极地短波宽带信道建模与仿真研究.pdf

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U.D.C:

AThesisfortheDegreeofMasterofEngineering

ResearchonModelingandSimulationforthe

PolarHFBroadbandChannel

Candidate:WangYue

Supervisor:Prof.XueRui

AssociateSupervisor:SeniorEngineerLiuYang

Professionalcategory:ElectronicInformation

College:InformationandCommunicationEngineering

DateofSubmission:Apr,2023

DateofOralExamination:May,2023

University:HarbinEngineeringUniversity

极地短波宽带信道建模与仿真研究

摘要

从我国地理位置与极地发展战略出发，将极地范围聚焦于50°N以北的区域，保障

极地通信传输并进一步提升极区信息服务水平的任务愈发重要和迫切。目前，我国卫

星系统尚未完全覆盖极区，短波通信是实现极区远程通信和机动通信的重要方式。短

波电离层信道是电波经电离层折射和反射时的传播通道，短波宽带信道模型的有效带

宽超过12kHz，可满足宽带数据传输需求。与中低纬度相比，高纬度地区自然环境及

电离层特性复杂，通过实测获取短波信道难度大、成本高、耗时长，而传统短波宽带

信道模型依赖实测参数，且缺乏针对极地通信场景的拓展应用。因此，进行极地短波

宽带信道建模与仿真研究，在不具备极地实测条件时，通过数学模型描述极地短波信

道并实现仿真模拟，将经典短波宽带信道模型扩展应用至极地通信场景，为短波通信

系统提供具有极地传输特性的测试环境，有利于短波通信技术在极地领域的发展及推

广应用，具有重要的理论和现实意义。论文研究的主要内容如下：

首先，分析极地短波信道电离层传播特性。阐明高纬度电离层受太阳辐射影响的

一般分层结构，以及在日地环境影响下的结构特性；对短波信道传播特性进行分析研

究，包括传播模式、小尺度衰落及大尺度衰落特性；分析短波信道中存在的窄带干扰、

脉冲干扰、大气噪声等噪声和干扰。对短波电离层信道的相关理论进行系统分析和阐

述，为后续开展极地短波宽带信道建模与仿真研究提供理论基础。

其次，开展极地短波宽带信道建模研究。针对极地电离层模型，研究多层准抛物

（Multi-quasi-parabolic,MQP）模型、国际参考电离层（InternationalReference

Ionosphere,IRI）模型和北极高纬度电离层经验模型（EmpiricalCanadaHighArctic

IonosphericModel,E-CHAIM），分析三者搭建极地短波传播电离层环境的适用性；针对

射线追踪技术，研究解析型射线追踪、2D数值型射线追踪与3D数值型射线追踪，阐

述三者实现短波传播轨迹模拟的原理方法；以极地电离层模型和射线追踪技术为基础，

建立极地电离层短波射线追踪模型，实现极地电离层环境中短波传播模式的模拟；针

对短波宽带信道模型，研究美国电信科学协会（InstituteforTelecommunicationSciences,

ITS）所提出的ITS模型，对其数学结构进行分析推导，说明信道模型的性能验证方法。

然后，针对ITS模型过于依赖实测数据不利于仿真极地信道的问题，提出一种基于

电离层射线追踪的极地短波宽带信道模型，该模型在ITS模型的基础上联合极地电离层

射线追踪模型，通过模拟极地短波传播过程计算得到信道参数进而表征信道，降低ITS