1、何遵文，杜川，张焱，等.多场景卫星通信信道动态建模与仿真实现J.电波科学学报，2023，38（1）：87-95.DOI:10.12265/j.cjors.2022064HE Z W,DU C,ZHANG Y,et al.Dynamic modeling and simulation of multi-scenario satellite communication channelsJ.Chinese journal of radio science，2023，38（1）：87-95.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2022064多场景卫星通信信道动态建模与仿
2、真实现何遵文杜川张焱*顾霖昊张万成（北京理工大学信息与电子学院,北京 100081）摘要 面向智慧海洋、智慧农业等垂直行业场景的广覆盖无线接入需求，低轨卫星通信因其可靠的连接性、更宽广的覆盖能力以及超大带宽连接的巨大潜力而成为了下一代移动通信技术的重要组成部分.目前，针对低轨卫星通信的系统性信道建模流程与仿真方法仍相对匮乏，对于低轨卫星信道的高动态特性仍缺乏有效的建模方法，且大多模型仅能支持单场景通信环境.基于此，本文提出了一种模块化、高动态的多场景卫星通信信道建模机制，并据此设计实现了一套动态卫星信道建模仿真系统.该系统实现了流程化的建模思路，并引入了基于卫星信道高动态特性的动态参数更新方法
3、.所设计的卫星通信信道建模与仿真机制能够生成卫星通信的信道大、小尺度参数与信道冲激响应，且对不同场景具有较好的适用性.关键词卫星通信；信道建模；信道仿真；动态参数更新；多场景；下一代移动通信中图分类号TN927.21文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0087-09DOI 10.12265/j.cjors.2022064Dynamic modeling and simulation of multi-scenario satellitecommunication channelsHE ZunwenDU ChuanZHANG Yan*GU LinhaoZHANG Wanche
4、ng（School of Information and Electronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China）AbstractIn the face of wireless access needs with wide coverage under vertical industries like intelligent oceanand intelligent agriculture,low earth orbit(LEO)satellite communication has become an essentia
5、l part of the next-generation mobile communication technology due to its reliable connectivity,wider coverage capability and greatpotential for wide band connection.There is still a lack of systematic channel modeling procedures and simulationmethods for LEO mobile communications and the modeling of
6、 the highly dynamic characteristics of LEO satellitechannels,also,only single scenario is considered in most up to date models.Based on this,it proposes a modular andhighly dynamic satellite communication channel modeling mechanism with versatile scenarios in this paper,andaccordingly designs and de
7、velops a dynamic satellite channel simulation system.The idea of process-oriented isrealized in the proposed simulation system,also the dynamic update methods for wireless channel parameters in view ofthe dynamic feature of satellite channel is introduced.The channel model designed in this paper can
8、 obtain channelparameters and the channel impulse response of LEO satellite communication channel by means of simulation,and italso has good compatibility for different scenarios.Keywords satellite communication；channel modeling；channel simulation；dynamic update for parameters；multi-scenarios；next-g
9、eneration mobile communication technology 引言低轨卫星通信可覆盖全球，即使偏远地区仍可保持连接，且具有超宽带连接的巨大潜力，在面向油井平台、船舶、农业等应用领域场景具有显著覆盖优势1，因此在具有较宽频率窗口的较高频段下使用 收稿日期：2022-05-16资助项目：国家重点研发计划(2020YFB1804901)；国家自然科学基金(62271051)通信作者：张焱 E-mail: 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 卫星作为
10、通信网络传输节点已经成为了下一代移动通信系统解决方案的重要组成部分2-3，以期实现智慧海洋、智慧农业等垂直行业场景的广覆盖无线接入.为卫星通信信道建立模型以真实有效地描述信道的特征，可以为后续研究提供理论依据且为未来网络部署提供基础前提4.根据描述信道带宽的不同，卫星通信信道模型可分为窄带模型与宽带模型.经典的窄带信道模型包括单状态的 Loo5、Corraza6等，多状态的 Lutz7等.文献 8 将上述窄带信道模型扩展至了更高的Ka 波段.文献 9 在传统窄带信道模型的基础上将较高频段与因高速移动引起的多普勒频移考虑在内，使其适应不同轨道下通信参数仿真.然而，窄带信道模型无法精确描述宽带信道
11、的宽带特性，因此越来越多的信道模型使用抽头时延线(tapped delay line,TDL)模型来刻画宽带卫星信道.TDL 模型考虑信道的频率选择性，在建模时需要区分径/簇，每个抽头代表一条径，它的模型复杂度低、实现简单，在链路级和系统级仿真中得到了广泛应用10.文献 11 提出了一个多径传播环境下均匀间隔时延的 TDL 模型，并通过实测数据得到各抽头增益.文献 12 提出了一个基于 TDL 的宽带卫星通信信道模型仿真平台，实现了视距(line-of-sight,LoS)径与非视距(non-line-of-sight,NLoS)径不同参数仿真.文献 13 使用基于几何的信道模型描述星地信道，
12、证明了该模型可以描述星地信道的非平稳的信道特征，但是其复杂的模型需要较大规模的参数计算.低轨卫星与地面站相对运动速度可达 7 km/s13，因此运行在高频段的低轨卫星通信系统需要考虑因高速相对运动而引入的信道时变特性14.文献 15考虑到卫星运动对信道产生的影响，将时间维度引入信道状态转移矩阵，为信道状态引入时间相关性，但是该窄带模型只利用统计数据建模，不能结合卫星轨迹与运动数据建模，也不能根据可见性数据进行动态参数更新.虽然现有模型能够描述星地链路的大、小尺度特征以及宽带特性，但是仍然缺乏描述因卫星高速运动而产生信道参数变化的信道模型，也缺少实现通信参数动态更新的方法流程与仿真实践.此外，上
13、述模型与仿真平台大多只关注特定通信场景，不具有在多场景下描述信道特征的泛化能力，也不能在高效准确的卫星工具软件基础上通过可见性分析与通信参数动态更新来描述卫星信道的高动态特性.现有的相关论文以模型构建为主，尚未形成基于模型的、具有动态更新功能的卫星信道仿真完整流程.本文提出一套兼容不同通信仰角下的城郊、乡村等多个通信场景的信道模型，并设计了一套模块化、高动态的多场景低轨卫星通信信道建模机制和完整的信道仿真流程.卫星的高速运动使信道环境产生快速变化，本文所提模型通过耦合动态卫星轨迹与运动数据，赋予了信道模型参数动态更新的能力.基于该模型，开发了一套动态卫星信道建模仿真系统，该仿真系统能够实现信道
14、大、小尺度参数及信道冲激响应(channel impulse response,CIR)的生成，且通过与卫星工具软件的联合仿真实现结合卫星运动的信道参数动态更新.1 模块化高动态卫星通信信道建模本文提出的模块化卫星通信信道模型主要由初始设置模块、卫星通信环境建模模块、信道模型参数生成模块以及时间动态更新模块四个模块构成.该信道模型使用这四个模块作为核心，形成的信道建模流程示意图如图 1 所示.卫星通信环境建模通信环境建模实时动态模拟星历数据位置数据运动数据可见性分析相对速度分析相对运动分析时间动态更新信道模型参数生成大尺度参数生成自由空间路径损耗分子吸收损耗降雨衰落损耗多径效应多普勒效应随机相
15、位高斯白噪声脉冲噪声相位噪声小尺度参数生成噪声处理生成 CIR更新可见不可见是否可见？初始设置场景设置环境设置通信设置图 1 模块化、高动态卫星通信信道建模流程图Fig.1 Flowchart of modular and highly dynamic satellite channel modeling 88电波科学学报第 38 卷接下来分小节详细地介绍图 1 中各个模块的定义、实现方式与基本功能.1.1 初始设置模块初始设置模块负责配置信道模型的全部输入设置，其中需要配置的参数包括场景设置、环境设置和通信设置三类，全部参数如表 1 所示.表 1 模块化、高动态卫星通信信道建模流程初始设置列
16、表Tab.1 Setup of the modular and highly dynamic satellitecommunication channel modeling输入设置变量名称变量符号单位场景设置通信场景S-环境设置半长轴Mkm偏心率e-轨道平面倾角inc()近地点幅角Perigee()升交点赤经RAAN()平近点角Anomaly()地面站经度Longitude()地面站纬度Latitude()通信设置通信频率fGHz是否降雨PRAIN-降雨率Rmm/h注入高斯白噪声NAWGN-注入突发脉冲噪声Nimpulse-注入相位噪声Nphase-偏移载波频率FphaseHz相位噪声功率PphasedB/Hz S场景设置配置了当前的通信场景，即乡村或城市等.在不同场景 下，信道的小尺度参数(如多径等)会呈现出不同的分布规律，并因此生成不同的CIR.环境设置配置了卫星的运行轨迹与地面站的位置.通信设置主要包括噪声效应设置和天气状态设置等，配置了影响信道大、小尺度的参数与 CIR 的各个参数.1.2 卫星通信环境建模模块卫星通信环境建模模块主要使用初始设置中的环境设置参数建模卫星的运动，