（电路与系统专业论文）无线信道仿真平台的设计与实现.pdf

摘要 摘要+ 无线信道的参数估计和信道建模对数字移动无线通信系统的研发其有重要 意义。本文深入麟究了笼线通信信道、允其是多径信道的传输特性，提出一种 旗于面向对象的w 视化光线信道建模和仿真方案，对具商普适佼的信道冲激晌 废模型进行了从模型转换、参数设计到图形建模簿环节的实验，建立起统的、 体化的信道建模仿真蜜验框架，为无线移动倍道的分析、建横、仿真和传播 预测提供了一种可视化的解决方察。在倍道建模方面，避行了以典型无线移动 傣道作为独立对象的鹜形建模实验，避箍构建了遁霜静可撬纯信遄仿真穰跫霹； 在信道估计方面，通过深入研究导引信母自适应估计算法和盲信道估计算法， 辩凡释獒整算法避行了强形建模窥莫法模块嚣装；在既罄礁主，开震了冤线信 道的可视化建模和参数估计方法的研究及其仿真环境的方案设计，构建了基于 蕊态对象技术静无线蓿瀵饶囊平台。 本文采用面向对象技术，在m a t l a b 软件平台上对无线信道的建模和参数估 计按来避行了深入的研究。器静，嚣尚辩象麓系统黉诗方法已经成为软彳孛设计 中常用的方法，但它大多数是用在系统内核部分的设计，用在系统级仿真环境， 褥繁是逡信绩冀系统这耱专躅系统平台豹设诗串逐不多蔑。本文在穗建霉撬纯 信道仿真模型库和信道佑计算法模型库的基础上，提出_ 一种集成化的无线信 遂谤囊繇凌设诗方案。该方案怒嚣裔楚象技零萼l 入无线馕遂建搂帮参数髂诗s 鞋i 的设计巾，具有定的技术创新和实用价值。本文构建的无线倍道仿真平台遵 锤雾垂设诗燕肇、一致瓣基本啦剃，傻翅户能缀姨戆掌援程序数功g g 帮搜鼹方 法，便予学习和使用；嗣时开发的无线债道仿真g u i 具宵集成化、开放性和可 扩兖馁，便予系统斡功戆扩震秘野级，蠢裂予磺究工馆驰延续。 关链词：无线信道面向对象信道估计圈形奔j 户赛面钫粪霹税纯 + 本论文工作得至q 北京市教娄项目k p 0 3 0 3 2 0 0 1 0 1 资助 l 。 ：鍪塞玉錾蠢兰玉兰警耋筌蚤 。 a 8 s t 触e t 穗d i oc h a n n e lm o d e l i n ga 1 1 dp a r 8 黼拧t e re s t i l 8 a t i n g i s i 壤p o r t 程f 代t o 西e s i g aa n dr e s 8 a r e h o ft h e 臻o b i l ee o 翔璜u n i c 靠t i o ns y s t e m 下蠢e # 拄p e r p r o v i d e s 毡v i s u 摄王瓤o d e 王i n gs c b 耪嚣l e 疆s i n go b j e o t o r i e n 专e dt e o h n o l o g y ，a n d 鑫o e s8 最p e r i m e n t sf o rc h r r 霉n t 莹阻p u l s er e s 即n 8 e 弼。蠢e l sf r o 穗翔o d 毋王o h a n 嚣e t op 8 r a 瞄。七e rd e s i g nt og r 8 p h i o 氇l 强o d 肇l i n g 。零h ef r 8 m ei s8v i s 娃8 王s o l v e f o rs i 疆娃1 8 t i o n 拄n 鑫l y s i sa 拜dt 弛秘s 掰i s s i o 馥f o r e e 8 s to fr 袅d i oe h 杂n n e l s 0 n t h eo n e 魏矬n 娃，专h ep 8 p e rt 8 k e 8e 1 8 s 8 i or 8 d 主o c h a n n e 王sa si n d e p 姆n d e n t o b j e o t s8 n db h i i d s 毫b 爵i rg r a p h i e 程王壤o d e 王s ， e 艘辩si n 专ob e i n g8v i 3 驻丞l h n i v e r s 8 】嚣l o d e 王l i b r a r y ，o nt h eo t h e rh a n d ， t h ep a p e rd e e p l yr e s e a r c h e s t h ep r i n c i p l eo fe h 8 秘n e le s 专主疆l a t i o n8 l g o r i th f f l s ，玉i 攀l e 璎e 珏t ss 0 拜 et y p i e 8 l 8 1 9 0 r i t h 鹅s 耩n dg i v e st h e i rg r 拽p h i c a lm o d u l e 辟n c a p s u l a t i o n f i n a l 王y ，t h e p a p e rp r o v i d e sad e s i g ns o h e m eo ft h ee h 8 n n e 王8 i 璐娃l a t i o n e n v i r o n m e n t ， 8 n de s t 鱼b l i s h o s8o b j e c t o r i e n 七e dc h a n n e l8 i m u l 8 屯i o nf r a i l l e 零蠡ep 8 # 噼r8 d o 黟t so b j e e t o r ie n t e dt e o b n o l o 霉y ，如e l yr e s e g r e b e st b 8 璜。娃e li n g8 n dp 8 r h n e t e re s 专i 摊8 t i n 鬈专e c h n i q u eo fr 8 d i oc h a n n 蟹l so n 姨t l a b f r 8 | 臻o ，矗t 专h ef 撑e s e n t ，o b j e e t o r i e n 乞e d 臻e h o dh a ￥e b e e ni ne o g l f i l o nu s e i ns o f t 黼r ed e s i g n ，m o r ei nk e r n e 王d e s i g n ， b u tf e 详e ri ns y s 弋e ms i m u 王a t i o n d e s i 鬟n 。o nt h eb 8 s oo ft h ev i s 豫le h a n n e l 掰o d e 王1 i b r 躇。y8 n de 8 t i 壤8 乞i o n a i g o r i t h ml i b r 精r y ， t h ep 币e ra d v a n c e s8i n t e g r a t i v ed e s i 窑ns e h e m eo f r a d i oc h a 班n e ls i m u l a t i o ne n v i r o l 徽n 专， w h i e hh a s s o l l l et 8 c h n i e a l i n n o v a t i o n8 n dp r 8 c t i c a 王v a l u e 霉h ef r a m ew h i c ht h ep 8 p e re o n s t r u c t e s i si n t e g r a t i v e 氇n de 如s y t oe x 屯e n s i b 圭e ，琳h i o hi 8 主nf a v o r 。fs y s t e 弧 f u n e tio ne x t e n s i o na n du 蚤g r 8 d e k l 等鬟潞8 ：r 鑫鑫i oe 羲8 囊建e 羔o b j e c t 一 矬圭e n t e 娃 e 钰鑫n 热e 王替s 弋妻犯乞i o 热 g 疆王( g r 8 p h i c 毡l u s e ri n t e r f 撞e e ) s i j l 掰王氇毫i 。nv i s u 8 i 珏 第1 章绪论 1 1 引言 第l 章绪论 1 1 1 无线移动通信的发蕊 逶傣技术经掰了鼠鸯线羁纛线、麸模攘妥数字两次陵大赘交孳。爨钛1 8 9 7 年马可尼第一次用无线电实现与横跨英荫利海峡的船舶之间的联络以来，经过 了漫长瓣数卡每，壹到2 0 蓬纪7 0 年代方实瑗了隽人类箍拱令入无线邋傣这一 梦想，诞生了现代无线移动通信技术“1 。第一代移动通储系统是模拟通信系统， 它是2 0 壤纪8 0 每代孛期投入赘场懿。隧羞数字绩号怂壤、大援攘集成逛路器 其他制造技术的发展，1 9 9 6 年又诞生了第二代移幼通信系统数字通信系统。 蹬于对“经键时阕、经侮她点、任鹰入”驰个人透信技术的不颧追求，以及传 输高速数据、宽带视频和多媒体业务的需要，第三代无线移动邋信网络的研发 j e 在取德积极的进展。 与第一、二代移动通信系统桐比，第三代移动通信系统的主薅特征遐可以提 供移动多媒传效务，惫撂裹逮移魂巧壤( f 秘：5 0 0 k 瑶h ，l 阴：1 2 0 k 翔h ) 中支 持速率为1 4 4 k b i t s 的移幼多媒体业务，步行慢速移动环境( 3 0 k m h ) 中支持速 率为3 8 4 蚰i t s 的移动多媒体业务，以及塞内巧漶( 3 k 砸h ) 中支持速率必2 弛i t s 的移动多媒体业务。第三代移动通信系统的设计目标是不仅能够提供比第二代 移动通傣系统更大的系统容量翻更好的避信质爨，而且蒙能在众球范围蠹更好 她实现冤缝漫游以及为用户提供包括语音、数器和多媒体在内的综合照务。同 时，还要考虑与已有的第二代移动通信系统具农良好的兼容性簿问题。根据国 际电联( i t u ) 对第三代移动通信系统的要求，强前各大电信公弼联盟均已提出 岛己的第三代移动通信系统方案。提交劐i t u r 的r t t 技术约有1 6 种，其中包括 i o 种遗颟技术和6 种卫麓技术，系统方寨主要包括就d 漱、e 0 凇2 o 、t d s c d 鼢 镣。目前在第三代移动通信系统中采用c d 凇技术已达成挟识。总的来说，第三 代移动遴信具有全球纯、多媒锩伍、综念纯、餐缝往、个入铯等特毪；它戳e d | l 矗 为技术核心，采用多址技术、多载波调制技术、多用户检测和多址干扰抑制技 术、餐8 l 天线技术、智缝瓣技本等无线邋蔫技零。 人类通信的最藤殴橛是鼷嚣枣 黪数魁络技求实骢强假入、馁辩孵越、经键 缝纛写蒸毽强旃又逡帮链蘧释烫的薅惑交换，鞲个入逶倍趣。逡年来，纛线通债 特剐魁第三代凭线移动通信的凝速发展，必个人通信的发展夔定了坚蜜的基础。 与骞线遵蕊臻魄，无线逶镱翡绩撼瑟鬣祭熬多，无线频率麓寄羧使瓣阏题、秃 线信邋的多饺爨落问题髂都极大地限制了无线通信的离速发展0 1 使得嚣线通傧 技术懿臻突袋蕊逶舞系筑臻发瀚萋孛乏熏。辍臻浆淤，暹整系统赘礤巍主要是 围绕通信信号的发射和按收展开的。通信信母缴射驹研究主辫熊中疵调制技术 ( 毽耩扩频瓷裁) 、貔鼹菠零傣潭壤礤窝蔫遂浚秘) 上，寄线遂猿窝麓凌逶镕 的发射部分大体相似。而由于凭线通信信号的传输信邋极其复杂，以殿用户对 逶售臻肇接竣袋黧戆凑舔准簧慕，捷爨涎缓运蕊蕊孽靛攘蚊理论与方法磅究兖 满了襁战往。这种拂战述受副市场前荣的广阔性与急迫性的驱动，更鼹得异常 活跃。2 0 世鳃0 零钱勰蘩今鹣戆短专余年遮，露缝逢髅籍号袋投豹磷究逶速竣 长为令a 鞲蠢煎辑究糍感。 。 。2 楼遵建模铸囊技术懿发袋凝麓 掺劫遴售蓉缝翡蕊髓主要受鹫菱臻藩遵特蕊瓣襞羚。发瓣概嚣接竣疑之鬻 的传播姆径一般分布有复杂酌地形地物，其倍遒往往鼹非固定的和不w 预见的 巢育复絷黠交翡迄波转搔特瞧，遥蔼遮藏了霪遵掇爨传播蘸溅醵嚣难，薅簧 通信系统静日憨复杂纯，无线倍媾盼露蝴仿冀对于现代数字移动通信麓统的研 黢其蠢越寒越熏蘩翡意义；骧赣移动遵髂爨户翡增多，越分绘穆毒遵嵇靛频繁 帮没霄激变，为了更有效缝羁掰频带戳囊持更多的用尸，移动邋信中蜂窝的覆 蕊半经憋来越小，经掰了由犬氍裁至宏小区、擞，l 、区以及擞微小区的澳变。米 聚弱个人遂蔷系娩，蒸炼天线麓不多燕衡汀豹蕊度，传播距离谯1 k m 戳内。按 照蜂窝覆盖半径的大，l 、，现代凳线移动遇信大嫩可分必宏小区、微小隧靼微微 小区荐死秘频鼙复焉穷蕊。瞽豁，大嚣绷、宏小送帮镦枣嚣鑫糍公试静其寄瞽 遍意义的信道糗照。对大区制耧宏小区( r 。2 0 k m ) 内的电波传播，常擞握统计 结豢褥溆瑟灞辩经验公蕊鼬，薅摄摇实涮迸嚣嵇芷。爨舔萤试游六嚣制露宏枣 隧模型懿0 k u m u r & - h a t 8 模型。它是一缀綦于测试数据的统计慰淡拟合的、具宥 诗葵苓麓嚣壤臻撩蹙径族耗孛袋戆经簸公式；窀漤枣嚣漶经费撩羲耗泠萋准 在此基础上对其他地区进行修饿。由于玄的预测值与实测数据吻合较好，已被 广泛痤爝予夫嚣戮容塞蝾蹇套遮麓无线疆菱疆谤审，瑟蒋遂方蒸麓工幸莩主要集 叠 第1 章鳍论 中在测量手段和数据处理上。而在微小区( r ( 争7 ) 遮霹穗装藩信遂的动态特性是统计等份的，它戗j 之间存谯着勋“岫r 变抉哭系。 奠中最鬻用魏是时延一多漤赣琦举港，又称教瓣蕊数。对邃霆释二维螽态蒋注 瞰数进行变换，研以得到信道的姓间差相关函数、频率熬相关函数、功攀谱时 蔫潮覆器多谱赣翡率谱簿一缍穗惫特缝鼗数。磷究证翳，功率谱簿延裁鬣搓透 了信道的频率变化( 即频枣选择蚀) ，多谱勒功率谱刻画了信道时间变化的快慢， 瑙窀 羹可璐缀好她蒸禹惠袭落赣邋鹩凄签特毪注缝。 从功率谱时延剖面、频率楚相关溺数、多谱勒功率谱和时间差相关函数的定 义出发，可叛给鑫几个信道特征参数严格熬数学定义公式“1 ： 信遒相于时间： = r 榔f r ( 掌) 】 ( 2 8 ) 信邀相干带宽： 信道多径扩展： 绩遂多谱勃频移： 信邋多谱勒扩展： = 去瑚s r ( ) 】 q = 硎疋( f ) j 厶= 去嚣辑 ；三m 溉( ，) 。磊m 6 c ( ”j ， ( 2 9 ) ( 2 一 0 ) ( 2 一 ) ( 2 1 2 ) 以上备式中，m 5 【x 表示石的均方根。用这些特征参数就可以宪全表征无线信道 麴动态交往。 2 。 。3 手拢 任何商用或军用移动通信系统的设计者都试图襁尽可能捆近的媳区复用被 分配鹣频道，从而对阿资使斓的频谱加以充分乖j 焉。复用猿淹的距离受到信道 干扰的限制。为了获得满意的频道粼蒙，就需要了锵信道干扰对无线移动通信 静影响。在光线信邋传播中，信号主簧受副蠢予信遵畸交产龟豹筠瀚于撬瑷及 由于频率复用产生的同信道干扰和邻信道干扰的影响。这些干扰与前面介绍的 各嵇襄藩寄饕密窃关系。 ( ) 码间干扰 蓉一令偻遴熬疆发确痘巍发射痿号爨鑫据戆豢突肉隽鬻数，瑟稳僚嚷痍必频 率的线性函数，则称之为无畸变信邋戚理想信道，反之称为畸变信邋。畸变信 遂又分戈辐嶷夔交售遂窝时殛噻交接遂。在实舔应震审每令发射系绫熬豢塞帮 是受限的，其频率响成有一寇的畸变。由信道的幅度畸变和时延畸变引起的干 撬称隽码闻予捷。玛阕手提瓣无线遴僖戆影嫡是：傣遘以接近带宽的速率发魅 或传播脉冲率时，每个脉冲狂接收端会发生扩敬和冀叠，使我们不熊够正确识 别赝发射的脉冲串。实骣中紫用眼图评馀数字透信系统中由于码阗予扰弓l 越黪 畸变程度。 ( 2 ) 圈傧道予扰 频率复用意味着程某个覆盖区有几个小送使用相同的频率集合，来自这些小 1 4 第2 章光线信道的可视化建横与仿真 区信号之间的干扰称为同信道干扰。与热噪声不同，问信道干扰不能通过简单 豹提高发瓣税静载渡臻率克鼹，这是因为载滚葫率豹掇离会增翻对籀邻信遭煞 干扰。抑制同信道干扰的基本方法是多用户检测。 ( 3 ) 邻售遽手撬 顾名思义，邻信道干扰就是相邻或邻近信道之间信号的相互干扰。邻信道干 撬又分必带麦邻馕道于毒i | i _ 程带强邻售遭予拨。“豢瘫”楚指于撬镶号繁竟熬中心 落入期望信号带宽的内部，“带外”是指干扰信母带宽的中心落入期望信号带宽 瓣钤邦。与豢内邻信道予拢相毖，豢终邻信遂干携对发送黧望镶号斡镶道影啶 要小得多。 除了这三耱生要于撬浚多 ，透信信号逐受蘩远近魄予撬窥谖翻瘸子抗等，这 星就不一赘述。 2 2 多径传输信道的冲激晌应模型 2 2 1 影晌多径衰落的因素 多绞衰落楚无线移动绩递串多经效藏遥或懿稼号邀平扰动。影穗多径衰落静 物理因索主要有： ( ) 多径传矮 无线信道中发射体和散射体的存在会产生一个不断变化的无线环境，使得能 爨在幅馕、耀位搬时闻延迟方鬣发生豁数。这数效应会使发射镶号经避不同鼹 径到达接收天线时的形式各异，显示出不同的时间和空间方位。不同多径分量 的随枫蠛值和相位合成众引起傣号强度的睫机扰动，从丽产生小尺度衰落或信 号畸变。多径传播通常会使信弩到达接收端所需要的时闻加长。多径传播可能 gi 起码阐于扰，导致信号污损。 ( 2 ) 移动裔的速度 基站与移动静之间的相对运动会使每个多径分量产生不同的雾普勒频移，从 两弓 莛接牧信号豹醚梳频率变偬。多酱耪频移掰歪可受，取决于移动接收掇与 旗站之间的传播路径是缩短还魁加长。 ( 3 ) 周围羧髂豹逮瘫 如果信道中的物体处于运动中，它们就对多校分量产生随时间变化的多普勒 频穆。藩餍匿躲锩2 盂甓豢浃予移动台静速度运动，这枣争羧应载会嚣翻小尺度衰 北京工业大学工学硕士论文 落。否则，周围物体的运动就可以忽略，只需考虑移动台的速度。 ( 4 ) 信号的发射带宽 如果发射的无线电信号带宽大于多径信道的“带宽”，即信号的自相关时间 小于多径信号的时延差，则接收信号会发生畸变，而小尺度衰落则不明显。若 发射信号带宽相对于信道有一个窄的带宽，则信号的幅度将快速变化，但在时 间上没有畸变。 2 2 2 冲激晌应模型 冲激响应是一种宽带信道特征，它包含了仿真和分析任何一种通过信道进行 无线电波发射所需要的所有信息。业已证明，无线移动信道是时变的多径传输 信道，它可以用具有时变冲激响应的线性滤波器描述。无线移动信道的冲激响 应是时间和空间的函数，即若以发射台作为输入，对一定位置d ，接收到的信 号为 y ( f ，d ) = x ( f ) ( f ，d ) = 石( r ( 卜r ，d ) d r = l 工( f 冲( 卜r ，d ) d f ( 2 啪) 若多径信道是带限的带通信道( 此假设往往是合理的) ，则带通信道冲激响应可 以用复基带冲激响应等效描述，基带等效信道的冲激响应模型为： ，( f ，d ) = c ( f ) + ( f ，d ) 2l 。( f ( 卜r ，d ) d f ( 2 1 4 其中c ( f ) 是信道输入的包络，( f ，d ) 是信道输出的包络。对于基带等效的多径信 道，冲激响应可以表示为： _ 一1 善) = ( f ，孝) = 哪( 咖胆嗽卜栅艿( 孝一f f ( f ) ) ( 2 1 5 ) f = = o 式中，n ，( f ) 和f ，( f ) 分别是第f 个多径分量在时阗t 的实幅值和额外时延； 2 矾0 ( t ) + 噍( f ，# ) = q ( f ，f ) 是第f 个多径分量的相移。 2 3 无线信道的可视化建模与仿真 众所周知，无线信道的建模与仿真是移动通信系统仿真中重要的核心部分，对 1 6 篇2 章光线信道的可视化建模与仿真 于现代数字移动通信系统的研发具有深遮的意义。要对凭线信邋进行建模和仿 囊，蓄毙虢要对各耱无线移动僖j 蓬透露深入磷究，建立留髓赘数学模羹，遴嚣 构建出符合实际情况的计算机仿真模型。本文采用面向对象的可视化仿冀技术， 按照建立系统模整必须德合浆穗织瞧、韬遥睦、唆台瞧、霹辫谈淫、篙攀犍等 耩本原则，对各种无线移动信道进行计算机建模与仿真，提出了一种基于面向 慰象熬霹援纯无线售遂逡模仿冀方案，炎无线移动售遂茨建摸、蕊寞、分掇帮 传播预测提供了一种可视化的解决方案。 2 3 1 面商对象的可视化仿真技术 2 3 。 。 嚣骞对象技术 面向对象技术是一种运用对象、类、继承、封装、蒙会、消息传送和多态性 簿概念采构造系统静软 牛开发技术，它缒够晓较蠡然准确豹描述客蕊毯赛，觚 问题域到分析设计阶段的映射都是直接和平滑的，因此用它开发出来的系统易 于理解稀维护。下瑟给赉对象、辩装、模块纯潋及继承瓣穰念。 对象 蘩专鬟辩象，怒一个錾装了数据( 叉列属缝) 粒操终( 又叫方法) 戆安俸，属 性描述了对象的状态，方法反映了对象岛外界的接口形式。相应于某一类对象， 可对它寇义不同麴方法，帮对象蒸毒多淼性。 对教的封装 对象黪封装与糖象楚互补的嚣令概念，封装使得对象在撼象掰赛定黔范嚣虑 保持相对独立，从而保证了对象设计和对象实施方法的西靠分离。封装可以使 设计者摆脱具体实施方法的约束，而把主要精力集中在进行对象的合理分类、 确定对象之间酌正确关系和定义对象的外部视圈上。使用封装w 以完成将对象 的内部实施方法、操作执行细节、私有数据等的对外隐藏，从而保护对象的这 蹙部分免受非法修改。湖对，实现对象爵靠有效的封装还可醵防止由予程序摸 块之间的豆相依赖而导致的程序不稳定。实现了对象的封装以厢，用户或开发 者对予巢个操撵实现方法的糁敬一觳哭麓隈在个对象内部，廷要对象之闽静 接口方式没有改变，通常不会影响其它对象的实现，这就保证了程序修改的灵 活往，簿对使系统其青缀离懿稳定缝。 模块化 在对系统逡行建模鞫分提熬避程孛，穆整个系绞分黪藏缝裙互之阉有关联 北京工业大学工学硕士论文 的模块对于总体上把握和理搀翠憋个系统是有很大帮助的，但黧保证模块之闻的 相互美系是松散豹，需涛褶夏关系紧密静辩象疆织藏一个模块。模块亿与对象 和封皴的概念密切相关。方丽，模块的划分是以抽蒙出来的对象的性质和功 蕤曳较据嚣；翳一方舔，宅最鬟拿象熬封装褥戬实瑰豹技术绦簿。霆为模块逶鬻 是作为基本的不可分的软件单元来进行组织的，所以模块划分时要兔分考虑软 传鹣可霪蠲瞧。 - 类的继承 缝零是蔼魏对象技术静一个基本元素，它怒类察对象按爨层次方式组织越 来，筏系统鲐构更加消晰，系统模型熙有条理，也使编程人员、维护人员清楚 对象之耀豹内在联系。在类的继承关系孛，予类继承了父类所霄的结糯帮行必， 通常予类会农继承了父类结构和属性的基础上创建新的结构和( 或) 属性，以 便不断灌足燹为其体的要求，一个父类可以衙生出诲多子类，只是这些予类舆 有共间的基本特性，都父类豹特性，这使得面向对象程序豹可燕用性大大提满。 妇果欺传维护人员想增加瑟斡特性，凝创建个子类郑可，必须改变其它孑类 的结构帮( 或) 属性。显然，在一个体系中，除了顶鼷父类，可称其为基类井， 予类和父类是相对的概念。融上面下嶷类继承关系：鑫下面上，是聚合关系。 使用聚合，可戳更好蛾组织对象。予嶷总是在觚父类继承新督特性的基础上疆 进一步细化了予类的功能，开发和维护人员可以根据鼹要增加私有成员和方法， 在类鹩层次土修改，不会影嗡蒸它类瀚特注。 与传统黪露良过程方法棚魄，恧起对象技术具有以下优点： ( 1 ) 符台人们习惯的思继方式； 蕊向对象技术以对象为核心，用这葶申技术拜发出的软传系统由对皴组成，对 象是对现实世界概念的手由象憨考。蕊淘对象方法学的纂本骧粥，是按照入霄：习 惯的懋维方式建立阍题域的模型，拜发出尽可能直观、自然地表现求解方法的 较辞累统。 ( 2 ) 稳定性好； 覆两对象方法基予擒造捐躯域静辩蘩攘墅，戳对蒙为中畦、构逵软俦系统。它 的基本做法是用对象棋拟问题域中的实体，以对象阎的联系剡颟实体间的联系。 嚣瑟蟊赢对象黪获释袭统结擒是摄摄蠲鼹域翡模墼建立超来静，焉不是基予；l 雩 系统成完成功能的分解，所以，对系统的功舱需求发生变化时并不会引起软件 缝梅鹩整薅变纯，径瓮铰嚣佟一些局部经懿修改。 第2 章j e 缱信道的甜视化建横向仿真 ( 3 ) 可重用性好； 嚣囱对象豹软释技术有隶登魄较磐邀瓣决较释敬重鼹润蘧。瓣象蕊戳露数封 浆和信息隐藏等机理，使得对象内部的嶷现与外界隔离，具有较强的独立性。 溺诧，对藩类提供了比较理想斡模块德枫裁窝逝较理想的霹重焉较终或分。总 之，面向对象的软件技术有希望比较好地解决软件的重用问题。 ( | | ) 霹维护犍好。 应用面向对象方法所开发的软件具有较好的稳定性，易于修改、易于理解， 并且方便测验帮谖试，落覆具有 鼹好斡可缝护链。 2 3 1 2 颂向对象的可桃化仿_ 冀 计算橇仿真技术是邋凡十年米发震起来的门综合链学科，它以褶 ；f 原理、 信息技术、系统工程及其应用领域有关的专业技术为基础，以计冀机和器羊中物 壤效应设备灸工其，建立研究辩象懿嫠冀模型，_ 箨在该模型上遂行仿真实验， 从而获得对系统内在规律更为深刻的认识和把握。它集成了当代科学技术中多 糖最瑗健亿黥手段，正在极大蟪扩震罄人类鼹掇辫、对限窥藐力，在辩擘技零 领域产生着日益煎要的作用。由于计算机仿真技术具有良好的可控性、凭破坏 犍、经济性等髋患，霆蔼在辅助决策、管瑾调度、军事诞练等领域显承出巨大 的应用潜力。随着计算机软硬件条件的发展，计算机仿真在各个领域的备个阶 段中越来越起着不可霞警靛重要稼薅。 计算机仿真与面向对象技术都寻求阀题求觯空间，粼是对问题空间的一种模 毅与壹接映射，京翻骢本霞是一致熬。诗算援傍粪壹接针对瑗察世赛熬筵其 体系统进行建模，而面向对象技术则是种围绕真实世界的概念来组织模型的 技术，玄箍洪了一穗良葑瀚建模方式。掺毒 舞瓿佬囊与箍肉对象技术缝合起来， 凳疑是有益的。目前，筒向对象仿真技术的研究已成为仿真研究领域最碍f 人关 注阏硒究方两之。 匿两对象翦镑宾在理论上突破了传统赞真方法的鼹念，它 根据系统的对象及其相强作用关系来构谶仿真模型。仿真模型的对象通常表示 了实骣系绞的实钵，觚搿弥羚了模型与安际系统之阉的差距，褥显蘑兜对象鲍 仿真，其分析、设计和实现系统豹观点与人们认识系统的自然恩维方式极为一 致，因恧增援了访真研究浆蛊双性秘易瑾鼹性。藤向对象的仿真是一种撼絮化、 艨次化和模块他的建模方法，有利于提高模型的对装性、重月性、灵活性、可 扩展性和可维护性，从藤先大攒模复杂的系统仿真提供了方便的平段。灏向对 挎 北京工业大学工学硕士论文 象的仿真容易实现与计算机阂形学、人工智能、专家系统与决策科学的结合， 葳两可瑷彭袋耨一代嚣商对象豹建模仿寞环境。 隧黄计算机硬件莘珏软件技术的飞速发展，具有高度童观和图形化特点的可视 纯仿真技术西成为计算视仿粪技术的燕流方向。而谣向对象的可视纯建模仿真 技术怒综合了面向对魏和可视化系统仿真两种建模过程的先进技术，同时具备 了封装的模块性、类和实饲的摘蒙瞧、继承税隶l 提供静软秤霾丽性、重载多态 和动态约定的灵活性、所支持软件的可扩充性、以及高度直观、清晰的图形化 特毪，无聚爱当代最藏功懿悉统建模仿真装零。应溺嚣两对象筑胃筏纯建模仿 真方法构造系统模型，不仅描述方便、结构清晰、简捷直观，使得系统的图形 对象建模过稷受易予实臻，势基提篱了瑟开发赣箨豹灵活瞧、霹焉麓注纛霹扩 充性。综上所述，面向对象的可视化建模仿真技术为系统的仿真和分析提供了 强鸯力懿工爨，其青卡分广泛熬瘟鼹藤景。 2 。3 。2 无线多径信道的计算枫仿真模型 由于数字移动通信系统的性能在很大程度上受到光线信道多径传播的影响， 悉这耱影翡又是隧辩瓣随撬变纯静，疆魏，辩无线多径信遴送行彷粪不能爱确 定的倍道模型，必须释求合适的随机倍道模型。 夜很多文献中广义平稳菲相关散射被公认为是能够显示时延扩展和多普勒 扩展的最简单随机过糨。研究表明，离斯广义平稳非相关散射模型与许多实际 感兴趣鹩无线通信信道耩吻合。当不籀关的赣径数嗣足够大时，信邀冲激响应 的二次分量变为高斯广义平稳非相关散射( 中心极限定理) 。所以实际仿真中常 瑁毒巍广义平稳菲葙关散莉模鍪 模熬备耪实繇豹无绞多径信遴。常麓鹃离辫广 义平稳非相关散射信邋的计算机仿真方法有调相衰落仿真器和正交调幅衰落仿 寞器涝大类疆，宅稍鬈是在公式2 一l 掰示静多经信遂捧激稳癍横鍪蒸疆土建囊 的计算机仿真模型。调相衰落仿真器和正交调幅衰落仿真器均可以用抽头延迟 线滤波器实襞。 ( 1 ) 调樱衰落仿冀器 在谲楣衰落仿真器率，时交静信瀵；串激嫡可戳嗣下式远戳： t村 嘏毒) * 专8 烈2 州枷艿g b ) 2 啪) 第2 章光线信道的埘视化建模与仿真 式中，第n 条路径的随机相位丸满足 啦2 玎】内的均匀分布，多酱勒频率k 和时 延r 。具有与时延一多普勒功率谱( 散射函数) 成正比的联合概率密度函数。通 常假定k 和。之阐是独立酌。程展开式中的顼数掰趋予无穷对，公式2 一1 6 中 豹近似变成精确糖等。调相衰溪仿真器的优点是实现篱单，计冀量小；僵育 个问题玄没有解决：为了达到所簧求的近似精度，展开项式m 需要选择多大尚 不清楚。 ( 2 ) 正交调幅衰落仿真器 在羹交调螭裘落仿真器中，瓣变熬傣遵、砖激响应近似表示为“”： a ( f ，“厩( f ) 8 崩艿g 一如8 ) ) ( 2 _ 7 ) = 式中成( f ) 、农( f ) 和气( f ) 分别怒第h 个鼹径的幅佳、提位和时延。当不相关的 路径数目足够大( 高斯广义平稳# 相关散射假设) ，并且输入信号为i 厂峰q 2 的 带限信号辩，公式2 一1 7 交成其有固定延迟豹擒头戆迟线，其抽头权系数 反( 搪m 为意斯过程，可由散射函数完全确定。正交调幅衰落仿真器具有非常 高的近似精度，但使用掏头延迟线滤波器实现它时在某些情况下会导致数值的 不稳定。 ( 3 ) 无线储道仿真的谐波分解算法 为了弥於燕交调棰焱落纺囊器在菜蹙猿琵下数壤不稳定懿簌轰，l 鹳5 年 c r e s d o 与j i m e n e z 又提出了一种近似时变冲激响应的新方法。这种方法中抽头 毅不要逶过滤波安璎，鞭是裂麓裹簸隧壤过程鹣谐波分解技本袋获德。这秘方 法的原理如下： 令攻戈一零均穰懿实窄黪鬻逶过鼷，其麓攀灌密度戈 只( v ) = 击蹦k 糟) 式中爰，势教射函数 2 l 北京工业大学工学硕士论文 令寒窄繁繁通过程k 舱复基带裘示戈筑( 玲，则有 h ( f ) = r e 【索。o ) 一2 矾】 ( 2 1 9 ) 霜它僚为接受操投豹笺商簸隧祝过稷。投撂麓襁过程耀论，形如 碘 = 熙。叁2 蟒，铽一筠 粒缀数可班崔捻方误差最小的意义下经意遭逐色( f ) ，若五取褥足够小盼话。戏 中为不相关的复随机变量，其均值为零，方差为 酬制2 = 去麟聃灿尝驰) 2 f ) 在所肖感兴趣的实际情况下，多普勒功率谱b ( 订都是带限的，即 ，卜矗， j ( 2 2 2 ) 其孛五表示最大多警赣频率，因照慧数是蠢疆匏： = 陪割 式孛& 1 表示苓丈予蔗懿整数n 两鼙妇展舞串基本谐波靛凝搴蠖磊联决予爨要 求的近似精度，它可以利用关于逼近误差的上限计算： 剑糌s 4 耐泽= p z 。) e 垂。8 ) r 8 2 。3 + 3 多径信遭冲激响应的可视化建模与仿冀 2 3 3 1 无线鍪径信邀的建模体制 蕊于面向辩象静幕统模蘩中，类冒濒认为是稳戒浸赢层予累绕静熊有基零运 算功能的一缎单元集合：对象是闯题域中系统备部分绒模块实体( 如信道的数 学描述形式) 静一穆撼象；类与类之阕具有荧联、继承、铱赣帮耩纯簿关系。 第2 章无线信道的可视化建模与仿真 在无线多径信道的建模过程中，识别对象、定义类及类与类之间的关系显然是 构建无线多径信道建模体系的关键。图2 1 给出的是基于这些关系设计的无线 信道建模体系结构，它由仿真宿主语言，图形建模支持环境( g u i ) ，仿真支持 环境，信道模型库和工具箱组成。 无线信道建模仿真的图形支持环境 i ii i 仿真宿主语言 一图形用户界面( g u d - j 仿真支持环境- j 信道模型库工具箱1 1。 一类定义i一算法定义i1 模块定义ii “。接口 _ j 图形链接管理_ j 参数定义1 模型库扩展 _ j 工具箱管理_ j 调试管理_ j 调试管理 i u 仿真环境链接 l 图2 一i无线信道建模体系结构 f i g 2 1m o d e l i n g s y s t e ms t r u c t u r eo fr a d i oc h a n n e l ( 1 ) 仿真宿主语言 仿真宿主语言的功能是，读取建模仿真的实例信息，识别组成信道系统的模 块，建立模块间的内部连接，读取模型所需参数，安排模型的访问顺序，实现 模型问的数据传送，执行仿真进程。 ( 2 ) 图形建模支持环境( 叫i ) 用户通过g u i 访问宿主语言，仿真宿主语言采用数据流驱动方式，仿真开始 执行后宿主语言根据安排顺序调度g u i 中的信道模型，直到信道模型处理完接收 的数据流并指示仿真结束。 ( 3 ) 仿真支持环境 仿真支持环境允许用户随时修改信道模型的各层结构、参数和迭代初始值 等，并允许分别运行和测试各层子系统，方便用户对各层子系统进行数据分析 及出错定位，使用户在仿真进程中可随时暂停或终止仿真，并能在仿真结束后 对数据进行再处理。 北京工业太学工学硕士论文 ( 4 ) 信邋模型库 蘩道模鍪 痒楚无线信道建模傣真麓基本算法疼。零文霰浚潋菜耱溉范纯标准 统一将信道仿真模型分解为然本运算单元，即类，开发通用的基本模块库，则 可由模块痒缀含不嚣结构筑参数熬绩遂攘餮。显然，这释嚣形纯建模躲终泰条 件是系统必须是可分解的( 可分性) ，即认为信道系统是由予系统构成，而予系 统又搿分艇力雯下一凄豹子系统。奎予这耱约寒关系熬存套，就可滋逢过缀合 构成信道模型的成分模型( 予模型) 来建造总体模型。如果成分模烈本身又由 更基本的成分模型梭戏，剩霹形或馈遵模型熬层次缝橡或递泠结构。 ( 5 ) 工舆箱 笼线移动傧道的建模积仿真主要以通信工兵键、瞒p 模块痒及信号处理工兵 箱为綦础，共同辅助构建基于面向对象的可视化信道仿真模勰。 笼线移魂绩遂建模秘传鬓俸系孛，谚囊臻主语言是驱动仿囊避稷豹诗算霉l 擎。宿主语言和信道建模g u i 县有相对的独立性，信道模型可以是任意复杂的。 缤道模型库对用户是完全蠢羧戆，霹以 壬意扩宠秘修改。 2 3 3 2 无线多径信道的仿真机制 与无线多饺信道的建模体制相对成，无线移动信邋建模酌仿真机铷包括数据 驱动帆制、数据传送机制和参数化仿真等几部分。 ( 1 ) 数据驱动机制 傍囊宿主谬言驱动售遒傍粪器的规割是数据驱动。所谓数擐驱动就是宿主语 言按预先定义的顺序查询信邋模型的各个子模块输入端口上的数据怒否完备， 如果数据已经完备，则驱动该模块处理一个躐一组榉本，并将结果邀入输娃墟 目。如果某些输入端朗数据不完备则终止对该模块的调用，转而查询其它模块。 数据驱动仿冀与调用予模块的顺序无关，仅取决于予模块之间的连接关系以及 模块农成的数据，茵纰适用予任意结构复杂的系统仿真。 ( 2 ) 数溅传送机制 为了仿真一个完熬的信遂过程，加入仿真系统的务信道模篷子模块之间必须 传送数据。时域仿真一般分段处理数据，系统仿真软件既能以单个样本，亦能以 分缀方式处瑗数疆。 ( 3 ) 参数化仿翼 参数纯傍粪就是在仿囊串按一定豹步瘫葭交或耋穗模块参数，熬繇j l 雩模块薪 第2 章笼线信道的可视化建榄与仿真 的参数慎重新运行仿真。参数化仿真适用于数据的分析比较，可以动态地观测 备静参数对系绕桎能熬影桶。 2 3 。3 3 可视化无线信道仿真环境的设计 可视化无线信道仿冀环境的设计基于分离系统技术，即根据无线信道仿真模 型的组成关系对其进穹亍分解，抽象出信暹方程蛉基本遐算环节；确定其输入、 输出特性并选择或开发一种模戮描述语富，通过构造交豆式图形接口，将系统 的基本运算单元用特定的图形或图标表示；通j 蕊组合构成不同傣道的模烈结构， 进而构建出所需的可视纯无线信道仿真器。 、本文选择数攫计算敬l 牟包淞t l 矗b 6 + x 终灸霹援纯诗纂雩l 擎，傍冀工具籍 s i 删l i n k 5 作为图形建横的支持环境，通信工具箱、d s p 模块库及信号娥理工具 禧作为傣道模型灼辅助建模工其，对多强无线信道的狰激响应避行可秘诧建模 和仿真。建模方法遵循s i 叫l i n k 建模蕊则，即通过鼠标拖放拼和具有分层或递 阶结构的无线多径信道仿真模型。因此，在开放( 性) 的图形环境支持下，构 建的无线移动倍道仿真模型及备级子系统仿真模型将其有良好的可移檬性、互 操作性和可扩展特性。这里所谓的开放性是指：图形建模环境的开放瞧以及算 法模块豹蘸好耋塌住。 ( 1 ) 图形邈模环境的开放性 无线信道仿真器豹图形建横环境从以下两方面考虑了系统的开放性： 信道模型库的开放性：无线傣道仿真模型库含有典型无线移幼信道的数学模 块。无线信道仿真模塑陴采用歼放的仿真层管联和应溺层管理两级模式。仿真 层管理用于模块编辑，包括对予模块参数、类型及属性的定义、赋值和修改； 应焉层管理对所建模墅逐行文体管理并提供模黧满或跨平台闻的资源共事。 仿真辣法库的开放性；本文搭建的仿真算法庠为用户提供变步长及定步长两 类算法，夯可鸯羯户耋雩亍设诗彷囊算法静步长。 ( 2 ) 算法模块的重用性 就倍道仿真器的图形建模稍富，算法模块的燕用性镪含两鼷食义：一是图形 模块的熏用性；二是模块编辑的重用性。前者通过图形化建模方法可以达到模 块代码的重甭；螽者刚需调甭黎有通稻功能静低层工冀，魏萄形编辑，数舞管 理工具铭进行模块封装。这类系统代码作为一组对象的统一模板，其封装和继 承特往为软箨鬟瘸提供了强有力静支持。是构成仿奏藏箱平台静理想胃重溺都 北京工业犬学工学硕士论文 件。可应用到其它仿真系统的开发过程中，加快开发进程。 2 3 3 4 可视化无线信道仿冀器的设计 躲蔻文艨述，虽然戈线缮号在各耱不同移动传铃环壤牵受裂戆孵延扩鼹耱衰 落影响各不相同，但它们都烧时变的多径传输信道，都可以用具有时变冲激响 应的线性滤波器攒述。对无线信遒酶时交渖激响应模型( 公式2 一1 4 ，2 一1 5 ) 进 行计算机仿真通常有两种方法：调相衰落仿真器和派交调幅衰落仿舆器( 公式 2 一1 6 ，2 一1 7 ) ，1 9 9 5 掣，c r e s p o 与j i m e n e z 又提出了种近似对变 申激虢应熬勰 方法用谐波分解技术实现信道的时变冲激响应( 公式2 1 8 公式2 2 4 ) 。前 面我们已经探讨了无线移动傣道的建模体系稠仿真机制以及可视化傧道仿真环 境的设计方案，这节我们将介绍如何在信邋数学模型( 公式2 1 4 公式2 2 4 ) 的基础上，进行从模型转换、参数设计到图形建模等环节的设计，进而构建可 视纯无线信邋仿真器。 ( 1 ) 调掇衰落傍粪器的设计 调相衰落仿真器的实现简单，计算量小，是大多数文献公认的高斯广义平稳 萋楱笑散射臻遘懿诗冀撬谤冀方法乏一。怼它进牙甏视纯设诗鲑，嚣先要擞摇 数学模型( 公式2 1 6 ) 中各部分的缎成关系，采用纂于面向对象的系统结构分 解模式，撼象出摆毽绩号、多营赣频搴、霹延痿号镣痿遵狰激晚应鹣基本运算 子模块类，以及加减乘除求幂求积分等数学运算单元。然后在s i 阿l i n k 建 模访真支持环境下，憋底层予系统我基本运舞单元髑特定熬霪形或阁掭表永， 并根据这些蒸本子模块之间的输入、输出关系，链接构造出不同路径数目时的 调相衰落仿真器子系统。最艨通过条l 串选择上层子系统对各个调相褒落仿真器 的子系统进行连接，进而拟含构建出通用的调相衰落仿真器平台。该仿真器平 台西向各种不同的无线移动傣道建模时，只蒜重新进行相应参数的调蹩和设宠， 就可以得到所需豹可视记信道仿真模受。 圈2 2 一l 是浚诗戆诿翊焱落嵇粪器熬擎经予模块模鼙，其串疆搬媚篷或是 o 2 硝】内的均匀分农，用均匀随极信号发生器实现；多普勒频率和融延r 。用 高斯随机信母发生器寓现。圈2 2 吨是最大路径数翻为8 时调相衰落仿真器平 叁黪下层条嫂选择予系统。 第2 章无线信道的可视化建模与仿真 ( 2 ) 正交调幅衰落仿真器的设计 作为时变信道冲激响应的计算机仿真方法之一，正交调幅衰落仿真器的设计 流程和调相衰落仿真器相类似。首先根据数学模型( 公式2 1 7 ) 进行系统结构 分解，抽象出幅度信号、相位信号、时延信号等基本运算子模块：然后根据这 些基本子模块之间的输入、输出关系，链接构造出不同路径数目时的正交调幅 衰落仿真器子系统；最后通过条件选择上层子系统对各个正交调幅衰落仿真器 子系统进行连接，进而拟合构建出通用的正交调幅衰落仿真器平台。同样，对 各种不同的无线移动信道进行建模时，只需重新进行相应参数的调整和设定， 就可以得到相应的正交调幅衰落仿真模型。 图2 2 一l 调相衰落仿真器单径子模块图2 2 2m p 下层条件选择子系统 f i g 2 2 一lo n e p a t hm o d e lo f m ps i m u l a t o rf i g 2 2 2c o n d i t i o nc h o i c es u b s y s t e m 图2 3 1 三径正交调幅衰落仿真器 f i g2 3 1t h r e e p a t hm as i m u l a t o r 图2 3 2 三径正交调幅衰落仿真器冲激响应 f i g 2 3 2i m p u l s er e s p o n s eo f3 一p a t hm 图2 3 1 是路径数日为3 时的正交调幅衰落仿真器子系统模型，抽头权用三 个独立的高斯白噪声发生器实现，时延是时变的，由用户在合理的范围内自行 设定。当不相关的路径数目足够大( 高斯广义平稳非相关散射假设) ，并且输入 北京工业大学工学硕士论文 信号为带限信号时，延时趋向于固定延时1 q ( q 是限带带宽) 。图2 3 2 给出 正交调幅衰落仿真器的冲激响应。 ( 3 ) 用谐波分解算法实现的信道仿真器设计 由于正交调幅衰落仿真器在某些情况下会出现数值不稳定的问题，1 9 9 5 年， c r e s p o 与j i m e n e z 又提出了一种近似时变冲激响应的新方法。1 ，这种方法中抽 头权不再通过滤波实现，而是利用高斯随机过程的谐波分解技术来获得。这种 方法的原理见2 3 2 节( 公式2 1 8 公式2 2 4 ) 。本文基于面向对象技术分别设 计实现了三种不同散射函数情况下的谐波分解算法，进而在s i m u l i n k 建模仿真 环境下对算法进行图形化算法模块封装，最终构建出基于谐波分解算法的信道 仿真器平台。 图2 4 一