國之重器出版工程 衛星移動通道傳播特性分析與建模

楊明川
博士，哈爾濱工業大學電子與信息工程學院副研究員、碩士生導師。
主要從事衛星移動通信系統、臨近空間通信系統及天空地一體化信息網絡高效傳輸技術的研究。
作為項目負責人主持科研項目10餘項，其中國家自然科學基金項目1項，國家863計劃項目3項，博士後項目2項。榮獲軍隊科學技術進步獎三等獎1項。
在國內外學術會議及刊物上發表論文40餘篇，SCI/EI檢索30餘篇，4篇論文獲國際會議最佳論文獎。
申請國家發明專利20餘項。

丁睿
博士，現就職於中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部，任研發中心主任。
目前，擔任國家重大專項工程總師助理、國家重點研發計劃項目首席專家、北京市科委專家。
多次參與衛星通信領域國家重大工程專項的系統論證，並完成了多個系統的空間段總體方案設計；作為項目負責人或團隊核心成員，多次承擔科技部863計劃、國防科工局民用航天重大預研項目的研究工作。
研究領域包括衛星通信系統總體設計、通信衛星總體設計、天地一體化網絡技術等，在核心期刊發表論文10餘篇，授權國家發明專利4項。

郭慶
博士，哈爾濱工業大學電子與信息工程學院院長、教授、博士生導師，專用通信系統教育部工程研究中心副主任，黑龍江省寬帶無線通信與網絡重點實驗室主任。
主要從事衛星通信寬帶傳輸技術、小衛星測控技術及無線通信網絡傳輸技術等方面的研究。
作為負責人先後完成了***科研項目10餘項。
獲國家科學技術進步獎二等獎1項，省部級科學技術進步獎一等獎2項，二等獎2項。
發表學術論文150餘篇，申請專利30餘項，出版學術專著2部。

孟維曉
博士，哈爾濱工業大學電子與信息工程學院副院長、教授。
研究方向為無線通信與空天網絡。獲黑龍江省留學人員報國獎，入選教育部新世紀優秀人才計劃。
兼任中國電子學會會士、黑龍江省電子學會常務理事、IEEE 通信學會哈爾濱分會主席，多個國內外權威雜誌編委。
出版學術專著4部，發表學術論文300餘篇，完成科研工作30餘項，獲各級科學技術獎10項，授權國家發明專利60餘項。

目 錄
第 1章 緒論 001
1．1 衛星移動通信系統 002
1．1．1 衛星移動通信的特點 003
1．1．2 衛星移動通信系統的分類 004
1．2 靜止軌道衛星移動通信系統及特點 006
1．2．1 靜止軌道衛星移動通信系統 006
1．2．2 靜止軌道衛星移動通信系統的特點 012
1．3 中軌道衛星移動通信系統及特點 013
1．4 低軌道衛星移動通信系統及特點 014
1．4．1 基於移動通信星座的低軌道衛星移動通信系統 015
1．4．2 基於寬帶通信星座的低軌道衛星移動通信系統 017
1．4．3 低軌道衛星移動通信系統發展特點 019
1．5 中、低軌道衛星移動通信系統的優勢與風險 020
1．6 衛星移動通信系統相關技術的發展趨勢 021
1．7 衛星移動信道傳播特性研究的意義 024
1．8 本章小結 026
參考文獻 026

第 2章 衛星移動通信無線電波傳播特性 029
2．1 衛星移動通信中的電波傳播問題 030
2．2 衛星移動通信無線電波頻率 031
2．2．1 無線電波頻率的定義方法 031
2．2．2 衛星移動通信系統的工作頻段 032
2．3 衛星移動通信無線電波傳播模型和方式 033
2．3．1 衛星移動通信無線電波傳播模型 033
2．3．2 衛星移動通信無線電波傳播方式 035
2．4 電離層電波傳播特性 036
2．4．1 背景電離作用引起的損傷 037
2．4．2 電離層閃爍 040
2．5 對流層電波傳播特性 041
2．5．1 氣體吸收 042
2．5．2 降雨衰減 042
2．5．3 雲霧損耗 044
2．5．4 降雪損耗 045
2．5．5 折射 045
2．5．6 大氣閃爍 047
2．5．7 去極化效應 048
2．6 傳播噪聲 051
2．6．1 射頻噪聲說明 051
2．6．2 大氣氣體產生的噪聲 053
2．6．3 雨引起的天空噪聲 053
2．6．4 雲引起的天空噪聲 055
2．6．5 地球外噪聲 056
2．7 本章小結 058
參考文獻 059

第3章 衛星移動信道衰落特性建模理論 063
3．1 衛星移動信道特點及建模理論基礎 064
3．1．1 衛星移動信道特點 064
3．1．2 衛星移動信道建模理論基礎 065
3．2 衛星移動通信中的無線電波的基本傳播機理 066
3．3 衛星移動信道特性分析 067
3．3．1 視距傳播和空間路徑損耗 068
3．3．2 多徑傳播和多徑衰落 068
3．3．3 陰影效應和陰影衰落 072
3．3．4 3種衰落引起的信號變化 075
3．3．5 多普勒效應和多普勒頻移 075
3．4 衛星移動信道的多普勒功率譜密度 079
3．4．1 Jakes功率譜密度 079
3．4．2 Gaussian功率譜密度 081
3．5 衛星移動信道統計特性 081
3．6 衛星移動信道特性建模時常用的概率分佈 083
3．7 衛星移動信道衰落特性模擬的研究思路和流程 084
3．8 本章小結 086
參考文獻 086

第4章 衛星移動信道特性測試 089
4．1 衛星移動信道特性測試原理 090
4．2 國外衛星移動信道特性測試試驗綜述 091
4．3 國外衛星移動信道特性測試試驗結果 095
4．3．1 ESA的測試試驗 095
4．3．2 NASA的測試試驗 097
4．3．3 日本通信研究實驗室的測試試驗 097
4．3．4 澳大利亞電信研究所的測試試驗 098
4．3．5 CRC的測試試驗 099
4．3．6 國外衛星移動信道特性測試小結 100
4．4 國內衛星移動信道特性測試及結果 103
4．4．1 中國電波傳播研究所的測試試驗 104
4．4．2 哈爾濱工業大學的測試試驗 107
4．5 本章小結 112
參考文獻 112

第5章 衛星移動信道模型 119
5．1 衛星移動信道模型概述 120
5．2 衛星移動信道經驗模型 121
5．2．1 經驗路邊陰影模型 121
5．2．2 修正的經驗路邊陰影模型 124
5．2．3 綜合的經驗衰落模型 125
5．2．4 高仰角城市環境模型 126
5．2．5 模型間的比較 127
5．3 衛星移動信道幾何模型 128
5．3．1 ITU-R路旁建築遮蔽模型 129
5．3．2 ITU-R路旁建築遮蔽模型計算示例 130
5．4 衛星移動信道概率統計模型 131
5．5 衛星移動信道窄帶概率統計模型 133
5．5．1 單狀態概率統計模型 133
5．5．2 多狀態概率統計模型 140
5．6 衛星移動信道寬帶概率統計模型 151
5．6．1 寬帶衛星信道的系統函數 152
5．6．2 基於抽頭延遲線的衛星移動寬帶概率統計模型 154
5．7 本章小結 157
參考文獻 157

第6章 衛星移動信道特性模擬 163
6．1 衛星移動信道特性模擬的意義 164
6．2 衛星移動信道的仿真方法 165
6．2．1 濾波器法 166
6．2．2 正弦波疊加法 166
6．3 正弦波疊加法仿真模型參數的計算方法 167
6．3．1 等距離法 167
6．3．2 等面積法 170
6．3．3 蒙特卡洛法 173
6．3．4 最小均方誤差法 175
6．3．5 精確多普勒擴展法 178
6．3．6 多普勒相位的計算方法 180
6．4 衛星移動信道模型模擬實現 181
6．4．1 濾波器法實現衛星移動信道仿真模型 181
6．4．2 正弦波疊加法實現衛星移動信道仿真模型 187
6．5 衛星移動信道模擬器 191
6．6 本章小結 192
參考文獻 193

第7章 衛星移動MIMO信道模型 197
7．1 衛星移動MIMO通信系統 198
7．2 衛星移動MIMO信道特性研究現狀 200
7．2．1 衛星移動MIMO信道特性測量 200
7．2．2 衛星移動信道特性與模型研究 201
7．3 衛星移動MIMO通信系統基本理論 203
7．3．1 MIMO通信系統模型 203
7．3．2 衛星移動極化MIMO信道容量 204
7．3．3 衛星移動極化MIMO信道環境下的多普勒頻譜 204
7．4 多狀態雙極化衛星移動MIMO概率統計信道模型 205
7．4．1 基於馬爾可夫鏈的多狀態切換 208
7．4．2 雙極化衛星MIMO信道大尺度衰落 210
7．4．3 雙極化衛星MIMO信道小尺度衰落 210
7．4．4 極化分集對雙極化衛星MIMO信道的影響 211
7．5 多狀態雙極化衛星移動MIMO概率統計信道模型仿真 213
7．5．1 雙極化衛星MIMO信道大尺度衰落仿真 214
7．5．2 雙極化衛星MIMO信道小尺度衰落仿真 215
7．5．3 雙極化衛星MIMO信道模型仿真結果 216
7．6 本章小結 221
參考文獻 222

名詞索引 227