CN117040670A - 一种面向卫星信道的几何随机信道建模方法 - Google Patents

一种面向卫星信道的几何随机信道建模方法 Download PDF

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CN117040670A
CN117040670A CN202311099266.1A CN202311099266A CN117040670A CN 117040670 A CN117040670 A CN 117040670A CN 202311099266 A CN202311099266 A CN 202311099266A CN 117040670 A CN117040670 A CN 117040670A
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rainfall
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王承祥
李子昕
常恒泰
黄杰
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Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
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Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
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Abstract

本发明公开了一种面向卫星信道的几何随机信道建模方法。具体包括以下步骤：S1、建立卫星信道仿真场景，设置场景布局参数；S2、初始化卫星和接收端的轨迹与速度；S3、计算空间一致的大尺度参数，并计算降雨对大尺度参数的影响；S4、计算路径损耗、阴影衰落、大气吸收、降雨衰减；S5、初始化簇和散射体的中心位置，并根据收发端和散射体的几何位置信息计算簇时延、角度和功率，生成信道系数；S6、根据收发端运动和簇的生灭过程，进行大、小尺度参数更新，生成新的信道系数；S7、推导信道统计特性，并仿真分析。本发明的卫星通信信道模型可以用于仿真分析卫星通信信道受大气层、卫星轨迹、接收端环境影响、时频非平稳信道特性。

Description

一种面向卫星信道的几何随机信道建模方法
技术领域
本发明属于信道建模的技术领域，尤其涉及一种面向卫星信道的几何随机信道建模方法。
背景技术
近年来，第五代(The Fifth Generation,5G)移动通信技术已开始在全球商用部署，第六代(The Sixth Generation,6G)移动通信技术的研发也正在如火如荼地开展。6G愿景可以总结为“全覆盖、全频谱、全应用、全感官、全数字、强安全”，旨在5G基础上提供更高的通信速率、更多的用户连接、更为广阔的网络覆盖，为用户提供更加智能、安全、沉浸的“万物智联”体验。为了实现全球深度覆盖，6G将从地面移动通信扩展为空天地海一体化通信网络，卫星通信是其中必不可少的组成部分。卫星通信具有覆盖面积大、通信距离远、适合多种业务的优势，可与固定或移动终端通信，被广泛用于导航、地球观测和广播等应用场景。随着空天地海一体化网络的快速发展，面向6G的卫星通信网络需要具备更高的容量和更高的服务质量，为用户提供无处不在的连接，典型应用包括卫星物联网、卫星手机直连、固定网络回程、联网汽车、应急安全通信、飞行器广播、海事通信等等。
根据卫星是否与地球相对静止，卫星可以被分为地球同步轨道(GeostationaryEarth Orbit，GEO)卫星和非地球同步轨道(Non-geostationary Earth Orbit，NGEO)卫星；根据卫星轨道高度其中，卫星可以划分为高轨道(High Earth Orbit，HEO)卫星、中轨道(Medium Earth Orbit，MEO)卫星、低轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星。GEO卫星属于典型的HEO卫星，LEO和MEO卫星则属于NGEO卫星。低轨卫星高度范围为500-2000km，具有传播延迟低、体积小、信号损失低等优势，有望大幅提高通信速度和能源效率，但是为了实现全球覆盖，需要多颗卫星组网，例如StarLink***，由1584颗高度550km的卫星部署组成。MEO卫星高度范围为5000-12000km，运行速度相对更慢，每颗卫星的通信范围相对更大。轨道高度大于20000km的卫星一般属于HEO卫星，高度为36000km的GEO卫星是典型的HEO卫星，其优点是只需三颗卫星就可覆盖整个地球，几乎不需要追踪卫星的方向，但是该卫星的高轨道高度导致了非常高的自由空间损耗。
面向6G的卫星通信网络呈现出了宽带化、互联网化的发展趋势。从目前在轨以及计划发射的通信卫星可以看出，未来的卫星通信***将采用毫米波频段如Ka、Q波段实现高速通信和宽带数字传输，同时也会继续采用不易受云、雨天气影响的低频段来弥补毫米波频段易受降雨等天气因素影响的不足，并通过多种频段互补的方式提供更加高质量的通信服务。轨道高度方面，大规模NGEO宽带互联网星座是目前球航天发展的焦点，高通量GEO卫星也由于其覆盖范围、容量及带宽成本方面的优势受到持续关注。信道建模是通信***设计、优化和调整的基础，对无线通信***的各个方面都具有非常重要的作用。针对6G卫星通信网络将采用多种频段通信、多轨道高度卫星的发展趋势，一个适用于不同频段、不同轨道高度的通用卫星信道模型有待被提出。
发明内容
本发明目的在于提供一种面向卫星信道的几何随机信道建模方法,能够表征S频段至毫米波段卫星通信***的不同信道特征，并且适用于不同卫星轨迹和接收端环境，用以解决背景技术中提及的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种面向卫星信道的几何随机信道建模方法，所述信道建模方法包括以下步骤：
步骤S1、建立面向卫星信道的几何随机信道模型及模型对应的卫星信道仿真场景，设置场景布局参数；
步骤S2、初始化卫星和接收端的轨迹与速度；
步骤S3、计算空间一致的大尺度参数，并计算降雨对大尺度参数的影响；
步骤S4、计算路径损耗、阴影衰落、大气吸收、降雨衰减；
步骤S5、初始化簇和散射体的中心位置，并根据收发端和散射体的几何位置信息计算簇的时延、角度和功率，生成信道系数；
步骤S6、根据收发端运动和簇的生灭过程，进行大、小尺度参数的更新，生成新的信道系数；
步骤S7、推导信道统计特性，并仿真分析。
进一步的，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S101、所述模型的发射端为卫星移动接收端，接收端为地面移动接收端，卫星的轨道高度hsat需要根据仿真环境要求进行预先设置，地面移动接收端所处环境也需要预先设定为密集城市、城市、郊区、或乡村环境；
步骤S102、所述模型的发射端和接收端都是多发多收型天线阵列，所以需要初始化天线阵列的间隔、角度参数，天线阵列是均匀分布的线阵；发射端共有P根天线，表示第p根天线，/>表示发射端天线阵列的方位角，/>表示发射端天线阵列的俯仰角，天线之间的间隔是δT；接收端共有Q根天线，/>表示第q根天线，/>表示接收端天线阵列的方位角，/>表示接收端天线阵列的俯仰角，天线之间的间隔是δR；
步骤S103、所述模型的***参数还包括的载波频率fc，以及根据是否下雨设置降雨速率。
进一步的，所述步骤S2具体包括：
步骤S201、卫星初始位置由轨道高度hsat、仰角θsat、方位角共同确定；按照卫星是否对地相对静止，分为GEO卫星和NGEO卫星两类；GEO卫星与地面相对静止；由于地球引力，NGEO卫星按照椭圆的轨迹绕地球运行；首先确定卫星椭球轨道平面，该平面通过设置以下五个参数确定：椭圆轨道长半轴的长度a；椭圆轨道偏心率e，若设置为0，椭圆轨道简化为圆形轨道；轨道和赤道平面的夹角为轨道平面倾角ι；轨道向上穿过赤道平面的交点的经度称为升交点赤经Ω；椭圆在轨道平面上的方向由轨道近地点与升交点的夹角近地点幅角ω确定；真近点角υ代表从近地点起沿着轨道运动扫过的角度，确定轨道平面后，通过υ即可确定卫星在椭圆轨道中的具***置；卫星轨迹由轨道摄动造成的时变升交点赤经Ω(t)和时变近地点幅角ω(t)以及地球引力造成的真近点角的变化υ(t)共同决定；每一时刻以地心为原点的笛卡尔坐标系中，卫星运行的位置坐标(xsat，ysat，zsat)表示为：
xsat＝R(t)·{cos(ω(t)+v(t))·cosΩ(t)-sin(ω(t)+v(t))·sinΩ(t)·cos(ι)}
ysat＝R(t)·{cos(ω(t)+v(t))·sinΩ(t)-sin(ω(t)+v(t))·cosΩ(t)·cos(ι)}
zsat＝R(t)·sin(ω(t)+v(t))·sin(ι)
其中，R(t)是每个时刻地球球心到卫星的距离，计算为：
椭圆轨道的卫星在轨运行速度是时变的，为当椭圆轨道偏心率e设置为0时，椭球轨道简化为圆轨道，具有恒定速度/>其中μE为万有引力常数，取值为3.986012×105km3/s2；
步骤S202、接收端设置为运动的小车，设置速度vrx，并设置运行轨迹。
进一步的，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S301、根据频率、环境、卫星仰角生成空间一致性的大尺度参数：大尺度衰落PL、阴影衰落SH、时延扩展DS、方位到达角扩展ASA、俯仰到达角扩展ESA、莱斯因子KF和交叉极化比XPR；对于每个需要计算的大尺度参数采用以下的通用公式：
V＝Vμ+V∈·log10 d+Vγ·log10 fGHz+Vα·log10 αrad+X(Vσ+Vδ·log10 fGHz+Vβ·log10αrad)
其中，参数Vμ、V∈、Vγ、Vα、Vσ、Vδ、Vβ和环境相关，d为收发端之间的距离，fGHz为载波频率，αrad为卫星仰角，X为均值为0，方差为1的空间一致的正态分布随机变量；
步骤S302、设置降雨速率为R，降雨对信道多径衰落的影响体现在降雨速率对参数KF、DS、ASA和ESA的改变；所述模型将降雨速率对莱斯因子的影响用参数ξKF表示，受到降雨影响的莱斯因子KFR表示为：
KFR＝KF-R·ξKF
所述模型设置降雨对多径的影响是线性的，用参数ξDS、ξASA、ξESA来衡量降雨对簇的影响；受到降雨影响的时延扩展DSR和角度扩展ASAR、ESAR表示为：
DSR＝DS(1+R·ξDS)
ASAR＝ASA(1+R·ξASA)
ESAR＝ESA(1+R·ξESA)
此外，降雨时多径数目的增加建模为簇的数目增加，所述模型将由于降雨新增的簇Nrain建模为泊松分布：
Nrain～P(R·ξλ)
其中，P代表泊松分布，ξλ表示分布的期望。
进一步的，所述步骤S4具体包括以下步骤：
步骤S401、计算自由路径损耗PL，建模为对数距离路径损耗模型；阴影衰落SF服从对数正态分布；
步骤S402、计算大气吸收AR，设置接收端高度等于海平面高度，环境参数取年均全球参考大气值，温度T、干燥空气大气压p，水蒸气密度ρ，水蒸气分压e；AG表示为：
其中，θ为卫星仰角，Azenith(f)为天顶角衰减值；
步骤S403、计算特定降雨速率下降雨带来的大尺度衰落，参考Crane模型计算雨衰系数，降雨衰减表示为：
其中，hR表示降雨高度，θsat表示卫星仰角，参数aCrane和bCrane为Crane模型参数，从离散计算中获得，可通过曲线拟合到幂次律系数来推出；参数降雨高度hR和零摄氏度等温线h0的关系：
hR＝h0+0.36
其单位为km，h0和地球的经纬度相关。
进一步的，所述步骤S5具体包括：
步骤S501、采用步骤S301计算得到的大尺度参数，计算每个簇的时延τn，接收端方位角接收端俯仰角/>其中簇的时延服从单边指数分布，其初始值计算为：
其中，(xt，yt，zt)为发射端坐标，(xr,yr,zr)为接收端坐标；
并通过大尺度参数缩放为：
其中，f＝1…F为F个载波频率，为初始时延扩展，DSf为大尺度参数；
角度初始值服从均匀分布，并通过大尺度参数进行缩放：
其中，为初始时延扩展，ASf为大尺度参数，s为缩放比例；
步骤S502、根据步骤S501中生成的簇的基本信息，通过几何关系计算得到每个簇以接收端为原点的极坐标：
其中，为初始时刻第n个簇到发射端的距离，/>为第n个簇到接收端的距离，d为收发端之间的距离；角度αn为接收端指向第n个簇的单位向量和接收端指向发射端的单位向量的夹角；已知第n个散射体的俯仰角/>和/>卫星发射端的三维角度信息/>和θsat，即可计算接收端指向散射体的单位向量/>和接收端指向发射端的单位向量通过下式即可计算角度αn：
将αn代入步骤S502中第一个公式即可得到以接收端为原点的极坐标中簇中心的位置
步骤S503、计算每个簇内散射体的几何位置，所述模型中散射体围绕簇的中心位置呈三维椭球高斯分布，散射体三维服从标准差为σx、σy、σz的高斯分布，以接收端为原点的三维笛卡尔坐标系中，每个散射体的坐标由下式计算：
步骤S504、根据步骤S503中确定的散射体的几何位置，计算每条径的波程时延/>所述模型需考虑子径的时延分辨，考虑了时域和频域上功率的变化，计算为：
其中，是每条子径的相对时延，Zn是针对每个笶计算的笶阴影，服从均值为0的高斯分布；/>建模了毫米波大带宽信道中，功率的频率依赖特性，γ和频率相关；为时延扩展比例系数，在单频点建模和多频点建模时，采用不同的计算方法，表示为：
多个频点其中，/>为不同频率下的大尺度参数，DS是时延扩展；rτ为延迟分布比例因子；
步骤S505、根据已经生成的参数，计算信道系数：
其中，大尺度衰落[PL·SH·AG·AR]1/2由步骤4计算，小尺度衰落表示为：
其中，KR(t)为随看时间变化的莱斯因子，为LOS径的信道冲击响应，为NLOS径的信道冲击响应，分别表示为：
其中，[·]T表示转置运算，为收发端天线垂直的天线方向图，/>为水平极的天线方向图；/>为交叉极化比，μ为同极化失衡，/>是时刻t时从/>至/>的LoS路径对应的方位离开角，/>是时刻t时从/>至/>的LoS路径对应的俯仰离开角，是时刻t时从/>至/>的LoS路径对应的方位到达角；/>是时刻t时从/>至/>的LoS路径对应的俯仰到达角，/>代表LOS径的初始相位，/> 代表NLOS径的初始相位，是在0到2π间服从均匀分布的随机变量；Fr法拉第旋转矩阵，是指在卫星场景中电磁波通过电离层传播引起的极化面旋转，在10GHz以下的通信场景中需要被考虑；/>为步骤S504中计算的子径功率，/>为LOS第M条子径的绝对时延，可由收发端天线q，p之间的距离除以光速计算，/>为第N个簇内第M条子径的绝对时延，可由收发端天线q，p之间的第nm条子径的长度除以光速计算。
进一步的，所述步骤S6具体包括以下步骤：
步骤S601、考虑簇在时域和频域的生灭，引入簇在时频域的存活概率Psurv(Δt，Δf)：
其中，Psurv(Δt)为时域存活概率，Psurv(Δf)为频域存活概率，Δt为时间间隔，Δf为法律间隔，簇的生灭过程由簇的产生率λG和簇的消失率λR共同描述，这两个参数和通信场景的环境特征和天线方向图相关；参数是时间和频率域的场景相关因子，由特定场景的信道测量得到；新生簇的数量的期望/>计算为：
步骤S602、考虑收发端、簇的运动，以及簇的生灭，根据步骤S5更新信道系数。
进一步的，所述步骤S7具体包括：
步骤S701、计算有效路径损耗，由三个部分组成，分别是自由路径损耗PL，大气吸收AG和降雨衰减AR，这三项大尺度衰减不会随着时间的变化而快速变化，呈现出相对恒定的趋势，将这三者之和定义为有效路径损耗：PLeff＝PL+AG+AR
步骤S702、计算信道的均方根时延扩展，表示为：
其中，τ为时延，平均时延可以表示为：
步骤S703、计算信道时频相关函数，其理论值表示为：
其中，表示对随机试验取样本平均，[·]*表示复数的共轭，Hqp表示信道传输函数，通过对信道冲激响应进行傅里叶变化得到；不考虑LOS径和NLOS径之间的相关性，将时频相关函数表示为各条径的时频相关函数的和：
其中，代表LOS径的时频相关函数，表示为：
其中，c为光速；
代表NLOS径的时频相关函数，不考虑各条多径之间的相关性，表示为：
步骤S704、计算每一条多径的多普勒频率：
其中，式中δp/δq代表发射端和收发端的天线间隔，代表发射端运动方向和第p根发射天线所对应的nm条径的夹角，/>代表接收端运动方向和第q根接收天线所对应的nm条径的夹角，θT代表了发射天线阵列和第1根发射天线/接收天线所对应的nm条径的夹角；对于每次仿真中的所有多径对应的多普勒频率进行计算，即可得到该次仿真下的局部多普勒扩展，进行多次仿真求取样本平均，即可获得该类场景下的局部多普勒扩展：
本发明的面向卫星信道的几何随机信道建模方法，具有以下优点：本发明提出了一个通用三维几何随机卫星信道模型，本发明适用于从S波段到毫米波频段的常用卫星通信频段，并基于真实轨道对卫星移动性进行建模，适用于低轨、中轨、地球静止轨道卫星通信场景。本发明在建立卫星信道仿真场景的基础上，设置场景布局参数，初始化卫星和接收端轨迹与速度，支持收发双端和簇同时移动；考虑了大尺度参数的空间一致性和信道参数的环境、频率、卫星仰角相关性，并且考虑了降雨对大尺度参数的影响；针对大尺度衰落，考虑了路径损耗、阴影衰落、大气吸收、降雨衰减；通过计算簇和散射体的几何位置信息计算簇的时延、角度和功率，生成信道系数；考虑了簇在时域和频域上的生灭，并且推导信道统计特性进行仿真分析；此外，该模型分别对低频段更易受到的电离层影响和毫米波频段更易受到的降雨衰减进行建模，是首次同时考虑降雨衰减对大小尺度衰减影响的几何随机信道模型。
附图说明
图1为本实施例中提供的一种面向卫星信道的几何随机信道建模方法的流程示意图；
图2为本实施例中提供的三维通用卫星通信几何随机信道模型示意图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种面向卫星信道的几何随机信道建模方法做进一步详细的描述。
实施例1
参见图1和图2，本实施例提供一种基于散射体密度的场景预测信道建模方法，该方法具体包括：
步骤S1、建立卫星信道仿真场景，并且设置卫星通信信道场景中的物理环境参数，如图2所示。
具体的说，在本实施例中，该步骤S1具体包括：
步骤S101、所述模型的发射端和接收端分别为卫星和地面移动接收端，卫星的轨道高度hsat需要预先设置，地面移动接收端所处环境也需要预先设定为密集城市、城市、郊区、或乡村。
步骤S102、所述模型的发射端和接收端都是多发多收型天线阵列，所以需要初始化天线阵列的间隔、角度参数，天线阵列是均匀分布的线阵。发射端共有P根天线，表示第p根天线，/>和/>分别表示发射端天线阵列的方位角和俯仰角，天线之间的间隔是δT；接收端共有Q根天线，/>表示第q根天线，/>和/>分别表示接收端天线阵列的方位角和俯仰角，天线之间的间隔是δR。
步骤S103、所述模型的***参数还包括的载波频率fc，以及根据是否下雨设置降雨速率，如果不降雨设置为0mm/h，暴雨设置为50mm/h。
步骤S2、初始化卫星和接收端的轨迹与速度；
具体的说，在本实施例中，该步骤S2具体包括：
步骤S201、卫星初始位置可由轨道高度hsat、仰角θsat、方位角共同确定。按照卫星是否对地相对静止，可以分为GEO卫星和NGEO卫星两类。GEO卫星与地面相对静止，高度约为36000km。由于地球引力，NGEO卫星按照一定的轨迹绕地球运行。首先确定卫星椭球轨道平面，该平面可以通过设置以下五个参数确定：椭圆轨道长半轴的长度a；椭圆轨道偏心率e，若设置为0，椭圆轨道简化为圆形轨道；轨道和赤道平面的夹角为轨道平面倾角ι；轨道向上穿过赤道平面的交点的经度称为升交点赤经Ω；椭圆在轨道平面上的方向由轨道近地点与升交点的夹角近地点幅角ω确定。真近点角υ代表从近地点起沿着轨道运动扫过的角度，确定轨道平面后，通过υ即可确定卫星在椭圆轨道中的具***置。卫星轨迹由轨道摄动造成的时变升交点赤经Ω(t)和时变近地点幅角ω(t)以及地球引力造成的真近点角的变化υ(t)共同决定，这三个值的具体计算方法参考标准化文档QuaDRiGA。每一时刻以地心为原点的笛卡尔坐标系中，卫星运行的位置可以表示为：
xsat＝R(t)·{cos(ω(t)+v(t))·cosΩ(t)-sin(ω(t)+v(t))·sinΩ(t)·cos(ι)}
ysat＝R(t)·{cos(ω(t)+v(t))·sinΩ(t)-sin(ω(t)+v(t))·cosΩ(t)·cos(ι)}
zsat＝R(t)·sin(ω(t)+v(t))·sin(ι)
其中，R(t)是每个时刻地球球心到卫星的距离，计算为：
椭圆轨道的卫星在轨运行速度是时变的，为当椭圆轨道偏心率e设置为0时，椭球轨道简化为圆轨道，具有恒定速度/>其中μE为万有引力常数，取值为3.986012×105km3/s2；
步骤S202、接收端设置为运动的小车，设置速度vrx，并设置运行轨迹。
步骤S3、计算空间一致的大尺度参数，并计算降雨对大尺度参数的影响；
具体的说，在本实施例中，该步骤S3具体包括：
步骤S301、为了生成频率、环境、仰角相关的大尺度参数，本模型采用标准化文档QuaDRiGA及其相关研究中提出的线性模型和卫星场景参数表，生成空间一致性的大尺度参数：大尺度衰落PL、阴影衰落SH、时延扩展DS、方位到达角扩展ASA、俯仰到达角扩展ESA、莱斯因子KF和交叉极化比XPR。对于每个需要计算的大尺度参数采用以下的通用公式：
V＝Vμ+V∈·log10 d+Vγ·log10 fGHz+Vα·log10 αrad+X(Vσ+Vδ·log10 fGHz+Vβ·log10αrad)
其中，Vμ等参数和环境相关，X为均值为0，方差为1的空间一致的正态分布随机变量。
步骤S302、考虑降雨速率为R，降雨对信道多径衰落的影响体现在降雨速率对参数KF、DS、ASA和ESA的改变。现有的GBSM卫星信道模型假设对流层效应和多径效应相互独立。实际上，降雨会导致大气不均匀性，出现非常强烈和紧凑的雨单元的边缘，进而会导致更加强烈的多径效应；此外，雨水附着在建筑物、树木等散射体表面，会导致散射体对电磁波的散射、反射等性质发生改变。通过实测发现，降雨会导致多径数量增加，并且随着降雨速率提升，多径的时延扩展和功率提升，而直射径的功率会下降。莱斯因子KF随着降雨速率的增加而减小，信道的多径效应更加明显，本模型将降雨速率对莱斯因子的影响用参数ξKF表示，受到降雨影响的莱斯因子可以建模为：
KFR＝KF-R·ξKF
随着降雨速率增大，多径时延扩展增大；由于紧凑雨单元的出现和散射体湿度的改变导致新的多径出现，推断可知降雨会导致角度扩展也有一定的增大。本模型假设降雨对多径的影响是线性的，用参数ξDS、ξASA、ξESA来衡量降雨对簇的影响，具体取值需通过测量确定。降雨速率对时延扩展和角度扩展的影响表示为：
DSR＝DS(1+R·ξDS)
ASAR＝ASA(1+R·ξASA)
ESAR＝ESA(1+R·ξESA)
此外，降雨时多径数目的增加可以建模为簇的数目增加，本模型将由于降雨新增的簇Nrain建模为泊松分布：
Nrain～P(R·ξλ)
步骤S4、计算路径损耗、阴影衰落、大气吸收、降雨衰减；
具体的说，在本实施例中，该步骤S4具体包括：
步骤S401、计算自由路径损耗PL，建模为对数距离路径损耗模型；阴影衰落SF服从对数正态分布。
步骤S402、计算大气吸收AR，参考ITU-R-P.676建议书给出的气体衰减的近似估算的计算方法，假设接收端高度等于海平面高度，环境参数取年均全球参考大气值，温度T＝288.15K、干燥空气大气压p＝1013.25hPa，水蒸气密度ρ＝7.5g/m3，水蒸气分压 AG可表示为：
其中，θ为卫星仰角，Azenith(f)为天顶角衰减值，该值取决于环境参数、载波频率。
步骤S403、计算特定降雨速率下降雨带来的大尺度衰落，参考Crane模型计算雨衰系数，降雨衰减表示为
其中，hR表示降雨高度，θsat表示卫星仰角，参数aCrane和bCrane为Crane模型参数，从离散计算中获得，可通过曲线拟合到幂次律系数来推出；参数降雨高度hR和零摄氏度等温线h0的关系：
hR＝h0+0.36
其单位为km，h0和地球的经纬度相关。
其中，参数aCrane和bCrane计算为：
其中，参数α，β，γ，m的取值参考ITU-R P.838-3建议书中表1-4得到。注意hR不是卫星的真实高度，因为降雨仅分布在对流层的一定高度内，参考ITU-R P.839-4建议书中给出了降雨高度hR和零摄氏度等温线h0的关系：
hR＝h0+0.36
其单位为km，h0和地球的经纬度相关，本模型暂不考虑地球尺度的空间统计特性，因此取均值3km，如有需要，也可以根据上述标准化文档给出的数字地图获得精确的h0。
步骤S5、初始化簇和散射体的中心位置，并根据收发端和散射体的几何位置信息计算簇的时延、角度和功率，生成信道系数；
具体的说，在本实施例中，该步骤S5具体包括：
步骤S501、采用步骤S301计算得到的大尺度参数，计算每个簇的时延τn，接收端方位角接收端俯仰角/>其中簇的时延服从单边指数分布，其初始值计算为：
并可以通过大尺度参数缩放为：
角度初始值服从均匀分布，并可以通过大尺度参数进行缩放：
步骤S502、根据步骤S501中生成的簇的基本信息，通过几何关系计算得到每个笶以接收端为原点的极坐标：
其中，为初始时刻第n个簇到发射端的距离，/>为第n个簇到接收端的距离，d为收发端之间的距离。角度αn为接收端指向第n个簇的单位向量和接收端指向发射端的单位向量的夹角。已知第n个散射体和卫星发射端的三维角度信息/>通过下式即可计算角度αn：
接下来，即可得到以接收端为原点的极坐标中簇中心的位置
步骤S503、计算每个簇内散射体的几何位置，所提模型中散射体围绕簇的中心位置呈三维椭球高斯分布，散射体三维服从标准差为σx、σy、σz的高斯分布，以接收端为原点的三维笛卡尔坐标系中，每个散射体的坐标可由下式计算：
/>
步骤S504、根据步骤S503中确定的散射体的几何位置，计算每条径的波程时延/>与功率。所提模型需考虑子径的时延分辨，考虑了时域和频域上功率的变化，可以计算为：
其中，是每条子径的相对时延，Zn是针对每个笶计算的笶阴影，服从均值为0的高斯分布；/>建模了毫米波大带宽信道中，功率的频率依赖特性，γ和频率相关；为时延扩展比例系数，在单频点建模和多频点建模时，采用不同的计算方法，表示为：
多个频点其中，DS是时延扩展；rτ为延迟分布比例因子。
步骤S505、根据已经生成的参数，计算信道系数：
其中，大尺度衰落[PL·SH·AG·AR]1/2由步骤4计算，小尺度衰落表示为：
其中，KR(t)为随看时间变化的莱斯因子，和/>分别为LOS径和NLOS径的信道冲击响应，分别可以表示为：
其中，[·]T表示转置运算，为收发端天线垂直的天线方向图，/>为水平极的天线方向图；/>为交叉极化比，μ为同极化失衡，/>是时刻t时从/>至/>的LoS路径对应的方位离开角，/>是时刻t时从/>至/>的LoS路径对应的俯仰离开角，/>是时刻t时从/>至/>的LoS路径对应的方位到达角；/>是时刻t时从/>至/>的LoS路径对应的俯仰到达角，/>代表LOS径的初始相位，/> 代表NLOS径的初始相位，是在0到2π间服从均匀分布的随机变量；Fr法拉第旋转矩阵，是指在卫星场景中电磁波通过电离层传播引起的极化面旋转，在10GHz以下的通信场景中需要被考虑；/>为步骤S504中计算的子径功率，/>为LOS第M条子径的绝对时延，可由收发端天线q，p之间的距离除以光速计算，/>为第N个簇内第M条子径的绝对时延，可由收发端天线q，p之间的第nm条子径的长度除以光速计算。
步骤S6、根据收发端运动和簇的生灭过程，进行大、小尺度参数的更新，生成新的信道系数；
具体的说，在本实施例中，该步骤S6具体包括：
步骤S601、考虑簇在时域和频域的生灭，引入簇在时频域的存活概率Psurv(Δt，Δf)：
其中，Psurv(Δt)为时域存活概率，Psurv(Δf)为频域存活概率，Δt为时间间隔，Δf为法律间隔，簇的生灭过程由簇的产生率λG和簇的消失率λR共同描述，这两个参数和通信场景的环境特征和天线方向图相关；参数是时间和频率域的场景相关因子，由特定场景的信道测量得到；新生簇的数量的期望/>计算为：
步骤S602、考虑收发端、簇的运动，以及簇的生灭，根据步骤S5更新信道系数。
步骤S7、推导信道统计特性，并仿真分析；
具体的说，在本实施例中，该步骤S7具体包括：
步骤S701、计算有效路径损耗，由三个部分组成，分别是自由路径损耗PL，大气吸收AG和降雨衰减AR，这三项大尺度衰减不会随着时间的变化而快速变化，呈现出相对恒定的趋势，我们将这三者之和定义为有效路径损耗：PLeff＝PL+AG+AR
步骤S702、计算信道的均方根时延扩展，表示为：
其中，τ为时延，平均时延可以表示为：
步骤S703、计算信道时频相关函数，其理论值表示为：
其中，表示对随机试验取样本平均，[·]*表示复数的共轭，Hqp表示信道传输函数，通过对信道冲激响应进行傅里叶变化得到；不考虑LOS径和NLOS径之间的相关性，将时频相关函数表示为各条径的时频相关函数的和：
/>
其中，代表LOS径的时频相关函数，表示为：
其中，c为光速；
代表NLOS径的时频相关函数，不考虑各条多径之间的相关性，表示为：
步骤S704、计算每一条多径的多普勒频率：
其中，式中δp/δq代表发射端和收发端的天线间隔，代表发射端运动方向和第p根发射天线所对应的nm条径的夹角，/>代表接收端运动方向和第q根接收天线所对应的nm条径的夹角，θT代表了发射天线阵列和第1根发射天线/接收天线所对应的nm条径的夹角；对于每次仿真中的所有多径对应的多普勒频率进行计算，即可得到该次仿真下的局部多普勒扩展，进行多次仿真求取样本平均，即可获得该类场景下的局部多普勒扩展：
综上所述，本发明提出了一个通用三维几何随机卫星信道模型，该模型适用于从S波段到毫米波频段的常用卫星通信频段，并基于真实轨道对卫星移动性进行建模，适用于低轨、中轨、地球静止轨道卫星通信场景。该模型考虑了大尺度参数的空间一致性和信道参数的环境、频率、卫星仰角相关性；支持收发双端和簇同时移动，考虑了簇在时域和频域上的生灭，并支持子径时延分辨；此外，该模型分别对低频段更易受到的电离层影响和毫米波频段更易受到的降雨衰减进行了建模。本发明可用于仿真信道统计特性，包括有效路径损耗、均方根时延扩展、时频相关函数、和局部多普勒扩展，可以用于分析降雨、卫星轨迹、载波频率、接收端环境对信道的影响，为信道分析、***设计等研究提供基础。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种面向卫星信道的几何随机信道建模方法，其特征在于，所述信道建模方法包括以下步骤：
步骤S1、建立面向卫星信道的几何随机信道模型及模型对应的卫星信道仿真场景，设置场景布局参数；
步骤S2、初始化卫星和接收端的轨迹与速度；
步骤S3、计算空间一致的大尺度参数，并计算降雨对大尺度参数的影响；
步骤S4、计算路径损耗、阴影衰落、大气吸收、降雨衰减；
步骤S5、初始化簇和散射体的中心位置，并根据收发端和散射体的几何位置信息计算簇的时延、角度和功率，生成信道系数；
步骤S6、根据收发端运动和簇的生灭过程，进行大、小尺度参数的更新，生成新的信道系数；
步骤S7、推导信道统计特性，并仿真分析。
2.根据权利要求1所述的面向卫星信道的几何随机信道建模方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S101、所述模型的发射端为卫星移动接收端，接收端为地面移动接收端，卫星的轨道高度hsat需要根据仿真环境要求进行预先设置，地面移动接收端所处环境也需要预先设定为密集城市、城市、郊区、或乡村环境；
步骤S102、所述模型的发射端和接收端都是多发多收型天线阵列，所以需要初始化天线阵列的间隔、角度参数，天线阵列是均匀分布的线阵；发射端共有P根天线，表示第p根天线，/>表示发射端天线阵列的方位角，/>表示发射端天线阵列的俯仰角，天线之间的间隔是δT；接收端共有Q根天线，/>表示第q根天线，/>表示接收端天线阵列的方位角，/>表示接收端天线阵列的俯仰角，天线之间的间隔是δR；
步骤S103、所述模型的***参数还包括的载波频率fc，以及根据是否下雨设置降雨速率。
3.根据权利要求2所述的面向卫星信道的几何随机信道建模方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
步骤S201、卫星初始位置由轨道高度hsat、仰角θsat、方位角共同确定；按照卫星是否对地相对静止，分为GEO卫星和NGEO卫星两类；GEO卫星与地面相对静止；由于地球引力，NGEO卫星按照椭圆的轨迹绕地球运行；首先确定卫星椭球轨道平面，该平面通过设置以下五个参数确定：椭圆轨道长半轴的长度a；椭圆轨道偏心率e，若设置为0，椭圆轨道简化为圆形轨道；轨道和赤道平面的夹角为轨道平面倾角ι；轨道向上穿过赤道平面的交点的经度称为升交点赤经Ω；椭圆在轨道平面上的方向由轨道近地点与升交点的夹角近地点幅角ω确定；真近点角υ代表从近地点起沿着轨道运动扫过的角度，确定轨道平面后，通过u即可确定卫星在椭圆轨道中的具***置；卫星轨迹由轨道摄动造成的时变升交点赤经Ω(t)和时变近地点幅角ω(t)以及地球引力造成的真近点角的变化υ(t)共同决定；每一时刻以地心为原点的笛卡尔坐标系中，卫星运行的位置坐标(xsat，ysat，zsat)表示为：
xsat＝R(t)·{cos(ω(t)+v(t))·cosΩ(t)-sin(ω(t)+v(t))·sinΩ(t)·cos(ι)}
ysat＝R(t)·{cos(ω(t)+v(t))·sinΩ(t)-sin(ω(t)+v(t))·cosΩ(t)·cos(ι)}
zsat＝R(t)·sin(ω(t)+v(t))·sin(ι)
其中，R(t)是每个时刻地球球心到卫星的距离，计算为：
椭圆轨道的卫星在轨运行速度是时变的，为当椭圆轨道偏心率e设置为0时，椭球轨道简化为圆轨道，具有恒定速度/>其中μE为万有引力常数，取值为3.986012×105km3/s2；
步骤S202、接收端设置为运动的小车，设置速度vrx，并设置运行轨迹。
4.根据权利要求3所述的面向卫星信道的几何随机信道建模方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S301、根据频率、环境、卫星仰角生成空间一致性的大尺度参数：大尺度衰落PL、阴影衰落SH、时延扩展DS、方位到达角扩展ASA、俯仰到达角扩展ESA、莱斯因子KF和交叉极化比XPR；对于每个需要计算的大尺度参数采用以下的通用公式：
V＝Vμ+V∈·log10d+Vγ·log10fGHz+Vα·log10αrad+X(Vσ+Vδ·log10fGHz+Vβ·log10αrad)
其中，参数Vμ、V∈、Vγ、Vα、Vσ、Vδ、Vβ和环境相关，d为收发端之间的距离，fGHz为载波频率，αrad为卫星仰角，X为均值为0，方差为1的空间一致的正态分布随机变量；
步骤S302、设置降雨速率为R，降雨对信道多径衰落的影响体现在降雨速率对参数KF、DS、ASA和ESA的改变；所述模型将降雨速率对莱斯因子的影响用参数ξKF表示，受到降雨影响的莱斯因子KFR表示为：
KFR＝KF-R·ξKF
所述模型设置降雨对多径的影响是线性的，用参数ξDS、ξASA、ξESA来衡量降雨对簇的影响；受到降雨影响的时延扩展DSR和角度扩展ASAR、ESAR表示为：
DSR＝DS(1+R·ξDS)
ASAR＝ASA(1+R·ξASA)
ESAR＝ESA(1+R·ξESA)
此外，降雨时多径数目的增加建模为簇的数目增加，所述模型将由于降雨新增的簇Nrain建模为泊松分布：
Nrain～P(R·ξλ)
其中，P代表泊松分布，ξλ表示分布的期望。
5.根据权利要求4所述的面向卫星信道的几何随机信道建模方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：
步骤S401、计算自由路径损耗PL，建模为对数距离路径损耗模型；阴影衰落SF服从对数正态分布；
步骤S402、计算大气吸收AR，设置接收端高度等于海平面高度，环境参数取年均全球参考大气值，温度T、干燥空气大气压p，水蒸气密度ρ，水蒸气分压e；AG表示为：
其中，θ为卫星仰角，Azenith(f)为天顶角衰减值；
步骤S403、计算特定降雨速率下降雨带来的大尺度衰落，参考Crane模型计算雨衰系数，降雨衰减表示为：
其中，hR表示降雨高度，θsat表示卫星仰角，参数aCrane和bCrane为Crane模型参数，从离散计算中获得，可通过曲线拟合到幂次律系数来推出；参数降雨高度hR和零摄氏度等温线h0的关系：
hR＝h0+0.36
其单位为km，h0和地球的经纬度相关。
6.根据权利要求5所述的面向卫星信道的几何随机信道建模方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
步骤S501、采用步骤S301计算得到的大尺度参数，计算每个簇的时延τn，接收端方位角接收端俯仰角/>其中簇的时延服从单边指数分布，其初始值计算为：
其中，(xt，yt，zt)为发射端坐标，(xr,yr，zr)为接收端坐标；
并通过大尺度参数缩放为：
其中，f＝1…F为F个载波频率，为初始时延扩展，DSf为大尺度参数；
角度初始值服从均匀分布，并通过大尺度参数进行缩放：
其中，为初始时延扩展，ASf为大尺度参数，s为缩放比例；
步骤S502、根据步骤S501中生成的簇的基本信息，通过几何关系计算得到每个簇以接收端为原点的极坐标：
其中，为初始时刻第n个簇到发射端的距离，/>为第n个簇到接收端的距离，d为收发端之间的距离；角度αn为接收端指向第n个簇的单位向量和接收端指向发射端的单位向量的夹角；已知第n个散射体的俯仰角/>和/>卫星发射端的三维角度信息/>和θsat，即可计算接收端指向散射体的单位向量/>和接收端指向发射端的单位向量/>通过下式即可计算角度αn：
将αn代入步骤S502中第一个公式即可得到以接收端为原点的极坐标中簇中心的位置
步骤S503、计算每个簇内散射体的几何位置，所述模型中散射体围绕簇的中心位置呈三维椭球高斯分布，散射体三维服从标准差为σx、σy、σz的高斯分布，以接收端为原点的三维笛卡尔坐标系中，每个散射体的坐标由下式计算：
步骤S504、根据步骤S503中确定的散射体的几何位置，计算每条径的波程时延/>所述模型需考虑子径的时延分辨，考虑了时域和频域上功率的变化，计算为：
其中，是每条子径的相对时延，Zn是针对每个笶计算的笶阴影，服从均值为0的高斯分布；/>建模了毫米波大带宽信道中，功率的频率依赖特性，γ和频率相关；/>为时延扩展比例系数，在单频点建模和多频点建模时，采用不同的计算方法，表示为：
其中，为不同频率下的大尺度参数，DS是时延扩展；rτ为延迟分布比例因子；
步骤S505、根据已经生成的参数，计算信道系数：
其中，大尺度衰落[PL·SH·AG·AR]1/2由步骤4计算，小尺度衰落表示为：
其中，KR(t)为随看时间变化的莱斯因子，为LOS径的信道冲击响应，/>为NLOS径的信道冲击响应，分别表示为：
其中，[·]T表示转置运算，为收发端天线垂直的天线方向图，/>为水平极的天线方向图；/>为交叉极化比，μ为同极化失衡，/>是时刻t时从/>至/>的LoS路径对应的方位离开角，/>是时刻t时从/>至/>的LoS路径对应的俯仰离开角，/>是时刻t时从/>至/>的LoS路径对应的方位到达角；/>是时刻t时从/>至/>的LoS路径对应的俯仰到达角，/>代表LOS径的初始相位，/> 代表NLOS径的初始相位，是在0到2π间服从均匀分布的随机变量；Fr法拉第旋转矩阵，是指在卫星场景中电磁波通过电离层传播引起的极化面旋转，在10GHz以下的通信场景中需要被考虑；为步骤S504中计算的子径功率，/>为LOS第M条子径的绝对时延，可由收发端天线q，p之间的距离除以光速计算，/>为第N个簇内第M条子径的绝对时延，可由收发端天线q，p之间的第nm条子径的长度除以光速计算。
7.根据权利要求6所述的面向卫星信道的几何随机信道建模方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下步骤：
步骤S601、考虑簇在时域和频域的生灭，引入簇在时频域的存活概率Psurv(Δt，Δf)：
其中，Psurv(Δt)为时域存活概率，Psurv(Δf)为频域存活概率，Δt为时间间隔，Δf为法律间隔，簇的生灭过程由簇的产生率λG和簇的消失率λR共同描述，这两个参数和通信场景的环境特征和天线方向图相关；参数是时间和频率域的场景相关因子，由特定场景的信道测量得到；新生簇的数量的期望/>计算为：
步骤S602、考虑收发端、簇的运动，以及簇的生灭，根据步骤S5更新信道系数。
8.根据权利要求7所述的面向卫星信道的几何随机信道建模方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括：
步骤S701、计算有效路径损耗，由三个部分组成，分别是自由路径损耗PL，大气吸收AG和降雨衰减AR，这三项大尺度衰减不会随着时间的变化而快速变化，呈现出相对恒定的趋势，将这三者之和定义为有效路径损耗：PLeff＝PL+AG+AR
步骤S702、计算信道的均方根时延扩展，表示为：
其中，τ为时延，平均时延可以表示为：
步骤S703、计算信道时频相关函数，其理论值表示为：
其中，表示对随机试验取样本平均，[·]*表示复数的共轭，Hqp表示信道传输函数，通过对信道冲激响应进行傅里叶变化得到；不考虑LOS径和NLOS径之间的相关性，将时频相关函数表示为各条径的时频相关函数的和：
其中，代表LOS径的时频相关函数，表示为：
其中，c为光速；
代表NLOS径的时频相关函数，不考虑各条多径之间的相关性，表示为：
步骤S704、计算每一条多径的多普勒频率：
其中，式中δp和δq分别代表发射端和收发端的天线间隔，代表发射端运动方向和第p根发射天线所对应的ηm条径的夹角，/>代表接收端运动方向和第q根接收天线所对应的nm条径的夹角，/>代表了发射天线阵列和第1根发射天线所对应的nm条径的夹角；对于每次仿真中的所有多径对应的多普勒频率进行计算，即可得到该次仿真下的局部多普勒扩展，进行多次仿真求取样本平均，即可获得该类场景下的局部多普勒扩展：
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