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(通信与信息系统专业论文)飞行器通信无线信道研究及仿真.pdf.pdf 免费下载
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摘要 无线信道是移动通信的重要组成部分,建立移动通信系统的无线信道模型对 于理论研究和工程应用都有重要意义本文主要对飞行器无线信道进行建模仿真, 内容是与航天某研究所的合作项目“飞行器无线通信系统研究与仿真”的一部分。 在无线信道的大尺度和小尺度衰落特性的基础上,本文给出了无线信道模型,并进 行了仿真。仿真分为两部分:室内无线信道仿真和海面无线信道仿真。对于室内 模型,基于时域有限差分方法,给出了时域有限差分的吸收边界和室内环境仿真 的算法。对于海面模型,利用牛顿迭代法探讨了海面环境对飞行器与海上船只的 通信信道的影响。最后提供了相关的性能仿真图,并对仿真结果进行了统计分析。 关键字:室内无线信道时域有限差分海面无线信道牛顿迭代法 a b s t r a c t w i r e l e 鼹c h a n n e li sa ni m p o r t a n tc o m p o s i t i v ep a r to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n i ti s o fg r e a ts i g n i f i 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 e w i r e l e s sc h a n n e lo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t f l n 皿em a i nc o n t e n t si nt h i sp a p e ra l e m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n so fw i r e l e s sc h a n n e la n dt h e ya r ep a r to ft h ec o o p e r a t i v e p r o j 鳅 r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fs r i a c e c r a f l w i t has p a c e f l i g h ti n i s t i t u t ei nb e i j i n f b a s e do nt h el a r g e - s c a l ea n ds m a l l - s c a l e a t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sc h a n n e l , t h ew i r e l e s sc h a n n e lm o d e l sa r eg i v e n a n ds i m u l a t i o n sa r em a d e t h es i m u l a t i o n sc o n t a i nt w op a r t s :s i m u l a t i o no fi n d o o r w i r e l e s sc h a n n e la n ds i m u l a t i o no fs e aw i r e l e s sc h a n n e l f o rt h ei n d o o rm o d e l t l l e a s o r b i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dt h es i m u l a t i o na r i t h m e t i co ft h ei n d o o re n v i r o m e n t a g i v e nb a s e do nt h ef i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i nm e t h o d f o rt h es e a w i r e l e s s c h a n n e l t h ei n f l u e n c eo f s e at ot h ec h a n n e lf r o mt h es p a c e c r a f tt ot h eb o a to nt h es 龆i s d i s c u s s e db yt h em e t h o do fn e w t o ni t e r a t i v e i nt h ee n d , t h es i m u l a t i v er e s u l t sa r e g i v e na n ds o m es t a t i s t i ca n da n a l y s i so f t h e m a r es i m u l t a n e o u s l ym a d e k e y w o r d s :i n d o o rw i r e l e s sc h a n n e l w i r e l e s se h a n n e lo v e rs e a f i n i t ed i f f r e r e n e et i m ed o m a i n n e w t o ni t e r a f l v e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德,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: 日期 ! :垫 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撰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:望重塾 日期 ! :兰皇 导师签名: 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的选题背景和意义 研究和开发数字移动通信系统工程的首要工作就是认识移动信道本身的特 性,并研究无线信道所带来的一些相关特性。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系统工程规划与设计所应了 解的基本问题,是具有实用性价值和理论性价值的问题。 实际上移动信道与电波传播已成为许多理论分析和现场实测的课题,并已经 得到了许多有关其特性的结果。然而由于移动信道的复杂性使得仍有许多待研究 的课题,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。传播环境对移动 信道特性起关键的作用。 为了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长时间的 测试。这不仅造成时间上、人力物力上的浪费,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。 无线信道的建模历来是移动无线系统设计中的难点。这是因为无线通信系统 的性能主要受到移动无线信道的制约。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂, 从简单的视距传播,到遭遇各种复杂的地物,如建筑物、山脉和树叶等。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,特别难以分析。甚 至移动台的速度都会对信号电平的衰落产生影响。 应该注意到,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。进行系统工 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 2 飞行器通信无线信道研究及仿真 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 1 2 本课题领域的国内外研究现状分析 般而言,移动无线通信信道是时变的多径信道。由于数字无线通信系统的性 能很容易受到散射、反射和绕射形式的多径传播的影响,因此有必要去研究多径 传播的统计特性,从而建立合适的统计信道模型。国内外的专家学者己经提出了 许多模型用来描述多径传播的移动无线信道。 u d e r s h 、w r b r a u n 1 肄人的工作提出了用菲涅耳区理论建立无线移动信道物 理模型的思路和数学模型。对予大尺度衰落( 或称为阴影衰落) ,j d p a r s o n s 2 1 等人 在文献中的研究表明,大尺度的信号统计分布呈对数正态分布。 对于小尺度衰落,一般情况下,可以用r a y l e i g h 统计来很好的模拟,而当存在 一个很强的直接射线成分( 其功率超过的总功率的一半) 的时候,就用至u r i c i a a 统计 模型。 在过去的几十年中,提出了很多对l h y l d g h 衰落信道模拟的模型。一般的,这 些模型可以被分成统计的或是确定的。统计模型是基于通过时域或是频域滤波的 白高斯随机过程的功率谱密度的形状。然而,确定模型则是通过有限的经选择的 正弦波的叠加,从而模拟出相似的高斯过程。统计模型适合于产生独立的r a y l e i g h 衰落波形。而确定模型则由于它们的简单性而更受欢迎,即使它们在统计独立和 各态历经性上有很多的局限。j a k c s 提出了一种简单的产生多径勋y l e i g b 衰落器的 j a k e s 模型【3 1 ,但是这个模型所产生的多径r a y l d g h 衰落器之间并不是独立的, m f p o p 和n c b e a u l i 即在文献中分析了传统的j a l 【鹤模型的缺点所在【4 】,并针对这个 缺点,对传统的l a k e s 模型进行了改进,使得这个改进过的j a k e s 模型能产生独立的 多径r a y l e i g h 衰落器。 此外,n a k a g a m i ,d a y y a 等人在城区中的研究结果表明无线信道幅度的衰落统 计特性可以用n a l 【a g 锄i 分布来表征【5 】,n a k a g a m i 模型比较适合于信道衰落比较严 重和在非可视路径传播环境中使用。该模型是一种能适应不同环境的信道模型, 随着m 参数的不同,它可以包括r a y l e i g h 衰落和r c i a n 衰落。 1 3 本论文主要研究内容 本文的研究内容是与航天某研究所的合作项目“飞行器通信无线信道研究与 仿真”的一部分。合作项目中需要在实验室内和厂房组装飞行器设备时进行通信 系统测试,而信道仿真为整个通信系统仿真提供信道,因此本文对实验室和厂房 的两种室内无线信道进行了仿真和分析除此之外,由于合作项目需要仿真从飞 第一章绪论 3 行器到海上船只的通信过程,本文也对海上通信建模仿真 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: 第二章主要介绍了移动无线信道的基本概念,重点阐述了信道大尺度衰落特 性和小尺度衰落特性 第三章介绍了室内无线信道建模仿真,重点介绍了采用时域有限差分( f d t d ) 方法的建模过程。 第四章主要介绍了海面无线信道建模。 第五章是对仿真性能结果的分析。 第六章为结束语。 第二章移动无线信道的基本概念 s 第二章移动无线信道的基本概念 本文所研究的移动无线信道是时变多径信道,在这一章中,主要研究的是移 动信道的衰落特性,其中包括大尺度衰落特性和小尺度衰落特性等,这就为后面 研究移动信道的仿真模型提供了理论分析的依据。 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 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。下面就对移动通信道基本特点进行讨论。 2 1 1 移动通信信道的主要特点 一般移动通信信道主要有以下三种特性旧: ( 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 ) 接收环境的复杂性 移动台所处接收点地理环境有着复杂性和多样性,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 移动通信包括三种类型: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。本文考虑的一个重点就是准静态的室内用户通信。 2 1 2 移动通信信道中的电波传播 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,是超短波、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, 6 飞行器通信无线信道研究及仿真 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、反射和散射问题。在本文中主要 考虑直射和反射问题 2 1 3 移动通信中信号传播的三类损耗 ( 1 ) 路径传播损耗 一般路径传播损耗又叫衰耗,是指电波在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 主要是指电波在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) 的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 g hd i s t r i b u t i o n ) 、莱斯分布( 1 王i c ed i s f i r b u t i o n ) 、 纳卡加米分布( n a k a g a m i d is 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。 2 1 4 移动通信中信号传播的四种效应 ( 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 第二章移动无线信道的基本概念 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 由于接收机所处地理环境复杂,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。本文主要考 虑室内无线通信和海上通信时的多径效应 ( 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 程度与移动台运动速度成正比,一般出现在时速大于7 0 k m h 的车载通信时。本文 考虑的准静态室内环境暂不考虑多普勒效应。 2 2 大尺度衰落特性 2 2 1 自由空间的传播损耗 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为p t ,以球面波辐射接收的功率为p r 则有m j e = 二岳g a , 式(21)4 7 x d 2 三 一4 7 式中:4 = 名2 g ,4 x 天线的有效孔径; 名工作波长; g 广发射天线的增益; q 接收天线的增益; d 发射天线与接收天线间的距离; i 一与传播无关的系统损耗因子l l 。损耗l l 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 = 霉 警) “q g , 式( 2 - 2 ) 式中:b 广发射天线的有效高度; “ 毫 飞行器通信无线信道研究及仿真 k 接收天线的有效高度; n 一路径损失指数,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n 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 6 楼房( 直射) i 6 - 1 8 楼房( 被阻塞) 4 - - 6 工厂( 被阻塞) 2 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 = 卑0 式( 2 - 3 ) p l ( 妒川配,p ) - - - l o l g 嘲 埘) 当g i = g f = l 时,自由空间的路径损失可写成 p l ( = - l o l g _ 务 - - 3 2 4 5 + 2 0 蚧2 吣d 拥 式中:f - - - - m 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 2 2 大尺度衰落特性 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我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 第二章移动无线信道的基本概念 9 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 o 处作为 参照并遵守如下公式m : 一 , 工,) * ( ) 。式( 2 甸 口o 一般的,对于大蜂窝区域d o 取为1 公里,微蜂窝取为1 0 0 米,室内信道取为i 米。 工,) 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) ,n 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 o 处的参考点的路径损耗为己 ) 一般通过测量或者使用公式( 2 6 ) 以自由空间路径损耗公式计算得出。 公式( 2 6 ) 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,和与距离有关的己( d ) 保 持一致。所以,路径损耗l p ( d ) 可以表示成己( d ) 加上一个随机变量瓦: l p ( d ) ( d b 产l s ( d o ) ( d b ) + l o n l g ( d d 。) 十以( d b )式( 2 7 ) j 0 为一个零均值随机变量( 用分贝表示) ,标准方差为仃( 用分贝表示) 。五与 距离和地点有关。对于以的选择通常是基于测量;一般取值为6 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n ; z ,的标准方差。 2 3 小尺度衰落特性 小尺度衰落指的是由于在发射机和接收机之间的空间区域内很小的变化( 小到 半个波长) ,而导致信号幅度和相位较大的变化的现象。小尺度衰落有两种机理, 一种是信号时延扩展,另一种是信道时变特性。时延扩展机理在时域描述成多径 时延散布,在频域中描述为信道相干带( c o h e r e n c eb a n d w i d t h ) 。时变机理在时域 1 0 飞行嚣通信无线信道研究及仿真 描述成信道相干时间缸h e 砌l c 宅缸e ) ,在频域( d o p p l e 濒移) 描述成信道衰落速率或 者d o p p l c r 扩展 2 3 1 小尺度衰落的统计分布 对于移动无线系统,因为发射机与接收机之间的相对运动造成传播路径变化, 所以信道是时变的,这些传播特性的变化率决定了信号的衰落速率小尺度衰落 包含几种衰落模式。其中一种为r a y l e i g h 衰落。当反射路径很多并且没有可视路径 ( l o s ) ,接收信号包络由r a y l e i 曲过程描述。当有一个支配路径存在时,例如可视 传播路径,那么小尺度衰落可以由r i c e 过程描述。当移动台在较大的区域内随机游 走时,接收信号必定经历两种衰落模式:大尺度衰落( 阴影衰落) 和叠加在其上的小 尺度衰落。 ( 1 ) 瑞利衰落分布嘲 在移动通信信道中,由于基站和移动台之间的反射体、散射体和绕射体的数 量是相当多的,所以信道的冲激响应表示如下: _ 一1 ( f ) =a k 6 t 一】c 】最 式( 2 8 ) k - - 0 式中n 代表到达的多径的径数;吼代表第k 条路径的信号幅度;f t 代表第k 条路 径相对第一条路径( 卢0 ) 的时延;气代表第k 条路径的信号相位 当路径数较多时,可假设没有直射信道,因此信道的冲激响f i 直h ( t ) 可以看成一 个复高斯过程,其包络的值r 符合瑞利分布: p ( ,) - j 事酬一参( 畎, 回式( 2 - 9 )p ( ,) = 7 c x p 【一j j 【us ,s 叫 式( 2 9 ) 【o ( , o ) 信号包络的均值为石“2 仃) ,仃2 为统计值的方差,相位缈符合均匀分布的, 即: p ( 妒) = - 二一0 9 2 r e式( 2 1 0 ) 2 石 瑞利分布的累积分布为: p ( ,) = 1 一酬一争 式( 2 - 1 1 ) 此种信道被称为瑞利信道。移动环境称为瑞利环境。 第二章移动无线信道的基本概念 ( 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,其包络的值r 的概 率分布是莱斯分布: p : 考酬一 笋) 厶学 ( 彳巩,0 ) 式( 2 - 1 2 ) 【0 ( , o ) 参数a 指主信号的幅度的峰值,82 为统计值的方差, i 。0 是第一类修正贝塞 尔函数。此种信道被称为莱斯信道。 2 3 2 小尺度衰落的特性及分类 影响小尺度衰落的主要因素有多径传播、移动速度、周围物体的移动速度以及 信号的传输带宽。小尺度衰落根据传输信号的带宽、移动速度和不同的传播环境, 可以分为四种不同的衰落类型:非频率选择性( 平坦) 衰落和频率选择性衰落,快衰 落和慢衰落。如表2 2 所示,其中,b 。为传输信号带宽,b 。为信道的相干带宽,瓦 为传输码元周期,瓦为信道的相干时间。 表2 2 d , 尺度衰落的特性及分类 信道模型 t b t o五五 其它 非色散时间色散频率非选择 b ,b 。 平坦一平坦衰落频率一平坦衰落性信道 频率色散 多普勒( 时间和频频率选择性 b ,b 。 时间一平坦衰落率) 色散信道 时间非选择性或时间选择性或 其它 慢衰落信道快衰落信道 一、相干时间和多普勒扩展 相干时间和多普勒扩展是描述信道时间特性方面的重要参数。相干时间1 :i 是 信道特性没有显著变化的那段持续时间。信道的时间变化在频域中表示为多普勒 扩展,它定义为当单一频率正弦波( 载波未调制) 传输时的频谱宽度。如果在频率f 值的范围内,多普勒功率谱s ( f ) 不为0 ,那么这样的频率范围称为信道的多普勒扩 展b 。多普勒扩展定义为多普勒功率谱的宽度,有时也称为频谱展宽或信道的衰 落带宽。由于多普勒功率谱s ( 0 和时间相关函数刚a t ) 之间是傅立叶变换关系,所 以多普勒扩展b 。的倒数是对信道相干时间t 0 的度量,也就是t 0z 1 b 。显然,变 化慢的信道相干时间大,或者等效为小的多普勒扩展。无论是信道参数t 0 还是b n 1 2 飞行器通信无线信道研究及仿真 都可以被用来表征衰落的陡度,因此b 。还代表了信道的衰落速率 多普勒扩展b 。还被认为是多普勒频移f n 。因此移动台的运动会引起多普勒扩 展,每一条多径路径的多普勒频移一般都和另一条路径不同对接收信号的影响 可以看作为发射信号频率的多普勒扩展或频谱展宽,丽不是看作为一频偏如果 从基站到移动台接收机只有一条路径的话,那么从基站将观察到与载波频率的简 单偏移结合在一起的零多普勒扩展( 多普勒频移) 。多普勒频率变化和吒有关,瓯是 移动台运动方向相对于来波的角度 对于以固定速度 ,运动的移动台,所接收的载波发生的多普勒频移为: 乞。= c o s u o = s = s 式( 2 1 3 ) o 其中,f d 。是第n 条路径上的平面波的多普勒频移,是最大多普勒频移,e 是 载波频率。 如果比特持续时间t b 小于信道相干时间t o ,则信道衰减和相移对于至少一个 比特持续时间内基本上固定不变,在这种情况下,信道呈现慢衰落或准静态。因 此,如果数据速率i ,r 大于衰落速率1 ,l ,称信道为慢衰落信道。相反,如果比特 持续时间瓦大于信道相干时间t o ,或者说数据速率1 t b 小于衰落速率v t 0 ,称信 道为快衰落信道。 因此,为了避免由快衰落引起的信号失真,必须保证数据速率l t b 超过信道 衰落速率1 t o ,使得信道呈现慢衰落。 二、相干带宽和延迟扩展 相干时间和多普勒扩展有关,而相干带宽是基于信道的延迟扩展。延迟扩展 发生在由于多径散射使接收到的脉冲信号有值得注意的加宽时。 由于多径反射,发射天线发出的无线信号将沿着不同的路径传播到接收机处。 每条路径都有不同的路径长度,所以每条路径到达的时间不同,使得接收到的信 号轮廓不清或被扩展,这种现象称为延迟扩展。在数字系统中,延迟扩展会引起 码间干扰,因而限制了数字多径信道的最大码速。 信号从固定基站经过不同长度的路径传播到当地市区内的接收地点时,收到多 径散射。加入发射机发射一个脉冲截8 ( t ) ,接收到的信号为: ,g ) = 万一毛) “= d 8 ) p 归 式( 2 - 1 4 ) 其中,l 为第n 个信号到达的时间,其幅度为4 。d ( t ) 为延迟概率密度函数, 在市区环境中,通常将延迟概率密度函数近似为指数分布。 通常用均方根( m s ) 多径延迟扩展t 。来描述功率延迟分布的情况,它定义为 功率延迟分布的标准差,也就是二阶中心矩或方差的平方根。 第二章移动无线信道的基本概念 1 3 如果数据比特持续时间大于均方根延迟扩展,那么信道产生的码问干扰( i s i ) 可以忽略。作为一个近似,均方根延迟扩展的倒数可以作为信道的相干带宽e 的 度量: 1 e * - 二一 式( 2 - 1 5 ) 相干带宽尻是指在这样的带宽上信号传播特性是相关的( 也就是频率相关函数 的宽带) ,在这个频率范围( 带宽) 内信道以近似等增益和线性相位通过全部频率分 量。因此相干带宽代表一频率范围,在这个频率范围内两个接收信号的幅度、相 位都有高度的相关性,即这两个信号的频谱分量以类似方式受到信道的影响,如 出现衰落或不出现衰落 喀 。 因此,如果传输信号的带宽b 。比相干带宽噩大的话,称信道是频率选择性 信道。在这种情况下,信号中的不同频率分量遇到不同的增益和相移。反之,如 果相干带宽e 比传输信号的带宽b ,大的话,信道则是非频率选择性信道,所有频 率分量遇到同样的衰耗和相移。 一 综上所述,相干带宽是两信号仍然强相关时的最大频率之差。相干带宽和延 迟扩展成反比( 也就是说延迟扩展越小,相干带宽越大) ,延迟扩展和相干带宽是对 多径衰落信道特性的不同观察。如果信号的发射带宽大于相干带宽的话,信号将 经受频率选择性衰落,只有载频部分是衰落的。如果相干带宽和发射带宽一样大, 那么整个接收频谱都将观察到衰落。如果信号的发射带宽小于相干带宽的话,则 属于平坦衰落信道。 第三章室内无线信道分析及建模仿真 第三章室内无线信道分析及建模 由于合作项目需要对室内环境的通信系统性能进行评估,因此,为了对通信 系统仿真提供信道支持,本章主要对室内信道进行了建模仿真。对于合作项目的 特定室内环境,为了获得较精确的仿真结果,确定性信道模型是较好的选择。采 用确定性方法建模,合作项目的仿真方法分为两方面,一是工程上的研究方法, 即用射线跟踪的多径传播模型对信道进行仿真分析,一是理论上的研究方法,即 用时域有限差分( v o t d ) 从麦克斯韦方程出发来对通信信道进行仿真和分析。本文 重点介绍采用时域有限差分对室内无线信道建模过程。 3 1 引言 随着无线通信技术的飞速发展,许多无线通信系统,如个人移动通信、无线 局域网等在室内环境下的应用也越来越广泛,为能提供经济可靠的室内无线通信 服务,必须对室内环境下的电波传播特点及其对系统设计的影响作精确的分析。 无线通信系统的性能主要受无线信道的制约。室内环境下,电波传播不受气 候因素影响,但受建筑物尺寸、形状、结构和房间布局的影响,人员的活动也对 电波产生影响,其中最重要的是建筑材料的影响。在室内环境下由于墙壁、门窗、 家具和其他物体的存在,发射信号通过直射、反射、透射和绕射等多种路径到达 接收机,这也使室内无线传播信道更为复杂。为研究多径信号的幅度衰落,多径 时延等参数,室内信道统计模型依据在房间、楼道、走廊等处放置大量发射接收 设备进行实验来得出结论。 一般来说,室内信道分为视g i i c l o s ) 和阻挡( o l o s ) 两种1 7 1 ,并随着环境而变化。 在室内环境中,视距传播仍然对信号起主要的贡献,但由于各种物体、墙壁的存 在,路径损耗不再只由收发之间的距离和频率决定,而是由许多参数综合作用的 结果,可表示为: 矗“ k = k ( g 。,g df i f ,n 巧,s ) 式( 3 一1 ) f 蕾l j = t 其中。f 为频率,g t 、g f 分别为发射、接收天线的增益,l 、t j 分别为物体的 反射系数和透射系数,d 是传播距离,m i 和m 2 分别表示反射和透射的次数,s 为散 射因子。 1 6飞行器通信无线信道研究及仿真 3 2 室内无线信道模型简述 了解室内无线传播信道的特征以保证无线通信系统得到令人满意的性能是非 常重要的位置测量代价比较大,传播模型可以作为一种花费较少且比较合适的 替代手段一般说来,有两种传统的方法用来为室内信号的无线传播建模: 经验模型:经验模型基于非常简单且易懂的公式,它们运算非常快,只需要 简单的输入,并且公式也非常容易应用。经验模型包括数学模型、统计模型和其 它一些模型但是经验模型不能提供精确的定点信息,也不能预测通信信道的宽 带参数。 确定性模型:确定性模型遵从电磁波传播的物理理论。主要有两种方法用来 建模:著名的射线跟踪( m y - m s n g ) 和用于m a x w e l l 方程的时域有限差分( f d v a , f i n i t e - d i f f e r e n c et i m e - d o m a i n ) 方法。 传统的经验模型和确定性模型都有各自的优点和不可避免的缺点,因此人们 试图通过非传统方法来利用两类模型的优点并克服其缺点。比如说,m o t i f 模型和 c a v i t y 方法m 3 】例,这里就不再详细介绍。 3 2 1 统计模型 信道的统计建模考虑空间上一系列点的各个主波的到达。这些主波包括视距 ( 直线传播) 射线和由主要物体反射或散射的射线,这些射线可用幅度、时间、空 间三维坐标上的脉冲序列来表示。下面简要说明几种常用的统计模型。 1 ) 对数距离路径损耗模型 很多研究表明,室内路径损耗遵从式( 2 7 ) 的对数距离路径损耗模型。2 2 2 节 较详细的叙述了此模型,这里不再赘述。 衰减因子模型 建筑物内传播模型中包括了建筑物类型影响以及阻挡物引起的变化。这一模 型灵活性很强,预测路径损耗与测量值的标准偏差为4 d b ,而对数距离模型的偏差 达1 3 d b 。衰减因子模型为: p - l ( d ) t m l = 瓦( d o ) 唧+ l o v s f l o g 。i 孚l + f a e 删 式( 3 2 ) u o 其中,体f 表示同层测试的指数值。如果对同层存在很好估计计算丫,则不同楼层 路径损耗可通过附加楼层衰减因子f a f ( f 1 0 0 ra t t e n u a t i o nf a c t o r ) 获得。或者在公式 ( 3 2 ) 中,f a f 由考虑多楼层影响的指数所代替: “ 第三章室内无线信道分析及建模仿真 1 7 瓦 嘲= 函a 。) i 删+ 铆加g ,。曙) 其中,伽表示基于测试的多楼层路径损耗指数 3 ) e r i c s s o n 多重断点模型 图3 1 是基于e r i c s s o n 模型的室内路径损耗图。该模型有四个断点,并考虑了 路径损耗的上下边界,模型假定在d o = l m 处衰减为3 0 d b ,这对于频率为9 0 0m h z 的单位增益天线是准确的。e r i c s s o n 模型没有考虑对数正态阴影部分,它提供特定 地形路径损耗范围的确定限度。 圈3 1e r i c s s o n 多重断点室内路径损耗模型 4 ) 冲激响应的统计多径模型 式( 2 8 ) 描述了室内信道的冲激响应,由于同任何可能考虑的有用信令相比, ) 、 “) 和( b ) 这些变量的变化速率非常缓慢,所以这些参数可以认为是时不 交随机变量。基带冲激响应模型可以表示为: | i l ( f ) = 耄黑8 仇万。一霉一r u ) 式( 3 q 霉表示第l 簇的到达时间,钿表示从第l 簇的开始测量的第k 径的到达时间五是 服从参数a 的指数分布,气服从( o ,2 万) 的均匀分布 此外,比较常用的统计模型还有马特内一马恩纳( k e e n a n - m o t l e y ) 模型以及 多墙模型等等,由于篇幅所限。这里不再详细介绍。 3 2 2 确定性模型 确定性模型也可以称为定点传播模型,是依据电磁波传播理论来描述室内无 符 帅 m 1 8 飞行器通信无线信道研究及仿真 线传播的。不像统计模型,确定性模型不用广泛测量,而是需要室内环境的诸多 细节以便对建筑物内部信号传播的预测比较精确。 因为预测的方法代价相当高昂,大概的数字估计就变得值得关注。因此使用 确定性模型是一种直观的吸引人的方法,可用来计算信号强度和相关的参数。本 文介绍两种确定性模型的建模方法:f d t d 方法和确定性射线方法 有限时域差分( f d t d ) 是一种解m a x w e l l 方程的方法,可以精确计算出空间 某点的传播的参数值关于有限时域差分方法3 3 节详细地阐述时域有限差分,本 节简要介绍射线跟踪法。 射线跟踪法是进行电波传播预测的有效方法,这种方法可以处理比较复杂的 环境,已被广泛地用于室内无线通信的传播预测中。 由于室内无线通信的频率较高( 9 0 0 m h z ,1 8 g h z ,且有往更高频率发展的趋 势,在本文中电波频率为2 2 g h z ) ,波长与室内物体尺寸相比要小得多,远区场电 磁波可视为局部平面波,因而可用射线跟踪法来进行研究。 射线跟踪法的基本思想是:将发射点视为点源,其发射的电磁波作为向各个 方向传输且有一定电场强度的射线,对每根射线进行跟踪,在遇到障碍物时按光 传输理论进行计算,在接收点将到达该点的各条射线合并,计算接收点的场强或 接收功率,从而实现电波传播的预测嗍。 对于一般建筑物来说,室内的物体数量可能很多,因而射线的跟踪数量是非 常庞大的常用的跟踪方法有两种:一种是平面跟踪,即二维跟踪;另一种是完 全的三维跟踪。前者速度快,但精度较低,后者需要很多的计算时间,但预测精 度较高。 3 3 1 基本原理 3 3 时域有限差分 有限差分法是电磁数值分析应用较早的一种方法,其基本原理是用差分替代 微分,从而将复杂的微分方程转化为代数方程,方便了应用计算机来进行求解。 时域有限差分法作为一种有效的电磁场数值计算方法,直接把时域麦克斯韦微 分方程转化为差分方程,模拟电磁波的传播及与其它物体的相互作用过程,在天 线辐射目标电磁散射、微波和光波分析等领域有着日益广泛的应用。 无线信道信号的传播遵守麦克斯韦方程,符合电磁波的传播规律。因此f d t d 方法非常适宜研究由于多径效应引起的信道衰落特征。f d t d 将信道的衰落特性建 模为随机过程而不是确定性的随机变量,能够迸一步表述实际的无线信道衰落的 时变特性及远区分布特性。由于已知合作项目的室内环境细节,故可以采用确定 第三章室内无线信道分析及建模仿真1 9 性信道模型建模。本文基于直接形式的麦克斯韦方程组并采用完全匹配层吸收边 界条件建立了f d t d 室内信道模型 时域有限差分比较占系统内存,并且本文要仿真的房间比较大,若采用三维 f d t d ,计算量和存储量过大,故本文选择用二维f d t d ,下面所有的原理描述、 计算和仿真都是基于二维f d t d 的。 不同的研究对象,可在不同的坐标系中建模,本文研究对象是室内环境的电 波传播,采用直角坐标系。 m a x w e l l 旋度方程为蚴删: 票:v h 式( 3 5 ) “ d ( 神= 岛群( 功e ( 奶 ” 式( 3 - 6 ) 罢:一土v e 式( 3 7 ) “ 胁 g ( w ) = + j o ) 8 0 式( 3 8 ) 其中:d 为电通量密度矢量,e 为电场强度矢量,h 为磁场强度矢量,盯为电导 率,影( 功为介质的复介电常数,鼻为相对介电常数,岛为真空中的介电常数, 为磁导率,鳓为真空中的磁导率。在真空中,仃= o ,介电常数和磁导率分别为: 岛= 8 ,8 5 + 1 0 一”f r a ;硒= 4 # x l o 。7 h r a 。 。 先将电场强度矢量e 和磁场强度矢量h 归一化: 豆:匠e 、f 胁 式( 3 9 ) 弧挂m 船1 0 ) 将归一化后的e 、h 代入到式( 3 5 ) 到式( 3 7 ) ,则m a x w e l l 旋度方程成为: 翌:- 产1 _ v h ; r(311)at t q 西( 叻= 筇( 奶窟( 功式( 3 1 2 ) 罢:一士v 雹 式( 3 1 3 ) 改 、】s b 考虑t m 波( 横磁波) ,t m 波磁场分量垂直于电磁波传播方向,即i - i z 、e y 、 e x 分量为零,所以e 一细公式为: 。 飞行器通信无线信道研究及仿真 丝;士冬 式(14)s-10= ;
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