[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

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

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； h ( t , τ ) = Σ n p n ( τ ) D n ( t , τ ) ψ n ( 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： p ( τ ) = A α α + 1 ΔΓ ( α + 1 ) z α e - αz - - - ( 5 ) z = ( τ - τ c ) Δ + 1 - - - ( 6 ) 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)}1/2Lorentizian    σf＝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。