本發(fā)明屬于測(cè)控通信技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種高速飛行器中繼雙極化mimo信道建模方法。
背景技術(shù):
隨著宇航技術(shù)的飛速發(fā)展,高超聲飛行器的開發(fā)利用成為國(guó)內(nèi)外航天領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。當(dāng)高速飛行器以大于10馬赫的速度飛行時(shí),飛行器周圍的等離子體鞘套會(huì)嚴(yán)重衰減和畸變信號(hào),使得信道容量大幅度降低造成通信中斷(黒障)現(xiàn)象,極大地威脅了飛行器的飛行安全。為了克服或者緩解黑障通信中斷問題,研究者們提出了許多物理和化學(xué)等離子體抑制方法來(lái)提高通信的可能性,這些措施理論上可以在一定程度地降低衰減,但在實(shí)際場(chǎng)合幾乎無(wú)法應(yīng)用。對(duì)于通信而言,目前關(guān)于高速飛行器的通信研究都是停留在下行“端對(duì)端”通信,這種情況是單輸入和單輸出傳輸信道,信道容量相對(duì)而言是比較小的。采用上行中繼和分集傳輸方式是提高信道容量和改善通信質(zhì)量的重要手段。實(shí)際上,采用極化分集可以在偏振方向上產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的正交子信道,它只需要在單個(gè)中繼衛(wèi)星和單個(gè)飛行器就能組成mimo系統(tǒng),可大大降低系統(tǒng)復(fù)雜度。衛(wèi)星應(yīng)用雙極化mimo技術(shù)是比較成熟的,文獻(xiàn)"konstantinosp.liolis,jesúsgómez-vilardebó,enricocasini,anai.pérez-neira.statisticalmodelingofdual-polarizedmimolandmobilesatellitechannels[j].ieeetransactionsoncommunications,2010,58(11):3077-3083"給出了陸地移動(dòng)衛(wèi)星雙極化mimo信道模型,但是高速飛行器存在特殊的等離子體鞘套環(huán)境,這就導(dǎo)致等離子體鞘套下應(yīng)用雙極化mimo技術(shù)存在以下問題:(1)衛(wèi)星雙極化mimo系統(tǒng)中一般認(rèn)為極化具有對(duì)稱性,而等離子體鞘套下雙極化mimo信道模型設(shè)計(jì)中需要考慮極化不對(duì)稱的問題,使得對(duì)mimo子信道的大尺度和小尺度影響是不同的。(2)等離子體鞘套會(huì)影響信道的大尺度衰落和小尺度衰落特性,等離子體鞘套環(huán)境會(huì)對(duì)極化傳輸信道的獨(dú)立性產(chǎn)生影響,即會(huì)改變雙極化mimo子信道之間的相關(guān)性,使得子信道的獨(dú)立性收到破壞,在建模過(guò)程中需要考慮。針對(duì)高速飛行器黑障通信可靠性問題,面向上行中繼雙極化傳輸方法研究,提出一種高速飛行器中繼雙極化mimo信道建模方法,可為中繼分集通信評(píng)估和體制設(shè)計(jì)提供參考。
綜上所述,現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是:目前的mimo信道模型存在等離子體鞘套下雙極化mimo信道模型設(shè)計(jì)中需要考慮極化不對(duì)稱,影響信道的大尺度衰落和小尺度衰落特性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題,本發(fā)明提供了一種高速飛行器中繼雙極化mimo信道建模方法。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的,一種高速飛行器中繼雙極化mimo信道建模方法,所述高速飛行器中繼雙極化mimo信道建模方法包括以下步驟:
步驟一,利用等離子體鞘套馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型確定loo信道參數(shù);
步驟二,利用loo模型建立每條等離子體鞘套下的中繼衛(wèi)星子信道的大尺度衰落模型和小尺度衰落模型,子信道經(jīng)過(guò)雙極化mimo模型來(lái)產(chǎn)生極化相關(guān)性;
步驟三,聯(lián)合每條子信道的大尺度衰落和小尺度衰落部分得到等離子體鞘套下的極化mimo信道模型。
進(jìn)一步,所述高速飛行器中繼雙極化mimo信道建模方法包括以下步驟:
第一步,根據(jù)陸地移動(dòng)衛(wèi)星馬爾科夫信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣p,獲取馬爾科夫信道模型的轉(zhuǎn)態(tài)序列;根據(jù)陸地移動(dòng)衛(wèi)星信道測(cè)試結(jié)果確定狀態(tài)序列對(duì)應(yīng)的loo模型信道參數(shù);
第二步,根據(jù)高速飛行器等離子體鞘套電子密度和碰撞頻率,計(jì)算獲取左旋圓極化等離子體環(huán)境極化耦合度參數(shù)xpcenv,l和右旋圓極化等離子體環(huán)境極化耦合度參數(shù)和xpcenv,r;
第三步,利用loo模型信道參數(shù)和參數(shù)xpcenv,l、xpcenv,r,實(shí)現(xiàn)大尺度信道模型模擬;
第四步,利用信道參數(shù)和步驟s2的參數(shù)xpcenv,l、xpcenv,r,實(shí)現(xiàn)小尺度信道模型模擬;
第五步,聯(lián)合大尺度衰落分量和小尺度衰落分量得到等離子體鞘套下的極化mimo信道模型。
進(jìn)一步,所述第一步具體包括:
(1)輸入等離子體鞘套馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣p,狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣p中元素p(i,j)表示從狀態(tài)i跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)j的概率,0≤p(i,j)≤1且
(2)輸入狀態(tài)幀lframe,lframe表示為某個(gè)狀態(tài)持續(xù)的最小距離。給定當(dāng)前狀態(tài)st,每lframe米生成下一狀態(tài)st+1
第一步,產(chǎn)生一個(gè)(0,1)均勻分布隨機(jī)數(shù)u,并設(shè)置k=1;
第二步,測(cè)試條件
(3)飛行器沿其路徑移動(dòng),每lframe米做一次判斷終端所處的狀態(tài),并查找相應(yīng)的狀態(tài)下loo模型參數(shù)loo(α,ψ,mp),好狀態(tài)對(duì)應(yīng)的loo模型參數(shù)(-1.1045,1.3149,-16.8763),壞狀態(tài)對(duì)應(yīng)的loo模型參數(shù)(-13.6829,5.0213,-22.3256);α,ψ和mp以db形式表示,其中α,ψ分別表示大尺度衰落的幅度的均值和方差,mp表示的是小尺度衰落的幅度的平均能量。
進(jìn)一步,所述第二步具體包括:
1)根據(jù)高速飛行器電子密度和碰撞頻率,對(duì)于飛行器天線窗口處的等離子體鞘套,其電子密度分布曲線采用雙高斯模型來(lái)擬合近似:
其中,a1和a2分別表示電子密度分布曲線的上升和下降系數(shù),nepeak和z0分別表示電子密度最大值和距離飛行器表面的距離;
2)根據(jù)等效波阻抗法計(jì)算圓極化波斜入射等離子體后的透射波:
其中,
3)根據(jù)圓極化波入射等離子體后的透射波分解為右旋圓的透射波
其中,e0為歸一化場(chǎng)強(qiáng),
4)將左/右旋波入射后透射波中共極化和交叉極化波的透射系數(shù)帶入下式,獲取參數(shù)xpcenv,l和xpcenv,r:
進(jìn)一步,所述第三步具體包括:
步驟一,對(duì)于每個(gè)狀態(tài),產(chǎn)生2×2統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的均值為0,方差為1的高斯隨機(jī)序列樣本矩陣
步驟二,輸入大尺度衰落分量的相關(guān)矩陣
vec()表示取列向量操作。
步驟三,根據(jù)大尺度衰落的幅度服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,輸入loo模型信道參數(shù)α和ψ,并將
步驟四,根據(jù)極化對(duì)信道序列功率的影響,輸入位于高速飛行器的極化天線極化鑒別度xpdant,r,利用下式調(diào)整大尺度衰落矩陣
其中βant是xpdant,r的因子,
進(jìn)一步,所述第四步具體包括:
1)對(duì)于每個(gè)狀態(tài),產(chǎn)生2×2統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的均值為0,方差為1的復(fù)高斯隨機(jī)序列樣本矩陣
2)為了引入多普勒頻移效應(yīng),將2×2復(fù)高斯隨機(jī)序列矩陣
其中,a=exp(-vt/rc),v是飛行器的飛行速度,t是樣本采用間隔,rc為相干距離,fc為k階濾波器的截止頻率;
3)根據(jù)小尺度衰落的幅度服從瑞利分布,為了產(chǎn)生2×2的復(fù)瑞利序列,輸入loo模型信道參數(shù)mp,并將復(fù)高斯序列矩陣
4)輸入小尺度衰落分量的相關(guān)矩陣
其中,
其中,
5)根據(jù)極化對(duì)信道序列功率的影響,輸入環(huán)境耦合度xpcenv,l、xpcenv,r和位于高速飛行器的極化天線極化鑒別度xpdant,r,利用下式調(diào)整大尺度衰落矩陣
其中
本發(fā)明的另一目的在于提供一種使用所述高速飛行器中繼雙極化mimo信道建模方法的高速飛行器。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為:采用多狀態(tài)馬爾科夫鏈對(duì)信道建??梢愿玫拿枋鰧?shí)際信道,避開單一隨機(jī)過(guò)程無(wú)法準(zhǔn)確描述信道特性的局限性?;谥欣^衛(wèi)星和高速飛行器上行雙極化傳輸,與現(xiàn)有的飛行器無(wú)線傳輸信道研究停留在“端對(duì)端”相比,只需要一顆中繼衛(wèi)星和高速飛行器就可以實(shí)現(xiàn)mimo系統(tǒng),與多天線系統(tǒng)和多衛(wèi)星構(gòu)建mimo系統(tǒng)相比可大大降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度;
本發(fā)明提供的等離子體鞘套下的極化mimo信道模型建模方法,與現(xiàn)有陸地移動(dòng)衛(wèi)星雙極化mimo信道模型極化對(duì)稱性相比,,考慮了等離子體鞘套下的雙極化不對(duì)稱性對(duì)信道模型的影響,能夠準(zhǔn)確描述高速飛行器等離子體鞘套環(huán)境下大尺度和小尺度衰落特性,以及極化子信道之間的相關(guān)性。
本發(fā)明適用于臨近空間高速飛行器中繼衛(wèi)星雙極化mimo信道建模,也可以適用于航天再入飛行器中繼衛(wèi)星雙極化mimo信道建模,所建立的信道模型可為高速飛行器通信體制設(shè)計(jì)、適應(yīng)性方法研究提供信道仿真基礎(chǔ)和平臺(tái),可用于調(diào)制/解調(diào)、信道編碼、信道估計(jì)和均衡等通信物理層傳輸技術(shù)的算法設(shè)計(jì)和性能評(píng)估。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的高速飛行器中繼雙極化mimo信道建模方法流程圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的圖高速飛行器中繼雙極化mimo信道建模及模擬的方法具體實(shí)現(xiàn)流程圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的等離子體鞘套下的大尺度衰落實(shí)現(xiàn)流程圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的等離子體鞘套下的小尺度衰落實(shí)現(xiàn)流程圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的一定條件下對(duì)比了等離子體鞘套下采用雙極化mimo技術(shù)與未采用雙極化mimo技術(shù)對(duì)信道容量的影響示意圖。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的一定條件下對(duì)比了等離子體鞘套下采用雙極化mimo技術(shù)與未采用雙極化mimo技術(shù)對(duì)誤碼率的影響示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。
如圖1所示,本發(fā)明實(shí)施例提供的高速飛行器中繼雙極化mimo信道建模方法包括以下步驟:
s101:利用等離子體鞘套馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型確定loo信道參數(shù);
s102:利用loo模型建立每條等離子體鞘套下的中繼衛(wèi)星子信道的大尺度衰落模型和小尺度衰落模型,這些子信道經(jīng)過(guò)雙極化mimo模型來(lái)產(chǎn)生極化相關(guān)性;
s103:聯(lián)合每條子信道的大尺度衰落和小尺度衰落部分得到等離子體鞘套下的極化mimo信道模型。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步的描述。
如圖2所示,本發(fā)明實(shí)施例實(shí)施例的高速飛行器中繼雙極化mimo信道建模方法包括如下步驟:
s1根據(jù)陸地移動(dòng)衛(wèi)星馬爾科夫信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣p,獲取馬爾科夫信道模型的轉(zhuǎn)態(tài)序列;根據(jù)陸地移動(dòng)衛(wèi)星信道測(cè)試結(jié)果確定狀態(tài)序列對(duì)應(yīng)的loo模型信道參數(shù)。
s1.1:輸入等離子體鞘套馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣
s1.2:輸入轉(zhuǎn)態(tài)幀lframe=5,lframe表示為某個(gè)狀態(tài)持續(xù)的最小距離。給定當(dāng)前狀態(tài)st,每lframe米生成下一狀態(tài)st+1:
第一步,產(chǎn)生一個(gè)(0,1)均勻分布隨機(jī)數(shù)u,并設(shè)置k=1;
第二步,測(cè)試條件
s1.3:飛行器沿其路徑移動(dòng),每lframe米做一次判斷終端所處的狀態(tài),并查找相應(yīng)的狀態(tài)下loo模型參數(shù)loo(α,ψ,mp),好狀態(tài)對(duì)應(yīng)的loo模型參數(shù)(-1.1045,1.3149,-16.8763),壞狀態(tài)對(duì)應(yīng)的loo模型參數(shù)(-13.6829,5.0213,-22.3256);α,ψ和mp以db形式表示,其中α,ψ分別表示大尺度衰落的幅度的均值和方差,mp表示的是小尺度衰落的幅度的平均能量。
s2根據(jù)高速飛行器等離子體鞘套電子密度和碰撞頻率,計(jì)算獲取左旋圓極化等離子體環(huán)境極化耦合度參數(shù)xpcenv,l和右旋圓極化等離子體環(huán)境極化耦合度參數(shù)和xpcenv,r。
s2.1:根據(jù)高速飛行器電子密度和碰撞頻率,對(duì)于飛行器天線窗口處的等離子體鞘套,其電子密度分布曲線可以采用雙高斯模型來(lái)擬合近似:
其中,a1和a2分別表示電子密度分布曲線的上升和下降系數(shù),nepeak和z0分別表示電子密度最大值和距離飛行器表面的距離。
s2.2:根據(jù)等效波阻抗法計(jì)算圓極化波斜入射等離子體后的透射波:
其中,
s2.3:根據(jù)圓極化波入射等離子體后的透射波可以分解為右旋圓(rhcp)的透射波
其中,e0為歸一化場(chǎng)強(qiáng),
s2.4:將左/右旋波入射后透射波中共極化和交叉極化波的透射系數(shù)帶入下式,獲取參數(shù)xpcenv,l和xpcenv,r:
s3利用步驟s1的loo模型信道參數(shù)和步驟s2的參數(shù)xpcenv,l、xpcenv,r,實(shí)現(xiàn)大尺度信道模型模擬,如圖3所示。
s3.1:對(duì)于每個(gè)狀態(tài),產(chǎn)生2×2統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的均值為0,方差為1的高斯隨機(jī)序列樣本矩陣
s3.2:輸入大尺度衰落分量的相關(guān)矩陣
s3.3:根據(jù)大尺度衰落的幅度服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,輸入loo模型信道參數(shù)α和ψ,并將
s3.4:根據(jù)極化對(duì)信道序列功率的影響,輸入位于高速飛行器的極化天線極化鑒別度xpdant,r=15db,利用下式調(diào)整大尺度衰落矩陣
其中βant是xpdant,r的因子,
s4利用步驟s1的信道參數(shù)和步驟s2的參數(shù)xpcenv,l、xpcenv,r,實(shí)現(xiàn)小尺度信道模型模擬,如圖4所示。
s4.1:對(duì)于每個(gè)狀態(tài),產(chǎn)生2×2統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的均值為0,方差為1的復(fù)高斯隨機(jī)序列樣本矩陣
s4.2:為了引入多普勒頻移效應(yīng),將2×2復(fù)高斯隨機(jī)序列矩陣
其中,a=exp(-vt/rc),飛行器的飛行速度v=4080m/s,樣本采用間隔t=1.2273×10-3,相干距離rc=2m,fc為k階濾波器的截止頻率,巴特沃斯濾波器:衰減3db:0.9×ν/λ,衰減100db:3×ν/λ;
s4.3:根據(jù)小尺度衰落的幅度服從瑞利分布,為了產(chǎn)生2×2的復(fù)瑞利序列,輸入loo模型信道參數(shù)mp,并將復(fù)高斯序列矩陣
s4.4:輸入小尺度衰落分量的相關(guān)矩陣
s4.5:根據(jù)極化對(duì)信道序列功率的影響,輸入環(huán)境耦合度xpcenv,l、xpcenv,r和位于高速飛行器的極化天線極化鑒別度xpdant,r,利用下式調(diào)整大尺度衰落矩陣
其中
進(jìn)一步需要說(shuō)明的是,步驟s4.4中需要獲得小尺度分量的相關(guān)矩陣
其中,
其中,
步驟s5的具體實(shí)施如下:
聯(lián)合步驟s3的大尺度衰落分量和步驟s4的小尺度衰落分量得到等離子體鞘套下的極化mimo信道模型。
從圖5可以看出,臨近空間高速飛行器中繼衛(wèi)星雙極化mimo系統(tǒng)與siso系統(tǒng)的信道容量隨著信噪比的增加而增加,但是臨近空間高速飛行器中繼衛(wèi)星雙極化mimo系統(tǒng)的信道容量明顯比siso系統(tǒng)的高很多。例如,當(dāng)信噪比為20db時(shí),臨近空間高速飛行器中繼衛(wèi)星雙極化mimo系統(tǒng)的信道容量為5.708bps/hz,而臨近空間高速飛行器中繼衛(wèi)星siso系統(tǒng)的信道容量為2.517bps/hz。從圖6中可以看出,臨近空間高速飛行器中繼衛(wèi)星雙極化mimo系統(tǒng)與siso系統(tǒng)的誤碼率隨著信噪比的增加而減小,但是臨近空間高速飛行器中繼衛(wèi)星雙極化mimo系統(tǒng)的誤碼率明顯比siso系統(tǒng)的低。例如,當(dāng)信噪比為14db時(shí),臨近空間高速飛行器中繼衛(wèi)星雙極化mimo系統(tǒng)的誤碼率為0.0257,而臨近空間高速飛行器中繼衛(wèi)星siso系統(tǒng)的誤碼率為0.2319。因此,在臨近空間高速飛行器和中繼衛(wèi)星上采用雙極化mimo技術(shù)可以大大的增加信道容量和提高誤碼率,說(shuō)明了本發(fā)明的有效性。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。