（信号与信息处理专业论文）基于fpga的无线信道仿真器设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着人们对无线通信需求和质量的要求越来越高，无线通信设备的研发也变 得越来越复杂，系统测试在整个设备研发过程中所占的比重也越来越大。为了能 够尽快缩短研发周期，测试人员需要在实验室模拟出无线信道的各种传播特性， 以便对所设计的系统进行调试与测试。无线信道仿真器是进行无线通信系统硬件 调试与测试不可或缺的仪器之一。 本文设计的无线信道仿真器是以c l a r k e 信道模型为参考，采用基于j a k e s 模型 的改进算法，使用a l t e r a 公司的s t r a t i x i ie p 2 s 1 8 0 模拟实现了频率选择性衰落信 道。信道仿真器实现了四根天线数据的上行接收，每根天线由八条可分辨路径， 每条可分辨路径由6 4 个反射体构成，每根天线可分辨路径和反射体的数目可以独 立配置。通过对每个反射体初始角度和初始相位的设置，并且保证反射体的角度 和相位是均匀分布的随机数，可以使得同一条路径不同反射体之间的非相关特性， 得到的多径传播信道是一个离散的广义平稳非相关散射模型( w s s u s ) 。无线信道 仿真器模拟了上行数据传输环境，上行数据由后台产生后储存在单板上的s d r a m 中。启动测试之后，上行数据在c p u 的控制下通过信道仿真器，然后送达基带处 理板解调，最后测试数据的误码率和误块率，从而分析基站的上行接收性能。 首先，本文研究了3 g p pt s2 5 1 4 1 协议中对通信设备测试的要求和无线信道 自身的特点，完成了对无线信道仿真器系统设计方案的吸收和修改。 其次，针对f p g a 内部资源结构，研究了信道仿真器f p g a 实现过程中的困 难和资源的消耗，进行了模块划分。主要完成了时延模块、瑞利衰落模块、背板 接口模块等的r t l 级代码的开发、仿真、综合和板上调试；完成了f p g a 和后台 软件的联合调试；完成了两天线到四天线的改版工作，使f p g a 内部的工作频率 翻了一倍，大幅降低了f p g a 资源的消耗。 最后，在完成无线信道仿真器的硬件设计之后，对无线信道仿真器的测试根 据3 g p pt s2 5 1 4 1v 6 1 3 0 协议中的要求进行，即在数据误块率( b l e r ) 一定的 情况下，对不同信道传播环境和不同传输业务下的信噪比( e 们) 进行测试，单 天线和多天线的测试结果符合协议中规定的信噪比( e b n o ) 的要求。 关键词：无线信道，f p g a ，瑞利衰落，信道仿真器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e q u i r e m e n ta n dq u a l i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e c o m e m o r e a n dm o r ei m p o r t a n ti no u rd a i l yl i f e t h er e s e a r c ho fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n c q m p m e n ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ed i f f i c u l t f o rt h er e a s o n s ，t h es y s t e mt e s t i n gi s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta m o n gt h ep r o p o r t i o no fd e s i g n t h et e s te n g i n e e r s n e e dt os i m u l a t ea l lk i n d so fc h a r a c t e r i s t i c so fr a d i om o b i l ec h a n n e li nt h el a b o r a t o r yf o r s h o r t i n gt h ed e s i g n i n gt i m ea n dd e b u g g i n gt h es y s t e m t h em u l t i c h a n n e le m u l a t o ri sa n e c e s s a r yd e v i c et od e b u gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns ) r s t e mt o d a y t h ep a p e rh a si m p l e m e n t df r e q u e n c y - s e l e c t i v er a d i om o b i l ec h a n n e l sb a s eo nt h e c h a n n e lo fc l a r k e r a d i om o b i l ec h a n n e lw h i c hu s e st h ea r i t h m e t i co fi m p r o v e dj a k e s m o d e li si m p l e m e n t e d 谢ma l t e r as t r a t i x l ie p 2 s18 0 i ti m p l e m e n tu p l i n kr e c e i v i n go f f o u rt r a n s m i ta n t e n n a sd a t a e v e r ya n t e n n ah a se i g h tr e c o g n i z a b l em u l t i p a t h sa n de v e r y p a t hi sm a d eu po f6 4r e f l e c t o r s t h em u l t i p a t h sa n dr e f l e c t o ra r ec h o s e na l la l o n e i n i t i a la n g l ea n di n i t i a lp h a s eo fr e f l e c t o r sc a nb es e tc e r t a i nv a l u e s t h ea n g l ea n dp h a s e o fr e f l e c t o r si sh o m o g e n e o u sr a n d o m i z e r a f t e rt h a t ，t h ed i f f e r e n tr e f l e c t o r sa r en o t c o r r e l a t i v ei nt h es a m ep a t h t h er a d i om o b i l ec h a n n e li sw s s u s ( w i d e s e n s e s t a t i o n a r y - u n c o r r e l a t e ds c a t t e r i n g ) c h a n n e l t h ed e v i c es i m u l a t e st h ec h a n n e l p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r o u n dw i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l s t h eu p l i n kr e c e i v i n g d a t aa r ed e p o s i t e di nt h es d r a m a f t e rs t a r t i n gt h et e s t , t h ed a t ag e ta c r o s st h er a d i o m o b i l ec h a n n e lu n d e rt h ec o n t r o lo fc p u t h e n ，t l l e ya r ed e m o d u l a t e db yt h eb a s e b a n d p r o c e s s i n gv e n e e r t h ep a p e rg e t st h eb e r ( b i te r r o rr a t e ) a n db l e r ( b l o c ke r r o r r a t e ) o fu p l i n kd a t aa tl a s t t h e yc a nb eu s e dt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fb a s e s t a t i o n f i r s t l y , t h et e s tr e q u e s to fc o m m u n i c a t i o nd e v i c ei n3 g p pt s2 5 1 4 1p r o t o c o la n d c h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r er e s e a r c h e d t h es y s t e md e s i g n i n g s c h e m eo f w i r e l e s sc h a n n e le m u l a t o ri sd i s c u s s e da n dp e r f e c t e d s e c o n d l y , a i m i n ga tr e s o u r c ec o n f i g u r a t i o ni nt h ef p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) ，t h ed if f i c u l t ya n dr e s o u r c ea r er e s e a r c h e dw h e nf r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e li si m p l e m e n t e dw i t hf p g a t h e n ，t h em o d u l ei sd i v i d e ds u c ha st i m e - d e l a y i l a b s t r a c t m o d u l e ，r a y l e i g h - f a d i n gm o d u l e ，l v d s ( l o w - v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) m o d u l e a n ds oo n t h ep a p e rh a sf i n i s h e dt h em o d u l e sf r o mr t lc o d ee x p l o i t a t i o n ，s i m u l a t i o n , b o a r dd e b u g g i n ga n dc o m b i n i n gd e b u gb e t w e e na l lm o d u l e sa n db a c k g r o u n ds o f t w a r e f i n i s ht h ec o r r e c t i n gf r o mt w oa n t e n n a st of o u ra n t e n n a s t h ef r e q u e n c yo ff o u r a n t e n n a si so n et i m eh i g h e rt h a nt h a to ft w oa n t e n n a s t h er e s o u r c e sw h i c ha l e c o n s u m e di nt h ef p g aa l er e d u c e dl a r g e f i n a l l y , r a d i om o b i l ec h a n n e lw h i c hi sb a s eo nj a k e sm o d e li si m p l e m e n t e dw i t h a l t e r as t r a t i x l ie p 2 s18 0 a t t e rf i n i s h i n gt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h ep a p e rt e s t st h ee t n 0 ( s i g n a ln o i s er a t i o ) i nd i f f e r e n tt r a n s m i t t i n ge n v i r o n m e n t sa n dd i f f e r e n tt r a n s m i t t i n g o p e r a t i o n s t h er e s u l t s o fs i n g l ea n t e n n aa n dm u l t i a n t e n n aa n s w e rf o rp r o t o c o l r e q u e s t s 。 k e y w o r d s ：r a d i om o b i l ec h a n n e l s ，f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y , r a y l e i g hf a d i n g , c h a n n e le m u l a t o r i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：垄鱼查日期：砌年年月3 0 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：。盔笪查导师签名塑逃 日期：2 0 避年年月5 0 日 第一章引言 1 1 课题研究的背景 第一章引言 无线信道是移动通信的传输媒介，信道性能的好坏直接决定着人们通信的质 量，无线信道复杂多变的主要原因是多径传播，电磁波在传输过程中会遇到很多 建筑物、树木以及起伏的地形，会引起能量的吸收和穿透以及电磁波的反射、散 射、绕射等，由于散射和绕射后的电磁波能量较弱，所以一般只考虑反射的影响。 这样，移动信道是充满了反射波的传播环境。到达移动台天线的信号不是单一路 径来的，雨是许多路径来的众多反射波的合成。又由于电磁波通过路径的距离是 不同的，因此各条路径来的反射波的到达时间是不同，相位也不相同。不同相位 的多个信号在接收机端的叠加，有时同相叠加而加强，有时反相叠加而减弱。这 样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。如果考虑到移动台的运动，就 会使接收电波的频率发送变化，产生多普勒频移扩展，即产生频率选择性衰落。 随着智能天线和多输入多输出( m i m o ) 系统的引入，无线信道还要考虑角度扩 展。正是由于信道信息在时间、频率和角度的扩展，使得无线信道的研究变得非 常复杂。随着人们对无线通信需求和质量的要求越来越高，无线通信设备的研发 也变得越来越复杂。通常，设计人员需要在实验室模拟出无线信道的各种特性， 以便对所设计的系统进行调制与测试。无线信道仿真器是进行无线通信系统硬件 调试与测试不可或缺的仪器之一。 正是基于以上的需求，中兴通讯提出了项目“k p t 平台实时无线信道模拟实 现，本设计是该项目的一部分。在研究了无线信道特性的基础上设计与实现了无 线信道仿真器，该仿真器模拟实现了频率选择性衰落信道。设计无线信道仿真器 的意义在于：随着无线通信设备的研发变得越来越复杂，测试在研发过程中所 占的比例也越来越大，为了加快设备的测试，需要更多的信道仿真器投入使用， 但是市场上的信道仿真仪价格昂贵，限制了其普及程度。市场上信道仿真仪大 多数是基于软件实现的，链路仿真速度比较慢，而基于f p g a 的无线信道仿真器 是硬件实现，从而可以极大的提高仿真速度，加快无线设备的测试。无线通信业 务繁多，对不同设备的测试内容也不尽相同，市场上的信道仿真仪在功能上比较 固定，对数据传输过程中间节点的观测不够方便，而基于f p g a 的无线信道仿真器 电子科技大学硕士学位论文 在算法修改和中间节点的观察上都比较灵活。验证设计中采用的衰落算法是否 可以模拟无线传播环境。 1 2 国内外研究现状 对无线信道的研究，可以将信道分为大尺度衰落模型、小尺度衰落模型和中 等尺度衰落模型。通常，无线环境中信道的衰落n 1 可以分成三部分：大尺度路径损 耗成分；中等尺度具有对数正态分布特性的慢变化成分；以及小尺度的具有瑞利 或莱斯分布瑚特性的快变化成分。在设计信道模型的时候应该考虑以下因素：根 据从发射机到接收机范围内的路径损耗而得到的“大区平均功率”；在该大区体 内的“本地平均功率”表现了慢衰落特性，符合对数正态衰落；叠加在前两者 之上的瞬时功率，表现了块衰落特性，服从瑞利分布口】。 无线信道的建模是要在不同的传播环境下建立与真实无线信道相吻合的模 型，其对无线信道仿真器的设计至关重要，针对不同的信道类型建立不同的模型。 广义平稳非相关散射( w s s u s ) h 3 被认为是描述无线信道小尺度衰落的时延扩展 ( d s ) 与多普勒扩展的最简单的随机过程。故目前关于信道小尺度衰落建模的研 究大多数是基于w s s u s 的假设。非频率选择性衰落信道( 平坦衰落信道) 是无线 衰落信道中最为简单的一种，它是其它复杂信道建模的基础。平坦衰落信道建模 的两个模型c l a 呔e 璐3 信道模型和s u z u k i 抽1 信道模型。前者用于描述小尺度衰落， 后者综合考虑大尺度和小尺度衰落。无线信道的仿真是为了评估算法的复杂度， 近年来人们对平坦衰落信道的仿真进行了大量的研究，取得了较多的理论成果， 仿真平坦衰落信道的方法分为两类：第一类方法是正弦波叠加法；第二类是形成 滤波器法。以上这两类方法各有优缺点。第一类方法能够有效的减少运算量，因 此得到了广泛的应用，但是仿真的衰落信道的衰落性能不是很理想。第二类方法 所要求的形成滤波器的带宽相对于抽样率来说是相当窄的，所以复杂度较高；为 了设计出这样一个窄带的数字滤波器而减少运算复杂度，通常采用的方法是首先 设计一个低抽样率的数字滤波器，然后采用线性插值的方法将抽样率提高，此线 性插值的过程同样具有很大的运算复杂度，但是这种方法能够较好的仿真出独立 的衰落信道。正弦波叠加法因为可以有效的减少运算量，得到了广泛的应用和研 究，常用仿真瑞利衰落信道的正弦波叠加法有以下几种：等距离法( m e d ) m 、 等面积法( e m a ) 口1 、m o n t ec a r l o 法h 、最小均方误差法( m s e m ) n 1 、精准多普 勒扩展法( m e d s ) 呻】、j a k e s 仿真法r j m ) 嘲。 2 第一章引言 在这些仿真模型中以j a l ( 髓仿真法o m ) 的应用最为广泛，j a k e s 仿真法利用了 多普勒频移的对称性减少了振荡器的数目，降低了复杂性。但是由于具有相同多 普勒频移的到达波具有相关性，使得j a k e s 生成的信号不平稳。针对以上原因提出 了改进的j a k e s 仿真器，m a r i u se p o p 在参考文献 1 0 1 中提出了插入随机相移法，引 入随机相位消除了原来低频振荡器之间的相关性，生成广义平稳过程，生成信号 的相位为均匀分布，包络收敛到瑞利分布；改进的仿真器的一阶统计特性符合要 求，但对二阶统计特性而言，正交分量和同相分量的自相关和互相关特性，即使 在o - - - ho o 时，还是不能满足参考模型的要求。同样是在参考文献 1 0 】中m a r i u s e p o p 提出了另一种多普勒频移简化法，此方法与j a k e s 仿真器不同之处在于考虑 多普勒频移对称性简化的同时，把所有对应的随机相移都考虑进去，这样就避免 了j a k e s 仿真器中随机相移产生相关性的问题，保证了物理信道的真实特性，能够 与参考模型所有特性相吻合。该模型的统计特性与参考模型完全一致，产生的信 号是广义平稳( w s s ) 的，包络概率分布趋向服从瑞利分布、自相关特性趋向贝 塞尔函数n 1 1 、互相关特性为零。多普勒频移简化法得到的模型的统计特性虽然可 以很好的吻合参考模型的要求，但是其运算复杂度还是比较大，不便于在f p g a 中实现。考虑到以上的问题，在j a k e s 仿真模型的基础上，让到达的反射波的角度 和相位都取 o ，2 万) 中均匀分布的独立随机变量，再加上每一条可分辨路径的多径时 延、初始角度和初始相位是独立配置的，使每一条可分辨路径是相互独立的。这 样多径传播信道是模拟一个离散的广义平稳非相关散射模型( w s s u s ) 。该算法模 型的统计特性可以很好的与参考模型吻合，即包络服从瑞利分布、相位服从 0 ，2 万) 的均匀分布、自相关函数服从贝塞尔函数、互相关函数为零。 频率选择性衰落信道的建模比平坦衰落信道的建模更加复杂，非频率选择性 衰落信道只有一个可以分辨路径，包括多个不可分辨路径，而频率选择性衰落信 道是由多个可分辨径组合而成，其中每一个分辨径就是一个平坦衰落信道，也就 是说，它是由多个不同时延的平坦衰落信道组合而成。所以频率选择性衰落信道 通常采用的建模方法为：先用等距离法( m e d ) 、等面积法( e m a ) 、m o n t ec a r l o 法、最小均方误差法( m s e m ) 、精准多普勒扩展法( m e d s ) 、j t k e s 仿真法( j m ) 实现多个可以分辨径信道，并且保证各可分辨径之间相互独立：再在各个可以 分辨径上乘以相应的系数，加上相应的离散传播时延，它们的共同作用就是频率 选择性衰落信道。 1 3 本文结构和主要工作 3 电子科技大学硕士学位论文 本课题从最初的系统设计，系统硬件和软件的开发，到随后f p g a 的r t l n 羽 级代码的开发、仿真、板上调试，再到最后完成了系统调试。测试结果符合3 g p p t s2 5 1 4 1v 6 1 3 o n 3 3 协议中对基站测试的要求，目前该设备已经交付使用，得到公 司同事的好评。 在项目设计和实现过程中，本人主要从事的工作是无线信道仿真器的f p g a 实 现。设计与开发的主要模块有：多径时延模拟、瑞利衰落模块、固定频偏模拟、 接收匹配滤波、背板接口模块等等。独立完成了两天线到四天线的改版工作，包 括r t l 级代码的开发和板上调试、f p g a 与后台软件的联合调试和j a k e s 算法模块 的修改工作等。 论文的主要内容安排如下： 第二章从影响无线通信的主要因素出发，说明了无线信道的特性，分析和总结 了平坦衰落信道和频率选择性衰落信道的建模与仿真，为下一章无线信道仿真器 系统方案设计打下理论基础。 第三章研究了频率选择性衰落信道系统设计方案，说明了无线信道仿真器的设 计目标、工作原理框图和w b t ( w c d m ab a s e b a n dt e s t ) 单板的硬件结构，并分 析了主要模块的设计方案，包括输入、输出、功能和实现过程。最后研究了产生 瑞利分布的两种方法一确定模型和统计模型。 第四章详细分析了无线信道仿真器f p g a 实现的各模块设计，重点分析了多径 时延模块和瑞利衰落模块的f p g a 实现方法，并对j a k e s 模型算法进行了研究，得 到了基于f p g a 的瑞利衰落算法。 第五章给出了系统仿真和调试过程中的一些中间图表，包括仿真、综合和板上 调试，最后给出了项目设计的单板和无线信道仿真器的测试结果。 第六章为全文总结。 4 第二章无线信道特性和信道模型理论基础 第二章无线信道特性和信道模型理论基础 本文设计实现的是频率选择性衰落信道，衰落信道由于多普勒频移和多径时 延等因素的干扰，使其传播特性变得非常复杂，为了能更好地理解信道仿真器的 系统设计，本章在简要说明了无线信道传播特性之后，讨论了非频率选择性和频 率选择性衰落信道的建模与仿真，为信道仿真器的f p g a 实现打下理论基础。 2 1 移动信道 移动信道是移动用户在陆地各种环境中进行通信时的无线电波传播信道。电 波的传播特性是研究无线通信系统首先要遇到的问题。传播特性如何直接关系到 通信设备的能力、天线的高度、通信距离的计算，以及为实现优质可靠的通信所 必须采用的技术措施等一系列系统设计问题。对移动信道特性的研究构成了移动 通信系统开发和设计的理论基础。移动通信信道在各种通信信道中最为复杂的一 种。举例来说，有线传播线路中，信噪比的波动通常不超过1 - - 2 d b 。与此相对照， 陆地移动无线信道中信号强度的骤然降低，即衰落深度可达3 0 d b 。在城市环境中， 一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。 这种衰落现象严重恶化接收信号的质量。移动信道的衰落特性取决于无线电波的 传播环境，不同的环境，其传播特性也是不相同的。例如，有许多高层建筑的大 城市与平坦开阔的农村相比，传播特性就有差异。复杂、恶劣的传播条件是移动 信道的特征，这是由在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。对于移动通 信来说，恶劣的信道特性是不可回避的问题。要在这样的传播环境下，保持可以 接受的传播质量，就必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。这就是各种 抗衰落技术n 毛坫h 町，包括分集、扩频跳频、均衡、交织和纠错编码等。认识移动 信道本身的特性是开发移动信道无线传播技术的第一步，往往先行于移动通信本 身的研究开发。 移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径 的衰减损害。若用公式表示，按接收信号功率可表示为 尸( d ) = 阿4 s ( 孑) r ( 孑) ( 2 - 1 ) 式中，网表示移动台与基站的距离。( 2 1 ) 式是无线信道对传输信号作用的一般表 5 电子科技大学硕士学位论文 示式，这些作用分三类。 路径传播损耗：一般称为衰落，是指电波在空间传播所产生的损耗。它反映 了传播在宏观大范围( 千米量级) 的空间距离上的接收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播的损耗， 一般比这里的空间传播衰耗值要小一些。公式中用闭”表示，其中n 一般为3 - - 4 。 慢衰落损耗：它主要是指电磁波传播中受到建筑物等的阻挡所产生的阴影效 应而产生的衰落，反映的是在中等范围内( 数百波长量级) 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，且从统计规律看一般服从 对数正态分布，其变化率比传送信息率慢，故又称为慢衰落。公式中用s ( d ) 表示。 快衰落损耗：它反映微观小的范围( 数十波长以下量级) 接收电平平均值起 伏变化趋势。其电平幅度分布一般服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布或莱斯f r i c e ) 分布n 刀， 其变化速率比慢衰落快，故又称为快衰落。仔细划分，快衰落又可以划分为：空 间选择性、频率选择性和时间选择性衰落。这里的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。公式中用r ( d ) 表示。 四种主要的效应n 刖： 阴影效应：由于大型的建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域 中产生传播的半盲区，类似于太阳受阻挡后产生的阴影。光波的波长较短，阴影 是可以见到的，电磁波的波长较长，其阴影是看不到的，但是接收端( 如手机) 与专用的设备是可以测试出来。 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也 是随机变化的，若移动用户发送的信号的功率是一样的，那样到达基站的信号的 强弱是不相同的，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。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，并使弱者即离基 站远的用户产生掉话的现象，通常称这一现象为远近效应。 多径效应：由于接收者所处的地理环境的复杂性，使得接收到的信号不 仅有直射波的主径信号，还用从不同的建筑物反射和绕射过来的多条不同路径信 号，而且他们到达时的信号强度、到达时间和到达的载波相位都不一样。所接收 的信号是上述各条路径信号的矢量和，也就是说，各路径之间可能产生自干扰， 称这类白干扰为多径干扰或多径效应。这类多径干扰是非常复杂的，有时根本找 不到主径的直射波，接收到的是一些连续的反射波等。 多普勒效应：由于接收用户高速移动时，比如车载通信时传播频率的扩展 而引起的，其扩展程度与用户运动速度成正比。这一现象常在高速的( 7 0 k i n h ) 6 第二章无线信道特性和信道模型理论基础 车载通信中，而对于通常慢速移动的情况和准静态的室内通信则不予考虑。 2 2 标量信道的建模与仿真 前面介绍了信道的基本知识和基本特性，包括大尺度传播、小尺度衰落等等。 无疑，了解这些信道特性对我们要在频谱资源有限的信道上，尽可能高质量、大 容量传输有用信息起着指导性作用。讨论大尺度传播不仅对分析信道的可用性、 选择载波频率以及切换n 钔有重要的意义，而且对于移动无线网络的规划啪3 也很重 要；而讨论小尺度衰落则对传输技术的选择和数字接收机的设计至关重要。因此， 信道建模和仿真是研究移动无线通信中各种技术和网络规划的基础和关键。建模 的评估标准是在不同的传播环境下所建的模型与真实的无线信道吻合的程度；而 仿真的评估标准则在于运算量的复杂性。因此，研究人员需要根据实际情况的不 同来进行建模和仿真，本节重点介绍标量信道的建模和仿真。本节将分别讨论平 坦衰落信道和频率选择性衰落信道。事实上，平坦衰落信道只有一个可以分辨的 径( 包括多个不可分辨的径) ，而频率选择性衰落信道是由多个可分辨径组合而成 ( 其中每一个分辨径就是一个平坦衰落信道) ，也就是说，频率选择性衰落信道的 建模比平坦衰落信道的建模更加复杂，它是由多个不同时延的平坦衰落信道组合 而成。因此，平坦衰落信道建模是标量信道建模基础，本节将会重点讨论平坦衰 落信道的建模，在此基础上，介绍频率选择性信道的建模与仿真。 2 2 1 平坦衰落信道建模 平坦衰落信道建模的两个模型c l 鲥信道模型和s u z u k i 信道模型。其中 前者用于描述小尺度衰落，后者综合考虑大尺度和小尺度衰落。 1 c l a r k e 信道模型 c l a r k e 提出了用于描述平坦小尺度衰落的统计模型，即瑞利衰落信道。其移动 台接收信号场强的统计特性是基于散射的，这正好与市区环境中无直视通路的特 点相吻合，因此广泛引用于市区环境堙的仿真中。 基站和移动台之间传播环境主要特征是多径传播，即并不仅仅来自一条直射 路径，而包括由于建筑物、树木及起伏的地形引起的反射、散射和绕射的信号， 由于电波通过各条路径的距离不同，因而各路径来的反射波到达的时间不同，相 位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而加强，有的反 7 电子科技大学硕士学位论文 相叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。对于典型的 市区环境，具有以下特点：发送天线放置在建筑物的顶端，在接收天线的远场空 间上只存在很少的可分离的远端反射体，( 称为本地反射体) ，由于它们产生的多 径信号的相对时延很小，所以可以认为任何平面波都没有附加时延，又由于不存 在直射路径，只有散射路径，使得到达波都经历了相似的衰落，具有几乎相等的 幅度，只是不同的频移和入射角。 由于移动台的移动，使得每个到达的波都经历了多普勒频移。假设发送天线 是垂直极化的，入射到移动天线的电磁场由n 个平面波组成。对于第n 个以角度锄 到达x 轴的入射波，多普勒频移为 石= c o s 锄( 2 - 2 ) 式中，兄为入射波的波长。 到达移动台的垂直极化平面波存在电场e 和磁场h 的场强分量分别为 卫 尼= e o c e o s ( 2 t t f c t + g ) ( 2 - 3 ) 打= l - l = - 等芝g 血锄c 0 s ( 2 万夕+ ( 2 4 ) ，n - - i j ，= - _ e 了。乙g c o s 锄c o s ( 2 x f t + 夙) ( 2 - 5 ) ，月o l 式中，e o 是本地平均e 场( 假设为恒定的值) 的实数幅度；g 表示不同电波幅度 的实数随机变量；r 是自由空间的固有阻抗；正是载波频率。第n 个到达分量的随 机相位矾为 岛= 2 x j ：t + 伽 ( 2 6 ) 面 图2 - 1 入射角到达平面示意图 由于多普勒频移与载波相比很小，因而三种场分量可以用窄带随机过程恤1 表 一 第二章无线信道特性和信道模型理论基础 二二二一 示。若n 足够大，三个分量尼、皿、岛可以近似为高斯随机变量。假设相位角 在 0 ，2 刀) 间隔内有均匀的概率密度函数，式( 2 3 ) 可以用同相分量和正交分量表示 尼= t 4 t ) c o s c o c t 一五( f ) s i i l 国彳 ( 2 7 ) 式中 冗( f ) = e o zc c o s ( 2 r c f i t + c , o ) n = l n 疋( 于) = e 。c s i n ( 2 n f i t + 乒, ) 根据中心极限定理，冗( f ) 和卫( f ) 都是随机高斯过程， 研冗( f ) 】- 研五( f ) 】= 0 具有以下统计特性 研冗2 ( f ) ：e 冗2 ( ) ：_ g - 0 2 r 乃托( 丁) = e 兀( f ) 兀( f + 彳) = 0 r 几砖 ) = e 兀o ) 冗o + 丁) = 0 即它们是不相关的、均值为零、方差为1 的高斯随机过程。 瑞利分布 陋f = 正2 ( f ) + 兀2 ( f ) = 甜( f ) p ( 甜) ：i ue 兰2 0 , 2 0 甜 l 。 2 2 2 频率选择性衰落信道的建模 前一节讲述的是平坦衰落信道，即信道的时延扩展远远小于信号的周期，但 对于高速传输的数据，这个要求很难满足。当信号的时延扩展大于信号的周期时， 就称为频率选择性衰落性信道。从频移上看，不同频率分量经历了不同的衰落； 从时域上看，接收信号经历了多个可以分辨径的衰落，出现了严重的i s i 。这时接 收信号的波动可以表示为发送信号和多径信道的卷积。所以频率选择性信号的建 模比平坦衰落信道的建模更困难，因为它是多径组合而成，其中每一个径对应一 个平坦衰落信道。在前面介绍了平坦衰落信道建模的基础上，下面来介绍频率选 择性衰落信道建模。 1 椭圆模型 图2 3 椭圆模型 p a r s o n s 和b a j w a 提出了椭圆散射模型，发射机( t x ) 和接收机( r x ) 分别位于焦 l l 电子科技大学硕士学位论文 点上。而所有椭圆都是共焦点的，且每一个椭圆的圆周是所有到焦点的距离相同 的点的集合。如图2 3 所示，路径t x a r x 和t x c r x 具有相同的长度，但是具 有不同的到达角，因此也就具有不同的多普勒频率。相反，路径t x a r x 和t x b r x 具有相同的到达角和相同的多普勒频移，然而路径长度却不同。 一般而言，路径长度决定着传播时延和到达的平均功率。反射点在同一椭圆， 上的来波经历的离散传播时延为 钉= r o + a r ，= o 1 ，l - 1( 2 - 2 3 ) 式中，f o 为视距的传播延时，a r 为无穷小的传输间隔，l 为具有传播时延的路径 数。很明显，当时延间隔a r 寸0 ，l jc o 时，离散传播时延订成为一个连续的传播 时延f ，且f r o ， m a x 】，这里的f 一是最大传播时延，它依赖于传播环境，一般来 说，大于最大时延r 一的多径可以忽略不计了。 2 系统函数 | j l ( o ，t 图2 - 4 时变频率选择性信道的抽头时延框图 采用b e l l o 定义的系统函数，可以把频率选择性衰落信道的输入信号和输出信 号联系在一起，这基于把信道看作是一个线性时变系统。见图2 - 4 所示。在时变系 统中，信道在时刻f 对t o 时刻发送的冲激信号的响应为h o ( t o ，f ) ，也就是 万( f - t o ) _ h o ( t o ，f )( 2 - 2 4 ) 考虑到在实际信道中，当前发送的脉冲不可能会对以前造成影响，即实际的 系统为因果的系统，所以 h o ( t o ，f ) = 0 t y ( f ) = i 。x ( t o ) h ( t o ，t ) d t o ( 2 2 7 ) jm 进行变量替换f = f t o ，且将h o ( t f ，t ) = h ( r ，f ) 1 2 第二章无线信道特性和信道模型理论基础 y ) = f 雄一力毳( f ，) d f ( 2 2 8 ) 这里的h ( r ，f ) 成为时变冲激响应，表示信道在时刻t 对t r 时刻发送的冲激信 号的响应。图2 - 4 就是一个时变的频率选择性信道的抽头时延框图，可以把它看作 一个具有时变系数的横向滤波器。 2 2 3 频率选择性衰落信道仿真 平坦衰落信道的仿真分正弦波叠加法或形成滤波器法，正弦波叠加法常有以 下几种：等距离法( m e d ) 、等面积法( e m a ) 、m o n t ec a r l o 法、最小均方误差法 ( m s e m ) 、精准多普勒扩展法( m e d s ) 、j a k e s 仿真法( 邶。现在讨论一下频率 选择性衰落信道的仿真。多径传播信道的脉冲响应是模拟一个离散的广义平稳非 相关散射模型( w s s u s ) 。这样的频率选择性衰落信道应该满足两个假设条件： 在时间t ( 可能几个码元的长度) 时间内，衰落的统计特性是平稳的，也就是说在 时间间隔t 内只有多普勒频移的影响；电波到达角a 和传播时延是统计独立变量。 在离散的广义平稳非相关散射信道( w s s u s ) 中，接收信号可以表示为输入 信号的延时分量和独立零平均复高斯时间变化过程乘积的和。x ( f ) 和y ( f ) 分别代表 信道的输入和输出的复数低通样值，h ( r ，f ) 是关于时延和时间的多径传播信道的冲 激响应，它对应的h ( f ， ) 是关于频率和时间的信道传输函数，h ( r ，f ) 和h ( f ，t ) 是 复低通函数。对于某一个特定的了，h ( r ，f ) 是具有平坦衰落特性的冲激响应矗( f ) 的 平均复高斯时间变化的过程。对于不同的f ，h ( r ，f ) 彼此是不相关的。由，个多径 信道组合而成的时变冲激响应为 盟 h ( r ，d = x p , g t ( t ) 3 ( r - r t ) ( 2 - 2 9 ) 面 式中，扔为第z 个时延时间的功率；g 如) 为第，个时延分量，是复高斯过程，它的 功率谱就是第，个路径的多普勒频谱，它控制第z 个路径的衰落率。实际上，过程 g ，( f ) 可以理解为在某一时间间隔内从不同的入射到达角的不可分辨的多径分量的 组合。钉为抽头时延。总的来说，延迟系数印和离散传播时延口决定着频率选择 性信道的多径特性。这样经过信道后的信号可以表示为 土土一 y o ) = ：, p ；g l o ) x q t ) ( 2 - 3 0 ) 面 多径时延扩展信号的功率谱用连续的指数函数p ( f ) ，可以把指数函数p ( r ) 离 散化，分成n 个离散值表示时延扩展信道的时延和时延对应的平均功率值。 电子科技大学硕士学位论文 地) = 瞄p ( 彬f ( 2 - 3 1 ) 在不同时延( l f ) 路径中，因为入射波方向和运动速度方向之间的夹角不 同，就有不同的多普勒频移，考虑多普勒效应后信道模型可以表示为 g t ( t ) = g l ，以) + 唐2 ，( f ) ( 2 - 3 2 ) 这里 盟 寄。f ( f ) = 口，一，t c o s ( 2 t t f i 刈h 良，叫) ( 2 - 3 3 ) n = l a 而；表示第，径的第刀个组成的多普勒系数，五刈和反 1 分别称为多普勒频移 和多普勒相移。为了使不同传播时延的多径相互独立，需要不同传播路径对应的 g t ( t ) 之间互不相关，这就要求仿真中，当，力时，确定高斯过程g t ( t ) 和g 工( t ) 不 相关。这个条件只需要保证不同路径对应的多普勒频率集合 五。 没有交集就能满 足，这就是说 z ，。，彳。月 z m ( 2 - 3 4 ) 因此，如图2 5 所示，输出信号y ( f ) 可以表示为输入信号的个延迟h 卜) 的 叠加。可以假设= o ，这是因为系统性能仅仅取决于时延差乃= 乃- r o 。 2 4 小结 图2 5 时变频率选择性信道的确定仿真模型 本章首先分析了移动信道的一些基本特点，包括三种损耗路径损耗、快 衰落损耗和慢衰落损耗；四种效应阴影效应、远近效应、多径效应和多普勒 效应等。然后分析平坦衰落信