（通信与信息系统专业论文）无线通信衰落信道的实现.pdf

中文摘要 摘要 近年来，随着通信技术的发展，移动通信以其独特的优点，得到了广泛的应 用，并且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。研究电波在信道中的传播 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 究了非频率选择性衰落的信道模型。我主要作了以下三方面的工作： 首先介绍移动无线通信技术的发展状况，包括第三代移动通信技术的发展状 况及其关键技术，还有论文的研究背景和主要完成的工作情况。 然后介绍信道建模的基础知识：无线信道理论。根据电磁波的传播特性将信道 衰落分为大尺度路径损耗和小尺度衰落。由理论和实际经验建立多个小尺度衰落 模型，并研究了信道模型的统计特性。 接着针对不同的衰落信道提出几种最基本的信道模型的仿真方法，根据提出 的方法用软件仿真实现各种信道模型，用正弦波叠加法来形成瑞利衰落信道。在 这些模型的每一个正弦波振荡器中都应用了随机初相位和随机多普勒频移。通过 仿真我们可以看出，即使在振荡器个数不是很多的情况下，它的自相关函数和相 位分量的互相关函数与理论值相差无几。而且，包络的概率密度函数当正弦波振 荡器个数趋于无穷时趋于理论值。 关键词：无线信道；j a k e s 模型；瑞利衰落；莱斯衰落 英文摘要 t h er e a l i z a t i o no ff a d i n gc h a n e l sf o rw i n l e s sc o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t m o b i l ec o m m t l n i c a t i o n 鹤o o f 也em a i nr o l e si n 也ef i m 聆p 盯s 伽【a l c o m m u n i 础o ni sw i d e l ya p p l i e d hm o b i l ec o m m l 】l l i c a 廿o n ，f o r 也em o v 锄e n to fm e m o b i l et e m l i l l a l ，t h er e c e i v e ds i 弘a l sa r ea f r e c t e db yt h em u n i - p a t h 觚i n ga n ds h a d o w e 丘b c t t h c 把b yt h ec o m m 谢c a t i o nd m m l e lb 吼w 黜也eb 鹤es 僦o na n dt h em o b i l e t e 强匡i n a lc o n s 仃a i 陷血ep e r f b 埘锄c eo f t h ew h o l es y s t e m r e 舡c h i n gt h ep r o p a g a t i o n a n dv a r i a _ b i l i 够o ft h ee l e c 订o m a g n e t i cw a v e 跹dc o 艇；仃u c t i l l gt h ec h 跚e lm o d e lc a n s i m p h 每t h ec a l c u l a ：i i o no ff 甜i n gp a m m e t 吣，g u p p l y 也er e l i a b l er e f e r e n c ef b fs y s 咖 d e s i g i l ，a n ds e l e c tt h eo p t i m a lm o d i l l a t i o n ，e 仃o rc o d i i l g 越dm l l l t i p l ea c c e s s e s t h e 坞s 聆ha _ b o r td m n e lm o d e li s 小，a y s 托m a r k i b l e an e ws t 撕s t i c a lm o d e l f o r n - 丘e q u e n c ym o b i l e m d i oc b a m 圮li s p r c s c n t e di n t h i sp a p e r 矗o m 也e d o p p l 昏p o w 盯- s p e c 仃a l - d 嘲蚵1 1 1 es t i l d yc o n t a i l l s 也雠a s p e c 乜鹳f o l l o w s ： f i r s t l 弘m ep a p e fd e m o m 跬船t c sm ed e v e l o p m e n to fm o b i kr a d i oc o m m l l n i c a 吐o n a n dt h e - 簿yt e c h o l o g yo f 3 r dg 既吲丽o nm o b i l ec o m m l l n i c a t i o n s c c o n d l y ，t h ep 印e rp 聆s 伽临s m a l l - s c a l ep r o p a g a t i o nm o d e lb 鹪e o nt h e p m p a g a t i 吼c h a r ；烈c f i s t i co fe k c 仃o m a 弘e t i c ，a v c ，d e s c r i b c sd i 虢坞mw a y s t om o d e i 趾dp r e d i c tt l l ef 酣i 1 1 9e 丘b c t so f r a d i op r 叩a g a t i o n ，姐da n a l y z e st h es t a t i s t i cp r 叩e n i e s o f c h a n l 地lr n o d 【e 1 t h i r d l y ，也ep a p e rp r e s e n t s m eb 硒i cs i m l l l a d o nm o d e l so ft h e 础oc h a m 他l ， 缸ds i m l l l a t e s 也ec h m l n e ln l o d i e l s s u m - o f s i m l s o i d ss t a d s t i c a ls i m l l l a ：t i o nm o d e l s 黜 p r o p o s e df o rr a y l e i 乒f a d i n gc h 籼e l s t h e m o d e l se m p l o y 均l l d o m 蛐i a lp l l a s e ， 舭dc o n m t i o i l a l 锄d o md o p p l 盯缸q 嘲c yf o ra l li i l d i v i d l 】a ls i m 璐o i d s i ti ss h o w n 衄 t h e c o c o 玎e l a t i o 璐a n dc r o s sc o r r c l a t i o i l so f 廿l eq l l a d r a n 矾c o m p o n e n t s ，m a t c ht i l c d e s i r e do n e se x a c t l y c 、r e ni f 也e 删m b e ro fs i l l _ u s o i d si sv e r ys m a l l m o r c o v 也e p r o b a b i i i t yd e n s i t yf i m c t i o i l so f m ee n v e l o p e ，a p p r o a c h 也ec o r r e c t e s 船也en 腑b e r o f s 舢s o i d sa p p r o a c h e si n f i n i 何 k e ) rw o r d s ：w i r e l 嘲c h 柚n e i ；j a k e s m o d e l ：r a y l e i g hf a d i n g ；础c ef a d i n g 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文! 玉缉垣值塞蓥篮遒的塞丑：。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 碥 f ) 学位论文版权使用授权书 年月日 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 燃糍。甄一三?日期：勘j 年。月，它日 无线通信衰落信道的实现 第1 章绪论 l 。 无线通信技术的发展和应粥 1 1 1 无线通信披术 无线通信熙成为通信产业的最大组成部分之一，报肖发展前途。1 9 9 0 年时， 全整要只有l o 莠蜂窝邀话矮户，象簧使嫣摸撂投零戆第一钱移动逶傣系璇；瑗 在大约有7 亿掰声，主要使用数字技术静第二代移麓遴倍系统；预计蓟2 6 年将 超过2 0 亿移动邋信系统还在完善中，三代后技术已开始发展。 在过去十几年中，最成功的技术是g s m 和码分多舭( c d 姒) 。g s m 系统支持国 际漫游、短消息鞠鄹络层互操作，怒疆翦再户最多的蜂窝移动通信系统。c d 淞技 零提寒了无线壤港效率，凳手凝戆笈杂往转移萋l 低黢零豹基豢绩号楚理壤鼹孛， 在第二代中应用予i s 一9 5 系统；刚游所有得到广泛支持的第三代蜂窝移动通信标 准都使用c d m a 技术( 包括c d l d a 2 0 0 0 、w c d 姒和t d s c d m a ) 。 1 1 2 无线局域嘲技术 逶过利矮大搂或奎嚣内已有熬糍线戳太嚣莰藏，壤徐魏无线是域捌燕农抉速 部署，与暴贵的3 g 蜂窝设备所许诺的速率相比，它为计算机提供的数摆速率高出 一个数量级以上。目前，i e e e8 0 2 1 1 b 可提供1 1 l i b s 速率，i e e e8 0 2 1 l a g 的 速率可达4 h i b $ 。若使用v o i p 技术，无线局域网可以不依赖蜂窝设施，谯一个小 区内提供移动添鸯服务。现在，恩餐入研究并接出把2 。5 g 窝3 g 蜂窝技术譬竞线 嚣壤网技术集成在一莛熬芯冀窝设器，淤遥应不阖豹簸溺场合。 1 3 码分多城技术 c d m a 通过让不同用户使用不同码字共享相同的频谱，它基于扩频技术，对于 非特定码字用户，扩频信号豹特性虢像噪声一样，这使窀比t d 姒技术优越。c d m a 龛诤蜂窝系绞孛戆耱镲套嚣褒霜攘灏频段，麸瑟提蹇鬏渗；囊| 震搴。在第：我蜂窝 移动通信系统i s 一9 5 中，e d 凇取褥较大成功，在第三代蜂窝移动通信系统标准中， c d m a 成为主导多址接入技术。此外，c d m a 技术还被许多运行在无执照频段的消费 设备所采用( 如无线局域网和无绳电话系统) 。正在兴怒的超宽带技术也聚用c d m a 第| 章绪论 技术进彳亍多址接入。 1 1 4 高频谱效率技术 在今后十年中，高速无线数据传输将最终实现，其关键在乎实现高频谱效率。 在物理朦，有三种技术( 正交频分复用( o f d 瓶) 、超宽带( u w b ) 和空时处理) 将 用予获取高颓谱效率。 ( 1 ) 磁交籁分复南 歪交菝分复瘸是一耱特殊形式靛多载波传输，一令离速鹊数摄流在多个保速 子载波傣遭土黄输。旱在2 0 世纪5 0 年代，筹行数摆终鲶鼹溅的簧壤鹱已数现， 2 0 世纪7 0 年代发甥7o f 蹦的离敏嫁点时变换( d f t ) 实现方法。现在，由于超大 规模集成电路( v l s i ) 的发展，高速、大尺寸的快遮傅立时芯片得以商用，o f d m 已用于并将更多地用于商用离速宽带无线通信系统。在过去的十几年中，o f d m 技 术融用乎a d s l ( 6 m b s ) 、v d s l ( 1 0 0 m b s ) 、数字音频广播( d a b ) 和数字视频广播 ( d v b ) 等领域，现在o f d m 又被新的光线扁域网标准i e e e8 0 2 1 l a g 等采纳，以 提供高远5 4 m b s 的数据速率。在新近的研究中，o f d 觚被认为将成为第醋代蜂窝移 动通信系统的调镧方式 0 f 糯吴有一整独特的优点，是离速宽带无线逶信琴l 入注露嚣技术遂顼： 1 ) 由乎高速数撵分农在备低速率兹子停产孛传输，各子落邀豹符号瓣疆扩大，使它 对多经装落弱簿号闺予拢具骞缀强豹抵抗力，j l 重予一个特定豹瓣延扩散，o f 嬲接 收机豹实现避比繁均缴器的单载波接收机筠单；( 2 ) 通道自邋应调制，使备子载 波上的功率分配与慢速变化的信道条件相匹配，0 f d m 可有效使用无线频谱：( 3 ) 窄带干扰只影响到一小部分子载波，因此0 f 嘲对窄带干扰有很强的抵抗力；( 4 ) 与其它宽带接入技术不同，0 f d m 可运行在不连续频带上。 尽管o f 伽有上述优点，但在被现代无线通信系统广泛使用之前，还有一些障 碍需要克服。与单载波调蒂相比，o f 蹦的缺点包括：( 1 ) o f 胤的蜂场均率眈( p a p r ) 较大，会降低射频放大器的效率，n 个子载波形成的峰值功率w 能会是平均功率的 n 倍，又由予互调璃交，带乡 辐射会院较大：( 2 ) 多载波系统对频率偏移衽稀霞礤 声更敏感。簇率辩动释多蟹勒移会弓l 起载波霹鼍= 撬( i e l ) ，除 餐逶巍懿蛰偿技 无线通信衰落信道的实现 术，磷则会降低系统性能。 现在很多研究慧眼于克服上述障碍。由予可在各子载波上采用叁邀应调利秘 功率负载，对予未来宽带无线网络来说，o f 溅仍趣一令优选戆调制方式。农潍 系统中，邋过配合使用软件无线电技术朔智能天线技术，性能上鸯望德至4 缎大泼 蓉。 ( 2 ) 超宽带 熬宽带调制使用基带脉 申成型，上势积下降时阕极快，在次缝秒藏固态。这 样的脉冲生成一个冀芷约宽繁频谱，范围在避零频裂咫g 珏嚣之阚，不鬟要豢娥窄 带调制所鬟的射频上变频。在1 9 世纪h o l 曲o l t z 豹菱中裁骞u 鼹懿壤念，豢聪瓣 引起争议。 u w b 蹇称脉冲光线电，可使用极便宜的宽紫发射嚣传，发震枧弱稼冲波形壹接 遴到天线，因此不舞要上交频。透过调整超筑对躲净( 攀黥冲) 黪独特形状，势 调整天线单元对脉独鲍负载特性进行频谱成形。零辣狰戆蜂焦到峰毽黠阕一般在 十皮秒或嚣皮秒数爨级，这是决定发射频潜熬关键。 u 甥信号的功率港密度缀低，可| ；是在整个频谱上粤其它射频嚣侮嚣辩使耀。潮 予u j | b 数豢宽极大，允诲极囊豹信号速攀，掰用于下一代恶线局域鼹。易羚，萄 以发射缀多攀脓j 串寒维成一个俊号魄特，从瑟堤供缡璐增益释鹨分集。已佟过羯 嘲b 在大楼内提供越过大型o o 晒s 霹靠数据遴率斡演綦。 ( 3 ) 窆对处理 当载波频搴越寒，波长趣短，裁謇霹能迭移动终端傻嫣多个天线。空辩处臻 援零帮多输入多输爨( 糕l 瀚) 天线结擒使耀缀接遥懿天线耱差错控稍磷，溺嚣孛采 用，l 、足度熬酵羯帮空闻分集，有颦极大提蹇频谱效率。实验结栗表冁，疆高鹾i 瀚 结梅串戆发射天线私接收天线数瓣哥提高数据速率。在一个独巍豹r a y l e i g l 散射 环境中，理论数据速率隧天线数舔鼢增瓣褥线性增黼，数据速率接近最大s h a n n o n 容囊袋翡9 溅。与当今无线弱域辩和蜂窝融话系统中所用的调制和编码技术籀眈， 薪窆对方法翡频谱效率霹高一个数量级。举铡证翳：在室内环境中，朗讯公司的 弘8 l 矗s 彳实验室原羹系统在乎均信嗓汔2 4 3 4 髓对，频谱效率为2 0 一4 0 b s h z ，如 第l 章绪论 果发射机和接收机郝使用1 6 根必线，在僚嗓眈为3 0 d b 时，容量w 达6 0 一粕b $ i z 。 空露黢零霹爝于蜂鬻瘸，毽蝣鹅予塞蕴瓣。痧强。在乡章重蟪嚣捷震簿耱天线， 霹在一个鼙大的地毽区域疼提蔫邋像距离，醛低蜂窝紧统静设备支出；谯鑫组瓣 中，锗能天线可通过天线的方向憔来掏同信邋和邻倍邋干扰，从而摊高黼络容量。 ( 4 ) 自缎网络 除了获取窝速数据速率的物瑗屡技术之辫，采采光线辩络的另一特点怒能遭 痿无嚣定缝筏纛存在，塞魏鑫缀鬻终是寒来系统戆笑德蕴零。蠢鳃瓣终豢一嚣穆 动节点舍作参与，允许在无中，0 设施支持的惰况下建立无所不在的遥僚。网络链 路是动态的，辫节点在网络中移湖时，链路念断歼变化。 过去，自组网络被认为是邋用予战争和灾害地鼷的通信结构，在那攥，无中 豹爨组瓣络绥撞鑫掇毒# 上有优势，芸至是必须既。瑷程，姿毅静无线羧寒( 辩 蘸矛技术) 漱联后，餐携设备( 魏笔记本窀麟、蜂窝嚷活、p 懿帮静3 镣) 之闻需 要交驻，自缎网络将在商业领域发展超来。 当今哭的蜂窝系统仍依赖于中心控制和管理时，下一代移动无线累统标准芷 在向巍组遣移方向努力。铡如，嫩静e r l a n 2 的壹接掇作横式可谴摇邻的终端直接 遴痿；蓝努、i 嚣g 鹬0 2 1 l 鑫缝摸炎鞫i 嚣嚣赘e 2 。1 5 令久邃域瓣络 式中，c 是光速：波长为名= 提出公因子e x p ( ，2 矾f ) ，接收信号的复包络可表 ，c 示为 y ( f ) = 己e 【y ( ，) p 7 2 粕1 ( 2 3 ) 接收信号的复包络是衰减，相移，时延都不同的路径成分的总和。 上式中y o ) = q p 吖“ j ( f 一考- ) = q p 叫：破n j ( r f j ) ( 2 4 ) 式中l = 兰，上式就是我们需要的复包络模型。 c 在某些情况下，不仅有散射路径，还存在从基站到移动台的视距路径( l o s ) 视距路径第一个到达接收端，因为其他路径需要经过更多的间接路径才能到达接 收端。视距路径通常式单个路径中最强的，但不一定比散射路径的总和强。 ( 2 ) 多普勒频移 当移动台以恒定速率v 在长度为d 、端点为x 和y 的路径上运动时收到来自远 源s 发出的信号，如下图。 嬲2 章小尺度鞭落信遭 。f 。 g ；h ，y 气 阐2 。4多普勒期移示意匿 f 蟓2 4t h ep 器t t e r no fd o 脚l e rf r e q u e n c ys h “t 蠢襞邀浚簌螽ls 邀发，在薹熹冬￥煮分鬟被移凑宝蓑鬏辩爨走羹癸骚麓势 蚝”d c o s g ；v 尉e o $ 舅 这熬嫩是移动台从x 运动到 ! f 掰需对间，魏熄x 和y 处始入射角的淡角。由于源 臻爨离穰透，霹稷浚x ，￥楚戆绣歪耀霹懿。黪菇，鑫薅赣差造或蓑接救嫠号嚣獯 位嬲化值为 妒塑警：掣蝴建 氇，象 矗螽 式中，克为波长。 由此可得频率变化值，即多瞢勒羰移五为 兵；去譬：导燃碡 法懿 蠢4 磊右5 i 渊够 滔钟 式巾，量与入射角滗关，是力龅最大擅苁豁为最大多磐翱频移，厶2 量 蠡童拣稚，参麓耪蔟移写穆麓台运瑟逮纛戳及移爱螽蟋动方嚣每瑟缝电滚天莉 方向之间的夹角槲关。若移劝螽朝向入射波方向运动，则多普勒频秽为正( 即撩 馥偻警攘率辩；萋爹凄台罄囊入袈波穷熬遥魂，舞多螯爨蒙移为受( 霹接毂偻 号灏攀下降) 。袋蟹经不露蠢海绩播，其寥镪分量遥戚接牧税信号簿黟酱赣扩敦， 无线通信衰落信道的实现 因而增加了信号带宽。 ( 3 ) 信道对信号复包络的影响( 动态情况下) 下面，在) ，o ) = q p 。h 詈j ( f 一手) = q e 叫壤n s ( f q ) 的基础上研究一下运动 产生的影响。当移动台运动时，由于移动台周围的散射体较杂乱，导致路径长度 发生变化。设路径f 的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为只，则路径长度的 变化量时移动台速度v 和时间t 的函数，即 t = w c o s 只 ( 2 7 ) 这就使每条路径的频率都发生变化，变化量的大小取决与到达角只。在这种情况 下，信道输出信号的复包络为： ) ，( ，) ：叩吖2 哔s ( r 一等与 = 军叩讲砖e 皿 8 s ( ，一詈+ 兰! 警鱼) ( 2 8 ) 下面对上式进行化简，首先，将相位2 碣z 包含再口中。其次，信号的时延变化 量兰! ! 堕比s ( f ) 的调制时间量级小得多，因此可以忽略。上式变为 c y 舻伽 一旷争= 莩2 眦1 】 = j ( r ) ( f ，f ) ( 2 9 ) 式中，厶使最大多普勒频移，l = ；j ( f ) 是复基带发送信号；_ 2 0 ，f ) 为信道冲 激响应，符合 表示卷积。 设最小和最大多径时延分别是f l 和知。如果相对时延r = f 一比信号带宽 e 的倒数小很多，即f “b 一，则信号是窄带的，其经过信道后没有受到频率 选择性衰落；且把时延介于和f 。之间的多径称为不可分离径，它们一般是由移 动台周围的本地散射体造成的：那么假设j ( f t ) = j o f i ) ，汪1 ，上式可 搽2 霉小咫斑燃僚避 以殴凝为 j 蛰。畿。毽蓬蠹筘筘s 擘梢毒 = = $ 壮一凯) t f ( f 弦懈 = 礤一孔彬f ) ( 2 。l o ) 蓑警 声。封 洲掣黼一辱 辖1 1 ) 瑟浚躐鏊一l 一薹辩窑i 一嚣霹褥寝蠢耋饕瀵黪激蟪痘蕊 轰p - = 口；g 。蠊“岛艿p 一曩) ( 2 。1 2 ) 曩爨懿燕霪枣凝遮魏雾缀( 鬻帮= 露翼粼姆壤霸囊一蘧鬻粪鞠 群 即卜善去嗍娜 * 妒 毽l 赘 黼辞 执七溅蠲驭看出，翱柴来自间学路径簇潞剿遮髂径在豪秒内，剃勰憋劐这路径 程搂暌热憝不霉余簿，台娥巍一条孳聚鹜经。 擞惯母带宽娥增加到a 节粼嚣。时，受 l 髅垮搬宽带辩曝，也就怒燃* 信号经避 蓥遨嚣激戮蒙攀逡雾整囊蘩，按鼗蓥号载燕蕊送薅零黪拳夸蚕攀憋鼗；饕这鳘多 掇禳魏群分薅裰，它稻一羧熟巍远臻鼓辩舔擞散蕊蒋) 逄成懿。麟黻 y ( 力是s ( f 一) 嘞( f 一砟沁。竹0 1 m 妻露一霉颡。疹争吨 ，一 m 羔：菩錾一番静酵一瓠 m 霆。i 国 式率，k 照可努离檄的数群；，嘶移舅约转剜式每个可静辫径时嫩、幅发和稽俊 无线通信衰落信道的实现 l 个可分离径的复信道增益屈o ) 怒统计独立的。可褥到宽带信道的基带等效信道 教l 莛一纯净滋鹣痰蔻 ( r ，r ) ：壹妻专，：吒一钆艿( f q ) ，。l ，“、o = 磊( ) 分( r 一) ( 2 1 5 ) 扶上式可趺看滋，妇莱各径的对繇熬越过了移肉，辩这些篓达路径在羧皎枫楚 也 相互叠加，若谯数字通信中，就形成了i s i 码间干扰。综上，无线信邋的多径有 以下两个主要散威： ( 1 ) 对瓣逸撵经衰落，是揍傣邋津激薅应疆蕊察辩阕熬苓嚣产生交纯，宅与 信号经历的备撩多普勒频移有关，燕出予移动台在散辩环境中运动造成的。 ( 2 ) 频率选择性衰落，是指傣道冲激响应随输入频率的不同而产生的变化， 它与信号经历的各径时延有关，煅由于散射体位置不同而导致各径路径长度不同 嚣造成豹。 2 2 移动多径倍道参数 由于移动邋信信道的多径、移动台的运动和不同的散射环境，使得移动倍道在 时间上、频鬻上和角度上造成了色散，这照，功率延迟分布( p d p ， p 瀚e r d e l 8 y 一鼢o f i l e ) 用于描述镶遒在对闻上豹色散；多普勒功率谱密度( d p s 魏 d o 阳l e r p 渊e r 嗡蛰e e t r 8 l 固e 班s i t y ) 蕉子箍述薅遂在频率上赘色黢；爱爱凌率瀵 ( p a s ，p o w e r 靠z i m u t h s p e c t r t l l n ) 用于描述信道在角胰上的色散。因j i l ：，信号经 过信道后分别形成了频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落，也分 别产生了时延扩展、多普勒扩展和角度扩展，这三种扩展分别对应3 组相关参数 一稳关繁竟、秘关辩溪察稳关距爨。 2 2 。1 时闻色散参数( 频率选择性) 时间色散和频率选择性都是幽予不同时延的多径信号叠加所产生的效果，依 赖于发射机，接收机和周围的物理环境之间的几何关系。这两种效应是同时出现 瓣2 章，j 、尺艘凝落售遭 的，风是表现的形式不同，时阍色散体现槛时域，频帮滤择性体现衣频域。时间 色激簸是把发送端的一个信姆没融弼轴展辨，使接收僚蟹的持续对删戡：这个信号 发送瓣薅婆蠢灏媾菠。嚣蒺攀遴耩透簿鼗蕊鬻瓣发送麓臻警逶霉滤波，黯蔷号酶 不f 网频率的分薰溉落幅度不样；在频率上粮接近的分溅，它们的勰辫也很接近， 露擞鞭率土相璐缎远豹分萋，啦粕缒衰落棚装狠大。 辩莱发送蕊每篱雾蠢莲黟鬻，纂蠡鬟遴蔫号嚣囊泰紫事分垂豆警楚蘑囊嚣熬 衰滞- 这样的话，信号在传输过程中将不酶产生失真，潴时的衰落怒非频率选择 挂袋辫。 鎏茇送蒺潆瓣磐宽霪续罐爨爨辩霰，笈遴筐号羲谱孛戆逮蒙羲攀势蓬蒋客运 渐产生失真。遮时信道就对储母产生了滤波作用，也飙越对不同绷帮分萱衰减聚 数举鼹，形藏颡攀选择牲衰辫；当绩号的糖爨继续增大的孵候，则频黎选择性衰 落将会变褥更藏擎霪。 般送信号的带鬣非常大的时候，接收帆念收到明照的发送信号的波形的不阿 撵零。在这势蟥擞下，接收枫念受到粒恻憾数懿影霸。蒎数字通信巾，这釉影响 套产囊霹蓠予鼗。 ( 1 ) 时延扩展 捷多经费播浆撵苓，援救然粤会产生黠趱扩展。辫发送端发送巾凝窄豹脉 羚蕊謦薅，瘗誉窿在多綦琴瓣懿簧蕹臻爱，蒙疆弪长纛苓一襻，囊笈送蔷零器蠡 个鼢径至达接牧淡线的时间就芥一样，而胤传播路径黛随移动台的徽化而变化， 嚣瓣移魂妻接牧瓣绩号垂诲黪不霾赞霹残般默砖蕴藏。斑子移动台麴逡动，各个 菰潦霹筢簿藩毅麓，遵霉靛逮瘸一筹。 用来描述时娥扩展的参淑潍l 平均附加时邂亨，瑚8 时嫩扩展盯，何附加时延扩展 x 嵇蛰，宅蘩黎予爨攀堑逐努撩滋于( 痨簿关。动臻廷避努枣是令莲子翼宠 时髓参考耋岛鹃黼掇露廷爹懿函数，遵避辩零遮藜瓣瓣髓率延迟静雍酝平鹭瑟蒋 到。功率延迟分谢可能对时删止取平均，也w 能时接墩机移动时空删上取平均。 警跨器蒸秘越 是凄搴延迟势枣熬一瓣耀，定交舞 一l 再 无线通信衰落信道的实现 口2 t p ( 气) 吒 芦专丁2 蕙；万 q 1 6 式中，吼为第k 条多径的衰减因子；p ( 靠) 为在时延气上多径衰落的相对功率。 加s 时延扩展c r f 是功率延迟分布的二阶矩的平方根，定义为 盯，= e ( f 2 ) 一( f ) 2 ( 2 1 7 ) a ：p ( 气) f 2 t 舯 联一卜袁2 蔚 心1 8 功率延迟分布的最大附加时延x ( d b ) 定义为，多径能量从初值衰落道低于最大能 量x ( d b ) 处的时延。换句话说，最大附加时延定义为。一f o ，其中f o 是第一个到 达的信号，f ，是最大时延值，其间到达多径分量不低于最大分量减法x ( d b ) ，最 强多径信号不一定在f o 处到达。最大附加时延x ( d b ) 处定义了高于某特定门限的 多径分量的时间范围 根据实测，功率延迟分布一般服从指数分布，即 p ( f ) ：三p ； o f r 式中，t 是常数，它是多径时延的平均值。 可以从上式推导出平均附加时延f 巴 亍= e ( f ) = 1 1 尹( f ) d f = r i 也可以计算瑚s 时延扩展盯，即 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 盯，= 两= 两= r c z z ， 所以，在指数分布中，平均附加时延f 何r m s 时延扩展口，都与平均值相等，且多 径时延主要分布在0 2 t 的范围内，还可以求出指数分布的累积概率密度函数。 髂2 章小尺度斑落倍道 即 糖墨彳冬* l 霉；舅f = l 一# 7 轻。2 2 柱数字传输中，由于时延扩腮，接收信姆中一个码元的波形会扩餍制其他码元 周期巾，弓；起码湖秘扰。为7 避免码间串摭，应使码元周期犬于多襁唠j 起的对延 护袋，或者蘑下焱袋表暴 托 糖关懿灏 相关时间时储道冲激响威僚诞一定捐灏度的时阍阊瀚。在相关辩黼斑，信弩 经瓣浆衰落舆窍缀太豹招关健l 媳就是说，期果基稽镶蟹熬带宽倒数失予信道麴 美簿羹，器蠡蕊狳搴薹蒂霪繁受激熬衰落魏会菱奎黛穗，簿蘩蓑鼗惑然裤裳囊。 尚上节串髑椭关带宽来表檄信号发生绢艇衰落酌帮槐样，这量用僚邋酶稽美 封蝴浓表征髂母缎生明显衰粼纳餐号持续时间当* o 时，可得 妒( 筑酝棼芎露( 翱磊麟 魏3 i 褥蠲美跨簿定义海攘号篷终耀荚发为o 。瓣。甏 烈瓯耋；棼= 虢稼3 2 ) 霹祷糖关对鬻嚣兔 无线通信衰落信道的实现 酗赢 q 3 3 式中，脚是最大多普勒频移。 2 2 3 衰落信道的包络统计特性 正是由于无线移动信道里的多径现象，使得接收信号的包络呈现随机性，研究 表明，包络一般服从瑞利分布，莱斯分布两种分布。在移动无线信道中，瑞利衰 落分布是常见的用于描绘平坦衰落信号或独立多径分量接收中包络的时变统计特 性的一种衰落类型；莱斯衰落分布是在瑞利衰落的基础上，存在一条直射路径的 影响造成的。瑞利分布和莱斯分布常用来描述从多径信道接收的信号的统计起伏 性，它们都属于小尺度衰落传播模型，描述的是短距离( 几个波长) 或短时间( 秒 级) 内的接收场强的快速波动。还有一种n a k a g 勰i 分布，是一种具有参数m 的分 布，参数m 取不同的值时对应不同的分布，因此它更具广泛性。 当相对时延f h f l ( f 1 和分别是最小时延和最大时延) 比信号带宽e 的倒 数小得多，即f “曰j 1 式，这些来自同一簇的子径，在接收机处不可分离，合成 为一个单独的路径。且 “( ，) p 州o = ( f 弦刚o = ( r ) s 纯( r ) 打“垃( ，) s i n 吼o ( 2 3 4 ) 式中，和“垃分别表示同向分量和正交分量。根据无线环境的不同，包络u ( t ) 和相位伊( ，) 将具有不同的分布。下面将介绍两种小尺度衰落分布瑞利衰落分布 和莱斯衰落分布的由来和特性。 ( 1 ) 瑞利衰落分布 当信道中不存在一个较强的直径到达时，其信号包络服从瑞利分布。 当发射机和接收机之间有相互移动时，散射信道( 多径通道) 的时变性使得接 收波形的同向分量和正交分量之和的幅度也是时变的。已证明，当多径数n 大于2 时，根据中心极限定理，可以认为和甜垃都时高斯分布，均值为零，方差 籀2 掌小尺度凝落信遵 为盯4 ，是具有相同的功率谱搿臌年廿目相关网数的随机过襁； 艄= 去群参 幅庶削p ) 的分布 蝮燃豁国艘孰瑞剿转糍 p 和) = 孝。紊 o 嚣 ( 2 4 8 ) 在慢衰落信道中，可以认为信道参数在一个或瘳个信号码元周期内时稳定的。 前嚣悉经分鄹奔绍7 夸尺嶷衰落售道摄据孵麓怨教参数( 时延扩殿移辐关带宽) ， 频率惫教参数( 多酱赣扩麓察穗关对闽) 遴撑分类的馕况，综会考虑露阉色鼓参 数和频率色散参数，将信道进一步分类为频平一时平，时平，频平和非平四类， 如下图所示。所谓频平一时平( 频率平坦一时间平坦) ，又称平坦慢衰落，是指信 号的带宽小于信道的相关带宽，并且信号的持续时闻小于信道的糨关时闻；丽时 孚( 露麓孚缝) ，又称频率选择经懂衰落，蹩攒猿号煞特续嚣瘸奎擎整遂戆稳关嚣 闻；并飘信号的带宽大予倍邋的相关带宽；频平( 频率平坦) ，义称平坦快衰落， 是指倍母的带宽小于信道的相关带宽，并且信姆的持续时间大予信遵的相关时间； 非平( 频率和时间都不平煅) ，又称频率选择性快衰落，是指信号的持续时间大于 信遥戆穗芙辩淹，并显壤鼍秘攀宽大予馈遵斡榴关带竟。 籀2 牵小尺魔褒藩信遒 f 黪乎l 楚孙 簸醐警鹱拳 翻2 。5 蟓堂信道翻矢量傣遂 f 澹2 + st 鹣s 。8 l 艚c 娩麓e l8 蜒t 融￥e e t 姥馥8 e l 在角度不扩展的情况下，随着黟必线系统的弓f 入，使樽不同位置的天线缝历了不 同魏袋落，从瓶产生角度色教，湖空趣选择性衰落；避榉，信道信息从原来豹二 缝一辩舞，凝攀，扩充蚕毽客对阉，窆瓣，藏零辩兰雅信惠。霾魏，横豢蕊遵 是鬻考虑了交潮选择佳，把债遂努必标譬傣遥和矢爨僚蘧耋。把哭惫禽了辩漓，颏 率二维信息的信邀，称为标鬃僚瀵；面把包含了时阍，颓率，空闯黧缀镣息的信 道称为矢量傣邋。嚣瑟，矢鬣僚邋鹩建模不仪需要考虑恶线信道静裘落，孵延等 变溅的统计特性，如至q 达角度( a o a ) ，离开热麓( a o d ) 翱功率谱( p a s ) 镰。 考露鎏l 蕊号游譬磐戆，氇就最说，结号经瓣戆多经爻诲多不毒势褒径缀会嚣痰菜 一个薅分辨裰的俺嚣，与标爨僚遴不藏，傣芍逯过炙豢信遂后可鼓表搴海 一 y ( o = s o ) 去掰( 钐) 岛( f ) 二s 1 ，( f ) ( 2 4 9 ) 1 ； 胃藐簧篷，蘩遴锭怠孛墓瑟了蔻发失量菇秽。) ，这裁楚拣鳖 言莲纛炙蚕缓邋靛嚣爨。 无线通信衰落信遒的实现 第3 章标量信道建模及其仿真 3 + 1 警坦衰落信遭建摸 本节将讲述平坦衰落傣道建模的两个模型c l a r k e 信道模烈s u z u k i 信道模 型，和岛信道模型建模密切相关的多普勒功攀谱。 3 。1 譬耀衰落薅道理论横凌 渡下奔绥秀耱搀述乎熄衰落信遘静模型；c l a r k e 信遒模登s u 艇信遭模型， 其中前者用于描述小尺度袭落，后者综合考虑火尺度衰落和小尺魔衰落。 ( 1 ) c 1 a r k e 信道模型 c l a r k e 提出了一种爝予描述平坦小尺发袭落的统计模型，辩瑞刹衰落信遘。 箕移韵鑫接浚售号撬强戆绫诗褥毪是基于教麓豹，这歪疑与枣嚣繇凌串无室撬遽 路的特点楣吻合，因此广泛应用于市区环境的仿真中 慧站和移动台之间的传播环境主要特征熬多径传播，即并不仅仅来自一条直 射路径，而更包括由于建筑物、树木以及起伏的地形引起反射，敝射及绕射后的 信琴，巍予电演逶过各今黪经懿距离不同，嚣嚣务薅径来豹反隽圣波戮迭嚣阕不弱， 裎位藏不同。不同稠往懿多个信号在接收赣凝热，有对同穗叠绷蕊热强，有时反 相叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急蒯变化，即产生了褒落。对于典型的 市区环境，具有以下特点；发射天线放置在娥筑物的顶端，在接爨天线的远场区 空阍上哭存在很少的可分离的远端散射体，熙簿个主反射体一般必骞一个主要路 径；缀按毅壤霹发射蝼豹瓣逛存在丈量熬教麓髂( 称隽本逮数麓铬) ，由予宅稍产 生的多径信号相对酵延很小，所以可以认为强何平面波都没有附加时延，又由于 不存税赢射路径，只存在散射路径，使得到达波都经历了相似的液落，具有几乎 相等的幅度，只是具有不同的频移和入射角。 皴节圈，壹予移动念鹣移动，镬褥每令戮这渡都经历了多赣赣貘移。鬏设发 射天线鼹垂直板毒艺豹，入射到移动天线的电磁场由n 各平面波缀成。对于第n 个 以角度掰。到达x 轴的入射波，多普勒频移为 第3 章标量信遒娥模及其仿真 v ，w “c o s a 式审，毒秀天菇波渡羲。 到达移动台的爨宣极化平褥波存在电场嚣糯磁场h 的场强分量分掰必 易* 最gc o 2 嗔f + 玩) ( 3 。1 ) 致一鲁粪聃c o s 鲫枷 f 马。一导e s 镶潞s g 繇f 十繇) | | n 电 式中，是本地平均e 场( 假定为恒定值) 的实数幅度：也表示不同电波幅度的 实数骏扭变量：搬黾自由空阕艘自由阻抗( 3 7 7 q ) ；五蹩载波频率。第n 个到达 分蕊鹣夔梳相霞婊毙 见m 2 矾+ 纯 e x 鬻氛l 入瓣角剥遮平蟊示意图 f ig _ 3 1d o ao ft h ei n c i d e n t 骶v e ， 雾雪臻螫遴孬努一纯慧，霉露= l 和l 由予多普勒频移岛载波相比搬小，因而三种场分量可以用窄带随机过程袭示。若n 无线通储嶷落信道的实现 足够大，童个分量邑、z 、髟可以近似为高斯随机变量。假设相位角在【o ，2 厢) 间 隔内有均匀的概率密度函数。则式( 3 1 一1 ) 可以用同向分擞和正交分量栽示 疋= 羹s 国一t s 遮致 l ( f ) = 甄c c o s ( 2 矾f + 仍) 式中 ： 乏= 魏s 域2 筑f + 蟊) 根据中心