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

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。

主权项

1.一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f_p、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f_p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：f_p+＝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：f_p，h₀，σ，计算信号通过电离层传播后的时延τ_c，其计算步骤如下：(1)利用修正过的电离层参数f_p，h₀，σ，结合输入载波频率参数f_c，计算出电磁信号在电离层的有效反射高度计算公式如下：$f_c=f_p{\left\{\right[1+{(D/2\bar{h})}^2]/[1+\exp ((h_0-\bar{h})/\sigma )\left]\right\}}^{1/2}---\left(2\right)$(2)根据上一步骤计算出的有效反射高度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τ_c，计算公式如下：$\bar{h}={\{{({\mathrm{c\tau }}_c/2)}^2-{(D/2)}^2\}}^{1/2}---\left(3\right)$2、随机性模型部分：ITS信道建模方法即建立信道的冲击响应函数，整个信道的冲击响应被定义为每条传播路径的冲击响应之和，式(4)是模型的数学表达式；$h(t,\tau )=\underset{n}{\Sigma }\sqrt{p_n\left(\tau \right)}{D}_n(t,\tau ){\psi }_n(t,\tau )---\left(4\right)$式(4)中的n表示不同的传输模式，每一种传输模式的脉冲响应函数由三部分组成：功率延时剖面的均方函数P_n(τ)，确定性相位函数D_n(τ)，随机调制函数ψ_n(τ)；其中，功率延时剖面函数表征信道的时延扩展；确定性相位函数表征信道的多普勒频移；随机调制函数则表征信道的多普勒扩展；那么信道的随机性部分的实现将分为以下三个步骤完成：(1)功率时延剖面的均方函数的实现功率延迟剖面即DPP决定了延迟功率分布的形状，由τ_c，σ_c，σ_τ和峰值功率A等四个参数确定；用P(τ)表示延时功率谱分布函数，宽带短波信道传输模型延时功率谱分布为Gamma分布，其数学形式如下：$p\left(\tau \right)=A\frac{{\alpha }^{\alpha +1}}{\mathrm{\Delta \Gamma }(\alpha +1)}{z}^{\alpha }{e}^{-\mathrm{\alpha z}}---\left(5\right)$$z=\frac{(\tau -{\tau }_c)}{\Delta }+1---\left(6\right)$其中Δ＝τ_c-τ_l，用来控制宽度，则z表示为：z＝(τ-τ_l)/(τ_c-τ_l)＞0                    (7)参数α和τ_l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)；lns_v＝α(lnz_L+1-z_L)＝α(lnz_U+1-z_U)          (8)z_L＝(τ_L-τ_l)/(τ_c-τ_l)＞0                  (9)z_U＝(τ_U-τ_l)/(τ_c-τ_l)＞0                     (10)首先lnz_L-z_L＝lnz_U-z_U(1-z_L)/(z_U-1)＝(τ_c-τ_L)/(τ_U-τ_c)＜1          (11)根据上式联合方程组用牛顿迭代法求出z_L，进而得到参数α和τ_l的具体值；α＝(lnz_L+1-z_L)^-1lnS_vS_v＝A_fl/Aτ_l＝τ_c-(τ_c-τ_L)/(1-z_L)＜τ_L那么在知道A、α、z的条件下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[f_s+m(τ-τ_c)]tm＝(f_s-f_sL)/(τ_c-τ_L)                          (12)根据欧拉公式有：D(t，τ)＝COS2π[f_s+m(τ-τ_c)]t+isin 2π[f_s+m(τ-τ_c)]t    (13)其中：m是多谱勒频移相对于延时τ的变化率；f_s是延时在τ＝τ_c时的多普勒频移值；f_sL为延时τ＝τ_L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，表示为：ψ_n＝x_n+iy_n(n＝0，1，2.....)                     (15)x_n和y_n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(ρ_n，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)：x_n＝ρ_n+(x_n-1-ρ_n)λ                             (16)y_n＝ρ′_n+(y_n-1-ρ′_n)λ                         (17)其中x₀＝(1-λ)ρ₀，y₀＝(1-λ)ρ′₀               (18)λ＝exp[-(Δt)σ_f]                               (19)多普勒扩展分为两种情况：Gaussian形和Lorentzian形；因此式(19)中的σ_f取不同的值：Gaussian       σ_f＝σ_D{2π/(-lnS_v)}^1/2Lorentizian    σ_f＝2πσ_D{S_v/(1-S_v)}^1/2σ_D为Doppler扩展的半功率带宽，S_v＝A_fl/A，A_fL为信号接收门限。