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基于空天地一体化网络的通信系统matlab性能分析

news 2025/6/8 13:40:30

1.引言

2.算法仿真效果演示

3.数据集格式或算法参数简介

4.MATLAB核心程序

5.算法涉及理论知识概要

5.1 QPSK调制原理

5.2 空天地一体化网络信道模型

5.3 空天地一体化网络信道特性

6.参考文献

7.完整算法代码文件获得

1.引言

空天地一体化网络是一种将卫星通信、高空平台通信和地面通信有机结合的综合通信系统。这种网络架构能够充分发挥各层网络的优势，提供全球化、无缝覆盖的通信服务。本博客将详细解析空天地一体化网络通信系统中涉及的数学原理，特别是QPSK调制、信道模型和误码率计算的相关理论。

2.算法仿真效果演示

软件运行版本：

matlab2024b

仿真结果如下（仿真操作步骤可参考程序配套的操作视频，完整代码运行后无水印）：

3.数据集格式或算法参数简介

%% 参数设置
% 基本通信参数
M = 4;                  % QPSK调制阶数
k = log2(M);            % 每符号比特数
SNR_dB = 0:2:20;        % 信噪比范围(dB)
numBits = 2e5;          % 仿真比特数
numSymbols = numBits/k; % 仿真符号数% 网络拓扑参数
numSatellites      = 2; % 卫星数量
numHAPs            = 3; % 高空平台(HAP)数量
numGroundTerminals = 5; % 地面终端数量% 信道参数
% 自由空间路径损耗参数
c = 3e8;                % 光速(m/s)
f = 2e9;                % 载波频率(2GHz)
lambda = c/f;           % 波长(m)% 卫星链路参数
satAltitude = 100e3;    % 卫星高度(m)% 高空平台链路参数
hapAltitude = 20e3;     % 高空平台高度(m) % 天气条件参数
rainRate = 1;          % 降雨率(mm/h)

4.MATLAB核心程序

            % 选择一个随机卫星、HAP和地面终端satIdx = randi(numSatellites);hapIdx = randi(numHAPs);groundIdx = randi(numGroundTerminals);% 计算卫星到HAP的链路satToHapDist = norm(satLocations(satIdx,:) - hapLocations(hapIdx,:));satToHapElev = asin((satLocations(satIdx,3) - hapLocations(hapIdx,3)) / satToHapDist) * 180/pi;fspl1 = freeSpacePathLoss(satToHapDist, f);atmosAtt1 = atmosphericAttenuation(f, satToHapElev);scint1 = troposphericScintillation(f, satToHapElev, satAltitude);shadow1 = shadowFading();channelGain1 = 4/(fspl1 + 10^(atmosAtt1/10) + scint1 + shadow1);% 计算HAP到地面的链路hapToGroundDist = norm(hapLocations(hapIdx,:) - [groundLocations(groundIdx,1), groundLocations(groundIdx,2), 0]);hapToGroundElev = asin((hapLocations(hapIdx,3) - 0) / hapToGroundDist) * 180/pi;fspl2 = freeSpacePathLoss(hapToGroundDist, f);rainAtt2 = rainAttenuation(f, hapToGroundDist, rainRate, hapToGroundElev);atmosAtt2 = atmosphericAttenuation(f, hapToGroundElev);scint2 = troposphericScintillation(f, hapToGroundElev, hapAltitude);shadow2 = shadowFading();multipath2 = rayleighFading();channelGain2 = 5/(fspl2 + 10^(rainAtt2/10) + 10^(atmosAtt2/10) + scint2 + shadow2 + multipath2);% 总信道增益channelGain = channelGain1 * channelGain2;receivedPower = txPower * channelGain;
0X_090m

5.算法涉及理论知识概要

5.1 QPSK调制原理

QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）是一种常用的数字调制技术，它将每两个比特映射为一个符号，每个符号有四种可能的相位状态。QPSK属于M-PSK（多进制相移键控）的一种特殊情况，其中M=4。

在QPSK调制中，每个符号由两个比特 (b₁,b₂) 决定，映射关系通常采用格雷码：

5.2 空天地一体化网络信道模型

自由空间路径损耗（FSPL）是指电磁波在真空中传播时由于扩散而引起的信号强度衰减。其计算公式为：

雨衰是指电磁波在雨中传播时由于雨滴对信号的吸收和散射而引起的衰减。ITU-R P.618模型提供了计算雨衰的方法：

大气损耗主要由氧气和水蒸气的吸收引起。ITU-R P.676模型提供了计算大气损耗的方法：

Aatm=Ao+Aw

其中：

Ao是氧气吸收引起的损耗

Aw是水蒸气吸收引起的损耗

对于频率低于100GHz的情况，可以使用简化公式：

Aatm≈0.5 dB

对流层闪烁是由于大气折射率的随机波动引起的信号强度快速变化。ITU-R P.1623模型提供了计算对流层闪烁的方法：

阴影衰落是由于障碍物（如建筑物、树木等）对信号的遮挡引起的。通常用对数正态分布来建模：

多径衰落是由于信号通过多条路径到达接收端，各路径信号叠加后产生的衰落现象。在地面通信中，多径衰落通常用 Rayleigh 分布或 Rician 分布来建模。

5.3 空天地一体化网络信道特性

1.卫星轨道类型对链路特性的影响：

低地球轨道（LEO）：距离短（500-2000km），路径损耗小，但卫星移动速度快，需要频繁切换

中地球轨道（MEO）：距离中等（2000-36000km），综合性能较好

地球静止轨道（GEO）：距离远（约 36000km），路径损耗大，但相对地面静止，无需切换

2.高空平台（HAP）通常位于 20-50km 的平流层，其链路特性介于卫星和地面之间：

距离适中，通常为 20-50km，自由空间路径损耗较小

受天气影响较大，特别是降雨和云雾

可能受到对流层闪烁的影响，但程度比卫星链路小

由于高度较低，仰角通常较大，雨衰和大气损耗相对较小

3.地面链路主要受多径衰落和阴影衰落的影响：

多径衰落：由于建筑物、地形等反射和散射导致信号通过多条路径到达接收端

阴影衰落：由于障碍物遮挡导致信号强度随机变化

可能受到雨衰和大气损耗的影响，但通常比卫星和 HAP 链路小

空天地一体化网络通信系统是一个复杂的系统，涉及多种通信技术和信道环境。QPSK调制因其频谱效率高、抗噪声性能好等优点，成为该系统中常用的调制方式。在信道建模方面，需要综合考虑自由空间路径损耗、雨衰、大气损耗、对流层闪烁、阴影衰落和多径衰落等因素。通过数学建模和计算机仿真，可以深入分析系统性能，为网络设计和优化提供理论依据。