流星余迹通信信道模型的构建方法

摘要

本发明公开了一种流星余迹通信信道模型的构建方法，主要解决现有信道模型无法与现有通信传输体制和关键技术仿真达到无缝兼容的问题。其构建过程是：首先将流星余迹通信信道分为稀疏欠密类子信道、欠密类多径子信道、欠密类簇子信道、流星雨子信道、不含瑞利衰落的过密类子信道和含有瑞利衰落的过密类子信道六类子信道，分别对其进行信道模型构建，每类子信道高精度逼近其所代表的实际信道物理特性；然后依据实测得到的统计概率将上述六类子信道合成；最后得到可以体现实际流星余迹信道各种物理特性的信道计算机模型。本发明具有计算简单、易扩展、易修改和与链路仿真实现无缝兼容的优点，可用于提高流星余迹通信质量。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及流星余迹通信信道，用于对流星余迹通信的研究。

背景技术

流星余迹通信是一种利用流星体高速进入大气层摩擦燃烧在高空形成的电离余迹，对VHF无线电波的反射和散射而实现远距离通信的一种超视距无线通信方式，也是一种突发通信方式，在应急通信中具有特殊的地位，是受到物理或电子攻击时的最低限度应急通信保障手段。

流星余迹通信信道具有显著的非常规复杂时变特性，其信道的特殊性直接决定着流星余迹通信系统所采用的理论技术和传输体制的有效性。流星余迹通信是以流星射入地球高空大气层烧毁后形成的电离余迹对无线电波的前向散射为基础的，与其他无线信道一样，流星余迹信道也是一种随机时变信道或简称为变参信道，但流星这一自然现象决定了该信道还具有其特殊性，流星余迹信道最主要的特点是随机性、突发间歇性和指数衰落性，正因为这些特性，较常规的通信方式而言，流星余迹通信存在吞吐量低、信息等待时间长的问题。随着国内外对于流星余迹最低限度应急通信的需求日益迫切，构建一个高精度逼近流星余迹信道时变特性，可支持基于流星余迹信道的全系统无缝仿真的高效流星余迹通信信道模型已成为实现流星余迹通信系统最优设计的关键。

信道建模是指采用计算机模拟的方法搭建可以体现信道物理特性的虚拟模型。如果建模是以数学模型为基础则称为物理信道建模，若以观测数据为基础则称为非物理信道建模。一般情况下，非物理信道建模需要庞大的观测数据资源，并且易受观测条件的影响，所以在流星余迹通信中通常采用物理信道建模的方法。该方法中通常使用大量的数学公式对流星信道物理特性进行预测计算，现在已有的国内外流星信道模型包括俄罗斯咯山大学建立的突发流星辐射密度经验模型SMRD、喀山大学与美国的国际应用公司和计算机科学公司建立的流星信道的物理模型METEORLINK等等，但是这些模型主要基于大气物理和天体分布特性，建模目的是为了对流星余迹信道的特性进行预测和描述，无法与现有通信传输体制和关键技术仿真达到无缝兼容，致使在对流星余迹通信的研究中没有可用的信道模型，不能对该通信方式下的调制技术、通信协议和编码方案进行研究，极大地限制了流星通信质量的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种流星余迹通信信道模型的构建方法，以实现与现有通信传输体制和关键技术仿真的结合，为流星余迹通信的研究提供信道模型，并在此基础上通过仿真分析对调制技术、通信协议和编码方案进行完善和改进，提高流星通信的质量。

实现本发明目的技术思路是：将流星余迹信道分为六类子信道，基于SPW仿真软件对每类子信道模型分别进行建模，再依据实际试验测试数据得到的统计概率进行合成，在能够高精度逼近流星余迹信道各种物理特性的情况下，使得建模得到的计算机模型更能体现实际物理信道的统计分布特性，与实际信道更逼近，并且得到的信道模型可以与链路仿真实现无缝兼容，易于改进扩展。其具体实现步骤包括如下：

(1)根据系统参数计算稀疏欠密类流星余迹平均出现间隔T₁和过密类流星余迹平均出现间隔T₂：

T₁＝T×P_D(t)×P_S(t)

T₂＝100T₁

其中，T为流星平均出现间隔，

P_D(t)为流星出现概率的日变化调整系数，

$>P_D\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}1.2+0.39\sin (\mathrm{\pi t}/8)& (0\le t\le 4)\\ 1.005+0.585\cos [\pi (t-4)/14]& (4<t\le 18)\\ 1.2-0.78\cos [\pi (t-18)/12]& (18<t<24)\end{array}\right),$>

P_S(t)为流星出现概率的年变化调整系数，

$>P_S\left(t\right)=\frac{0.016t^5-{0.17t}^4-3.29t^3+{50.77t}^2-173.39t+219.23}{128.83},1\le t\le 12;$>

(2)根据稀疏欠密类平均出现间隔T₁控制欠密类余迹的间隔时间t，使其遵循泊松分布特性，并假设入射和反射到流星的电磁波夹角为直角，流星入射方向β满足cosβ＝2/π，使用水平极化传输，计算稀疏欠密类流星信道的初始接收信号功率P_r(0)和对应的衰落系数τ：

$>P_r\left(0\right)=1.2543\times {10}^{-6}\frac{R_T{G}_T{G}_R{q}^2}{R_T{R}_R(R_T+R_R)·f^3}$>

其中，P_T表示系统发送功率，G_T表示发送天线增益，G_R表示接收天线增益，q表示电子线密度，R_T和R_R分别表示发收站点到流星余迹的距离，f表示发送频率，logD＝0.067h-5.6，h＝124-17log₁₀f，l表示通信距离，λ表示发送电磁波的波长，Re表示地球半径；

(3)按照欠密类余迹接收信号功率数学模型，将时间t、初始接收信号功率P_r(0)和衰落系数τ合成为稀疏欠密类子信道的接收信号功率：

P_r(t)_{S_U}＝P_r(0)·exp(-t/τ)；

(4)根据稀疏欠密类子信道的接收信号功率P_r(t)_{S_U}调整每条多径的延迟大小Δt_i和衰减系数a_i，在多径延迟与衰减系数的控制下生成含有多径现象的欠密类子信道的接收信号功率：

$>P_r{\left(t\right)}_M=\underset{i=1}{\overset{N_1}{\Sigma }}{a}_i{P}_r{(t-\Delta t_i)}_{S\_U}$>

其中1≤i≤N₁，N₁表示模拟的多径条数；

(5)将稀疏欠密类子信道的接收信号功率P_r(t)_{S_U}与欠密类多径子信道的接收信号功率P_r(t)_M，按照实测流星信道出现的统计概率合成为欠密类子信道的接收信号功率：

$>P_r{\left(t\right)}_U=P_r{\left(t\right)}_{S\_U}{|}_{P=P_1}+P_r{\left(t\right)}_M{|}_{P=P_2}$>

其中，P₁为实测稀疏欠密类子信道的出现概率，P₂为实测欠密类多径子信道的出现概率；

(6)对稀疏欠密类子信道的接收信号功率P_r(t)_{S_U}做串行/并行处理，使得N₂条并行路径的每条路径均单独输出一个完整的欠密类余迹，按照每条路径持续时间长度的不同控制每条路径延迟Δτ_i的大小，对N₂条路径合成得到欠密类簇子信道的接收信号功率：

$>P_r{\left(t\right)}_G=\underset{i=1}{\overset{N_2}{\Sigma }}{P}_r{(t-\Delta {\tau }_i)}_{S\_U};$>

(7)将欠密类流星的并行路径数N₂增加为大于五百的数目，得到流星雨子信道的接收信号功率：

$>P_r{\left(t\right)}_{\mathrm{Sh}}=\underset{i=1}{\overset{N_2}{\Sigma }}{P}_r{(t-{\mathrm{\Delta \zeta }}_i)}_{S\_U}$>

其中，Δζ_i表示路径延迟；

(8)根据过密类平均出现间隔T₂控制过密类余迹的间隔时间t，使其遵循泊松分布特性，并按照上述假设条件，根据过密类余迹数学模型计算该子信道的接收信号功率：

其中，r₀表示余迹初始半径，r_e表示电子半径；

(9)生成服从瑞利衰落分布的随机信号M(t)，用该信号调整不含瑞利衰落的过密类子信道的接收信号功率P_r(t)_{S_O}，得到含有瑞利衰落的过密类子信道的接收信号功率：

P_r(t)_{R_O}＝P_r(t)_{S_O}·M(t)；

(10)将不含瑞利衰落的过密类子信道的接收信号功率P_r(t)_{S_O}与含有瑞利衰落的过密类子信道的接收信号功率P_r(t)_{R_O}，按照实测流星信道出现的统计概率合成为过密类子信道的接收信号功率：

$>P_r{\left(t\right)}_O=P_r{\left(t\right)}_{S\_O}{|}_{P=P_3}+P_r{\left(t\right)}_{R\_O}{|}_{P=P_4}$>

其中，P₃为实测不含瑞利衰落过密类信道的出现概率，P₄为实测含有瑞利衰落过密类信道的出现概率；

(11)将得到的四种流星余迹子信道接收信号功率P_r(t)_U、P_r(t)_G、P_r(t)_Sh和P_r(t)_O，按照实测流星信道出现的统计概率合成为整个流星余迹信道的接收信号功率：

$>P_r{\left(t\right)}^{\prime }=P_r{\left(t\right)}_U{|}_{P=P_5}+P_r{\left(t\right)}_G{|}_{P=P_6}+P_r{\left(t\right)}_{\mathrm{Sh}}{|}_{P=P_7}+P_r{\left(t\right)}_O{|}_{P=P_8}$>

其中，P₅为实测欠密类子信道的出现概率，P₆为实测欠密类簇子信道的出现概率，P₇为实测流星雨子信道的出现概率，P₈为实测过密类子信道的出现概率；

(12)对整个流星余迹信道的接收信号功率P_r(t)′添加多普勒频移的影响，得到含有多普勒频移的流星余迹信道的接收信号功率：

$>P_r\left(t\right)=P_r{\left(t\right)}^{\prime }·e^{\pm j2\pi f_{D}t}$>

其中，f_D表示多普勒频移；

(13)根据上述六种流星余迹子信道的接收信号功率P_r(t)_{S_U}、P_r(t)_M、P_r(t)_G、P_r(t)_Sh、P_r(t)_{S_O}、P_r(t)_{R_O}和整个流星余迹信道的接收信号功率P_r(t)，绘制出各自信道的仿真曲线，完成对信道模型的构建。

本发明具有以下优点：

1)本发明由于将流星信道分为六类子信道分别进行建模，并依据实测数据统计概率合成为整体流星信道，考虑了实际流星信道的各种类型，可以高精度模拟实际流星信道的物理特性，与实际情况更加接近。

2)本发明由于所使用的流星信道典型数学模型为时域形式，可以在时域直接对发送信号进行作用，使信道模型能够直接应用到链路与系统进行仿真，达到无缝结合。

3)本发明由于重复利用了稀疏欠密类子信道和不含瑞利衰落过密类子信道的计算结果，使得系统内部运算量少，在应用到链路或系统仿真后对资源消耗量少，不会因为信道的复杂度影响仿真的难度与时间损耗。

4)本发明由于添加了多普勒频移的影响，使得信道模型更加符合实际流星通信的环境。

附图说明

图1是本发明信道构建流程图；

图2是用本发明仿真的稀疏欠密类子信道接收信号功率图；

图3是用本发明仿真的欠密类多径子信道接收信号功率图；

图4是用本发明仿真的欠密类簇子信道接收信号功率图；

图5是用本发明仿真的流星雨子信道接收信号功率图；

图6是用本发明仿真的不含瑞利衰落过密类子信道接收信号功率图；

图7是用本发明仿真的含有瑞利衰落过密类子信道接收信号功率图；

图8是用本发明仿真的合成流星信道接收信号功率图。

具体实施方式

参考图1，本发明构建流星余迹通信信道模型的步骤，包括如下：

步骤1，根据系统参数计算稀疏欠密类流星余迹平均出现间隔T₁和过密类流星余迹平均出现间隔T₂：

T₁＝T×P_D(t)×P_S(t)

T₂＝100T₁

其中，T为流星平均出现间隔，

P_D(t)为流星出现概率的日变化调整系数，

$>P_D\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}1.2+0.39\sin (\mathrm{\pi t}/8)& (0\le t\le 4)\\ 1.005+0.585\cos [\pi (t-4)/14]& (4<t\le 18)\\ 1.2-0.78\cos [\pi (t-18)/12]& (18<t<24)\end{array}\right),$>

P_S(t)为流星出现概率的年变化调整系数，

$>P_S\left(t\right)=\frac{0.016t^5-{0.17t}^4-3.29t^3+{50.77t}^2-173.39t+219.23}{128.83},1\le t\le 12.$>

步骤2，根据稀疏欠密类平均出现间隔T₁按式t＝Δtmod(rT₁)控制欠密类余迹的间隔时间t，使其遵循泊松分布特性，式中，Δt为系统运行时间，r是介于(0.5，1.5)之间的随机数；然后假设入射和反射到流星的电磁波夹角为直角，流星入射方向β满足cosβ＝2/π，使用水平极化传输，计算稀疏欠密类流星信道的初始接收信号功率R_r(0)和对应的衰落系数τ：

$>P_r\left(0\right)=1.2543\times {10}^{-6}\frac{R_T{G}_T{G}_R{q}^2}{R_T{R}_R(R_T+R_R)·f^3}$>

其中，P_T表示系统发送功率，G_T表示发送天线增益，G_R表示接收天线增益，q表示电子线密度，R_T和R_R分别表示发收站点到流星余迹的距离，f表示发送频率，logD＝0.067h-5.6，h＝124-17log₁₀f，l表示通信距离，λ表示发送电磁波的波长，P_e表示地球半径。

步骤3，按照欠密类余迹接收信号功率数学模型，将时间t、初始接收信号功率P_r(0)和衰落系数τ合成为稀疏欠密类子信道的接收信号功率：

P_r(t)_{S_U}＝P_r(0)·exp(-t/τ)。

步骤4，根据稀疏欠密类子信道的接收信号功率P_r(t)_{S_U}调整每条多径的延迟大小Δt_i和衰减系数a_i，在多径延迟与衰减系数的控制下生成含有多径现象的欠密类子信道的接收信号功率：

$>P_r{\left(t\right)}_M=\underset{i=1}{\overset{N_1}{\Sigma }}{a}_i{P}_r{(t-\Delta t_i)}_{S\_U}$>

其中1≤i≤N₁，N₁表示模拟的多径条数。

步骤5，将稀疏欠密类子信道的接收信号功率P_r(t)_{S_U}和欠密类多径子信道的接收信号功率P_r(t)_M，按照实测流星信道出现的统计概率合成为欠密类子信道的接收信号功率：

$>P_r{\left(t\right)}_U=P_r{\left(t\right)}_{S\_U}{|}_{P=P_1}+P_r{\left(t\right)}_M{|}_{P=P_2}$>

其中，P₁为实测稀疏欠密类子信道的出现概率，P₂为实测欠密类多径子信道的出现概率；。

步骤6，对稀疏欠密类子信道的接收信号功率P_r(t)_{S_U}做串行/并行处理，使得N₂条并行路径的每条路径均单独输出一个完整的欠密类余迹，并合成得到欠密类簇子信道的接收信号功率。

6a)使稀疏欠密类子信道产生N₂个串行的接收信号功率P_r(t)_{S_U}；

6b)将上述串行的稀疏欠密类子信道接收信号功率分为N₂个小块，每个小块的时间长度为rT₁；

6c)分别取出每个小块，形成N₂条并行的接收信号功率；

6d)按照每条路径持续时间长度的不同控制每条路径延迟Δτ_i的大小，对N₂条路径合成，得到该子信道的接收信号功率：

$>P_r{\left(t\right)}_G=\underset{i=1}{\overset{N_2}{\Sigma }}{P}_r{(t-\Delta {\tau }_i)}_{S\_U}.$>

步骤7，将欠密类流星的并行路径数N₂增加为大于五百的数目，得到流星雨子信道的接收信号功率：

$>P_r{\left(t\right)}_{\mathrm{Sh}}=\underset{i=1}{\overset{N_2}{\Sigma }}{P}_r{(t-\Delta {\tau }_i)}_{S\_U}$>

其中，Δζ_i表示路径延迟。

步骤8，根据过密类平均出现间隔T₂按式t＝Δtmod(rT₂)控制过密类余迹的间隔时间t，使其遵循泊松分布特性，并根据上述假设条件，按照过密类典型数学模型计算该子信道的接收信号功率：

其中，r₀表示余迹初始半径，r_e表示电子半径。

步骤9，生成服从瑞利衰落分布的随机信号M(t)，用该信号调整不含瑞利衰落的过密类子信道的接收信号功率P_r(t)_{S_O}，得到含有瑞利衰落的过密类子信道的接收信号功率：

P_r(t)_{R_O}＝P_r(t)_{S_O}·M(t)。

步骤10，将不含瑞利衰落的过密类子信道的接收信号功率P_r(t)_{S_O}与含有瑞利衰落的过密类子信道的接收信号功率P_r(t)_{R_O}，按照实测流星信道出现的统计概率合成为过密类子信道的接收信号功率：

$>P_r{\left(t\right)}_O=P_r{\left(t\right)}_{S\_O}{|}_{P=P_3}+P_r{\left(t\right)}_{R\_O}{|}_{P=P_4}$>

其中，P₃为实测不含瑞利衰落过密类信道的出现概率，P₄为实测含有瑞利衰落过密类信道的出现概率。

步骤11，将得到的四种流星余迹子信道接收信号功率P_r(t)_U、P_r(t)_G、P_r(t)_Sh和P_r(t)_O，按照实测流星信道出现的统计概率合成为整个流星余迹信道的接收信号功率：

$>P_r{\left(t\right)}^{\prime }=P_r{\left(t\right)}_U{|}_{P=P_5}+P_r{\left(t\right)}_G{|}_{P=P_6}+P_r{\left(t\right)}_{\mathrm{Sh}}{|}_{P=P_7}+P_r{\left(t\right)}_O{|}_{P=P_8}$>

其中，P₅为实测欠密类子信道的出现概率，P₆为实测欠密类簇子信道的出现概率，P₇为实测流星雨子信道的出现概率，P₈为实测过密类子信道的出现概率。

步骤12，对整个流星余迹信道的接收信号功率P_r(t)′添加多普勒频移的影响，得到含有多普勒频移的流星余迹信道的接收信号功率：

$>P_r\left(t\right)=P_r{\left(t\right)}^{\prime }·e^{\pm j2\pi f_{D}t}$>

其中，f_D表示多普勒频移。

步骤13，根据上述六种流星余迹子信道的接收信号功率P_r(t)_{S_U}、P_r(t)_M、P_r(t)_G、P_r(t)_Sh、P_r(t)_{S_O}、P_r(t)_{R_O}和整个流星余迹信道的接收信号功率P_r(t)，绘制出各自信道的仿真曲线，完成对信道模型的构建。

本发明的效果可以通过下面的仿真实例进一步证明：

一、信道仿真参数

设置系统发送功率P_T＝1000W、发送频率f＝40MHz、通信距离l＝1000km、流星平均出现间隔T＝13s、发送天线增益G_T与接收天线增益G_R为12dBi、当地时间为六月份下午两点和收发站地理位置为北半球。

二、仿真内容及结果

仿真1：仿真稀疏欠密类子信道，仿真结果如图2所示；

仿真2：仿真欠密类多径子信道，仿真结果如图3所示；

仿真3：仿真欠密类簇子信道，仿真结果如图4所示；

仿真4：仿真流星雨子信道，仿真结果如图5所示；

仿真5：仿真不含瑞利衰落的过密类子信道，仿真结果如图6所示；

仿真6：仿真含有瑞利衰落的过密类子信道，仿真结果如图7所示；

仿真7：仿真合成流星信道，仿真结果如图8所示。

三、仿真结果分析

从图2中可见，接收信号功率在短时间内达到峰值后呈指数衰减，在短暂的几百毫秒内衰减到很小的值，整个衰减过程符合实际中欠密类流星余迹接收电平和持续时间的变化。

从图3中可见，信号在衰减过程中由于多径的现象功率曲线呈现下降的锯齿状，整个过程符合实际中欠密类多径信道的接收信号电平和持续时间的变化。

从图4中可见，信号功率变化起伏较快，这是由于当第一个流星出现并且还没有衰减到不可用时，其它流星陆续出现产生的，整个过程符合实际中欠密类簇流星信道的接收信号电平和持续时间的变化。

从图5中可见，在较长时间内，欠密类流星陆续出现，多达几百颗，整个过程符合实际中流星雨子信道的接收信号电平和持续时间的变化。

从图6中可见，不含瑞利衰落的过密类流星信道接收信号功率并不像欠密类那样呈现指数衰减，而是经历了一段较长时间的平坦过程后再衰减为很小的值，整个过程符合实际中不含有瑞利衰落过密类子信道的接收信号电平和持续时间的变化。

从图7中可见，接收信号功率的包络由于受到瑞利衰落的影响具有类似正弦信号的起伏变化，整个过程符合实际中含有瑞利衰落过密类子信道的接收信号电平和持续时间的变化。

从图8中可见，出现的大部分是稀疏欠密类子信道和短时间内连续出现多颗流星的欠密类簇子信道，这与实际中各子信道的出现概率是相符合的，整个过程符合实际中流星余迹信道的接收信号电平和持续时间的变化。

综合上述仿真结果与分析，按照本发明的流星信道构建方法，不仅可以构建出实际情况下各类流星余迹信道的物理特性，还能结合实际信道类型的统计概率构建出与实测数据相符合的合成流星信道，整个信道模型具有良好的实用性，可以充分体现出实际流星余迹信道的接收信号功率物理特性，为流星余迹通信提供信道模型，并在此基础上通过仿真分析对调制技术、通信协议和编码方案进行完善和改进，提高流星通信的质量。