（通信与信息系统专业论文）移动衰落信道中非频率选择性信道统计特性的分析与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信质量的要求也越来 越高。尤其是进入2 l 世纪以来，移动通信得到了极大的发展，而且随着移动通 信中各种新技术的广泛应用，使得无线信道成为移动通信研究中的经典课题。 无线信道是移动通信的传输媒体，所有的信息都在这个信道中传输。信道性能 的好坏直接决定着人们的通信质量，因此要想在比较有限的频谱资源上尽可能 地高质量，大容量的传输有用的信息就要求必须十分清楚地了解信道的特性以 及研究信道特性对信息传输所带来的影响。论文针对无线信道中最常见的信道 非频率选择性信道，对其统计特性进行了详细的分析与研究。 论文首先简要介绍了课题的研究背景和意义，并总结了移动通信发展的历 史以及今后的发展趋势。介绍了移动衰落信道的基本概念和特性，分析了衰落 信道的基本理论，即多径效应和多普勒效应，并对信道的分类和研究移动衰落 信道的基本方法进行了全面的介绍，为后面对无线信道的仿真与研究奠定理论 基础。建立了非频率选择性信道的参考模型，主要围绕描述小尺度衰落信道的 瑞利和莱斯分布进行讨论，并简要介绍了s u z k i 分布和两种常见的多普勒功率 谱密度j a k e s 功率谱密度和o a u s s i 功率谱密度，重点分析了参考模型的一 阶和二阶统计特性，通过仿真分析不同的参数对各统计特性的影响，使参考 模型更加符合实际电波的传输环境。采用莱斯法建立了非频率选择性信道的仿 真模型，包括莱斯、瑞利和s u z k i 仿真模型。重点介绍了等距离法( 仍d ) 、 蒙特卡洛法( m c m ) 和j a k e q 法( j m ) ，通过把上述三种方法应用到j a k e s 功率 普密度中确定了仿真模型的参数。详细分析了非频率选择性信道的一阶统计特 性，包括仿真模型的各相关统计特性和各态历经性，并在计算机仿真与比较分 析的基础上得出了符合高效仿真模型所必需满足的三个条件，结论对提出新的 信道仿真模型的研究具有重要的参考意义，而且便于更加有效地对无线通信系 统进行仿真与分析。然后选取其中一种较理想的仿真模型，对其振幅和相位的 概率密度函数以及电平交叉率和平均衰落时延进行计算机仿真分析。最后总结 全文，得出结论，并明确了今后所要做的工作。 关键词：衰落信道，非频率选择性信道，仿真模型，统计特性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y , p e o p l e sn e e d sf o rc o m m u n i c a t i o na r e i n c r e a s i n g ，a n dd e m a n d sf o rc o m m u n i c a t i o nq u a l i t ) ra r ea l s om o r ea n dm o r eh i g h e s p e c i a l l ys i n c et h eb e g i n n i n go f t h e2 1 s tc e n t u r y ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a s b e e n g r e a t l yd e v e l o p e d ，a n dt h ew i d e l yu s eo fa l lk i n d so fn e wm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ym a k e st h es t u d ya b o u tt h ew i r e l e s sc h a n n e lac l a s s i c a ls u b j e c t t h e w i r e l e s sc h a n n e li st h et r a n s m i s s i o nm e d i af o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , a l lt h e i n f o r m a t i o na r et r a n s m i t t e di nt h i sc h a n n e l t h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sc h a n n e l w i l la f f e c tt h eq u a l i t yo fp e o p l e sc o m m u n i c a t i o nd i r e c t l y , i no r d e rt ot r a n s m i t h i g h - q u a l i t y 1 a r g e - c a p a c i t yu s e f u li n f o r m a t i o nw i t l ll i m i t e ds p c c t r m n1 e s o t l r c e sa s m u c ha sp o s s i b l e , a n dt h ee h a r a c t e r i s t i e so fw i r e l e s sc h a n n e lc l e a r l ya n dt h e i r i m p a c t so ni n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nm u s tb ek n o w n t h ef r e q u e n c y - n o n s e l e c t i v e c h a n n e li st h em o s tc o m m o nw i r e l e s sc h a n n e l i nt h i sp a p e r , i t ss t a t i s t i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e di nd e t a i l t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a t i o no ft h i ss u b j e c ti si n t r o d u c e db r i e f l y a tf i r s t , a n dt h eh i s t o r ya n dt h et r e n do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ni ss u m m a r i z e d t h e b a s i ce n n e e p ta n dc h a r a c t e r i s t i co fm o b i l ef a d i n gc h a n n e l sa r ei n t r o d u c e d , t h e o r yo f f a d i n gc h a n n e l s ，i e ，t h em u l t i p a t hp r o p a g a t i o na n dt h ed o p p l e re f f e c ti sa n a l y z e d ， a n dt h es o r to fc h a n n e l sa n dt h eb a s i cm e t h o df o rs t u d y i n gm o b i l ef a d i n gc h a n n e l s a l ei n t r o d u c e dr o u n d l y , t h i si st h eb a s i sf o rs i m u l a t i o na n ds t u d y i n go f r a d i oc h a n n e l s t h er e f e r e n c em o d e lo ff r e q u e n c y n o n s e l e c t i v ec h a n n e l si sm o d e l e dw h i c hi s d i s c u s s e db a s e do nt h er a y l e i g ha n dr i c hd i s t r i b u t i o nf o rd e s c r i b e ds m a l ls c a l e f a d i n g ，a n dt h es u z k id i s t r i b u t i o na n dt o wk i n df a m i l i a rd o p p l e rp o w e rs p e c t r u m d e n s i t y _ j a k e sm a dg a n s s ip o w e rs p e c t r u md e n s i t ya r ei n t r o d u c e db f i e f l y ，t h e f t r s t - o r d e ra n ds e c o n d o r d e rs t a t i s t i c a lp r o p e r t i e si sa n a l y z e dw e i g h t i l y t h e s i m u l a t i o nm o d e lo ff r e q u e n c y - n o n s e l e c t i v ec h a n n e l sw h i c hi sm o d e l e db yr i c e m e t h o di n c l u d e sr i c e ，r a y l e i g hm a ds u z k is i m u l a t i o nm o d e l s t h em e t h o do f e q u a l d i s t a n c e ( m e d ) ，m o n t ec a r l om e t h o d ( m c m ) ，a n dj a k e sm e t h o d ( n da r c 武汉理工大学硕士学位论文 i n t r o d u c e de m p h a t i c a l l y t h e s et h r e em e t h o d sa r cu s e di nj a k e sp o w e rs p e c t r u m d e n s i t yt oo b t a i nt h ep a r a m e t e r so fs i m u l a t i o nm o d e l s 1 1 1 ef i r s t - o r d e r s t a t i s t i c a l p r o p e r t i e s i n c l u d i n gc o r r e l a t i v es t a t i s t i c a lp r o p e r t i e sa n de r g o d i e i t y , a r ea n a l y z e di n d e t a i l ，a n db a s e do nt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h ec o m p a r i s o na n a l y s i s ；t h r e e c o n d i t i o u sw h i c hm e 鹤u r eu pt h ee f f e c t i v es i m u l a t i o nm o d e la r eo b t a i n e dt o o 1 1 1 e c o n c l u s i o ni sm e a n i n g f u lt od e s i g nan e wc h a n n e ls i m u l a t i o nm o d e l a n dt h e na n i d e a ls i m u l a t i o nm o d e ii sc h o s e n , t h ep r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o no f t h ea m p l i t u d e a n dt h ep h a s ea n dt h el e v e l - c r o s s i n gr a t ea n da v e r a g ed u r a t i o no ff a d e so ft h i s m o d e la r es i m u l a t e d b yc o m p u t e r f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o n i so b t a i n e db y s u m m a r i z i n gt h i sp a p e r , a n dw h a t i st h ed i r e c t i o no f t h i ss u b j e c th a sb e e nk n o w n k e yw o r d s ：f a d i n gc h a n n e l s ，f r e q u e n c y - n o n s e l e c t i v ec h a n n e l s ， s i m u l a t i o nm o d e l s ，s t a t i s t i c a lp r o p e r t i e s i l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 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己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：邀勉玉日期：盘 f ! ：亟墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 律慨毕璐 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究的背景及意义 随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信质量的要求也越来 越高。理想的目标是在任何时候，任何地方，与任何人都能及时地进行沟通联 系并交流信息。显然，没有移动通信，这些要求是不能实现的。在移动通信中 进行信息传输和交换的双方或者至少有一方是处在运动中，而要实现任意移动， 有线通信是不能满足的，只有通过移动通信。因此，移动通信是处于特殊环境 移动环境下的无线电通信，无线信道是移动通信系统必不可少的组成部分。 对无线信道的研究是研究移动通信的基础。 进入2 l 世纪以来，移动通信得到了极大的发展和广泛应用，其中编解码、 调制解调、多址复用和射频( r f ) 收发等技术都有相当大的发展和进步。随着 第3 代移动通信的发展和商业应用，随着后3 g 的开发，以自适应调制解调技 术、混合自动重发请求( a r q ) 机制、自适应编解码技术、正交频率数字复用 ( o f d m ) 技术、多输入多输出( m i m o ) 无线资源的自适应管理技术等为代表的移 动通信新技术得到越来越多的重视。这些新技术的发展和应用，也都离不开对 无线信道的研究。 无线信道是移动通信的传输媒体，所有的信息都在这个信道中传输。信道 性能的好坏直接决定着人们的通信质量，因此要想在比较有限的频谱资源上尽 可能地高质量，大容量的传输有用的信息就要求我们必须十分清楚地了解信道 的特性。然后根据信道的特性采取一系列的抗干扰和抗衰落措施，来保证传输 质量和传输容量方面的要求。 但是现在人们对无线信道的研究和利用，基本上还停留在第1 代和第2 代 移动通信系统研究开发的水平上，因此对无线信道的进一步研究，包括对无线 信道的表征和描述、对无线信道参数的估计和预测、对无线信道与新技术相结 合的课题研究，显得越来越重要，将是未来移动通信发展所面临的重大课题。 在研究移动通信时，研究电波传播环境信道的特性有着十分重要的意 义。它将得到两个主要的应用成果： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 建立传播预测模型。根据理论分析或测量数据的统计分析或二者的结 合，可以建立各种类型的传播预测模型。在给定频率，距离，收发信机天线高 度和环境特性等参数时，可以预测传播路径的损耗，该结果可用于个人通信中 蜂窝小区的规划设计。 ( 2 ) 为实现信道仿真提供基础。根据对传播特性的理论研究结果和测量数 据统计分析结果，可用硬件和软件实现电波的传播过程和传播特性的仿真。应 用仿真器，可以进行无线传输系统的实验，更有效地进行调制解调技术，各种 抗衰落等无线传输技术的研究与开发。 因此，对无线信道的研究，特别是信道特性的研究已成为移动通信的经典 课题，无线信道的研究成果将成为移动通信发展的重要基础。 1 2 国内外研究的现状及动态 1 2 1 移动通信技术的发展 移动通信起源于无线通信，最旱可追述到1 9 0 1 年马克尼从英格兰收到短波 无线电信号，但直到1 9 4 8 年才出现第一台( 无线) 移动电话。而真正发展是从2 0 世纪7 0 年代开始的，迄今经历了第l 代移动通信系统、第2 代移动通信系统并 即将进入第3 代移动通信系统和正在广泛研究的4 g 系统，整个移动通信发展 的历程如图1 1 所示。 图1 - 1 移动通信的发展历程 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 第一代( 1 g ) 移动通信技术 人们习惯于将模拟蜂窝系统称为第一代移动通信系统，美国是率先开发模 拟蜂窝系统的国家之一，主要有a m p s 和a r t s 系统，分别于1 9 8 3 年1 0 月和 1 9 8 4 年初投入运营。日本是最早研制汽车电话系统的国家之一，它研制的 9 0 0 m h z 大容量汽车电话系统( h c m t s ) 于1 9 7 9 年投入使用。北欧四国开发的 n m t - 4 5 0 移动电话系统于1 9 8 1 年投人使用。英国的t a c s 蜂窝系统于1 9 8 5 年 1 月投入营运。西德的c - 4 5 0 系统于1 9 8 6 年8 月投入使用。加拿大的a m p s 系 统于1 9 8 5 年7 月在多伦多投入使用。 第一代移动通信系统为模拟移动通信系统。模拟电路单元为基本模块实现 语音通信。它对移动通信的最大贡献是使用蜂窝结构，频带可重复利用，实现 大区域覆盖；支持移动终端的漫游和越区切换，实现移动环境下不间断通信。 第一代移动通信系统的出现和发展，最重要的特点是体现在移动性上，这是其 他任何通信方式和系统不可替代的，从而结束了过去无线通信发展过程中时常 被其他通信手段替代而处于辅助地位的历史。 ( 2 ) 第二代( 2 g ) 移动通信技术 人们习惯将数字蜂窝系统称为第二代移动通信系统。由于模拟蜂窝系统具 有以下致命的弱点：一是各系统间没有公共接口；二是无法与固定网迅速向数 字化推进相适应，使得数据承载业务很难开展；三是频谱利用率低，无法适应 大容量要求；四是安全保密性差，易被窃听。因此，一些发达国家早在7 0 年代 初就着手考虑数字蜂窝移动通信技术的研究开发。在数字蜂窝技术的发展中， 最引人注目的有三种标准： ( i ) 欧洲的g s m 系统 g s m 标准又称泛欧数字蜂窝移动通信系统或全球移动通信系统。它是欧洲 1 9 国通过协议制定的一种能在欧洲统一使用的数字蜂窝技术标准。在此之前， 欧洲各国使用的模拟蜂窝系统有多种制式，难以互通。 g s m 系统采用t d m a 技术，系统容量为t a c s 的3 - 6 倍。调制方式为高 斯滤波最小频移键控( g m s k ) ，并采用了非线性功率放大器，具有等幅包络、窄 带、相干检测能力好、带外辐射小、输出功率谱好等优点。 ( i i ) 北美i s 5 4 ( 也称d a m p s 或a d c ) i s 5 4 系统是美国通信工业协会于1 9 8 9 年制定的模拟数字兼容的数字蜂窝 标准。由于北美模拟蜂窝标准比较统一，所以该系统的主要技术特点在于谋求 武汉理工大学硕士学位论文 与现有模拟蜂窝系统兼容。因此，所用频段及载频间隔均与模拟网相同；控制 方式也与模拟网相通，其差别仅在于通话检测和信道切换所用的信令不同。 ( i i i ) 日本的p d c ( 也称j d c ) 系统 日本的第一个数字蜂窝网p d c 系统于1 9 9 3 年3 月投入使用。该系统明显 的技术优点在于：其系统容量为g s m 的2 倍，并且为了进一步扩展容量，已 开始制定半速率( 5 6 k b s ) 的话音编译码规范；该系统使用了两个频段( 8 0 0 m h z 和1 5 g h z ) ，以便于扩展用户基站，由于采用了，r 4 q p s k 调制等措施，其频谱 效率在三种系统中是最高的：用户终端的尺寸小，电池寿命长，这对用户是相 当有吸引力的。 第二代移动通信系统在目前得到了广泛使用。数字信号处理技术是其最基 本的技术特征，数字电路单元为基本模块实现话音通信和短消息数据业务通信。 它对移动通信发展的重大贡献是使用s i m 卡、轻小手机和大量用户的网络支撑 能力。使用s 1 m 卡作为移动通信用户个人身份和通信记录的载体，为移动通信 管理、运营和服务带来极大便利。第2 代移动通信的这些贡献，使得移动通信 以惊人速度发展，成为当今通信发展的主流，特别是通信市场发展的主流。 ( 3 ) 第三代( 3 g ) 移动通信技术 由于第二代数字移动通信系统在很多方而仍然没有实现最初的目标，比如 统一的全球标准；同时也由于技术的发展和人们对于系统传输能力的要求越来 越高，几千比特每秒的数据传输能力已经不能满足某些用户对于高速率数据传 输的需求，一些新的技术如口技术等不能有效的实现，这些需要就成为高速率 移动通信系统发展的市场动力。因此，自从国际电信联盟( i m 制定了i m t - 2 0 0 0 标准以来，第三代蜂窝移动通信系统的发展计划就开始受到有关国家政府和一 些国际性大公司的重视。 与前两代系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可提供丰富多彩的 移动多媒体业务，其传输速率在高速移动环境中支持1 4 4 k b s ，步行慢速移动环 境中支持3 8 4 k b s ，静止状态下支持2 m b s 。其设计目标是为了提供比第二代系 统更大的系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝 漫游以及为用户提供包括话音、数据和多媒体等在内的多种业务，同时也要考 虑与已有的第二代系统的良好兼容性。到目前为止，已经有很多个版本的标准 草案提交到u 。在各种建议方案中，最有影响力的包括以下三种： ( i ) w c d m a 4 武汉理工大学硕士学位论文 w c d m a 全称为w i d e b a n dc d m a ，这是基于g s m 网发展出来的3 g 技术 规范，是欧洲提出的宽带c d m a 技术，它与日本提出的宽带c d m a 技术基本 相同，目前正在进一步融合。该标准提出了g s m ( 2 g ) 一g p r s e d g e w c d m a ( 3 g ) 的演进策略。g p r s 是g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( 通用分组无线 业务) 的简称，e d g e 是e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ( 增强数据速率的 g s m 演进) 的简称，这两种技术被称为2 5 代移动通信技术。目前中国移动正在 采用这一方案向3 g 过渡，并已将原有的g s m 网络升级为g p r s 网络。 0 i ) c d m a 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 是由窄带c d m a ( c d m ai s 9 5 ) 技术发展而来的宽带c d m a 技 术，由美国主推。该标准提出了从c d m a i s 9 5 ( 2 g ) c d m a 2 0 0 0 1 x - c d m a 2 0 0 0 3 x ( 3 g ) 的演进策略。c d m a 2 0 0 0 1 x 被称为2 5 代移动通信技术。c d m a 2 0 0 0 3 x 与 c d m a 2 0 0 0 1 x 的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提 高。目前中国联通正在采用这一方案向3 g 过渡，并已建成了c d m a i s 9 5 网络。 ( i i i ) t d s c d m a t d s c d m a 全称为t u n ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc d m a ( 时分同步c d m a ) ， 是由我国大唐电信公司提出的3 g 标准，该标准提出不经过2 5 代的中间环节， 直接向3 g 过渡，非常适用于g s m 系统向3 g 升级。但目前大唐电信公司还没 有基于这一标准的可供商用的产品推出。 虽然w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 ，t d - s c d m a 的目的相同，但是在关于怎样 才能更好发挥c d m a 的优势、提高系统的性能如系统容量、通信质量和网络覆 盖等方面采用的技术有所不同。首先，w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 都是采用f d d ( 频 分数字双工) 模式，t d s c d m a 采用t o n ( 时分数字双工) 模式。t d d 的频谱利 用率高，而且成本低廉，但由于采用多时隙的不连续传输方式，基站发射峰值 功率与平均功率的比值较高，造成基站功耗较大，基站覆盖半径较小，同时也 造成抗衰落和抗多普勒频移的性能较差，当手机处于高速移动的状态下时通信 能力较差。其次，w c d m a ( f d d - d s ) 采用直接序列扩频方式，其码片速率为 3 8 4 m c h i p s ，c d m a 2 0 0 0 1 x 与c d m a 2 0 0 0 3 x 的区别在于载波数量不同，c d m a 2 0 0 0 l x 为单载波，码片速率为1 2 2 8 8 m c h i p s ，c d m a 2 0 0 0 3 x 为三载波，其码 片速率为1 2 2 8 8 * 3 = 3 6 8 6 4 m c h i p s 。t d s c d m a 的码片速率为1 2 8 m c h i p s 。 码片速率高能有效地利用频率选择性分集以及空间的接收和发射分集，可以有 效地解决多径和衰落问题，w c d m a 在这方面最具优势。再次，智能天线技术 武汉理工大学硕士学位论文 是t d s c d m a 采用的关键技术，目前w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 都还没有采用 这项技术。智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程 电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间 各个链路的方向特性。智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效 率。最后，w c d m a 由g s m 网络过渡而来，虽然可以保留g s m 核心网络，但 必须重新建立w c d m a 的接入网，并且不可能重用g s m 基站。c d m a 2 0 0 0 3 x 从c d m a i s 9 5 ，c d m a 2 0 0 0 1 x 过渡而来，可以保留原有的c d m a i s 9 5 设备。 t d s c d m a 系统的建设只需在已有的g s m 网络上增加t d s c d m a 设备即可。 三种技术标准中，w c d m a 在升级的过程中耗资最大。 第3 代移动通信系统对移动通信发展会带来了什么样的突出贡献，人们还 得拭目以待，但多媒体业务服务能力和极大通信容量将会是不可否认的，多媒 体业务服务使人们从获得信息变成获取知识成为可能。 由于人们对于通信的要求是无止境的，人们要求更高的通信速率和更多的 业务种类。同时，第3 代移动通信系统的标准化工作已逐渐告一段落，它的频 段、制式、业务和能力等已经大体定型，第4 代移动通信系统的研讨就走上舞 台，1 9 9 9 年9 月i f f fv t c 国际会议上开始对它进行公开讨论，成了移动通信 发展研究的又一热门话题。2 0 0 0 年1 0 月6 日在加拿大蒙特利尔市成立了 i m t - 2 0 0 0a n db e y o n d 工作组，这是由国际电信联盟0 t u ) 发起的、旨在统一全 球移动电话标准的最新的工作组。表1 1 给出了移动通信系统从1 g 到4 g 系统 技术特点的总结【1 】。 表1 - 1i g 到4 4 3 系统技术特点 系统 接入方式主要服务类型 核心网 l g模拟f d m a 语音电路交换 2 g数字t d m a ，c d m a语音；因特网( 仅文本) 电路交换 3 g数字c d m a 语音；因特网( 文本，图像)基于电路和i p 4 g数字o f d m ，u w b 基于碑的语音；因特网完全基于p 1 2 2 当前移动通信的发展趋势 在过去的几十年里，移动通信技术获得了很大的进步，从单基站大功率系 6 武汉理工大学硕士学位论文 统到多基站小功率系统，从单一覆盖模式到蜂窝和微蜂窝覆盖模式，从小区域 覆盖到大区域覆盖并实现了国内甚至国际漫游，从纯语音系统到包括低速数据 传输的综合传输系统，从模拟移动通信系统到数字移动通信系统。这些变化， 使得移动通信技术在传输能力和传输质量等方面获得了巨大的进步。 如果说无线通信的历史是频率使用效率提高的历史，则移动通信的历史就 是频率使用效率提高和用户活动范围扩大的历史。众多复杂的技术发展，归根 结底，就是如何更充分地使用有限的、不能再生的频率资源以及实现更高密度 的全球活动通信。移动通信将有着如下的发展趋势。 ( 1 ) 移动电话发展的速度将大大超过固定有线电话，成为信息通信产业的 亮点。 据美国商业周刊预测：1 9 9 7 年全球移动电话约2 亿部，固定有线电话 近1 0 亿部；至2 0 1 0 年全球移动电话将达到1 3 亿部，年均增长率为2 5 ，而固 定有线电话将达到1 4 亿部，年均增长率仅为4 。我国二者的增长数量也呈现 了类似的规律，移动电话的年增长速度大大超过固定有线电话。因此移动通信 将成为2 1 世纪非常重要的通信工具，它将与有线通信具有同样重要的战略地 位。移动通信正以其高速增长的市场、非凡发展的潜力，成为未来整个信息通 信产业耀眼的亮点。 ( 2 ) 移动通信设备正朝着数字化、宽带化、小型化的方向发展。 当前各种移动通信系统都已经从第一代模拟技术过渡到第二代数字技术， 频谱效率大大提高。终端的移动性、小型化取得显著进展。作为第三代移动通 信系统必须满足多媒体业务的需求，数字传输数率要达到2 m b i t s 以上。国际上 都在努力攻克w c d m a 的技术难题，并已取得可喜的进展。 ( 3 ) 移动通信网络正朝着综合化、智能化、全球化、个人化的方向发展。 蜂窝、无绳、寻呼和集群等各种移动通信系统将在第三代中以全球通用、 系统综合作为基本出发点逐步融合，力图建立一个全球性移动综合业务数字网。 各种低、中、高轨道卫星移动通信系统纷纷推出，借以解决全球覆盖、三维空 间的个人移动通信。移动通信网作为一种理想的智能接入网，将来必定要与固 定通信网综合成全球一网，为实现个人通信的理想奠定基础。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题研究工作及论文主要内容 在移动通信系统的研究中，首要的工作就是认识移动信道本身的特性，研 究信道特性对信息传输所带来的影响。在规划和建设城市微蜂窝数字移动通信 网时，从选择频段、分配频率、考虑无线电覆盖范围、计算通信可信度以及系 统内和系统间的电磁干扰，到最终确定无线设备的参数，都有赖于对信道和电 波特性的深入掌握。因此，本论文就针对无线信道中最常见的信道非频率 选择性信道，对其统计特性进行详细的研究。下面将本论文需要完成的工作归 纳如下： ( 1 ) 简要介绍本论文的研究背景及意义，总结移动通信发展的历史以及今 后的发展趋势。 ( 2 ) 介绍移动衰落信道的基本概念和特性，分析衰落信道的基本理论，即 多径效应和多普勒效应，并对信道的分类和研究移动衰落信道的基本方法进行 全面的介绍，为后面对无线信道的仿真与研究奠定理论基础。 ( 3 ) 建立非频率选择性信道的参考模型，主要围绕描述小尺度衰落信道的 瑞利和莱斯分布进行讨论，重点分析非频率选择性信道参考模型的统计特 性，通过仿真分析不同的参数对各统计特性的影响，使参考模型更加符合实际 电波的传输环境。 ( 4 ) 建立非频率选择性信道的仿真模型，采用莱斯法建立了描述非频率选 择性信道的确定性仿真模型并使用等距离法( m e d ) 、蒙特卡洛法( m c m ) 和 j a k e s 法( j m ) ，通过把上述三种方法应用到j a k e s 功率普密度中来确定模型参 数。 ( 5 ) 分析非频率选择性信道的统计特性，详细分析仿真模型的相关统计特 性，然后选取一种较理想的仿真模型，对其振幅和相位的概率密度函数以及电 平交叉率和平均衰落时延进行计算机仿真，并得出结论。 ( 6 ) 总结全文，明确今后的研究方向。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章移动衰落信道概述 2 1 移动衰落信道的概念及特性 所谓移动通信就是移动物体之间的通信，或者移动物体与固定物体之间的 通信【2 j 。移动物体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、飞机等在移动状态 中的物体。移动通信系统通常由发送端，信道和接收端三大部分组成。各类信 号从发射端发送出去以后，在到达接收端之前经历的所有路径统称之为信道f 3 1 。 其中如果传输的是无线电信号，电磁波所经历的路径我们则称之为无线信道1 3 1 。 无线信道提供发送端和接收端之间的连接，使无线通信成为可能。与其它通信 信道相比，无线信道是最为复杂的一种，其衰落特性取决于无线电波的传播环 境。 无线传播环境是影响无线通信系统的基本因素。发射机与接受机之间的无 线传播路径非常复杂，从简单的视距传播( l i n eo f s i g h t ，l o s ) t 4 1 ，到遭遇各种复 杂的地物( 如建筑物、山脉和树林等) 所引起的反射、绕射和散射等非视距传播。 无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有极度的随机性。 首先，电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，并且受到地形， 建筑物的遮挡会发生“阴影效应”1 5 1 ，而且信号在经过多点反射之后，会从多 条路经到达接收地点，这种多径信号的幅度，相位和到达时间都不一样，它们 相互叠加会产生衰落。在无线信道中，信号衰落是经常发生的，衰落深度可达 3 0 d b 。对于数字传输来说，衰落使得比特误码率( b e r ) 大大增加。这种衰落现 象严重恶化接收信号的质量，影响通信的可靠性。 其次，在陆地移动系统中，移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的 区域，其天线将接收从多条路径传来的信号，再加移动台本身的运动以及收发 双方附近物体的移动，不仅会引起多普勒频移1 6 1 ，产生随机调频，而且会使电 波传输的特性随时间发生快速的随机起伏变化，增加了信号的不确定性，使得 移动台和基站之间的无线信道多变而且难以控制。 因此，对无线信道的研究已经成为推动整个移动通信快速发展的关键，虽 然国内外都对它做了大量的研究，并取得了一些成果，但是随着移动通信的迅 9 武汉理工大学硕士学位论文 速发展以及用户数量的急剧增加，需要移动通信能在有限的频率资源上更大地 提高系统容量和传输质量，这就要求对移动通信系统中的信道进行更深入的研 究，从而使得无线信道成为移动通信研究中的热点。 2 2 移动衰落信道的基本理论 2 2 1 多径效应 在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是通过单一路径到达的，因 为电波在传播过程中还会遇到障碍物( 例如楼房、高大建筑物或山丘等) 对 电波产生反射，散射和绕射等。因此，到达接收天线的信号是多种反射波( 广 义地说，地面反射波也应包括在内) 的叠加，这种现象被称为多径传播 4 1 。 屋 图2 1陆地移动无线信道多径传播的典型图例 图2 1 是一个陆地移动无线信道多径传播的典型图例。在移动台周围有很多 反射体，例如建筑物，山脉，车辆等。由于基站位于建筑物或者山脉之上，因 此基站周围几乎没有反射体。移动台周围却有很多的反射体，一般称为散射体。 基站和移动台之间的信号经过多条路经传输，每一条路经都经历了一个或多个 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 反射体，接收机所接收到的信号就是所有路径传输信号的总和。由于电波到达 接收天线各个路径的距离不同，因而各路经传输的电波到达时间和相位也就不 同。不同相位的多个信号在接受端相叠加，同相叠加相互增强，异相叠加相互 削弱。这样使得接受信号的幅度发生急剧的变化，即产生衰落。这种衰落由多 径引起，所以称为多径衰落。 移动信道的多径衰落，可以从空间和时间两个方面来描述。从空间角度看， 沿移动台的移动方向，接收信号的幅度随着距离改变而衰减。其中，本地反射 物引起的多径效应呈较快的幅度变化，其局部均值为随距离增加而起伏的曲线， 反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散损耗。从时间上来看，各个路径的 长短不同，因而信号的到达时间不同。这样，如从基站发送一个脉冲信号，则 接收信号中不仅含有该脉冲，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宽度扩展的现象，被称为多径时延扩展。 由多径传播造成的信号衰减会严重影响通信的质量，因此为了尽量克服多 径效应产生的负面影响，这也正是在通信质量要求较高的通信网中，人们通常 在接收端的天线上采用空间分集技术或极化分集技术的缘由。 2 2 2 多普勒效应 除了多径传播，多普勒效应同样对移动无线信道的传输特性产生负面影响。 由于移动台与基站之间的相对运动，或者信道路径中部分或者全部散射体的运 动，使得接收信号的频率发生偏移，这种现象被称为多普勒效应嘲。由于多普勒 效应的存在，发射信号的频谱在传输过程中出现的扩频现象就被称为多普勒扩 展( 频率色散) 。多普勒扩展会造成信号失真，这是由于发送信号在传输过程中， y 、 黝 融 气a i l。 运动方向， 图2 2 多普勒效应示意图 武汉理工大学硕士学位论文 传输信道的特征已经发生了变化。如果信号持续时间比较短，在这个时间内， 信道特性还没有比较显著的变化，这段时间内时间选择性衰落并不明显；当信 号的持续时间迸一步增加，信道的特性在信号的持续时间内发生了比较显著的 变化时，就会使信号产生失真。信号的失真随着信号传播时间的增加而增加。 由多普勒效应引起的接收信号的频率偏移量与移动物体的移动速度、信号 自身的频率及移动的方向和来波方向的夹角有关。假设任意第n 条入射波的入射 角a 。和移动单元的移动方向如图2 2 所示，刚第1 1 条波的多普勒频率的表达式为： 厶= ，m 。c o sc r n ( 2 _ 1 1 在这里，；。是最大多普勒频移，它与移动单元的速度v ，光速c o 以及载波频率 厶的关系如下： 缸= 二c 0(2-20 从式( 2 1 ) 可以看出，当a n = o ( a r i = 7 ) 时，得到最大( 最小) 多普勒频移， 五= 厶。= _ 。) ，而当a n = 7 r 2 和a l i = 3r t 2 时，五= 0 ，即，若移动台朝着入 射波方向运动，则多普勒频率为正( 接收信号的频率上升) ；若移动台背向入射 波方向运动，则多普勒频移为负( 接收信号的频率下降) 。信号经不同方向的传 播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩展，因而增加了信号带宽。 图2 3 移动通信中接收信号的典型特性 武汉理工大学硕士学位论文 由于多径效应和多普勒效应使得接收信号出现了明显的随机波动。根据移 动单元的速度和载波频率的不同，每秒钟内会多次出现3 0 - 4 0 d b 之间的衰落和远 低于接收信号电平值二分之一以下的信号。移动通信中接收信号的这种特性的 典型实例如图2 3 所示。这里设移动单元的速度v = l l o k m h ，载波频率而= 9 0 0 m h z 。根据表达式( 2 1 ) ，对应的最大多普勒频移。= 9 1 h z 。在这个实例 中，选定时间0 到0 3 2 7 s 内，移动单元的移动距离为1 0 m 。 2 3 移动衰落信道的分类 在移动通信系统中，无线信道通常是利用信道的统计特性来进行仿真和分 析的。一般来说，移动信号在空间传播中所经历的衰落大体可以分成两类，即 大尺度衰落和小尺度衰落n ，。 大尺度衰落( l a r g es c a l ef a d i n g ) 是指发射机与接收机之间由于两者之间障 碍物( 如山丘、森林、建筑物等) 的遮蔽而造成的信号强度的衰减，它反映了收 发信号在较大区域中平均能量的减少或称为路径损耗。大尺度衰落模型就是用 来描述经过较长的距离( 几百个波长或更多波长) 传播信号所发生的变化，主要 探讨各类地形与地物对传播信号所产生的阴影效应( s h a d o 、) l ，i n ge f f e c t ) 的影响。 因此也把大尺度衰落称为阴影衰落。大部分的文献都一致的假设：阴影效应可 以用一个随机变量来描述，即阴影效应会使接收到的信号功率呈现对数正态分 布( l o g - n o r m a ld i s t r i b u t i o n ) 叫，即，在相同的收发距离下，不同接收机所接收到 的信号强度( 单位d b ) 将呈现高斯或是正态分布，这也就是说传播路径所造成的 功率损耗( 单位d b ) 是呈现高斯或是正态分布的，而且这个随机变量标准差的单 位也是d b 。通常大尺度传播中的衰落包括：信号经过一段距离时信号的平均衰 落以及大型物体( 如山脉或摩天大楼) 导致的信号绕射而产生的衰落，并且大尺 度衰落信号的平均功率是缓慢变化的。 而当移动台