（通信与信息系统专业论文）陆地高速运动环境下移动通信多径信道研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在移动通信系统中，由于用户的移动，接收信号不可避免地受到移动台运动 速度和多径衰落的影响。因此，基站和移动终端之间的通信信道是限制通信系统 总体性能的关键。研究电波在信道中的传播及变化规律，建立信道模型，在设计 整个系统时可以用来预测各种调制方式及纠错编码方案对误码率的影响，确定最 佳调制方式、纠错编码方式及多址接入方式，从而获得有效和可靠的数据传输。 本文在前人研究的基础上，对高速运动环境中的移动通信多径信道的电波传 播特性进行研究，将随机过程理论、速度参量、地形因素与无线通信原理相结合 对电波的入射角、多径径数分布、多径传播路程差和时延分布、多径传播反散射 次数分布、多径衰落系数进行了详细分析、仿真和讨论，建立符合m a r k o v 过程 的多径信道模型参数。 通过推导得出的信道参数，综合考虑各种因素并结合随机过程理论，针对现 有无线信道模型的不足，提出一种建立无线信道改进思路，并建立适用于高速运 动环境中的移动通信多径信道改进模型，并通过仿真模拟分析校验模型真实程 度，借助于所建模型对特定环境下信号包络、衰落持续时间、信号时延散布、传 输误码率等信道性能进行分析验证。 通过分析信道特性，提出现有技术来解决多径衰落和多普勒频移所导致的系 统性能下降，提高移动通信系统整体抗干扰能力。 本文所提出的建立高速运动环境中的无线通信多径衰落模型具有较好的实 用效果，与旧有模型相比，有较高的优越性，接近于实际信道情况，有助于简化 信道理论分析和信道仿真器的设计，有着较强的应用前景。 关键词：多径传播，高速运动，移动通信，信道模型 武汉理工大学硕士学位论文 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 na so n eo ft h em a i nr o l e si nm ef u t u r e p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o ni s w i d e l ya p p l i e d i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，f o rt h e m o v e m e n to ft h em o b i l et e r m i n a l ，t h er e c e i v e ds i g n a l sa r ea f f e c t e db yt h em u l t i - p a t h f a d i n ga n ds p e e de 任b c t t h e r e b yt h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e lb e t w e e nt h eb a s es t a t i o n a n dt h em o b i l et e r m i n a lc o n s t r a i n st h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m r e s e a r c h i n g t h ep r o p a g a t i o na n dv a r i a b i l i t yo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ea n dc o n s t r u c t i n gt h e c h a n n e lm o d e lc a l ls i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o no ff a d i n gp a r a m e t e r s ，s u p p l yt h er e l i a b l e r e f e f e n c ef o rs y s t e md e s i g n ，a n ds e l e c tt h eo p t i m a lm o d u l a t i o n ，e r r o rc o d i n ga n d m u l t i p l ea c c e s s e s b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ef o r m e r , t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fr a d i ow a v ew i t h t h em u l t i p a t hp r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t so fl a n dh i 曲一s p e e dl o c o m o t i n go r er e s e a r c h e d t h ed i s t r i b u t i o no f t h ep a t h - n u m b e r , a n g l eo f i n c i d e n c e ，t i m e so f r e f l e c t i o n ，a t t e n u a t i o n a n dd e l a ya l ea n a l y z e d ，s i m u l a t e da n dd i s c u s s e db yc o m b i n i n gs t o c h a s t i cp r o c e s s t h e o r ya n ds p e e d l a n d f o r mf a c t o r 、i mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sp r i n t i p l e s i nt h i sp a p e r , an e ww i r e l e s sm u f t i - p a t h sc h a n n e lm o d e li nt h el a n dh i g h - s p e e d l o c o m o t i v ee n v i r o n m e n tw a ss e t ，b a s e do nt h ec h a n n e lp a r a m e t e r a n dt h em o d e lw a s s i m u l a t e da n da n a l y z e d n es i g n a ls h a p e ，a t t e n u a t i o nt i m e ，d i s t r i b u t i o no fs i g n a ld e l a y , e r r o rr a t ee t a lw e r ev a l i d a t e da n da n a l y z e db yt h i sm o d e l i ns h o r t ，t h em o d e li nt h i sp a p e rw o u l dh a v ew i d ef o r e g r o u n df o ra p p l i c a t i o ni n r e s e a r c ho fr a d i op r o p a g a t i o n a n dg o o dp e r f o r m a n c ei na n a l y s i sa n dp r a c t i c a lt o o l s w e r es h o 、v n k e yw o r d s ：m u l t i - p a t h sp r o p a g a t i o n ，l a n dh i g h - s p e e dl o c o m o t i v ee n v i r o n m e m ， m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，c h a n n e lm o d e l i i 独创性声明 y 8 s 0 2 0 5 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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：选1 也日期：业， 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) 科期但p 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的选题背景和意义 所谓移动通信，是指通信双方或至少一方在运动中进行的信息交换，是通信 领域最具活力和最具发展前途的一种通信方式，是当今信息社会中最具个性化特 征的通信手段，它的发展与普及改变了社会和人类的生活方式，让人们领悟到现 代化和信息化的气息。然而随着移动通信技术的发展，研究人员遇到了许多电波 传输的问题，例如在无线通信中因时变多径传播环境造成传输信道复杂，主要表 现于传播损耗、慢衰落、快衰落、时间选择性衰落、频率选择性衰落、空间选择 性衰落，同时易受远近效应、小区内干扰、小区间干扰、同频干扰、码间串扰等 严重干扰。由于移动通信随地点、时间、设备和信号传输技术的不同，而使得无 线电波传输情况千变万化，因此目前对于移动通信中无线场强的分布研究，需要 要投入大量的人力物力资源进行实地测量，且仅仅获得特定环境下的分布情况， 由于我国地理覆盖广阔，地形复杂程度较高，城镇和野外不同环境下要想得到准 确的信道模型需要大量的设备和人员投入。 目前随着高速交通特别是轨道交通、高速铁路和高速公路技术的不断发展， 高速铁路时速可高达3 5 0 k m h ，高速轨道( 磁悬浮列车) 更高达5 0 0 k m h ，高速 公路汽车行驶速度也可达到1 8 0 k m h ，国内铁道部已确定在2 0 0 6 年1 0 月1 日以 前提高全国铁路京哈、京沪、京广、陇海、兰新、胶济、武九、浙赣等线路客车 时速2 0 0 公里、货车时速1 2 0 公里，并已制定时速2 0 0 公里条件下的技术标准、 规章制度、作业标准，抓紧做好运营相关准备，车组配套的通信信号设备改造正 在进行，同时京广、京沪3 5 0 k m h 高速客运专线的论证工作也已完成，相应的随 着公路、铁路客运竞争，高速公路交通也将得到发展。 同时随着无线通信、因特网和多媒体技术的发展，人们对在高速运动环境中 进行高速可靠的信息无线传输的需求日益迫切，越来越多的人使用移动电话、无 线局域网以及各种便携式的无线终端在高速交通工具中进行通信和信息传输，然 而目前对于无线电波的传播和传输特性的研究主要集中在中、低速运动环境中， 即使是已经面i 临大量实际应用的g s m 、c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 等第二、 武汉理上大学硕士学位论文 三代蜂窝移动通信技术研究也主要集中在1 5 0 - 2 0 0 k m h 的速度情况下，对于高速 运动环境中( 2 0 0 5 0 0 k m h ) 的无线通信电波特性研究上有待深入。 无线通信的计算机模拟与仿真是促进无线通信技术快速发展的重要手段，无 论是实用系统的精细规划与设计，还是新型传输系统的体制的探索与研究，都要 遇到冗长繁杂的计算，而国内任一条高速铁路、公路线路所穿越的实地地形、地 势、人为环境复杂，要验证其性能是否合乎要求，如果每次都直接用真实系统进 行实地实验，不仅耗资昂贵，费工时，有时甚至难于找到问题症结所在。解决上 述问题的有效方法就是采用计算机仿真技术，即通过建立器件、部件乃至系统的 模型，并用模型在计算机上做实验，利用计算机的高速运算处理能力，以完成无 线通信设备与系统的分析、设计以及性能优化与评估测试。显然，建立无线通信 信道模型的计算机仿真平台，既能提高通信设备设计的一次成功率，缩短新产品 研制周期和节省投资费用，还可以广泛应用于虚拟实验室和网上实验室，服务于 教学和人才培养。 1 。2 课题发展状况 1 2 1 移动通信的发展 移动通信技术( 主要是指蜂窝移动通信技术) 从第一代发展到第三代过程如 图l 一1 所示【1 j ，第一代移动通信使用模拟识别信号，称为模拟移动通信，主要有 a m p s 和a r t s 系统。为解决容量增加，提高通信质量和增加服务功能，第二代 应用数字识别信号，即数字移动通信，它增加了数据通信业务的传输，采用1 3 k b p s 话音压缩编码技术，使整个系统实现了数字化，在制式上则有时分多j 吐( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 两种。前者在全世界有欧洲的g s m 系统( 全球移动通信系统) 和北美的双模制式标准i s - 5 4 及日本的p d c 标准，而后者主要是在北美使用的 i s 一9 5 系统。由于第二代移动通信技术没有统一的全球标准，同时随着人们对传 输能力的要求越来越高，几千比特每秒的传输速度不能慢速用户对于高速率数据 传输的需求，因此国际电信联盟i t u ，制定了i m t - 2 0 0 0 ( i n t e m a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 ) 系统标准，目标是：全球无缝覆盖；实现高服务质量、 高保密性能和高频谱效率：提供多媒体业务，实现车速环境1 4 4 k b i t s 速率，步行 环境3 8 4 k b i t s 速率，室内环境2 m b i t s 速率的无线多媒体通信，采用c d m a 2 0 0 0 、 w c d m a 和t d s c d m a 制式，目前以上三种技术已在多个国家得到实际应用。 2 武汉理工大学硕士学位论文 为了实现第二代移动通信技术和第三代移动通信技术的平稳过渡，各通信设备厂 商有相继推出了2 5 g 系统，即h s c s d 、g p r s 、i s 一9 5 b 等技术标准，这些技术 比2 g 技术在数据业务上有更为宽的带宽，因此可以支持更多类型的数据业务， 以上2 5 g 技术均已被运营商网络中得以应用，但随着3 g 的不断商业运营，将逐 渐从2 5 g 网络过渡到3 g 网络。 1 2 2 研究现状 图1 1 移动通信技术发展阶段 l g 2 5 g 对于陆地环境下移动通信的电波传播，已经提出许多信道模型理论，较有代 表性的是波形信道模型和离散信道模型1 2 1 。 波形信道模型用来表征信道和传输波形之间物理上的相互作用。采用适当的 采样频率对波形信道进行采样，并通过方针模型来处理这些所得到的采样。19 6 4 武汉理工大学硕士学位论文 年，j f o s s n n a 首次利用散射波的特点解释了信号的衰落现象h l ，其假定信号在 传播过程中受到一排排相互平行的建筑物墙壁反射，反射波与直射波相干形成驻 波，移动台在驻波场中运动在波谷发生衰落，其理论模型计算和试验结果相符。 随后e ，n g i l b e r t 从能量分布观点，按三种模式提出散射模型1 4 i ，第一种假定移动 台接收信号来自n 个固定的以相对角度隔开的方向，任一来波相位在o 2 7 r 间均 匀分布，幅度服从r a y l e i g h 分布；第二种方式允许来波方向以相等的概率出现， 相位仍假定为均匀分布，幅度假定常数：第三种方式在第二种基础上，假定幅度 服从任意分布，此后模型又被r h c l a r k ，t a u l i n ，gl 1 、丽n ，w c ，yl e e ， h s u z u k i ，f l k e g a m i l 等进一步发展，c l a r k 根据散射远离系统地分析了电磁场 各分量的空间和频率相关性及其分类效果，导出了衰落频谱【5 j 。a u l i n 在s u z u k i 模型的基础上考虑的入射波的倾角，比c l a r k 的模型更接近现实1 6 j 。t u r i n 在模型 中首次考虑了径数的具体分布，提出径数服从p o i s s o n 分布和修正p o i s s o n 分布的 设想 7 ，并成功地运用于城市交通指挥系统的仿真【8 j 。s u z u k i 在此基础上将泊松 修正分布模型加以完善，并考察了各径之间的时间相关性 9 1 。随后1 9 7 9 年h a s h e m i 将该模型用于市区环境下仿真，根据实测数据修正了相关参数，并考察了各径之 间的空间相关性【l0 1 。1 9 8 7 年s a l e h 和v a l e n z u e l a 提出了一个简单的室内信道多径 s v 模型，假设多径分量以簇的形式到达，接收分量的幅度是独立的r a y l e i g h 分 布，其方差和簇内附加时延成指数型衰减，相应的相角在f o ，2 丌】内为独立的 r a y l e i g h 随机变量，各簇和簇内多径分量构成了具有不同速率的p o i s s o n 到达过 程【“j 。r a p p a p o r t 和s e i d e l 针对各类建筑进行测量，基于离散冲激响应信道模型 提出了一个来源于实际的几何统计混合模型，该模型用一个分段函数来表示以某 一特定附加时延到达的多径信号的概率1 1 2 j ，r h c l a r k ，w c l e e 和d ，c c o x 等人以雷达方程为基本出发点，按照射线传播理论计算城市传播损耗和平均场 睁“。8 1 。本课题的资料检索过程中发现关于较近的陆地移动通信电波传播特性的 研究是清华大学李元青博士、上海大学高士昌博士对地面移动通信电波传播特性 做了一系列的研究，其认为运动过程中接收机所接收到电波径数分布变化为生灭 过程【l 蚰5 1 。中国铁道研究院赵庆安博士和西安科技大学杨辉硕士针对高速铁路无 线通信电波传播环境的特点，从随机过程角度出发，对一定环境下窄带电波传播 特性进行研究，用泊松分布描述电波径数的分布1 2 6 2 鄹。而文献 1 】对移动通信的传 播环境、传播损耗、信号包络和相位的统计分布、分集设计、数字传输设计等有 详尽的叙述。波形模型直观性强，计算方便，是近代陆地移动通信尤其是城市移 武汉理工大学硕士学位论文 动通信电波传播计算中采用较为广泛的一种模型，然而不足之处在于大量采用经 验公式或人为假定方法来计算散射传播中非常重要的径数、时延等概率分布，因 而针对具体的通信地域和条件对信道衰落的相关性的描述不是很清晰。 离散模型在某些应用场合往往是更为有效的模型描述形式用有限个状态来 表征信道，随着时间推移，信道按一组转移概率改变状态，则信道被定义为马尔 科夫链( m a r k o vc h a i n ) 瞄j ，得出的新到模型通常具有隐式马尔科夫模型( h i d d e n m a r k o vm o d e l ，h m m ) 形式，通常基于h m m 的仿真能以很小的计算量来精确 描述移动通信系统性能，离散模型特别是马尔科夫信道模型是计算陆地移动通信 多径衰落误码分布的成功模式，将移动信道抽象化，用马氏矩阵表示，信道由一 个状态转换为另一个状态的概率构成一个马尔科夫转移概率矩阵，误码特性完全 由矩阵元素确定，信道模型化的过程就是确定马尔科夫信道参数的过程。虽然离 散信道模型不设计具体电波传播计算，但模型化过程仍需要大量的传播试验或 软、硬件信道模拟为基础，模型成败很大程度还是取决于对信道传播特性的掌握。 综上所述，波形信道模型和离散信道模型是当前研究移动通信电波传播的两 类主要模型，二者在通信理论研究和通信工程设计中各有千秋，但两类模型很少 考虑电波由发射到接收的传播经历，而只关心信道输入输出特性，某些重要的传 播参数如多径传播的径数分布、反散射次数和多径传播时延等概率分布问题很少 具体明晰。 1 3 本课题的任务 本课题研究的重点在于高速运动过程中移动通信无线电波由于多径衰落的 存在所在导致的电波传播特性，以及由此带来的传输特性研究。对于此类无线通 信系统，必不可少的需要研究其电波传播的特性，尤其是在一些移动通信系统中， 电波传播区内的传播路径很少是视距，这就意味着从基站台或者移动台发出的电 波到达接收机前，多受到空间环境中的建筑物、地形障碍等影响，电波传播特性 明显不同室内环境或者普通城镇或农村环境等自由空间的传播特性。特别是针对 在高速运动环境( 高速铁路、高速轨道、高速公路交通) 中所存在多径传播环境。 因此本文研究包括以下几个方面： ( 1 ) 研究移动通信中多径衰落信道对接收信号的各方面影响，结合高速运动 特定环境，分析成因和机理； ( 2 ) 由( 1 ) 的分析引导出移动通信电波传播的特定参数分布研究； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 大量检索、分析研究已有的移动通信信道模型，尤其是多径衰落信道模 型和研究成果，这些研究成果主要发表在2 0 世纪7 0 9 0 年代和本世纪初的 i e e e t r a n s 上的实测数据和模型方法，i t u r 的建议和经典无线通信理论著作。 结合以上研究，在本文中试图提出一种改进的信道参数分布的解决算法，对 无线多径信道的径数、时延、衰落等分布模型进行严格的数学推导，结合陆地高 速运动环境特点改进文献1 2 6 1 算法，对新算法得出的信道参数分布模型进行计算 机仿真，并将仿真结果和已有经典理论和一些公开发表的实测数据进行对比分 析。 通过对以上参数分布的研究，尝试提出一种新型的高速运动环境中信道数字 模拟结构，以解决在通信系统设计中所面临的高速运动环境下信道模拟方案。 1 4 本论文结构组织 第1 章绪论部分，主要介绍论文的研究背景、主要研究内容和论文组织安排。 第2 章为移动通信信道特性概述，主要介绍无线多径信道的基本知识，包括 多径衰落信道的基本概念和主要特征、信道对接收信号具体影响的机理和过程。 本课题研究对是基于多径无线衰落信道，这部分内容是整篇文章的理论基础和技 术基础。 第3 章根据高速运动环境下电波传播特点，结合地形参数和速度参量，提 出该环境下移动通信电波模型主要设想，并分析四个基本参数：多经传播的径数 分布、反散射次数和多径传播时延、多径衰落系数，建立这四个参数的基本数学 模型，并利用m a t l a b 进行不模拟仿真，将所得结果并和已有模型进行比较， 为信道模型建立奠定基础。 第4 章结合第3 章己知的基本信道传播特性参数，对已有信道模型进行改 进，提出一种基于速度因素的多径信道模型，并加以仿真实现，并将仿真结果和 前人实测结果进行比较作出分析。 第5 章针对高速运动特定环境中所存在多径衰落问题，提出几种较为先进的 综合解决技术，以解决在高速运动中多径衰落给移动通信所带来的严重影响，提 高移动通信系统整体性能。 第6 章对本文所处的模型的优缺点进行总结，并对信道仿真技术提出展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章移动通信信道概述 移动通信信道属于无线信道，不同于固定有线信道，也与一般可移动无线接 入方式的无线信道有所区别，正如第1 章所述移动通信信道是非常复杂的移动的 动态信道。特别是对于高速运动环境下，更取决于移动台所处的客观环境条件， 其信道参数时时变的。任何移动通信系统都是围绕着有效性、可靠性和安全性3 项基本指标进行不断的优化。尽可能的少占用信道资源，将可能大的抵抗外屏干 扰并确保传输的安全保密。对于这类复杂的信道进行通信，如果要保证上述3 项 指标，首先必须分析和掌握信道的基本特点和实质，然后才能针对存在的问题对 症下药，给出相应的技术解决方案。对于陆地移动通信传播信道模型的定量分析， 要在整体上对传播损耗做出定量分析，按传播损耗可分为大尺度路径损耗和小尺 度的快衰落，如图2 1 所示，本文主要讨论的是移动通信中信号的小尺度多径效 应和由速度导致的多普勒频移。 图2 - 1 衰落信道基本构成 2 1 移动通信信道基本特点 信道是任何一个通信系统所必不可少的组成部分，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。因此它的性能主要受到移动无线信 武汉理工大学硕士学位论文 道的制约。无线通信的空间无限性使得发射机与接收机之间的传播路径非常复 杂，各种地形地物的影响和移动使得无线信道具有极大的随机性，这与确定性有 线信道有很大不同。下面就分别对一般的移动通信信道和高速运动通信信道基本 特点进行讨论： 2 1 1 移动通信信道的主要特点2 7 i 一般移动通信信道主要特点有以下3 种特性构成： ( 1 ) 传播开放性 一切无线信道都是基于电磁波在空间的传播来实现开放式信息传输，不同于 固定有线通信是基于全封闭的传输线来实现信息传输。 ( 2 ) 接受环境的复杂性 移动台所处接收点地理环境的复杂性和多样性，一般按地理环境分为三类典 型区域：高楼林立的城市繁华区；一般性建筑为主体的近郊区；以山丘、湖泊、 平原为主的农村及远郊区。对于山区环境可以认为与前两者环境类似。 ( 3 ) 通信用户的随机移动性 移动通信包括3 种类型：准静态的室内用户通信；慢速步行用户通信：高速 车载用户通信，本文主要讨论的是时速) 2 0 0 k m h 的高速车载( 含汽车和高速列 车等交通工具) 用户通信。 2 1 2 移动通信信道中的电波传播 从移动通信信道的电波传播可分为直射波、反射波和绕射波： ( 1 ) 直射波：是指在视距覆盖区内无遮挡的传播，超短波、微波的主要传 播方式，经直射波传播的信号最强； ( 2 ) 反射波：是指从不同建筑物或其他反射体反射后到达接收台的传播信 号，其信号强度较直射波弱； ( 3 ) 绕射波：是指从较大的建筑物与山丘绕射后到达接收台的传播信号， 由于其绕射的发生，其信号强度最为弱。 此外还有穿透建筑物的传播及空气中受离子激发后二次发射的漫反射产生 的散射波等等，但是这些传播相对于直射波、反射波和绕射波，其信号强度一般 可以忽略不计，因此在电波传播上主要考虑：直射、反射、散射问题。 2 1 3 移动通信中信号传播的3 类损耗 ( 1 ) 路径传播损耗 武汉理工大学硕士学位论文 一般路径传播损害又叫衰耗，是指电波载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。 路径损耗在固定的有线通信中也存在，不过它在计算的是导线媒介中传输的衰 耗，一般比在空间传播的衰耗值要小些。 ( 2 ) 慢衰落损耗 主要是指电波载传播路径上受到建筑物阻挡所产生的阴影效应而产生的损 耗，反映在中等范围内( 数百米波长量级) 的接收信号电平平均值起伏变化的趋 势，这类损耗一般为无线传播所特有的，而一般在统计规律上来看遵从对数正态 分布，其变化率比传送信息率要慢。 ( 3 ) 快衰落损耗 反映在微观小范围( 数十米波长以下量级) 接收电平平均值的起伏变化趋势， 其电平幅度一般遵从瑞利分布( r a y l e i 曲d i s t r i b u t i o n ) 、莱斯分布( r i c e d i s t r i b u t i o n ) 、纳卡加米分布( n a k a g a m id i s t r i b u t i o n ) 等概率分布，其变化速度比 慢衰落快。快衰落又可分为：空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰 落。详细有关内容见本章后面内容。本文主要考虑是小尺度的快衰落问题。 2 1 4 移动通信中信号传播的4 种效应 ( 1 ) 阴影效应 由于大型建筑物和其他物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲 区，类似于太阳光受阻挡后产生的阴影，光波的波长较短，阴影可见，电波的波 长较长，阴影不可见，但是移动台终端和专用仪表可以测试出来。 ( 2 ) 远近效应 由于接收用户的随机移动性，移动台与基站之间的距离也在发生随机的变 化，若各移动用户发射信号的功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离 基站近者信号较强，离基站远者信号较弱。通信系统中的非线性将进一步加重信 号强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的现象，并使弱者即离开基站较远的用户 产生掉话现象。 ( 3 ) 多径效应 由于接收这所处地理环境的复杂，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信 号，还有从不同建筑物反射或者绕射过来的多条不同路径的信号，而且它们到达 时的信号强度、到达时间及到达的载波相位都不一样，所接收到的信号是上述各 路径信号的矢量和，也就是说，各路径之间可能产生自干扰。尤其是对于某些特 定环境，移动台根本收不到主径直射波，收到多时连续的反射、绕射波。本文主 9 武汉理工大学硕士学位论文 要讨论的就是在高速运动过程中的电波多径效应问题。 ( 4 ) 多普勒效应 由于移动台处于高速运动过程中，例如车载通信是传播频率的扩散，其扩散 成程度与用于运动速度成正比，一般出现时速) 7 0 k m h 的车载通信时，这也是 本文主要考虑的特性。 2 2 移动通信多径信道特点 移动通信电波在传播过程中会被山丘、楼房、大气反射等反射或散射，结果 在发射机和接收机之间产生许多条不同路径，成为多径传播，多径对于移动通信 有两方面的意义，一方面，反散射及多径传播是无线电波在拐弯处可以弯曲，从 而到达障碍物的后方，另一方面多经传播产生了一些同移动环境直接相关的非常 困难的问题。对于处于高速运动的移动台，由于其高速运动特性造成多径衰落特 别强烈，因此有必要对于多径信道特点进行理论介绍。 2 2 1 多径的概念 假设现在有两路信号分别是： x o 一1 ) = x 2 p l d ( t r 1 ) c o s c o o ( t 一1 ) + r p 】 ( 2 1 ) x o r 2 ) = 1 2 p 2 d ( t r 2 ) c o s c o o ( t r 2 ) + 伊】( 2 2 ) 式中p l 和p 2 是信号功率，1 7 l 和1 ：2 是多径时延，节是在( o ，2 n ) 间均匀分布的 随机相位，c ( t ) 和d ( t ) 代表扩频序列和发送的数据。 假设全相关的情况下，扩颓码的相关性十分尖锐： 驰) ：卜掣卜小i l 0 f t - 1 一f 2 f 正 ( 2 3 ) 可以认为两路信号 y ( t ) = x ( t 一) + x ( f 一 9 2 ) ( 2 4 ) 由式2 - 4 可以十分清楚地知道：当两信号的多径时延相差大于一个扩频码片 宽度时，这两个信号是不相关的，或者说是可分离的。习惯上将某一可分离的信 号叫作信号的径。而当信号的径数) 1 时，则为多径。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 快衰落损耗 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，由于多径传播导致的衰落 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( s h o r t - t e r m f a d i n g ) 。对于绕射衰落和多径衰落两种不同类型， 前者为慢衰落，短期信号中值电平在长期中的起伏( 主要由于阴影效应) ；后者 为快衰落即瞬时信号电平在短期中的起伏( 主要由于多径效应) ，而后者则是 本文讨论的重点。 仔细划分快衰落又可分为以下三类：空间选择性衰落，频率选择性衰落，时 间选择性衰落。所谓选择性是指在不同的空间，不同的频率和不同的时间其衰落 特性是不一样的。由于快衰落是由多径传播引起的，所以先介绍多径的概念，再 分别介绍三种快衰落。 ( 1 ) 空间选择性衰落 现象、成因和机理如图2 2 所示。接收信号受基站附近建筑物和其他物体反 射而引起的多径干扰，造成达移动台天线的信号入射角分布展宽称为角度扩展。 角度展宽给出信号的主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落。 夏 if户弋 8 1 f 8 厂、。 r j ( s 2 久7 弋广 以一、 ，蚣，_ 乓一 、f 一j j 公j j jl f 一旺南刊、 、一， 一p “ 1仃1 。：一妒 图2 - 2 空间选择性衰落信道原理图 武汉理工大学硕士学位论文 空间选择性衰落用相干距离a r 描述， a r ：兰 ( 2 5 ) 口 式中九为波长；币为天线扩散角。相干距离为两根天线上的信道响应保持强 相关时的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越大；反之，相干距离越长， 角度扩展越小。 接收天线距离小于相干距离，信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦：大 于相干距离，信号的相关性变差，信道呈空间选择性衰落。 ( 2 ) 频率选择性衰落 现象、成因和机理如图2 3 所示。假设发射端发射的是一个时间宽度极窄的 脉冲信号，经过多径信道后，由于各信道时延的不同，接收端接收到的信号为一 串脉冲，即接收信号的波形比原脉冲展宽了。这种由于信道时延引起的信号 图2 - 3 频率选择性衰落信道原理图 汲 形的展宽称为时延扩展。时延扩展产生频率选择性衰落。 频率选择性衰落用相干带宽f 描述， a f = 去( 2 - 6 ) 式中为时延扩展。相干带宽为信道在两个频移处的频率响应保持强相关时 的最大频率差。相干带宽越小，时延扩展越大；反之，相干带宽约大，时延扩展 越小。传输带宽小于相干带宽，信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦；大于 相干带宽，信号的相关性变差，信道呈频率选择性衰落。 武汉理工人学硕士学位论文 另一个常用的描述多径时延扩展的参数是最大时延扩展a m ( x d b ) ，它的定义 为比直达信号功率下降x d b 的多径信号的相对时延。不存在直达信号的情况下， 可以是最强的多径信号的功率。 ( 3 ) 时间选择性衰落 现象、成因和机理如图2 - 4 所示。由于移动用户与基站的相对运动，每个多 径波都会有一个明显的频率移动。由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒 频移f d ，它与移动用户的运动速度成正比。 f d = c o s 口( 2 7 ) 式中v 为移动台的运动速度；九为无线电波长；0 为电波和移动台运动的夹角。 、 1 弋。广卜厂1 图2 - 4 时间选择性衰落信道原理图 多普勒扩展是一种由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时 间选择性衰落。时间选择性衰落用相干时间h , t 描述， 1 a t = ( 2 8 ) 口 式中b 为最大多普勒频移。相干时间为两个瞬时时间的信道冲激响应保持强 相关时的最大时间间隔。相干时间越小，多普勒频移越大；反之，相干时间越大， 多普勒频移越小。 取样时间问隔小于相干时间，信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦；大 于相干时间，信号的相关性变差，信道呈时间选择性衰落。 一 o 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 多径衰落成因 在实际移动通信中，以上3 种选择性衰落都存在，产生原因如下： ( 1 ) 第一类多径衰落：是由于快速移动用户附近的物体反射而形成的干扰 信号，其特点是用户的快速移动，在信号的频域上产生多普勒频移扩散，从而形 成信号在时域上的时间选择性衰落； ( 2 ) 第二类多径衰落：是由于用户信号由于远处高大建筑或山丘的反射而 形成的干扰信号，其特点是在传送的信号在空间和时间上产生了扩散，空域上波 束角度的扩散将引起接收点信号产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收 点信号产生频率选择性衰落； ( 3 ) 第三类多径衰落：是由于接收信号受基站附近建筑物和其他物体反射 而引起的干扰，其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起信号在 空间的选择性衰落。 表2 1 给出了在某型2 g 移动通信系统中典型地理环境下，电波的传播在空 间角度、时间和频率所产生的典型扩散值【1 1 。 表2 - 1 电波典型扩散值 2 2 3 高速运动环境中多径信道表现 对一般的移动接受信道，所遇到的主要问题是衰落问题，这是所有无线通信 系统都会遇到的问题。衰落的严重程度通常随频率或路径长度的增加而增大。目 前还无法对衰落进行精确的预测。对于高速运动接收，其关键点是高速度移动， 因此信道所遇到的问题除了衰落问题外，还有因为速度的影响所带来的多普勒频 移问题。高速运动情况下多径信道主要表现为如下几方面： ( 1 ) 接收信号的时延扩展； ( 2 ) 信号强度快衰落的随机相位漂移； 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 不同路径下不同多普勒频移下的随机频率调制。 2 2 4 接收信号的时延扩展 移动通信在室外使用时，直接路径和反射路径都可能很长，传输延迟可能达 到数微秒或更多。在市区，反、散射体越多，典型的传播延迟越长。长的传播延 迟意味着必须降低码速或采用适配均衡。并且传播延迟的具体量值及分布将直接 决定系统可使用的码率和适配的难度。前文章节2 2 2 中已经明确多径时延扩展 示造成频率选择性衰落的主要成因，传统经验指出典型的延迟概率分布是指数分 布和均匀分布m 。 指数分布： 均匀分布： d ( r ) ：1 e x p ( r - 5 - ) 徘，= 肛其r a 他- 2 乃 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) d ( r ) 是时延概率密度函数，并且限定j ：d ( 7 ) 出= 1 平均时延扩展白的定义为： ra：irad一(r)drd ( 2 11 ) 一ml ， 【d ( r ) d r 假定有两个幅度相同的多径分量，其中一路比另一路延迟了时间r ，则接收 信号为： ，( r ) = a s ( t ) + a s ( t r ) ( 2 1 2 ) 进行傅立叶变换，得到r ( f ) 的频谱： r ( f ) = a s ( f ) + a s ( f ) e - j 2 卵= a s ( f ) h ( f )( 2 13 ) 信道传输函数日( 厂) 可写为如下形式： t ( f ) = 1 + e - ) 2 x f l = 口1 2 川2 c o s ( 2 万厂( 三) )( 2 1 4 ) 由于式2 1 4 会产生零频谱，导致频率选择性衰落。 移动信道各条多径间的差分时延是导致多径衰落的根本原因，差分时延指某 条接收路径的传播时延与最短传播路径( 不一定为视距路径) 的传播时延差。差分 时延决定了信号的相干带宽和系统的信息传输速率，从而导致了码间干扰，增大 武汉理工人学硕士学位论文 了移动通信的误码率。因此深入研究差分时延的分布规律很有必要，具体见第3 章有关内容，本节仅作初步的概念介绍。 2 2 4 瑞利衰落分布和莱斯衰落分布 多径传播的第二个主要结果是：反、散射后无线电波的某些基本特性强烈的 变化，特别是相位和幅度。反射波的相位可能改变很大，以致它到达时同直接路 径信号不同相。由于每条具体路径到达接收机时的相位和幅度不同，在接收机中 它们彼此部分抵消或加强，造成信号强度快速起伏。对于衰落的研究可用统计理 论描述确定环境中衰落事件的特性。传统理论认为：运动的移动台所接收的信号 包络服从瑞利分布，而当存在一个主要的静态( 非衰落) 信号分量时，小尺度衰 落包络服从莱斯分布。 ( 1 ) 瑞利衰落分布 在移动通信信道中，由于基站和移动台之间的反射体、散射体和折射体的数 量是相当多的，所以信道的冲激响应表示如下： l ( r ) = e 4 6 ( r - r ) e 。 ( 2 1 5 ) i = 1 式中f 代表到达的多径的径数；4 代表第，条路径的信号幅度；代表第条 路径相对第一条路径( t 卸) 的时延；吩代表第，条路径的信号相位。 当径数较多时，可假设没有直射信道，因此信道的冲激响应h ( r ) 可以看成一 个复高斯过程，其包络的值a 符合瑞利分布： p ( 4 ) ：善p 等，0 爿( 2 - 1 6 ) 盯。 信号包络的均值为 方差为盯2 ，相位q 符合均匀分布的，即 p ( ) = 。：一，0 矿2 丌( 2 - 1 7 ) 上刀 此种信道被称为瑞利信道。移动环境成为瑞利环境 ( 2 ) 莱斯衰落分布 当移动台与基站间存在直射波信号时，即有一条主路径，通过主路径传输过 来被接收的信号为一个稳定幅度a l k 和相位呱，其余多径传输过来的信号仍如上 面瑞利衰落分布模型所述。这种情况下，其包络的值a 的概率分布是莱颠分布： 1 6 岳 武汉理工大学硕士学位论文 p ( 俨詈e x p ( - 学) ，o ( 等) ，喇 o o ( 2 - 1 8 ) 式中1 0 ( ) 为第一类修正贝赛尔函数。此种信道被称为莱斯信道。 2 2 5 多普勒频移扩展 当移动台以恒定速率v 在长度为d ，端点为x 和y 的路径上运动时收到来 自远端源s 发出的信号，如图2 - 5 所示。 图2 5 多普勒效应示慈图 电波从源s 出发，在x 点与y 点分别被移动台接收时所走的路径差为 f = d c o s o = v a t c o s 0 ，这里甜是移动台从x 运动到y 所需的时间，0 是x 和y 处与入射波的夹角。由于源端距离很远，可假设x ，y 处的0 是相同的。所以， 由路程差造成的接收信号相位变化值为 p ：2 r u 1 ：坐c o s 0f 2 1 9 1 a丑 。 由此得出频率变化值，即多普勒频移，疋为 厶：圭譬： c o s 0 ( 2 2 0 ) 二日岱 由式2 - 2 0 可看出，多普勒频移与移动台运动速度及移动台运动方向，与无 线电波入射方向之间的夹角有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移 为i e ( & n 接收频率上升) ；若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负( 即 接收频率下降) 。每个入射波都有自身的载频( 受入射方向影响) ，该频率与中心 的频率有轻微偏移。信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒 扩散，因而增加了信号带宽。这样就造成了信道的频率弥散性，导致时间选择性 衰落。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章高速运动环境中多径信道模型参数研究 本章根据高速运动环境下电波传播特点，提出该环境下移动通信电波模型主 要设想，并分析了五个基本参数：多经传播的径数分布、反散射次数和多径传播 时延、衰减系数、多普勒频移，建立这五个参数的基本数学模型，并利用m a t l a b 进行模