天线间直达路径的时域自相关特性，Δt表示发射端和接收端运动的时间差；

发射端第p根天线和接收端第q根天线间非直达路径的时域自相关特性计算为：

其中，

表示发射端第p根天线和接收端第q根天线间非直达路径的时域自相关特性；

当发射端发出的信号经直达路径到达接收端时，发射端第p根天线和接收端第q根天线间传输链路，与发射端第p′根天线和接收端第q′根间传输路径的频域互相关特性计算为：

其中，

表示发射端第p根天线和接收端第q根天线间传输链路与发射端第p′根天线和接收端第q′根间传输路径的频域互相关特性，Δf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p根天线与接收端第q根天线间传输链路，和第p′根天线与接收端第q′根间传输路径的频域互相关特性计算为：

其中，

表示发射端第p根天线与接收端第q根天线间传输链路和第p′根天线与接收端第q′根间传输路径的频域互相关特性。

8.面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析系统，其特征是，包括：

坐标系构建模块：用于基于包含发射端和接收端的低轨卫星移动通信场景建立直角坐标系；

直达路径计算模块：用于计算发射端发出的信号经直达路径到达接收端时直达路径的长度；

非直达路径计算模块：用于计算发射端发出的信号经散射簇反射到达接收端时非直达路径的长度；

信道复冲激函数计算模块：用于基于直达路径和非直达路径的长度，分别计算直达路径和非直达路径的信道复冲激函数；

信道矩阵建立模块：用于基于直达路径和非直达路径的信道复冲激函数建立信道矩阵；

特性分析模块：用于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。

9.面向低轨卫星移动通信的空时频非平稳传输特性分析装置，其特征是，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～7任一项所述方法的步骤。

10.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时实现权利要求1～7任一项所述方法的步骤。

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