[发明专利]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

权利要求书

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)□Δt

h₀+＝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h；计算公式如下：

f_c＝f_p{[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τ_c，计算公式如下：

h＝{(cτ_c/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；

h(t,τ)=Σnpn(τ)Dn(t,τ)ψn(t,τ)---(4)]]>

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(τ)=Aαα+1ΔΓ(α+1)zαe-αz---(5)]]>

z=(τ-τc)Δ+1---(6)]]>

其中Δ＝τ_c-τ_l，用来控制宽度，则z可以表示为：

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)；

ln s_v＝α(ln z_L+l-z_L)＝α(ln z_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

ln z_L-z_L＝ln z_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可求出z_L，进而得到参数α和τ_l的具体值；

α＝(ln z_L+1-z_L)^-1 ln S_v

S_v＝A_fl/A

τ_l＝τ_c-(τ_c-τ_L)/(1-z_L)＜τ_L

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[f_s+m(τ-τ_c)]t

m＝(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+i sin 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，即可表示为：

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/(-ln S_v)}^1/2

Lorentizian    σ_f＝2πσ_D{S_v/(1-S_v)}^1/2

σ_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。