（电路与系统专业论文）vhfuhf多径移动信道模型研究.pdf

独创性声明 y 5 1 9 8 6 d 本人声明所呈交的学位论文是我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j 行知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研兖成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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 学位论文题目： ! 竖m ! ! 垒堡整型垡堂搓型盟蕴 学位论文作者签名：! 龌选 日期：如。2 ，年t f 月p 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅：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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：塑凹! 垒堡壁动垡道搓型婴窥 学位论文作者签名：_ j 虹j 豸骘 作 f 指s ，教师签名：王莹 日期：多口u 2 ，年f j 月) 日 日期：7 d oz 卸i 月 2 7 日 i q 防科。技术人学研究，t 院学能论文 摘要 本文以通信对抗内场卜实物仿真试验系统的工程任务和地面移动通信的设计仿真 科研任务为背景，分析了v l l l ? 、u i i f 地而无线通信的信道特点，无线信道的主要参数及 对通信性能的影响。从无线移动信号小尺度衰落现象出发对信道模型参数进行了全 新的、严格的数学建模和推导， ：对再参数进 j ：了仿真分析。新的参数分嘶i 模! = i ! i 能够 用实际测试结裂进行修i i ：。仿舆山的结果! j 权城文献发表的实测数据吻合较好，j i i 以 往的经验分稚j l 是本史推导：l 的参数分如在定情况下的特倒。最后在理论分析基础 一1 - 提出一种灵活、可编程的佾道模拟器实现方案对陔方案中的关键技术进行了分析 和实现方法讨论，最后通过划：l ：程中弓i 进的某型先进信道模拟器的结构和原理分析， 验证了本文研究结果的j f 确件以及所提出的信道模拟数字实现结构的合理与可行性。 本文对信道模型的研究从信号微射理论出发，对通信环境和条件作出了参数化的 高度概括。模拟器方案具有信道可编程、衰落模型可变、信道类型可变以及可设计出 用户自定义的信道类型科衰落模型等优点，摆脱了以往模拟器设计中使用经验分布和 经验公式的作法。 关键字；多径移动信道模型。径数分布。时延分布，反散射次数分布，多径信道 的数字模拟 嗣防科学技术人学研究生院学何论文 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fw k e l e s sc o n m m n i c a t i o n s m u l t i p a t hr a d i oc h a n n e l s i m u l a t i o nh a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b t em e a n so fe v a l u a t i n gr a d i ol i n k s t r a n s m i s s i o no f i n i o r m a t i o no v e rm u l t i p a t hl a d i n gr a d i oc h a n n e l s u c h 嬲t h el a n d - m o b i l eh fo rv h f c h a n n e lh a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nd u r i n gt h el a s tt 妇d e c a d e s s u c hc h a n n e l sa r e g e n e r a l l ye h m a c t e r i z e d 却am u n b e ro fm u k i p a t hr a y sw i t hd i s t i n c tp r o p a g a t i o nd e l a y s t h i s n u m b e rm a yr a n g ef r o mv e f yf e wp 爱嘲( e g ，f i v eo rf e w e rh fi o n o s p h e r i co rr u r a l a r e a l a n d - m o b i l ep r o p a g a t i o np 囊d b ) t oam u l 斑u d ep a t h s ( o c c u r r i n g , e , g ，f o rs o m el a n dm o b i l e c h a n n e lc o n d i t i o n s ) i nt h i sp a p e rt h em u l t i l m t hr a d i oc h _ 蒯sc h a r a c t e r sw e r ed i s c u s s e di n d e t a i l t h e y i n c l u d et h em a t t i p a t hr u n 妇rd i s t r i b u t i o n 。t h em u l t i p a t ht i m ed e l a yd i s t r i b u t i o na n dt h e m u l t i p a t hs m a l ls c a l ef a d i n gd i s t r i b u t i o n t h e i rd i s t r i b u t i o nl a w sw e l et h e o r e t i c a l l yd e r i v e d b yn e wi d e a s 锹- dm 陀盛- 鼬e d 蛔c o m p u t e r , t h er e s u l t sw e r ew e l lp r o v e da c c o r d i n gw i t h t h ea c t u a lt e s t sp u b l i s h e dhi e e ep a p e r s s o m ed i s c u s s e sh a v eb e e nm a d ei na p p l i c a t i o no f t h i sd i s t r i b u t i o nt ot h ea n a l y s i so f m 鼍i | 毫i p 岫d c l a ya n dt h es i m u l a t i o no f m o b i l er a d i oc h a n n e l a tt h es a m et i m ew ed e r i v e ds o n i cg o o dc o n c l u s i o n sf r o mt h ed i s c u s s i o n st h a tc a ne x p l a i n t h er e l e v a n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np h e n o m e n o n f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e rt r i e dan e wf r a m e o fd i g i t a lf i l t e rs i m u l a t o ra n dc o m p a r e dw i t ha na d v a n c e dp r o d u c tt h a tw e r es u c c e s s f u l l y u s e di nas i m u l a t i o np r o j e c to f c o u n t e r c o n l m u n i c a t i o n t h er e s e a r c h e ss t a r tf r o mt h e t h e o r yo fr a d i os c a t t e r , h i g h l yg e n e r a l i z e dt h e c o m m u n i c a t i o nt e r r a i na n do l t h e rc o 秘d 毒t 汹sl n m ep a r a m e t e r s t h ed i g i t a ls i m u l a t o rf r a m e h a sm a n yd i s t i n c ta d v a n t a g e ss u c ha sp r o g r a m m a b l e ，v a r i o u sf a d i n gm o d e la n dc h a n n e lt y p e t h a tc a nb ed e s i g nf r e e l yb yt l s e l , k e y w o r d s ：m o b i l em u l t i p a t hc h a n n e lm o d e l ，p a t h - n u m b e rd i s t r i b u t i o n ， p a t h - f a d i n gd i s t r i b u t i o n ，t i m e - d e l a yd i s t r i b u t i o n ，m u l t i p a t hc h a n n e ld i g i t a l s i m u l a t o r j 国防科学技术人学研究生院学位论文 第1 章绪论 i i 课题来源与背景 以f t i x , j 通信系统改汁及j l 佑刈抗装衙的褡定、验收试验j ：作书要靠外场试验系统 完成。外场试验系统的最大优点和j 试验信道h ：境的真实性。信号环境虽然是人工制 造的，但也是相对逼真的。但外场试验系统的局限性也非常明显。它的真实信道环境 只限于试验场区纠：境，i l j 拍：试验场l 爰营造符种小同的无线信道环境几乎不可能。另外 它还存在受气候条件限制、机动性差、试验成本高等一系列缺点。与之相比，仿真试 验系统具有很多优点。它州以很容易地制造符种腆型信道特性环境和电磁环境：能够 模拟的地域跨嫂附阳“闲f ；受7e 候条什限制，呵以随时进行多次重复试验。显然要 建立仿真试验系统信弓月：境平信道环境的仿真i u j 题是需要解决的核心技术问题。 本论文研究来源j 二通信列抗仿真系统的总体技术方案和研制方案的技术论证。需 要对拟引进或研制的宽带信道模拟器的书要指标进行需求分析和技术分析，这些指标 主要包括：信道模拟器应模拟的也波路径数、多径信道的传播时延、各路径的传播时 延、多径信道模型的结构、信道冲激响应的实现、小尺度路径衰减的规律和瑞利衰落 的机理以及j e 它衰落类型和信道模型的模拟方法研究等。对这些方面的研究将对信道 模拟器的引进或研制l i ，：作提供参考依据。 本文研究v i t f u i i f 多径移动信道的小尺度衰落模型和仿真包括通信信号传播特 性研究、信道参数分析、信道模罄设计和模拟器绽计的关键问题。信道参数包括无线 信道径数的随机变化、模拟各信道传播衰减、模拟各信道的多径时延及其分稚以及模 拟波通过无线信道后信号衰落特性。木文的最后对引进的信道模拟器进行了结构和原 理分析，与论文研究：l ：作所得出的有关结论进行了比较，验证了本论文结论的j f 确性 和引进信道模拟器性能和结构的先进性。 1 2 1 技术背景 1 2 课题的研究现状 从1 8 9 7 年，人类第一次实现了无线通信“，此后百余年来，尤其是最近2 0 年在移 动通信领域获得了突飞猛进的发展。这一方面归功于芯片、算法和基础制造技术的提 高，另一方面归功于几十年来无线传播工作者在电波传播领域所做的不朽工作。集成 国防科学技术人学研究生院学位论文 电路和计算机技术的发展为移动通信装备向小型化、灵活性和高性能发展创造了条件， 电波传播研究为移动通信向高技术、高质晕和商可靠性发展奠定了基础。事实上，j 下 是传播理论和大量传播试验的研究成果，爿+ 为人们合理制定通信系统和通信工程的设 计指标提供了依据。而很多新的移动通信技术。如信道模拟、多径分集、纠错编码等 技术都必须根据衰落特性、多径时延以及衰落引起的成串突发误码分布等进行设计。 无线移动通信的工作环境不同于固定通信，f l j - 二移动通信终端设备天线高度低，频 率高，电波传播易受高大建筑、树林、山匠的i l l 挡，接收的信号通常是多径散射波和 反射波的叠加。再加上影响传播的条件在时刻变化接收机或介质运动产生多普勒频 移，因此研究移动无线信道的特性比蚓定通信要l 司难得多。 在研究中发现，关j ：尤线信道模型的建模和研究除了在模型框架结构j 二的基本一 致外，对信道参数分自j 、酬延、衰落等方i n i 的研究方法和思路繁多。大多数都采用笼 统针对不同_ k 务或频段的经验公式。术论文试i 剥从渖| f 新角度讨论研究多径信道的小 j 迂度衰落特性，i _ l l i 些7 r 施的结论，j j ：运川木文得到的一些结果对工程项目中引进 的某型信道模拟器的，l i 作原理和结构进i r 了分析。 1 2 2 研究现状及发展趋势 为了探索v h f u h f 通信的传播舰律，i ：1 附已经提出柬许多信道理论模式，较有代 表性的是散荆信道模型平| im a r k o v 数字信道模型两大类。 散射信道模型认为陆地移动通t 言n j 电波传播以反、散射为主。移动台接收到的信 号由大疑经历了不同传播蹄i n i j 敞射波需加而成，每一个散射波的幅度、相位、时延 均作随机变化。1 9 6 4 印，j f o s s a n n a 首次利川敞射波的特点解释了信号的衰落现象”1 。 他假定信号在传播过程i | | 受到了一排排相互i 阿亍的建筑物墙壁的反射，反射波与直射 波相互干涉形成驻波移动台在驻波场中运动，遇到波谷则产生信号衰落。该模型的 理论计算与试验结果基本相符。但对环境和建筑物的结构有较严的要求。次年， e n g i l b e r t 从能量分m i 的观点，按二e y e l 模式提了敝射模型p i 。在第一利方式中，他假 定移动台的接收信号来自n 个固定的、以棚等角度隔丌的方向，任一来波的相位在0 2n 洲均匀分粕，幅度服从瑞利分和。第二种力武允许来波方向以相等的概率出现，相 位仍假定为均匀分劬j ，幅度则假定为常数。第三种方式是在第二种方式的基础上，假 定了幅度服从任意分枷。此后敬射模型又被r h c l a r k e ，t a u l i n ，g l t u r i n ，w c y l e e ， h s u z u k i ，e l k e g a m i 等进一步发展1 4 i 。c l a r k e 根据散射原理系统地分析了电磁场各分 量的空| h j 和频率相关性及其分类效粜，导出了嶷落频谱。a u l i n 在c l a r k e 模型的基础上 考虑了入射波的倾角，比c l a r k e 的模型更接近现实。t u r i n 和s u z u k i 在其模型中首次 考虑了径数的具体分布，提出径数服从泊松分布的设想。r h c l a r k e ，w c y l e e ， d c c o x 等以雷达方程为基本出发点，按射线传搔理论计算城市的传播损耗和平均场 强，取得了良好的效果。在本文研究的资料检索中发现最近的关于地面移动通信电波 6 周防科学技术人学研究生院学位论文 传播特性的研究是清华人学李元青博士在9 0 年代初期所做的系列电波散射研究。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稚、分集设计、数 字传输设计等有详尽叙述，是散射模酗应用于通信工程实践的杰作。 用多径散射模型进行研究时，不可避免地总要涉及多径传播的径数、散射波的相 位、幅度和时延等问题。对这螋问题的考察和处理的方法不同。是众多散射模型之间 的区别所在。目自“，对这砦问题的处理有多种看法，较集中的意见认为： 多彳= ：传播径数：町川 l ，l 松分佃或修l l ! 湘松分夼计算。若径数较大( 大于1 0 ) 或趋 于无穷人时，f q 刁i 考虑径数的具体分碡i 直接采用大数法则进行处理i h 4 1 1 3 引。 射波的棚位：朋0 2 x f 1 均匀分们计算。i 。 散射波的幅度；川瑞利( r a y l e i g h ) 分夼、对数- f 态分和或m 分布计算1 7 1 1 “l 。 散射波f l , j i f ! 延：芹分时延( e x e r c i s ed e l a y ) j t t l l 目数分都，时延扩散( d e l a ys p r e a d ) l j 列数i i i 念分砷川鳍。 成波f f j 包绵：川瑞利分以j 、浆斯( r i c e ) 分以j 或m 分自j 计算”1 1 4 1 1 ”1 10 2 1 1 3 。 成波的川f 、_ ：川0 2 f f 1 均匀分劬j 计算i 仆i i 1 1 3 i 刖i5 1 。 散刺模，鹏“脱 j 姒、弹力便，足近代陆地移动通信尤其是城l 彳移动通信电波传 播计算i | j 采川爆彩、j 衄川嫩j 。泛的类模，鹏。敝射模型的不足是大量采用了经验公式 或人为假定n q ，j 法术汁f t 敞制f 插i t ：| 0 承要的符数、时延等的概率分币i ，因而针对 具体的通信地域和条仆刘俯道疑落相关性的描述较料l 糙。 m a r k o v 信道模，鹳足钏| jj ：研究数f 通信误i i j 5 性能的模式。该模式将移动无线信道 完个抽象化，川，- 5 氏如阵农，j 。为从数 通f ? ；的效果来看，在某一瞬问，只需要了 解信邋址处rf j 误l i i 还址允以l i i5 状态u j t 信道l l l 个状态向另一个状态转换的概率 构成了一个马尔- 叮夫转移概牢矩阵，误f i i 5 特性完伞由矩阵元素确定，信道模型化的过 程就是确定m a r k o v 信道参数的过程。 m a r k o v 信道模型足汁鲍陆地移动通信多住嶷落j j f 起的误码分和的成功模式。但该 模! i ! ! ! 通常不川j ：模拟体：l , 1 f l j 通信。此外，m a r k o v 信道模型虽然不涉及具体的电波传播 计算，然而信道模型化的过程仍必须以人毓的传播试验或软、硬件信道模拟试验为基 础。模型的成功与否在很人枞度i ：t l j 取决j ：人们刈信道传播特性的掌握是否准确。 总的来说，散射信道模型和m a r k o v 数字信通模型是当前研究陆地移动通信电波传 播的两类主要模型。二者在通信理论研究和通信l ：程设计中各有千秋。但两类模型很 少考虑i 乜波山发射到接收的传播经历，只关心信道的输入和输出特性，某些与传播过 程有关的重要物理量，如多径传播的径数、反敝射次数、多径传播时延等的概率分布 问题。髓类模型都未能从瑚沦i f l ：n 严格分析。 近年来，从快速适用角度j _ i j 发，出现了基r 地理数据库上的信道模型，它利用计 算机程序判断，对不同的地形自动判别并选择相应的信道模型，计算电波传播损耗。 具体的功能通常分为两大部分：首先，将地形量化，建立地理数据库，包括高程、地 圃防 ： 技术人学研究生院学位论文 质地貌数据库，进行地形通视性判定；对任意朗点问的高层、地质进行定量分析，给 出任意两点问的剖币i 图。其次，针对不同的通信业务和频段以国家标准为基础，参 考i t u - - r 报告，选择经验性的i u 波传播模型并计算电波传播损耗。 1 3 课题研究的内容、成果及意义 1 3 1主要研究内容 本课题研究包括以一f 儿个方瓯：研究了无线移动多径信道对接收信号的各方面影 响。分析了这些影响的成w _ 手l i 机珊。引“ 了对无线信道的某些参数具体分和研究的必 要性；大量检索、分析研究了移动无线信道模型方面，尤其是信号的小尺度衰落模型 方面已有的研究成果。这些研究成r 粜- i - 要是2 0i i j = 纪7 0 9 0 年代i e e e t a n s e 发表的 实际测试数据和模型力法、i t u r 的建议、i h e o d o r e s r a p p a p o r t 等人的经典无线通 信原理等著作。 综合这些彤f 究成果，1 1 i 课题研究l ，试i 矧提一种新的信道参数分布的解决算法。 对无线多径信邀的i 争数、i i 、i 延、靶落等分和模，诅进行了严格的数学推导，改进了参考 文献r 1 的算法。列新钟：法得的f 蠢道参数分嘲，模型进行了计算机模拟，将模拟结果与 经典理论和然公”发表的吱测数抛进行j 比列分析，得出了一些有菔的结论。 尝试提u 种新刑的信逆数# 模拟结构。j f ：结合信道参数的分稚研究结果对某 ：1 ：程项h 巾引进的删外先进俯逝模拟； ： 进ij ：r 结构和原理分析，对引进的模拟器的分 析结果i 小义的研究结果和摊的俯道 ：；l ，魁的数字实现方法进行了比对，验证了本文 的研究结果的m 确性取 先进情道模拟器指杯发汁的合理性。 1 3 2 研究成果 本文首先l l i l 顾了无线多i 夺信道的艰础知l 让 ，蔚重论述了信道的多径效应对接收信 号具体影响的机瑚! 。通过对接收信 3j 衍受影响的具体分析，看出多径信道中径数、时 延和衰落是信道模型1 1 1 的域1 i 婴参数，本文列这一i 项信道参数的分和模型进行了较为 深入的分析和研究。据此捉丁利新的信通模，锉的数宁实现方法并将此数字实现 方法与工程项l i f 0 i 迸的先进竹通模拟器进fj ：丁比较分析。 在广泛深入研究符种传统力法平f 统邢论刘见线多径信道模趟、信道参数分稚和 信道模拟器的实现力法的j 。咖i i - 。对信道模型的研究，采_ i j ，叫各的散射随机过程理论， 提出了一种分析多径径数分粕和小尺度衰落的新方法；在时延分稚研究方面，比较了 几种传统理沦结果，综合提 “了一利，新的时延分和模型。对这三个信道参数的计算机 模拟表明：仿真结果介于理论值和实测值之问。经典理论分布模式是本研究课题在某 些情况下的特例。本文设计了一个小尺度多径衰落信道数字模拟的系统框图。该信道 i 目防利7 ：披术人7 ：硎，上院学佩论文 模拟的数字方法充分利，口信道冲激响应函数和数字信号处理方法，能够较好地反映多 种变化的实际信道状况，1 i 阿受些假设条件的约束。具有一定的先进性和创新性。 在课题研究的实践中，本文尝试了信道模拟数字实现方法，由于工程进度和时问 限制，在论文c l 未能够展j i ：叙述。但通过与先进的信道模拟器的比较分析，可以有效 地检验所捉：的信道模型分砷j 的i l ：确性。 1 3 3 研究意义 无线移动多径信道的模型硼f 究和模拟器设计是无线通信领域长久以来的热门课题 和研究方向。对多径信道特性的精细研究和分析是当静许多要求严格的无线应用系统 所需要的关键技术。它对j ：无线系统采用分集、均衡、纠错编码等方面都具有重要意 义。从而改善系统性能、提高容最，满足越来越锸的工程应用和科学研究的要求。因 而。不沦是从研究的角度还是从应用的角度，无线多径信道的模型研究、信道参数的 分靠研究部具有很商的理论价f f , l i 现实意义。 1 4 论文的组织 第l 帮为绪沦祁分。1 ：蹬介绍沦爻的i i j l = 究t f i j 、1 i 要内容及托论文的宝f l 织结构。 第2 啦为彩f 矾、；道对吲m 鲫玑1 i 篮介 “无线多径信道的螭本知i 5 ，包括多径 衰落信道的皋本慨念平l i 嘤特觚、仔i 通刈接收价号具体影响的机理和过程、针对多径 和衰落丽提小的电服或利川的接收机技术的坫本原理。木课题研究的对象是基于多径 衰落的无线f 齐道，这部分内弈足整笳史啦的删沦j l c ；础和技术基础。 第3 章为多径信道模型的分析和汁铮。从般的信号传播反散射模式出发，用随 机过程理沦，提新钟| ；去，终f m 格数学推导，分析计算了多径信道的径数分布和反散 射次数分抑( 小尺度衰落分nj ) 神；比较传统列! 论的堪础上，综合出了多径信号的时延 分撕】。剥l 述i 种信道参数分自，进 j ：了计馆机模拟，与实际测试结果比较后得出了一 些有菔结论。这避论文的乖点和核心内容之 。 第4 章从讨论多径信道摸拟的数j i 实现入r 。列传统的多径瑞利信通模拟器的结 构羽l 原f ! h 进行j 分f j i ，捉 f r种新n 勺信道模，鸭数f 实现方法，讨论了数字实现的工 作原理硐j 信道冲激i 相应的实现方法。介绍了系统 世计思路和螭本框架。 第5 章，就本论文所捉的价道参数的模，i l ! 、参数仿真结果和信道模拟器结构设 计同工程项i - 一j l 进的先进信j 近懊拟器进 r 丁功能、结构和实现方法比较。验证本论 文所提出的信道参数分如、模拟器结构和实现方法的合理性，说明了信道模拟器的一 些关键指标的捉m 依据。 结束语列以 e 工作进行了总结，以及列- f 步：l 二作的展望。 9 啸舫科学技术人一；f = 研究生院学位论文 第2 章多径信道对信号的影响 无线信号的传播受两大类影响：人尺度传播损耗；小尺度多径效应。大尺度 传播损耗用于预测接收机与发射机之m 长距离卜的平均场强变化。而小尺度效应则指 无线信号在经过妣时f , i 或短距浅传播后幅度的快速衰落，由于距离太短，以至于大尺 度路径损耗的影响i i j 以忽略1 ；i ；t 。这种衰落足i ii 小一传播信号沿多个路径传播，以微 小的时蒯差到达接收机的信号相互千涉所引起的。这些波称为多径波。接收天线将它 们合成为一个i 蝠度和棚位都急剧变化的信号，其变化程度取决于多径波的个数、强度、 相对传播时延以及传播信号的；黔宽。本文仪研究无线信号小尺度多径效应。 本章将首先分析多径信道的基本概念，然后通过对经过多径信道后接收信号的特 征的讨论来加深刘信道的理解和认u 。本章的后半部分主要针对多径信道的径数、时 延扩散、频率扩敝、小尺度衰落等的讨论，逐步明确无线多径信道参数中需要重点研 究的因素。 2 i 无线移动多径信道概述 存地球表i h i f e 意眄点川的尼线j m 衍一i l tl 【l 波传播通常有如图2 1 所示的四种方式 即“利波：地表绕削波：j b i h b f l l 建筑及i | ii t 等地的反射、散射波：天波。 事实上影m q ；1 , f 9 播的= 冲 最堆本的机制为反射、绕射和散射。接收机收到的信号功 率是基于反射、绕射和敞刺n 犬尺度传播模型预测的重要参数。而这三种传播机制也 描述了小尺度的多径衰落特性。 反射：当电磁波遇到比波k 人得多的物体f f 寸发化发射发射发生于地球表面、建 筑物等的墙蹙夜i f l j 。 绕劓：当按收机和发刺机川的尤线路行被尖利的边缘阻挡刚发生绕射。由阻挡表 面产生的- 次波l 投们r 审问缺乍i l 州本的7 l f l i 。当发射机和接收机之洲不存在视 距路径时，绕剁i ql p - ! i 体使fl l 磁波，”小弯。 散射：当f l l 磁波穿 j ：的介质- i 行n j 小j 波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数 非常匝大时，发射敞剁。微射波，“q - j ：柑l 糙表嘶、小物体或其他不规则物体如：树叶、 灯杠等。在实际通信i l l _ i 种传播机制会综合反i 映祚某些影；q , r e l 通信的障碍物上如山区 环境。l i l 磁波m j c 我i f i j 会发，i - 反! ：i i 和敞削，f i j 尖i i j 如的山峰则会产生绕射效应。 在v h f 和u h f 通信小，通常地表绕剡波随频率的提高而衰减很快，当天线高出 地面几个波长或通信频率在5 m t l z 以一i - h , j ，地衷绕射波的影响就可以忽略。天波一般 指电离层反射波，有时也包含对流层散射波。也离层对电波的反射作用，一般限于3 0 i d t t z ( 1 川阱利披术人+ i i ) f 究7 i - 院学何论文 以下频率。在太| ；【i 活动商印，i u 离层州反射的频牢商至5 0 m h z 的电波，不过这些电波 只能够在远离发劓机1 0 0 0 2 0 0 0 k m 距离i ：j 能够收到。对流层对分米波和厘米波形成 波导或散射传播，通信距离般也在儿再公咀以i ：。 陆地移动通信通常采用v h f 、u h f 频段( 3 0 m h z 3 0 0 0 m h z ) ，在该频段内最大 波长只有1 0 米，比起通信区域内的建筑物、树卡术、山丘等物体的尺度要小得多，电波 传播主要以反射和敞射为4 - ：。此外，移动通信的距离多在几十公罩以内。因此，图2 1 中、两种传播方式一般一i ，睦作j 1 1 1 ，和楚陆地移动通信电波传播的主要方式。 在某些场合巴，j 能没订a 削波，移动f 收到的信号完全出反射和敞射波组成。这对移 动台而言，接收机在某一时刻接收到的无线i 乜波信号是从基站或发射机发出的经过多 次反射和散射后的多条( 即在给定, 寸亥t j f f j 多径径数不同) 、来自不同方向( 即入射角不 同) 、经过不同传播长度( 具宙j 1 ：刖的时延) 、经历不同反散射次数( 由反散射损耗引 起的小尺度衰落不同) 的无线i 乜波射线纰。这些多径信号在接收机的接收面上以矢量 方式合成。造成接收信号强度快速急剧变化。这种现象称为多径衰落或小尺度衰落。 l 割2 1 地球农i f i i u 波传播方式 对 ：传播模，弘的f i j | _ 究，”1 j lj j ：预测、f 均场强j 川j 于估计无线覆盖范围等“大尺度” 的d j , j f 或场强价ml hj 。已们j m 述f r , j 址发身j 机j 接收机之m 的长距离( 儿百米或几 公1 1 ) i ：f | 0 场铀i7 照化，j 9 i 以柏：为人八! j 逆徒；城。“1j ijr 颅洌4 或j 1 i f i 述拨1 1 5 ( i l m 知i 蚪i 离( 儿 个波长) 或短时f i i j ( ，苦秒缎) 内噼州接收场强的快速波动时，这样的衰落称为小尺度 衰落。小尺度衰落f f j l ：, ( i , u l 足价雎! 耶境刈信 j 的影响造成接收信弓的多径效心，因此小 尺叟褒落又称为多 夺嶷i l f i = 。f l i 小j tj l ：嵌溶h ”1 接收机移动的距离与波长年| 当时其 接收场强i j 。以发 1 - 3 0 d b 到4 0 d b 的变化。“1 移动台离发射机较长距离时，当地i r - 均接 收场强逐渐减弱，恢f 均接收场姒1 1 1 人j t 艘传j 罱模，魁预测。 无线f 膏道址 干l i ii 分恶劣f l j f 输媒质，j = | j i 测它的i u 磁特性足哪；圳难的。传统做 法是根据实际的期：境测哦数捌，川统计的力法列无线信道建模。一般可用三层传播模 式来描述无线传播q ：境。 区域i r 均功率：第l ；，j * 述发射机到接收机所在区域内路径损耗特性的区域 平均功率。路径损耗指接收j j j ；缸随趴离的增加l 斫减小的现象。发射机和接收机之间传 l i f jl ： 。技术人 i j f 究，l - 院学何论文 输路径_ i 二的蹄径损耗般包括 按蹄行的扩散坝耗，由建筑物、山脉或树叶引起的反 散射损耗和绕剜损耗，以及建筑物的穿透损耗等。 阴影慢衰落r 均j j j ：祀第：层，是需j j l l 7 1 - i 变化缓慢的局部平均功率上的、用对 数证态分和来表示的慢嶷洛i | ，均助j 红。刚影通常是山高大建筑物或山丘造成的，在城 市q ，高大建筑物密们j 1 0 地l 爱，干对j ：发刎机的化鼹，从建筑物的诈面到其背面将产生 较大的无线1 u 阴影。 快衰落瞬时功率：第j 层，是最后附加在i 二面的快衰落瞬时功率，这就是多径 衰落，传统理论认为j 0 幅度服从浆斯分籼或瑞利分确i 。 总结来讲，如图2 2 所示，表示了一个较典型的接收机远离发射机的过程中，信 号衰落的几种情况。 d b 6 0 9 0 图2 2 一个典，q 无线信号的衰落特征 移动无线通信环境已经成为r i ：多理沦研究的课题和试验领域，并且有许多已知的 特性，其中一些i u 以川数字或概牢的术i 很柏确批述1 6 1 。然而问题在于：具体无线通信 地域环境、气候与i 【l 离层、树小 ! f i 被、介i u 系数等的不同使无线通信信道的特性变得 非常复杂在移动系统没计一i - 仍然受) f i 同类型j 1 ；境下性能的不确定性的因素限制。确 实应该指u ：没订种小+ 的移动环境，”，以川旧样的特性或统汁规律描述。尽管在 直观i ：定义一个特定地i 爱的移动环境的参数丫r ：物理地形( | 【i 脉、山丘、平原、陆 地、河流) ：人造建筑的数喂、商度、排列干质地( 建筑材料) ；树l | i 和植被的特 性；i i i 常和反常人7 ：状况：人为允线il l l 曝j ! i 等。但这些因素的权重还受系统运行 的无线ll l 频率影i 啊。最肝，还川厄 e 川户的ij ：为，特别足运动速j 钲有关。 小然r i l l h 仃线f 0 输蚪境能够j i i 似“的 i 确旭永批述，传统的怍移动无线电工程也 十列窬易，例如多数微波链鼢业、) ：f 11 逋眦条仆i ： - f “e 输祚不规则地形i ，也能够很 好进行j 。f ： f l - v i i i ? 和u i i i ? n 0 无线传输t 1 ：境豢1 i 可能精确预知；而接收机经常进入 不j 司的环境。这样耶境必须迥过统汁的办法批迷，必然包插对用，行为和地形、树叶、 建筑物等的火f 瞄度化n 发。l 二经公川j 的i j | ：究成粜经常产卜一一种误导的确定性气氛。 实际上x , t - - j ：不i 卜整的地形i - 【! f j 他艇竹一的接收机j 发射机传输路径的数学模型问题目 自u 也仍有不同的意见1 7 l 。f i | | i j f f , j = ；： 弘常常刈特定系统的性能有不同的预测。 防科，产技术人州究m 院学f 审论文 2 2 多径信道的特点 下丽我们就移动信通参数f i l f 刈通信系统性能影响进行分析。看出对信道参数分 们进行具体分 i f l l l 0 1 ，z f l j i n 匹。陀。 2 2 1 多径传播 无线电波神：传播过程- i t 会被l i i 庀、楼房等以及大气不均匀性所反射和散射。结果 是存发射机和接收机之i 、；jj “乍了1 i = 。条，i i j 足y i ：多条不同的路径，称为多径传播。 多径列于移动通信有两方i n i n q 意义。方丽，反散射及多径传播使无线电波在拐弯处 可以弯曲，从i 阿达到山丘和楼房的后i j i 。反射同透射相反，一般讲，高频波反射强， 低频波容易透射1 3 2 1 。另一方向，多径传播，2 生了一些同移动环境直接相关的非常困难 的问题，其中j 个重要的多径问题是： 接收信号的多径时延扩敝： 产生信号强度快衰落的随机十他漂移，即瑞利衰落： 不同路径的不同多将袖频移下的随机频牢凋制。 2 2 2时延扩敞 由于信号沿儿条路径传播，多个信号到达时山于不同的路径导致了到达时问上的 差别，结果是使信号轮廓模糊或被扩展，此即为延迟扩展。例如，发射一个激励脉冲， 接收信号不再是一个脉冲，i i j 足扩展了的脉冲轮廓。图2 3 是一个时延扩散的典型实 例。在数字系统t 卜，特别是商比特率运行的系统，传播延迟将使前后传输码重叠，产 生码问干扰，因而限制了多径信道的最人码速。b i j 假设时差，比一个码元周期大得多 时，会造成码元到达时f i i j i j 艟j 二或晚。j 芭们r j 己的码元周期时，则出现码元的超前 或时延。出现码问干扰( 1 s i ) 。 以c d m a 2 0 0 0 系统l i l 的数据比特j 社1 2 2 8 8 m b ，s 为例：心= 1 2 2 8 8 m 6 b ； 瓦= l 风= 0 8 l u s 。i 割2 3 的多行川：境巾。比特川j o j 远小于时延，通常会现i s i 。但 在i s - - 9 5 系统i 使川丁特殊的时m 多f f 阼的形。求恢复信号。系统通过r a k e 接收机 来锁定1 ：同的彩住分i f ，枞批f 1 川n i ji ：分离j i ：f | 0 独特f i j 吁的承复情况来确定“j 不同的 多径分m 。雎肝通过凋枢扪似水纰介j “，1 个址j 。j 的接收信号。 r a k e 接收机披术最馔i f l 仆现1 广多i 子价道i 子数和寸延扩敞的影响。8 0 印代初期， t u r i n 提利川扩频伏脱婚f 分u 孙0r a k e 接收机，j 窠，j ：做了i q ! 沦分析和汁算机模拟， 他f | j 的数毅速j 簪为7 8 4 k b s ，m u f p 5 儿赶j f l ：为l2 7 u s ，门j1 2 7f 讧长的mj 孑列进 r j “频， 子码宽度t = l o o n s 。l i i 此得到的系统讲 兜b = 1 0 m i - i z 。若信道的最大时延为t = 1 2 u s ， 信道相r 带宽为b = l 7 ：。= 8 3 k l t z ，则该接收机最人可分辨的多径个数为b e * 1 2 0 。 这样，r a k e 接收机的实现受儿个约束条件的限制。首先，这种多径分集是以宽带 1 1 | 三魁热麟 i 骗f l j 水j 、j j 川，个l ；i 1 j f 0 沌文 均川m 川，= 瞄_ j i 静 d ( ，) , lq l i 矩h j 缸j h 业m 敏tj i ：i1 i 聪定j d ( ，) i t = 1 。 li ) d l l j 匀i 诞 广j 心f ，j t 义乃：f ，= i ) i j 讪 彩i t i i j 延 j f 女j 尘址j n j k $ m ：* 选j 1 ，| ：l j 牟1 0 m 小j l “l 占l 。蛐i | 刳2 ，l 朋i j i ， i 女i , 2 f l j ，1 、 l f 建荆i i u 的多i 予分 i ，j 一i f “l e j ”* 延i i , lj 州i u jr ，则接收f 占 ；为： ，( ，) = a s ( t ) + i s ( t r ) 进ij ：似i 变j 诞n j 刮，) f i j j 磐： 凡( 1 ) = a s ( j ) + ，1 y ) ( 2 4 = 一i s ( ) i i + ( ，。”j = 1 y ( ) ，( ) 信道传输阑数h ( j ) j 。j 为如i j 形一： t l ( f ) = i + p 一2 可7 = p i 2 x ( r 2 【p 2 可2 + p 2 可72 】= 2 e 叫2 一7 7 2 c o s ( 2 x j ( r 2 ) ) h i j i h ( ，) r j 厂的天系h2 5 所1 。这址多绳州延导致频j 牝选抒忭哀落，脱零 频阱n ! i i m ：。 图2 4i i | 1 l j 隔为f 的岍路多径分f i ；：l 划2 5 频率选择性衰落 移动信道符条多径| 1 l j 的麓分时延烂导致多住衰落的根本原因，弟分时延指某条接 收路径的传播时延与最短1 | 币路纷( h i 定为m i i ! 张) 的化橘寸延的苷。晕分叫诞 决定了信i ：j ；的j ：l l 。l i 带宽嗣i 系统的信息f 04 i i i 迷半从而，：j 分l l , l 延还廿敛“t m 】l 扰，蜥 人移动通信的误码率一i 。j j , t 1 1 e i 3 l 入究，髟，j 埏的分以j 胤f i m 订必嘤。 2 2 ：j 鞭减引9j 影 无线i u 波的抑人坝_ i 址i 一! f l i 托：讹：人坝火越il l 波i i ij m 、j 3 ：_ l 川索破反则 敞日0 i ( i j 被矗| ；分m i 水或i 峻i 改，这利；f 奇越找$ m 儿个0 k f | q “l l i j i 弁韵：为+ i 世嵌；锋。性农 铎j m 常址i i f 个j “l ，均能l l “i j 刈数l l ! 态j j j ：缸分j 川机玳水帧拟n ，j 瞧a n 勺j 业以及甘敛 衰减的特定w 索主要与频；钲们关。例如低j ：l g l f zf | j 频率术身小受m 以及人7 渊 艘的 影响，而商1 二1 0 g h z 的频j 笨j i j l 常受到严：t 瞳彬l 忆r 1 利：3 0 g h zf 门硼牢赫本i ：仵窜外k ；l ! 径i 二不能够使j ij 。般舰仆j - i ! = ，低频j 仃较