毕业设计（论文）-无线信道建模与仿真.doc

装订线无线信道建模与仿真二 一 四 届 毕 业 设 计无线信道建模与仿真学 院：信息学院专 业：电子信息工程姓 名：学 号：指导教师：完成时间：2014年6月二一四年七月摘 要 移动通信对于个人的生活方式以及社会形态的演变有着深远的影响。无线信道是非常复杂的非线性的时变动态系统，因而对于传播模型的研究是至关重要的。无线移动信道的特性制约着移动通信系统的主要性能。同时，移动通信系统也必须以无线移动信道的特点为依据，进行合理的设计和改进。基于以上原因，无线信道的建模成为了推动移动通信发展的关键技术之一。 本论文中对无线信道进行了建模，分别采用了Suzuki信道模型与Jakes信道模型。Suzuki 信道模型是将小尺度衰落模型和大尺度传播模型结合起来的一个混合模型，即在瑞利信道的基础上，考虑了阴影效应。因此，常用Suzuki模型来仿真平坦衰落信道。Jakes模型产生的信号是广义平稳的，并且能够较好的吻合Clarke模型中的统计特性。但是由于Jakes仿真器产生的信号并不是广义平稳的，也不是各态历经的，因此不能用时间平均代替统计平均。此外，它的统计特性也达不到参考模型的要求，因此在实际仿真时通常引入随机相位来进行改善。 在综合考虑了各个因素之后，我们运用matlab软件，采用了Suzuki信道模型和改进的Jakes信道模型对无线信道进行仿真模拟。关键词 无线信道，信道建模，信道仿真ABSTRACT Both personal lifestyle and social evolution are significantly influenced by mobile communications. Since wireless channel is an immensely complicated nonlinear time-varying dynamic system, research on propagation model is vitally important. The performances of mobile communication systems are conditioned by the characteristics of wireless channels. .On the contrary, the mobile communication systems should be designed and improved based on the characteristics of wireless channels,. Motivated by the reasons above, wireless channel modeling has become one of the key techniques to develop of the mobile communications. This thesis concentrates on the wireless channel modeling, and has adopted Suzuki and Jakes channel model, respectively. Suzuki model is a combination of the small scale fading model and large scale propagation model, i.e., the combination of Rayleigh channel model and the shadow effect. Therefore, Suzuki model is commonly used to simulate the flat fading wireless channels. The signals produced by Jakes model is generalized stationary, which match the statistical properties of Clarke model well. However, the signals produced by Jakes simulator are not generalized stationary nor ergodic, so we cannot substitute the time average for the statistical average. Besides, its statistical properties cannot reach the requirements of the reference model. Accordingly, a random phase is always introduced to improve the actual simulations. Considering all these factors, we use the matlab software to simulate wireless channels with the Suzuki channel model and improved Jakes channel model.KEY WORDS wireless channel，channel modeling，channel simulation目 录第一章 绪论1 1.1移动通信系统的发展1 1.2移动通信系统的基本概念5 1.3无线信道研究意义6第二章 无线信道衰落与建模8 2.1电磁波传播机制8 2.1.1反射8 2.1.2绕射8 2.1.3散射9 2.2电磁波衰落10 2.2.1自由空间传播11 2.2.2阴影衰落12 2.3小尺度衰落13 2.3.1小尺度衰落的影响因素13 2.3.2多径效应14 2.3.3时延扩展和相干带宽15 2.3.4多普勒扩展和相干时间16 2.4无线信道建模17 2.4.1基于统计测量的建模方法18 2.4.2基于传播预测的建模方法18第三章 Suzuki信道模型20 3.1高斯功率谱21 3.2莱斯过程与瑞利过程24 3.3对数正态过程26 3.4信道仿真27 3.5正弦波叠加法28 3.6仿真参数计算34第四章 Jakes信道仿真39结 论43致 谢44参考文献45附 录46第一章 绪论1.1 移动通信系统的发展中国主导定制的TD-LTE-Advanced正式成为4G（即第四代移动通信技术）国际标准之后，中国移动通信的4G进程得到了有力的推动。4G技术能提供100Mbps150Mbps的下行网络带宽，意味着下行速度最高可以达到18。75Mbs。这样的高速无疑是令人惊叹的。于此同时，回顾移动通信系统的发展，我们能发现更令人惊叹的是它的发展速度。 1897年，马可尼（Marconi）在英格兰海峡里为世人展示了无线电为行驶着的船只保持连续不断的通信。这种在运动中保持通信的能力，得到了世人的关注的同时，得到了举世瞩目的发展。 移动通信系统发展的最初，是单向通信系统，也就是无线寻呼系统。通信仅仅是单向进行，这显然无法满足人们的通信需求以及渴望。第一代移动通信系统随即产生。此时的通信系统的双向通信系统，是模拟通信系统。二十世纪四十年代中期至七十年代中期，开始公用电话业务，采用大区制，可以实现人工交换与公众电话网的接续。在这一时期，蜂窝网的概念已经提出了。到了六十年代中期，出现了自动交换与公众电话网的接续，并且，出现了频率合成器，信道间隔缩小，信道数目增加。七十年代，小型化的、晶体射频电路迅速发展。到了八十年代，以FDMA技术为基础、占用频段为800/900MHz的蜂窝式模拟移动通信系统正式问世。这种主要用于语音通话的模拟系统，显然存在着诸多缺点：频谱利用率不高，容量有限；缺少统一的标准制式，导致各个系统间缺少公共缺口，导致互不兼容，难以实现漫游，限制了用户覆盖率，也导致使用的不便；与现在的通信系统相比，提供的业务种类太少，不能传输数据信息，使服务种类收到了限制；信息安全性得不到保障，容易被窃听监听等等。 在通信系统的巨大缺陷和用户对于移动通信的巨大需求的激烈矛盾推动下，第二代移动通信系统面世。目前国际上商用的数字蜂窝系统有欧洲的GSM(全球移动通信系统)、美国的D-AMPS（IS-54/136，目前使用的IS-136）、日本的PDC(个人数字蜂窝系统)及美国的CDMA（IS-95）等。其中基于CDMA为多址技术的IS-95数字移动通信系统，不仅能够数模兼容，而且系统容量是模拟系统的20倍，是数字TDMA系统的4倍。 与第一代移动通信系统相比，GSM有着两个显著的特点。特点一是客户与设备分离(人机分开)，在GSM通信中，SIM卡与移动设备之间已设置一个开放式的公共接口，这样，使用者与自己的设备之间没有互相依存的关系。在SIM卡中存储有持卡者的客户数据、保安数据、鉴权加密算法等，只要客户手持此卡就可以借用、租用不同厂家的移动台，得到卡内存储的各种业务的服务，大大方便了客户，大大增强了GSM通信的移动性，也大大地增强了各生产厂家的设备的共享性。特点二是，通信安全可靠。因为在SIM卡中有一个永久性的存储器，既有存储能力，又有进行计算的能力，所以它属于智能卡。当客户建立呼叫时，首先要客户输入个人身份号码(PIN)，此码由48位数字组成，由移动台的键盘键入。若输入三次不正确的PIN码后，PIN码被锁，通信终止，这是防范那些伪客户盗用通信的方法之一。若有权客户忘记了PIN码或一时疏忽，输入三次错误，可利用SIM卡中存储的09位数字的个人解锁钥(PUK)来解锁PIN码，使之恢复正常。但也要特别注意，若输入十次错误的PUK，整个SIM卡就报废了，只有重新购置一个SIM卡才能再进行通信。在呼叫建立过程中PIN码正确时，网路开始对客户身份进行鉴权，利用存储在SIM卡中的A3、A8算法，移动台与网路把计算结果进行比较，相同鉴权成功，这又是防范盗用通信的第二道防线。鉴权成功之后，为了对客户信息保密，安全传送至被叫，则又采用了一套加解密的方法，即采用了A5的算法，防止了非法客户窃密。另外，在鉴权和加解密过程中的密钥(KC)和鉴权钥(K1)参数在空中接口上是不传输的，只有国际移动客户识别码(IMSI)传输一次，以后完全采用不断变化的临时移动客户识别码(TMSI)来代替，因此GSM通信比模拟移动通信更加安全可靠。 不仅仅如此，GSM系统提供的业务也更加的多样，包括电话、紧急呼叫、三类传真以及短消息业务在内的电信业务；呼叫偏转（有被叫，实时前转）、呼叫前转（无条件、遇忙、无应答、不可及）、主叫号码识别、呼叫等待（被叫忙时，接收新业务）、呼叫保持（保持当前呼叫，发起新呼叫）、呼入呼出限制等等的补充业务；语音群呼叫（VGCS）、话音广播业务（VBS）、多用户特征（MSP）、移动定位业务的增强型补充业务；包含交替语音和数据、数据后接语音业务、GPRS业务等在内的承载业务。 伴随着第二代通信技术而出现的GPRS(General Packet Radio Service,即通用无线分组业务)，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS有着两大优点：用途广泛，在网络时代，GPRS为手机用户提供了上网浏览以及手机接收发送电子邮件的便利；经济性高，已发展，因为GPRS沿用现有的GSM网络就可以发展起来，提供数据服务。由于在通话时使用GSM，数据传输时使用GPRS，移动电话的应用得到了很大的扩展。 不过令人遗憾的是，随着信息爆炸式的增长以及人们生活方式的改变，第二代通信系统同样暴露出了不少的缺点：依旧缺少统一的国际标准，制式太多互不兼容；频谱利用率有待提高；随着社会发展，无法满足移动通信容量飞速增长的巨大要求；高速数据和多媒体业务的经济性差且传输速率不高；在Internet时代，不能有效的支持Internet业务等。 随着科技的进步和社会的发展，第三代移动通信技术应运而生。第三代移动通信系统在国际上统称为IMT-2000，简称3G，是国际电信联盟(ITU)在1985年提出的工作在2000MHz频段，预期在2000年左右商用的系统。当时称为未来陆地移动通信系统，即FPLMTS，1996年正式更名为IMT-2000。 与第一代模拟移动通信(如TACS和AMPS等)和第二代数字移动通信系统(如GSM和IS-95 cdmaOne等)相比，第三代的最主要特征是可提供移动多媒体业务，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，且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也要考虑与已有第二代系统良好的兼容性。 第三代移动通信技术的主要特征是可提供移动多媒体业务，其中高速移动环境支持144kbit/s的速率，步行慢速移动环境支持速率达384kbit/s，在室内支持2Mbit/s的数据传输。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及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好的兼容性。除语音、可视电话、视频会议电话及多媒体业务外，EMAIL、WWW浏览、电子商务、电子贺卡等业务能与移动网络相结合。移动办公业务、教育类业务、股票信息、交通信息、气象信息、位置服务、网上教室、网上游戏等移动应用将极大地丰富人们的生活。可以说，3G是为满足容量及业务的需求，在综合考虑现有技术的基础上新生成的一代系统。 目前的三种主流分别为CDMA2000、WCDMA和TD-SCDMA，分别为美国标准、欧洲标准和我国自主知识产权的3G标准。CDMA2000最先投入市场，一度占据3G市场主流，它与基于CDMA为核心的技术有相似的基本技术和关键技术，使得CDMA系统性能提升至极限。但是WCDMA的发展后来居上，有较高的扩频增益，存在明显的后发优势。TD-SCDMA是我国拥有自主知识产权的3G技术，要求严格的同步，技术在日趋成熟中，略显底气不足。 要使用3G的网络必须使用3G的手机才能支持。但是3G的手机同样可以兼容使用2G的网络，而目前的2G网络能满足基本的需求，给3G的推广带来了一定的阻力。再者要使用不同的3G网络，必须定制不同制式的3G手机，这样3G的关键就在于网络覆盖和终端，终端是决定产业成熟度的关键因素。WCDMA与CDMA2000进行比较可知：WCDMA的终端新增数量已达到CDMA2000的2倍。而国内的TD终端推出较晚，经验和气势都较弱。WCDMA的势头锐不可当。 中国移动2013年以来，中国移动启动了20万个基站的建设和100万部终端的采购，体验用户接近4万人。2013年10月，中国移动获准在全国326个城市开展TD-LTE扩大规模试验。中国移动称，该公司已在全国范围内启动了TD-LTE的商用部署工作，将建成全球规模最大的4G网络，并将努力推动4G的融合发展。按照中国移动的计划，在2013年底前，该公司可向北京、杭州、广州、深圳、青岛、南昌、南京、温州、厦门、上海、天津、沈阳、成都等城市的用户提供4G服务。 4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。如果说现在的3G能为我们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信将是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。 与传统的通信技术相比，4G通信技术最明显的优势在于通话质量及数据通信速度。然而，在通话品质方面，目前的移动电话消费者还是能接受的。随着技术的发展与应用，现有移动电话网中手机的通话质量还在进一步提高。数据通信速度的高速化的确是一个很大优点，它的最大数据传输速率达到100Mbit/s，简直是不可思议的事情。另外由于技术的先进性确保了成本投资的大大减少，未来的4G通信费用也要比目前的通信费用低。 4G通信技术将是继第三代以后的又一次无线通信技术演进，其开发更加具有明确的目标性：提高移动装置无线访问互联网的速度-据3G市场分三个阶段走的的发展计划，3G的多媒体服务在10年后将进入第三个发展阶段，此时覆盖全球的3G网络已经基本建成，全球25%以上人口使用第三代移动通信系统。在发达国家，3G服务的普及率更将超过60%，那么这时就需要有更新一代的系统来进一步提升服务质量。 第二代和第三代移动通信技术对于我们生活方式以及社会形态的影响可谓不小，然而第四代移动通信技术的面世，将带来更加彻底的改变。相比于之前的移动通信技术，4G技术有着以下的明显特征：1、通信速度更快，从移动通信系统数据传输速率作比较，第一代模拟式仅提供语音服务；第二代数位式移动通信系统传输速率也只有9.6Kbps，最高可达32Kbps，如PHS；而第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbps；专家则预估，第四代移动通信系统可以达到10Mbps至20Mbps，甚至最高可以达到每秒高达100Mbps速度传输无线信息，这种速度将相当于目前手机的传输速度的1万倍左右。2、具有更宽的网络频谱，每个4G信道将占有100MHz的频谱，相当于W-CDMA 3G网路的20倍。3、智能性能更高，第四代移动通信的智能性更高，不仅表现在4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化，例如对菜单和滚动操作的依赖程度将大大降低，更重要的4G手机可以实现许多难以想象的功能。例如4G手机将能根据环境、时间以及其他设定的因素来适时地提醒手机的主人此时该做什么事，或者不该做什么事，4G手机可以将电影院票房资料，直接下载到PDA之上，这些资料能够把目前的售票情况、座位情况显示得清清楚楚，大家可以根据这些信息来进行在线购买自己满意的电影票；4G手机可以被看作是一台手提电视，用来看体育比赛之类的各种现场直播。 4G手机的功能，已不能简单划归“电话机”的范畴，毕竟语音资料的传输只是4G移动电话的功能之一而已，因此未来4G手机更应该算得上是一只小型电脑了，而且4G手机从外观和式样上，将有更惊人的突破，我们可以想象的是，眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋，以方便和个性为前提，任何一件你能看到的物品都有可能成为4G终端，只是目前我们还不知应该怎么称呼它。未来的4G通信将使我们不仅可以随时随地通信，更可以双向下载传递资料、图画、影像，当然更可以和从未谋面的陌生人网上联线对打游戏。也许你将有被网上定位系统永远锁定无处遁形的苦恼，但是与它据此提供的地图带来的便利和安全相比，这简直可以忽略不计。3、兼容性能更平滑，实现更高质量的多媒体通信。4、频率使用效率更高，相比第三代移动通信技术来说，第四代移动通信技术在开发研制过程中使用和引入许多功能强大的突破性技术，例如一些光纤通信产品公司为了进一步提高无线因特网的主干带宽宽度，引入了交换层级技术，这种技术能同时涵盖不同类型的通信接口，也就是说第四代主要是运用路由技术(Routing)为主的网络架构。由于利用了几项不同的技术，所以无线频率的使用比第二代和第三代系统有效得多。按照最乐观的情况估计，这种有效性可以让更多的人使用与以前相同数量的无线频谱做更多的事情，而且做这些事情的时候速度相当快。研究人员说，下载速率有可能达到5Mbps到10Mbps。 回顾移动通信技术的发展，不得不惊讶于发展的迅猛，以及它对个人生活乃至社会发展的深刻影响。 1.2 移动通信系统的基本概念所谓移动通信系统指通信双方或至少有一方是在运动中进行信息交换的。例如，固定点与移动体（汽车、轮船、飞机）之间，移动体与移动体之间、人与人或人与移动体之间的通信，都属于移动通信。由于移动通信几乎集中了有线和移动通信的最新技术成就，移动通信所能交换的信息，已不仅限于语音，一些非话音服务（如传真、数据、图像等）也纳入移动通信的服务范围。同时，移动通信除了作为公用通信外，即使作为专业通信也已普遍应用于社会的各个领域，不论是交通运输、商业金融、新闻报导、公共安全、作战训练等各行各业都因为移动通信所带来的高效率而获益非浅。它是使用户随时随地快速而可靠地进行多种信息交换的一种理想通信形式。移动通信是至少有一方处于移动状态下通信方式，其必须通过无线信道，即靠无线电波传送信息。移动通信的频率范围在VHF(甚高频)、UHF(超高频)，为地表面波、电离层反射波、直射波和散射波等传播，受地形地物影响很大。如移动通信系统多建于大中城市的市区，城市中的高楼林立、高低不平、疏密不同、形状各异，这些都使移动通信传播路径进一步复杂化，并导致其传输特性变化十分剧烈。据以上原因，使移动台接收到的电波一般是直射波和随时变化的绕射波、反射波、散射波的叠加，这样就造成所接收信号的电场强度起伏不定，最大可相差2030dB，这种现象称为衰落。既有长期（慢）衰落，也有十分严重和频繁的短期（快）衰落。快衰落是移动台附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速起伏的现象。其主要由于多径传播而产生的衰落，由于移动体周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化，它反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落，由于快衰落表示接收信号的短期变化，所以又称短期衰落(short-term-fading）。慢衰落是由于移动台的不断运动，电波传播路径地形地貌是不断变化的，因而局部中值也是不断变化的。这种变化所造成的衰落比多径效应引起的快衰落要慢得多，称为慢衰落。由于移动台的不断运动，当达到一定速度时，如超音速飞机，固定点接收到的载波频率将随运动速度V的不同，产生不同的频移，通常把这种现象称为多普勒效应。因而接收点的信号场强振幅、相位随时间、地点而不断地变化。其频移值为： (1-1)(式中为接收信号载波的波长；为电波到达时的入射角。) 在移动通信中，空间传播的电磁波除有用信号外，还存在大量的干扰电波。主要的干扰有互调干扰、邻道干扰及同频干扰等。互调干扰主要是系统设备中非线性引起的，如混频选择不好，使非有用信号混入，而造成干扰。邻道干扰是指两个相邻的信道之间的干扰，是由于一个强信号串扰弱信号而造成的干扰，为解决这个问题，在移动通信设备中采用自动功率控制电路。同频干扰是指相同载频电台之间的干扰，它是蜂窝式移动通信所特有的干扰，由频道重复利用所造成。因此，无论在系统设计中，还是在组网时，都必须对干扰问题予以充分的考虑。 移动通信系统对通信台的要求高。移动台长期处于不固定位置状态，外界的影响很难预料，如尘土、振动、碰撞、日晒雨林，这就要求移动台具有很强的适应能力。此外，还要求性能稳定可靠，携带方便、小型、低功耗及能耐高、低温等。同时，要尽量使用户操作方便，以满足不同人群的使用。这给移动台的设计和制造带来很大困难。通信系统的容量有限，频率作为一种资源必须合理安排和分配。由于适于移动通信的频段仅限于UHF和VHF，所以可用的通道容量是极其有限的。为满足用户需求量的增加，只能在有限的已有频段中采取有效利用频率措施，如窄带化、缩小频带间隔、频道重复利用等方法来解决。目前常使用频道重复利用的方法来扩容，增加用户容量。但每个城市要做出长期增容的规划，以利于今后发展需要。 根据移动通信的工作方式，可以分为：单工制，半双工制，双工制，单频单向方式，移动中继方式。单工制工作方式是双方设备的接收机均处于接听状态。其中A方需要发话时，先按下“按讲”开关，关闭接收机，由B方接收；B方发话时也将按下“按讲”开关，关闭接收机，从而实现双向通信。这种工作方式收发信机可使用同一副天线，而不需天线共用器，设备简单，功耗小，但操作不方便。在使用过程中，往往会出现通话断续现象。同频和双频单工的操作与控制方式一样。单工制一般适用于专业性强的通信系统，如交通指挥等公安系统。半双工制是指通信双方，有一方使用双工方式，即收发信机同时工作，且使用两个不同的频率f1和f2；而另一方面则采用双频单工方式，即收发信机交替工作。这种方式在移动通信中一般使移动台采用单工方式而基站则收发同时工作。其优点是：设备简单、功耗小，克服了通话断断续续的现象。但操作仍不太方便。所以主要用于专业移动通信系统中，如汽车调度等。双工制是指通信双方，收发信机均同时工作，即任一方讲话时，也可以听到对方的话音，没有“按讲”开关，双方通话像市内电话通话一样。这种工作方式虽然耗电大，但使用方便，因而在移动通信系统中获得了广泛的应用。1.3 无线信道研究意义 移动通信对于个人的生活方式以及社会形态的演变有着不可磨灭的影响以及深远的意义。移动通信的首要问题就是研究电波的传播特性，掌握移动通信电波的传播特性对移动通信无线传输技术的研究，开发和移动通信的系统设计具有十分重要的意义。移动通信的信道是指基站天线，移动用户天线和两幅天线之间的传播路径，从某种意义上来说，对无线电波传播特性的研究就是对移动无线信道特性的研究。移动信道的基本性质就是衰落特性，这种衰落特性取决于无线电波的传播环境，不同的传播环境，其传播特性也不尽相同，而复杂的传播环境，就导致了移动无线信道特性十分复杂。总体来说，这些传播环境包括地貌，人工建筑，气候特征，电磁干扰情况，通信体移动速度情况和使用的频段等。无线信道是非常复杂的非线性的时变动态系统。它有以下特点，无线信道完全开放，电磁波在整个空间中传播，这与全封闭的有线传输信道截然不同，接收环境千差万别，城市，交警和山区等不同的客户地貌决定了不同的信道特性，用户随机移动，可能是静止的也可能是高速运动的，不同的移动我也影响了信道的变化，在这种传播环境下所表现出的衰落一般表现为，随信号传播遗弃变化而导致的传播损耗和迷散；由于传播环境中的地形起伏，建筑物及其他障碍物对电磁波的遮蔽所引起的衰落，一般称为阴影衰落；无线电波在传播路径上受到周围环境中地形地不知所云的作用也存在不同的类型，有视距范围内无阻挡的走向波，其信号最强，有经过不同物体反射到达接收端的反射波，其信号较弱，也有经过高大的建筑物或者山脉绕射到达接收端的绕射波，其信号也较弱，另外也有经过物体的粗糙表面在所有方向上的漫反射而形成的散射波，使得其到达接收机时是从多条路径传来的多个信号的叠加，这种多径传播所引起的信号在接收端幅度，相位和到达时间的随机变化将导致严重的衰落，即所谓多径衰落。 由此看来，对于传播模型的研究是至关重要的。无线移动信道的特性制约着移动通信系统的主要性能。同时，移动通信系统也必须以无线移动信道的特点为依据，进行合理的设计和改进。对于无线信道的研究价值在于保障精度，同时节省人力、费用和时间。要充分的描述移动无线的特性，并准确的计算场强和传播损耗是很困难的。移动通信信道的建模，作为推动整个移动通信发展的关键技术之一，对于无线网络规划的研究是十分有意义的。第二章 无线信道衰落与建模2.1 电磁波传播机制在移动通信系统中，影响电磁波传播的三种最基本的机制是反射、绕射和散射。当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生发射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。当电磁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物的数目巨大时，发生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则的物体。 2.1.1 反射电磁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费聂尔反射系数。反射系数为材料的函数，并与极性、入射角和频率有关。图2-1为实际移动通信系统中，存在的几种反射。 图2-1 电波反射2.1.2 绕射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场强。绕射现象可由Huygen原理（即惠更斯原理）解释，它说明波前上的所有点可作为产生次级波的点源，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。如图2-2，为两种典型电波的绕射。图2-2 电波的绕射2.1.3 散射在实际移动无线环境中，接受信号比单独绕射和反射模型预测的要强。这是因为当电磁波遇到粗糙表面时，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，这给接收机提供了额外的能量补偿。在实际的环境中，电磁波的传播环境较为复杂，反射、绕射和散射同时存在。图2-3为复杂移动通信环境中，电磁波的基本传播现象。图2-3 电磁波传播现象2.2 电磁波衰落在实际移动通信系统中，移动台处于运动之中，因此，电磁波传播的条件随其移动而无时无刻不发生着较大的变化，接受信号的场强也随之起伏较大，衰落可达几十分贝，出现严重的衰落现象。这是移动无线通信系统的一大特点。此外，由于实际移动通信系统工作环境的复杂，不同物体的多路径反射，经过不同长度路径的电磁波相互作用引起多径损耗，同时随着发射机和接收机之间距离的不断增加而导致电波强度的衰减。对于传播模型的研究，传统方式是预测给定范围内平均接收场强以及特点位置附近场强的变化。预测平均场强并用于估算无线覆盖范围的传播模型，由于描述的是发射机与接收机之间的长距离（几百米或是几千米）上的场强变化，因此称为大尺度传播模型，其主要研究的是电波传播的时间和空间上的平均特性。反之，描述短距离或者短时间内的场强的快速波动的传播模型，称为小尺度衰减模型。当移动台在极小范围内移动时，可能引起短时间内接收场强的快速波动，即小尺度衰落。图2-4为无线信道大尺度衰落与小尺度衰落。图2-4 无线信道的大尺度衰落和小尺度衰落2.2.1 自由空间传播 自由空间传播是电波最简单的传播形式。在电磁学上，自由空间指的是相对介质电常数和磁导率为1的均匀介质所存在的空间。自由空间具有各项同性、电导率为零的特点。电波在自由空间的传播，和在真空中传播是一样的，只有扩散损耗的直线传播。 由于自由空间的特性，自由空间传播模型主要运用于预测接收机和发射机之间是完全无阻挡物体的视距路径时的接受信号场强。自由空间模型预测接收功率的衰减为接收机与发射机距离的幂函数。在Friis自由空间模型中，距离发射机处的天线接收功率为 (2-1)其中，为发射功率；是接收功率；和分别为发射天线增益和接收天线增益；为接收机和发射机间的距离，单位为米；是与传播无关的系统损耗因子；为波长，单位米。天线增益与它的有效截面积相关。由公式2-3可知，接收机功率随着接收机和发射机的距离的平方衰减，即接收功率衰减与距离的关系为20dB/10倍程。需要注意的是，Friis自由空间模型仅当为发射天线远场值时适用。天线的远场(即Fraunhofer区)指的是超过远场距离的地区，与发射天线截面的最大线性尺寸和载波波长有关。(2-2)其中，D为天线的最大物理线性尺寸。此外，还必须满足： (2-3)和 (2-4) 自由空间传播损耗就是发射点的无线信号在整个球面内均匀的向外扩散，扩散到接收天线处，落在天线的有效接收面积上的能量与发射的总能量的比。 因此，移动通信系统自由空间路径损耗L与收发天线增益无关，仅与工作频率和传播路径有关，其计算公式为 dB (2-5)其中，以MHZ为单位；以km为单位。基于成熟的理论和测试的传播模型表明，平均接受信号功率随着距离的对数衰减。则对于任意的接收机和发射机距离，平均大尺度路径损耗表示为： (2-6)或 (2-7) 其中，为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率；为近地参考距离；为接收机与发射机之间的距离。值依赖于特定的传播环境。例如，在自由空间，为2，当有阻挡物时，变大。2.2.2阴影衰落在实际移动通信传播环境中，电波在传播路径上遇到起伏的山丘、建筑物、树林等障碍物阻挡，形成电波的阴影区，就会造成信号场强中值的缓慢变化，引起衰落。通常把这种现象称为阴影效应，由此引起的衰落又称为阴影慢衰落。另外，由于气象条件的变化，电波折射系数随时间的平缓变化，使得同一地点接收到的信号场强中值也随时间缓慢地变化。但因为在陆地移动通信中随着时间的慢变化远小于随地形的慢变化，因而常常在工程设计中忽略了随时间的慢变化，而仅考虑随地形的慢变化。它是由于在电波传输路径上受到建筑物或山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布。图2-5为阴影衰落。图2-5 阴影衰落由于存在阴影效应，对于任意的值，特定位置的路径损耗为随机正态对数分布，即： (2-8)其中，为高斯分布随机变量，单位为dB，均值为0，标准差为。对数正态分布模型，描述的是在传播路径上，具有相同的接收机与发射机间的距离时，不同的随机阴影效应。这种效应被称为对数正态阴影。2.3 小尺度衰落小尺度衰落，指无线信号在短时间内或短距离传播后其幅度值快速衰落，以至于其大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。小尺度衰落主要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。接收机的天线将这些多径波，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、相对传播时间差以及传播信号的宽度。小尺度衰落效应的产生主要是由于无线信道的多径性。其主要效应表现为：经过短距或短时传播后信号强度的急剧变化；在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机频率调制；多径传播时延引起的扩展。在实际移动通信系统环境中，由于地面与周围物体的反射，导致多径传播始终存在。入射电磁波以不同的传播方向到达，具有不同的传播时延。任意一点的移动台所接收的信号都是由许多平面波组成的，它们具有随机分布的幅度、相位和入射角度。这些多径波被接收机天线按向量合成，从而使得接收信号产生衰落失真。即使移动台处于静止，但由于周围环境的物体的运动，也会导致衰落的产生。2.3.1 小尺度衰落的影响因素无线信道的小尺度衰落受到许多物理因素的影响，主要包括：多径传播，移动台的运动速度，环境物体的运动速度和信号的传输带宽。由于信道中存在反射和反射物，使发射波到达接收机时形成在时间、空间上相互区别的多个无线电波，这导致了信号幅度、相位及时间的变化。具有随机的相位和幅度的多径波的向量相加，导致了信号强度波动，从而产生了小尺度衰落、信号失真等现象。因此多径传播成了影响小尺度衰落的主要因素之一。多径传播常常延长信号基带部分到达接收机所有的时间。由于多径分量存在的多普勒频移现象，基站与移动台间的相对运动会引起随机频率调制。移动接收机朝向基站运动则产生正频移，背向基站运动则产生负频移。当移动基站处于静止状态时，若无线信道中的物体处于运动的状态，也会引起多普勒频移。当环境中物体的运动速度大于移动台时，则物体的运动对小尺度衰落起决定作用。当环境中物体的运动速度相对较小时，则可以仅考虑移动台的运动，忽略传播环境中物体的运动。若多径信道的带宽远小于信号的传输带宽，接受信号会失真，但此时小尺度衰落不占主导地位，即本地接收机接收到的信号强度不会衰落很大。2.3.2 多径效应在复杂的移动传播环境中，传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏的地形，会引起无线电波能量的吸收和穿透以及反射、散射及绕射等。如图2-6所示，到达接收端的信号并不是经过单一路径来的，而是经由多个路径到达的反射波的合成。各条传播路径会随时间变化，参与干涉的各分量场之间的相互关系也就随时间而变化，由此引起合成波场的随机变化，从而形成总的接收场的衰落。这种由多径现象产生的衰落，称为多径衰落。图2-6 多径效应多径效应移动体往来于建筑群与障碍物之间，其接收信号的强度，将由各直射波和反射波叠加合成。多径效应会引起信号衰落。各条路径的电长度会随时间而变化，故到达接收点的各分量场之间的相位关系也是随时间而变化的。这些分量场的随机干涉，形成总的接收场的衰落。各分量之间的相位关系对不同的频率是不同的。因此，它们的干涉效果也因频率而异，这种特性称为频率选择性。在宽带信号传输中，频率选择性可能表现明显，形成交调。与此相应，由于不同路径有不同时延，同一时刻发出的信号因分别沿着不同路径而在接收点前后散开，而窄脉冲信号则前后重叠。多径效应在不同条件会使传输信号发生平坦衰落、时间选择性衰落和频率选择性衰落，主要还是频率选择性衰落。假设信号码元长度为T，第i条传输路径的信号时延与信号平均时延这差为t,则二者的不同组合可产生三种不同的衰落现象。当信号码元长度T较小，且tT时，将引起“平坦衰落”；当信号码元长度T较长，且tT时，将引起“时间选择性衰落”；当信号码元长度T比较小，而t比较大，且不满足tT，将引起“频率选择性衰落”（这是时间扩散在频域中的反映）。因为多径合成波形有可能落在后续码元时间间隔内，引起码间干扰，因此，频率选择性衰落对于高速数据传输危害最大。2.3.3 时延扩展和相干带宽时延扩展和相干带宽是用于描述本地信息时间色散特性的两个参数。移动信道的多径环境导致了多径衰落。从时域角度看，各个路径的长度不同，因而信号经由不同路径到达的时间也不相同。因而，若从基站发射第一个脉冲信号，则接收信号中不但包括脉冲，而且包括脉冲的各个延迟信号。时延扩展指的就是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。 第一个码元信号至最后一个多径信号之间的时间用来表示扩展的时间。一般来说，郊区的时延扩展为0.5s，市区为3s，而在山区可能达到上百微秒延时。如图2-6所示，在图中，基站发出一脉冲信号至移动台。由于多径传播的存在，存在着不同的传播时延，且每种时延的传输特性又各自随着人物的移动而随机的变化。因此移动台接收到的信号S(t)就变成一个脉冲串，其频率为，该脉冲串可以用下式表达： (2-9)随着移动台周围的散射体数目的增加，所接收到的一串离散脉冲将会变成一个宽度为的连续信号脉冲，通常称为时延扩展。当时延扩展达到某一数值时，两个频率相隔很近的衰落信号，就有可能变得相关。对于某一时延扩展值，两衰落信号的频率间隔决定了信号是否相关。相关带宽指的就是两衰落信号相关时的频率间隔，是对信道传输信号宽带能力的统计度量。若信道相关宽带远远大于输入信号的宽带，则输出信号频谱中，频分量幅度与相位关系就是确定的，不同的时间可能对应不同的常数因子；反之，当输入信号的宽带大于信号相关带宽，则引起输出信号的失真，对于数字通信将会引起误码。相干带宽与时延扩展的关系如下： (AM系统) (2-10)或 （FM系统） (2-11)若调制方案未知，通常可用下式来估计相关宽带： (2-12)上式表明，时延扩展越大，相关带宽越窄，信道容许传输的不失真频带就越窄；反之，越小，相关带宽越宽，信道容许传输的不失真频带就越宽。模拟无线通信中主要考虑多径效应所引起的接收信号的幅度变化；而数字无线通信中，时延扩展将引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量，则应考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩展。2.3.4 多普勒扩展和相干时间 时延扩展和相干带宽是描述本地信道时间色散特性的参量，无法描述信道时变特性。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。无线信道的时变特性是由移动台与基站之间的相对运动引起的，或是由信道路径中物体的运动引起的。多普勒扩展是移动无线信道的时间变化率的一种度量。其被定义为一个频率范围，在此范围内接收的多普勒谱有非零值。当发送频率为的纯正弦信号时，接收信号谱即多普勒谱在至范围内存在分量，其中是多普勒频移。谱展宽依赖于，是关于移动台的相对速度、移动台的运动方向、与散射波入射方向之间夹角的函数。当多普勒扩展远小于基带信号带宽时，则在接收端可将多普勒扩展的影响忽略。相干时间是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率色散的时变特性。于相干时间成反比，即：(2-13)相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值，也就是说相干时间指的是一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号的幅度相干性很强。若信道相干时间小于基带信号宽带的倒数，那么传输中基带信号可能就会发生改变，导致接收端信号失真。若时间相关函数定义为大于0.5时，相干时间近似为：(2-14)其中，是多普勒频移，。式2-14给出的是Rayleign（瑞利）衰落型信号可能急剧起伏的时间间隔。在现代数字通信中，一种普遍的定义方法是将相干时间定义为2-13与2-14的几何平均，即： (2-15)由相干时间的定义可知，时间间隔大于的两个到达信号受信号的影响各不相同。基于多径时延扩展和多普勒扩展，小尺度衰落可分为不同的类型，如图2-7。图2-7小尺度衰落类型2.4 无线信道建模移动无线通信的传输过程是复杂，但是它的应用广泛。对于无线信道的建模研究，有助于移动通信的发展和进步。对于无线信道的建模方法，可以分为两大类：一类是统计测量法，该方法是信道建模的主流方法，统计测量法又可细分为参数化的统计建模方法和基于物理传播的建模方法等。统计测量方法通过在各种典型传播环境中进行的信道测量工作，从大量的测量数据中获取信道的特征表达，从而得到与系统参数以及环境参数有关的经验公式。 经验模型的优点在于运算量小，易于仿真和刻画信道特征，但是易受到测试条件的限制，如信号带宽、天线配置与架设及测试环境等，信道与测试设备对测试结果的影响也难以分