（通信与信息系统专业论文）无线多径信道仿真分析及研究.pdf

，华中科技大学硕士学位论文 摘要 本论文主要针对无线移动信道多径衰落特性进行无线信号实测分析及无线信道 物理层和链路级仿真的研究。 论文首先介绍了移动通信发展简史、无线电波传播的基本概念以及无线电波传 播所经历的三种衰落；无线电波传播小尺度衰落及其分类，并推导了小尺度传播下 无线信号包络的一阶、二阶统计特性。 其次，在理论分析的基础上，进行实测部分的研究，主要是归纳并提出了一套 进行多径衰落信号实测采集的实验方法，并采用此方法在武汉地区进行了数据实测 和分析，初步得出武汉地区不同环境下无线信号快衰落的某些特定参数范围，比如 多径衰落符合莱斯衰落时其中的莱斯因子k 的范围。在分析现有的c l a r k e 和g a n s 仿真 模型的基础上，使用3 d a u l i n 多普勒功率谱模型以代替原有的2 dg a n s 多普勒功率 谱模型，根据此模型产生了一组正交数据集，并验证了仿真结果设计一个三维传播 的c l a r k e 与a u l i n 实用移动信道特性物理层仿真模型，并通过数据的预处理简化传统 的无线信道仿真过程，同时将实测分析得出的k 值代入模型中考察模型的仿真结果。 最后，修改o p n l i t 仿真软件中的无线接收功率模块，将无线信道物理层仿真模 型引入至t j o p n e t 中以考察无线信道链路级传输特性，通过改变莱斯因子k 和预处理 数据可用此模型同时实现在实验室对不同环境下的移动无线通信信道物理层和链路 级特性的仿真和研究。 本文的研究工作及其成果对复杂传播环境下进行无线信道特性和无线通信系统 性能的研究具有理论意义和实用价值。 关键词：莱斯衰落数据采集a u l i n 多普勒功率谱信道特性仿真 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ht o p i ci nt h i st h e s i si sa c c o r d i n gt ot h em u l t i p a t hf a d i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fw i r e l e s sm o b i l ec h a n n e l ，m e a s l 】r ea n da n a l y s i st h ep r a c t i c a lw i r e l e s ss i g n a la n da p p l y t h er e s u l tt ot h ew i r e l e s sc h a n n e lp h y s i c a l l e v e la n dl i n k - l e v e ls i m u l a t i o n f i r s t l y , i n f f o d u c ct h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s r a d i ow a v ep r o p a g a t i o n , a sw e l l 船t h e b a s i cc o n c e p t so f t h et h r e ee x p e r i e n c e dr a d i ow a v ep r o p a g a t i o nf a d i n g a n dt h ed e c l i n eo f s m a l l s c a l ec l a s s i f i c a t i o no fr a d i ow a v ep r o p a g a t i o na n ds p r e a do fs m a l l - s c a l ed e r i v e d w i r e l e s ss i g n a le n v e l o p eo f t h ef i r s ta n ds e c o n do r d e rs t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s s e c o n d l y , t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h eb a s i s ，t h em e a s l l f e dp a r to ft h es t u d yi s s u m m a r i z e di nas e to f m u l t i - p a t hf a d i n ga n dt h em e a s u r e ds i g n a la c q u i s i t i o nm e t h o d u s e t h i sm e t h o di nt h em e a s u r e m e n t sa n dd a t aa n a l y s i so fw u h a na r e a , p r e l i m i n a r yw u h a nf a s t f a d i n gu n d e rd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e sw i r e l e s ss i g n a l so fc e r t a i ns p e c i f i cp a r a m e t e r s ，s u c h a sf a d i n gkf a c t o re x t e n tw h e nm u l t i p a t hf a d i n ga c c o r dw i t hr i c ef a d i n g i na n a l y z i n g t h ee ) 【i s t i n gc l a r k ea n dg a n s u k hs i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nt h eu s eo f3 一da u l i nd o p p l e r p o w e rs p e c t r u mm o d e lt or e p l a c et h ee x i s t i n g2 - dg a n s n k hd o p p l e rp o w e rs p e c t r u m m o d e l ，t h i sm o d e lh a sc r e a t e dag r o u po fo r t h o g o n a ld a t as e t sa n dv e i i 匆t h es i m u l a t i o n r e s u l t st od e s i g nat h r e e - d i m e n s i o n a ls p r e a do fc l a r k ea n da u l i np r a c t i c a lm o b i l ec h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h y s i c a ll a y e rs i m u l a t i o nm o d e l ，a n dt h r o u g hd a t ap r e t r e a t m e n t s i m p l i f yt r a d i t i o n a lc h a n n e ls i m u l a t i o np r o c e s s ，w i l lb em e a s u r e da n a l y s i so ft h ev a l u e s i n t ot h em o d e lo f t h ei n s p e c t i o nm o d e la n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h i r d l y , m o d i f yt h eo r i g i n a lr e c e i v em o d u l eo fo p n e t , i n t e g r a t et h ep h y s i c a l l e v e l s i m u l a t i o nm o d e li n t ot h el i n k - l e v e ls i m u l a t i o nm o d e lt os u r v e yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e w i r e l e s sc h a n n e ll i n k - l e v e lp r o p a g a t i o n t h r o u g ht h ec h a n g eo fka n dt h ep r e - p r o c e s s e d d a t a s h e e t , t h em o d e lc a na c h i e v et h er e s e a r c hb o t ho ft h ep h y s i c a la n dl i n kl e v e lo ft h e d i f f e r e n te n v i r o n m e n ti nl a b ，w h i c hh a sa ni m p o r t a n tt h e o r ya c c e p t a t i o na n da c t u a lv a l u e f o rt h er e s e a r c ho fw i r e l e s sc h a n n e l a b i l i t ya n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 华中科技大学硕士学位论文 l r f o r m a n c * i nc o m p l e xs i t u a t i o n t h er e s e a r c ha n dt h ed i s s e m i n a t i o no fr e s u l t so ft h ec o m p l e xe n v i r o n m e n tf o r w i r e l e s sc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si s m o r ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：r i c ef a d i n g d a t am e a s u r e m e n t c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c ss i m u l a t i o n m 独创性声明 - y 1 0 1 6 3 3 b 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中己经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期：d 2 l “年f o 月q 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本论文属于在年解密后适用本授权书。 不保密囹 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名 日期：函辟f n 月2 j 日 雌名德撒 日期：2 硒5 年1 8 月2 3 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章介绍了移动通信发展简史以及无线电波传播的基本概念，重点介绍了无线 电波传播中所经历的三种不同尺度的衰落，为下一章具体分析小尺度衰落打下基础。 1 1 移动无线通信发展概述 自1 8 9 7 年马可尼( m a r c o n i ) 第一次展示了无线电使在英格兰海峡里行驶的船 只保持连续不断的通信能力以来，运动中的通信能力已经得到举世瞩目的发展。自 那以后，全世界的人们都在热切地盼望使用新的无线通信方法和途径。特别是在过 去的几十年里，无线移动通信在数字和射频电路制造技术方面的进步，在新的大规 模集成电路和其他使便携移动设备做得更小、更便宜、更可靠的小型化技术的推动 下获得了巨大的发展。数字交换技术又推动了移动通信网络的大规模发展。这一趋 势目前以更快的步伐发展着。 移动通信技术最初的发展是缓慢的，向所有人提供无线通信能力的方案一直没 有被人们构想出来，直到六、七十年代贝尔实验室提出了蜂窝移动通信的方案【”。随 着7 0 年代高度可靠的、小型化的、晶体射频电路的发展，无线通信的时代才到来。 二十世纪9 0 年代，全球蜂窝和个人通信系统接近指数曲线的发展，直接归功于7 0 年代的新技术，现在只不过是发展更为成熟而已。将来的消费者使用的移动和便携 通信系统的发展，将会与消费者的需求、数字处理、接入和网络的技术密切相关， 同时受到无线频谱分配政策的影响。 且前无线通信由于其相关技术的保障，正在经历着它有史以来技术进步最快、 用户增长最迅猛的时期。以美国为例，二十世纪3 0 年代中期，据估计美国已经有大 约5 0 0 0 个无线电接收装置。1 9 3 5 年频率调制( f m ) 技术的出现以及第二次世界大 战中电子仪器小型化技术的提高使得移动通信进入了第一次快速发展时期，美国移 动用户从1 9 4 0 年的几千上升到1 9 4 8 年的8 6 万，1 9 5 8 年的6 9 5 万和1 9 6 2 年的1 4 0 万嘲。二十世纪七十年代蜂窝技术的出现使得更多的用户接入移动网成为可能，而集 成电路的发展让用户设备也更便宜，这样移动通信用户数量到了第二个发展高峰期。 到1 9 9 5 年，美国的移动和便携无线电用户的数量达一亿左右。而且白1 9 9 4 年以来， 移动用户以每年5 0 的速度增长。目前，世界各国的移动通信仍然处在迅速发展的 阶段，移动电话已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分。 华中科技大学硕士学位论文 表1 1 列举了百余年来无线通信发展过程中的里程碑时间。可以看出，伴随着 人们对通信理论研究的深入和技术的提高，移动通信也得到了相应的发展。 表1 1 无线通信史中的里程碑事件 年代事件 1 8 7 3m a x w e l l 预言电磁波的存在 1 8 8 8h e r t z 实验证实电磁波的存在 1 8 9 7m a r c o n i 在船上实验无线通信 1 9 2 4美国警察首先使用无线通信系统 1 9 6 9美国贝尔实验室提出“蜂窝”的概念 1 9 7 9n r r ( 日本电报电话公司) 蜂窝系统建立 1 9 8 3a m p s 蜂窝移动电话频率分配( 美国) 1 9 8 5t a c s ( 全入网通信系统) ( 欧洲) 1 9 8 8j t a c s 蜂窝系统( 日本) 1 9 9 1u s d c ( 美国数字通信系统) 1 9 9 3 d e c t & d c s ( 欧洲1 1 9 9 5i s 9 5c d m a ( 美国) 1 9 9 8铱星全球卫星系统启动 2 0 0 2i m t - - 2 0 0 0 第三代蜂窝移动系统 为了达到更高比特率数据业务和更好的频谱利用率，二十一世纪初移动通信正 在向第三代( 3 g ) 移动通信系统过渡。3 g 移动通信系统以多媒体业务为主要特征， 可提供一系列的新业务，如多媒体通信、高速商务处理、遥测业务以及用户通过移 动通信网接入因特网或企业网等业务，其中最具有代表性的有北美的c d m a 2 0 0 0 、 欧洲和日本的w c d m a 以及我国提出的t d s c d m a 三大系统。 1 2 移动无线传播环境的多样性和多径性 对于在超高频( u h f , 3 0 0 m h z 3 g i - i z ) 和微波频段内的频率，波长小于1 米，波长 同建筑物相比要小得多，因此用射线来描述这一波段内的电波传播是有意义的。在 典型的传播环境中，特别是在城市传播环境中，由于各种障碍物的存在通常使电波 发生f 多次) 反射、衍射、透射和散射作用，因而即使在发射天线和接收天线之间没有 可达视线( l o s ) 时，接收天线也能够接收到信号。 实际环境的多样性导致无线传播的高度随机性，对在这样复杂环境中传播的信 2 华中科技大学硕士学位论文 号的变化进行精确特征描述是一项非常艰巨的任务。因此对实际传播环境进行抽象 可以简化问题，如表1 2 所示。 表1 2 无线传播环境的分类 类别编号描述 河流、湖泊和海洋 开阔农村 农村( 类似于上一类，但是有一些多树区域) 多树的、或有覆盖有森林的农村 丘陵或多山的农村 郊区，有低密度的居民住宅和现代工业区 郊区 市区 市区 市区 有高密度的居民住宅 建筑物不超过四层，并且建筑物之间有空隙 建筑物密度很高，而且有些建筑物高于四层 建筑物密集且大部分建筑物高于四层 在实际的传播环境中，由于存在各种建筑物、树木对信号的衍射，无线信道可 以为一个时变多径信道【2 】，如图1 1 所示： 图1 1 无线信号在复杂的环境中传播 如果在一个时变多径信道上发射一个非常窄的脉冲( 理想情况下是发一个冲激 信号) ，则接收信号将呈现一个脉冲序列。所以时变多径传播信道的第一个特性就是 引起传播信号的多径时延扩散，第二个特性是由于传播信道的随机时变特性而使得 多径也有随机时变的特性，即所接收的脉冲信号随着时间变化将会出现脉冲幅度大 小的变化和各脉冲之间相对时延的变化，以及接收序列中脉冲数目的变化。由于这 种时变特性对于信道用户来说是无法预知的，因此用统计的方法来表征时变多径信 3 华中科技大学硕士学位论文 道是合理的。 实际移动台接收到的信号如图1 2 所示， 膏墓站照骞i 英里) 图1 2 当移动台驶离基站时典型的接收功率电平 由图1 2 可以看到信号强度随着移动台与基站的距离增加而减小的趋势，而在很 小的距离变化时局部信号幅度却有剧烈变化。 如果对图1 2 所示的测量信号在4 0 个波长的空间距离上取平均1 3 1 ，就可以得到 如图1 3 所示的均值包络或均方包络，此包络反映了不同尺度下信号的衰落特性。可 见，由于移动无线信号的随机特性，对这种变化复杂的信号使用某一种确定性处理 不能准确地描述问题的实质。因此，我们应该在统计基础上更精确地处理移动无线 信号，用给定概率发生的随机事件来解释现象。为此，根据前面的讨论我们可以把 陆地移动通信无线信号用三种传播机制来表征，这三种传播机制是根据距离尺度大 小来区分的。首先是路径损耗( 大尺度衰落) ，它是电波在空间传播所产生的损耗， 反映出传播在宏观大范围( 千米量级) 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋 势；其次是阴影损耗( 中尺度衰落) ，它主要是指电磁波在传播路径上受到建筑物的 阻挡所产生阴影效应而产生的损耗，反映了在中等范围内( 数百波长量级) 的接收信 号电平平均值起伏变化的趋势，这类损耗为无线传播所特有，且一般从统计规律上 看遵从对数正态分布；快衰落损耗( 小尺度衰落) ，它是反映微观小范围( 数十波长以 下量级) 接收电平平均值的起伏变化趋势，其电平分布一般遵从瑞利( r a y l e i g h ) 分布、 莱斯( 雕c e ) 分布和m ( n a k a g a m i ) 分布h 。 4 孽霉越孵申罄蕃端 华中科技大学硕士学位论文 | ij 血 圣 |_ w 迤 | _ 肚： 、e ：一| 。 ， 溺二 i i 形中翻- 粤7 p 媳 删瞄 量， 6 - 兮 l 蒸， 图1 3 某郊区地区中的信号在不同衰落尺度下的行为 在这一节中，主要研究的是移动信道的衰落特性，其中包括大尺度衰落特性、 阴影衰落特性以及小尺度衰落特性等，以及这三者之间的相互关系。小尺度衰落是 论文研究的主要内容，而论文所采用的基于实测数据的研究方法也促使我们必须了 解大中尺度衰落的相关特性，因为实测数据的预处理就是为了去除大中尺度路径损 耗及阴影衰落的影响。 1 3 移动无线传播衰落分类 1 3 1 路径损耗( 大尺度衰落) 大尺度传播模型描述的是发射机和接收机之间( t - r ) 长距离( 几百米或几千米) 上的场强变化，表征了由于移动台经过较大距离的运动而引起的平均接收信号功率 衰减或者路径损耗。 路径损耗代表的是大尺度衰落的传播特性，它具有幂定律的传播特征，主要反 映自由空间传播损耗与传播中的弥散损耗，可以用近似关系式来表示【4 】 只一k r 4( 1 1 ) 式中，只是距离发射端只处的平均接收包络功率，k 是和发射功率、工作频率及天 线高度有关的比例因子，厅是描述与传播路径长度关系的指数。在自由空间中接收信 号功率是随路径长度的平方衰减，也就是厅= 2 。因此，自由空间路径损耗也可以表 示为式( 1 1 ) 或式( 1 2 ) ，即 5 华中科技大学硕士学位论文 l 。：f 竿1 ( 1 2 ) 其中五为载频的波长，工。为传播损耗。 平坦地面是陆地移动通信中最简单的情况，可以用双射线模型( 2 r a ym o d e l ) 来 描述，如图1 4 所示。它是基于几何光学的传播模型，可以描述无线电波在平坦地面 上的传播过程。在u h f 和微波频段，当天线在地面上方至少有几个波长的高度时， 该模型对描述传播损耗是非常有效的。 图1 4 双射线模型 图中的甄、分别表示基站天线高度和移动台天线高度。在典型的无线应用场 景中，基站天线高度_ j i i 为几十米，移动台天线高度吃为l 2 米，水平距离r 为1 0 0 米或者更长，因此图中的只和岛都接近直角。 可以通过实际路测观察双射线模型的路径损耗情况。当基站的移动台驶离该基 站时，连续地测量接收到的功率，接收到的功率趋势就如图1 2 所示。功率和距离用 分贝表示时，其平均功率将随距离线性地变化，这被称作幂定律传播机制。在双射 线模型中，确定幂定律中的传播损耗指数珂，一般的方法是直接对图1 2 所示的实验 测量值进行线性回归处理得到疗值，见图1 5 。 6 华中科技大学硕士学位论文 _ 一谶 ：一潮鬣值 翻r 誓 ：一霸犯赢线 崩网 ； 磬 ； 歹7 距离m ) 图1 5 典型的市区道路传播损耗特性 大量实验测量结果表明，市区和郊区宏小区环境中路径损耗中的指数n 一般在 3 - - 4 之间变化，通常接近4 。在市区微小区中，指数范围从4 左右到9 以上。该值可 用于路径长度在1 1 5 k m 的范围内，和频率及环境类型基本无关，但和基站天线高度 有关，基站天线越高，n 值越小。另外，对于远距离处的n 值实际上较大，即信号强 度在这样的距离上迅速地减弱。例如在4 0 - - , l o o k m 之间，n 值约为4 2 6 6 ，并且天线 愈高，其值反而偏小。在1 5 , - 4 0 k i n 距离之间，n 值在3 5 4 2 之间。 1 3 2 阴影衰落( 中尺度衰落) 阴影衰落又称为对数正态衰落，因为它通常呈对数正态分布。如果移动用户沿 着与基站等距离的路线移动，所接收到的以分贝表示的本地中值信号将围绕着总的 中值( 5 0 ) 信号强度起伏变化。以这种变化的幅度为自变量，可做出其概率密度分布 函数。大量的测试结果表明，这种分布在市区呈现为高斯分布，即信号强度呈对数 正态分布。在郊区和丘陵地带，信号强度也近似服从对数正态分布。阴影衰落变化 的空间尺度同周围环境的主要阻挡体的尺度相当，如相当于建筑物的或丘陵的宽度， 通常为几十米或几百米。 阴影衰落的物理机制：信号沿着传播路径所经历的各次损耗( 如反射、衍射等) 可看作是独立的，设共有次衰减，分别为4 ，4 ，4 ，由于它们以级联的方式发 生作用，则总的损耗爿为各次随机衰减之乘积： 爿2 4 。4 ”。4 ( 1 3 ) 当用分贝表示时，结果为各次衰耗之和： 乓= 厶+ 厶+ + 工( 1 4 ) 7 华中科技大学硕士学位论文 如果认为所有的厶是随机变量，根据中心极限定理，其和变量厶是一个高斯随 机变量，由此a 呈对数正态分布。 在实际中，并非所有的损耗都对总路径损耗起着同样大小的作用，很有可能是 那些最接近移动端的损耗产生的影响较大。 1 3 3 多径衰落( 小尺度衰落) 小尺度衰落或简称衰落，是指无线信号在经过短时间或短距离传播后其幅度的 快速变化，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略。这种衰落是由于同一传输信号 沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的。陆 地移动无线电一般使用u h f 频段，波长从1 5 到6 0 c m ，因此，不同传播路径长度发 生小的变化也会产生大的相位变化。接收机天线将它们合成一个幅度和相位都急剧 变化的信号，其变化程度取决于多径波的强度、相对传播时间及传播信号的带宽等。 由于多径传播引起的衰落一般称为多径衰落( 有时也称为包络衰落) ，正如我们在后 面将看到的，多径衰落的时间速率决定于移动台的速度，多径衰落包络的随机变化 在统计特性上服从瑞利分布、莱斯分布或m 分布。 无线信道的多径特性导致小尺度衰落效应的产生。三个主要效应表现为： 1 经过短距或短时传播后信号强度的急速变化。 2 在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移( d o p p l e rs h i f t s ) 引起的随机 频率调制。 3 多径传播时延引起的扩展( 回音) 。 在高楼林立的市区，由于移动天线的高度比周围建筑物矮很多，因而一般不存 在从移动台到基站的视距传播，这就导致了衰落的产生。即使有这样一条视距传播 路径存在，由于地面与周围建筑物的反射，多径传播仍会发生。入射电波以不同的 传播方向到达，具有不同的传播时延。空间任一点的移动台所收到的信号都由许多 平面波组成，它们具有随机分布的幅度、相位和入射角度。这些多径成分被接收机 天线按向量合成，从而使接收信号产生衰落失真。即使移动接收机处于静止状态， 接收信号也会由于无线信道所处环境中的物体的运动而产生衰落。 如果无线信道中的物体处于静止状态，并且运动只由移动台产生，则衰落只与 空间路径有关。此时，当移动台穿过多径区域时，它将信号的空间变化看作瞬时变 化。在空间不同点的多径波影响下，高速运动的接收机可以在很短时间内经过若干 次衰落。更为严重的情况是，接收机可能停留在某个特定的衰落很大的位置上。在 8 华中科技大学硕士学位论文 这种情况下，尽管可能由行人或车辆改变了场模型，从而打破接收信号此时长时间 维持失效的情况，但要维持良好的通信状态仍非常困难。天线空间分集可以防止极 度衰落以至于无效的情况。图1 6 显示了当接收机在几米范围内移动时，由于小尺度 衰落引起的接收机信号的典型快速变化，接收机移动移动速度1 ，= 1 0 m s 。 图1 6 小尺度衰落对接收信号的影响( v = 1 0 州j ) 由于移动台与基站的相对运动，每个多径波都经历了明显的频移过程。移动引 起的接收机信号频移被称为多普勒频移。它与移动台的运动速度、运动方向，以及 接收机多径波的入射角有关。 对于移动无线系统，因为发射机与接收机之间的相对运动造成传播路径变化， 所以信道是时变的，这些传播特性的变化率决定了信号的衰落速率。小尺度衰落包 含几种衰落模式，其中一种为瑞利( r a y l e i g h ) 衰落。当反射路径很多并且没有可视路 径( l o s ) ，接收信号包络由r a y l e i g h 过程描述；当有一个支配路径存在时，例如可视 传播路径，那么小尺度衰落可以由莱斯( r i c e ) 过程描述。当移动台在较大的区域内随 机游走时，接收信号必定经历两种衰落模式：大尺度衰落( 阴影衰落) 和叠加在其上的 小尺度衰落。 一般来说，路径损耗模型通常用来预测发射机给定距离时的接收信号平均强度， 因为这种模型主要描述在发射机与接收机之间距离很大时( 一般几百米或者上千米以 上) 接收信号的变化情况，因此又称为大尺度传播模型。因为对于某种特定的大尺度 传播模型来说，在确定发射机和接收机之间的距离后，所预测的路径衰耗一般是一 个确切值，因此可以通过增大发射功率等方法来去除路径衰耗所带来的影响。所以 在链路级仿真考察无线信道对编码、调制等方案的影响时一般不考虑大尺度路径损 耗所带来的影响。 9 华中科技大学硕士学位论文 1 4 小结 研究和开发数字移动通信系统工程的首要工作就是认识移动信道本身的特性， 并研究无线信道所带来的一些相关特性。 根据发生衰落的距离尺度的大小，陆地移动通信无线信号可以用三种传播机制 来表征：大尺度传播机制，用于描述区域内信号功率的均值，反映传播路径损耗： 中尺度传播机制，描述阴影衰落；小尺度传播机制，描述多径衰落。 对于移动通信系统，传播路径损耗和阴影衰落将影响系统的覆盖范围，而多径 衰落将影响信号的传输质量，由于多径衰落造成的移动信道误码是影响通信质量的 主要原因。因为这种多径衰落对通信的可靠性危害较大，因此有必要对它进行深入 细致的研究并开发出方法来减轻它的影响【1 1 。 复杂恶劣的传播环境是移动信道衰落特性的决定因素，不同环境，其衰落特性 也不相同。实际上移动信道与电波传播已成为许多理论分析和现场实测的课题，并 已经得到了许多有关其特性的结果。然而由于移动信道的复杂性使得仍有许多待研 究的课题。传播环境对移动信道特性起关键的作用。确定城市内某个特定区域传播 环境的主要因数包括自然地形、市区内人工建筑的数量、高度、分布等情况、天气 状况、自然的和人为的电磁噪声状况等。随着移动体种类的不同，传播环境的变化 以及使用频段的差异，移动通信的传播方式各不相同，其传播特性也不一样嘲。为了 评价移动通信设备的性能，通常要在陆地移动环境中反复进行长时间的测试，其数 据真实可靠但技术实现存在极大的困难，而利用信道理论和已有数据建立反映信道 差错统计规律的信道模型，用计算机进行仿真则投资少、周期短、容易进行修正及 参数优化。但是，传统的仿真模型并没有考虑多径衰落发生的具体环境，往往只能 凭主观或经验来选定仿真中使用的参数值，因而得出的结果对于实际的无线系统设 计而言，往往没有针对性。 因此，我们选取武汉地区的无线电波传播环境，通过对无线网络中小区信号进 行测量，得出符合某一特定环境的多径衰落特性的参数值范围。随后修改c l a r k e 模 型中使用的二维g a a s 多普勒功率谱模型并由此生成一组正交数据集，然后利用 o p n e t 仿真工具构建无线衰落信道模型，通过调整o p n e t 中无线链路模型中的接 收功率模块，代入预处理数据集实测得出的多径衰落参数值，使得仿真结果更贴近 于无线电波传播实际环境。利用o p n e t 进行链路级仿真，在得到信道的误码率、丢 包率等参数基础上进一步进行分析，从而为设计一个更加贴近真实物理场景下的网 络级仿真打下了良好的基础。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 多径信道理论模型 由上一章可知，多径信道可看作一个线性时变信道，其多径路径满足叠加性质。 在这一章中，将要详细讨论多径信道的物理基础及数学模型，以及多径衰落信道下 接收信号的一阶、二阶统计特性，从而为下一章的信道实测打好理论基础。 2 1 多径衰落的物理成因 在移动通信环境中，由于地形的起伏变化，或者建筑物的阻挡，空间任意一点 移动台接收到的信号都是由多个入射波合成，这些入射波通常经历了不同的传播路 径，具有不同的到达角( a o a ，a n g l eo f a r r i v a l ) 、振幅和相位。由于不同传播路径中 反射、衍射和散射过程的随机性，各个多径波的到达角、振幅和相位也可以认为是 随机的，这些多径成份被接收机的天线按向量合成，从而使接收信号产生衰落失真。 图2 1 和图2 2 分别示意了视距( l o s ) 传播和非视距传播( n l o s ) 下的多径传播 情况。在非视距传播下，每个入射波的相位可认为是互相独立的，并且均匀分布于 各个方向，对于这种类型的散射环境，接收包络在任何时候都是瑞利分布，也可说 成是呈现瑞利衰落；在视距传播时，有一个强度大的直射波到达接收机。在微蜂窝 环境中，移动台和基站之间有对会有l o s 路径，即使在缺少l o s 传播条件时，在移 动台和基站之间经常存在某条占主导地位的反射或绕射路径，在这种情况下，接收 包络呈现莱斯衰落。 图2 1l o s 多径传播 华中科技大学硕士学位论文 图2 2n l o s 多径传播 移动信道的多径环境所引起的信号多径衰落，可以从时间和空间两个方面来描 述和测试。从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离变动而 衰减。其中，本地反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变化，其局部均值为随 距离增加而起伏的下降的曲线，反映了起伏所引起的衰落及空间扩散损耗。从时域 角度来看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间就不同。这样，如从基站发 送一个脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉冲，而且还包含它的各个时延信号。 这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展的现象，称为时延扩展。扩展 的时间可以用每一个到达的信号至最后一个到达的信号时间来测量。 一般来说，模拟移动系统中主要考虑多径效应所引起的接收信号幅度的变化， 而数字移动系统中主要考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩展。这是因为，时 延扩展将引起码间串扰，这将严重影响数字信号的传输质量。 2 2 多径衰落的数学模型 通常人们不试图去预测多径衰落下的确切信号强度，因为这将需要对所有散射 体的几何参数和电磁参数有非常精确的掌握。相反，人们使用统计模型对多径衰落 进行研究，l o s 和n l o s 情况下的多径衰落模型有很大的不同。 设基站发射的载波信号为a c o s w o t ，a 和都是常数，分别代表振幅和相位 经过多径散射信道，在接收端得到由发射波延迟信号之和合成的同相和正交的波形 x ( | ) 弼 1 2 华中科技大学硕士学位论文 x ( t ) 艺 4 c o s o j o t + b , c o s f w o t + z 2 ) - 【4 伽啡一b , s i n c o o t ( 2 1 ) - x 。 t ) c o s m 4 - x , ( t ) s i n d 式中p j 。4 ，f f ，一县，其中4 和e 均为复振幅，包括了接收信号振幅和 相位的影响。当接收机有相对于发射机的移动时，多径散射信道的时变特性使得接 收波形的同相分量和正交分量之和的幅度也是时变的。根据中心极限定理，大量的 独立随机变量之和符合正态( 高斯) 分布。在多径数目很大的情况下，可以认为毪“， 和t n ，是正态分布。用包络和相位来表示可f ，有 x f f j r r f j c d s 【v + 矿f f j 】 ( 2 2 ) 这样，当发射信号为正弦波时，多径散射信道输出的样本函数的表达式和窄带 高斯随机过程相同。 由( 2 1 ) 和( 2 2 ) 式可知 猕可r ( ”t ) 删s i n 妒( n t ) ( 2 3 ) x i t ) 、。 因此有 刚f j 压两i 而( 2 4 和 加j t a n q 搿 ( 2 - 5 ) 式中r ( t ) a 0 ，0 s 吖f ) s h ，在同时刻抽样得到的随机变量似j 一置和t p ，一置是 统计独立的高斯变量，其均值和方差分别为： x c 9 ：q ，1 2 q 一z 一仃2 、7 疋和工，的联合概率密度函数为 如。( 肌) 。嘉e x p ( 一等j ( 2 7 ) 华中科技大学硕士学位论文 ，= 懈曜l - 瓦f 乳。矿i c o 删s # 埘s i n e 胄，= 懈l = f 夏习= m 删驯l = 胄 由此，可得r 和矿的联合概率密度函数： p r r ，矿，= i t ，i p k ( ，伽仍，j 加伊) = 去唧( - 堑軎堕2 丽唧【一乞：产j ：j 寺唧( 丢 ，圳胚哗石 【 0 ， o 包络矗的概率密度函数办r ，j 可通过对矿在o 到2 万内积分得到，即 加，寺唧( 一2 r _ 盯l ：) 晒 a 。 。 一| 、 1 。 。| 。 一| 。 。| 。 。| 、 1 r = 口 r = 1 2 5 3 3 0 - 一 ， 、 i 一、： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 0 00 51 01 52 0 2 53 0 图2 3 瑞利分布的概率密度函数( 盯= 0 8 ) ，的均值7 、均方根值，肼和方差z 分别为 砷咖f 删毋= 居- 1 2 5 3 3 仃 1 4 j l l d 华中科技大学硕士学位论文 r 瑚= 厨r 2 ) = 、l e ，p ( r ) d r = 届“4 1 4 0 q 1 2 ) 仃：= e ( r z ) 一e | ( r ) = 0 4 2 9 2 0 z q 1 3 ) 由瑞利概率密度函数可得瑞利累积分布函数，即 f ( r ) = l 咖) d r = l 唧一寺) d r - 1 _ e x p ( 一寺) q 1 4 ) 大量的测量结果表明，瑞利分布是对n l o s 情况下衰落信号包络统计特性的极 好近似，因此这种信道也被称为瑞利信道。 对于l o s 的情况，接收信号由如同n l o s 情况下的多径分量合成，再加上一个 相干的直射波分量，这个直射分量的能量通常比其它所有多径分量的能量之和还大， 因此它对能量分布起着重要的作用。这个现象在数学上可表示为窄带高斯随机过程 和正弦波过程之和。通过求该和的包络的概率密度函数，就可以得到l o s 情况下衰 落分布的数学模型，此模型包络的概率密度函数，也即莱斯( r i c e ) 概率密度为【1 1 1 4 p 俐= 砉唧( - 等卜( 等) 。，二m s ， 式中o - 2 等于散射分量中的平均功率，彳2 2 是信号中占主导地位的直达分量的平均功 率，厶是第一类零阶修正贝塞耳函数。相应的，这种信道也被称为莱斯信道。 通常定义k = a 2 2 盯2 ，表示直达平均功率彳2 2 和散射平均功率盯2 之比，x 称 为莱斯因子，莱斯分布常用该参数来描述，这也是本文重点研究的内容之一。我们 可以通过将总平均功率盯2 + 彳2 2 固定为1 ，令盯2 + 4 2 2 = l 代入莱斯因子中，得到 o r 2 = 1 ( 1 + 足) ，这样就有 p p ，：，r 1 + 足，e ，矽f 一定一! ：( ! 型1 厶( ，! 西i 丽) o ， m ( 2 1 6 ) 当足接近零时，即彳斗0 时，由瑞利分量占支配地位，当k = 0 时传播信道呈现 瑞利衰落：当k 很大时，由直达分量占支配地位，可以用高斯概率密度函数来近似， 均值为2 足盯，标准差为盯；而当k = 0 0 时信道根本不出现任何衰落，给出不变信道。 莱斯概率密度函数的分布曲线如图2 4 ，图中给出了不同量值时的曲线。 华中科技大学硕士学位论文 - 警 2 3 多径信道衰落类型 图2 4 归一化莱斯概率密度分布 影响多径衰落的主要因素有多径传播、移动速度、周围物体的移动速度以及信 号的传输带宽。多径衰落根据传输信号的带宽、移动速度和不同的传播环境，可以 分为四种不同的衰落类型：非频率选择性( 平坦) 衰落和频率选择性衰落，快衰落和慢 衰落【1 2 1 ，一般来说，多路信号到达接收机的时间有先有后，即有相对时( 间) 延( 迟) 。 如果这些相对时延远小于一个符号的时间，则可以认为多路信号几乎是同时到达接 收机的，这种情况下多径不会造成符号间的干扰，这种衰落称为非频率选择性( 平坦) 衰落，因为这种信道的频率响应在所用的频段内是平坦的。相反地，如果多路信号的 相对时延与一个符号的时间相比不可忽略，那么当多路信号迭加时，不同时间的符 号就会重迭在一起，造成符号间的干扰，这种衰落称为频率选择性衰落，因为这种信 道的频率响应在所用的频段内是不平坦的。至于快衰落和慢衰落，通常指的是信号相 对于一个符号时间而言的变化的快慢粗略地说，如果在一个符号的时间里，变化不大， 则认为是慢衰落。反之，如果在一个符号的时间里，有明显变化，则认为是快衰落。 如表2 1 所示，其中，现为传输信号带宽，毋为信道的相干带宽，五为传输码元 周期，瓦为信道的相干时间。 本文所研究的是g s m 信道下无线信号多径衰落特性，因此重点放在频率非选择 性快衰落信道的研究之上。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 表2 1 多径衰落的特性及分类 信道模型 瓦 瓦 b ， 皿频率色散 多普勒( 时间和频频率选择性信道 时间平坦衰落率) 色散 时间非选择性或时间选择性或 慢衰落信道快衰落信道 2 3 1 相干时间和多普勒扩展 相干时间和多普勒扩展是描述信道时间特性方面的重要参数。相干时间瓦是信 道特性没有显著变化的那段持续时间”3 1 。信道的时间变化在频域中表示为多普勒扩 展，它定义为当单一频率正弦波( 载波未调制) 传输时的频谱宽度。 1 多普勒扩展 在典型的多径环境中，接收信号从不同的角度到达，每一多径分量的多普勒频 移通常是不同的，总的效果就体现为多普勒扩展。 以速度v 运动的接收机接收载频为疋的入射波时，多普勒频移为( 假设运动的速 度方向与入射波方向之间夹角为a ) ： 五= 厶c o s = - - - c o s f z = 二z c o s g ( 2 1 7 ) c 式中五是最大多普勒频移。因此，以口角度入射的波的瞬时频率为 t a 、= l c 4 - | l = f c 七 。c o s q 、q 则在该角度上接收到的信号功率为 p r a ) = g ( 口) p ( a ) d aq 嘲 式中p ( a ) d a 表示在角度口的微小变化d a 内到达的功率部分