DVB-SH系統中改進的兩狀態LMS信道模型

廖 希，王 楊，趙旦峰

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DVB-SH系統中改進的兩狀態LMS信道模型

廖 希，王 楊，趙旦峰

(哈爾濱工程大學信息與通信工程學院 哈爾濱 150001)

三狀態LMS信道能以3種可能的陰影狀態描述窄帶傳播信道，可作為DVB-SH物理層仿真的基礎，但因每一狀態的傳播參數固定不變和狀態類別的問題，影響DVB-SH標準物理層參數的選擇，因此提出改進的兩狀態LMS信道模型。該模型利用狀態序列生成器實現兩狀態之間的轉移，并結合傳播參數生成器獲得新狀態的傳播參數，從而使Loo生成器生成復時間序列。利用功率控制減少衰減、縮小信號的動態范圍。仿真結果表明，該模型能有效地代表陰影環境，且功率控制體制在一定的終端速度下可獲得最大的控制增益。

信道模型; DVB-SH; 陸地移動衛星; Markov鏈; 功率控制; semi-Markov鏈

一個能充分反映接收信號衰落統計特性的陸地移動衛星(LMS)信道模型是衛星通信和廣播系統設計的關鍵。近年來對LMS信道模型的研究主要集中在不同頻段、不同場景和不同仰角下統計特性及傳播參數的估計。文獻[1]給出了Loo、Corazza和Suzuki等統計模型，均假定在給定仰角和場景下時間序列服從唯一的分布。文獻[2]在Markov鏈的基礎上研究了能描述窄帶和寬帶信號動態行為的LMS信道統計模型，給定環境和仰角下信號變化的參數是固定的。文獻[3]針對多衛星LMS信道模型估計了傳播參數之間的相關性。文獻[4]研究了兩狀態窄帶LMS信道模型及雙衛星信道分集的四狀態模型，并基于抽頭延遲線概述了寬帶LMS信道模型。以上提出的信道模型能用于模擬真實的傳播環境，但信號變化的單一分布或固定不變的傳播參數在一定程度上影響了LMS系統參數的選擇。

本文提出改進的兩狀態LMS信道模型，適合DVB-SH[5-6]系統。該模型在三狀態LMS信道模型[7-10]的基礎上采用“好”、“壞”狀態代表陰影衰落，并由一階離散Markov鏈[10]或semi_Markov鏈[11-12]控制狀態之間的轉移，在新狀態到達時刻根據傳播參數之間的聯合分布獲取當前狀態的參數。同時，在能真實反映LMS信道傳播特性的前提下對接收信號進行功率控制(PC)[13]，對緩慢突發陰影迅速做出反應，縮小信道衰落因子的動態范圍，降低衛星發射功率、增加DVB-SH系統的多媒體業務的可靠性。該模型具有復雜度低、擬合性好及通用性等特點。

1 三狀態LMS信道模型

DVB-SH系統是一個衛星與陸地的混合系統，結合衛星接收和陸地轉發在城市、城郊和鄉村等覆蓋區之間提供高質量移動電視廣播業務。在DVB-SH系統中，由物理層交織器深度和LL-FEC引入的時間分集能確保衛星鏈路的有效性，因此非視距狀態成為估計衛星空中接口性能的關鍵。

將信道的非常慢衰落成分模型化為信道狀態，根據當前狀態和接收環境生成視距信號和非視距信號的幅度，并采用對數正態模型、萊斯模型和瑞利模型的不同結合描述窄帶LMS傳播信道的衰落，以此得到復包絡的時間序列。三狀態LMS信道模型采用“視距”、“陰影”和“阻塞”劃分陰影遮蔽情況，狀態間轉移由一階離散Markov鏈控制，并假設每一狀態內接收信號的包絡服從固定模型參數的Loo分布，是DVB-SH標準分析的基礎。包絡的概率密度函數可表示為：

2 改進的兩狀態LMS信道模型

隨著未來移動廣播系統對衰減裕量的需求，非視距條件需要更好的統計特性，而三狀態LMS信道模型存在的缺陷影響了DVB-SH系統標準的分析且不滿足衛星到移動終端視距鏈路裕量的要求，因此本文提出改進的兩狀態LMS信道模型，其框圖如圖1所示。

2.1 狀態序列生成器(SSG)

SSG模塊描述了兩個狀態：“好”狀態代表視距到輕陰影范圍內的衰落，“壞”狀態代表重陰影到阻塞范圍內的衰落。在一幀內由Markov鏈或semi- Markov鏈更新信道狀態，其狀態模型如圖2所示。

2.2 傳播參數生成器(PPG)

在PPG中，新狀態的模型參數與SSG輸出的當前狀態及終端的接收環境有關，其聯合的統計分布為：

式中，

相比三狀態LMS信道模型，該模型的傳播參數能在接收信號的動態范圍上獲得可靠的模型，具有大范圍的參數空間。

2.3 Loo生成器

Loo生成器根據當前狀態及PPG輸出的傳播參數生成多徑快衰落和視距慢衰落。其中，快衰落采用巴特沃斯低通濾波器引入由移動終端運動引起的多普勒擴展，傳遞函數可以表示為：

2.4 PC機制

由于兩狀態LMS信道模型生成復時間序列的動態范圍較大，在能真實反映信道傳播特性的前提下，對接收信號包絡進行PC，以跟蹤、糾正快衰落和補償慢衰落，從而縮小信號的動態范圍，同時以最小發射功率保證準確的通信鏈路性能和降低同頻干擾。忽略傳播時延和衛星與移動終端的處理時間，在1 s內，反饋鏈路向衛星發送1 500次控制命令：增加或減少1 dB發射功率。為了優化接收信號的PC過程，采用預處理濾波器推測接收信號，其控制門限為每一幀長內接收信號功率的中值?？刂七^程為：

1) 在一幀內生成復時間序列，計算控制門限。

2) 根據滑動窗的持續時間，計算窗內接收信號包絡功率的平均值，若大于控制門限，控制信號減1 dB；反之，加1 dB，更新下一個窗內的接收信號的功率，記錄此幀內控制后的接收信號序列。

3) 判斷是否為最后一幀，若不是返回過程2)，反之，PC機制結束。

該模型可以用于L頻段和S頻段，且移動終端與衛星之間的仰角為40°、60°、80°時的城市、城郊、開闊地、樹陰影等場景。為了驗證該模型的準確性和通用性，可以選擇不同的傳播場景，將其一階、二階統計特性與實測數據比較，同時，針對樹陰影壞境研究PC機制信號的統計特性。

3 仿真分析

圖3給出了改進模型的仿真流程，它包含SSG、PPG、Loo生成器和PC機制，可實現兩狀態LMS信道模型衰落統計特性的分析及控制前后信號統計特性的統計歸一化均方誤差。

圖3 模型的仿真流程圖

基于圖1所示的模型對本文提出的改進LMS信道模型的衰落統計特性進行研究，仿真參數設置如下。在DVB-SH系統中，考慮S頻段，衛星仰角40°，快衰落采樣間隔為1/8波長，，幀長5 m，巴特沃斯低通濾波器的通帶、阻帶歸一化截止頻率分別為0.225和0.75，進行500 000個采樣。

3.1 兩狀態LMS信道統計分析

選擇城郊場景，移動終端速度50 km/h，將改進的兩狀態LMS信道模型的一階、二階衰落統計特性與三狀態LMS信道模型、文獻[6]及實測數據比較，驗證所建信道模型的準確性，仿真結果如圖3所示。其中實測數據來源于：CNES在法國南部，頻率2.1775 GHz和衛星仰角40°左右測得的數據及英國布拉德福德大學在S頻段(2.618 GHz)，衛星仰角40°、60°和80°下對開闊地、城郊、城市和樹陰影環境實測的數據。

圖3表明盡管改進模型與文獻[6]有一致的一階統計特性，但歸一化電平通過率與實測之間的偏差低于文獻[6]。

圖3a表明兩狀態和三狀態模型的一階統計特性與實測數據擬合的很好，相比Markov模型，semi-Markov模型的接收信號動態范圍更小。同時，經計算實測信號與仿真信號的殘余累積分布函數之間的歐幾里德距離大于10%，對于給定傳播場景及仰角常選擇距離最小的模型。

圖3b和圖3c表明相比一階統計特性，二階統計特性與實測數據擬合稍差，這是由實測中幅度和相位的頻率響應受不精確的多普勒頻帶寬度影響引起的。同時，改進的兩狀態比三狀態模型變化趨勢慢，與實測數據擬合的更好。

3.2 PC機制的仿真分析

圖4a和圖4b表明：PC機制下接收信號的一階、二階衰落統計特性與實測數據擬合的較好，仍能準確地表征LMS信道的傳播特性。相比Markov模型，semi_Markov模型的PC機制跟蹤、糾正快衰落和補償慢衰落能力較強，在維持鏈路性能的前提下信號衰減較大，能在更大程度上降低發射信號功率和同頻干擾。仿真結果還表明：移動終端速度在250 km/h時，能獲得最大的控制增益和最小的動態范圍；而隨著速度的增加，在相同的仿真路徑下，更新次數減少，跟蹤和糾正能力降低，當達到3 650 km/h時，PC機制失效。因此PC機制能在一定的終端速度下獲得最大的控制增益。

4 結 論

為了解決三狀態LMS信道模型在給定場景和衛星仰角下每一狀態傳播參數固定不變且統計特性不能很好地擬合到實測數據的缺陷，本文提出了改進的兩狀態LMS信道模型。在準確反應傳播特性的前提下，引入PC機制減少信號的衰減，適用于DVB-SH系統中不同場景、不同頻段、不同衛星仰角和方位角下LMS信道的模擬，能為DVB-SH標準的參數選擇提供準確的信息，并可擴展到單衛星接收的MiLADY模型[14]中。具有復雜度低、可靠性高及通用性等特點。

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編 輯 漆 蓉

Improved Two-State LMS Channel Model for DVB-SH System

LIAO Xi, WANG Yang, and ZHAO Dan-feng

(College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University Harbin 150001)

Three-state land mobile satellite (LMS) channel model that describes the narrowband propagation channel in three possible shadowing states can serve as a baseline for physical layer simulation of the digital video broadcasting-satellite services to handhelds (DVB-SH) standard. But the fixed propagation parameters for each state and the state classification impact the parameters selection of physical layer in the DVB-SH standard. For this, an improved two-state LMS channel model is proposed in this paper. The transitions between two states are modeled by employing state sequence generator (SSN). When the state is changed, new propagation parameters are obtained by propagation parameter generator (PPG) and then are used to generate the complex time series by Loo generator. Power control (PC) is used to reduce fading and gets much smaller dynamic rang in the controlled signal. Simulation results show that the proposed model is effective for representation of shadowing conditions and the PC scheme could achieve maximum control gain at some termination speed.

channel model; DVB-SH; land mobile satellite (LMS); Markov chain; power control (PC); semi-Markov chain

TN927

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2016.03.004

2013 - 07 - 01；

2015 - 11 - 20

中央高?；究蒲袠I務專項基金(HEUCF130802)

廖希(1988 - )，女，博士生，主要從事衛星通信、LMS信道建模方面的研究.