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摘要 移动通信的目的是实现任何时间、任何地点和任何通信对象之间 的通信。移动通信目前已发展到第三代，代表性的标准有w c d m a 、 c d m a 20 0 0 、t d s c d m a ；高速下行分组接入技术( h s d p a ) 作为w c d m ar 9 9 的强化版本，可以在不改变w c d m a 网络结构的情况下，把下行数据业 务速率提高到10 m b p s ，大大加强了下行链路传输的功能。 论文的目的正是对m i m o 信道下的w c d m a 与h s d p a 双系统、语音 数据双业务共存情况进行仿真，统计容量损失与吞吐率，以寻求系统 共存时最优化的条件。 仿真采用抓拍机制，相当于采用快照技术采集实际蜂窝系统的用 户数据。整个仿真过程是一个非常复杂、需要巨大运算量的m o n t e c a r l o 统计过程，系统首先生成随机分布于一定地理区域的用户链路， 然后保持这些链路传播损耗固定不变，进行切换和功率控制。仿真过 程的基本单元分为两级，第一级是s i m u l a t i o n ，第二级是s n a p s h o t ， 每一个s i m u l a t i o n 包括多个s n a p s h o t ，抓拍过程可以理解为仿真步长。 对于8 k b p s 话音业务，一次仿真需要1 0 4 次s n a p s h o t ，而对于数据业 务，需要抓拍1 0 次。仿真中着重介绍了系统容量准则、蜂窝网络系 统拓扑的生成机制、两系统间的等效原理等。 由于移动信道与无线传播的复杂性，为逼真的模型现实环境，进 行准确的功控与切换，给出了路径损耗的五种传播模型，分析了传播 中慢衰落与快衰落特性。重点对m i m o 信道模型进行了介绍，分析 了建模机制，给出了冲激响应与容量公式。利用m i m o 技术可以提 高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。 最后给出了m i m o 信道模块中主要变量的测试结果，系统共存 时容量的统计结果，并与单系统进行比较，得出容量损失率；讨论了 地理偏移因子和载波间隔对系统容量的影响。 关键词：系统级仿真抓拍切换功率控制m i m o 信道 a b s t r a c t t h e p u r p o s eo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni st oc o m m u n i c a t ew i t he a c h o t h e re v e r y w h e r ea ta n yt i m e m o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a sd e v e l o p e dt o t h et h i r dg e n e r a t i o n ，t h er e p r e s e n t a t i v es t a n d a r do fw h i c hh a sw c d m a ， c d m a 2 0 0 0a n dt d s c d m a a st h ee n h a n c e dv e r s i o n ，h s d p a ( h i g h s p e e d d o w n l i n k p a c k e da c c e s s ) c a n r e a c ht h ed o w n l i n k s p e e d t olo m b p s i ti se s s e n t i a lt os i m u l a t et h ec o e x i s ts y s t e m si nt h ec a s eo fm i m o ( m u l t ii n p u t m u l t io u t p u t ) c h a n n e l m i m oi st h ek e yt e c h n i c a lo f h s d p a ， w h i c hc a nr e d u c et h es i g n a lt oi n t e r f e r i n gr a t i oa n di m p r o v et h es y s t e m c a p a c i t y t h ep r i n c i p l eo fs i m u l a t i o ni ss n a p s h o t ，w h i c hi sac o m p l i c a t e da n d n u m e r i c a lm o n t e c a r l os t a t i s t i cp r o c e s s f i r s tt h es y s t e mp r o d u c e ss o m e u s e r so rl i n k sr a n d o m l yd i s t r i b u t i n gi nt h eg e o g r a p h i c a lr e g i o n t h e ni t c a r r i e so u tt h eh a n d o v e ra n dp o w e r c o n t r o l l i n g a tt h es a m e p a t h t r a n s m i t t i n g a t t e n u a t i o no n et i m e f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，w ed r a wt h ec o n c l u s i o nt h a td e s c r i b e s t h e o p t i m a l c o n d i t i o ni nd o u b l e s y s t e m s d o u b l es e r v i c e s h s d p ai s c o m p a t i b l et om i c r oc e l l u l a rs y s t e m ，s ow e c a l l e m p l o yh s d p a i nh o t p o i n t sa n dw c d m a i no t h e rp o i n t si no r d e rt oi m p r o v et h r o u g h p u ta n d r e d u c et h ec a p a c i t yl o s s k e y w o r d s ：s y s t e ml e v e rs i m u l a t i o n ，s n a p s h o t ，h a n d o v e r , p o w e r c o n t r o l ，m u l t ii n p u t a n dm u l t io u t p u tc h a n n e l 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师田宝玉教授，牛凯博士的指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 壶庳j 亟 日期 o o j 、4 、x 骞 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 论文不属于保密范围， 整盛 、弓气传 适用本授权书。 日期：鲨竺：! ：冱 e t 期 h 即呵i i ，宁 北京邮电大学硕士论文m m o 信道下的移动通信系统仿真_ = 】 案研究 1 。1 概述 第一章引言 随着计算机、程控交换、数字通信的发展，移动通信系统以其显著的特点 和优越性能得以迅猛发展，应用在社会的各个方面，不仅仅提供普通的电话业务 功能，并能提供或即将提供丰富的多种业务，满足用户的需求。 通话的双方，只要有一方处于移动状态，即构成移动通信方式。移动通信 的主要目的是实现任何时间、任何地点和任何通信对象之间的通信。 从通信网的角度看，移动网可以看成是有线通信网的延伸，它由无线和有 线两部分组成。无线部分提供用户终端的接入，利用有限的频率资源在空中可靠 地传送话音和数据；有线部分完成网络功能，包括交换、用户管理、漫游、鉴权 等，构成公众陆地移动通信网p l m n 。从陆地移动通信的具体实现形式来分主要 有模拟移动通信和数字移动通信这两部种。 作为有线通信延伸的移动通信，与有线通信相比具有以下特点： 1 ，终端用户的移动性： 移动通信的主要特点在于用户的移动性，需要随时知道用户当前位置，以 完成呼叫、接续等功能；用户在通话时的移动性，还涉及到频道的切换问题等。 2 无线接入方式： 移动用户与基站系统之间采用无线接人方式，频率资源的有限性、用户与基 站系统之间信号的干扰( 频率利用、建筑物的影响、信号的衰减等) 、信息( 信 令、数据、话路等) 的安全保护( 鉴权、加密) 等。 3 漫游功能： 移动通信网之间的自动漫游，移动通信网与其他网络( 公用电话网、综合业 务数字网、数据网、专网、现有移动通信网等) 的互通，各种业务功能( 电话业 务、数据业务、短消息业务、智能业务) 的实现等。 1 2 移动通信发展历程 移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1 8 9 7 年，马可尼所完成 的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18 海里。 现代移动通信技术的发展始于本世纪2 0 年代，大致经历了五个发展阶段： 北京邮电大学颐士论文 m m o 信遭下的移动通信系统仿真方案研究 第一阶段从2 0 世纪2 0 年代至4 0 年代，为早期发展阶段。在这期间，首先 在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的 车载无线电系统。可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系 统开发，工作频率较低。 第二阶段从4 0 年代中期至6 0 年代初期。在此期间内，公用移动通信业务开 始问世。1 9 4 6 年，根据美国联邦通信委员会( f c c ) 的计划，贝尔系统在圣路易斯 城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。随后，西德( 1 9 5 0 年) 、 法国( 1 9 5 6 年) 、英国( 1 9 5 9 年) 等国相继研制了公用移动电话系统。这一阶段的特 点是从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工，网的容量较小。 第三阶段从6 0 年代中期至7 0 年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动 电话系统，使用1 5 0 m h z 和4 5 0 m h z 频段，采用大区制，中小容量，实现了无线 频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。德国也推出了具有相同技术水平的 b 网。可以说，这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区 制、中小容量，使用4 5 0 m h z 频段，实现了自动选频与自动接续。 第四阶段从7 0 年代中期至8 0 年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。1 9 7 8 年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝状移 动通信网，大大提高了系统容量。也即第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。移动 通信大发展的原因，除了用户要求迅猛增加这一主要推动力之外，还有几方面技 术进展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到长足发展，这使得通信 设备的小型化、微型化有了可能性，各种轻便电台被不断地推出。其次，提出并 形成了移动通信新体制。随着用户数量增加，大区制所能提供的容量很快饱和， 这就必须探索新体制。蜂窝网，即所谓小区制，由于实现了频率再用，大大提高 了系统容量。可以说，蜂窝概念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率 资源有限的矛盾。第三方面进展是随着大规模集成电路的发展而出现的微处理器 技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供 了技术手段。 第五阶段从8 0 年代中期开始。这是数字移动通信系统发展和成熟时期。以 a m p s 和t a c s 为代表的第一代模拟蜂窝移动通信网虽然取得了很大成功，但也 暴露了些问题。例如，频谱利用率低，移动设备复杂，费用较贵，业务种类受 限制以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用 户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传 输的频谱利用率高，可大大提高系统容量；数字网还能提供语音、数据多种业务 服务，并与i s d n 等兼容。到8 0 年代中期，欧 用首先推出了泛欧数字移动通信 网( g s m ) 的体系。随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。这样， 北京邮电大学硕士论文 m 堂道下的移动通信系统仿真方案研究 以数字传输、时分多址和窄带码分多址为主体的移动电话系统，即第二代移动电 话系统应运而生。 随着用户的不断增长和数字通信的发展，第二代移动电话系统逐渐显示出它 的不足之处。首先是频带太窄，不能提供如高速数据、慢速图像与电视图像等的 各种宽带信息业务；其次是未能实现真正的全球漫游。随着科学技术和通信业务 的发展，需要的将是一个综合现有移动电话系统功能和提供多种服务的综合业务 系统，所以国际电联提出第三代移动通信系统，即i m t - 2 0 0 0 ，它的关键特性有： ( 1 ) 全球普及和全球无缝漫游的系统。 ( 2 ) 具有支持多媒体业务的能力。能支持从话音分组数据到多媒体业务；应能 根据需要，提供带宽。i t u 规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中， 必须满足以下三个环境的三种要求：快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b i t s ；室内 环境，最高速率达2 m b i t s ；室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b i t s 。 ( 3 ) 便于过渡、演进。兼容2 g 网络与固定网。 ( 4 ) 高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性。 可以肯定的是，未来移动通信系统将提供全球性优质服务，真正实现在任何 时间、任何地点、向任何人提供通信服务这一移动通信的最高目标。 1 33 g 与h s d p a 技术 目前代表性的3 g 标准有三个： 欧洲e t s i 和日本a r i b 提出的w c d m a 标准。其核心网基于g s m m a p ， 同时可通过网络扩展方式提供在基于a n s i 一4 1 的核心网上运行的能力。系统支 持宽带业务，可有效支持电路交换业务( 如p s t n 、i s d n 网) 、分组交换业务( 如 i p 网) 。灵活的无线协议可在一个载波内对同一用户同时支持话音、数据和多媒 体业务。通过透明或非透明传输块来支持实时、非实时业务。w c d m a 采用 d s - c d m a 多址方式，码片速率是3 8 4 m c p s ，载波带宽为5 m h z 。系统不采用 g p s 精确定时，不同基站可选择同步和不同步两种方式，可以不受g p s 系统的 限制。在反向信道上，采用导频符号相干r a k e 接收的方式，解决了c d m a 中 反向信道容量受限的问题。w c d m a 采用精确的功率控制，包括基于s i r 的快 速闭环、开环和外环三种方式。功率控制速率为1 5 0 0 次秒，控制步长o 2 5 - 4 d b 可变，可有效满足抵抗衰落的要求。w c d m a 还可采用一些先进的技术，如自 适应天线( a d a p t i v ea n t e n n a s ) 、多用户检测( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ) 、分集接收( 正 交分集、时间分集) 、分层式小区结构等，来提高整个系统的性能。 美国t i a t r 4 5 ，5 向i t u 提出的c d m a 2 0 0 0 标准。c d m a 2 0 0 0 的核心网是基于 a n s i - 4 l ，同时通过网络扩展方式提供在基于0 s m m a p 的核心网上运行的能力。 e 京邮电大学硕士论文 m m o 信道下的移动通信系统仿真方案研究 c d m a 2 0 0 0 的一个主要特点是与现有的t i a e i a 一9 5 - b 标准向后兼容，并可与 i s 一9 5 b 系统的频段共享或重叠，这样就使c d m a 2 0 0 0 系统可从i s 9 5 b 系统的基 础上平滑地过渡、发展，保护已有的投资。另外，c d m a 2 0 0 0 也能有效地支持现 存的i s 一6 3 4 a 标准。c d m a 一2 0 0 0 采用m c - c d m a ( 多载波c d m a ) 多址方式，可 支持话音、分组数据等业务，并且可实现q o s 的协商。c d m a - 2 0 0 0 包括l x 和3 x 两部分，也可扩展到6 x 、9 x 、1 2 x 。对于射频带宽为n 1 2 5 m h z 的c d m a 2 0 0 0 系统，采用多个载波来利用整个频带。支持一个载波的c d m a 2 0 0 0 标准i s 2 0 0 0 已在1 9 9 9 年6 月通过。c d m a 2 0 0 0 采用的功率控制有开环、闭环和外环三种方式， 速率为8 0 0 次秒或5 0 次秒。c d m a 2 0 0 0 还可采用辅助导频、正交分集、多载波 分集等技术来提高系统的性能。 c w t s ( 中国无线通信标准研究组) 提出的t d s c d m a 标准，又称l c r t d d ( 低码片速率t d d 方案) 。自2 0 0 1 年3 月3 g p p r 4 发布后，t d s c d m a 标准 规范的实质性工作主要在3 g p p 体系下完成。在3 g p p 的体系框架下，经过融合 完善后，由于双工方式的差别，t d s c d m a 的所有技术特点和优势得以在空 中接口的物理层体现。物理层技术的差别，也就是t d s c d m a 与w c d m a 最 主要的差别所在。在核心网方面，t d s c d m a 与w c d m a 采用完全相同的标 准规范，包括核心网与无线接入网之间采用相同的i u 接口；在空中接口高层协 议栈上，t d s c d m a 与w c d m a 二者也完全相同。这些共同之处保证了两个 系统之间的无缝漫游、切换、业务支持的一致性、q o s 的保证等，也保证了t d s c d m a 和w c d m a 在标准技术的后续发展上保持相当的一致性。 为了适应多媒体服务对高速数据传输日益增长的需要，第三代移动通信合作 项目组( 3 g p p ) 已经公布了一种新的高速数据传输技术：高速下行分组接入技 术( h s d p a ) 。该技术是w c d m ar 9 9 的强化版本，大大加强了下行链路传输的 功能。它是3 g p p 在r 5 协议中为了满足上下行数据业务不对称的需求而提出的 一种调制解调算法，可以在不改变已经建设的w c d m a 网络结构的情况下，把 下行数据业务速率提高到10 m b p s 。 h s d p a 拥有以下特点： 1 ) 高速数据传输和大用户容量。通过实施若干快速而复杂的信道控制机制，包 括物理层短帧、自适应编码调制( a m c ) 、快速混合自动重传技术 ( h y b r i d a r q ) 和快速调度技术，h s d p a 使峰值数据传输速率达到1 0m b p s 。 更为重要的是，h s d p a 使分区数据吞吐量增加了三至五倍，这便可以在不 占用更多网络资源的基础上大幅度增加用户数量。 2 ) 支持服务质量水平控制。h s d p a 较高的吞吐量和峰值数据传输速率有助于 激励和促进w c d m a 所不支持的数据密集型应用的发展。事实上，h s d p a 北京邮电大学硕士论文m m o 信道下的移动通信系统仿真方案研究 可以更加有效地实施由3 g p p 标准化的服务质量水平( q o s ) 控制，更加智 能地对不同优先级的应用与服务进行排序与资源调拨，首先保证话音通信的 质量，其次保证对于实时性要求较高的数据传输需求如实时视频、网络游戏 等，而网页浏览、下载等数据传输则可以设置为较低的优先级。通过这样的 q o s 管理，h s d p a 可以根据用户业务的需求，作不同的网络安排并进行网 络容量分配，更有效地支持和管理多种多样的实时高速数据传输业务。 3 ) 后向兼容，无缝建设。h s d p = a 与w c d m ar 9 9 的后向兼容，可根据网络建 设发展的需耍进行逐级部署，而不会对现有的w c d m a 用户造成影响。 4 ) 低成本网络部署。由于h s d p a 网络建设所带来的成本主要用于基站( n o d e b s 或b t s ) 和无线网络控制系统( r n c ) 的车欠硬件升级，因此h s d p a 的 部署具备很高的性价比，以较低的用户成本支持广泛的多媒体应用，增加已 有用户的业务量和新用户的数量，提高数据市场占有率和盈利能力。 在h s d p a 技术方案中，涉及到的关键技术主要包括4 种： 1 )自适应编码调制( a m c ) 自适应调制与编码也属于链路自适应的范畴。a m c 的基本原理就是改变调 制和编码的格式并使它在系统限制范围内和信道条件相适应，而信道条件则可以 通过发送反馈来估计。在a m c 系统中，一般用户在理想信道条件下用较高阶的 调制方式和较高的编码速率，而在不太理想的信道条件下则用较低阶的调制编码 方式。采用a m c 的好处主要有：处于有利位置的用户可以具有更高的数据速率， 由此蜂窝平均吞吐量得到提高；在链路自适应过程中，通过调整调制编码方案而 不是调整发射功率的方法可以降低干扰水平。 2 、h a r q h a r q 也是一种链路自适应技术，a r q 即自动请求重发，h a r q 是将前向 纠错编码( f e c ) 和自动重传请求( a r q ) 相结合的技术。f e c 提高了传输的可靠性， 但当信道情况较好时，由于过多纠错比特，反而降低了吞吐量。a r q 在误码率 不是很高的情况下可以得到理想的吞吐量，但会引起时延，考虑将f e c 和a r q 相结合就形成了混合a r q 。在发送的每个数据包中含有纠错和检错的校验比特。 如果接收包中的出错比特数目在纠错能力之内，则错误被自行纠正；当差错严重， 已超出f e c 的纠错能力时，则让发端重发。h a r q 能够自动地适应信道条件的 变化并且对测量误差和时延不敏感。a m c 和h a r q 二者结合起来可以得到最好 的效果：a m c 提供粗略的数据速率选择，而h a r q 可以根据数据信道条件对数 据速率进行较精细的调整。 3 ) 快速蜂窝选择( f c s ) 使用f c s ，u e 能指示一个最好的小区用于下行链路。确定“最好的”蜂窝 北京邮电大学须士论文 m m o 信道下的移动通信系统仿真方案研究 不仅要基于无线信号传播的条件，还要考虑在激活集a c t i v e s e t 中小区的功率和 码字空间的资源。一般而言，同时有很多小区处于a c t i v e s e t ，但只有最适合的小 区基站允许发送，这样可以降低干扰提高系统容量。离小区中心较远的边缘，每 个信道质量都比较低。使用f c s 策略可以选择一个服务小区使得链路的质量相 对稳定。它是通过c i 和上行d c c h 的小区指示信息来对各个小区进行比较的。 f c s 对物理层方面的要求和r e l e a s e 9 9 中的选择性分集发射( s s d t ) 相似。 4 ) m i m o 技术 多人多出( m i m o ) 系统是在发送和接收端同时使用多天线，相对于只在发送 端使用多个天线有更多好处。利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可 以提高信道的可靠性，降低误码率。 m i m o 天线阵列，是一种开环的m i m o 技术，m 个发送天线，使用编码重 用技术，将同样码集的每个码重复使用m 次，每个码用来调制不同的数据子流， 这样在不增加码资源的基础上，提高了原始数据的传输速率。为了分辨m 个数 据子流，在接收端，需要使用多天线和空间信号处理。m i m o 解调解扩接收机主 要分2 个部分，一是空时r a k e 接收机，主要功能是分离不同的扩频码扩频的 信号，合并多径信号；二是v b l a s t ，l | p x , - j 垂直空时码进行译码，分离出不同天 线发送的空间叠加信号。 目前，m i m o 技术领域的另一个研究热点是空时编码。常见的空时码有空时 块码、空时格码。空时码的主要思想是，利用空间和时间上的编码，实现一定的 空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。 为充分利用m i m o 信道的容量，人们提出了不同的空时处理方案。贝尔实 验室的f o s c h i n i 等人，提出了一种分层空时结构( b l a s t ：b e l ll a b o r a t o r i e s l a y e r e ds p a c e t i m e ) ，它将信源数据分成几个子数据流，独立进行编码调制。 a t & t 的t a r o k h 等人在发射延迟分集的基础上，正式提出了基于发射分集的空 时编码。同时，a l a m o u t i 提出了一种简单的发送分集方案，t a r o k h 等把它进一步 推广，提出了空时分组编码。 北京邮电大学硕士论文m m o 倌道下的移动通信系统仿真方案研究 2 。1 概述 第二章无线传播与移动信道 与其它通信信道相比，移动通信信道是最为复杂的一种。它既不同于传统的 固定式有线信道，也与一般具有可移动功能的无线按人的无线信道有所区别，它 是移动的动态信道。 移动信道的电波传播特性与传播环境密切相关。传播环境包括：地貌、人工 建筑、气候特征、电磁干扰情况、通信体移动速度、使用频段等。多径衰落和复 杂恶劣的电波环境是移动通信信道区别与其他信道最显著的特征，这是由运动中 进行无线通信这一方式本身所决定的。衰落现象将严重降低接收信号的质量，影 响通信的可靠性。为了有效地克服衰落带来的不利影响，必须采用各种抗衰落技 术，包括：分集接收技术、均衡技术和纠错编码技术等。 与有线通信中良好的信道状况( 一般可以用加性白色高斯噪声信道来仿真) 完全不同，移动通信中的无线信道状况非常恶劣，信道是多径、时变的，从而使 无线信号在短时间或短距离传播后幅度快速衰落，即产生小尺度衰落现象。 由于无线信道中各种反射物的存在，导致信号幅度、相位以及时间的变化， 这些因素使发射波到达接收机时，形成在时间、空间上互相区别的多个无线电波， 形成多径传播效应。这些多径成分具有随机分布的幅度、相位和入射角度，它们 被接收机天线按向量合并，从而使接收信号产生衰落失真。同时，由于移动台的 运动以及无线信道所处环境中其他物体的运动，当移动台穿过多径区域时，空间 的瞬时变化转换为信号的瞬时变化，这就是无线信道的时变现象。在空间不同点 的多径波的影响下，高速运动的接收机可以在很短时间内经过若干次衰落，接收 机甚至可能在一段时间内停留在某个衰落很大的位置上。 2 2 自由空间无线电传播 自由空间满足以下特性：无源、理想、均匀、线性、各向同性。电波在自由 空间沿直线传播，不被吸收，不反射、折射、绕射、散射( 能量无损失) 。 无线通信信道所处的环境是比较复杂恶劣( 受基站与移动台之间的距离、相 对运动，地形地貌，天气等的影响) 也比较多变( 上述因素变化大，随机性强) 的。反射、绕射和散射在无线信道受到上述因素的各种作用，产生不同类型的衰 北京邮电大学硕士论文m m o 信道下的移动通信系统仿真方案研究 耗或衰落。 路径传播损耗一般称为衰耗，是指电波在空间传播所产生的损耗，反映传播 在宏观大范围的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。 衰落是信号强度对标称值的变化，通常为负值，并且可快可慢。衰落的分布 通常用g a u s s i a n ，r i c i a n 或r a y l e i g h 分布描述。衰落分为两大类：慢衰落和快衰 落。一般来说这两种衰落都存在，不互相排斥，只是考察范围的大小不同。 慢衰落主要是电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡所产生的阴影效应， 反映中等范围内( 数百波长量级) 的接收信号电平平均值起伏变化的趋势。一般 为无线传播所特有，且统计规律上服从对数正态分布。 快衰落是反映微观小范围( 数十波长以下量级) 接收信号电平平均值起伏变 化的趋势。在时域上考察，主要的效应是时域扩散( 多径时延扩散) ，对应频率 选择性衰落。在频域上考察，主要的效应是频域扩散( 多普勒扩散) ，对应时间 选择性衰落。空间选择性衰落是指在不同的地点与空间位置衰落特性不一样。 设球面积为4 r d3 发射点处的发射功率为耳，则接收机输入功率为： 。鲁4 篆4 。导( 刍r 限1 、 硎2玎4 耐。 r ，一、 则自由空间的路径传播损耗为： 工= 毒= ( 等) 2 圳瑭( 竿) 柏限，、片l2j9 l a j限” 即： l ( d b ) = 3 2 4 5 + 2 0 1 9 d ( k m ) + 2 0 1 9 f ( m h z ) ( 2 - 3 ) 其中f 为工作频率，d 为接收和发射天线之间的距离。 大尺度衰落，采用自由空间传播模型来描述，描述的参数是路径损耗，即幅 度随i - r 距离衰减的d b 值，这个规律还跟电磁波的波长等因素有关。不同的传 播环境，对路径损耗有不同的修正。相同的t - r 距离，周围环境也可能差别很大， 这可以通过随机正态分布来描述。即大尺度衰落实质上包含了路径损耗和慢衰落 两个分量。 小尺度衰落，反映信道冲击响应在符号周期内的变化，考察的是短距离( 几 个波长) 内的情况。小尺度衰落主要从两个方面描述：时域和频域。从衰落的时 域扩散来看，定义了附加时延和相干带宽两个参量。从衰落的频域扩展来看，定 义了多普勒扩展、多普勒频移、相于时间等参量。 通常用时域的均方根时延扩展和频域的相干带宽两个参数来描述多径涪道 北京邮电大学颈士论文 m m o 信道下的移动通信系统仿真方案研究 的时间色散特性。均方根时延扩展是多径信号的功率延迟分布的二阶矩的平方 根，而相干带宽是从均方根时延扩展得出，两者成反比关系。相干带宽是一特定 频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。在无线通信系统中， 如果信号的带宽小于信道的相于带宽，则接收信号会经历平坦衰落过程，此时发 送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变。然而，由于信道增益的起伏，接收 信号的强度会随时间变化。反之，如果信号的带宽大于信道的相干带宽，则接收 信号会经历频率选择性衰落，此时接收信号的某些频率比其他分量获得了更大的 增益，使接收信号产生了失真，从而引起符号间干扰。 多普勒扩展和相干时间是描述小尺度内信道时变特性的两个参数，两者成反 比关系。多普勒扩展是频谱展宽的测量值，它由移动台和环境物体的运动速度所 决定，是一个频率范围，在范围之内接收的多普勒频谱有非零值。相干b - i i b q 是信 道时间变化率的一种量度，它是一段时间间隔，在间隔内，两个到达信号有很强 的幅度相关性。在无线通信系统中，如果信道的相干时间比发送信号周期短，则 接收信号会经历快衰落过程，或者称为时间选择性衰落，此时接收信号会发生失 真。反之，如果信道的相干时间远大于发送信号的信号周期，则接收信号经历慢 衰落过程，此时接收信号不会发生失真。 快衰落还是慢衰落取决于基带信号的变化相对于移动台的速度或信道中物 体的移动速度的快慢；快慢衰落与平衰落频率选择性衰落是相互独立的，所以一 个信道可以是它们相互组合的以下四种中的种：平坦慢衰落、平坦快衰落、频 率选择慢衰落、频率选择快衰落。 2 4 电波传播损耗预测模型 移动无线信道是弥散信道。电波通过移动信道后，信号在时域上或在频域上 都会产生弥散，使本来分开的波形资时间上或在频谱上产生交叠，产生衰落失真。 多径效应在时域上引起信号的时延扩展。多普勒效应在频率上引起频谱扩展。 常用的几种：o k u m u r a - h a t a 模型、c o s t - 2 3 lh a t a 模型、c c i r 模型、l e e 模型、c o s t 2 3l - w a l f i s c h - i k e g a m i 模型。 论文中用到的电波传播损耗预测模型主要有以下三种： a 车载测试模型 这种车载测试环境模型主要应用于一个天线高于平均屋顶高度，而另外一个 天线低于平均屋顶高度的情况。其传播模型计算公式为： p a t h l o s s = 4 0 ( 1 4 1 0 一d h b ) l g ( r ) 一1 8 1 9 ( d h b ) + 2 1 l g ( f ) 十8 0 + l o g f 其中，r 是间隔距离( k m ) ，f 是载波频率( m h z ) ，d h b 是基站天线高度( m ) ，以 北京邮电大学硕士论文 m m o 信道下的移动通信系统仿真方案研究 平均屋顶高度为基准，l o g f 是标准偏差为1 0 d b 的对数正态分布。该模型适用 于城市或郊区链路间隔距离从几百米到数公里的情况。 b b e r g 模型 b e r g 模型用于对曼啥顿街区结构的微蜂窝建模，在这种结构中，天线低于屋 顶高度。 b e r g 模型是一个迭代模型，计算得到的路径损耗是视距和非视距街段传播损 耗的总和，需要找到发射机和接收机之间沿着街道的最短路径。路径损耗由下式 决定： 三：2 0 1 。g i 。_ 4 z a ( 2 4 ) 其中，d 是虚幻距离( i l l u s o r yd i s t a n c e ) ，z 是波长，”是沿着最短路径的直线街 段的个数。 下图描述了虚幻距离的计算： t x 、 图2 1 虚幻距离的计算 d 通过下面的公式迭代计算 。广兰3 r x 其中初值= l ，d 。= 0 ，劬s j 和k j 的描述如下： 缈是街道拐弯角度目，的函数，决定了路径损耗的角度依赖性。当q j 为o 时， 没有引入附加损耗，也就是对应直线的街道，目，= o 。q j 随角度的增加连续增加 对直角弯( 对所有，口，= 9 0 ) ，曰= q = o 5 。 撕 札嘞彬k _ = l i 一嘭 北京邮电大学硕士论文m m o 信道下的移动通信系统仿真方案研究 “是物理距离，单位为m 。d ，是虚幻距离。 ，表示由于街道角度引起的附加损耗 由于微蜂窝环境中的路径损耗通常具有双斜率特性，因此公式变为： = 2 0 l o g l o ( 竿 + 协， 弦s ， 其中， f x d b ) ： 石胁“ ( 2 - 7 【1x 矗 x b 。a k 是拐点，设定为3 0 0 m ，x 是收发距离。 c c o s t 2 3 1 - w a l f i s h i k e g a m i 模型 基本的路径损耗由自由空间损耗l 0 ，多屏衍射损耗l m s d 和屋顶一街道衍 射和散射损耗l r t s 组成。 ”憾心“跪慧姜 撕； 自由空间损耗由下式给出： o ( d b ) = 3 2 4 + 2 0 1 0 9 ( d ( k m ) ) + 2 0 l o g ( f ( m h z ) ) ( 2 - 9 ) 其中，f 为载波频率，单位为m h z ，d 为收发距离，单位为m 。 图2 2 街道方向角p 的定义 l r t s 项毛要基于i k e g a m i 模型，考虑了街道宽度和方向，而c o s t 2 3 1 使用了 与i k e g a m i 不同的街道方向。 北京邮电大学硕士论文m m o 信道下的移动通信系统仿真方案研究 。，= 一1 69 1 0 l o g ( w ( m ) ) + l o l o g ( f ( m h z ) ) + 2 0 1 0 9 ( h 。“一，k 。6 ) + l 。 i - 1 0 + 0 3 5 7 1 o 。中 3 5 。 ( 2 1 0 ) l o , i = 2 5 + o 0 7 5 ( q ) 一3 5 ) 3 5 。o 。“ h 。，! 。，a n d d 05 k i n h s ，a n d d h m 。h 。 ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 中等规模城市和郊区 有大量植被的城市( 2 l5 ) 城市中心 k 。项表示基站天线低于邻近建筑物屋顶所增加的损耗，。为基站天线高度 。为屋顶高度，k 。和k ，分别描述了多屏衍射与距离和频率的依赖性，6 为建筑 物平均间距。 2 ，4m i m 0 信道简介 m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 是指在发射端和接收端，分别使用 多个发射天线和接收天线。传统的通信系统如单进单出s i s o ( s i n g l e i n p u t 8 8 1 l ，l i | d 北京邮电大学硕士论文m m o 信道下的移动通信系统仿真方案研究 s i n g l e - o u t p u t ) 系统，基于发射分集和接收分集的多进单出m i s o 方式、单进多 出s i m o 方式也是m i m o 的一部分。 利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降 低误码率。目前，m i m o 系统信道模型一般有三种： ( 1 ) 理想统计模型：假设衰落信道为独立同分布的复高斯信道，般在散射物 较多的市区环境中，分析信道容量和研究空时编码时采用这种模型。 ( 2 ) 物理模型：详细刻划了传播环境的特性，但是它对空间角呈非线性。这对 信道容量计算及收发信机设计都带来了很大的困难。 ( 3 ) o n e r i n g 模型：考虑了传播环境特性，但也只是考虑了m i m o 信道衰落相 关性的影响，未考虑传播环境中散射物的结构特性。 论文采用的是3 g p p 一3 g p p 2 采用的空间信道模型，如图2 3 所示。 n 图2 33 g p p - 3 g p p 2 采用的空间信道模型 n 。和m s 分别指基站和移动台天线阵列的方位，定义为天线阵列法线 ( b r o a d s i d e ) 与方位北( n o r t h ) 之间的夹角；。b 3 和8 糙分别为基站和移动台l o s 路径与天线阵列法线的夹角；6 n ，a o o 和“! a o a 分别指第n 条多径与l o s 路径所成 的离开角( a o d ) 或到达角( a o a ) ；4 n ，f i t , a o d 和m “分别指第n 条多径中的 第m 条子径与第n 条多径的a o d 或a o a 之间的偏置角度；6 一- a o d 和”一， “指 低m 条子径的绝对a o d 或a o a ；v 表示移动台速度，指移动台移动方向跟天线 阵列法线的夹角。 根据仿真的具体环境不同，分为市区宏小区、市区微小区和郊区宏小区等， 再设置不同的信道模型参数。模型考虑了传播环境中散射物的结构特性；及天线 阵的特性。采用此模型便于分析散射物、天线间距等因素对信道容量的影响。 北京邮电大学硕士论文 m m o 信道下的移动通信系统仿真方案研究 设一p q m i m o 系统，没有噪声影响，接收信号向量可以表示为：工= t - i s s 为p x l 维发射信号向量；x 为q 1 维接收信号向量；h 为信道转移矩阵 h ( m ，n ) 为h 的元素。 设在发射端和接收端都采用等距线阵( u l a ) ；而且散射物都位于天线阵的 远场。定义西和靠分别表示发射端和接收端天线间的距离。天线阵的响应向量 可以表示为： 吩( 0 0 = 去旷脚 l l 伽啤 7 ( 2 _ 1 6 ) 州耻每如川确“ ( 2 - 1 7 ) 其中 臼= d s i n ( # ) 2 = as i n ( c ) 庐= s i n “( ) ，五为无线电波波长；口= 州五为归一化天线 间距矢薰，口。( 靠) 接收天线阵在铱方向上对接收信号的响应，a t ( 醇) 表示发射 天线阵对发射信号的加权向量。 对于发射端和接收端都采用u l a 的m i m o 系统，信道矩阵可以表示为： 唧譬 胃= iig ( 最，已如。( 铱) n ( 岛) d g d g r ( 2 - 1 8 ) 肌5 南一一! g ( b ) 8 - j 2 ”a m e j 2 , r a r , d 掣岛 心- 1 9 ) 上式中，g ( 刚 表示散射物特性；天线响应向量对口的周期为1 ，0 卜o ，5 ，0 5 ) 。上式可以写为 h ，一) = 了蘑1 1 l 2 。一1 j 1 2 ：g ( 靠，岛哪嗍”e j 2 ，畸”d 靠d 岛由上式可以看出，在实际环境 中6 ( 锦，啡) 只是在相应散射物的有限角度扩展范围内是非零的。即对于每一个散 射物都有一个非零核函数g ( 靠，g ) 与之对应。 因此，信道的离散物理模型可以写为：h =