专利名称：一种基于修正电离层信道模型进行信道对等性研究的方法
技术领域：
本发明涉及一种基于修正电离层信道模型进行信道对等性研究的方法，属于信息 技术领域。
背景技术：
2. 1信道对等性的概念虽然，人们对信道的研究已经经历了近半个世纪，但是对本发明提出的信道对等 性的研究却很少涉及过。电离层的对等性是指，处于异地的通信双方在同一时间进行互发互收的短波通信 时，双方接收到的信息在理论上应该是一样的，那么我们便称双方信号所经过的电离层信 道是对等的。从上述概念可知，如果双方通信能够绝对的同时进行，那么双方信号所通过的电 离层信道肯定是实时的对等。这个结论通过互易性原理很容易理解，而且几乎是勿需论证 的。但是，在实际的工程中，很难做到同时进行的互发互收，即使可以达到一定的精度，那也 必须付出相当的财力代价。因此，本发明所讨论的信道对等性是指通信双方在一定的时间 间隔内(比如一分钟)轮换收发，他们所接收到的信息是否对等；为了使双方获得一样的 信息，时间间隔应限定在怎样的范围内。这是本发明的研究方法所围绕的的核心问题。2. 2信道对等性研究涉及的技术研究信道对等性必须首先建立适合目前短波通信要求的信道模型。建立信道模型 的技术已经发展了几十年，然而，既适合窄带又适合宽带通信的信道模型非常少。其中，由 美国电信科学协会(ITS)提出的宽带模型即ITS模型，是美国海军研究实验室(NRL)和ITS 经过长期的研究和电离层平静期的信道实测而得出的抽象数学模型。它从功率延迟分布、 多普勒频移和多普勒扩展三个主要的方面完成了对信道的统计性建模，而且从实测来看， 这个模型很好的体现了信道的本来特征，跟其他模型相比更加准确。因此，ITS模型是自前 发展最为完善，最权威的宽带信道模型。但是，直接依照ITS模型建立的计算机仿真模型还不能完全适用于信道对等性的 研究要求。其存在的问题如下1. ITS模型仿真具有多径传输结构的信道时，需要输入大量的参数。其中，每条反 射路径的输入参数需求如下D:发射机和接收机之间的大圆距离fp :电离层反射层的穿透频率& 电离层反射层最大电子密度处的高度o 电离层反射层的半厚度fc 发射系统的中心频率A 接收信号的功率峰值o T 时延扩展
o。部分时延扩展(峰值处的时延与最小时延的差)oD:接收信号在延时t =、时多普勒扩展的0.5倍。fs X = T c 处对应得 Doppler 频移fsL X = T L 处对应的 Doppler 频移可见如果要仿真的信道存在N条多径，那么使用ITS模型仿真时至少需要输入 11 XN个参数(还有一些计算需要设置的参数没有包括在内)。虽然，时延扩展、多普勒扩展及电离层参数(fp、h0, o )都可以由实测获得或者由 实践总结的经验获得。但是，在研究问题的过程中，不能每做一次仿真即进行一次实测，这 样不仅不符合实际情况，而且也会失去仿真计算的意义。2.在ITS模型中，多径延迟(、=o T-oc)是由输入参数间接得到。它在信道 计算过程中是一个常量而不是变量，与电离层信道的变化无关。因此，多径延迟无法体现信 道的时变性。综上所述，为了使信道仿真模型能够适用于本发明中的课题研究，还需要针对上 述两大问题在ITS模型的基础上进行改进。
发明内容
1、目的本发明的目的是提供一种基于修正电离层信道模型进行信道对等性研究 的方法，该方法克服了现有技术的不足，它首次提出了对随机时变电离层信道的对等性的 研究，并基于信道模型，通过仿真计算预测电离层信道的对等性。当电磁信号通过电离层传播时，信号中会带有电离层的自然信息，这种随机的、来 自自然随机源的参数在接收信号中以电磁特征参数的形式呈现。当电离层信道具有对等性 时，互相通信的双方即可获取对等且随机的电磁参数。这些具有随机性和对等性的参数在 秘密通信领域可以发挥巨大的作用。一旦成功获取，将成为该领域的重大进步。2、技术方案为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下本发明一种基于修正电离层信道模型进行信道对等性研究的方法，该方法具体的 步骤如下步骤一建立国际参考电离层模型，即建立“IRI 2007”模型；国际参考电离层模型是公开的模型，其实现的源码也是开放的，故其实现过程在 此处略去。我们在仿真分析的过程中，只需要输入通信双方的经纬度和通信时间，即可通过 IRI2007获得反射路径上电离层的临界频率fp、电子浓度最大处的高度％以及反射层的半 厚度o。步骤二 结合实测数据，建立电离层参数的修正模块；使电离层参数具有时变性。根据多年的电离层探测发现，不同周年的相同月份具有相似的电离层变化规律。 因此，我们在修正模块引入了电离层参数的修正因子，该因子是反射层(reflectjayer)、 月份(M)、时刻⑴和时间⑴的函数。也就是说，不同的反射层的临界频率&和电子浓度 最大处的高度h在不同的月份和时刻将随时间变化。参数修正部分的详细流程结构见图 2。根据反射层不同，在程序中调用不同的修正模块，在模块中再根据月份(M)和时刻(T)调用对应的修正因子，其公式表示如下fp+ = change_f (M, T) □ A th0+ = change_h(M, T) □ At(1)o=o步骤三建立ITS信道模型；结合电离层参数和设定的信号特征参数，仿真计算出 具有多径结构的电离层信道的冲击响应函数。由图1可知，ITS模型分为两部分确定性模型部分和随机性模型部分。1、确定性模型部分利用步骤二修正过的电离层参数fp，h0, o，计算信号通过电离层传播后的时延 \，其计算步骤如下(1)利用修正过的电离层参数fytv o，结合输入载波频率参数f。，计算出电磁信 号在电离层的有效反射高度L计算公式如下fc = fp{[l+ (D/2h)2] /[1+exp ((h0-h)/o)]}1/2(2)(2)根据上一步骤计算出的有效反射高度S，结合收发两地的球面距离D及光速c 计算电磁信号经过电离层反射到达接收端的时延t。，计算原理公式如下h= {(c tc/2)2-(D/2)2}1/2(3)2、随机性模型部分ITS信道建模方法即建立信道的冲击响应函数，整个信道的冲击响应被定义为每 条传播路径的冲击响应之和，式(4)是模型的数学表达式。Kt, = Z yfpJ^Dn 0，^n (广，r)(4)
n式(4)中的n表示不同的传输模式。模型的整体结构见图3，单传输模式的结构见 图4。由图4可见，每一种传输模式的脉冲响应函数由三部分组成功率延时剖面的均 方函数Pn( T )，确定性相位函数0 ( X )，随机调制函数T )。其中，功率延时剖面函数表 征信道的时延扩展；确定性相位函数表征信道的多普勒频移；随机调制函数则表征信道的 多普勒扩展。那么信道的随机性部分的实现将分为以下三个步骤完成(1)功率时延剖面的均方函数的实现功率延迟剖面(DPP)决定了延迟功率分布的形状，由t。，o。，o T和峰值功率A等 四个参数确定。(见图5)用P(t)表示延时功率谱分布函数，宽带短波信道传输模型延时功率谱分布为 Gamma分布，其数学形式如下
a+1p(r) = A—-(5)
AT(a+l)z =+ l(6)
A其中A = t。-Ti，用来控制宽度，则z可以表示为z = ( t - t / ( t c- t > 0(7) 参数a和h控制分布的宽度和对称性，它们取决于延时扩展和门限电平，为了得到它们的具体值，使两个参数满足式(8)。lnsv = a (lnzL+l_zL) = a (lnZu+l-Zu)zL = ( t l- t / ( t c- t >0zv= ( T T / ( T c- T > 0首先lnzL-zL = lnzfzu
o
8 9 1 /^、 /^、 /^、
(11)(1-zl) / (zu-1) = ( t c- t l) / ( t u- t c) <1根据上式联合方程组用牛顿迭代法可求出^，进而得到参数a和t工的具体值c
那么在知道A、a、z的条件下可以求出延时功率谱分布函数。 (2)确定性相位函数的实现
确定性相位函数(DPF)用来表征多谱勒频率移动的大小，用函数D(t， 确定性相位函数(DPF)用来表征多谱勒频率移动的大小，用函数D(t，X )表示，其 定义如下D(t, X ) = exp2 n [fs+m( x - x c)]tm= (fs-fsL)/(xc-xL)(12)根据欧拉公式有 其中m是多谱勒频移相对于延时T的变化率。；仁是延时在T =、时的多普 勒频移值；fA为延时T = h时的多普勒频移值。(3)随机调制函数的实现为了模拟信道冲激响应的衰落，随机调制函数V (t，x)由大量的随机复时间序 列构成。在每一个延迟t上，构建两个独立的白高斯随机序列分别表示复时间序列的实部 和虚部。因此每一个复时间序列的幅度服从Rayleigh分布。为了限制随机序列的功率谱 宽度以达到仿真需要的Doppler扩展谱，滤波器的宽度为Doppler扩展宽度。随机调制函 数的实现过程如图6所示。在实现过程中，采用离散的函数形式将随机调制函数表示为V(n，x)D￥ (n, x ) = x(n, x )+iy (n, x )(14)对于每个固定的延迟T，即可表示为￥n = xn+iyn (n = 0,1,2.....)(15)xn和yn为独立的随机变量，分别由不同的随机序列构成，其产生过程如下(P n， P ‘ 分别为两种不同的随机数发生器产生独立零均值的高斯随机序列)Xn = Pn+O^fPn)入(16) yn= pn+(yn_rpn) A(17)其中 多普勒扩展分为两种情况Gaussian形和Lorentzian形。因此式(19)中的of 取不同的值
Gaussiano f = o D{2 n / (-lnSv)}1/2Lorentizian a f = 2 n o D {Sv/(1-SV)}1/2o D为Doppler扩展的半功率带宽，Sv = Afl/A，AfL为信号接收门限。本发明依照上述三大步骤实施完成之后，即可对信道对等性作如下分析设定不 同的仿真条件，仿真计算信道冲击响应；通过多径之间的相对多径时延参数分析不同条件 下的信道的对等性。(不同的仿真条件包括电离层状态条件和不同的通信间隔条件。)3、优点及功效本发明一种基于修正电离层信道模型进行信道对等性研究的方 法，其优点如下(1)针对ITS模型的输入参数多的问题在研究方案中，我们在ITS模型的上层引入了电离层预报模型，而且选取了目前 国际上最权威的、最新的国际参考电离层2007版本(IRI 2007)。如图1，只需输入发射机和接收机的经纬度、日期和地方时(显然为已知条件)，则 可通过IRI2007获得电离层参数fp、h0, o，然后结合信号参数(结合实践经验给定)作为 ITS模型的输入，即可得到时变的电离层信道的冲击响应函数。同时，由于在很多研究中都已经验证了 IRI2007的有效性，它以一定的精度普适 于全球。因此综上所述，本研究方法的显著优点如下1)大大减少了模型的输入参数；2)降低了获取参数的难度；3)提高了仿真结果的准确性。(2)针对ITS模型中多径时延为常量的问题在研究方案的步骤二中，我们引入了电离层参数的修正模块。该模块，包含了各电 离层参数的修正因子，该因子是反射层(reflectjayer)、月份(month)、时刻(T)和时间 (t)的函数。也就是说，不同的反射层的临界频率&和电子浓度最大处的高度&在不同的 月份和时刻将随时间变化。(图2给出了参数修正部分的详细流程结构。)显然，引入电离层参数的修正模块后，电离层参数在每一个时间点都会发生变化， 相应的根据电离层参数计算得出的多径时延、也将是时间的函数。因此，本方案的第二 类优点为1)在信道计算过程中T。是随时间变化的变量；2)增强了信道的时变特性。(3)小结综合前面的两点，我们在ITS模型的基础上所实施的改进，不仅从仿真方面提供 了输入参数的方便性、降低了参数的误差，而且增加了信道模型的时变特性。从而，解决了 ITS模型不能适用于研究信道对等性的问题，为信道对等性的研究找到了解决方法。
(四).
图1本发明所述方法的整体结构流程示意2信道模型结构的局部详细流程示意图(参数修正部分)图3ITS信道模型的整体结构示意4信道单模式的传递函数的构成示意图
9
图5功率时延剖面示意6随机调制函数的实现流程示意7短通信间隔情况下电离层信道的冲击响应仿真示意8短通信间隔情况下电离层信道的冲击响应实测示意中的标号和符号说明如下图2 其中fptv o分别表示反射层的临界频率、电子浓度最大处的高度、反射层 的半厚度；Ref_layer表示反射层1为E层，2为F1层，3为F2层；t表示仿真时间点；t' 为设定的总时间；N表示否定；Y表示肯定；M代表月份，T代表当前的通信时刻。图5 :A表示在t = t。时的峰值功率；o。表示部分时延扩展；o T表示时延扩展； 、表示延时的最大值；h表示延时的最小值；其中T。_0。，= O T-Xc0图6:Pn，P ‘ 分别为两种不同的随机数发生器产生的独立、零均值的高斯随机 序列；xn和yn为p n，p ‘ n分别构成的独立的随机变量；V (t，x)表示随机调制函数。图7中的(a)，(b)，(c)，(d)，(e)，(f)6幅图分别代表仿真的第1、第2、第5、第10、 第20和第30周期时信道的冲击响应，各图之间的时间间隔分别为10ms，30ms, 50ms, 100ms, 100ms。纵轴代表相对幅度；横轴代表时延，单位为us。图8中的(a), (b)，(c), (d)，(e)5幅图分别代表第1、5、10、20、30周期时信道的
实测冲击响应，每一个冲击响应代表一条多径。从图中可以看到共有四条多径。注意实测 图是通过循环相关得到的，纵轴为相关幅度值，横坐标代表采样点数，表3中的相对时延数 据是经过换算得到的640采样点对应1ms。)
具体实施例方式本发明一种基于修正电离层信道模型进行信道对等性研究的方法，下面将结合附 图和实施例对本发明做进一步的详细说明其步骤如下参见图1所示，要研究电离层信道的对等性，首先要建立能够仿真电离层信道冲 击响应的信道仿真系统，整个系统包括三大部分用于预报电离层参数的国际参考电离层 模型、修正电离层参数的修正模块和ITS信道模型。步骤一建立国际参考电离层模型(IRI 2007)国际参考电离层模型是公开的模型，其实现的源码也是开放的，故其实现过程在 此处略去。我们在仿真分析的过程中，只需要输入通信双方的经纬度和通信时间，即可通过 IRI2007获得反射路径上电离层的临界频率fp、电子浓度最大处的高度％以及反射层的半 厚度o。步骤二 结合实测数据，建立电离层参数的修正模块；使电离层参数具有时变性。根据多年的电离层探测发现，不同周年的相同月份具有相似的电离层变化规律。 因此，我们在修正模块引入了电离层参数的修正因子，该因子是反射层(reflectjayer)、 月份(M)、时刻⑴和时间⑴的函数。也就是说，不同的反射层的临界频率&和电子浓度 最大处的高度h在不同的月份和时刻将随时间变化。参数修正部分的详细流程结构见图 2。根据反射层不同，在程序中调用不同的修正模块，在模块中再根据月份(M)和时刻(T)调用对应的修正因子，其原理如下fp+ = change_f(M, T) □ Ath0+ = change_h(M, T) □ At(1)o=o步骤三建立ITS信道模型；结合电离层参数和设定的信号特征参数，仿真计算出 具有多径结构的电离层信道的冲击响应函数。由图1可知，ITS模型分为两部分确定性模型部分和随机性模型部分。1、确定性模型部分利用步骤二修正过的电离层参数fp，h0, o，计算信号通过电离层传播后的时延 \，其计算步骤如下(1)利用修正过的电离层参数fp，h0, o，结合输入参数f。(表示载波频率)，计算 出电磁信号在电离层的有效反射高度S。计算原理公式如下fc = fp{[l+ (D/2h)2] /[1+exp ((h0-h)/o)]}1/2(2)(2)根据上一步骤计算出的有效反射高度S，结合收发两地的球面距离D及光速c 计算电磁信号经过电离层反射到达接收端的时延T。，计算原理公式如下h= {(c tc/2)2-(D/2)2}1/2(3)2、随机性模型部分ITS信道建模方法即建立信道的冲击响应函数，整个信道的冲击响应被定义为每 条传播路径的冲击响应之和，式(4)是模型的数学表达式。 式(4)中的n表示不同的传输模式。模型的整体结构见图3，单传输模式的结构见 图4。由图4可见，每一种传输模式的脉冲响应函数由三部分组成功率延时剖面的均 方函数Pn( T )，确定性相位函数0 ( X )，随机调制函数T )。其中，功率延时剖面函数表 征信道的时延扩展；确定性相位函数表征信道的多普勒频移；随机调制函数则表征信道的 多普勒扩展。那么信道的随机性部分的实现将分为以下三个步骤完成(1)功率时延剖面函数的实现功率延迟剖面(DPP)决定了延迟功率分布的形状，由t。，o。，o T和峰值功率A等 四个参数确定。(见图5)用P(t)表示延时功率谱分布函数，宽带短波信道传输模型延时功率谱分布为 Gamma分布，其数学形式如下 其中A =、-11，用来控制宽度，则2可以表示为Z = ( T - T / ( T c- T > o(7) 参数a和h控制分布的宽度和对称性，它们取决于延时扩展和门限电平，为了得到它们的具体值，使两个参数满足式(8)。
0154]lnsv = a (lnzL+l_zL) = a (lnZy+l-Zy)
0155]zL= ( t L- t / ( t c- t >0
0156]zv = ( t t / ( t c- t >0
0157]首先
0158]lnzL-zL = lnzfzu
o
8 9 1 /^、 /^、 /^、
(11)
0159](1-ZL)/(ZU-1) = (Tc-TL)/(Tu-Tc) <1
0160]根据上式联合方程组用牛顿迭代法可求出、，进而得到参数a和T工的具体值c
0161]a = (lnzL+l-zL) _1lnSv
Sv = Afl/ A
T 1 = T c" ( T c" T L)/(1-ZL) < T L
那么在知道A、a、z的条件下可以求出延时功率谱分布函数。 (2)确定性相位函数的实现
确定性相位函数(DPF)用来表征多谱勒频率移动的大小，用函数D(t，t)表示，其
0162]
0163]
0164]
0165]
0166] 定义如下
0167]D(t, X ) = exp2 n [fs+m( x - x c)]t
0168]m= (fs-fsL)/(xc-xL)(12)
0169]根据欧拉公式有
0170]D(t, x ) = C0S2 3i [fs+m( x - x c)]t+isin2 n [fs+m( x - x c)]t (13)
0171]其中m是多谱勒频移相对于延时T的变化率。fs是延时在T =、时的多普勒 频移值；fA为延时T = h时的多普勒频移值。
0172](3)随机调制函数的实现
0173]为了模拟信道冲激响应的衰落，随机调制函数V (t，x)由大量的随机复时间序 列构成。在每一个延迟T上，构建两个独立的白高斯随机序列分别表示复时间序列的实部 和虚部。因此每一个复时间序列的幅度服从Rayleigh分布。为了限制随机序列的功率谱 宽度以达到仿真需要的Doppler扩展谱，滤波器的宽度为Doppler扩展宽度。随机调制函 数的实现过程如图6所示。在实现过程中，采用离散的函数形式将随机调制函数表示为V (n，x)0￥ (n, x ) = x(n, x )+iy(n, x )(14)对于每个固定的延迟t，即可表示为￥n = xn+iyn (n = 0,1,2……)(15)为独立的随机变量，分别由不同的随机序列构成，其产生过程如下(Pn， P ‘ 分别为两种不同的随机数发生器产生独立零均值的高斯随机序列)Xn =。，“『「口汐入(16)yn = P ‘ n+(yn_rP ‘ J X(17)其中x0= (1-入)p0，y0= (1-入)p。(18)入=exp[_( A t) o f](19)多普勒扩展分为两种情况Gaussian形和Lorentzian形。因此式(19)中的of 取不同的值
Gaussiano f = o D {2 n / (_lnSv)}1/2Lorentizian a f = 2 n o D {Sv/(1-SV)}1/2o D为Doppler扩展的半功率带宽，Sv = Afl/A，AfL为信号接收门限。本发明依照上述三大步骤实施完成之后，即可对信道对等性作如下分析设定不同的仿真条件，仿真计算信道冲击响应；通过多径之间的相对多径时延参 数分析不同条件下的信道的对等性。实施例我们结合本发明介绍的方法，分析通信间隔为10ms时电离层信道的对等性情况。本发明一种基于修正电离层信道模型进行信道对等性研究的方法，具体实施步骤 如下步骤一如图1示在电离层预报模型IRI2007中输入通信双方的经纬度位置 (XI，Yl) (X2，Y2)、日期及通信的地方时间(2008年10月25日上午10点)，从而得到电离 层各反射层的参数临界频率fp，反射层高度h，反射层半厚度o，其具体数值如下F1 层多径 1 :fp 12. 02MHz ；h。190km ； o :20km ；F2 层多径 2 :fp 15. 55MHz ；h。308km ； o 148km ；多径3 :fp :15. 75MHz ;h。315km ; o 150km ；多径4 :fp :17. 25MHz ;h。338km ; o 150km ；步骤二修正参数如图1所示，由IRI 2007预测获得各反射层的电离层参数后，各参数将被输入到 图1中的参数修正部分。如图2所示，程序在参数修正部分，会根据反射层的不同选择不同 的修正模块，然后再根据通信的地方时间选择对应的修正因子，然后对fp和h进行实时的 修正，其数学原理如下fp+ = change_f(M, T) □ Ath0+ = change_h (M, T) □ A to=o上式中的M和T分别代表地方时间中的月份和时刻。在本例中，上午多径1的反射层为F1层，通信时间为10月份上午10点，程序调用 的修正因子为:change_f = 0. 000028MHz ；change_h = -0. 00294km ；多径 2 到多径 4 的反 射层均为F2层，且通信的地方时间为10月份上午10点，程序调用的修正因子为Change_ f = 0. 00044MHz ；change_h = -0. 0014km。图 2 中的 A t 取 10ms (即 0. 01s)。步骤三建立ITS信道模型，计算信道的冲击响应。图3为ITS信道模型的整体结构示意图，如图3所示，整个信道是由多条单径组成 的，因此在实现的过程中，需要先实现单模式然后再将各单模式的脉冲响应叠加形成整个 信道的脉冲响应函数。图4为信道单模式的传递函数的构成示意图，需要利用前两个步骤 获得的各多径参数，结合输入的各单径模式的信号参数，从而计算各单径模式的冲击响应。 各单径模式的输入参数设置以及通过计算得到的间接参数如表1所示表1参数设置及中间参数
13 注表1中的间接参数是根据输入参数在第一个时间点计算得出的数值。1.确定性模型部分在确定性模型部分，各径的电离层参数fp，h0和o结合表1中各单径的输入参数 f。带入下式中，计算出各单径的有效反射高度S。fc = fp{[l+ (D/2h)2] /[1+exp ((h0-h)/o)]}1/2根据上一步骤计算出的有效反射高度E，结合收发两地的球面距离D及光速c计算 各单径的电磁信号经过电离层反射到达接收端的时延T。，计算原理公式如下h= {(c tc/2)2-(D/2)2}1/2如表1所示，经过这一步骤，可得到各单径的时延、分别为2462. 7us, 3137. lus,2958. 05us 禾口 2936.2us。2.随机性模型部分(1)功率时延剖面函数的实现用P(t)表示延时功率谱分布函数，由、，oc, o T和峰值功率A等四个参数确 定。(见图5)其数学形式如下 Z = ( T - T / ( T c- T >0参数a和h控制分布的宽度和对称性，它们取决于延时扩展和门限电平，为了 得到它们的具体值，使两个参数满足下式。lnsv = a (lnzL+l_zL) = a (lnZu+l-Zu)zL = ( t L- t / ( t c- t >0zv = ( t t / ( t c- t >0根据上式联合方程组用牛顿迭代法可求出、，进而得到参数a和T工的具体值。
a = (lnzL+l-zL) _1lnSvSv = Afl/A= tc-(Tc-Tl)/(1-Zl) < xL本例根据表1中各单径的输入参数A，sv, oc, o T，以及计算得出的时延、可以 计算出各单径的a和^，各单径的数值列于表1中。那么在知道A、a , xx的条件下可以求出延时功率谱分布函数。(2)确定性相位函数的实现确定性相位函数(DPF)用来表征多谱勒频率移动的大小，用函数D(t，X )表示，其 定义如下D(t, X ) = exp2 n [fs+m( x - x c)]tm= (fs-fsL)/(xc-xL)根据欧拉公式有D(t, x ) = C0S2 [fs+m( t - t c)]t+isin2 [fs+m( t - t c)]t其中m是多谱勒频移相对于延时T的变化率。4是延时在T =、时的多普勒 频移值；fA为延时T = h时的多普勒频移值。经过计算，本例中各单径的fs，m，以及、的值列于表1中，据此则可以计算出每 个对应时刻的确定性相位函数。(3)随机调制函数的实现为了模拟信道冲激响应的衰落，随机调制函数V (t，x)由大量的随机复时间序 列构成。在每一个延迟T上，构建两个独立的白高斯随机序列分别表示复时间序列的实部 和虚部。因此每一个复时间序列的幅度服从Rayleigh分布。为了限制随机序列的功率谱 宽度以达到仿真需要的Doppler扩展谱，滤波器的宽度为Doppler扩展宽度。随机调制函 数的实现过程如图6所示。在实现过程中，采用离散的函数形式将随机调制函数表示为V(n，x)Dv (n, x ) = x(n, x )+iy (n, x )对于每个固定的延迟t，即可表示为￥n = xn+iyn (n = 0,1,2……)xn和yn为独立的随机变量，分别由不同的随机序列构成，其产生过程如下(P n， P ‘ 分别为两种不同的随机数发生器产生独立零均值的高斯随机序列)xn= pn+(xn_rpn) A
Yn = P ‘ n+(yn-l-P ' n)入 其中 X。= (1-入)P。，y。= (1-入)P ' o 入=exp[-( A t) o f]多普勒扩展取Gaussian形因此上式中的o f的取值为Gaussian o f = o D{2 n / (-lnSv)}1/2o D为Doppler扩展的半功率带宽，Sv = Afl/A，AfL为信号接收门限。本例计算得出的％和X的值列于表1。 按照上述步骤在每个时间点计算出各单径的冲击响应函数并叠加，即可得到各时
间点上整个信道的冲击响应。
图7为本例计算得到的信道冲击响应图，图中的每个脉冲代表一条多径；通过各 多径之间的相对时延(各径之间的时延差)可以分析各时刻之间信道的对等性。如图7所 示，从左至右将各多径之间的相对时延用Tl，T2和T3表示，计算得到的不同时间间隔的相 对时延列于表2。通过与表3中实测获得的数据比较，从数据各周期的变化来看该仿真结果 与实测结果一致。本例的信道对等性分析的结论为1.短通信间隔条件下(相邻10ms)相对时延几乎不随时间变化；2. 300ms以内，实测相对时延的变化小于2us，仿真得到的相对时延的变化小于 5us ；3.在此次短通信间隔信道对等性分析实验中可认为电离层平静状态下在300ms 以内信道具有对等性。表2短通信间隔情况的仿真数据结果 表3短通信间隔情况下的实测数据结果
权利要求
一种基于修正电离层信道模型进行信道对等性研究的方法，其特征在于该方法具体步骤如下步骤一建立国际参考电离层模型，即建立“IRI 2007”模型；国际参考电离层模型是公开的模型，其实现的源码也是开放的，我们在仿真分析的过程中，只需要输入通信双方的经纬度和通信时间，即通过IRI2007获得反射路径上电离层的临界频率fp、电子浓度最大处的高度h0以及反射层的半厚度σ；步骤二结合实测数据，建立电离层参数的修正模块，使电离层参数具有时变性；根据不同周年的相同月份具有相似的电离层变化规律；我们在修正模块引入了电离层参数的修正因子，该因子是反射层reflect_layer、月份M、时刻T和时间t的函数；也就是说，不同的反射层的临界频率fp和电子浓度最大处的高度h0在不同的月份和时刻将随时间变化；根据反射层不同，在程序中调用不同的修正模块，在模块中再根据月份M和时刻T调用对应的修正因子，其原理如下fp+＝change_f(M，T)□Δth0+＝change_h(M，T)□Δt(1)σ＝σ步骤三建立ITS信道模型；结合电离层参数和设定的信号特征参数，仿真计算出具有多径结构的电离层信道的冲击响应函数；ITS模型分为两部分，即确定性模型部分和随机性模型部分；1、确定性模型部分利用步骤二修正过的电离层参数fp，h0，σ，计算信号通过电离层传播后的时延τc，其计算步骤如下(1)利用修正过的电离层参数fp，h0，σ，结合输入载波频率参数fc，计算出电磁信号在电离层的有效反射高度h；计算公式如下fc＝fp{[1+(D/2h)2]/[1+exp((h0-h)/σ)]}1/2(2)(2)根据上一步骤计算出的有效反射高度h，结合收发两地的球面距离D及光速c计算电磁信号经过电离层反射到达接收端的时延τc，计算公式如下h＝{(cτc/2)2-(D/2)2}1/2(3)2、随机性模型部分ITS信道建模方法即建立信道的冲击响应函数，整个信道的冲击响应被定义为每条传播路径的冲击响应之和，式(4)是模型的数学表达式； <mrow><mi>h</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munder> <mi>Σ</mi> <mi>n</mi></munder><msqrt> <msub><mi>p</mi><mi>n</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo> </mrow></msqrt><msub> <mi>D</mi> <mi>n</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>ψ</mi> <mi>n</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式(4)中的n表示不同的传输模式，每一种传输模式的脉冲响应函数由三部分组成功率延时剖面的均方函数Pn(τ)，确定性相位函数Dn(τ)，随机调制函数ψn(τ)；其中，功率延时剖面函数表征信道的时延扩展；确定性相位函数表征信道的多普勒频移；随机调制函数则表征信道的多普勒扩展；那么信道的随机性部分的实现将分为以下三个步骤完成(1)功率时延剖面的均方函数的实现功率延迟剖面即DPP决定了延迟功率分布的形状，由τc，σc，στ和峰值功率A等四个参数确定；用P(τ)表示延时功率谱分布函数，宽带短波信道传输模型延时功率谱分布为Gamma分布，其数学形式如下 <mrow><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>A</mi><mfrac> <msup><mi>α</mi><mrow> <mi>α</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn></mrow> </msup> <mrow><mi>ΔΓ</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>α</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><msup> <mi>z</mi> <mi>α</mi></msup><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>-</mo><mi>αz</mi> </mrow></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>z</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>-</mo><msub> <mi>τ</mi> <mi>c</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mi>Δ</mi></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中Δ＝τc-τl，用来控制宽度，则z可以表示为z＝(τ-τl)/(τc-τl)＞0(7)参数α和τl控制分布的宽度和对称性，它们取决于延时扩展和门限电平，为了得到它们的具体值，使两个参数满足式(8)；ln sv＝α(ln zL+l-zL)＝α(ln zU+1-zU)(8)zL＝(τL-τl)/(τc-τl)＞0 (9)zU＝(τU-τl)/(τc-τl)＞0(10)首先ln zL-zL＝ln zU-zU(1-zL)/(zU-1)＝(τc-τL)/(τU-τc)＜1(11)根据上式联合方程组用牛顿迭代法可求出zL，进而得到参数α和τl的具体值；α＝(ln zL+1-zL)-1 ln SvSv＝Afl/Aτl＝τc-(τc-τL)/(1-zL)＜τL那么在知道A、α、z的条件下可以求出延时功率谱分布函数；(2)确定性相位函数的实现确定性相位函数即DPF用来表征多谱勒频率移动的大小，用函数D(t，τ)表示，其定义如下D(t，τ)＝exp 2π[fs+m(τ-τc)]tm＝(fs-fsL)/(τc-τL)(12)根据欧拉公式有D(t，τ)＝COS2π[fs+m(τ-τc)]t+i sin 2π[fs+m(τ-τc)]t(13)其中m是多谱勒频移相对于延时τ的变化率；fs是延时在τ＝τc时的多普勒频移值；fsL为延时τ＝τL时的多普勒频移值；(3)随机调制函数的实现为了模拟信道冲激响应的衰落，随机调制函数ψ(t，τ)由大量的随机复时间序列构成；在每一个延迟τ上，构建两个独立的白高斯随机序列分别表示复时间序列的实部和虚部；因此每一个复时间序列的幅度服从Rayleigh分布；为了限制随机序列的功率谱宽度以达到仿真需要的Doppler扩展谱，滤波器的宽度为Doppler扩展宽度；随机调制函数在实现过程中，采用离散的函数形式将随机调制函数表示为ψ(n，τ)；ψ(n，τ)＝x(n，τ)+iy(n，τ) (14)对于每个固定的延迟τ，即可表示为ψn＝xn+iyn(n＝0，1，2.....) (15)xn和yn为独立的随机变量，分别由不同的随机序列构成，其产生过程如下(ρn，ρ′n分别为两种不同的随机数发生器产生独立零均值的高斯随机序列)xn＝ρn+(xn-1-ρn)λ (16)yn＝ρ′n+(yn-1-ρ′n)λ (17)其中x0＝(1-λ)ρ0，y0＝(1-λ)ρ′0(18)λ＝exp[-(Δt)σf](19)多普勒扩展分为两种情况Gaussian形和Lorentzian形；因此式(19)中的σf取不同的值Gaussian σf＝σD{2π/(-ln Sv)}1/2Lorentizianσf＝2πσD{Sv/(1-Sv)}1/2σD为Doppler扩展的半功率带宽，Sv＝Afl/A，AfL为信号接收门限。
全文摘要
本发明一种基于修正电离层信道模型进行信道对等性研究的方法，该方法有三大步骤。步骤一建立国际参考电离层模型(IRI 2007)；步骤二结合实测数据，建立电离层参数的修正模块，使电离层参数具有时变性；步骤三建立ITS信道模型，结合电离层参数和设定的信号特征参数，仿真计算出具有多径结构的电离层信道的冲击响应函数。本发明不仅从仿真方面提供了输入参数的方便性、降低了参数的误差，而且增加了信道模型的时变特性。从而，解决了ITS模型不能适用于研究信道对等性的问题，为信道对等性的研究找到了解决方法。它在信息技术领域内有着广泛地实用价值和应用前景。
文档编号H04B17/00GK101854216SQ20091023697
公开日2010年10月6日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者于大鹏, 付路, 张兰兰, 田国亮, 谢树果, 阎照文 申请人:北京航空航天大学