基于几何随机的LEO卫星通信信道建模研究

来源 :重庆邮电大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:stanley_lippman
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为了构建覆盖全球和持续长久的无线通信服务,卫星移动通信系统应运而生。卫星移动通信技术由于覆盖范围广、通信容量大、不受地理条件限制、能实现全球无缝连接等特点成为B5G/6G空-天-地一体化网络中不可或缺的组成部分。准确有效的卫星信道在卫星通信系统设计、性能评估以及测试中起到了重要支撑作用。卫星通信信道展现出与传统蜂窝网络信道截然不同的新特性,给建模带来了极大的挑战。本文针对低轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星通信信道进行建模并对其统计特性进行深入地研究,主要工作与创新性成果如下:1.卫星移动通信信道模型调研。对现阶段LEO卫星通信信道建模研究工作进行文献调研,总结了LEO卫星信道的特点,分析了现有模型的不足。对LEO卫星移动通信信道建模提出了新要求,即信道模型需要对通信环境中的散射体分布进行有效描述,并探究不同场景下卫星信道模型参数对统计特性的影响。2.提出了三维LEO卫星信道模型。针对轻度阴影的开阔场景和重度阴影的城市场景,采用基于规则几何随机信道建模方法,提出一个新型LEO卫星信道模型。该模型引入半球体模型表征地面终端附近的有效散射体。城市场景下,为了减少LEO卫星通信过程中信号的反射次数,引入周围无散射体的高空飞行无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)作为中继基站。针对所提出的信道模型,推导时间-空间相关函数、多普勒功率谱密度、电平通过率、平均衰落持续时间等相关统计特性的数学表达式,在此基础上对LEO卫星信道的统计特性进行深入研究。仿真结果表明,本文提出的LEO卫星信道模型的理论模型能较好地与测量数据拟合,验证了模型的正确性。3.提出了UAV辅助下的LEO卫星信道模型。针对低空UAV作为中继的卫星通信信道,提出了基于双球的LEO卫星信道模型。该模型结合半球体模型和球体模型,利用半球体模型表征地面终端附近的有效散射体,利用球体模型表征低空UAV附近的有效散射体。推导了空时相关函数等关键信道统计特性的数学表达式,分析了UAV低空飞行时UAV运动方向、天线阵列角度、散射体分布等对LEO卫星信道模型统计特性的影响。本文在LEO卫星通信信道建模方面开展了研究工作,数值仿真结果为LEO卫星信道提供了一些有价值的结论,可以作为未来LEO卫星通信系统设计、优化和评估的有效指导。同时,所提模型进一步丰富了LEO通信信道模型库,拓展了LEO卫星信道建模领域的研究。
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