（通信与信息系统专业论文）移动通信信道建模与仿真的研究.pdf

摘要木 移动通信由于其具有独特的优点，近年来得到广泛的应用，也将 在未来个人通信中发挥重要的作用。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多径衰落和阴影效应的影响。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 究电波在信遭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。 关于移动信道模型的研究一直是人们研究的重点。本文从多普勒 功率谱的角度研究了个非频率选择性衰落的信道模型。主要作了以 下三方面的工作： 1 本文采用s u z u k i 过程作为无线信道的基本模型，模型中假设 阴影效应作用于多径散射分量。阴影效应服从对数正态分布，而多径 衰落服从瑞利分布。所建立的模型更加符合实际的传输环境。论文给 出了接收信号包络的概率密度函数，同时也给出了两个高阶统计量： 电平通过率( l c r ) 和平均衰落时间( a d f ) 。 2 用正弦和理论建立了信道的确定性仿真模型，并用等面积算 法和等距离算法确定了模型的参数。同时，建立了考虑频率选择性衰 落的宽带信道模型。 3 以考虑多径衰落和阴影效应的复合影响的信道模型为基础，研 究了各种调制解调技术的误码性能，通过大量的计算机仿真得出最佳 的调制方案。同时，研究了直接序列扩频( d s c d m a ) q p s k 调制 技术的误码性能，得出q p s k 扩频调制的优势。所得结论对移动通信 系统的分析和设计以及性能评估具有重要的意义。 关键字：移动通信衰落信道多谱勒频移误码率确定性仿真模型 4 奉乱圩宄谍题为天津市f ：t 然科学基金资助项目( 项j 编号：0 1 3 6 0 1 | 1 1 ) 4 6 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 s i nt h ef u t u r e p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n i sw 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 r t h em 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 y t h e m u l t i p a t hf a d i n g a n ds h a d o we f f e c t t h e r e b yt h ec o m m u n i c a t i o n c h a n n e lb e t w e e nt h eb a s es t a t i o na 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 e p e r f o r m a n c e o ft h ew h o l e s y s t e m r e s e a r c h i n g t h e p r o p a g a t i o n a n d v a r i a b i l i t y o ft h e e l e c t r o m a g n e t i c w a v ea n dc o n s t r u c t i n gt h ec h a n n e l m o d e lc a ns i m p l i f yt h e c a l c u l a t i o no ff a d i n g p a r a m e t e r s ，s u p p l y t h e r e l i a b l er e f e r 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 dm u l t i p l ea c c e s s e s an e ws t a t i s t i c a lm o d e lf o rn o n - f r e q u e n c ym o b i l er a d i oc h a n n e i s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h es t u d y c o n t a i n st h r e ea s p e c t sa sf o l l o w s ： 1 t h e p a p e r i n t r o d u c e ss u z u k ip r o c e s s a st h eb a s i cm o d e li n w i r e l e s sc h a n n e l s i nt h em o d e l ，t h es h a d o wa f f e c t st h ec o m p o n e n t o ft h e m u l t i p a t h t h es h a d o w a f f e c ti sl o g a r i t h m i cn o r m a ld i s t r i b u t i o n ，a n dt h e m u l t i 。p a t hf a d i n g i s r a y l e i g hd i s t r i b u t i o n t h e m o d e lc o n f o r m st ot h e r e a lt r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t so fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e b e t t e r t h ep a p e r g i v e st h ep r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o no f t h ee n v e l o p eo fr e c e i v e ds i g n a l a n dt h ea p p r o x i m a t ee x p r e s s i o n so fl e v e l c r o s s i n gr a t ea n da v e r a g e d u r a t i o nf a d e s 2 t h ep a p e re s t a b l i s h e st h ed e t e r m i n i s t i cs i m u l a t i o nm o d e lu s i n g t h e t h e o r yo fs i n es u m m a t i o n t h em o d e lp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e du s i n g t h em e t h o do f e q u a l d i s t a n c e sa n dt h em e t h o do fe q u a la r e a s t h ep a p e r e x p l a i n s t h er e a s o n a b l e n e s so ft h em o d e l t h r o u g hc o m p a r i s o n o f a u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n a tt h es a m et i m e ，aw i d e b a n dm o d e l i s p u t f o r w a r d 3 t h e p a p e r s t u d i e st h e d i g i t a l t r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y i e m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi nt h et y p i c a lc h a n n e l b a s e d o nt h e a n a l y s i s o fe r r o rb i t p e r f o r m a n c e o fd i f f e r e n tm o d u l a t i o n t e c h n o l o g yi nt h i sc h a n n e l ，t h ep a p e rd e r i v e st h ee r r o rb i t r a t ef o r m u l ao f t h ec h a n n e lm o d e la s s u m i n gt h ec o m p o u n de f f e c to f t h em u l t i p a t hf a d i n g a n dt h es h a d o w a tl a s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ee r r o rb i tr a t eo fq p s k + t h e w o r k i ss u p p o r t e db y t h e n a t u r es c i e n c e f o u n d a t i o no f t i a n j i nu n d e rc o n t r a c t n o0 1 3 6 0 1 1 1 1 m o d u l a t i o ni nd s c d m a s y s t e m t h ea d v a n t a g e s o f s p r e a d i n gf r e q u e n c y q p s km o d u l a t i o n a r ed i s c u s s e d t h ec o n c l u s i o n i s i m p o r t a n t t ot h e m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o rd e s i g n i n g ，a n a l y z i n g a n de v a l u a t i n g p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，f a d i n g c h a n n e l ，b i t e r r o r r a t e , d o p p l e rf r e q u e n c ys h i f f i n g ，d e t e r m i n i s t i c s i m u l a t i o nm o d e l + t h ew o r ki ss u p p o r t e db yt h en a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f t i a n j i nu n d e r c o n t r a c tn o0 1 3 6 0 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘鲎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贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：稿秽敬 签字日期： 勘。争年一2 月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘茎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：蒋秋钇 签字日期：移如c f 年2 月石日 缸圈 签字日期：上护犯年j 月2 石日 挪一市绪论 1 1 论文的选题背景和意义 第一章绪论 通信系统的计算机模拟与仿真是促进现代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；此外，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 成通信系统设备与系统的分析、设计以及性能优化与评估测试。显然，建立现代 通信系统的计算机仿真平台，既能提高设计的一次成功率，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 移动通信的发展状况 到目前为止，移动通信从第一代到第三代的发展过程如下图所示 第一代 l g 第二代 2 g 第二代 3 g 幽1 1移动通信系统发展过特一 第一带绪涂 i 2 1 当前移动通信的发展趋势 1 移动电话发展臼勺速度大大超过固定有线电话，成为信息通信产业的亮点。 据美国商业周刊预测：1 9 9 7 年全球移动电话约2 亿部，固定有线电话 近l o 亿部；至2 0 l o 年全球移动电话将达到1 3 亿部，年均增长率为2 5 ，而崮 定有线电话将达到1 4 亿部，年均增长率仅为4 。我国二者的增长数量也呈现了 类似的规律，移动电话的年增长速度大大超过固定有线电话。因此移动通信将成 为2 1 世纪非常重要的通信工具，它将与有线通信具有同样重要的战略地位。移 动通信正以其高速增长的市场、非凡发展的潜力，成为未来整个信息通信产业耀 眼的亮点。 2 移动通信设备难朝着数字化、宽带化、小型化的方向发展。 当前各种移动通信系统都已经从第一代模拟技术过渡到第二代数字技术，频 谱效率大大提高。终端的移动性、小型化取得显著进展。作为第三代移动通信系 统必须满足多媒体业务的需求，数字传输数率要达到2 m b i t s 以上。国际上都在 努力攻克w c d m a 的技术难题，并已取得可喜的进展。 3 移动通信网络正朝着综合化、智能化、全球化、个人化的方向发展。 蜂窝、无绳、寻呼和集群等各种移动通信系统将在第三代中以全球通用、系 统综合作为基本出发点逐步融合，力图建立一个全球性移动综合业务数字网。各 种低、中、高轨道卫星移动通信系统纷纷推出，借以解决全球覆盖、三维空问的 个人移动通信。移动通信网作为一种理想的智能接入网，将来必定要与固定通信 网综合成全球一网，为实现个人通信的理想奠定基础。 1 2 2 移动通信技术的发展 1 第一代( 1 6 ) 移动通信技术 人们习惯于将模拟蜂窝系统称为第代移动通信系统，美国是率先丌发模拟 蜂窝系统的国家之一，主要有a m p 8 和a r t s 系统，分别于】9 8 3 年l o 月和1 9 8 4 年初投入运营。日本是最早研制汽车电话系统的国家之一，它研制的9 0 0 m h z 大 容量汽车电话系统( h c m t 8 ) 于1 9 7 9 年投入使用。北欧四国开发的nm l 一4 5 0 移动电 话系统于1 9 8 1 年投人使用。英国的t a c 8 蜂窝系统于1 9 8 5 年1 月投入营运。两 德的c - 4 5 0 系统于1 9 8 6 年8 月投人使用。加拿大的a m p s 系统于1 9 8 5 年7 月在 多伦多投入使用。 我国于1 9 8 7 年丌始建立模拟蜂窝通信系统，基本是采用英国的t a c s 标准。 模拟蜂窝的主要技术是提出了蜂窝状小区制网络结构；采用频率复用及多信 道共用技术，提高了频谱利用率和系统容量；采用越区切换及位置登记等技求， 第一一市绪论 方便计费和管理；计算机及智能技术的应用，提高了模拟网的管理水平。模拟网 的发展标志着移动通信的一次革命。 2 第二代( 2 6 ) 移动通信技术 人们习惯将数字蜂窝系统称为第二代移动通信系统。由于模拟蜂窝系统具柏 以下致命的弱点：一是各系统问没有公共接u ；二是无法与固定网迅速向数字化 推进相适应，数据承载业务很难开展；三是频谱利用率低，无法适应大容量要求； 四是安全保密性差，易被窃听。因此，一些发达国家早在7 0 年代初就着手考虑 数字蜂窝移动通信技术的研究开发。在数字蜂窝技术的发展中，最引人注同的有 三种标准： ( i ) 欧洲的g s m 系统。 g s m 标准又称泛欧数字蜂窝移动通信系统或全球移动通信系统。它是欧洲1 9 国通过协议制定的一种能在欧洲统一使用的数字蜂窝技术标准。在此之前，欧洲 各圈使用的模拟蜂窝系统有多种制式，难以互通。 g s m 系统采用t d m a 技术，系统容量为t a c s 的3 - 6 倍。凋制方式为高斯滤波 最小频移键控( g m s k ) ，并采用了非线性功率放大器，具有等幅包络、窄带、相干 检测能力好、带外辐射小、输出功率谱好等优点。 ( i i ) 北美i s 一5 4 ( 也称d 埘p s 或a d c ) i s 一5 4 系统是美国通信工业协会于1 9 8 9 年制定的模拟数字兼容的数字蜂窝 标准。由于北美模拟蜂窝标准比较统一，所以该系统的主要技术特点在于谋求与 现有模拟蜂窝系统兼容。因此，所用频段及载频间隔均与模拟网相同：控制方式 也与模拟网相通，其差别仅在于通话检测和信道切换所用的信令不同。 ( i i i ) 日本的p d c ( 也称j d c ) 系统 f 本的第一个数字蜂窝网p d c 系统于1 9 9 3 年3 月投入使用。该系统明显的 技术优点在于：其系统容量为g s m 的2 倍，且为了进一步扩展容量，已丌始制定 半速率( 5 6 k b s ) 的话音编译码规范：该系统使用了两个频段( 8 0 0 m h z 和 1 5 g h z ) ，以便于扩展用户基站；由于采用了n 4 q p s k 调制等措施，其频谱效率 在三种系统中是最高的；用户终端的尺寸小、电池寿命长，这对用户是相当有吸 引力的。 3 第三代( 3 6 ) 移动通信技术 由于第二代数字移动通信系统在很多方面仍然没有实现最初的目标，比如统 一的全球标准：同时也由于技术的发展和人们对于系统传输能力的要求越来越 高，几千比特每秒的数据传输能力已经不能满足某些用户对于高速率数据传输的 需求一些新的技术如i p 等不能有效的实现，这些需要是高速率移动通信系统 发展的市场动力。因此，自从国际电信联盟( i t u ) 制定了i m t 一2 0 0 0 标准以来， 第一章绪论 第三代蜂窝移动通信系统的发展计划就开始受到有关国家政府和一些困际性大 公司的重视。 与前两代系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可提供丰富多彩的移 动多媒体业务，其传输速率在高速移动环境中支持1 4 4 k b s ，步行慢速移动环 境中支持3 8 4 k b s ，静止状态下支持2 m b s 。其设计目标是为了提供比第二二代 系统更大的系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝 漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也要考虑与 已有第二代系统的良好兼容性。到目前为止，已经有很多个版本的标准草案提交 到i t u 。在各种建议方案中，最有影响力的包括： ( i ) w c d m a 全称为w i d e b a n dc d m a ，这是基于g s m 网发展出来的3 g 技术规范，是欧洲 提出的宽带c d m a 技术，它与日本提出的宽带c d m a 技术基本相同，目前正在进一 步融合。该标准提出了g s m ( 2 g ) g p r s e d g e w c d m a ( 3 g ) 的演进策略。g p r s 是 g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( 通用分组无线业务) 的简称，e d g e 是e n h a n c e d d a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ( 增强数据速率的g s m 演进) 的简称，这两种技术 被称为2 5 代移动通信技术。目前中国移动正在采用这一方案向3 g 过渡，并已 将原有的g s m 网络升级为g p r s 网络。 ( i i ) c d m a 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 是由窄带c d m a ( c d m ai s 9 5 ) 技术发展而来的宽带c d m a 技术，由美 国主推，该标准提出了从c d m ai s 9 5 ( 2 g ) - - c d m a 2 0 0 0 l x - - c d m a 2 0 0 0 3 x ( 3 g ) 的演进 策略。c d m a 2 0 0 0 1 x 被称为2 5 代移动通信技术。c d m a 2 0 0 0 3 x 与c d m a 2 0 0 0 l x 的主 要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。目前中国联通正 在采用这一方案向3 g 过渡，并已建成了c d m ai s 9 5 网络。 ( i i i ) t d s c d 姒 全称为t i m ed i v i s i o n - - s y n c h r o n o u sc d m a ( 时分同步c d m a ) ，是由我国大唐 电信公司提出的3 g 标准，该标准提出不经过2 5 代的中间环节，直接向3 g 过渡， 非常适用于g s m 系统向3 g 升级。但目前大唐电信公司还没有基于这一标准的可 供商用的产品推出。 虽然w c d m a 与c d 姒2 0 0 0 、t d s c d m a 的目的相同，但是在关于怎样才能更好 发挥c d m a 的优势、提高系统的性能如系统容量、通信质量和网络覆盖等方面采 用的技术有所不同。首先，w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 都是采用f d d ( 频分数字双工) 模式， t d 一- s c d m a 采用t d d ( 时分数字双工) 模式。t d d 的频谱利用率高，而且成本低廉， 但由于采用多时隙的不连续传输方式，基站发射峰值功率与平均功率的比值较 高，造成基站功耗较大，基站覆盖半径较小，同时也造成抗衰落和抗多普勒频移 一章绪论 的性能较差，当手机处于高速移动的状态下时通信能力较差。其次，w c d m a ( f d i ) d s ) 采用直接序列扩频力式，其码片速率为3 8 4 m c h i p s 。c d m a 2 0 0 0 l xo j c d m a 2 0 0 0 3 x 的区别在于载波数量不同，c d b l a2 0 0 0 l x 为单载波，码片速率为 1 2 2 8 8 m c h i p s ，c d m a 2 0 0 0 3 x 为三载波，其码片速率为1 2 2 8 8 * 3 = 3 6 8 6 4 m c h i p s 。t d s c d m a 的码片速率为1 2 8 m c h i p s 。码片速率高能有效地利用频率选 择性分集以及空间的接收和发射分集，可以有效地解决多径问题和衰落问题， w c d m a 在这方面最具优势。再次，智能天线技术是t d s c d m a 采用的关键技术， 目前w c o m a 与c d m a 2 0 0 0 都还没有采用这项技术。智能天线是一种安装在基站现 场的双向天线，通过一组带有可编程电予相位关系的固定天线单元获取方向性， 并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线的这些特性可 显著提高移动通信系统的频谱效率。最后，w c d m a 由g s m 网络过渡而来，虽然可 以保留g s m 核心网络，但必须重新建立w c o m a 的接入网并且不可能重用g s m 基站。c d m a 2 0 0 0 3 x 从c d m ai s 9 5 、c d m a 2 0 0 0 l x 过渡而来，可以保留原有的c d m ai s 9 5 设备。t d s c d m a 系统的的建设只需在已有的g s m 网络上增加t d s c d m a 设备即 可。三种技术标准中，w c d m a 在升级的过程中耗资最大。 1 3 本论文的任务 在数字移动通信系统研究中，首要的工作就是认识移动信道本身的特性研 究无线信道所带来的一些相关特性。在规划和建设城市微蜂窝数字移动通信网 时，从选择频段、分配频率、考虑无线电覆盖范围、计算通信可信度以及系统内 和系统删的电磁干扰，到最终确定无线设备的参数，都有赖于对信道和电波特性 的深入掌握。 本论文扩展了m a t l a b 中的s i m u l i n k 仿真平台内的软件库。研究和，i ：发 了移动信道的专用信道模型，达到了灵活拓扑结构和完整器件库的目的。 本论文完成的主要工作如下： ( 1 ) 研究了无线通信传播环境，特别是多径时延扩展以及多普勒扩展引起 的衰落效应。 ( 2 ) 建立了移动信道分析模型。采用s u z u k i 过程作为无线信道的基本模型， 模型考虑的有两个方匿：由多径效应产生的小尺度衰落服从r a y l e i g h 分靠，由 阴影效应产生的大尺度衰落服从对数正态分布。通过信道的分析模型，文章给出 了概率密度函数、自相关和互相关函数，同时分析了描述信号的衰落速度和持续 时间的统计规律的两个高阶统计量：电平通过率( l c r ) 和平均衰落持续时f h j ( a f i ) ) 。 ( 3 ) 完成了移动信道的仿真。根据正弦和理论建立了移动信道的确定性仿 第一幸绪论 真模型s u z u k i 过程。并用等面积算法和等距离算法，对模型参数进行了确定。 采用m a t l a b 中的s - f u n c t i o n 将s u z u k i 过程建立为信道模块的子模块。 ( 4 ) 讨论了移动通信系统中的数字传输技术，并以s u z u k i 信道模型为基础， 建立了移动通信系统。主要讨论了在相同信道模型下不同调制方式的特性。研究 了直接序列扩频( d s c d m a ) q p s k 调制技术的误码性能，得出了q p s k 扩频 调制的优势。 6 第二章移动竹道传插特忖 2 1 概述 第二章移动信道传播特性 一般而言，为解决移动通信系统的设计问题，必须搞清楚三个问题： 1 无线电信号在移动信道中可能发生的变化以及发生这些变化的原阕。 2 对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统性能有什么影响。 3 有哪些方法和技术可供用来克服这些不利影响。 本章回答了第一个问题，即移动信道传播特性如何。这是研究移动通信首先 必须解决的问题。 无线传播环境是影响无线通信系统的基本因素。发射机与接受机之问的无线 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、l b 脉和树叶等) 所引起的反射、绕射和散射传播等。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。而且，移动台相对于发射台移动的方向和 速度，甚至收发双方附近的移动物体也对接受信号有很大的影响。因此，- 以认 为无线的传播环境是一种随时问、环境和其它外部因素而变化的传播环境。 如此可见，在移动通信系统中，有三种影响信号传播的基本机制：反射、绕 射和散射。 反射发生在当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生于地球表面、建筑物 和墙壁表面。电磁波在不同性质的介质交界处，会有一部分发生反射，一部分通 过。反射波和传输波的电场强度取决于费涅尔( f r e s n e l ) 反射系数r 。反射系数 为材料的函数，并与入射波的极性、入射角和频率有关。 绕射发生在当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时。由阻挡 表面产生的二次波散布于空间，包括阻挡体的背面。在高频波段，绕射与反射 样，依赖于物体的形状，以及绕射点处入射波的振幅、相位以及极化情况。绕射 使得无线电信号绕地球表面传播，能够传播到阻挡物后面。尽管接收机移动到阻 挡物的阴影区时，接受场强衰减非常迅速，但绕射场依然存在并常常具有足够的 强度。 散射发生在当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体 的个数非常巨大时。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际 通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等会发生散射。 通常，移动通信的传输衰落有两种衰落模式：大尺度衰落和小尺度衰落。如 图2 一l 所示。上述三种机制是造成这些衰落的主要原凼。 批i 章移动信道传捅特忖 大尺度衰落表征了由于移动台经过了较大距离的运动而引起的平均接受功 率的衰减，描述的是发射机与接受机之间长距离( 几百米到几千米) 卜的场燃变 化。这一现象是受到位于发射机与接收机之间的昆著的地形特征影响( 小i h 丘、 森林，广告牌、建筑群等等) 造成的接收信号幅度缓慢变化。接收机经常表示成 被这些显著的地貌“遮盖”住了。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。 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( 几 个波长) ，而导致信号的幅度和相位较大的变化的现象。小尺度衰落有两种机理： 多普勒扩展和多径时延扩展。这将是以后本文介绍的重点。 2 2 大尺度路径损耗 幽2 - 1衰落信道模型 在无线通信系统中，电波传播经常途径不规则地区。在估计路径损耗时，要 考虑特定地区的地形地貌。地形从简单的曲线形状地形到多山区地形。同嘲也要 考虑树木、建筑物和其他遮挡物等。大量的传播模型用来预测不规则地区的路径 损耗。下面介绍种用于预测城区信号的模型：o k u m u r a - - h a t a 模型口i 。 该模型源自于奥村等人在东京近郊的大量测量数掘。他们采用宽范幽的频 率，几种固定摹站天线高度，几种移动台天线高度，以及在各种各样不规则地形 和环境地物条件下测量信号强度。然后，形成系列曲线。但由于使用起术不力。 便，因此h a t a 根据奥村在东京郊区测得的数据进行曲线模拟，并得出了些绎 第一章移动信道转插特忡 验公式。例如，式( 2 - 1 ) 即为市区路径损耗的经验公式。 l 。= 6 9 5 5 + 2 6 1 1 l o g l 。厂一1 3 8 2 1 0 9 1 0h 一a ( h 。，。厂) + 【4 4 9 6 5 5 l 0 9 1 0h j l o g l o d d 一d 。 ( 21 ) 式中：三，。：城市路径损耗( d b ) ，为发射功率与接收功率之差 d 。，d 。，：基站和移动台天线的增益( d b ) f 工作频率( m h z ) ，介于1 5 0 m h z 和1 5 0 0 m h z 之间 d ：基站和移动台之间的距离( k m ) ，介于l k m 和2 0 k m 之间 h 。：基站天线的高度( m ) ，介于3 0 m 和2 0 0 m 之间 h 。：移动台天线的高度( m ) ，介于l m 和1 0 m 之间 a ：与h 。，f 和城市规模有关的参数( d b ) 由此可见，对于无线通信系统，平均路径损耗是发射机与接收机之间距离d 的函数。 2 3 小尺度衰落的特性 无线信道的多径性导致小尺度衰落效应的产生，多径性指的是出于同一传输 信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起 的。接收机天线将它们合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化程度取决 于多径波的强度、相对传播时间，以及传播信号的带宽。小尺度衰落效应的三个 主要效应表现为： 经过短距或短时传播后信号强度的急速变化。 在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移( d o p p l e rs h i f t s ) 引起的 随机频率调制。 多径传播时延引起的扩展( 回音) 。 在高楼林立的市区，由于移动天线的高度比周围建筑物矮很多，因而不存在 移动台到基站的视距传播，势必导致衰落的产生。即使有这样一条视距传播路径 存在由于地面与周围建筑物的反射，多径传播仍会发生。入射波以不同的传播 方向到达，具有不同的传播时延。空间任一点的移动台所收到的信号都由许多平 面波组成，它们具有随机分布的幅度、相位和入射角度。这些多径成分被接受机 天线按向量合并，从而使接受信号产生衰落失真。即使移动接收机处于静止状态， 接受信号也会由于无线信道所处环境中的物体的运动而产生衰落。 如果无线信道中的物体处于静止状态，并且运动只由移动台产生，则衰落只 与空问路经有关。此时，当移动台穿过多径区域时，它将信号的空间变化看作瞬 9 第一幸移动f 青道传插特忡 时变化。在空问不同点的多径波的影响下，高速运动的接收机可以在很短的时间 内经过若干次衰落。更为严重的情况是，接受机可能停留在某个特定的衰落很大 的位置上。在这种情况下，尽管可能由于行人或车辆改变了场模型，从而打破接 彤传号导时问维持冀效的情伊们要维持良好的通信状态仍非常用难。吲此，小 尺度衰落是影响移动通信系统性能的主要因素，也是本次移动信道的仿真和研究 的重点。 2 3 1 影响小尺度衰落的因素 无线信道中存在许多物理因素影响小尺度衰落，包括： 多径传播信道中反射物及反射的存在，构成了一个不断消耗信号能 量的环境，导致信号幅度、相位及时问的变化。这些因素使发射波到达 接收机时形成在时间、空间上相互区别的多个无线电波。不同多径成分 具有的随机相位和幅度引起信号强度波动，导致小尺度衰落、信号失真 等现象。多径传播常常延长信号的基带部分到达接收机所用的时削，由 于码间串扰引起信号模糊。 移动台的运动速度基站与移动台间的相对运动会引起随机频率调 制，这是由于多径分量存在的多普勒频移现象。 环境物体的运动速度如果无线信道中的物体处于运动状态，就会引 起时变的多普勒频移。若环境物体以大于移动台的速度运动，那么这种 运动将对小尺度衰落起决定作用。否则，可仅考虑移动台运动速度的影 响，而忽略环境物体的运动速度的影响。 信号的传输带宽如果信号的传输带宽比多径信道带宽大的多，接受 信号会失真，但本地接收机信号强度不会衰落很多( 即小尺度衰落不占 主导地位) 。若信号的传输带宽比信道带宽窄，信号幅度就会迅速变化， 但接受信号不会出现时间失真。 2 3 2 移动多径信道的参数 上一小节中提到的影响小尺度衰落的因素在实际应用i l l 被量化成为移动多 径信道的参数。其中有时间色散参数，时变特性参数。 时延扩展和相干带宽是用于描述本地信道时问色散特性的两个参数。时延扩 展是由于反射及散射传播路径引起的现象。时延扩展可以直观的理解为在一串接 收脉冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，也就是最后一个可分辨的延时 信号与第一个延时信号到达的时问差值a 。实际上， 就是脉冲扩展时问，若发 第一章移动信道传播特件 送的脉冲宽度为t ，则接受信号的宽度为t + 。与时域的时延扩展参数类似，频 域的相干带宽用于描述信道特性。相干带宽就是指一特定频率范阐，在该范围内， 两个频率分量又很强的幅度相关性。也就是说，衰落信号中的两个分量，当其频 率问隔小于相关带宽时，它们是相关的，其衰落具有1 致性；当频率间隔大于相 关带宽时，它们就不相关了，其衰落不具有致性。对于具有某一时延扩展值 的移动信道，其相关带宽b 。为： b = 二一( 2 2 ) 2 刀 相关带宽实际上是对移动信道传输具有一定带宽信号的能力的统计度量。对于某 个移动环境，其时延扩展可由大量实测数据经过统计处理计算出来，并可进一 步确定这个移动信道的相关带宽b 。 多普勒扩展和相干时间是描述小尺度内信道时变特性的两个参数。这乖叶t 时变 特性或是由移动台与基站间的相对运动引起的，或是由信道路径中的物体的运动 引起的。多普勒扩展b d 是频率展宽的测量值，这个频率展宽是移动无线信道的 时间变化率的一种量度。多普勒扩展被定义为一个频率范围，在此范围内接受的 多普勒有非0 值。当发送频率为f 。的纯正弦信号时，接受信号谱即多普勒谱在 f 。一f 。至f 。+ f d 范围内存在分量，其中，f d 是多普勒频移。相干时问t 。是多普勒扩 展在时域的表示。即： r 。上 b d ( 2 ：j ) 相干时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号又有很强的幅度相关 性。如果基带信号带宽的倒数大于信道相干时间，那么传输中的基带信号可能就 会改变，导致接收机信号失灵。 2 3 3 小尺度衰落的类型 信号参数( 如带宽、符号问隔等) 与信道参数( 如延迟扩展和相干时间) 决 定了不同的发送信号将经历不同类型的衰落。移动无线信道中的时问色散和频率 色散可能产生四种显著效应，这些是由信号、信道及发送速率的特性引起的。多 普勒扩展和多径时延扩展彼此相互独立，产生4 种不同类型的衰落。下丽将分别 介绍这4 种不同类型的衰落。 第二二章穆动馈道传播特悄 2 3 3 1 多径时延扩展产生的衰落效应 ( 1 ) 平坶衰落 如果移动乇线信道带宽大于发送信罢的带宽，【_ 1 确：带守、+ ，j 嘲内有恒定增益的 线性相位，则接收信号就会经历平坦衰落过程。这种衰落足最常见的种。在平 坦衰落情况下，信道的多径结构使发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不 变。然而，出于多径导致信道增益的起伏，使接收信号的强度会随着时间变化。 平坦衰落信道的特性如图2 2 所示。 0 m 几， o 五 s o ) h o u j l ， of t t 0 9 删 j l ， 0 瓦+ tt ( ( 尺 一j 孓t 一峄f _ j 孓； 图2 - 2 平坦衰落信道特性 由图2 2 可以看出，如果信道增益随时间变化，则接收端信号会发生幅度变 化。接收信号r ( t ) 增益随时间变化，但其发送时的频谱特性仍保持不变。在平坦 衰落信道中，发送信号带宽的倒数远大于信道的多径时延扩展，h ( t ，t ) 可近似认 为无附加时延。平坦衰落信道即幅度变化信道，有时看成窄带信道，这是山于信 号带宽比平坦衰落信道带宽窄得多。舆型的平坦衰落信道会引起深度衰落，因此 在深度衰落期间需要增加2 0 d b 或3 0 d b 的发送功率，以获得较低的比特误码二棼， 这是与非衰落信道在系统操作方面所不同的。平坦衰落信道增益分布对设计无线 链路非常重要，晟常见的幅度分布是r a y l e i g h 分布。 经历平坦衰落的条件可概括如下： b 、 口， ( 2 4 ) 式中丁、是带宽的倒数( 如信号周期) ，口。是带宽，o - ，和b 。分别是时延扩散和相f 带宽。 筘一章移功竹遗传播特 ( 2 ) 频率选择性衰落 如果信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号带宽，则该信道 特性会导致接收信号产生选择性衰落。在这种情况下，信道冲激响应具有多径t l 、j 延扩展，其值大于发送信号波形带宽的倒数。此时，接收信号中包含经历_ 衰减 和时延的发送信号波形的多径波，因而，产q i 接收信号失真。频率选择性衰落是 由信道中发送信号的时间色散引起的。这样信道就引起了符号间二r 扰( i s l ) 。频域 中接收信号的某些频率比其他分量获得了更大增益。频率选择性衰落信道的建模 比平坦衰落信道的建模更困难，因为必须对每一个多径信号建模，且必须把信道 视作一个线性滤波器。为此要进行宽带多径测量，并在此基础上进行建模。分机 移动通信系统时，一般用统计冲激响应模型，或用计算机生成或测量出的冲激响 应来分析频率选择性小尺度衰落。图2 - 3 示意了频率选择性衰落的特点。 l ，n ， 0 l ot 奶3 今| 删冬? 对于频率选择性衰落而言，发送信号s ( d 的带宽大于信道的相干带宽占，l n 频域可以看出，不同的频率获得不同的增益时，信道就会产生频率选择。当多径 时延接近或超过发送信号的周期时，就会产生频率选择性衰落。频率选择性衰落 信道也称为宽带信道，信号s ( t ) 的带宽宽于信道冲激响应带宽。随着时问的变化， s ( t ) 的频璐范围内的信道增益与相位也发生了变化，导致接收信号r ( t ) 发生叫变失 真。信号产生频率选择性衰落的条件是： b 。 b 。 t 疋 ( 2 6 ) 且 b ， b d ( 2 7 ) 需要注意的是，当信道被认为是快衰落或慢衰落信道时，就不用在指它为平 坦衰落或频率选择性衰落信道。快衰落仅与运动引起的信道变化率有关。对 二平 坦衰落信道，可将冲激响应简单近似为一个。函数( 无时延) 。所以，平坦衰落、 快衰落信道就是。函数变化率快于发送基带信号变化率的一种信道。而频率选择 性、快衰落信道是任意多径分量的幅度、拒位及时间变化率快于发送信号变化率 的一种信道。实际上，快衰落仅发生在数据率非常低的情况下。 ( 2 ) 慢衰落 在慢衰落信道中，信道冲激响应变化率比发送的基带信号s ( t ) 变化率低得 多，因此可假设在一个或若干个带宽倒数间隔内，信道均为静态信道。在频域中， 这意味着信道的多普勒扩展比基带信号带宽小得多。所以信号经历慢衰落的条件 是： 丁。 b d ( 2 9 ) 显然移动台的速度( 或信道路径中物体的速度) 及基带信号发送速率决 定了信号是经历慢衰落还是快衰落。应该强调的是，慢衰落和快衰落涉及的是信 道的时问变化率与发送信号时问变化率之1 、白j 的关系，而一i 是传播路径损耗关系的 模型。 不同多径参数与信号经历的衰落类型之问的关系总结如图2 4 。 第一章移动信道传捕特件 蛊 耐 心 怛 = 墨 牵 f 8 蹬 描 材 垂 巾 妲 磐 埔 捌 矗 早坦慢蠹# 1 平坦挟衰菇 。i 颠幸悬捍 慢囊瞎 攘辜选掉 快鬟落 发逮符肆嗣期 岛 发强基蒂信号带育 m ) 图2 - 4 信号所经历的衰减娄型，其衰减是以r 参数的函数 ( a ) 符号周期；( b ) 基带信号带宽 2 4 对移动信道进行研究的基本方法 理论分析，即用电磁场理论或统