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陸上移動衛星チャネルのシミュレーションと可視化

この例では、状態シリーズ、それぞれの空間シリーズ、およびチャネル係数を生成することによって、2 状態の陸上移動衛星(LMS)チャネルモデルをモデル化する方法を示します。衛星端末とモバイル端末が関係するシナリオでは、チャネルを介して送信される信号は必ずしも理想的な見通し経路を持つとは限りません。場合によっては、信号にドップラーシフト、シャドウイング、マルチパスフェージングなどの現象が発生することがあります。このような現象の影響を適切にモデル化することは、チャネルの影響を処理して補正できるエンドツーエンドの通信リンクを適切に設計するために不可欠です。

はじめに

LMSチャネルモデルは、衛星から地上へのチャネルで観測されるチャネルエンベロープをシミュレートするために使用されます。端末は移動する性質があるため、チャネルエンベロープは送信端末と受信端末の移動、建物や木の葉による遮蔽、影、マルチパスなどにより変化します。

この例では、チャネルが良好な状態と不良な状態を交互に繰り返す 2 状態セミマルコフ連鎖を使用して、 ITU-R P.681-11 LMSチャネルと Lutz LMSチャネルをモデル化します。良好な状態は見通しが利く状態または部分的な影の状態のいずれかで特徴付けられますが、悪い状態は深刻な影の状態または完全な遮断のいずれかで特徴付けられます。両方のチャネルモデルは単一の静止衛星に使用されます。ITU-R P.681-11 LMSチャネルは、良好な状態と不良状態の両方で Loo 分布を使用しますが、Lutz LMSチャネルは、良好な状態ではライス分布を使用し、不良状態では対数正規分布のレイリー分布を使用します。[1] のITU-R P.681-11チャネルに提供されているデータセットは 1.5 GHz ～ 20 GHz の周波数範囲に適用でき、 [2] の Lutz LMSチャネルに提供されているデータセットは 1.54 GHz (L バンド) の周波数に適用できます。

次のブロック図は、 LMSチャネルをモデル化する手順を示しています。

チャネル設定

p681LMSChannel または lutzLMSChannel System object のいずれかを使用して、衛星端末と地上のモバイル端末間のチャネルを設定します。

ITU-R P.681-11 LMSチャネルを使用して特定のシナリオをモデル化するには、次のパラメーターを設定します。

環境
搬送波周波数
仰角
地上端末の速度
接地端子の方位角角

Lutz LMSチャネルを使用して特定のシナリオをモデル化するには、次のパラメーターを設定します。

ライス K ファクター
対数正規フェージングパラメーター
状態持続分布
平均状態持続時間
最大ドップラーシフト

特定のシナリオモデリングに加えて、 LMSチャネルでは次のパラメーターを定義する必要があります。

入力信号のサンプリングレート
チャネルの初期状態
フェード技法

デフォルトでは、この例ではITU-R P.681-11 LMSチャネルが選択され、モバイル端末が 2 m/s の速度で移動する 3.8 GHz キャリア周波数の都市シナリオにチャネルが設定されます。

% Create an ITU-R P.681-11 channel or Lutz LMS channel
chan = p681LMSChannel;
% Set channel properties
if isa(chan,"p681LMSChannel")
    % For ITU-R P.681 LMS channel

    % Environment type
    chan.Environment = "Urban";
    % Carrier frequency (in Hz)
    chan.CarrierFrequency = 3.8e9;
    % Elevation angle with respect to ground plane (in degrees)
    chan.ElevationAngle = 45;
    % Speed of movement of ground terminal (in m/s)
    chan.MobileSpeed = 2;
    % Direction of movement of ground terminal (in degrees)
    chan.AzimuthOrientation = 0;
else
    % For Lutz LMS channel

    % Rician K-factor (in dB)
    chan.KFactor = 5.5;
    % Lognormal fading parameters (in dB)
    chan.LogNormalFading = [-13.6 3.8];
    % State duration distribution
    chan.StateDurationDistribution = "Exponential";
    % Mean state duration (in seconds)
    chan.MeanStateDuration = [21 24.5];
    % Maximum Doppler shift (in Hz)
    chan.MaximumDopplerShift = 2.8538;
end
% Sampling rate (in Hz)
chan.SampleRate = 400;

チャネルに適切な初期状態を割り当てます。

chan.InitialState = "Good";

ドップラースペクトルを実現するために使用するフェーディング手法を設定します。フェーディング手法は、「フィルタリングされたガウスノイズ」または「正弦波の合計」のいずれかです。FadingTechnique プロパティが「正弦波の合計」に設定されている場合、NumSinusoids プロパティを通じて正弦波の数も設定できます。

chan.FadingTechnique = "Filtered Gaussian noise";

シードを使用して乱数ジェネレータを初期化します。シードを変更して、さまざまなチャネルの実現を取得します。デフォルト値 73 は任意の値です。

seed = 73;
chan.RandomStream = "mt19937ar with seed";
chan.Seed = seed;

チャネルのプロパティを表示します。

disp(chan)

  p681LMSChannel with properties:

                NumStates: 2
               SampleRate: 400
             InitialState: "Good"
         CarrierFrequency: 3.8000e+09
           ElevationAngle: 45
              MobileSpeed: 2
       AzimuthOrientation: 0
    SatelliteDopplerShift: 0
              Environment: "Urban"
         ChannelFiltering: true

  Show all properties

チャネルモデル

100 秒間のチャネルを生成します。ランダムサンプルを入力波形として使用します。

% Set random number generator with seed
rng(seed);
% Channel duration (in seconds)
chanDur = 100;
% Random input waveform
numSamples = floor(chan.SampleRate*chanDur)+1;
in = complex(randn(numSamples,1),randn(numSamples,1));
% Pass the input signal through channel
[fadedWave,channelCoefficients,sampleTimes,stateSeries] = step(chan,in);

チャネルの可視化

チャネルモデリングの一部として生成された電力プロファイル、空間シリーズ、および状態シリーズを可視化します。

入力波形とフェード波形の電力プロファイルをプロットします。

figure(1)
plot(sampleTimes,20*log10(abs(in)),sampleTimes,20*log10(abs(fadedWave)))
title(['Power Profile of Waveform for Duration ' num2str(chanDur) ' seconds'])
legend('Input Waveform', 'Faded Waveform')
xlabel('Time (in s)')
ylabel('Power (in dB)')

Figure contains an axes object. The axes object with title Power Profile of Waveform for Duration 100 seconds, xlabel Time (in s), ylabel Power (in dB) contains 2 objects of type line. These objects represent Input Waveform, Faded Waveform.

空間級数をプロットして、チャネルエンベロープの瞬間電力が時間とともにどのように変化するかを示します。

figure(2)
plot(sampleTimes,20*log10(abs(channelCoefficients)))
title(['Space Series of Channel for Duration ' num2str(chanDur) ' seconds'])
xlabel('Time (in s)')
ylabel('Path Gain (in dB)')

Figure contains an axes object. The axes object with title Space Series of Channel for Duration 100 seconds, xlabel Time (in s), ylabel Path Gain (in dB) contains an object of type line.

状態系列をプロットして、チャネルの状態が時間とともにどのように変化するかを表示します。

figure(3)
plot(sampleTimes,stateSeries)
title(['State Series of Channel for Duration ' num2str(chanDur) ' seconds'])
axis([0 sampleTimes(end) -0.5 1.5])
xlabel('Time (in s)')
ylabel('State')

Figure contains an axes object. The axes object with title State Series of Channel for Duration 100 seconds, xlabel Time (in s), ylabel State contains an object of type line.

その他の調査

この例では、p681LMSChannel または lutzLMSChannel System object のいずれかを使用して、定義されたチャネルプロパティの 2 状態LMSチャネルを生成します。System object のプロパティを変更して、電力プロファイル、チャネル係数、および状態シリーズの時間に関する変化を観察できます。さまざまな周波数帯域のITU-R P.681チャネルをモデル化するには、 ITU -R P.681-11 勧告セクション 3.1 付録 2 [1] で使用可能なデータテーブルに関連するパラメーターを設定できます。他のデータセットを使用して、 ITU-R P.681 LMSチャネルをカスタム環境に設定することもできます。さまざまなシナリオに合わせて Lutz LMSチャネルをモデル化するには、[2] にあるデータテーブルを使用できます。

参考文献

[1] ITU-R勧告P.681-11（2019年8月）。「陸上移動衛星業務における設計システムに必要な伝搬データ」P シリーズ;無線電波伝搬。

[2] E. Lutz、D. Cygan、M. Dippold、F. Dolainsky、W. Papke、「陸上移動衛星通信チャネル‐記録、統計、チャネルモデル」、IEEE Trans.Veh.Technol.、第40巻、第2号、pp.375-386、1991年。