（计算机应用技术专业论文）基于wimax的无线信道特性研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 随着人们对网络宽带化的不断需求 核心网经过多年的建设在带宽和速度上已经 取得了很大的发展 而接入网却成为制约网络发展的瓶颈 宽带接入网的建设已经成 为网络建设中的关键问题 在众多接入方式中 以8 0 2 1 6 系列 w i m a x 为代表的宽 带无线接入技术以其传输距离远 升级维护方便 高速双向数据传输等优点赢得了业 界的青睐 作为接入网的一部分 w i m a x 无线信道特性的好坏直接影响着整个网络的 性能指标 针对w i m a x 无线信道 本文做了以下工作 首先研究了无线电波传播方式以及无线信道的特性 针对w i m a x 物理层特点以及 w i m a x 无线接入技术的应用模型 分析了常用的室外传播路径损耗模型的不足 对于 常用的室外传播路径损耗模型 由于其工作频率最高为2 g h z 而w i m a x r 作频率高达 2 g h z 6 6 g h z 所以常用的路径损耗模型的频率范围并不适合于w i m a x 无线信道 对于 i o g h z 以上的频段 要考虑雨衰的影响 在此基础上本文建立了适合于w i m a x 的城市 以及各种地形的郊区路径损耗模型 并对该模型编写了c 程序 其次 为了对比不同环境下w i m a x 接收机接收信号的情况 本文利用o p n e t 软件 建立了w i m a x 基站 w i m a x 固定接收机以及移动接收机的简单模型 并在此基础上建 立了一个简单的w i m a x 仿真网络 通过设置相应参数使该网络的传播环境尽量接近实 际传播环境 然后进行了仿真 具体分析了仿真结果 最后 讨论了存在于w i m a x 无线网络中的干扰问题 对邻频干扰以及同频干扰进 行了仿真 结果表明这两种干扰比较明显 在建立实际的蜂窝小区模型时必须选择合 适的小区半径及复用方式 并对相邻频率加入一定的保护带宽 使这两种干扰降为最 低且又能实现最大频带利用率 在对w i m a x 进行实际建网时 必须要根据实际电波传播环境进行实地测量 找出 较合适的路径损耗模型以及修正因子 然后才能对网络参数进行设置 如发射频率 本文在该方面有一定的参考价值 关键词 w i m a x 无线信道o p n e t 雨衰路径损耗无线电干扰 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eu n c e a s i n g l yi n c r e a s e i n gd e m a n do ft h ep e o p l et ot h ew i d eb a n d n e t w o r k n e t w o r kc o n s t r u c t i o nh a sa l r e a d yb e e nd e v e l o p e dg r e a t l yi nt h eb a n dw i d t ha n d t h et r a n s p o r t i n gs p e e df o rr e c e n ty e a r s b u tt u r n e do nt h ea c c e s sn e t w o r k s t h e ya c t u a l l y b e c o m et h er e s t r i c t i o no fn e t w o r kd e v e l o p m e n ti e t h eb o t t l en e c k t h e r e f o r et h e c o n s t r u c t i o no ft h ew i d eb a n da c c e s sn e t w o r k sa l r e a d yb e c o m et h ek e yq u e s t i o n a m o n g t h em a n ya c c e s sm e t h o d s 8 0 2 1 6s e r i e s w i m a x w i d eb a n dw i r e l e s sa sr e p r e s e n t a t i v e h a sw o nt h ef i e l df a v o u rs i n c ei t sl o n g e rt r a n s m i t t i n gr a n g e t h ec o n v e n i e n tp r o m o t i o n m a i n t e n a n c e h i 曲s p e e db i d i r e c t i o n a ld a t at r a n s m i s s i o n a sap a r to ft h ea c c e s sn e t w o r k s t h ew i m a xw i r e l e s sc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c q u a l i t y i s a f f e c t i n gt h ee n t i r en e t w o r k p e r f o r m a n c ei n d e xd i r e c t l y i nv i e wo f t h ew i m a xw i r e l e s sc h a n n e l t h i sa r t i c l ep e r f o r m e db e l o ww o r k s f i r s t l y h a ss t u d i e dt h er a d i ob r o a d c a s tw a ya sw e l la st h ew i r e l e s sc h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c a n a l y z e d t h e i n s u f f i c i e n c y s o ft h e c o m m o n l y u s e do u t s i d ep a t ho f t r a n s p o r t i n g l o s sm o d e l a c c o r d i n g t ow i m a xw i r e l e s sn e t w o r kp h y s i c a l l a y e r c h a r a c t e r i s t i ca sw e l l 船t h ew i m a xa p p l i c a t i o nm o d e l r e g a r d i n gt h ec o m m o n l yu s e d o u t s i d ep a t ho ft r a n s p o r t i n gl o s sm o d e l i t sh i g h e s to p e r a t i n gf r e q u e n c yi s2 g h z b u tt h e w i m a x o p e r a t i n gf r e q u e n c yr e a c h e sa sh i g i la s2 g h z 6 6 g h z t h e r e f o r et h ec o m m o n l y u s e dp a t hl o s sm o d e lf r e q u e n c yr a n g ei sn o ti nh a r m o n yw i t ht h ew i m a xw i r e l e s sc h a n n e l r e g a r d i n gt h ef r e q u e n c yb a n da b o v e1 0 g h z m u s tc o n s i d e rt h er a i na t t e n u a t i o ni n f l u e n c e t i l i sa r t i c l ee s t a b l i s h e dt h es u i t a b l el o s sm o d e l i n g so fe a c hk i n do ft e r r a i n c i t ya sw e l la s s u b u r b t h e nc o d et h ec p r o g r a mo ft h i sm o d e l s e c o n d l y i no r d e rt oc o n t r a s tt h ew i m a xr e c e i v e rr e c e i v es i g n a ls i t u a t i o n sa tt h e d i f f e r e n te n v i r o n m e n t s t h ea r t i c l eh a se s t a b l i s h e dt h es i m p l em o d e lo ft h ew i m a xb a s e s t a t i o n t h ew i m a xf i x e dr e c e i v e ra sw e l la st h em o v i n gr e c e i v e ru s i n go p n e ts o f t w a r e a n dh a se s t a b l i s h e das i m p l ew i m a xs i m u l a t i o nn e t w o r ka c c o r d i n gt ot h ee s t a b l i s h e d m o d e l s e t t i n gt h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e rp r o p e r l ys ot h a tt h et r a n s p o r t i n ge n v i r o n m e n t t oa p p r o a c ht h ea c t u a lt r a n s p o r t i n ge n v i r o n m e n ta sf a r 鹤p o s s i b l et h e nh a sc a r r i e do nt h e s i m u l a t i o n a n dh a ss p e c i l l ya n a l y z e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t f i n a l l y d i s c u s s e dt h ed i s t u r b a n c eq u e s t i o ne x i s t e di nt h ew i m a x w i r e l e s sn e t w o r k t o t h en e i g h b o r i n gf r e q u e n c y sd i s t u r b a n c ea sw e l l 鹋t h es a l n ef r e q u e n c yd i s t u r b a n c eh a s n 桂林工学院硕士学位论文 c a r r i e do nt h es i m u l a t i o n t h er e s a u l ti n d i c a t e dt h e s et w ok i n do fd i s t u r b a n c e sq u i t ew a s o b v i o u s w h e ne s t a b l i s h m e n ta c t u a lh o n e y c o m bp l o tm o d e lh a dt oc h o o s et h es u i t a b l ep l o t r a d i u s a n da l o n gw i t ht h ec e r t a i np r o t e c t i o nb a n dw i d t ht ot h en e i g h b o r i n gf r e q u e n c y c a u s e dt h e s et w ok i n do fd i s t u r b a n c e st ob er e d u c e dt ot h el o w e s td e g r e e l l l e nc a r r i e so nt h ea c t u a le s t a b l i s h i n gw i m a xn e t w o r k s m u s tc a r r yo na c t u a l s u r v e y sa c c o r d i n gt ot h ea c t u a lr a d i ow a v et r a n s p o r t i n ge n v i r o n m e n t d i s c o v e r st h em o r e a p p r o p r i a t ep a t hl o s sm o d e la sw e l la st h er e v i s i o nf a c t o r a n dt h e ns e t t h en e t w o r k p a r a m e t e r f o re x a m p l et r a n s m i t t i n gf r e q u e n c y c a r r yo nt h ee s t a b l i s h m e n t t h i sa r t i c l eh a s t h ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ei nt h i sa s p e c t k e yw o r d s t h ew i m a x w i r e l e s sc h a n n e l o p n e t t h er a i na t t e n u a t i o n t h el o s eo fp a t h t h er a d i oi n t e r f e r e n e e 1 1 1 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明 所呈交的论文是我个人在陈晓辉教授指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含他人已经发 表或撰写过的研究成果 也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料 对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了 谢意 学位论文作者 签字 到丛 签字日期 二型字 厶u l 一 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集 保存 使用学位论文的规定 即 按照学校要 求提交学位论文的印刷本和电子版本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并提 供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公布论文的部分或全部内容 保密论文在解密后遵 守此规定 学位论文作者 签字 型亟 指导教师签字 签字日期 桂林工学院硕士学位论文 1 1w i m a x 无线接入技术简介 1 1 1w i m a x 无线接入技术特点 第1 章引言 基于i e e e 8 0 2 1 6 协议的w i m a x 技术是一种无线城域网技术 它在具有高速率数据传输 优势的同时 兼具一定范围内的移动性 w i m a x 在部署 配置 安全性 q o s 长距离覆 盖等方面优势突出 尤其适用于解决城域网建设的 最后一公里 接入问题 w i m a x 最高接入速度是7 0 m b p s 工作频段可从2 g h z 一6 6 g h z 信道带宽可在1 5 m h z 一2 0 m h z 范围内灵活调整 有利于在所分配的信道带宽内充分利用频谱资源 其次 w i m a x 采用宏 小区方式 能为5 0 公里范围内的固定站点提供无线宽带接入服务 基本上能覆盖到城郊 w i m a x 也能为5 到1 5 公里范围内的移动设备提供同样的接入服务 另外 w i m a x 采用了o f d m 收 发分集 自适应调制等多种先进技术实现非视距传输和阻挡视距传输 不仅最大限度的 克服了无线通信中多径传播引起的衰落问题 更有效提高了城市内无线传输的效能 最后 由于w i m a x 具有很好的可扩展性和安全性 从而能够实现电信级的多媒体通信服务 1 1 2w i m a x 应用模式 作为一种无线空中接口标准 i e e e 8 0 2 1 6 是一个不断完善的过程 i e e e8 0 2 1 6 e 标准有较好的移动性支持 可以单独组网实现全网覆盖 所以从技术的演进 支持的用 户移动性和全网覆盖角度来看 w i m a x 组网是一个逐渐演化的过程 从补充网络到局部 的单独网络到最后的全覆盖网络主要有四个发展阶段 h 其发展过程如图1 所示 图1 1 w i i h a x 应用模式发展过程 固定接入 固定接入业务是w i m a x 运营网络中最基本的业务模型 主要是以无线技术 i 桂林工学院硕士学位论文 来弥补有线技术在低度开发地区之不足 例如受到技术限制而无法享受有线服务或是服 务费用过高的许多近郊或乡村地区 有线网络无法进入的地方 如地形地貌限制或历史 文化古迹区 在偏远地区 政府通常会和地方当局以及当地的无线上网服务供货商合作 提供服务 另外还可以为住宅用户 家庭办公室 中小企业提供宽带数据接入 游牧式 终端可以从不同的接入点接入一个运营的w i m a x 网络 但是终端用户不具备 在不同的w i m a x 基站之间进行切换的能力 该模式可以提供热点地区的接入 便携式 它在步行速度下具有有限的切换能力 并支持会话连续性 当终端静止不 动时 便携式业务的应用模型与固定式业务和游牧式业务相同 此应用场景主要面向家 庭接入和商务人士用户市场 全移动 支持车速移动下无中断的应用 面向个人用户市场 可切换漫游 终端一 般为p d a 可独立组网 商用时间估计要n 2 0 0 8 年甚至2 0 0 9 年以后 图1 2 显示了w i m a x 的几种典型应用环境 包括固定应用模式以及移动应用模式 网 络中包括一个w i m a x 基站和一个中继站 以及移动终端 政府 学校以及商企业机构 农村不发达地区等多个用户站 w i m a x 基站与核心网络相连 中继站为长距离的用户提 供无线宽带接入 也可以把远端的i e e e 8 0 2 1 1 局域网的热点业务回送到核心网 提供热 点回传的功能 图1 2i e e e s 0 2 1 6 宽带无线接入应用 w i m a x 移动应用模式采用符合i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的设备 根据标准其工作频段应在 2 桂林工学院硕士学位论文 6 g h z 以下 w i m a x 移动应用模式是面向个人用户的 提供支持切换和q o s 机制的无线数 掘接入业务 其网络架构同w l a n 3 g 无线接入网络相似 可以通过蜂窝组网方式覆盖 较大区域 由于w i m a x 移动应用模式和w l a n 3 g 一样能够提供个人用户无线数据接入 业务 而在覆盖范围 速率 移动性支持及终端成本方面各不相同 因此电信运营商需 要考虑它们之间的协同工作 以满足用户的多样化需求 1 2 课题背景 随着传输宽带化 业务多样化成为通信发展的大趋势 各种宽带无线接入技术层出不 穷 但是 由于各厂商提供的设备采用了私有协议 无法实现互连互通 因此相关市场一 直没有繁荣扩大 在这种背景下 1 9 9 9 年 i e e e 成立了i e e e 8 0 2 1 6 工作组专门研究宽带 无线接入标准 目的是建立一个全球统一的宽带无线接入标准 为了促进标准的发展完善 和市场推广 由世界知名通信企业联合发起了世界微波接入互操作性 w o r l d i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s w i m a x 论坛 在全球范围内推广8 0 2 1 6 协议 i e e e 8 0 2 1 6 和w i m a x 的出现大大地推动了宽带无线接入技术在全球的发展 强烈地刺 激了宽带无线接入市场 然而 由于w i m a x 属于宽带无线接入技术 在该技术应用的整个 通信系统中 无线信道属于其中的一部分 而无线信道本身具有的多径传播 衰落等特性 将直接影响到w i m a x 通信系统的设计 规划和日后的系统优化工作 研究w i m a x 信道特性 对于无线接入网的整体建设和发展具有重大的意义 本文选题的意义也在于此 1 3 前人在本选题研究领域中的工作成果 1 9 世纪9 0 年代局用主配架线 双绞线对和供电电源的发明 标志着用户接入网基 本形成 1 9 7 5 年英国电讯 b t 在苏格兰格拉斯哥举行的一次研讨会上提出了接入网的概 念 1 9 7 6 在曼彻斯特进行了组网可行性实验 1 9 7 7 年在苏格兰和伦敦地区进行了大规 3 桂林工学院硕士学位论文 模的推广应用 1 9 7 8 在格拉斯哥会议上j 下式肯定这种组网方式 并命名为 接入网组网 技术 1 9 7 8 年b t 在c c i t t 相关会议上正式提出了接入网组网概念和1 9 7 9 年c c i t t 用原 端用户集线器命名方式给具备类似性能的设备进行了框架描述 标志着接入网技术得到 国际电信界的认同 9 0 年代初 出现了几种以铜线技术为基础的接入网技术 用户线对增容技术 高 速数字用户线路 h d s l 非对称数字用户线路 a d s l 和甚高速数字用户线路 v d s l 等 随着无线通信技术的发展 又出现了几种新的无线接入技术 g s m 接入技术 c d m a 接入技术 g p r s 接入技术 蓝牙技术等 w i m a x 属于一种新兴的接入技术 预计在将来 几年内将全面应用 许多相关问题还处于讨论阶段 一些相应的研究工作也正在开展中 5 1 4 论文的主要内容和研究贡献 论文具体研究的主要内容和创新性的工作包括以下几个方面 i 4 i 采用o p n e t 软件进行建模仿真 o p n e t 软件提供网络 节点以及进程三层建模机制 有一个比较齐全的模型库 如 路由器 服务器 客户端 a t m 设备等 能够比较详细的描述一个实际的网络 并且具 有丰富的统计量收集和分析功能 可以直接收集到常用的各个网络层次的性能统计参 数 方便的编制输出仿真报告 无线信道方面 可以通过编写c 程序建立信道的路径 损耗模型 通过设置一定的干扰源来仿真网络中存在的各种干扰现象 并且通过建立移 动节点来模拟实际的移动终端 本文采用o p n e t 软件建立了无线信道的路径损耗模型 w i m a x 基站 固定用户站以 及移动终端模型 同时建立了简单的w i m a x 网络模型 进行了仿真并对仿真结果进行了 4 桂林工学院硕士学位论文 具体的分析 1 4 2 分析了w i m a x 无线信道的特点 对无线信道特性进行了具体的分析研究 其中包括多普勒频移 信道的冲激响应 信道的多径传播以及信道的衰落等 在此基础上对o k u m u r a h a t a 模型进行了分析和改 进 建立了适合w i m a x 系统的信道模型以及路径损耗模型 并应用o p n e t 软件仿真 该信道模型以及相应的传播环境 得出了一些重要的结论 1 4 3 建立了w i m a x 网络的简单模型 根据w i m a x 的应用模式 分析了w i m a x 的组网方式以及系统中存在的无线电干扰问 题 建立了简单的蜂窝小区模型来分析干扰情况 为w i m a x 城域网的规划和建设奠定了 基础 并提供了参考性意见 内容具体安排如下 其中第二章至第五章为本论文的重点内容 第1 章 绪论 简单介绍了本论文所涉及的理论知识 相关行业的发展情况以及该 领域的研究成果 第2 章 从影响w i m a x 通信系统的主要因素出发 介绍了无线移动通信信道的动态 特性 以及多径传输信道的冲激响应模型 并从实际的物理角度对这些概率分布函数进 行了详尽的推导 第3 章 根据i i 面的理论分析以及w i m a x 系统的特点分析了w i m a x 无线信道的特性 对原有无线信道的路径损耗模型进行了修订 建立了适合w i m a x 无线信道的路径损耗模 型并进行了对比分析 第4 章 应用0 p n e t 软件对w i m a x 无线信道进行建模并仿真 具体分析了无线信道 的建模过程以及仿真结果 第5 章 研究了w i m a x 无线通信系统存在的干扰问题 并对干扰进行了仿真 对仿 真结果进行分析 得出重要结论 5 桂林工学院硕士学位论文 第6 章 结论部分 6 桂林工学院硕士学位论文 第2 章无线信道的传播特性与统计特性研究 无线信道中电波传播特性非常复杂 并且发射机和接收机之间的传播路径也是非常 复杂的 从简单的视距传播到各种复杂的地理环境以及建筑物等 这些因素直接影响着 电波的传播进而影响着无线信道的特性 而无线通信系统的性能主要受到无线信道的制 约 所以研究无线信道的特性具有非常重要的意义 2 1 无线电波的传播方式 频率从几十h z 甚至更低 至j 3 0 0 0 g h z 左右 波长从几十m i i l 到0 i m m 左右 频谱范围内的 电磁波 称为无线电波 1 根据频谱和需要 可以进行通信 广播 电视 导航和探测等 但不同波段电波的传播特性有很大差别 2 1 1 电波传播的途径 无线电波通过多种传输方式从发射天线到接收天线 主要分为 地波传播 对流层 传播 电离层传播 1 主要的传播途径如图2 1 所示 它是按照离地面的高度而划分的 图2 1 电波传播的途径 电离层传播 经过电离层的反射或散射到达接收点的电波 利用电离层反射的波段 7 桂林工学院硕士学位论文 是短波及夜晚中波 对流层传播 经过对流层 距地面l o k m 以内的大气层 反射或散射的电波 地波传播 它是指电波沿地球表面绕射的传播 长波沿地面绕射传播的本领最强 白天的中波广播也是靠地波传播 实际上 天线辐射出来的电波往往不是以单一形式 既有地波也有天波 但总是以一种传播形式为主 2 1 2 无线电波的波段划分及各波段传播的特点 无线电波的频谱很宽 按频率的高低划分为许多波段 见表2 1 表2 1 无线电波波段划分 波段名称 波长范围 m 频段名称频率范围 超长波1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0甚低频 3 3 0 k h z 长波 1 0 0 0 0 1 0 0 0 低频3 0 3 0 0 k h z 中波1 0 0 0 1 0 0中频3 0 0 3 0 0 0 k i t z 短波1 0 0 1 0高频3 3 0 m h z 米波 1 0 一1 甚高频 3 0 3 0 0 删z 超 分米波 1 0 1 特高频3 0 0 3 0 0 0 m h z 短 厘米波 0 1 0 0 1 超高频 3 3 0 g h z 波 毫米波 0 0 1 0 0 0 1 极高频 3 0 3 0 0 g h z 由于波长不同 各波段的主要传播方式也不同 这就是各个波段适用于不同业务的 主要原因 下面简述各波段的传播特点及其应用范围 长波的近距离传播 3 0 0 k m 以内 主要是靠地波 远距离 2 0 0 0 k m 传播主要靠天波 用长波通信时 在接收点的场强较稳定 但由于表面波衰减慢 对其它收信台干扰大 长波受天电干扰的影响很严重 此外由于发射天线非常庞大 所以利用长波作为通信和 广播的不多 仅在越洋通信 导航 气象预报等方面采用 中波传播白天天波衰减大 被电离层吸收 所以主要靠地波传播 夜晚天波参加传 r 桂林工学院硕士学位论文 播 传播距离较地波远 它主要用于船舶与导航通信 波长为2 0 0 0 2 0 0 m 的中波主要 用于广播 短波传播有地波也有天波 但由于短波的频率较高 地面吸收强烈 地表面波衰减 很快 短波的地波传播只有几十公里 天波在电离层中的损耗却减少 常利用天波进行 远距离通信和广播 但由于电离层不稳定 通信质量不佳 短波主要用于电话电报通信 广播及业余电台 由于超短波频率很高 地波的衰减很大 电波穿入电离层很深乃至穿出电离层 使 电波不能反射回来 所以不能利用地表面波和天波的传播方式 主要用空间波传播 超 短波主要用于调频广播 电视 雷达 导航传真 中继 移动通信等 空间波传播 就 是电波从发射天线直接传播到接收天线或经过地面反射之后到达接收点的传播方式 陆 地移动通信 个人通信以及寻呼通信等都是以这种方式传播 因此以下讨论的电波是指 空间波槲 2 2 信道对无线信号的影响 信号在无线信道中传播一般可归结为反射 绕射和散射三种基本传播方式 1 当电磁波遇到比波长大的多的物体时发生反射 反射发生于地球表面 建筑物和墙 壁表面 当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射 由阻挡表面产生 的二次波散布于空间 甚至于阻挡体的背面 当发射机和接收机之间不存在视距路径 围绕阻挡体也产生波的弯曲 在高频波段 绕射和反射一样 依赖于物体的形状 以及绕射点入射波的振幅 相位和极化情况 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发生散 射 散射波产生于粗糙表面 小物体或其他不规则物体 另外 由于无线信道的复杂性和时变性 信号通过无线信道时会受到各个方面的衰减损 耗 如多径时延扩展 由运动造成的多普勒扩展 以及各种频率选择性信号衰落和非频 9 桂林工学院硕士学位论文 率选择性信号衰落等 1 总的说来 信道对无线信号的影响可归纳为自由空问路径损耗 阴影衰落和多径衰 落三种 2 2 1 自由空间路径损耗 所谓自由空间传播就是指天线周围为无限大的真空时的电波传播 它是理想的传播 条件 电波在自由空间传播时 其能量不会被障碍物所吸收 也不会产生反射和散射 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡 不产生反射 折射 绕射 散射和吸收 但是 当电波经过一段路径传播后 能量仍会受到衰减 这是由于辐射能量的扩散而引起的 距离发射机d 处的天线的接收功率可用f e r r i s 公式计算得出 p d 2 而p t g t 丽g r 2 2 公式 2 1 式中p r 是接收功率 p t 是发射功率 g t 和g r 分别是发射和接收天线的增益 d 是收发 信机之间的距离 单位为米 功率损耗与收发信机之间的距离d 的平方成反比 l 是与传 播无关的系统损耗因子 l i 表明系统硬件中无损耗 所谓路径损耗表示信号衰减 单位为d b 的正值 定义为有效发射功率和接收功率之 间的差值 当电磁波在自由空间传播时 其路径可认为是连接收发信机的一条射线 在 距离发射机d 处的电波传播损耗可用f e r r i s 公式计算得出 p l l l g 万p g 研g t g r 2 2 l 1 公式 2 2 f e r r i s 自由空间模型仅当d 为发射天线远场值时适用 并且该模型属于大尺度损耗模 型嘲 自由空间路径损耗模型是理想的传播模型 对于实际的路径损耗模型有许多 如 l o n g l e y r i c e 模型 d u r k i n 模型 0 k u m u r a 模型 1 4 i h a t a 模型 i 包括o k u m u r a h a t a 模型和c o s t 2 3 1 w a l f i s h i k e g a m i 模型 等 不同的模型都是在不同的环境中得到的 在后续章节里会具体分析适合于w i m a x 的路径损耗模型 i o 桂林工学院硕士学位论文 2 2 2 阴影衰落 当电波在传播路径上受到起伏地形 建筑物 植被等障碍物的阻挡时 在这些障碍 物的后面会产生电磁场的阴影 也就是电磁场的半盲区 接收机在移动过程中通过不同障 碍物的阴影区时 接收天线接收到的信号场强中值会发生变化 造成信号衰落 这种衰 落称为阴影衰落 阴影衰落描述的是中等尺度区间 数百波长 内信号电平中值的慢变化特性 统计特 性表明 对任意的离发射机d 处的路径损耗p l d 是服从对数正态分布的随机变量 即 p l d d b p l d 以 p l d o l o n l o 颤暑 以 公式 2 3 其中p l d 为平均路径损失 n 为路径损耗指数 一般为2 4 d o 为参考距离 x 是 一个零均值高斯分布的随机变量 其标准偏差为0 单位都是d b 考虑到阴影衰落 接收机的接收功率为 p r d 只一p l d d b 公式 2 4 由于p l d d b 是服从正态分布的随机变量 p r d 也服从正态分布 所以接收 信号电平超过规定阈值y 的概率 可利用概率论中的q 函数来确定 p r p r d 小q 学 2 2 3 多径衰落 公式 2 5 信道中反射及反射物的存在 构成了一个不断消耗信号能量的环境 导致信号幅度 相位及时间的变化 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 这些到达波称为多径波 由于不同多径成分具有的随机相位和幅度引起的信 号强度波动 导致小尺度衰落 信号失真等现象 这种现象称为多径衰落效应 多径信 号对通信系统的影响是多方面的 主要包含以下几个方面 m 1 桂林工学院硕士学位论文 2 2 3 1 时延扩展 由于各条反射路径的长度不相同 所以各条多径信号到达接收机的到达时间 t o a 也各不相同 因此 多径信号首先带来的一个影响就是时延扩展 在传输过程中 由于 时延扩展 接收信号中一个符号的波形会扩展到其他符号中 造成符号问的干扰 i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c ei s i 为了避免产生i s i 应该令符号宽度要远远大于信 道的最大时延扩展 或者符号速率要小于最大时延扩展的倒数 由于移动环境十分复杂 不同地理位置不同时间测量的时延扩展可能不相同 因此需要大量的测量数据的统计平 均值 符号间的干扰即码间干扰 必须通过信道均衡将其消除 而无线移动通信的信道 又是一个时变信道 目前常用的办法是利用训练序列对信道进行自适应均衡 在频域内 与时延扩展相关的另一个重要概念是相干带宽 实际应用中通常用最大时延扩展的倒数 来定义相干带宽 即 1 毋 l 盯 为均方时延扩展 公式 2 6 盯f 当多径的时延扩展引起时间色散以及频率选择性衰落时 多普勒扩展就会引起频率 色散以及时间选择性衰落 而多径特性引起的时间色散 导致发送信号产生平坦衰落或 频率选择性衰落 平坦衰落是 如果移动无线信道带宽大于发送信号的带宽 且在带宽范围内有恒定 增益及线性相位 则接收信号就会经历平坦衰落过程 这种衰落是最常见的一种 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 2 2 3 2 多普勒频移 发射机和接收机的相对运动会使接收信号发生多普勒频移 在无线移动通信中 发 射机 接收机和反射体三者间的相互运动都会带来多普勒频移 同时由于三者问的相对 运动速度不断变化而且随机分布 因此 到达接收机的信号的频谱被展宽 称为多普勒 1 2 桂林工学院硕士学位论文 频展 移动终端在高速移动时 多普勒频展明显增大 同时信号快衰落的速度也明显加 快 使得通信质量急剧下降 多普勒频移可以用下式表示 五 c o s o 监c o s 口 厶c o s 口 公式 2 7 c 其中z 表示载波频率 c 表示光速 厶表示最大多普勒频移 v 表示移动台的运动速 度 从上面公式可以看到 多普勒频移与载波频率和移动台的运动速度成正比 2 2 3 3 信号的快衰落 时延扩展通常是由不相关多径信号引起的 这些多径信号的t o a 和a o a 到达角 相 差比较大 可以认为是不相关信号 同时 在几乎同一时刻到达的信号中 也包含有很 多多径信号 这些信号高度相关 很难区分 通常称作一簇多径信号 这些信号相位各 不相同 同相叠加 异相相抵 使得接收信号的幅度发生变化 同时 由于发射机 接 收机和反射体的相对运动 使得到达接收机的各条信号的相位在不断变化 这就造成接 收机接收到的信号的幅度快速变化 称为快衰落 通常在移动通信系统中 接收到的信 号幅度统计上服从瑞利分布或莱斯分布 每秒钟要衰落几十次 快衰落对移动通信的影 响非常大 如果接收机的信道估计无法跟踪信号的衰落 会带来大量的误码和误包 根 据发送信号与信道变化快慢程度的比较 信道又可分为快衰落信道和慢衰落信道 在快 衰落信道中 信道冲激响应在符号周期内变化很快 即信道的相干时间比发送信号的信 号周期短 由于多普勒扩展引起频率色散 也称为时间选择性衰落 从而导致信号失真 从频域来看 信号失真随发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧 因此 信号经历快 衰落的条件是 乃 且b s b 其中五是符号宽度 b s l b b 为多普勒扩展 露为相干时间 1 3 桂林工学院硕士学位论文 2 3 多径信道的冲激响应模型 移动无线信道的小尺度变化与移动无线信道的冲击响应直接相关 冲激响应是宽带 信道的特征 它包含了所有用于分析模拟和分析信道无线传播的信息 这是因为移动无 线信道可建模为一个具有时变冲激响应特性的线性滤波器 其中的时变是由接收机的空 间运动所引起的 信道的滤波特性以任一时刻到达的多径波为基础 其幅度和时延之和 影响信道滤波 假设移动台以恒定速度v 移动 在d 处接收到的信号由直射播和多径波组 成 由于多径效应 无线移动信道的冲激响应是时间t 和距离d 的函数h d t 设发射 机发射信号为x t 则d 处接收到的信号为 y d x h a f l x r f 厅 d t a f 考虑n d v t 且v 是常数 所以上式可以写成 j 吁 f x f h a f i 工 t r h v t t a f 公式 2 8 公式 2 9 或 j 工 一r 厅 f 打 x f 矗 f f 公式 2 1 0 式中 f r 代表时变多径无线信道的冲激响应 其中t 表示由于移动产生的时间变 化 f 表示在时间t 一定时 信道的多径时延 假设发射信号是带通信号 x t r e u t e 2 矾 公式 2 1 1 式中 封 r 是低通复包络 f c 是载频 r e z 表示z 的实部 如果接收信号为 y r e p7 2 巩 令信道的低通等效冲激响应为c t f 则接收的复低通信号为 甜 c f t f c f f d f 经上面几个公式可得 1 4 公式 2 1 2 公式 2 1 3 桂林工学院硕士学位论文 烈f r e t r 向 f f k 伽 d f r e o f 矗 f f 弦1 2 d f 2 公式 2 1 4 所以 带通信道冲激响应h t f 可以等效于一个复基带冲激响应c t f 并且有 c t f f p 一 2 靠 公式 2 1 5 式中f c 为载频 事实上 冲激响应的多径时延是离散的 为了方便 令n 条路径的时延相 等 其相互的差为a r 第i 个多径分量与第一个到达的分量之间的相对时延称为附加时 延 记为t 于是多径信道的基带冲激响应可以表示为 c i f r 姜毗f 妒籼 m 0 4 a r r r 公式 2 1 6 式中q f f 和f f 分别是第i 个多径分量在时刻t 的幅度和附加时延 2 矾t 谚 f 是第i 个多径分量的相移 包括第i 个多径分量在自由空间的传播相移和在信道中的附加 相移 艿 f q f 是单位冲激函数 2 4 信道建模常用的概率密度函数 多径传输是影响无线移动通信系统的关键问题 由于移动无线信道的时变性和随机 性 多径信道的特性只能用统计方法来处理 常用的描述无线信道特性的概率密度函数 有r a y l e i g h 衰落分布函数 r i c e a n 衰落分布函数 n a k a g a m i m 分布等 1 2 4 1 瑞利衰落模型 2 4 1 1r a y l e i g h 衰落分布 在移动无线信道中 r a y l e i g h 分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多径分量 接收包络时变特性的一种分布类型 所以多径时变信道也称为瑞利衰落信道 r a y l e i g h 分布的概率密度函数为 桂林 t 学院硕士学位论文 p r 孝e x p 专 0 压m m 公式 2 1 7 其中仃是包络检波之前接收的电压信号的均方根 o r 2 是包络检波之前接收信号包络的时 间平均功率 瑞利衰落有两个重要的统计参量 衰落信号的电平交叉率和衰落信号的平均衰落持 续时间 电平交叉率定义为接收信号的包络用本地信号的均方根值归一化后 穿越电平r 的期望率 单位为电平穿越次数 秒 2 4 磊t p e x p 一p 2 公式 2 1 8 式中 厶是最大多普勒频移 p r r 其中耳 是本地信号包络的均方根幅 度值 平均衰落持续时间定义为接收信号低于电平r 的平均时间间隔 可表示为 7 竺匹旦至 矾 2 石 公式 2 1 9 信号的衰落平均持续时间主要取决于移动用户的移动速度 随着多普勒频率厶的增 大而减小 2 4 1 2r i c e a n 衰落分布 当信号中有一直达的 或反射的 强径时 如视距传播 则接收信号的包络服从莱 斯 r i c e a n 分布 相应的信道称为莱斯信道 这时的概率密度函数为 肿 i o j i e x p 一等玑 争 晒圳 o o 公式 2 2 0 式中 参数a 0 为直射波的幅度峰值 j o 为修正的零阶第一类贝塞尔函数 显然让直 射路径阻挡后 a 0 莱斯概率密度函数转变为瑞利分布 莱斯分布常用参数k 描述 k 定 义为强径信号的功率与多径分量的方差之比 即k a 2 2 0 2 用d b 表示为 1 6 桂林工学院硕士学位论文 k 1 0 1 0 9 a2 2 0 2 式中参数k 称为莱斯因子 完全刻画了莱斯分布 2 4 1 3n a k a g a m i m 分布 除了以上瑞利和莱斯分布 n a k a g a m i m f f f 布也是多径信道常用的统计模型 此分布 的概率密度函数为 p 罢 r 2 埘 le x p 一蔷 当m 1 时变为瑞利分布 公式 2 2 1 式中 q 朋 矗聊 1 2 5 信道建模常用的概率密度函数仿真实现 常用的信道建模方法是根据理论知识首先推导出信道模型 然后利用m a t l a b 中的 s i m u l i n k 模块对信道建模中常用的概率密度函数进行建模 然后建立整个信道的仿真 模型 在本文的仿真中 信道服从r i c e a n 衰落分布 在建模过程中直接调用r i c e a n 衰 落