摘 要：移动卫星通信系统为功率受限系统，相对地面移动通信而言，其链路余量较小，而且由于多径及遮蔽效应，当系统工作在小仰角时，其信号衰落可达到30 dB，这对系统的设计提出了严峻的挑战。本文研究了信道编码和交织技术在移动卫星通信系统中的应用。通过仿真，得到了应用该技术对不同仰角特别是小仰角条件下系统性能的改善程度。同时，在研究信道相关的基础上，给出了交织相关参数的设计准则。
关键词：移动卫星通信;小仰角；信道编码技术;交织技术；仿真 Performance Improvement and Simulation for Mobile Satellite CommuNIcation Systems at Low Elevation Angle HU Jun，ZHU Li－dong，WU Shi－qi (National Key Laboratory of Communications, University of Science and Technologhy
of China, Chengdu 610054, China) Ａｂｓｔｒａｃｔ：In comparison with terrestrial mobile communication systems, the link margin of the mobile satellite system is small due to the power limitation. Plus multipath and shadowing effects, the signal attenuation can reach as much as 30 dB when the mobile terminal is working at low elevation angle. In this paper, the application of channel CODing and interleaving is studied. The result of performance improvement especially with low elevation angle is presented. In addition, the interleaving parameters are provided based on correlation function of the mobile satellite channel.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Mobile satellite communication;Low elevation angle;Channel coding;Interleaving;Simulation 一、引言
移动卫星通信信道的特点是：在大部分时间内卫星和移动台之间存在直射分量(LOS)；由于建筑物和树木等物体的遮蔽，存在阴影效应；由于信号的反射、散射和绕射造成的多径效应；由于卫星和移动台间的相对运动形成的多普勒效应。所以，移动卫星通信信道的特点可以归纳为时变、存在多径效应、阴影效应和多普勒效应。
由于多径及阴影效应，当移动终端在小仰角工作时，信号的衰落可达到30 dB。为了保证系统的通信质量，必须采用合适的通信技术，如信道编码、交织和分集来对抗深度衰落。
本文对移动卫星通信系统的信道特性进行了深入的研究，首先通过仿真建立移动卫星通信系统的信道模型；然后，通过仿真计算，得到QPSK调制信号在AWGN信道和不同仰角条件下的卫星移动通信信道下的误码率特性；其次，在本文所用的仿真模型下，研究信道编码、交织技术在移动卫星通信中的应用，并得到相应的参数(如交织深度)设计准则；最后，计算出信道编码、交织技术的采用对通信系统性能的改善，并得到相应的结论。 二、移动卫星通信信道的信道模型
常用的卫星移动通信信道传播特性的概率分布模型有C.Loo模型［1］、Corazza模型和Lutz模型。这3个典型的概率分布模型均是根据信号在传播路径上受到的遮蔽情况来对移动卫星通信信道的传播特性进行建模的。
对于卫星移动通信系统，C.Loo模型(部分阴影模型)更强调直射分量LOS的主导作用，所以本文选择在C.Loo模型的基础上进行建摸和仿真。
C.Loo信道模型适用于乡村信道环境。该模型假设接收到的信号是由受到阴影作用的直射信号分量和不受阴影作用的纯多径信号分量组成的，即接收到的信号可表示为
其中r(t)是接收信号，z(t)是直射波信号，d(t)是纯多径信号，s(t)表示阴影衰落。
在C.Loo模型中，直射分量服从对数正态(Lognormal)分布，多径分量服从Rayleigh分布，接收信号包络的概率密度函数为
式中，b0是平均散射多径功率，Io(·)是第一类零阶修正贝塞尔函数，u、d0分别是对数正态分布的均值和方差。三、改善小仰角卫星通信性能的措施及仿真
由于移动卫星通信系统功率受限，所以通常采用功率效率和带宽效率均较高的PSK调制方式，如QPSK。本文研究QPSK调制方式下，改善小仰角卫星通信性能的措施及所获得的增益；同时通过仿真，得到如交织深度等关键参数，并给出相应的结论。
1. QPSK信号在AWGN信道和移动卫星通信信道中的性能
QPSK信号通过通信信道，经过相干解调后，误比特率特性由文献［2］给出：
其中，erfc(·)为互补误差函数，r为接收信号的包络，N为噪声功率。
根据文献［2］，式(3)可以估计为
在移动卫星通信系统中，接收信号包络r与环境条件、卫星仰角等因素有关，所以应对接收信号包络r进行平均，从而获得QPSK通过移动卫星通信信道的平均误比特率：
本文通过计算机仿真，得到QPSK信号通过AWGN信道和移动卫星通信信道的误比特率特性，如图1所示。 由图1可看出，QPSK信号通过移动卫星通信信道时，其误比特率特性主要由卫星仰角决定：仰角增大时，莱斯因子K增大，直射分量逐渐起主导作用，阴影效应和多径效应减弱，因此误比特率减小，直至接近理想的AWGN信道的性能。
在移动卫星通信系统中，卫星仰角是不断变化的，为了提高系统的整体性能，必须改善小仰角条件下的通信性能。
2. 信道编码、交织技术的应用及关键参数的确定
(1)系统的仿真框图 图2为本文采用的研究信道编码、交织技术对通信系统的性能改善的仿真框图。
发送端：输入信号为Bernoulli二进制信号,该二进制信号经过码率为1/2、约束长度为7的卷积编码器后输入到信号交织器，然后经过交织的比特序列输入到调制器中完成QPSK调制，最后，QPSK信号通过天线发射出去。
信道方面：QPSK信号经历乘性干扰 (由图中的“信道模型”产生)和加性高斯白噪声干扰 (在图中由“AWGN”表示)。
接收端：接收信号首先输入到QPSK解调器进行解调，然后解调后的二进制序列进入到去交织器，再经过Viterbi译码，最后得到输出二进制信号。
另外，在仿真框图中，为了计算有/无交织、有/无信道编码对系统性能的影响，在仿真中采用了3个误比特率计算模块(A、B和C分别代表采用信道编码+交织、只采用信道编码以及无信道编码、交织)，以研究信道编码、交织技术对移动卫星通信系统性能的改善。
(2)卷积编码和交织深度的设计
1)卷积编码及其解码深度
本文采用(2,1,7)的卷积编码器，其生成多项式为：G=(171,133)。在接收端采用Viterbi译码。采用Viterbi译码时，理论上要求译码器接收完整的数据块后才进行判决，这就要求译码器具有较大的存储空间，同时这也会引入较大的时延。所以，在实际系统中通常采用截断判决的方法(截断长度定义为解码深度)。 为了避免解码深度过小而引起系统性能的恶化，通常选择解码深度为约束长度的5倍［3］。
2）交织及交织深度的设计
在移动卫星通信系统中，多径及遮蔽效应会引起信号的突发差错，因此移动卫星通信信道为记忆信道。而在通信系统中常采用的信道编码如分组码、卷积码一般只适用于无记忆信道，所以为了将信道编码技术应用于有记忆的移动卫星通信信道，需同时采用交织技术。
交织技术对系统性能的改善取决于交织的大小，即交织的深度和宽度。而交织深度取决于信道的自相关函数［3~6］。
信道的自相关定义为同一信号间隔一定时间发射，在接收端收到两路信号的相似性。自相关函数可以由信号的功率谱密度经过傅里叶反变换而得到。在移动卫星通信信道中，文献［5］、［6］给出了3种常用的信号功率谱密度：一阶Butterworth功率谱、Jakes功率谱和Divsalar功率谱。
Jakes功率谱通常用于描述移动卫星信道的衰落过程，特别当移动台采用全向天线时，它能良好地逼近实际的测试数据。其自相关函数定义为
式中，J0(·)为零阶贝塞尔函数，σ2a为信号散射分量的功率，fD=υ/λ为多普勒频移(υ为移动台与卫星的相对速度，λ为信号载波的波长)，τ为时间间隔。
文献［7］给出了阴影衰落条件下的自相关系数计算公式：
式中，ρk代表间隔k个取样间隔时间的信号相关系数，xi为信号取样幅值。
图3给出卫星仰角为15°时，采用式(7)在仿真模型下得到的移动卫星通信信道的自相关曲线及Jakes自相关曲线。其中，信 道的仿真模型是按C.Loo模型建立的［1］。在仿真模型中，移动台与发射平台的相对速度为66 km/h，载波频率为870×106 Hz。
从图3可以得到：①当时间间隔τ增大时，信道的相关系数经过一段时间的振荡后将趋于0；②本文通过仿真计算获得的移动卫星通信信道的相关系数与Jakes相关系数非常接近。所以在计算移动卫星通信信道的相关系数时，可以采用Jakes自相关函数计算公式，并且信道的相关性是由fDτ的大小确定的。
在本文的仿真模型中，数据速率为4.8 kbit/s，经卷积编码后数据速率为9.6 kbit/s。图4、5分别表示当卫星仰角为15°和30°时，交织深度(单位为bit)与误比特率BER的关系。 由图4和图5可以得出：随交织深度的增大，系统性能改善越明显，直至趋于具有无限交织深度的系统性能；卫星仰角越小，要求更大的交织深度，以获得趋于无限交织深度的性能，即相关时间越大。所以，在移动卫星通信系统的交织深度设计时，应以满足小仰角的最优交织深度为准。
当仰角为15°时，最优的交织深度约为80 bit(图4)，此时fDτ≈0.4。所以可将fDτ≈0.4作为交织深度的设计准则。
文献［5］对交织宽度W进行了深入研究，得出对于1/2卷积编码，采用W≈4*υ(υ为卷积编码的约束长度)的交织宽度，其性能接近于最佳交织宽度的性能，所以本文选择交织宽度W为30 bit。
(3)仿真结果及分析
本文采用图2所示的仿真模型，得到卫星仰角分别为15°、30°时移动卫星通信系统的性能，分别如图6和图7所示。 由图6和图7可以看出，采用卷积编码和交织技术时，系统可以获得比较明显的增益，从而可改善移动卫星通信系统在小仰角时的性能。当BER为10-3和10-5时，采用卷积编码(无交织)和采用卷积编码+交织时，系统工作在不同仰角条件的增益分别列于表1和表2中。
移动卫星通信系统在系统链路设计时，选择的链路电平余量一般较小(通常为10 dB左右)。如果系统在小仰角条件下工作，信号衰落的深度较大(衰落深度可以达到30 dB)，系统将很可能不能正常工作。而采用信道编码+交织技术后，在BER为10-3和10-5时系统获得的增益分别为12.5 dB和23.7 dB,从而极大地提高了移动卫星通信系统在小仰角下的通信可靠性。 四、结论
在移动卫星通信系统中，由于卫星信道为记忆信道，所以仅采用信道编码只能获得有限的增益。为了改善移动卫星通信系统的性能，特别是提高小仰角条件下通信的可靠性，必须综合应用信道编码和交织技术。同时，在移动卫星通信系统中采用交织技术时，需考虑信道的时间相关特性，从而确定合适的交织深度，本文通过仿真计算，得到交织深度的设计准则为fDτ≈0.4。参考文献［1］C Loo. A Statistical Model for a Land Mobile Satellite Link［Ｊ］. IEEE Trans on VT, 1985, 34(3/8):122～127.
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