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[摘 要]移动卫星信道是综合了移动通信和无线通信的各方面特性而创建的。本文从移动卫星通信的概念入手，阐述了移动卫星通信的关键技术，即系统技术、卫星技术和终端技术等，接着介绍了移动卫星通信信道中主要信道概率模型、行波管非线性模型和UHF频段移动卫星通信信道建模。对宽带移动卫星通信信道的各方面进行了思考。
[关键词]宽带；移动卫星；通信信道
中图分类号：TN927.23 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）23-0382-01
卫星移动通信信道的传输特性的研究是通信系统的研究、开发等过程中最为重要的一个方面。为了向用户提供优质的、可靠的移动通信服务，必须要充分考虑通信信道的传播特性，进行合理的链路预算、选择有效的调制方式和信道编码方式。因为移动卫星信道本身具有无线通信信道所固有的复杂性，其次是多径衰落效应和阴影效应，所以应用中还需要一些功率放大器，对传输的信号进行放大和转发，提高通信的可靠性。
1 移动卫星通信概念
为转发无线电的信号从而实现在两个或者多个地球站间进行通信，需要利用人造地球卫星作为空间中继站，这种宇宙通信形式就叫做卫星通信。这种卫星移动通信系统不受地理条件的限制、不受距离的限制，能够传输很远的距离、覆盖较大的面积，且其自身具有宽通信频带、大传输容量的特征，适用于多种业务间的传输。它已经不仅仅是为固定通信终端服务了，还运用到车载、船载、个人移动通信终端等方面。目前移动卫星通信已经成为通信领域中发展最迅速的方式，也成为了现代通信系统中强有力的手段。
2 移动卫星通信的关键技术
2.1 系统技术
通信体制、系统的体系结构、移动载体的管理等都是系统技术的重要组成部分。对于通信体制的设计，需要考虑的是选用传统的TDMA方式和现常用的CDMA方式，综合两者的优缺点，也可以进行技术整合，即采用两者混合体制的方式，更好的发挥各自的长处。
对于体系结构的设计，需要考虑的问题是地球外传输数据在地面的实现以及管理的相关问题，还会涉及到满足用户对于系统所提出的需求问题。整体系统的设计，采用分布式的管理还是集中式的管理，是在确定了空间卫星问题之后需要考虑的。同时还需要根据用户的要求，考虑使用多少种终端类型，系统的模型是采用单模还是多模，以及卫星网络和地面网络的兼容性和成本问题。
对于移动载体的管理，移动载体的动态特性、终端设备的环境适应性都是考虑的重点。而且因为在长期的发展趋势中，波束宽度呈现出越来越窄的态势，导致移动载体的管理和设计也需要加强严格性和有效性。
2.2 卫星技术
卫星载荷技术与卫星与地面移动通信系统的融合设计，是移动通信卫星技术的关键。因为通信需要实现的需求是波束多点覆盖、用户间的多网通信，所以需要设备可以展开天线，进行星上处理和交换以及处理星间链路等。
全透明转发、全处理和透明处理转发的模式是星上处理和交换技术的组成元素。全透明转发技术的风险较小，适应性也很强，但通信服务的实时性较差。而全处理则一般是通过数字方式实现，达到强抗干扰性、良好的服务实施性等优点。但实际运用中，全处理技术的适应性较弱，极易受到空间辐射的影响。结合二者的优缺点，开发了透明处理转发技术，是目前较为常用的一种卫星技术。
微波和激光两种方式是星间链路的实现方式。微波通信技术容易受到频带宽度、功耗、体积等方面的限制，不能够无限制的提高传输速率和容量。而激光通信在传输数据的实现方面的优势很明显，但實施这种通信的技术难度较大。
2.3 终端技术
移动卫星通信终端设备的小型化是通信技术发展的必然趋势。而且终端的运用正向多媒体、宽带化、嵌入式的方向发展。目前，VSAT系统因为其可靠性高、灵活性强等优势得到了广泛运用，它的功能实现主要是因为采用了极小口径的卫星终端站。使用VSAT系统，数据终端可以直接与计算机联网，从而实现图像的传输、数据的传输和文件交换等。正在研发的新技术还涉及到天线、射频模块小型化等技术的创新。
3 移动卫星通信信道
由于卫星和通信终端之间的相对运动，通信信道为时变信道。本文主要通过模型的建立对移动卫星通信信道的传播过程进行理解，简化分析过程，明确物理意义，实现简单仿真。
3.1 主要信道概率模型
主要采用的概率分布模型有：Rcian分布函数，Rayleigh分布函数和Lognormal分布函数。
3.1.1 Rcian分布
服从Rcian分布的主要是因为建筑物、树木以及其他反射物造成的反射波形成的多径信号分量以及直射波信号分量所合成的接受信号包络。概率函数为：
其中：r是接收信号的包络；z是直射波信号的幅度；σ2是平均多径功率；I是第一类零阶修正贝塞尔函数。
接受信号包络r的n阶原点矩是：
其中：k=是Rician因子；Γ（）是Gamma函数；F（）是合流超几何函数。Rce因子K为LOS功率和平均多径功率的比值，K值越大，多径功率相对于LOS功率较低。
3.1.2 Rayleigh分布
Rayleigh分布是Rcian分布的特殊情况，即当没有直射分量时，接受信号全部是多径信号。
3.1.3 Lognormal分布
直射分量的信号强度服从Lognormal分布时，说明卫星和地面站之间的直射信号全部被树木、电线杆等障碍物吸收或者屏蔽。概率密度函数为：
其中，μ和d0分别是lnZ的均值和方差。
3.1.4仿真实现
实现对实际卫星信道的仿真，需要在建模过程中，采用服从不同概率分布的各种分量组合。实现移动卫星通信信道建模的基础便是对色高斯过程的仿真实现。色高斯过程通常可以实现常用概率密度函数，比如说直射分量服从对数正态分布的移动卫星通信信道是由三个色高斯随机过程实现的。
利用低通滤波器对白高斯噪声进行滤波和以莱斯正弦和为基础用有限个正弦函数加权和来实现高斯过程。
3.2UHF频段移动卫星通信信道建模
Cloo模型、Corazza模型、Lutz模型，是常用的信道传播特性的概率分布模型。这几种模型都是对L波段的卫星移动通信信道的特性建模的，主要是根据信号在传播路径上受到的遮蔽情况为基础的。Cloo模型的假设是接收到的信号是由受到阴影作用的直射信号分量和不受阴影作用的纯多径信号分量组成。
3.3行波管非线性模型
当行波管TWT工作在饱和点附近时，将会有幅值转换和幅值-相位转换效应。在卫星通信的仿真中，常用的TWT非线性模型是Saleh提出的二参数模型（如图1）：
图1 非线性的正交模型
4 结语
本文对移动卫星通信进行了详细的介绍，对通信信道的建模也进行了一定的仿真实现探究。未来，随着卫星通信技术的快速发展、业务领域的不断拓展和对其需求的不断增长，移动卫星通信技术将会在各个领域得到更为广泛的应用。
参考文献
[1]吕芝辉.宽带卫星通信数字信道化技术研究[J].网络安全技术与应用，2013，（7）：82-83.
[2]党军宏，林敏，周坡等.一种基于频域滤波的宽带星载数字信道化器[J].宇航学报，2014，35（1）：91-97.
[3]刘鑫，马正新，石荣等.基于TDMA卫星通信的上下行带宽分配策略分析[J].移动通信，2011，（14）：38-42.
[关键词]宽带；移动卫星；通信信道
中图分类号：TN927.23 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）23-0382-01
卫星移动通信信道的传输特性的研究是通信系统的研究、开发等过程中最为重要的一个方面。为了向用户提供优质的、可靠的移动通信服务，必须要充分考虑通信信道的传播特性，进行合理的链路预算、选择有效的调制方式和信道编码方式。因为移动卫星信道本身具有无线通信信道所固有的复杂性，其次是多径衰落效应和阴影效应，所以应用中还需要一些功率放大器，对传输的信号进行放大和转发，提高通信的可靠性。
1 移动卫星通信概念
为转发无线电的信号从而实现在两个或者多个地球站间进行通信，需要利用人造地球卫星作为空间中继站，这种宇宙通信形式就叫做卫星通信。这种卫星移动通信系统不受地理条件的限制、不受距离的限制，能够传输很远的距离、覆盖较大的面积，且其自身具有宽通信频带、大传输容量的特征，适用于多种业务间的传输。它已经不仅仅是为固定通信终端服务了，还运用到车载、船载、个人移动通信终端等方面。目前移动卫星通信已经成为通信领域中发展最迅速的方式，也成为了现代通信系统中强有力的手段。
2 移动卫星通信的关键技术
2.1 系统技术
通信体制、系统的体系结构、移动载体的管理等都是系统技术的重要组成部分。对于通信体制的设计，需要考虑的是选用传统的TDMA方式和现常用的CDMA方式，综合两者的优缺点，也可以进行技术整合，即采用两者混合体制的方式，更好的发挥各自的长处。
对于体系结构的设计，需要考虑的问题是地球外传输数据在地面的实现以及管理的相关问题，还会涉及到满足用户对于系统所提出的需求问题。整体系统的设计，采用分布式的管理还是集中式的管理，是在确定了空间卫星问题之后需要考虑的。同时还需要根据用户的要求，考虑使用多少种终端类型，系统的模型是采用单模还是多模，以及卫星网络和地面网络的兼容性和成本问题。
对于移动载体的管理，移动载体的动态特性、终端设备的环境适应性都是考虑的重点。而且因为在长期的发展趋势中，波束宽度呈现出越来越窄的态势，导致移动载体的管理和设计也需要加强严格性和有效性。
2.2 卫星技术
卫星载荷技术与卫星与地面移动通信系统的融合设计，是移动通信卫星技术的关键。因为通信需要实现的需求是波束多点覆盖、用户间的多网通信，所以需要设备可以展开天线，进行星上处理和交换以及处理星间链路等。
全透明转发、全处理和透明处理转发的模式是星上处理和交换技术的组成元素。全透明转发技术的风险较小，适应性也很强，但通信服务的实时性较差。而全处理则一般是通过数字方式实现，达到强抗干扰性、良好的服务实施性等优点。但实际运用中，全处理技术的适应性较弱，极易受到空间辐射的影响。结合二者的优缺点，开发了透明处理转发技术，是目前较为常用的一种卫星技术。
微波和激光两种方式是星间链路的实现方式。微波通信技术容易受到频带宽度、功耗、体积等方面的限制，不能够无限制的提高传输速率和容量。而激光通信在传输数据的实现方面的优势很明显，但實施这种通信的技术难度较大。
2.3 终端技术
移动卫星通信终端设备的小型化是通信技术发展的必然趋势。而且终端的运用正向多媒体、宽带化、嵌入式的方向发展。目前，VSAT系统因为其可靠性高、灵活性强等优势得到了广泛运用，它的功能实现主要是因为采用了极小口径的卫星终端站。使用VSAT系统，数据终端可以直接与计算机联网，从而实现图像的传输、数据的传输和文件交换等。正在研发的新技术还涉及到天线、射频模块小型化等技术的创新。
3 移动卫星通信信道
由于卫星和通信终端之间的相对运动，通信信道为时变信道。本文主要通过模型的建立对移动卫星通信信道的传播过程进行理解，简化分析过程，明确物理意义，实现简单仿真。
3.1 主要信道概率模型
主要采用的概率分布模型有：Rcian分布函数，Rayleigh分布函数和Lognormal分布函数。
3.1.1 Rcian分布
服从Rcian分布的主要是因为建筑物、树木以及其他反射物造成的反射波形成的多径信号分量以及直射波信号分量所合成的接受信号包络。概率函数为：
其中：r是接收信号的包络；z是直射波信号的幅度；σ2是平均多径功率；I是第一类零阶修正贝塞尔函数。
接受信号包络r的n阶原点矩是：
其中：k=是Rician因子；Γ（）是Gamma函数；F（）是合流超几何函数。Rce因子K为LOS功率和平均多径功率的比值，K值越大，多径功率相对于LOS功率较低。
3.1.2 Rayleigh分布
Rayleigh分布是Rcian分布的特殊情况，即当没有直射分量时，接受信号全部是多径信号。
3.1.3 Lognormal分布
直射分量的信号强度服从Lognormal分布时，说明卫星和地面站之间的直射信号全部被树木、电线杆等障碍物吸收或者屏蔽。概率密度函数为：
其中，μ和d0分别是lnZ的均值和方差。
3.1.4仿真实现
实现对实际卫星信道的仿真，需要在建模过程中，采用服从不同概率分布的各种分量组合。实现移动卫星通信信道建模的基础便是对色高斯过程的仿真实现。色高斯过程通常可以实现常用概率密度函数，比如说直射分量服从对数正态分布的移动卫星通信信道是由三个色高斯随机过程实现的。
利用低通滤波器对白高斯噪声进行滤波和以莱斯正弦和为基础用有限个正弦函数加权和来实现高斯过程。
3.2UHF频段移动卫星通信信道建模
Cloo模型、Corazza模型、Lutz模型，是常用的信道传播特性的概率分布模型。这几种模型都是对L波段的卫星移动通信信道的特性建模的，主要是根据信号在传播路径上受到的遮蔽情况为基础的。Cloo模型的假设是接收到的信号是由受到阴影作用的直射信号分量和不受阴影作用的纯多径信号分量组成。
3.3行波管非线性模型
当行波管TWT工作在饱和点附近时，将会有幅值转换和幅值-相位转换效应。在卫星通信的仿真中，常用的TWT非线性模型是Saleh提出的二参数模型（如图1）：
图1 非线性的正交模型
4 结语
本文对移动卫星通信进行了详细的介绍，对通信信道的建模也进行了一定的仿真实现探究。未来，随着卫星通信技术的快速发展、业务领域的不断拓展和对其需求的不断增长，移动卫星通信技术将会在各个领域得到更为广泛的应用。
参考文献
[1]吕芝辉.宽带卫星通信数字信道化技术研究[J].网络安全技术与应用，2013，（7）：82-83.
[2]党军宏，林敏，周坡等.一种基于频域滤波的宽带星载数字信道化器[J].宇航学报，2014，35（1）：91-97.
[3]刘鑫，马正新，石荣等.基于TDMA卫星通信的上下行带宽分配策略分析[J].移动通信，2011，（14）：38-42.