（信号与信息处理专业论文）第三代移动通信系统信道建模和相关技术研究.pdf

第三代移动通信系统信道建模和相关技术研究 第三代移动通信系统信道建模和相关技术研究 摘要 移动通信是当今通信领域最为活跃和发展最为迅速的领域之一， 随着对移动通信服务业务要求的提高，在世界范围内掀起了第三代移 动通信系统研制热潮。而无线信道的研究又是移动通信中的一个难 点。 本论文主要是研究第三代移动通信的物理层仿真系统的移动无 线信道建模技术。 首先介绍移动无线通信技术的发展状况，包括第三代移动通信技 术的发展状况及其关键技术，还有论文的研究背景和主要完成的工作 情况。 然后介绍信道建模的基础知识：无线信道理论。根据电磁波的传 播特性将信道衰落分为大尺度路径损耗和小尺度衰落。由理论和实际 经验建立多个大尺度传播模型和小尺度衰落模型，并研究了信道模型 的统计特性。 接着针对不同的衰落信道提出几种最基本的信道模型的仿真方 法，根据提出的方法用软件仿真实现各种信道模型，画出性能曲线并 比较各种仿真方法的性能和统计特性。 最后介绍“第三代移动通信系统物理层仿真”项目。根据协议 确定3 g 物理层仿真系统的总体结构和流程，重点介绍信道模块的设 计，包括参数设置和结构流程设计，经过系统联调获得系统的性能曲 线。 关键词：信道，仿真，3 g ，r a y l e i g h 北京邮电火学硕士学位论文 箱三代移动通储琢统信道越模和相关技术研究 r e s e a r c ho fc a n n 飘lm o d e l i n ga n dt h er e l e v a n t t e c n o l o g yl n3 r dg e n e 歉a t i o nm o b l 毛e c o m 鱼缸黼c a 雕a ns y s t e m a b s t r a c t m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni so n eo f t h ef h s t e s tg r o w i n gf i e l d si nt h ew o r l d r a d i o c h a n n e lm o d e l i n gh a sb e e nt h em o s td i f f i c u l tp r o b l e mo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mt oa n a l y z ea n dd e s i g n f o r t h e p a p e r i sa b o u tc h a n n e lm o d e l i n gi n3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n p h y s j c a ll a y e rs i m u l a t i o ns y s t e m f i r s t l y ，t h ep a p e r d e m o n s 乜 a t e st h ed e v e l o p m e n to f m o b i l er a d i oc o m m u r t i c a f i o n a n dt h ek e yt e c h n o l o g yo f3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o r m n u n i c a f i o n s e c o n d l y ，t h ep a p e rp r e s e n t sl a r g e s c a l ep r o p a g a t i o n m o d e la n ds m a l l s c a l e p r o p a g a t i o n m o d e lb a s eo nt h e p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i co f e l e c t r o m a g n e t i cw a v e ， d e s c f b e sd i f f e r e n tw a y st om o d e la n dp r e d i c tt h ef a d i n ge f f e c t so f r a d i op r o p a g 箍t i o n ， a n d a n a l y z e s t h es t a t i s t i cp r o p e r t i e so f c h a n n e lm o d e l 。 t h i r d l y ，t h ep a p e rp r e s e n t ss o m e b a s i cs i m u l a t i o nm o d e l so f t h er a d i oc h a n n e l ， s i m u l a t e st h ec h a n n e lm o d e l s ，p l o t sp e r f o r m a n c eg r a p ha n dc o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo f d i f f e r e n tm o d e l s ， f i n a l l y ，t h ep a p e r i t e m i z e st h es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no f w i r e l e s sc h a n n e li n 3 g p h y s i c a ll a y e r s i m u l a t i o ns y s t e m ，a n dp l o tt h ep e r f o r m a n c eg r a p ho ft h es y s t e m 。 k e yw o r d s ：c h a n n e l ，s i m u l a t i o n ，3 g ，r a y l e i g h i i i 北京邮电大学礤士学位论文 y 5 8 s 4 7 6 第三代移动通信系统f 言道建模和相关技术研究 独创性( 或创新憾) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导烬指导下进行的磺究工 乍及取得憝研究 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l 经发表或撰写过的硗究成暴，也不包含为获褥北京郎电大学或其他 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 何贾献均己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： 盏! 垂i 堑 一 目期： 丝担竖主：；呈 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 密并向国家商关部f 1 或机构遴交论文的复印件和磁擞，允许学位论文被查阂和倍 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 复嗣手段傈存、亨 编学位论文。( 缣密的学锭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：本学位论文不属予保密范溺，适焉率授权书。 本人签名： ：l 垄i 纽 一 目期：! 竺竺：! ：2 1 导9 霉 鏊名 芬吲如 秘期 北京邮电大学硕士学位论文 第三代移动通信系统信道建模和相关技术研究 第一章绪论 1 1 移动无线通信技术的发展 1 8 9 7 年，意大利科学家马可尼利用无线电使在英吉利海峡行驶的船只保持连 续的通信，开创了无线通信的新纪元。 1 1 1 前期的发展状况 现代移动通信的发展始于本世纪2 0 年代，最早是在短波的几个频段上开发出 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。4 0 年代 中期至6 0 年代初期，公用移动通信业务开始问世。1 9 4 6 年，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”。6 0 年代中期至7 0 年代 中期，美国推出了改进型移动电话系统0 m t s ) ，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。 2 0 世纪7 0 年代，贝尔实验室提出了蜂窝移动系统的概念，同时随着高度可靠 的，小型化的晶体射频电路的出现，移动通信迎来了快速发展的时期，形成了第 一代移动通信系统。第一代移动通信系统的典型代表是美国的高级移动电话业务 ( a m p s ) 和欧洲的全接入通信系统( e t a c s ) 。a m p s 于1 9 8 3 年末在芝加哥的市 区及郊区第一次投入使用，a m p s 系统采用频分多址( f d m a ) 和模拟技术，蜂 窝复用模式采用7 小区复用，可在需要时采用扇区化和小区分裂来提高容量。美 国、南美地区、澳大利亚和中国当时广泛采用了a m p s 。欧洲的e t a c s 系统在2 0 世纪8 0 年代中期开发成功，除信道带宽和用户电话号码与a m p s 不一致外，其它 都与a m p s 系统的一致。欧洲的第一代移动通信系统还包括德国的c 4 5 0 以及意 大利的r t m s 等等。 以a m p s 和t a c s 为代表的第一代蜂窝移动通信网虽然取得了很大成功，但 也暴露了一些问题。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。8 0 年代中 北京邮电大学硕士学位论文 第三代移劫通信系统信道建横和相关技术研究 期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网( g s m ) 的体系，随后，美囫和日本也制 定了各自瀚数字移动透信髂蒯。g s m 予j 9 9 1 年完成魏范静鞭定，歪式静齑掰系 统于1 9 9 2 年投入使用。同年又提出了p h a s e 2 + 标准，实际上就是2 5 代标准，p h a s e 2 + 按市场需求和规范瀚实用馁来更新。荧国在2 0 世纪8 0 年代发展了美潮第二彳弋数字 蜂窝系统( u s d c ) ，u s d c 在诲多方面保持了与a m p s 的兼容性，所以u s d c 也 被称作数字a m p s ( d a m p s ) 。同时q u a l c o m m 公司开发出了基于弼分多址 ( c d m a ) 懿蜂窝焱绞，出予c d 姒a 比t d m a 和f d m a 具鸯一些不可 拟的佳越 性，t i a 颁布了基于c d m a ( j 9 可提高系统容懋的美豳数字蜂窝系统，即r s 9 5 。第 二我移动邋绩系绞瓣标准述包摇瑟本懿p d c 。 1 1 。2 第三锭移动遥偿技术的发展 随着社会信息化的高遴发展，第二代系统已不能满足嵩数据速率业务以及大 用户容量的要求。予是，能够提供全球漫游，支持多媒体、韭务且有足够容鲞的第 三代移动通信系统麟应运聪生。 事实上，国际电联( i t u ) 早在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统豹概 念，当时稔为未来公共隧地移动通债系统( 辨l m t s ) ，考感到该系统预计在2 0 0 0 年左右投入商用，殿主要工作于2 0 0 0 m h z 频段，后更名为豳际移动通信系统 ( 矜蠖t 2 0 0 0 ) 。1 9 9 2 年毽赛无线电大会迄y , j i m t - 2 0 0 0 分醮了2 3 0 m h z 兹频段。款 1 9 9 6 年开始第三代移动通信的研究逐渐成为移动通信领域的研究热点，各国对第 三栈移动通信的磷究都遗入了实痰灌豹酴蔽，蒋剐是疆u 在1 9 9 7 年4 月羯全 鏊界 发出了征集i m t 2 0 0 0 无线传输技术舰范的通函，并制定了详细的i m t 一2 0 0 0 r t t 步骤和对瀚表。按照i t u 辩闽表，1 9 9 9 年3 髑完成第三代移渤通信檬准i m t 一2 0 0 0 的逸定，1 9 9 9 年底完成i m t 2 0 0 0 的无线技术规范，2 0 0 0 年究成包撼上层协议在 内的完整的标准的制订工作。1 9 9 9 年1 1 月初，在芬兰赫尔辛基i t u 会议通过了 i m t 2 0 0 0 无线接蹬技术娥划建议，凑无线接口标凇明确为默下五个标准。 ( 1 ) i m t 一2 0 0 0c d m ad s ( 欧洲和 j 本的w c d m a ) ( 2 ) i m t 2 0 0 0c d 酝a c ( 美国的c d m a 2 0 0 0 m c ) ( 3 ) i m t 2 0 0 0 c d m a t c ( 中国的t d s c d m a 和欧洲的u t r a t d d ) ( 4 ) i m t 2 0 0 0t d m as c ( 美国熬u w c 1 3 6 ) ( 5 ) i m t 2 0 0 0 f d m a ，r d m a f t ( 欧洲的d e c t ) ， 北京邮电大学硕士学位论文 第三代移动通信系统信道建模和相关技术研究 阻上五种标准中，前三种属于c d m a 体制，是第三代移动通信的主流方案。 震强嵇属予t d m a g 鹎k 剑。从双工方式囊蓍大体上f d d 与t d d 两种方案将会并存， 从接入主流技术来看，主要是宽带c d m a 技术。 1 2 第i 代移动通信系统 目前，嚣陌；上最其竞争力的i m t - 2 0 0 0 光线传输技术主妥有两耱：即醴搴和 欧洲一些厂家提啦的w c d m a 技术和北荑提出的基于i s 一9 5c d m a 系统的c d m a 2 0 0 0 技术。另外，基于我国提出了的t d s c d m a 技零的系统也有望投入运营。 1 2 1 主要无线传输方寨 1 ) w c d 姒 在欧洲，爱立信公司在c o d i t 计划中作为主委厂家最先对w c d m a 技术进行 磺究，目李裂将n h d o c o m o 公司熬w c d i v l a 综合f d d t d d 方式与爱立僖公司 的方案进行融合，形成了现在的w c d m a 技术。它的主耍关键技术是建立在窄带 c 蛰醚a 的鍪疆上髂，其授零特点宥： 可适应多种速率的传输，灵活的提供多种业务 b t s 之闯无需同步； 饶化的分组数据传输方式； 支持不同载频之间的切换： 上、下行快速功攀控制； 反向采用导频辅助的相干检测 充分考虑了信号设计对馘弱影髑。 e d 丑以o 它是就美l u c e n t , m o t o r o l a ，n o r t e l ，q u a l c o m m 公司以及韩国s a m s u n g 等公司 联合提戡来的基于l s 9 5 的系统。它充分考虑了对i s - 9 5c d m a 系统的后向兼容， 沿用y i s 9 5 的主要技术和基本技术思路，如顿长为2 0 m s ，采用i s 一9 5 的软留换和 功率控制技术，稀要g p s 同步等。但也作了一些实质性的改进，主要技术特点有： 反向信道采用连续导频方式： 反自信遵楣于接收； 前向发邋分集： 北京邮电大学硕士学位论文 第三代移动通信系统信道建模和相关技术研究 全部速率采用c r c 方式； 充分考虑了信号设计对e m c 的影响。 3 ) t d s c d m a w c d m a $ 1 c d m a 2 0 0 0 都是属于f d d 方式，而t d s c d m a 属于t d d 方式。f d d 技术的无线基站用来完成全球无线覆盖，t d d 技术的基站用于在城市人口集中地 区，实现大容量的话音、数据及多媒体业务。 t d s c d m a 中使用了直接序列扩频的码分多址技术( d s c d m a ) ，它的传输 带宽为t 6 m h z ，码片速率为1 2 8 m c h i p s 。t d s c d m a 采用了时分双t ( t d d ) 的 方式，因而前向和反向链路可以使用相同的无线频率的同步时间间隔，前向和反 向链路的信息在物理信道的不同时隙相互发送。t d d 系统在满足i m t 2 0 0 0 要求 的前提下，同时具有如下特点： t d d 能使用各种频率资源，不需要成对的频率； - t d d 适用于不对称的上下行数据产生速率，特别适用于i p 型的数据业务； t d d 上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于使用诸如智 能天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的； t d d 系统设备成本较低，将可能l l f d d 系统低2 0 一5 0 。 t d d 系统的主要缺陷在于终端的移动速度和覆盖距离： 采用多时隙不连续传输方式，抗快衰落和多普勒效应能力比连续传输的 f d d 方式差。 t d d 系统平均功率与峰值功率之比随时隙数的增加而增加，考虑到耗电 和成本因素，用户终端的发射功率不可能很大，故通信距离( 小区半径) 较小，一般不超过1 0 k i n ，而f d d 系统的小区半径可达到数1 0 k i n 。 1 2 2 第三代移动通信系统的关键技术 与传统的移动通信系统相比，基于c d m a 技术的第三代移动通信系统具有频 谱效率高、软容量、保密性好、易于无缝切换和宏分集等优点。但是在复杂的移 动通信环境和有限的频率资源下，要达到高容量、高质量、高速率的通信，c d m a 技术需要克服三个因素的影响： 多址干扰：在c d m a 系统中，由于同一小区内多个用户的占用相同的时隙 和频段，用户地址码之间不能保证正交性，从而引起多址干扰，多址干扰包括小 4 北京邮电大学硕士学位论文 第三代移动通信系统信道建模和相关技术研究 区内干扰和邻区干扰两种。 信道衰落：移动信道的传输距离的增加和多个路径叠加引起信号的衰落，一 般来说，衰落包括大尺度衰落和小尺度衰落。 远近效应：由于各用户的发射功率不等和信道衰落，使得各用户在接收端的 信号功率不等，从而产生远近效应，远近效应会极大地影响弱信号用户的接收性 能。 为了抑制多址干扰、抗衰落、克服远近效应以保证业务质量，c d m a 系统 采用的关键技术有选择扩频码、智能天线、多用户检测、多载波调制、r a k e 接 收、分集、功率控制技术。 由于在c d m a 系统中存在多址干扰和多径干扰，因此选码的任务是寻找互 相关和自相关特性优良的、数量大的码字，但是理论上业已证明任何已有码字满 足w e l c h 不等式，表明码字的自相关和互相关值是对立的两个参数，不存在互相 关和自相关都为零的码字。另外c d m a 系统的上行链路是异步传输系统，因此选 择扩频码不可能完全消除多址干扰和多径干扰。 为了克服远近效应，一般采用功率控制，基本思想是根据接收信号的测量参 数调整各用户的发射功率，达到用户接收信号功率相等。但是功率控制一般只能 克服距离衰落和慢衰落，对快衰落的抑制效果不大。 分集技术包括空域分集、时域分集、频域分集、宏分集等，其中智能天线属 于空域分集技术，r a k e 接收属于时域分集技术，多载波调制属于频域分集技术。 r a k e 接收机的基本思想是利用扩频信号带宽远大于信息比特带宽的性质， 分离多径信号后进行解扩、合并，因此能够有效地克服多径衰落。 多载波调制的基本思想是把高速信息数据分割成若干路低速率的数据流，然 后一组相应数量的载波调制、叠加发送出去，其中各子载波保持相互正交。由于 多载波调制把信息分散到多个载波上，使得各子载波的信号速率降低，从而削弱 了多径信道对传播信号的影响。当前多载波调制的主要研究焦点是同步问题和如 何降低信号峰平比问题。 智能天线是阵列天线在移动通信中的应用，由于移动通信环境比雷达、声纳 等应用环境更加复杂，如目标数可能远大于阵元数，因此智能天线技术具有更深 的内涵。智能天线技术大致包括两个方面：空域滤波和波达方向( d o a ) 估计。 北束邮电大学硕士学位论文第三代移础通信系统信逆建模和相关技术研究 空域滤波( 也称波柬形成) 的主要思想是利用信号、干扰和噪声在空间的分布， 运瑙线往滤波援术尽可能魏铜镪干貔和嗓声，以获褥尽可能好的信号估计，觚这 个意义上讲，智能天线可以焉作是砷空分多址( s d m a ) 技术，在移动通信系 统中主要用于抑制多址干扰。在进行空域滤波前，一般需要估计有效信号的波达 方淀，而用户数往往大于黪元数，因此当赢f d o a 估计技术数研究焦点是超分辨 估计算法，经典的肖m u s i c 算法、e s p t 算法、最大似然算法等。 麓蠢言之，选磁秘智栽天线能够有效逡害窜刳多缝于貔，多载波调刳和r a k e 接收机具有很好的抗多径衰落效票，功率控制能够兜服远i 慝效应。但是码字性能 存在w e l c h 器，焉罄能天线哭麓部分掷豢l 多缝子撬，当耀户& 较密祭或者瘸户校 多时，多址干扰仍然严重地影响系统性能，而r a k e 接收机不能抑制多址干扰， 同时要达到理想静功率控制，设备院较复杂，医魏以上技术仍然不能很好蟪解决 实际系统中存在的多址干扰和远近效应问题，多用户检测技术的提出则给上述峰 题提供了良好的解决方案。 1 s 本论文的背豢和主要工作 夔羞毒会售感化郛经济全球化麴发展，瞧赛范围内第三代移动遗售系统礤毒 和燧营热潮方兴未艾。目前世界上融经发出了近1 5 0 张的3 0 牌照，圈本等许多国 家已经稳继开始正式运营。我国送年来移动逶售监务逐猛笈震，去年移动懋户数 已缀超过固定电话用户数，并且数擐已经位居世界篇一。现在，中圈的第三代移 动通信的发震已经握上了议事霜疆，信惠产业都已经开始送行的3 g 系统测试， 3 g 在中国的运营指日可待。 由于第三代移动通信系统具有多个标准，必须准确豹评价各个标准系统性能 的优劣。在对于不阀的无线通信系缆进行性能比较，关键往往是在物理层。物理 层的结构直矮影响副无线镊路的性能，同时也直接决定了用户终端与交换设备的 复杂度。 “第三代移动通信系统物理腰仿真”项目是基于3 g p p 和3 g p p 2 的协议来仿 真实褒第三彳弋移凌运信系统熬兹瑾朦，主要霹究奁一定缡瓣复鼹、调裁舞灞麓条 件，在不同的信道环境中，单个移动台和基站之间通信的性能，以殿达到一定性 能掰要求的信嗓眈。整个系统主要艇括班下凡个模块：编弼模块，调麓模块，信 道模块，髂调和r a k e 接收模块，解码模块朔同步模块。 6 北京邮电大学硕士学位论文 第三代移动通信系统信道建模和相关技术研究 无线信道是移动通信中一切技术的发源和最终归宿，因此对于无线传播特性 的研究始终是一个移动通信研究中的一个重要课题，将会直接关系到系统的性 能。本论文正是基于“第三代移动通信系统物理层仿真”项目的信道建模部分。 第三代移动通信系统中信道的建模主要是基于m 1 2 2 5 建议实现的。m1 2 2 5 是 i t u - r t g 8 1 工作组提出的评估i m t 一2 0 0 0 无线传输技术的建议。m 1 2 2 5 建议选择 和定义的测试环境严密的仿真非常严格的无线传输环境，定义了不同无线传输环 境的信道脉冲响应模型，为评估i m t 一2 0 0 0 的各种工作环境下的无线传输技术的 性能提供了一个共同的技术基础。 本论文主要包括以下几个部分：首先介绍了信道传播理论，对信道进行分类， 并引出了各种信道模型，然后介绍各种基本信道模型的仿真方法，用软件仿真实 现各种信道模型，比较各种仿真方法的性能并分析信道的统计特性。最后介绍第 三代移动通信物理层仿真系统的总体结构和信道模块的设计，并分析了系统的性 能。 北京邮电大学硕士学位论文 第三代移动通信系统信道建模和相关技术研究 2 ，1 引言 第二章无线信道理论 无线移动通信系统的性能主要受到无线移动信道的制约。无线信道由发射机 天线，接收机天线以及它们之间的传播路径构成。发射机和接收机之间韵传播路 径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地形和物体。无线信道具有 极度的随机性，随着时间，环境，移动台的位置，速度而变化。移动无线信道的 建模历来是移动无线系统设计中的难点。 本章首先讨论无线电波的基本特点及其衰落的分类，然后按照衰落的分类深 入地介绍了几种基本的衰落，最后介绍了信道的几种统计特性。 2 2 无线电波的传播特点和衰落的分类 无线电波的传播路径可以分为直射传播( l o s ，l i n e - o f - s i 曲t ) 和非直射传播 f n o n l o s ) 。在基站与移动台之间一般不存在无阻挡的直射信号，此时接收到的 信号是发射信号经过若干次反射、折射或散射后的叠加。而在某些空旷地区或基 站天线较高时则可能存在直射传播路径。 由于高大建筑物或远处高山的存在，常常会导致发射信号经过不同的传播路 径到达接收端。这即是所谓的多径传播效应( m u l t i p a t hp r o p a g a t i o n ) 。各径信号通 过不同的路径到达接收端时，具有不同的时延和入射角( d o a ) ，这将导致接收信 号的时延扩展( d e l a ys p r e a d ) 和5 f l 度扩展( a n g l es p r e a d ) 。 另外，移动用户的运动以及大气的扰动，即信道的时变特性，将使接收信号 产生多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) 。其结果将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与多样性，用户移动的随机性和多径传播 现象等因素的存在，使得移动通信系统的信道变得十分复杂。人们通过理论分祈 和长期实际观测，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三部分构成：路径损耗，阴影效应和多径衰落。公式 北京邮电大学硕士学位论文 第三代移动通信系统信道建模和相关技术研究 ( 2 1 1 给出了上述模型的表达式。 p ( 孑o ) ) = l 刁p ) ”s ( 孑p ) ) r ( 孑( f ) ) ( 2 1 ) 其中磊( r ) 为某时刻用户天线与基站天线之间的距离矢量。i i j d 和 五。 另外，大尺度传播模型选用近地距离d o 作为接收功率的参考点。当d 成时， 接收功率p ( d ) 与吨的p 相关。e r ( a o ) 可由公式( 2 - 5 ) 预测或由测量的平均值得 到。当距离大于巩时，自由空间中接收功率为： p a d ) ：p ( 巩) ( 粤) ： d d d o d ， ( 2 8 ) 北京邮电大学硕士学位论文 第三代移动通信系统信道建模和相关技术研究 2 3 2 地面反射模型 移动无线信道中，基站和移动台之间的单一直接路径很少是传播的唯一物理 方式，因此单独使用自由空间传播模型，在多数情况下是不准确的。地面反射双 线模型是基于几何光学的非常有用的传播模型，不仅考虑了直接路径，而且考虑 了发射机和接收机之间的地面反射路径，如图2 1 。该模型在预测几千米范围( 使 用天线塔超过5 0 m ) 大尺度信号强度是非常准确的，同时对城区视距内的微蜂窝 环境也是非常准确的。 图2 - 1 双线地面反射模型 经过理论推导，双线模型的路径损耗表示为： p l ( d b ) = 4 0 1 0 9 d 一( 1 0 1 0 9 g ，+ 1 0 1 0 9 g ，+ 2 0 l o g h ，+ 2 0 l o g h ，) ( 2 - 9 ) 其中，d 为t - r 距离，g j 为发射天线增益，q 为接收天线增益，囊为发射 机高度，玩为接收机高度。 2 3 3 绕射模型 绕射是无线电波传播的三种基本途径之一，使得无线电信号绕地球曲线表面 传播，能够传到阻挡物的后面。当接收机移动到阻挡物的阴影区，接收场强衰减 非常严重，但是绕射场仍然存在并常常具有足够的强度。绕射现象可以用h u y g e n 原理来解释，它说明波前上的所有点可作为二次波源，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。阴影区绕射场场 强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和。 北京邮电大学硕士学位论文第三代移动通信系统信道建模和相关技术研究 图2 - 2 单刃绕射模型 单刃绕射模型如图2 - 2 ，其刃形绕射波场强日为： 每州v ) _ ( 半，弘x p ( _ 刎2 出( 2 - 1 0 ) 其中，晶表示自由空间场强，f ( v ) 为费涅尔数。对于给定的地形地貌值， 经常用图表来计算f ( v ) 。对比自由空间，由刃形绕射引起的绕射增益为： g 。( d b ) = 2 0 1 9 l v 0 , ) i ( 2 1 1 ) 公式( 2 - 1 i ) 的近似解可由下面的公式给出： g d ( d b ) = 0 v 蔓一1( 2 1 2 ) g d ( d b ) = 2 0 1 9 ( 0 5 0 6 v ) 一1 v 0( 2 1 3 ) q ( d b ) = 2 0 l g ( 0 5 e x p ( 一0 9 5 v ) ) 0 sv 1( 2 - 1 4 ) g d ( d b ) = 2 0 1 9 ( 0 4 一o 1 8 8 4 一( o 3 8 一o 1 v ) 2 ) 1 v 2 4 ( 2 1 5 ) g d ( d b ) = 2 0 1 9 ( 0 2 2 5 v ) v 2 4( 2 _ 1 6 ) 在实际情况中，传播路径通常不只有一个阻挡体，这样所有的阻挡体引起的 绕射损失都必须计算。布灵顿( b u l l m 舒o n ) 提出了用一个等效阻挡体代替一系 列阻挡体，就可以使用单刃型绕射模型计算路径损耗，见图2 - 3 ： 璧登塑翌塑嬖型苎笙塑盛l 整三垡箜塑望生墨篓堕望堡壁黧塑鲞垫娄鲤窒 2 3 。4 散射模型 零2 - 3 等效于单令露彤螅毒灵嫒( b u l l i n g t o ) 撼璃 实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和殷射模型预测的要强。这鼹因 为当电浚道溺褪糙表露时，眨射能力壶予敖龛壹蔼鼓奄予掰鸯静方商，给接投孛旯提 供了额外款能量。定义入射毙鸯譬，表蘧平整度静参考离发为鬼一生，如 蕃s 1 n 移 累平嚣上的最大突起高度矗大予嚏，则谈为褒蘑为秘糙，这时反到系数嚣乘以一 个散射损耗系数织。由a m e n t 提出的散射因子由b o i t h i a s 娥模，得到 珐= e x p 一8 ( 璺譬咝) ： 厶( 8 ( 盟薯咝) z 】( 2 - 1 7 ) 其中，毛秀第类零除委赛尔( b e s s e i ) 函数，为表嚣鬻发的标准穰差。 如果散射是由较大的邋距离的物体弓 趟的，对于城区移动无线系统，可以用 双静态雷达公式的横型来计簿远地散射的接牧场强。 p b ( d b m ) = 马( 鼢) g ( d b i ) + 2 0 l o g ( a ) + r c s d b 掰2 】 一3 0 1 0 9 ( 4 a ) 一2 0 l o g d 7 - 2 0 l o g d r ( 2 1 8 、 其中西和略分别为敝射物体到发射机和接收机的躐离，散射物体必须在发射机 翻羧液辊静远场。嶷量豫万为数嚣体豹雷达有效截蘧。 2 3 。5 对数正态壤率横溅 基于理论和实际的传播模型指出，无论室内或室外信道，平均接收信号功 北京邮电大学硕士学能论文 第三三代移动通信系统信道建模和相关技术研究 率随距离的对数袋减。对于任寇的t - r 距离，平均大尺腹路径损耗表示为 瓦( 矗) 。( 车) 一 ( 2 ，1 9 ) 嘞 或- p - 三( d b ) = 夏溉) + 1 0 舶g 昏 沼2 0 ) 0 葵中i 1 为鼹径援糕指数，袭覆臻经损耗穗疆离溪长煞速率，磊为逶建参考距离， 国测试决定，d 为t - r 躐离，式( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 的横杠表示给定值d 的所有 - - w 日a 。t 路径损耗的综合平均。 实琢上，即使在耀围的t - r 距离下，不同位爨的周圈环境差别非常大，特定 位置的路径损耗p l ( d ) 慰随机对数正态分布： p l ( d ) d b = 瓦( d ) + l = 瓦( 哦) + 1 0 n l o g 浮) 十瓦 ( 2 2 1 ) “o 只建零均假的高斯分布随机变量，标准偏麓为仃，单位为d b 。 对鼗正杰分布菇述了在终撂鼹径上，其套程黼懿t - r 疆离辩，不嚣懿遮桩鬻 影效应，这种现象叫做对数正态阴影。对数正态阴影意味着在特定的t - r 距离的 溯试信号毫平是以式( 2 + 2 0 ) 为平均谴斡离薪( 诞态) 分布。 2 3 。6 室癸抟舞攘型 在无线通信系统中，电波传播经常在不规则地区，地形地貌复杂，不能用上 述的几种模型来倘单的仿真信道的传播特性。于怒人们邋过理论分析和实验相结 合的方法来获得信号的健播模型，这转实验方法依赖于测试数据的趋线秘解孝厅式 拟合，优点是通避场强测试考虑了所有的传播因綮，但怒信道传播模型只适用于 特定麴频率帮舔壤。不遭随藿时鹚豹搓移，逐澎出现了一些经典戆矮子颞测太尺 度覆盖的传播模型。 1 ) l o n g l e y - r i e e 模鳖 l o n g l e y r i c e 模型应用于频率范围为4 0 m h z 1 0 0 g h z 不同种类的地形中点 对点的通信系统。使用撼形地虢的路径几何学和对流层的绕射佳，预测中值传输 损耗。几何光学( 主要是双线地蕊反射模型) 用于预测无线电地乎线以内的信号 场强。通过孤立阻挡体的绕射损耗，使用f r e s n e l k i r e h o f f 刃形模型进行估计。 北京邮电大学硕士学位论文 第三代移动通信系统信道建模和相关技术研究 前向散射理论用于长距离对流散射预测，并使用改进的v a nd e rp o l b r e m m e r 方 法预测双地平线路径的远地绕射损耗。 对于给定的传输路径，阻传输频率、路径长度、天线高度、表面绕射、地球 的有效半径、地面导电性和气候及地形地貌等数据作为输入来计算传输损耗。 l o n g l e y - r i c e 模型的实现需要详细的地形地貌数据，如果不能获取这些数据，用 l o n g l e y - r i c e 方法来估计特定路径参数。 l o n g l e y - r i c e 模型的一个缺点就是不提供在接收机附近时对环境因素的修 正，也没有考虑多径传播。 2 ) d u r l 【i n 模型 d u r k i n 模型对不规则地形场强进行预测，已被联合无线电委员会用于进行有 效移动无线覆盖区的估计。首先通过访问地形数据库查询相应的地形信息来计算 沿径向的路径损耗。地形数据库中包括各点的海拔高度数据，基于这些数据，并 沿径向进行插值，可以重构地形轮廓。然后使用刃形绕射技术计算路径损耗。 3 ) o k u m u r a 模型 o k u m u r a 模型是预测城区信号是使用最广泛的模型。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，天线高度 在3 0 m 到1 0 0 0 m 之间。o k u m u r a 模型可表示为： l s o ( d b ) = 上f + 以。( 厂，d ) 一g o , 。) 一g ( k ) 一q r “ ( 2 2 2 ) 其中，k 为传播路径损耗值的5 0 ，耳为自由空间传播损耗，厶。为自由 空间中值损耗，g o , 。) 为基站天线高度增益因子，g ( k ) 为移动台天线高度增益 因子，g 。为环境类型的增益。 厶。和g 。可以参考相应的曲线，g ( 红。) ，g ( k ) 根据下面的公式计算： g ( h 。) = 2 0 1 9 ( 曩。2 0 0 )3 0 m k 1 0 0 0 m ( 2 2 3 ) g ( h 。) = 1 0 l g ( h 。3 ) h 。 3 m ( 2 2 4 ) g ( h 。) = 2 0 1 9 ( h 。3 )3 m h 。 e ；正 i ；皿 ( 2 5 0 ) 这里正是相干时间，是多普勒扩展。 在慢衰落信道中，信道冲激响应至少在一个符号间隔内不会发生变化，或者 说，信道冲激响应的变化率比发送信号的变化率低。在频域中，这意味着信道的 多普勒扩展比发射信号带宽小得多。信道经历慢衰落的条件为： i i ；只b d ( 2 5 1 ) 2 4 5r a y l e i g h 分布模型 径分量接收包络统计时变特性的一种分类类型。r a y l e i g h 分布的概率密度函数 肿) ：i r e x p ( 一寺) o 蜓。 ( 2 _ 5 2 ) 0r 0 其中，盯是包络检波之前所接收的电压信号的均方根值，仃2 是包络检波之 前的接收信号包络的时间平均功率。r a y l e i g h 分布的平均值。为： 肿阳0 肛盯店乩z s s s 仃 协s s ， r a y l e i g h 分布的的方差为盯! ，表示信号包络的交流功率： q 2 = e 旷卜研巾了，2 肿) 咖一宰= o 4 2 9 2 盯2 ( 2 - 5 4 ) 包络的均方根值为平均值再求平方根，即b 。中值由式圭= 了p ( r ) 卉解 出，得到。= 1 1 7 7 0 - 。中值常用于实际中，因为衰落数据的测量一般在实地 进行，此时不能假设服从某一特定分布，采用中值而非平均值容易比较不同衰落 r a y l e i g h 分布的概率密度函数如图2 - 4 北京邮电大学硕士学位论文 第三代移动通信系统信道建模和相关技术研究 2 4 6r i c e 分布模型 图2 - 4r a y l e i g h 分布的概率密度函数 当存在一个主要的静态( 非衰落) 信号分量时，如视距传播，小尺度衰落 的包络分布服从r i c e 分布。此时，从不同角度随机到达的多径分量叠加到静态 的主要信号上。当主要分量减弱后，r i c e 分布就变成r a y l e i g h 分布。r i c e 分布 的概率密度函数为 p ( r ) ( a 0 , r 0 ) ( 2 5 5 ) ( r 0 ) 参数a 指主信号幅度的峰值，i 。( j 是0 阶第一类修正贝赛尔函数。贝赛尔 分布常用参数k 来描述，k 被定义为主信号的功率和多径分量方差之比。k 的 表达式为k = a 2 ( 2 0 r 2 ) ，或用d b 表达为： k ( 拈) - 1 叭。g 等( 如) ( 2 - 5 6 ) 参数k 是r i c e 因子，完全确定了r i c e 分布。当4 寸0 ，k j o o d b ，且主 信号幅度减小时，r i c e 分布转变为r a y l e i g h 分布。 图2 - 5 为盯= 去时，对应不同的k 值的r i c e 分布的概率密度 生：仃 u 哆。 二：盯 北京邮电大学硕士学位论文 第三代移动通信系统信道建模和相燕技术研究 图2 5r i c e 分布的概率密度函数 2 4 7n a k a g a m i m 分布模型 售i 薹穗痖包终鹣另一耱统计模型是n a k a g a m i m 模型。其分毒概率密发为 蹦巾志( 秒r 2 e 一2 壕 ( 2 哪) 其中q = e ( r 2 ) 。且参数m 定义为斑的比值，称为衰落指数； 搬：粤：一一( 嬲三) ( 2 5 8 ) 点【( 丑2 - n ) 2 n a k a g a m i - m 分布包含了两个参数：q 和m 。因此对观测信号统计数据匹配 n a k a g a m i 。i r l 分布更灵活、菱精确。遂遥参数m ，n a k a g a m i m 可黻对不同程度静 畿落信道进行建模，从严熏衰落剥轻度衰落甚至到无衰落。r a y l e i g h 是它的一种 特殊情况( m = 1 ) ，如果m t 表示衰落程度大予r a y l e i g h 衰落，反之剐寝落程 度小于r a y l e i g h 褒落。t u r i n 和s u z u k i 跫经证盟，n a k a g a m i - m 分匆最逶合用予 郊区无线多径信道接收的数据倍号。图2 - 6 为q = i 时，对应不同的i n 值的 n a k a g a m i - m 分毒豹援率寮疫 j 堕塑堕型苎望堕苎型塑塑三一一一一 苎三垡望塑踅笪墨竺笪望堡堡塑塑耋垫查翌塞 图2 - 6 n a k a g a m i m 分布的概率密度函教 2 5 大尺度加小尺度衰落 实际的信道大尺度路径损耗和小尺度衰落是并存的，并且共同影响信道的性 能，针对这些特点人们也提出了一些信道模型。 2 5 1s u z u k i 模型 s u z u k i 过程叩( f ) 是一个r a y l e i 曲随机过程善( ，) 和一个服从对数正态分布的随 机过程f ( f ) 的乘积，可表示为； 吁( f ) = 乒o ) f 0 ) ( 2 5 9 ) 其中，善( ，) = q j p 一屯) p “，q 表示小尺度幅度衰落因子，服从r a y l e i 曲分布， s ( f ) 表示发射信号， - l 。) 表示第七径的时延，服从改进的p o i s s o n 分布，鼠表 示第径的相位，服从 o ，2 z 内的均匀分布。s ，吼和哦彼此独立。f ( f ) ：e r a + s 一( “， ( f ) 是均值为0 ，方差为1 的实高斯随机过程。 改进的p o i s s o n 模型的基本思想是：每当有一条新的路径到达时，下一时 间间隔内的路径出现率等于前一时间阈隔内的路径出现率乘以一个系数k 。这 2 8 北京邮电大学硕士学位论文 第三代移动通信系统信道建模和相荧技术研究 样，路径出现率可以用下蔚的公式迭代嫩计算出来 丑：上一 ( i 1 ) ( 譬一1 ) t l + l 其中( i - l 2 ) 慰根据缀验选定的路径到达率。 2 。6 信遘模型统计特性 ( 2 6 e ) ( 2 6 1 ) 信邀模型的统计特性包括：袋落的蠛发，相位，相