（通信与信息系统专业论文）移动通信信道特性分析与模拟研究.pdf

西南交通大学研究生学位论文 摘要 i 无线信道的建模和特性分析是准确预测和评价移动通信系统性能的基础 也是进行移动通信网络规划和系统设计的依据 本论文重点对移动通信经验传 播信道模型 理论传播信道模型 移动传播环境对系统误码性能影响等问题进 行了分析和计算机仿真研究 论文首先分析了无线信道的物理特性 讨论了陆地移动通信无线电波传播 机理 并对信道的衰落特性进行了分析 从时延域和多普勒频移域两方面对信 道的多径传播特性进行了讨论 并将移动通信信道描述为随机时变线性信道 本文分析了信道的衰落特性对无线传播环境的依赖关系 信道色散特性参数对 系统性能的重要影响 此外 本文还从移动通信无线传播的角度研究了典型的 铁路无线传播环境下的信道特性 利用移动通信经验传播预测模型 本文对电 波传播路径损失和无线覆盖进行了计算机模拟仿真 接着 利用基于信道冲激 响应的抽头延时线模型 作者完成了多径衰落信道仿真器的设计 该仿真器可 模拟由信道功率时延谱 时延域 和多普勒功率谱 频移域 所表征的各类无 线传播环境 对信道多径衰落过程的研究表明 该过程可以等效为一个复高斯 噪声过程 并且该噪声过程具有多普勒频移特性 为了研究传播环境对信道特 性的影响 本文进行了大量的计算机模拟仿真 如g s m0 5 0 5 所建议的典型城 市 t u 传播环境和山区 i t t 传播环境等 通过将实测信道冲激响应进行离 散化并作简化处理 本文还模拟了隧道传播环境下信道特性 通过对c l a r k e 模型的推广 本文模拟和分析了多普勒功率谱特性对系统性能的影响 最后 为了研究相关性散射 c s 性质以及该性质对信道特性的影响 作者分析了具 有任意互相关系数的衰落信号包络实现过程 并模拟研究了信道相关性散射特 性对误比特 b e r 性能的影响 关键词 移动通信铁路移动通信无线信道无线电波传播瑞利衰落 路径损失多普勒功率谱信道冲激响应计算机仿真 西南交通大学研究生学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sc h a n n e l m o d e l i n g a n dc h a r a c t e r i z a t i o nh o l d g r e a tp r o m i s e f o r a c c u r a t e l yp r e d i c t i n ga n de v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a n da r et h ef u n d a m e n t a lb a s i so ft h en e t w o r k p l a n n i n g o fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n sa n ds y s t e md e s i g n i nt h i s t h e s i s e m p i r i c a lp r o p a g a t i o nc h a n n e l m o d e l s t h e o r e t i c a lp r o p a g a t i o nc h a n n e lm o d e l sa n dt h ee f f e c t so fm o b i l er a d i o p r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t so nt h es y m b o le r r o rr a t ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma r e a n a l y z e da n ds i m u l a t e d t h et h e s i ss t a r t sw i t ht h ed e s c r i p t i o no ft h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h ew i r e l e s s c h a n n e lt h a tm u s tb em o d e l e d ad i s c u s s i o nt od i s t i l l a t et h eg e n e r a lm e c h a n i s m so f l a n dm o b i l er a d i op r o p a g a t i o ni sf o l l o w e db yt h ea n a l y s i so ft h ec h a n n e l f a d i n g b e h a v i o r t h em u l t i p a t hn a t u r eo ft h ec h a n n e l i sc h a r a c t e r i z e de x p l i c i t i yi nb o t ht i m e d e l a ya n dd o p p l e rs h i f td o m a i n g i v i n gr i s e t ot h er a n d o m l yt i m ev a r i a n tl i n e a r c h a n n e l t h ed e p e n d e n c eo ft h ec h a n n e lf a d i n gb e h a v i o r u p o n t h er a d i op r o p a g a t i o n e n v i r o n m e n tu n d e rc o n s i d e r a t i o ni s a n a l y z e d a n dt h ee f f e c t so ft h ec h a n n e l d i s p e r s i o np a r a m e t e r so nt h es y s t e mp e r f o r m a n c ea r ed e m o n s t r a t e d i na d d i t i o n t h e p r o p e r t i e so f r a d i oc h a n n e l si nt y p i c a lr a i h o a de n v i r o n m e n ta r ei n v e s t i g a t e df r o mt h e p r o p a g a t i o np o i n to fv i e w t h e n n u m e r o u ss i m u l a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u tt o p r e d i c tt h ep a t hl o s s a sw e l la sr a d i oc o v e r a g ew i t he m p i r i c a lm o d e l s n e x t t h e m u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e ls i m u l a t o ri sd e v e l o p e du s i n gt l r et a p p e dd e l a yl i n em o d e l b a s e do nt h ec h a n n e li m p u l s er e s p o n s e t h es i m u l a t i o nc a nb ec a r r i e do u tu n d e r d i f f e r e n tp r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n td e s c r i b e db yt h ep o w e rd e l a yp r o f i l e t i m ed e l a y d o m a i n a n dt h ed o p p l e rs p e c t r a d o p p l e rs h i f td o m a i n t h e o r e t i c a la n a l y s i s i s p e r f o r m e dt os h o wt h ef a d i n gp r o c e s sc a nb ed e s c r i b e da sac o m p l e xg a u s s i a nn o i s e p r o c e s s i nw h i c ht h ed o p p l e r s h i f tp h e n o m e n o ni se m b e d d e d e n o r m o u ss i m u l a t i o n a n da n a l y s i sh a v eb e e nc a r r i e do u tt o s t u d y t h ei n f l u e n c eo ft h ep r o p a g a t i o n e n v i r o n m e n t s s u c h a s t y p i c a lu r b a n t u h i l l yt e r r a i n h t a n d s oo n r e c o l n m e n d e db vg s m0 5 0 5o nt h ew i r e l e s sc h a n n e lb e h a v i o r b yd i s c r e t i s i n ga n d s i m p l i f y i n gt h ec h a n n e li m p u l s er e s p o n s eo b t a i n e df r o mm e a s u r e m e n t s t h ec h a n n e l b e h a v i o ri nt u n n e l p r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n ti ss i n m l a t e d t h r o u g he x t e n d i n g t h e f a d i n gc h a n n e lm o d e ld e v e l o p e db yr h c l a r k e t h ei n f l u e n c eo ft h ed o p p l e r s p e c t r a o i lc h a n n e lb e h a v i o ri ss i m u l a t e da n da n a l y z e d f i n a l l y w es t u d i e dt h e c 0 1 r e l a t e d s c a t t e r i n g c s a n d t h e i ri n f l u e n c eo nt h ec h a m l e ic h a r a c t e r i s t i c s a p r o c e d u r e t og e n e r a t ef a d i n ge n v e l o p e sw i t ha n yd e s i r e dc r o s sc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t 西南交通火学研究生学位论文 i s p r o v i d e da n d t h e i re f f e c t s0 1 1t h eb i te r r o rr a t e b e r p e r f o r m a n c eo fm o b i l er a d i o c h a n n e l sa r es i m u l a t e da n ds t u d i e d k e yw o r d s m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s r a i l w a y m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s w i r e l e s s c h a n n e l r a d i ow a v e p r o p a g a t i o n r a y l e i g hf a d i n g p a t hl o s s d o p p l e rs p e c t r a c h a n n e l i m p u l s er e s p o n s e c o m p u t e r s i m u l a t i o n 西南交通大学研究生学位论文 第一章绪论 研究和开发移动通信系统的首要工作就是认识移动通信无线传播信道本身 的特性 并研究电波传播的规律 1 8 可以认为 移动通信信道和电波传播问 题是研究移动通信频谱利用率 系统规划与设计的基本问题 既具有实用价值 也具有理论意义 实际上 移动通信信道特性已成为许多理论分析和现场实测 的课题 并已得出了许多研究成果 本章首先描述移动通信无线信道研究的意 义和国内外研究现状 然后介绍本文的主要研究工作 1 1 移动通信信道特性研究目的与意义 为了说明对移动通信信道特性进行研究的重要意义 我们可以对移动通信 系统组成加以分析 以了解无线信道特性对整个系统性能的影响 典型的蜂窝 移动通信系统的组成结构如图1 1 所示 2 由图1 1 可见 蜂窝移动通信系统一般由移动台 m s 基站 b s 和移 动交换中心 m s c 以及与公用通信网接口等部分组成 其中 移动台由用 户设备构成 基站系统由可在小区内建立无线电覆盖并与移动台通信的设备组 成 实现的功能包括控制和无线传输功能 每个基站都有一个可靠通信范围 称为无线小区 移动交换中心 m s c 对位于其服务区内的移动台进行交换 西南交通大学研究生学位论文 和控制 同时提供移动网与固定公用电信网 p s t n 的接口 它是蜂窝移动 通信网的网络核心 可以看出 公用电话网 p s t n 和移动交换中心 m s c 以及移动交换中心 m s c 与小区基站 b s 之问都是通过有线方式连接的 而小区基站 b s 与小区内的移动台 m s 之间是通过无线方式进行连接的 这是移动通信很具特色的部分 与有线信道相比 无线传播信道所面i 晦的传播 条件是复杂而恶劣的 在有线信道中能很好工作的语音编码器 调制解调器和 同步装置在移动无线环境中工作性能将会大大恶化 1 2 9 1 4 在研究和开发数 字移动通信系统时 从选择频段 分配频率 研究无线覆盖 计算通信可靠性 到最终确定无线设备的参数 都有赖于对无线信道特性的认识 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 在陆地移动通信系统中 移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的 区域 其天线将接收从多条路径传来的信号 再加上移动台本身的运动 使得 移动台和基站之间的无线信道多变且难以控制 可以认为 移动通信信道和电 波传播问题是研究移动通信频谱利用率 系统规划与设计的基本问题 是既具 有实用价值也具有理论意义的重要课题 1 2 无线传播机理与移动通信信道特性 1 2 1 移动通信无线电波传播 1 2 移动通信无线电频段与传播特性 无线传播存在许多不同的机理 取决于各自的发射频率 研究不同频段电 波的传播特性 对于更好地利用频谱资源 开发新频段等都具有十分重要的意 义 对于工作在v h f u h f 频段的移动通信系统来说 电波传播的主要方式 西南交通大学研究生学位论文 是视距传播和非视距传播 这就决定了移动通信无线传播具有不同于其它无线 电波传播的特性 图卜2 卜3 给出了不同频段电波传播方式与特性 移动通信电波传播方式 7 重要的系统参数 如接收信号功率或电波传播路径损失 都是通过基于电 波反射 绕射和散射传播机理的传播模型来预测的 后面将要讨论的信道衰落 特性 多径传播都是建立在对这三种基本传播方式进行分析的基础上的 反射 当电磁波入射至一个具有与波长相比较大尺寸的物体表面时 会发 生反射现象 当电波入射至地面 建筑物和墙面等物体表面时 反射方式是主 要的电波传播方式 绕射 当电波传播路径上存在表面具有尖锐边缘的障碍物时 会发生绕射 现象 这时 障碍物后电波传播方向上会产生绕射波继续向前传播 相当于电 波在传播过程中发生了 弯曲 现象 在很多情况下 不存在视距路径 也可 接收到信号 正是由于存在这种绕射传播方式 在u h f v h f 频段 绕射传 播方式也取决于障碍物的尺寸 以及电波本身性质 如幅度 极化方式等 散射 若电波传播路径上存在许多尺寸与电波波长相比较小的障碍物时 会发生散射传播现象 散射传播方式是由尺寸较小的障碍物的粗糙表面引起 的 在实际传播条件下 街道标志 邮筒等均可引起电波散射现象 自由空间传播 7 与移动通信v h f u h f 电波传播 1 2 自由空间是指发射端与接收端无任何障碍物阻挡而存在视距传播路径的无 线传播环境 这是用于理论研究的理想传播模型 自由空间传播模型用于预测 该传播条件下接收信号的功率 设自由空间中 发射端与接收端间距为d 则接收端的接收功率可表示为 删 掣 z 其中 只为发射功率 g 和g 分别为发射天线与接收天线增益 九为电波波 长 只与只的单位相同 以w 或 w 表示 g 和g 无量纲 由该模型可以看出 在自由空间中 接收功率与距离d2 成反比 当以d b 表示时 功率只与d 间关系为2 0 d b d e c 西南交通大学研究生学位论文 4 然而 在v h f 3 0 m h z 3 0 0 m h z u h f 3 0 0 m h z 一3 g h z 频段 电波传 播主要传播机理指视距方式 l o s 和非视距 n l o s 方式传播 直射波和 反射波的传播路径差决定了信号在接收端的增强和减弱 如图1 4 所示 其中 t r 分别为信号发射端和接收端 当d 1 h 2 时 直射传播路径和反射传播路径经历了近似相同的路径 长度 则电波衰减也相似 但路径长度的差异可使接收信号的相位差变化很大 直射传播路径长度d d d2 啊一h 2 2 1 2 1 2 2 反射传播路径长度d dz 啊十 2 r 2 1 2 3 以二项式定理将上述两式展开并相减 可得传播路径长度差为 兰监 1 2 4 d 对应的相位差为 妒 4 r c h r l h 2 1 2 5 若处于自由空间d 位置的发射端产生的场强大小为岛 则由直射路径传 播的接收信号场强为 e e o d o d s i n c o t 岛 d o d s i n o j t 1 2 6 类似地 对反射路径 e e o d o d p s i nc o t z e o d o d p s i n t 百t 1 2 7 西南交通大学研究生学位论文 其中 p 为反射系数 则由直射和反射路径产生的场强和为 e e d e e o d o d s i n o 叫 p s i n c o t 一 将p 表示为向量形式 p l e l l l f 并作合理的近似 则 1 2 8 e e o d o d s i n 2 z r h l h 2 脑 j i 2 9 则接收场强大小随天线高度而变化 最小值为o 最大值为直射路径场强大小 的2 倍 对于距发射端较远 而距地面较近的点 可作进一步简化 即 脚岛争百2 兀h l h 2 鲁 等等 1 2 1 0 即场强与距离的平方成反比 因而可得接收功率与距离d 的四次方成反比 在 陆地移动通信系统中 衰落信号的平均强度与自由空间相比 损耗要增加 2 0 d b 路径损失与经验传播模型 7 路径损失表示无线传播过程中 信号功率的衰减大小 它定义为有效发射 功率与接收功率之比 以d b 表示 一r 一一 p l d b 1 0 1 0 9 旦 一1 0 i o d 堕兰 竺l 1 2 1 1 只 l 4 m 2 j 路径损失有时也称为传输损耗 上式表示了自由空间中两个理想点源天线 g 1 之间的传输损耗 反映了自由空间中发射 接收天线间无线信道 的传播特性 在实际的移动通信系统中 由于传播环境并非自由空间 则路径 损失由于地面发射 大气吸引等因素 比自由空间中的值大许多 移动通信电波传播模型有两种 一种用于预测给定位置的接收信号场强 另一种用于描述该空间位置附近信号场强的变化情况 前一种传播模型以发射 端与接收端距离等为参数 预测接收端信号场强 从而决定无线覆盖情况 这 种模型又称长期衰落传播模型 而后一种传播模型 是用于描述接收信号场强 在很短传播区间内的快速变化特性 又称短期衰落或快衰落模型 经验传播模 型是根据在各种地形条件下场强实测数据中总结出来的 适用于不同的场合 工程中常通过建立传播预测的经验模型进行路径损耗预测 已建立的经验模型 西南交通大学研究生学位论文 一6 一 有h a t a 模型 3 6 c o s t 一2 3 1 h a t a 模型 8 5 和c o s t 一2 3 i w a l f i s c h l k e g a m i 模型 5 5 5 7 8 5 等 1 2 2 移动通信信道衰落特性统计分析 移动通信信道多径时变特性 陆地移动通信电波传播主要以反射或散射为主 移动台的运动 多径反射 地形起伏和时延散布使电波传播特性非常复杂 主要表现为 多径衰落 阴影 效应和多普勒频移 多径传播与移动台运动是陆地移动通信的主要特征 电波传播过程中会遇 到建筑物 树木等障碍物 引起电波的反射 散射与绕射等 同时 由于移动 台的运动 接收信号的频率会发生变化 即多普勒频移 因而 移动无线传播 环境是一个多径 时延 时变的电波环境 如图l 一5 所示 在这种传播环境下 对移动通信信道特性的分析研究可从多径传播与由移动台运动而导致的多普勒 频移这两个方面来进行 多径传播使接收信号的幅度 相位和到达时间发生变化 并且到达移动台 的接收信号来自许多不同路径 这些具有不同到达时延的接收信号在接收端相 互叠加 造成信号的损失 就数字移动通信而言 多径效应将引起的脉冲信号 的延时扩展 时延扩展将引起码问串扰 i s d 严重影响数字通信质量 在窄 带系统中 多径效应使接收信号的幅度 相位发生快速剧烈的变化 而在宽带 系统中 当发射端发射一个脉冲时 接收端收到的是一串延时和衰减了的脉冲 这就会引起严重的码问串扰 多径效应对信道特性的影响取决于很多方面 首先是主路径的存在与该主 路径所具有的信号功率大小 在移动通信无线传播环境中 主路径在许多情况 下是存在的 一些室内无线通信系统 卫星移动通信系统中 信号传播存在视 西南交通大学研究生学位论文 距路径 可显著减小信号衰落的深度 影响信道的衰落特性 在移动无线传播环境中 由于移动台或周围反射体的运动 到达接收端的 多径信道是时变的 各多径信号分量的频率发生了变化 即多普勒频移 不同 的多普勒频移形成了信道的多普勒功率谱 也就是说 接收信号的频率发生了 变化 位于一个频带范围内 如图1 6 所示 考虑移动台速度为 常数v x 与y 间距为d s 为发射台 s 点至x 和y 的路径差为 f 并且 a i d c o s 0 v a t c o s 0 其中血是移动 台由x 运动至y 所需的时间 设s 离 x y 点很远 则x 点处的s x 与x y 之间的夹角与y 点处的0 近似相等 则 由于传播路径差 f 导至电波相位差为 西 堡 a i 2 r c v a z t c o s 0 兄丑 1 2 1 2 因而 接收信号的频率也发生了变化 变化量为对应的多普勒频移厶 6 可表示为 上 笪 旦 c o s 0 1 2 13 2 丌a r丑 上式将由于移动台运动而导致的多普勒频移与移动台运动速度 移动台运 动方向与电波入射方向夹角联系起来 由上式可看出 若移动台朝着电波入射 方向 则0 大小近似为0 对应的多普勒频移为正 若移动台运动方向与电波 入射方向相同 则0 大小近似为巧 对应的多普勒频移为负 以上两种情况分 别对应于接收信号频率增大和减小的情况 这使接收信号频谱被展宽 位于以 载波频率为中心的一段频带上 信道短期衰落特性与长期衰落特性 4 移动通信信道是随机时变信道 信道的衰落特性取决于无线传播环境 可 分为长期衰落特性与短期衰落特性 长期衰落是由于传播环境中地形起伏 建 筑物及其它障碍物对电波遮蔽所引起的衰落 而短期衰落是由于移动无线传播 环境的多径传播而引起的衰落 这两种衰落特性 如图1 7 所示 1 在数十波长的范围内 接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征 这就 是多径衰落 也称快衰落或短期衰落 在数十波长范围内对信号求平均 西南交通大学研究生学位论文 喝 可得到短区问中值 2 在数百波长的区间内 信号的短区间中值也出现缓慢变动的特征 这就是 阴影衰落 又称慢衰落或长期衰落 在较大区间内对短区间中值求平均可 得到长区间中值 大量实测数据和理论分析表明 在多径传播条件下 接收信号的包络服从 瑞利分布 6 相位服从均匀分布 即接收信号幅度r 相位0 的概率密度函数 为 p 乓8 一 2 4 2 r o 1 2 1 4 尸 口 一 0 9 2 万 j 2 1 5 同时 上述讨论是基于 不存在视距路径 这一假设的 在离基站较远 非视距传播时 上述假设是成立的 而当存在视距传播路径时 接收信号的包 络就不再服从瑞利分布 而是服从莱斯分布 6 7 莱斯分布的概率密度函数为 m j 孝唧卜学 0 c 舢 0 r 0 其中 a 是直射波幅度 为第一类0 阶修正贝塞尔 b e s s e l 函数 莱 西南交通大学研究生学位论文 一9 斯分布由参数k 描述 k 定义为直射路径信号与散射路径信号功率比 即 k d b l o l 8 丽m 2 柏 1 2 1 7 k 有时也称为莱斯因子 用它可以表 征莱斯分布 特别的 当k 趋于负无穷 大时 即视距路径信号非常小时 接收信 号幅度分布趋予瑞利分布 而当k 远大 于1 时 即主路径信号相当强时 信号幅 度分布趋于高斯分布 图1 8 表示出了典 型的莱斯分布概率密度函数 另外 当移动台距基站非常近时 视 距传播路径上信号相当强时 实测结果表 明 信号幅度的分布既不是瑞利分布 也 不是莱斯分布 而是高斯分布 7 l 移动通信信道的长期衰落是指接收天线处场强中值随移动台运动时周围地 形 建筑物等的变化出现的波动 当电波在传播路径上遇到起伏地形 建筑物 树林等障碍物阻挡时 会产生电磁场阴影 导致接收天线处场强中值的变化 从而引起长期衰落 大量的统计结果表明 信道的长期衰落特性可用对数正态 分布来描述 接收信号的局部均值近似服从对数正态分布 其概率密度为 6 7 p 杀 争 1 2 1 8 4 2 玎叮 其中 i 为整个测试区的平均值 即r 的期望值 i 取决于发射机功率 天线高度等因素 d 为标准偏差 取决于测试区地形 工作频率等因素 理论研究和实测结果表明 7 在u h f 和v h f 频段 电波传播路径损失 为 p 云 d f l d o i o n l g d d o 1 2 1 9 其中 d 为发射端与接收端距离 d 为参考距离 d 处路径损失声乙 如 可由 现场实测或式 1 2 1 计算得出 n 为路径损失指数 与具体传播条件相关 它表示路径损失随距离增加而增大的快慢 在自由空间中 n 为2 也有n 小 了二2 的情况 如室内视距传播时 1 1 为1 6 至1 8 以及后面将要讨论的隧道中 情况 这是因为该传播环境中存在波导效应 然而 式 i 2 1 9 所考虑的只是一种平均情况 因而不能反映具体的传 西南交通大学研究生学位论文 m 0 播环境 应当对环境变化所带来的路径损失变化情况加以考虑 由前面讨论可 知 信道的长期衰落特性服从对数正态分布 则可引入一对数正态分布随机变 量x 对f e d 加以修正 即 p l d r e d x g e d i o n l g 善 x 1 2 2 0 d o 其中 x 是以d b 表示的零均值正态分布随机变量 标准差为a 也以d b 表 示 引入了x 之后 就可表示不同传播环境下信道长期衰落特性 其中仃值 表示了路径损失值的离散程度 反映了特定传播环境下路径损失变化的幅度 信道弥散与选择性衰落特 陆 移动通信信道是随机时变信道 信道功率延时谱和多普勒功率谱对于研究 信道的时域发散和频域发散是非常重要的 信道的延时导致了信道的时域发散 和频率选择性衰落 而多普勒频移引起了信道频域发散和时间选择性衰落 并 且这一切都与发送的信号无关 是移动通信信道本身的特性 由功率时延谱的傅立叶变换可得到信道的频率响应性质 它表明了频率间 隔为 厂的信号包络相关特性 相关带宽毽是体现这种相关特性的重要参数 它是指频率分量具有很强的包络相关性的一段频率范围 信道的时域发散性质使接收信号比发射信号 拉长了 在接收端 某些 频率的信号分量衰减大 两个频域相近的分量将经历相似的衰落过程 这就是 信道的频率选择性衰落特性 从时域看 当信道最大时延大于码元周期时 信 道具有频率选择性衰落性质 从频域看 当信号带宽大于信道相关带宽时 信 号中某些信号分量将经历不同的衰落过程 而相关带宽内信号分量将经历相同 的衰落过程 此时信道呈现出频率选择性衰落性质 反之 信道呈现出非频率 选择性衰落 即平坦衰落 在移动无线传播环境中 接收信号来自不同发射路径的多径信号分量的叠 加 各分量的多普勒频移是不同的 这使接收信号发生了频谱的扩展 形成连 续的扩展频谱 相干时间z 是用以表征时变信道对信号衰落节拍的重要参数 在时域中表示了信道频域发散的性质 两个到达时间间隔大于疋的多径信号 分量将经历不同的衰落过程 此时信道呈现快衰落特性 即当信道相干时间 z 小于码元周期时 信道表现为快衰落 此时信道呈现相关性的时间间隔与 码元周期相比较小 因而在一个码元周期中 信道的衰落特性发生多次变化 使信号受到损失 减小了接收信号的信噪比 s n r 提高了系统的误码率 而当信道相干时间疋大于码元周期时 信道表现为慢衰落 衰落节拍较慢 西南交通大学研究生学位论文 卜 信道衰落特性在单个码元周期中不发生变化 但由于衰落的存在 仍使接收信 号的信噪比 s n r 有所降低 1 3 移动通信信道特性国内外研究现状 移动通信信道的主要特征是无线电波的多径传播和由于移动台或周围散射 体的运动所引入的线性时变特性 实际上移动通信信道已成为许多理论分析和 现场实测的课题 并已得出了许多研究成果 9 1 3 其中有些可给出精确的数 学描述 有的则给出统计模型 1 5 1 9 2 5 3 1 如研究表明 移动通信信道的短 期衰落特性是快衰落 这是由于接收信号是来自不同传播路径并经历了传播损 耗的大量信号的矢量和 由于这些多径信号的传播距离是随机变化的 故其相 位也是随机的 因而在接收端矢量相加的多径信号有时得到加强 有时减弱 在很短的时间内呈现出急剧的变化 即快衰落 正是由于这一点 移动通信信 道也称为矢量信道 8 1 3 近年来 矢量信道的研究将信道研究理论模型分为 基于几何位置 g e o m e t r i c a l l yb a s e d 的信道模型 8 9 1 l 1 2 1 3 和基于统 计分析研究 s t a t i s t i c a l l yb a s e d 的信道模型 2 0 一2 4 3 2 4 0 基于几何位 置的信道模型的研究 如基于几何的单反射 g b s b g e o m e t r i c a l l yb a s e d s i n g l e b o u n c e 信道模型 9 等 这种信道模型采用了几何光学射线法 研究 结果具有电波到达角 a o a 到达时间 t o a 等定位信息 在无线定位技术 的研究中具有重要地位 4 1 5 0 许多先进的研究机构 如德国的a a c h e n 大学 1 3 美国的移动无线通信研究组 m p r g 8 等已在这方面做了大量的研究 工作 而基于统计分析研究的信道模型 是指采用对接收信号进行统计分析的 研究方法 即传统的研究方法 并与实测结果相结合 如理论研究和实测结果 表明 无视距传播 n i o s 时 接收信号的快衰落包络服从瑞利 r a y l e i g h 分布 无视距传播路径 n l o s 的信道是瑞利衰落信道f 3 8 4 0 5 1j 等 特别地 近年来在计算机上建模也越来越流行 应用信道理论研究模型模拟信道性能 直接为系统工程设计服务 5 2 7 2 1 1 1 1 1 8 然而 由于移动通信信道的复杂 性使得仍有许多问题有待研究 不可能用单一的数学模型来描述所有的移动无 线环境 1 2 7 8 移动通信信道中的电波传播要受到频率 传播距离 电波 极化方式 天线高度 地形 地物 地面及各种散射体与反射体的电特性参数 时间 季节等多种因素的影响 在特定的环境中 主要取决于频率 传播距离 和天线高度 特别的 在不同地区 不同传播环境中的移动通信信道特性究竟 如何 目前只能在这些环境中通过场强实测所获取的数据来确定 7 3 1 1 0 例 如 1 9 9 7 年1 月 美国联邦通信委员会将5 1 5 5 3 5 g h z 及5 7 2 5 5 8 2 5 g h z 频段分配为用作国家信息基础设施 n i i 的移动通信业务频段 为研究该频 西南交通大学研究生学位论文 段电波传播及信道特性 g r e gd u r g i n t s r a p p a p o r t 等进行了现场实测 并采用最小均方差法 7 对实测结果进行了统计分析 得出了这一频段的电波 传播特性参数及电波的建筑物穿透损失等一系列特性参数 8 9 7 7 为今后这 一频段的开发提供依据 欧洲科技研究合作组织 c o s t 目前正进行着c o s t 2 5 9 项目的研究 8 3 9 2 该项日也是以现场实测为主要手段 已对室内 城市 郊区等传播环境下1 2 5 6 h z 2 1 5 g h z 1 8 0 0 m h z 等不同频段的电波传播进行了 内容丰富的实测 8 6 8 8 8 9 9 0 并研究了天线性能的影响 9 0 9 2 3 用于研究 宽带c d m a w c d m a 的5 m h z 宽带信道特性 8 9 电波传播的二维 三维建模 8 5 8 7 等 该项目对移动通信信道特性和移动无线电波传播的研究有很大影 响 a u c k l a n d 大学的无线系统研究组还对1 8 g h z 室内宽带信道特性进行了实 测和分析 该研究考虑了建筑物结构 分布等的影响 提供了详细的实测过程 实测数据和分析结果 对室内宽带信道特性进行了研究 5 1 为今后室内宽带 系统 如多媒体无线传输系统的开发应用提供了依据 我国学者在这一方面也 作了大量的研究 早期主要是针对信道模拟器本身而言的 强调模拟的准确性 如文献 2 7 等 近年来 我国学者更多地研究了信道特性对系统性能的影n i 自 如文献 2 6 2 8 等 南京邮电学院朱洪波副教授和北京邮电大学高攸刚教授近 年来还提出了信道的角度色散和空间选择性衰落 与信道的时间 频率色散及 频率 时问选择性衰落相对应 2 6 1 在城市微区环境条件下进行了数学分析与 计算机模拟仿真 概括说来 对移动通信信道进行研究的基本方法有以下三种 1 理论分析 即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动无线环境中的传播 特性 并用各种数学模型来描述移动通信信道 往往要提出一些假设条件 使信道数学模型简化 所以数学模型对信道的描述都是近似的 即使这样 信道的理论模型对人们认识和研究移动通信信道仍可起到指导作用 2 现场电波传播实测 即在不同的传播环境中 做电波传播实测实验 测试 参数包括接收信号幅度 时延以及其它反映信道特征的参数 对实测数据 进行统计分析 可以得出一些有用的结论 由于移动无线传播环境的多样 性 现场实测一直被作为研究移动通信信道的重要方法 3 移动通信信道的计算机模拟 是近年来随着计算机技术的发展而出现的研 究方法 如前所述 任何理论分析都要假设一些简化条件 而实际移动无 线传播环境是千差万别的 这就限制了理论结果的应用范围 现场实测较 为费时费力 并且也是针对某个特定环境进行的 计算机在硬件的支持下 具有很强的计算能力 能灵活快速地模拟各种传播环境 因而计算机模拟 越来越成为研究移动通信信道的重要方法 西南交通大学研究生学位论文 1 4 本文主要工作 本文通过对信道特性的理论分析和大量的讣算机模拟仿真 重点研究了移 动通信信道衰落特性对无线传播环境的依赖关系 信道特性参数对系统性能的 影响 主要包括以下几个方面 1 对移动通信路径损失经验预测模型 h a t a 模型 c o s t 2 3 1 h a t a 模型和 c o s t 一2 3 1 一w a l f i s c h i k e g a m i 模型 进行了计算机仿真 基于这些模型所适 用的不同传播条件 模拟和比较了不同传播环境 载波工作频率 发射机 与接收机间的距离等因素对电波传播路径损耗的影响 并对模拟结果加以 讨论和比较 对铁路移动通信的隧道 站场 开阔区这三种无线传播环境 电波传播路径损失进行了模拟仿真并对模拟结果加以分析和比较 从工程 设计应用的角度对电波传播路径损失进行了研究 2 将移动通信信道描述为线性时变信道并采用基带复包络表示 信道的快衰 落过程可以等效为一个复高斯随机过程 基于对该过程的分析 建立了信 道快衰落特性的时域仿真模型并为进一步研究即 相关性散射 c s 的研 究打下基础 通过对信道冲激响应的分析 建立了基于信道冲激响应的移 动通信信道抽头延时线信道模型并详细描述了该模型的实现过程 该模型 由信道的时延谱和多普勒功率谱所定义 反映了特定无线传播环境下信道 的性能 为了体现不同传播环境下仿真模型设置对信道性能的影响 还对 g s m0 5 0 5 所建议的乡村传播环境 r a 典型城市传播环境 t u 城市 环境下最差情况 b u 和山区传播环境 h t 这四种环境下 信道的性能 进行了模拟仿真 3 从理论上分析了信道的时 频色散特性对信道误码性能的影响 特别是它 们与信道中信号码间干扰之间的内在联系 并利用已建立的抽头延时线移 动通信信道模型 模拟和分析了乡村区域 r a 山区 h t 和隧道 t e 传播环境这三种典型的无线传播环境下 信道误码性能 这里 移动无线 传播环境所对应的信道时延谱和多普勒功率谱分别表狂了信道的时域 频 域发散性质 其中 还将实测信道冲激响应变换为离散化信道冲激响应 以便于抽头延时线信道模型模拟 对y p z h a n g 等在n s l 7 3 隧道中实测 信道冲激响应进行了分析和模拟 并对模拟结果加以详细讨论 分析 4 在分析 讨论c l a r k e 传播模型的基础上 对均匀入射电波环境 定向 发射天线应用环境和垂直环接收天线应用环境这三种二维传播条件下信道 的多普勒功率谱作了具体分析研究 反映了不同无线传播环境下 信道的 时变特性和频域的发散性质 并利用抽头延时线移动通信信道模型 模拟 和分析了多普勒功率谱特性即 线性时变信道的频域色散性质对移动通信 西南交通大学研究生学位论文 误码性能影响 5 对现代移动通信信道特性分析研究的一个不容忽略的基础 广义静态非相 关散射 w s s u s 信道的假设进行了分析研究 由对非相关散射 u s 信道特性的分析表明 具有不同传播时延的入射信号在幅度上是不相关 的 然而 许多研究表明 某些无线传播环境 如隧道 城市中的入射信 号幅度存在相关性 本研究首先从理论上导出了衰落信号幅度相关系数与 复高斯过程随机变量之间的关系 并充分利用了计算机模拟仿真 对接收 信号幅度相关性 即信道相关散射 c s 特性进行模拟 利用抽头延时线 信道模型 研究了信道相关散射 c s 特性对信道误码性能的影响 西南交通大学研究生学位论文 第二章移动通信信道经验传播模型模拟与分析 设计陆地移动通信系统时 首要工作是做场强覆盖预测 进而设计系统的 其它设备的参数或指标 1 7 场强覆盖预测问题 即移动无线环境下 电波传 播的路径损耗预测问题 是指在给定发射天线高度 位置 工作频率 接收天 线高度和发射机与接收机间的距离等参数的条件下 预测接收信号的路径损耗 及场强中值 工程中常通过建立传播预测的经验模型进行路径损耗预测 已建 立的场强预测或路径损耗的经验模型有h a t a 模型 3 6 c o s t 2 3 1 h a t a 模型 8 5 和c o s t 2 3 1 w a l f i s c h i k e g a m i 模型 5 5 5 7 8 5 等 它们是根据在各种地形条件 下场强实测数据中总结出来的 适用于不同的场合 本章基于这些模型所适用 的不同传播条件 模拟和比较了不同传播环境 载波工作频率 发射机与接收 机阃的距离等因素对电波传播路径损耗的影响 并对模拟结果加以讨论 对铁 路移动通信的隧道 站场 开阔区这三种无线传播环境电波传播路径损失进行 了模拟仿真并对模拟结果加以分析和比较 从工程设计应用的角度对电波传播 路径损失进行了研究 2 1 点对点路径损失预测模型 2 1 1h a t a 模型 h a t a 模型 3 6 是建立在对o k u m u r a 六十年代所做的大量电波传播实验数 据分析的基础上的 它的有效工作频率介于1 5 0 m h z 和1 5 0 0 m h z 之间 h a t a 模型所提供的经验传播模型包括基本部分和修正部分两部分 其基本部分为 l d b 6 9 5 5 2 1 6 1 9 正一1 3 8 2 1 9 h 一a h 4 4 9 6 5 5 1 9 h l g d 2 1 1 其中 正是载波频率 以m h z 表示 h 是有效发射天线高度 以m 表示 该模型适用的有效发射天线高度在3 0 m 和2 0 0 m 之问 是有效接收天线高 度 以m 表示 所适用范围在l m 和1 0 m 之间 d 为发射天线和接收天线间 距离 以k m 表示 a h 为修正因子 对于中 小型城市 表示为 a h d 日 1 1 1 9 t o 7 h 一 1 5 6 1 9 l o 8 2 1 2 西南交通大学研究生学位论文 对于大城市 表示为 a h d b 8 2 9 1 9 1 5 4 h 2 1 1工蔓3 0 0 m h z a h 扭 3 2 1 9 l1 7 5 h 2 4 9 7 c 3 0 0 m h z 郊区传播环境下h a t a 模型 可表示为 l d b l 一2 1 1 9 t 2 8 2 5 4 对于开阔乡村区域 h a t a 模型表示为 l 2 矗口 l 一4 7 8 1 9 f 2