（通信与信息系统专业论文）遥测无线信道多径效应仿真.pdf

摘要 信道是发射端和接收端之间传播媒体的总称，它是通信系统重要的组成部分。 建立无线信道模型对于移动通信系统性能分析和工程应用都有重要意义。 本课题从属于与某研究所的合作项目“遥测无线信道仿真”的一部分，内容 是通过对飞行器遥测无线信道的建模仿真，对无线遥测信号通过各类无线信道的 性能进行评估。本文主要对发射场环境下各种情况的接收信号损耗进行计算建模 与仿真。内容分为两个部分，分别是飞行器静止状态下的接收信号损耗计算与飞 行器升空状态分析仿真。对于静止模型，分别采用多径模型和o k u m u r a 模型两种 方法分情况进行计算。其中，针对o k u m u r a 模型，加入了不同环境与地形的修正 因子，这样使得计算结果在不进行场内实测只进行理论分析的基础上更加精确。 在飞行器升空的情况下，考虑升空最初的2 0 秒时间，对接收机接收信号损耗进行 了初步的探讨。在此基础上，还加入了火焰因素的影响进行相应计算。最后给出 了相关的性能仿真图形，并对仿真结果做出了统计分析。 关键字：无线信道多径模型奥村模型火焰模型 a b s t r a c t t h ec h a i m e li sag e n e r a ld e s i g n a t i o no fm e d i u mb e t w e e nt h es e n d i n gs e ta n d t h e t e c e p t i o ns e t ，i ti s a l li n d i s p e n s a b l ep a r tf o rc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m i t1 s o fg r e a t s i 町俯c a n c ef o rt h e o r yr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n st om o d e lt h ew i r e l e s s c h a n n e lo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sp a p e ri sc o m b i n e dw i t hp r o j e c t r e s e a r c h a n ds i m u l a t i o no fw i r e l e s s c h 锄e 1f o rs p a c e c r a f tc o m m u n i c a t i o n ”，w h i c hi sc o o p e r a t e dw i t h a ni n s t i t u t e t h e a i mi sm o d e l i n ga n ds i m u l a t i n gt h ew i r e l e s sc h a n n e lf o rs p a c e c r a f tc o m m u n i c a t l o n t o 嬲s e s sm ep e r f o m l a n c eo fm et y p e so ft h ew i r e l e s sc h a n n e l i nt h i sp a p e r ，t h ew a s t a g e o fs i 皿a 10 nl a u n c hf i e l di sc a l c u l a t e da n d s i m u l a t e d t h es i m u l a t i o n sc o n t a i n 俩op 叭s ： s i m u l a t i o no ft h ew a s t a g eo fs i g n a l u n d e rs p a c e c r a f ta tr e s ta n ds i m u l a t i o n o t s p a c e c r a rb l a s t o f f f o rs t i l l n e s sm o d e l ，t h em o d e lo ff r e e n e s ss p a c e r a d i a t i o na n dt h e o 妇u r aa r cg i v e n f o rt h eo k u m u r a , t h ed i f f e r e n te n v i r o n m e n ta n dt o p o g r a p h y c o l l e c t i o nf a c t o ri sa d d e d ，w h i c hm a k e s t h er e s u l t sm o r ea c c u r a t ew i t h o u tp r a c t i c et e s t b u to nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s f o rs p a c e c r a f tb l a s t o f f , c o n s i d e r i n gt h el a u n c h o ft h ef i r s t2 0s e c o n d so ft i m e ，t h ew a s t eo fr e c e i v i n gs i g n a l so nt h e r e c e l v e l i s d i s c u s s c d o nt h i sb a s i s ，a l s oj o i n e dt h ef l a m e si m p a c to ft h ec o r r e s p o n d i n g c a l c u l a t i o n f i n a l l v t h er e l a t e dp e r f o r m a n c es i m u l a t i o ng r a p h i c sa r ep r o v i d e d ，a n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t sa r es t a f f s t i c a l l ya n a l y z e d k e yw o r d s ：w i r e l e s sc h a n n e l m u l t i p a t hm o d e l o k u m u r a f l a m em o d e i 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 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； 也不包含为获得西安电子科技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已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：羔矍鑫垃日期塑坚：主：! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 簪轫旁 日期巡墨：! ! 日期堡筝三：f 【 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及课题研究的目的意义 本文工作结合“遥测无线信道仿真”项目，该项目与某研究所合作，目标是 通过对飞行器遥测无线信道的建模仿真对无线遥测信号通过各类无线信道的性能 进行评估。 研究和开发数字移动通信系统工程的必要工作之一就是认识移动信道本身的 特性，并研究无线信道对信号传输的影响。在规划和建设移动通信网时，从选择 频段、分配频率、考虑无线电覆盖范围、计算通信可用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，都有赖于对信道及电波特性的了解。可 以认为，无线信道传播问题是研究数字移动通信的规划与设计所应了解的基本问 题。 移动信道与电波传播己成为许多理论分析和现场实测的课题，并已经得到了 许多相关结果。然而由于移动信道的复杂性使得仍有许多待研究的问题，例如不 能用单一的数学模型来描述所有的移动环境。移动通信信道中的电波传播要受到 频率、距离、极化方式、天线高度、地形、地物以及各种散射与反射体的电特性 参数等多种因数的影响。在特定的环境中，电波传播主要取决于频率、距离和天 线高度。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。传播环境是决定移动信道特性的 重要因素。 为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反复的现场 测试。这不仅造成时间上、人力物力上的消耗，而且由于电波传播信道的时变特 性，在不同的测试时间里，不可能保持完全相同的测试条件，从而时测试工作遇 到很大的困难。为了解决这些问题，缩短研制周期，节省科研费用，于是提出在 实验室里模拟移动无线信道的设想。 由于移动环境的复杂性而不能建立单一的模型。不同的模型是从不同传播环 境的实测数据中归纳而得出的，都有一定的使用范围。进行工程设计时，模型的 选择是很重要的，有时不同模型会给出不同的结果。 综上所述，建立移动通信系统的无线信道模型显得极其重要，同时对信道的 相关特性及移动系统的相关特性进行深入的研究和分析，以揭示无线信号传播的 更为细致的规律，这对于理论研究和工程应用都有着十分重要的意义。 2 遥测无线信道多径效应仿真 1 2 无线信道研究现状 信道是发射端和接收端之间传播媒体的总称，它是任何一个通信系统不可或 缺的组成部分。按传输媒介的不同，物理信道分为有线信道和无线信道两大类。 一般而言，移动无线通信信道是时变的多径信道。在移动无线信道中，基站和移 动台之间的单一直接路径很少时传播的唯一物理方式。因此，无线通信系统的性 能主要受到无线信道的制约，对无线信道的研究也有非常重要的意义。 目前国内飞行器测量系统的系统测试主要是利用专用地面设备模拟地面接收 机，发射上行无线电信号并接受飞行器应答机转发的下行信号，以次检验应答机 的工作情况，同时检验全系统的工作情况和系统内部电磁兼容性及设备之间的匹 配性。在系统测试过程中地面设备的上行信号和频率是固定的，飞行器上应答机 接受的无线信号处于稳定状态，系统测试属于静态环境测试。而实际飞行器飞行 过程中由于地面接收站与飞行器的距离是由远及近的变化，上行信号也随距离的 变化而不断变化，特别是下行信号还会受到多径，火焰衰减等影响造成信号的不 稳定。 国外的飞行器，发射场发射的准备时间很短，往往只有一周左右，而且人员 配备也非常少。其设备进入发射场后一般不再进行单元测试，各国的情况大致相 同，其电子设备绝大部分已经实现动态仿真测试。 无线信道的研究方法基本上有三种： ( 1 ) 理论分析：用电磁场理论或概率统计理论分析电波在移动环境中的传播 特性，并用各种数学模型来描述移动信道。这时往往要提出一些假设条件使得信 道的数学模型简化。所以数学模型对信道的描述是近似的。即使这样。信道的理 论模型对我们的研究仍具有重大的指导作用。例如，自由空间模型，双线地面反 射模型等，这些模型可用来预测不同地区的路径损耗，并且在某些情况下还是相 当准确的。 ( 2 ) 实际电波传播测试：在不同的传播环境中，做电波传播的实测试验。需 测定的参数包括接收信号的幅度、时延以及路径损耗等等，用来确定理论模型的 一些修正因子，并对实测数据进行统计分析可得出一些有用的结果。由于移动环 境的复杂性和多样性，实际电波传播测试一直作为研究移动信道的主要方法。 ( 3 ) 计算机仿真：随着近年来计算机运行速度的高速化发展，出现了计算机 模拟的研究方法。任何理论分析都要假设一些简化条件，而实际移动传播环境是 干变万化的，这在很大程度上限制了理论结果的应用范围。实际电波传播测试虽 然准确，但耗时费力，并且是针对某个特定的环境进行的不能推广。因此，移动 信道的计算机仿真方法应运而生。计算机在硬件的支持下，具有很强的计算能力， 第一章绪论 能快速灵活的模拟各种移动环境。因而计算机模拟将逐步成为移动信道研究的重 要方法。 由于无线信道的复杂性，理论分析和计算机仿真往往难以考虑的很全面，为 达到较高的置信度实测研究是不可缺少的。其实，上述三种方法在实际应用中是 相辅相成的，在实际的信道研究中，不同的研究阶段使用三种不同的方法。 一般，移动环境中的电波传播特性研究结果往往用以下两种方式给出： ( 1 ) 对移动环境中电波传输特性给出某种统计描述。大量学者的研究结果表 明，在移动环境中，接收信号的幅度在大多数情况下符合r a y l e i g h 分布，在有些 情况下则符合r i c e a n 分布。j a k e s 提出了一种简单的产生多径r a y l e i g h 衰落器的 j a c k s 模型。m f p o p 和n c b e a u l i e u 在文献中分析了传统j a k e s 模型的缺点【2 j ， 并进行了改进。此外，n a k a g a m i ，d a y y a 等人在城区的研究结果表明无线信道幅 度的衰落特性可以用n a k a g a m i 分布来表征【3 1 。电波衰落特性的统计规律是研究无 线信道特性的基本依据。 ( 2 ) 建立电波传播模型。模型可以包括图标、近似计算公式等。近年来，在 计算机上建模越来越普遍，进而在建模的基础上对参数进行仿真。应用电波传播 模型可对无线电波在传播过程中的损耗进行预测，直接为系统工程的设计服务。 从微区的移动无线电基站向移动台发射信号，在传播过程中不仅受到陆地传 播路径损耗的影响，而且受到城市微区内复杂且时变环境的多径反射、散射。绕 射和吸收严重影响导致传播信号的衰落。当信号通过移动无线信道时，其衰落类 型决定于发送信号特性及信道特性。信号参数( 如带宽、符号间隔等) 与信道参 数决定了不同的发送信号将经历不同类型的衰落。由于散射和反射环境的多径时 延引起的时间色散，其结果是导致发送的信号产生平坦衰落或频率选择性衰落： 由于一动态相对运动产生的多普勒扩展引起频率色散，这将造成发送信号产生时 间选择性衰落，包括快衰落和慢衰落；而由于无线电波的不同入射角传播引起的 信道角度色散，造成了数字信号的空间选择性衰落。 因为我们始终强调，移动环境是非常复杂的，所以在建模时不能建立单一的 数学模型，不同的模型都是在不同的传播环境的实测数据中归纳总结出来的。都 具有一定的使用范围。在系统工程设计时，要慎重选用，有时模型的不同给出的 结果也会不同。 1 3 本文工作以及章节安排 本论文主要对发射场环境下各种情况的接收信号损耗进行计算建模与仿真。 大致分为两个部分，分别是飞行器静止情况下的接收信号损耗计算与飞行器升空 情况分析仿真。在升空的情况下加入了火焰对其的影响，并对仿真图形分别进行 4 遥测无线信道多径效应仿真 分析。 本文提出了接收机位置由人工输入的方法，这样更便于实际应用；研究了飞 行器的升空过程，提出了2 0 秒之内的信号衰减规律，并引入了火焰因素。 以无线通信技术为基础，围绕信道建模与仿真，本文的主要研究内容安排如 下： 第一章主要介绍课题的来源，研究目的及意义，并对课题的发展现状进行分 析。 第二章主要介绍了移动无线信道的基本概念，包括移动无线信道的主要特点， 电波传播模型及其他相关内容。 第三章介绍了发射场无线信道建模仿真，重点介绍了采用奥村模型的建模过 程。 第四章介绍了发射场无线信道软件实现， 主要的功能。 第五章就软件实现的各个模块进行分析， 第六章为结束语。 通过软件设计与编程实现了四部分 分别讨论其仿真图形和性能。 第二章移动无线信道的相关理论 第二章移动无线信道的相关理论 一个移动通信系统，其必要的组成部分就是信道。现代移动通信系统的接收 采用的方式是无线数字信号发射、地面接收。因此移动无线信道制约了通信系统 的性能。由于无线通信空间的无限性，发射机与接收机之间的传播路径相当复杂， 无线信道会受到各种地形地物因素的影响和接收机的移动的影响，使其具有极大 的随机性，这与确定性有线信道有很大不同。 2 1 移动无线信道的主要特点 基站天线，移动用户天线和两幅天线之间的传播路径，称之为移动无线信道。 从某种意义上来说，对移动无线电传播环境的研究就是对移动无线信道的研究。 其传播路径可分为直射传播和非直射传播。一般情况下，在基站和移动台之间不 存在直射信号，此时接收到的信号是发射信号经过若干次反射、绕射或散射后的 叠加。而在某些空旷地区或基站天线较高时可能存在直射传播路径。 由于高大建筑物或远处高山等阻挡体的存在，常常会导致发射信号经过不同 的传播路径到达接收端。即多径传播效应。各信号经过不同的路径到达接收端时， 具有不同的时延和入射角，这将导致接受的时延扩展和角度扩展。 另外，移动用户在传播径向方向的运动将使接收信号产生多普勒扩展，其结 果是导致接收信号在频域的扩展，同时改变了信号电平的变化率。 归纳起来，由于地理环境的复杂性和多样性，用户移动的随机性和多径传播 现象等因素地存在，使得移动通信系统的信道变得十分复杂。人们通过理论分析 和长期的实际观测，建立了基站与移动台之间的无线信道的统计模型。该模型认 为，电波传播的损耗主要由以下部分构成：路径损耗、慢衰落( 阴影衰落) 和快 衰落( 多径衰落) 【5 1 。无论快衰落还是慢衰落，从其产生的物理机理上来看，都 离不开电磁波传播的三种基本机制：反射、绕射和散射。 2 1 1 基本传播机制( 反射、绕射、散射) 在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制分别为为反射、绕射 和散射。 当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑 物和墙壁表面。电波在不同性质的介质交界处，会有一部分发生反射，一部分通 过。如果平面波入射到理想电介质的表面，则一部分能量进入第二个电介质中， 一部分能量反射回到第一介质，没有能量损耗。如果第二介质为理想反射体，则 6 遥测无线信道多径效应仿真 所有的入射能量被反射回第一介质，无能量损耗。反射波和传输波的电场强度取 决于费涅尔( f r e s n e l ) 反射系数。反射系数为材料的函数，并与极性、入射角和 频率有关。 一般来说，电磁波为极化波，即在空间相互垂直的方向上同时存在电场成分。 极化波在数学上可以表示成两个空间互相垂直成分的和，例如水平和垂直，左手 环和右手环极化成分等。对一定的极性，可通过叠加计算反射场。 当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。由阻挡表 面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。当发射机和接受机之间不存 在视距路径，围绕阻挡体也产生波的弯曲。在高频波段，绕射和反射一样，依赖 于物体的形状，以及绕射点入射波的振幅、相位以及极化情况。 绕射使得无线电信号绕地球曲线表面传播，能够传播到阻挡物后面。尽管接 收机移动到阻挡物的阴影区时，接受场强衰减非常迅速，但绕射场依然存在并常 常具有足够的强度。 绕射现象可由h u y g e n 原理解释，它说明波前上的所有点可作为次级波的点 源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前。绕射由次级波的传播进入阴 影区而形成。阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和。 当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨 大时，发生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际通 信系统中，树叶、街道标志和灯柱等会引发散射。 实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射模型预测得要强。这是因 为当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向。像灯柱和树这 样的物体在所有的方向上散射能量，这就给接收机提供了额外的能量。 2 1 2 慢衰落 接收信号的场强中值在长时间内的缓慢变化成为慢衰落 14 1 ，一种典型的慢衰 落就是阴影衰落。这是由于电波在传播路径上遇到障碍物就会产生电磁场的阴影 区，当手机通过不同的阴影区时，就会引起中值变化。在相同的t - r 距离情况下， 不同位置的周围环境差别非常大，由于阴影效应，导致路径损耗为随机的对数正 态分布。可见，阴影衰落是随位置的较大变化( 数十个或数百个波长以上的变化， 而非数个波长以内的位置变化) 而造成的缓慢衰落，亦称之为地形衰落或位置衰 落。 服从对数正态分布的阴影衰落在当信号用分贝表示时就成为正态分布，即有 如下概率密度函数： 第二章移动无线信道的相关理论 加) = 击e x p i 型2 0 - 2l ( 2 - 1 ) 式中，r 为信号中值的分贝值，m 为信号中值r 的均值( 分贝) ，o - 为信号中 值r 的标准方准方差( 分贝) 。 仃随频率、天线高度和环境而变化，在市郊最大，在开阔地区最小，其值通 常在5 - 1 2 d b 。 为什么阴影衰落可用对数正态分布来描述呢? 可简单证明如下。假设在传播 路径上引起信号衰减的各个物体的作用相互独立，那么整个衰减值a 可以简单的 表示为( 其中n 个阻挡体引起的衰减分别为4 ，彳) ： a = a l a 2x a 式( 2 2 ) 用d b 表示时，为： l = 厶+ 三，+ + 三。， 式( 2 3 ) 其中，厶是随机变量，按照中心极限定理，三是高斯随机变量，所以，a 就 服从对数正态分布。实际上，并不是所有的阻挡体对信号衰减的贡献都相同，距 离移动台近的贡献大。而且，单个绕射体的贡献不能简单相加，因此，严格来说， 独立的假设并不合理。但是，当考虑了各种建筑物的高度、空间分布和建筑方法 以及树叶等引起的衰减时，实际的分布和对数正态分布非常的接近。 慢衰落，除了上面所说的阴影衰落外，由于大气参数变化引起折射率的缓慢 变化还形成了另一种慢衰落，经测定，它也服从对数正态分布。所不同的是，该 种慢衰落在移动台静止时也存在，它是随时间的慢变化。 所以，实际上的慢衰落是随地点变化和时间变化的两种衰落综合而成的。这 两种变化相互独立。这两种变化相互独立，它们的联合概率分布的标准方差为 仃= 知2 ，+ 仃：，其中，q 和o r , 分别是随位置分布和时间分布的标准方差。 口体现了地形地貌对电波传播的影响大小。阴影衰落的速度与地形地貌、用 户移动的速度有关，而与载波频率无关。但是阴影衰落的深度却是与载波频率有 关的，这是因为低频信号比高频信号具有更强的绕射能力。 至于受气象影响的口，它主要和传播路径的性质以及距发射台的远近距离有 关。 2 1 3 快衰落 移动台在移动时，接收信号除了其场强中值随位置和时间发生慢衰落外，信 号的振幅在数个波长以内还有着迅速的随机变化，其变化范围可以达到数十分贝， 8遥测无线信道多径效应仿真 这就是快衰落。这是由于电波在沿地表传播中会受到各种阻碍的反射、散射和吸 收，实际到达接收天线处的电波除了来自发射天线的直射波外，还存在来自各种 物体( 包括地面) 的反射波和散射波。反射波和散射波在接收天线处形成干涉场， 此外，在移动通信中，还存在因移动台的快速移动而划过电波的波节和波腹的驻 波现象及由于多普勒效应而造成的相移，凡此种种原因，就使得实际移动台接收 到的场强在振幅和相位上均随时随地在急剧变化，使得信号很不稳定，这就是天 线电波的衰落现象，其中，随时间急剧变化的部分( 以毫秒计) 成为快衰落或短 期衰落。在没有直达路径的情况下( 当多径数较多时，各路径的信号幅度差异很 小) ，快衰落服从瑞利分布： j1 l 善 p ( ) = e 撕，o = z = 8 式( 2 4 ) 式中信号幅度均值为：厅=仃2 为其方差。在t = 盯的时候取得 最大值。在存在直达路径的情况下( 在各径信号当中有一径信号强度明显高于其 他各径) ，快衰落服从莱斯( r i c e ) 分布： p ( ) = 事酬一竺2 单o ) 厶( 等) ，o _ 脚 式( 2 5 ) o 6 式中l o ( x ) 为第一类修正贝赛尔函数。由式可以看出，当以= o 即不存在直达路 径时，此式表示瑞利分布。 需要指出的是，固定通信时( 或移动台静止时通信) ，虽然多径传播依然存在， 但由于静止，所收到的信号没有快衰落的现象，只有当有强烈反射的移动体( 如 车辆，飞机等) 经过附近，且干扰到接受的电波时，会有短暂的快衰落。另外， 在固定通信中，多径时延扩展也存在，只是此时它使固定数值而不是随机变化的 了，多普勒频移则不再存在。 由前所述，可以看出，移动环境下由同一信源发出的经过不同路径到达的电 波相互干涉造成了多径衰落( 快衰落) 。从系统设计的角度来看，在引起电波传播 损耗的诸因素中，路径损耗和阴影衰落影响基站的覆盖范围，但总可以通过合理 的系统设计消除其影响。而多径衰落则直接影响信号的质量，必须加以有效的抗 多径措施，来消除多径衰落对信号质量的不利影响。多径衰落对数字通信系统性 能的主要影响有： 场强的随即快速起伏； 时延扩展； 随机调频。 第二章移动无线信道的相关理论 由上可知，产生快衰落的原因有两个：多径效应和多普勒频移。 ( 1 ) 多径效应 由移动体周围的局部散射体引起的多径传播效应成为多径效应，表现为快衰 落。通常发射端的信号到达接收端的路径并非一条，由于经历不同的传播损耗和 衰落，各径信号均不相同。从空间的角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的 幅度随着距离变动而衰减，幅度的变化反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩 散的损耗。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， 即如果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宽度扩展的现象，成 为时延扩展。扩展的时间可以用第一个码元信号至最后一个多径信号之间的时间 来测量。时延扩展将引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。 ( 2 ) 多普勒频移 在多径条件下，由移动体的运动速度和方向引起的信号频谱展宽的现象成为 多普勒效应【9 1 。由多普勒效应所引起的附加频移称为多普勒频移，可以用如下公 式来表示： ， u d2 万c o 她 式( 2 6 ) 式中口是入射波与移动台运动方向的夹角，u 是移动台运动速度，旯是波 长。上式中的u 力与入射角无关，是么的最大值，厶= u a 称为最大多普勒 频移。 快衰落可以分为以下三类：空间选择性衰落，频率选择性衰落和时间选择性 衰落。所谓选择性，是指在不同的时间、不同的频率和不同的空间，其衰落特性 是不同的。下文将介绍三个概念：时延扩展、相关带宽和相干时间。 ( 1 ) 时延扩展 考虑到多径的影响，无线信号有不同的路径，每个路径有不同的路径长度， 因此每个路径的信号到达时间是不同的，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，称为时延扩展，本文中用彳表示。时延扩展会造成数字系统 符号间干扰，因此限制了数字系统的最大符号率。为了避免码间串扰，应使码元 周期大于多径引起的时延扩展，或者用下式表示： 正 f或足 t 时，会产生时间选择性衰落。 ddc 一般情况下，z t ，所以不会产生时间选择性衰落，多普勒频移引起的频率 dc 扩展可以忽略不计考虑。 下面总结一下三种快衰落方式的分类以及它们的形成原因。在实际的移动通 信环境中，三类选择性衰落都是存在的，它们形成的原因是由于多径传播。选择 性衰落按产生的条件划分，可以划分为以下三类情况： 第一类多径干扰：由于快速移动用户附近物体的发射而形成的干扰信号， 其特点是在信号频域上产生多普勒频移而引起时间选择性衰落； 第二类多径干扰：由远处山丘或者高大建筑物反射而形成的干扰信号，其 特点是信号在时域和空间角度上产生了扩散，从而引起相对应的频率选 择性衰落和空间选择性衰落； 第三类多径干扰：由基站附近的建筑物和其它物体的反射而形成的干扰信 号，其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起空间选择 性衰落。 综上所述，可以看到，快衰落和慢衰落是由相互独立的原因产生的。随着移 动台的移动，快衰落是信号强度瞬时值的快速变动，而慢衰落是信号中值的缓慢 变动，这二者构成了移动通信接收信号不稳定的因素，可能会对信号产生相应的 影响( 譬如产生码间干扰等等) 。所以，需要采取相关的措施以降低或消除无线信 道的衰落对信号的不利影响。 1 2 遥测无线信道多径效应仿真 2 2 传播模型 无线小区规划的首要问题问题即是建立其无线传播模型，在给定的条件下对 传播条件和接收信号的场强有个尽可能接近实际的估算，这样才能进一步估计小 区尺寸，并预测系统干扰的情况。传播模型的准确与否关系到小区规划是否合理， 运营商是否以比较经济合理的投资满足了用户的要求。确定某一特定地区的传播 环境的主要因素有： 自然地形( 高山、丘陵、平原、水域等) ； 人工建筑的数量、高度、分布和材料特性； 该地区的植被特征； 天气状况； 自然和人为的电磁噪声状况。 另外，无线传播模型还受到系统工作频率和移动台运动因素的影响。在相同 地区，工作频率不同，接收信号衰落各异；静止的移动台与高速运动的移动台的 传播环境也大不相同。 本节将传播模型分为室外传播模型和室内传播模型这两种。其中室外无线电 波的传播模型也大致分为两种，一种是自由空间的传播模型，一种是非自由空间 环境下的经典传播预测模型如：o k u m u r a h a t a 模型，c o s t - 2 3 1 h a t a 模型，c c i r 模型以及c o s t - 2 31w a l f i s c h i k e g a m i 模型。 2 2 1 室外传播模型 传播模型的研究可分为两种：一类是基于无线电传播的理论分析方法；一类 是建立在大量测试数据和经验公式基础上的实测方法，即在大量场强测试的基础 上，经过对数据的分析与系统处理，找出各种地形地物下的传播损耗与距离、频 率以及天线高度的关系，给出传播特性的各种图表和计算公式，建立传播预测模 型，从而能用较简单的方法预测接收信号的中值。下面将分别从这两个角度来分 析路径损耗模型。 ( 1 ) 自由空间传播模型 经验模型基于两个基本的传播模型，即自由空间传播模型和平面大地传播模 型。建立一个经验传播模型，需要对实际的路径损耗进行一系列的测量，找出比 较适合于这些测量值的函数，同时，对于某个特定环境获取出相应的参数值，频 率，天线高度等来减少模型和测量值之间的差别。注意每一个测量值代表了许多 个样本的平均值，它是从一个小范围区域获得的( 大概在1 0 5 0 m 的范围) ，这样 做可以减小快衰落的影响。在与原始测量环境相似的环境中，可以用经验模型进 第二章移动无线信道的相关理论 行系统设计。以下将主要介绍自由空间传播模型。 所谓自由空间是指在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，不发生反射、 绕射、散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗的空间。在自 由空间中，若发射点处的发射功率n p t ，以球面波辐射接收的功率为p r ，则有1 0 】 e 2 彘p g f 式( 2 - 1 3 ) 式中： 4 = 旯2 g ，4 x 天线的有效孔径： 久一工作波长： g t - 发射天线的增益； q - 收天线的增益； d 发射天线与接收天线间的距离； i 与传播无关的系统损耗因子l = i 。损耗l i 包括发射衰减、滤波器损 耗和天线损耗等，而l = i 表示通信系统硬件中无任何损耗。 在移动通信环境中，主要的传输路径伴有表面反射路径，它会严重干扰主要 路径的传输，使接收的功率近似为： e = p ( 警) ”g f g r 式( 2 1 4 ) 式中： h t - 发射天线的有效高度； b r _ 接收天线的有效高度； 玎路径损失指数，它决定路径损失随距离增加而增大的速率。 表2 1 中列出了不同环境下的路径损失指数1 1 的取值。 表2 1 不同环境的路径损失指数 环境 路径损失指数n 自由空间2 城区( 蜂窝式)2 7 3 5 城市阴影区( 蜂窝式) 3 5 楼房( 直射) 1 6 1 8 楼房( 被阻塞) 4 6 i v ( 被阻塞1 2 3 当考虑天线增益的作用时，自由空间的路径损失( 设l = 1 ) 为： p l = e , 1 4 遥测无线信道多径效应仿真 p l ( d b ) = - 1 0 1 9 ( f p ，) = - l o l g l 而g , g 阿r 2 2 式( 2 - 1 6 ) 当g t = g r = 1 时，自由空间的路径损失可写成： 兕( d b ) 一1 0 l g 而毒 _ 3 2 4 5 + 2 0 l g f + 2 0 1 9 d 式( 2 - 1 7 ) 式中： f _ 工作频率( m h z ) ； d 发射天线与接收天线间的距离。 由此可知，自由空间中的传播损耗与d 2 成正比 ( 2 ) o k u m u r a 模型 o k u m u r a 模型为预测城区信号时使最为广泛的模型。应用频率在1 5 0 m h z 到 1 9 2 0 m h z 之间( 可扩展到3 0 0 0 m h z ) ，距离为l k m 到1 0 0 k m 之间，天线的高度 在3 0 m 到1 0 0 0 m 之间。 o k u m u r a 模型开发了一套在准平滑城区，基站有效天线高度为2 0 0 m ，移动 天线高度为3 m 的自由空间中值损耗曲线。基站和移动台均使用垂直全方向天线， 从测量结果得到这些曲线，并画成频率从1 0 0 m h z 到1 9 2 0 m h z 的曲线和距离从 l k m 到1 0 0 k m 的曲线。使用o k u m u r a 模型确定路径损耗，首先确定自由空间路 径损耗，然后从曲线中读出自由空间中值损耗值，并加入代表地物类型的修正因 子。 o k u m u r a 模型万选基于测试数据，不提供任何分析解释。对于许多情况，通 过外推曲线来获得测试范围以外的值，尽管这种外推法的正确性依赖于环境和平 滑曲线的平滑性。 o k u m u r a 模型为成熟的蜂窝和陆地移动无线系统路径损耗预测提供最简单和 最精确的解决方案。由于其实用性，在日本己成为现代陆地移动无线系统规划的 标准。该种模型的主要缺点是对城区和郊区快速变化的反应慢。预测和测试的路 径损耗偏差为1 0 d b 到1 4 d b 。 ( 3 ) h a t a 模型 h a t a 模型是广泛使用的一种中值路径损耗预测的传播模型，适用于宏蜂窝的 路径损耗预测。根据应用频率不同，h a t a 模型又分为： o k u m u r a h a t a 模型，适用的频率范围为1 5 0 m h z 1 5 0 0 m h z ，主要用于 9 0 0 m h z 。 c o s t 2 3 1 h a m 模型，是c o s t 2 3 1 工作委员会提出的将频率扩展到2 g h z 的h a t a 模型扩展版本。 o k u m u r a h a t a 模型 第二章移动无线信道的相关理论 o k u m u r a h a t a 模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式，应用频率在 1 5 0 m h z 到1 5 0 0 m h z 之间，适用于宏蜂窝系统，基站有效天线高度在3 0 m 到2 0 0 m 之间，移动台有效天线高度在l m 到1 0 m 之间。 c o s t 2 3 1 h a t a 模型 c o s t 2 3 1 h a t a 模型是c o s t 一2 3 1 工作委员会开发的h a t a 模型的扩展版本， 应用频率在1 5 0 0 m h z 到2 0 0 0 m h z 之间，适用于宏蜂窝系统，发射有效天线高度 在3 0 m 到2 0 0 m 之间，接受有效天线高度在l m 到1 0 m 之间。 综上所述，对传播模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预 测和特定位置附近场强的变化。对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传 播模型，由于它们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，所以被称为大尺度传播模型。 大尺度衰落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。大尺度衰落的统计特性给了人们一种将路径损耗的估计值 以距离为因子的函数计算方法，可以由均值路径损耗和对数正态分布的均值来表 示它。 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。在较早的受接收机噪声限制的移动 通信系统( 通常称为噪声受限系统) 中，路径损耗确定了信噪比( s n r ) 和最大覆盖范 围。在频率复用的移动蜂窝通信系统( 通常称为干扰受限系统) 中，路径损耗确定 了同频、邻频的干扰程度，因此也就关系到可以采用什么样的复用方案。 对于移动无线系统，o k u m u r a 对较大范围的天线高度和覆盖区域作了比较早 的路径损耗测试。h a t a 将o k u m u r a 的数据转换成了参数公式。对于移动无线系统， 平均路径损耗是发射机与接收机之间距离d 的方程，它相应于距离d 处以距离d 0 处作为参照并遵守如下公式： ( m ( 争 一般的，对于大蜂窝d o 区域取为1 公里，微蜂窝取为1 0 0 米，室内信道取 为1 米。r ，( d ) 是在给定的d 值的平均路径损耗( 经过不同的地点) 。幂指数n 与 ， 频率、天线高度以及传播环境有关。在自由空间中，n = 2 。在一个电波传播加强 的情况下( 比如两边有高层建筑物的城市街道) ，r l 有可能小于2 。当存在阻挡物时， n 的值就比2 大了。在离发射机为d 0 处的参考点的路径损耗为云。( 一般通过 一 ， 测量或者使用公式以自由空间路径损耗公式计算得出。 1 6 遥测无线信道多径效应仿真 式中表达的路径损耗与距离的比值为一个均值，所以对于描述信号路径的细 节很不够详细。即使发射机与接收机之间的距离相同，不同地点的传播环境大不 一样，所以有必要提供变化值的均值。测量标明对于任意的d ，路径损耗l p ( d ) ( 以 分贝表示) 是一个遵守对数正态分布的随机变量，和与距离有关的。( d ) 保持一 致。所以，路径损耗l p ( d ) 可以表示成l d ( d ) 加上一个随机变量船 三p ( d ) ( 扭) = 厶( d o ) ( 妇) + 1 0 nl g ( d ) + ( 扭) 式( 2 1 9 ) 施为一个零均值随机变量( 用分贝表示) ，标准方差为s ( 用分贝表示) 。施与 距离和地点有关。对于施的选择通常是基于测量；一般取值为仁1 0d b 甚至更 高。所以，对于用统计的方法描述任意位置并且任意距离的发射机与接收机之间 的路径损耗，下列参数是必要的： 参考距离d 0 ； 路径损耗指数1 1 ： 施的标准方差。 2 2 2 室内传播模型 目前，无线通信的应用正逐渐由室外环境向室内环境扩展和延伸。随着p c s 系统的采用，人们越来越关注室内无线电波传播情况。研究室内电波传播的多径 现象，建立有实用意义的室内电波传播模型，可以为室内无线通信系统的设计提 供最佳网站配置的依据。从而可节省巨额的实地设站检测费用，具有较大的经济 效益。 室内无线信道有两个方面不同于传统的移动无线信道覆盖距离更小，环 境的变动更大。室内的电波传播不受气候因素( 如雨、雪和云等) 的影响，但要 受建筑物的大小、形态、结构、房间布局以及室内陈设的影响，最重要的是建筑 材料的影响。室内障碍物不仅有砖墙，而且有木材、金属、玻璃及其他材料( 如 地毯、墙纸等) 。这些材料对电波传播的影响是不同的。 室内无线传播同室外具有同样的机理：反射、绕射和散射。但是，条件却很 不同。例如，信号电平很大程度上依赖于建筑物内门是开还是关。天线安装在何 处也影响大尺度传播。天线安装于桌面高度与安装在天花板的情况会有极为不同 的接收信号。同样的，较小的传播距离也使天线的远场条件难以满足。 室内无线传播是一个新的领域，在1 9 8 0 年初首次开始研究。c o x 在a t & t 贝尔实验室，a l e x a n d e r 在英国电信，首先对大量家具和办公室建筑周围及内部路 径损耗进行了仔细的研究。 一般来说，室内心道分为视距( l o s ) 或阻挡( o b s ) 两种【”】，并随着环境 第二章移动无线信道的相关理论 1 7 杂乱程度而变化。双线地面反射模型是估计视距微蜂窝路径损耗的最佳方法，对 于o b s 微蜂窝环境，简化的对数距离路径损耗模型则更有效。下面是一些主要的 室内模型。 ( 1 ) 分隔损耗( 同楼层) 建筑物具有大量的分隔和阻挡体。家用房屋中使用木框与石灰板分隔构成内 墙，楼层间为木质或非强化的混凝土。另一方面，办公室建筑通常有较大面积， 使用可移动的分隔，以使空间容易划分，楼层间使用金属加强混凝土。作为建筑 物结构一部分的分隔，称为硬分隔，可移动的并且未延展到天花板的分隔称为软 分隔。分隔的物理和电特性变化范围非常广泛，将通用模型应用于特定室内情况 是非常困难的。 ( 2 ) 楼层间分隔损耗 建筑物楼层间损耗由建筑物外部面积和材料，以及建筑物的类型决定。甚至 建筑物窗口的数量也影响楼层间的损耗。对于三层建筑，建筑物一层内的衰减比 其它层数衰减要大得多。在5 、6 层以上，只有非常小的路径损耗。 ( 3 ) 对数距离路径损耗模型 很多研究表明，室内路径损耗遵从公式： p l ( d b ) = p l ( d 0 ) + 1 0 引。g ( 云) + x 仃 式( 2 - 2 0 ) 其中，n 依赖于周围环境和建筑物类型，x ，r 表示标准偏差为仃的正态随机 变量。 ( 4 ) e r i c s s o n 多重断点模型 通过测试多层办公室建筑，获得了e r i c s s o n 无线系统模型。模型有四个断点 并考虑了路径损耗的上下边界。模型假定d = l m 处衰减为3 0 d b ，这对于频率为 f = - 9 0 0 m h z 的单位增益天线是准确的。没有假定对数正态阴影成分，e r i c s s o n 模型