随机过程在通信方面应用

1、高斯随机过程在卫星移动信道中的应用Xxx(通信学院*)我们知道通信与信息技术的开展首先依赖于信息与通信理论的不断开展.由于通信与信息工程的研究对象涉及大量随机现象,所以用以描述随机现象的概率论、随机过程、数理统计等随机数学理论成了必不可少的理论工具.在通信系统中用于表示载荷信息的信号即是随机过程.通信中很多需要进行分析的信号都是随机信号.随机变量、随机过程是随机分析的两个根本概念.实际上很多通信中需要处理或者需要分析的信号都可以看成是一个随机变量,利用在系统中每次需要传送的信源数据流,就可以看成是一个随机变量.例如,在一定时间内交换台收到的呼叫次数是一个随机变量.也就是说把随某个参量而变化的随

2、机变量统称为随机函数；把以时间t为参变量的随机函数称为随机过程.随机过程包括随机信号和随进噪声.如果信号的某个或某几个参数不能预知或不能完全预知,这种信号就称为随机信号；在通信系统中不能预测的噪声就称为随机噪声.本文针对高斯过程在卫星移动信道中的应用简单介绍.对频率选择性信道和频率非选择性信道而言,高斯随机过程是信道建模的基础.本文基于有限个谐波重叠产生有色高斯随机过程的方法,利用所产生的高斯随机数,对Loo模型进行了仿真,给出了这个模型的理论和仿真的概率密度函数和累积分布函数图.结果说明,用有限个加权正弦信号的叠加近似有色高斯过程的方法不仅简单、准确,而且其实现性和实时性都很好.1、常见移动

3、信道建模方法目前常用于移动信道建模的方法有以下4种方法.(1) 实测法对实测数据进行信道建模,使用范围受特定环境的影响,不易推广.(2) 产生高斯白噪声随机序列,通过具有对象信道特性的滤波器滤波,从而产生仿真数据.这种方法的代表模型是clarke模型.图1所示用两个互相独立的高斯低通噪声产生同分量和正交分量,先在频域用多普勒功率谱成型滤波器对随机信号进行整形,再在仿真器最后一级用快速傅里叶反变换产生多普勒衰落的准确的时域波形.cos2n/-f和立独立sin2x工t用l采用汇交词幅的仿真器(3) 基于马尔可夫过程建模；这种方法是用高阶Markov模型作为衰落信道模型.到目前为止,已有很多研究.特

4、别是近年来移动通信开展迅速,对话音、数据业务进行无线传输的3G以及4G勺研究更是蓬勃展开.无线信道衰落对通信网络性能的影响是其中的关键问题之一.已有的通信协议大多没有考虑信道的记忆性,这就使得协议性能下降.对于信道记忆性,一般采用Markov模型,已有的对于衰落信道记忆性的研究,大都采用高阶Markov模型.但是,随着阶数的增加,计算复杂度也增加了,减小了它的好处.同时,一般采用Markov模型大多应用于分组数据通信的协议研究,很少应用于物理信道.(4) 使用一定数量的低频正弦波发生器,通过简单的运算得到伪随机噪声序列以逼近对象信道.这种方法是以正弦和理论为根底,用有限加权的正弦信号和近似有色

5、高斯过程,进而建立移动信道确实定性仿真模型.这也是近年来人们研究的重点.该理论的提出能够克服滤波器采样频率和带宽限制给设计与制作带来的困难,而且便于用计算机软硬件来实现.2、高斯随机过程的产生高斯过程：假设随机变量的概率密度函数可表示成fxexp,2那么称为服从正态分布的随机变量.a及是两个常量(均值及方差)高斯随机过程的性质：(1) 假设高斯过程是广义平稳的,那么它也是眼平稳的；(2) 假设几个高斯过程的随机变量之间互不相关,那么这些高斯过程也是互不相关的;(3) 假设干个高斯过程之和的过程仍是高斯过程;(4) 高斯过程经过线性变换后仍是高斯过程；基于前面的分析,我们选择正弦波叠加法来产生正

6、交分量1t和一个同相分量Qt,其过程分析如下.假设接收点白位置在E点,载波频率为fc散射波的频率为fscatfcfd,fd是由于移动台和卫星的相对运动而产生的多谱勒频移,Vs为卫星的速度,Vm为移动台的速度,Vd为卫星的相对径向速度.图2所示图2地曲卫鼻的IL/P罔将速度Vs沿曲直方向分解和水平方向分解,可得VdVsC0S,在S至ijE的方向上,t时间内的路程为1Vdt,相位的变化为Vdt可得多普勒频率为fdVsS')移动台附近的散射体可视为发射频率为fscat的二次波源,散射波的波长为.由于源点距离很远,可设卫星到散射体的科是2Vm/scad,所以m11"C相同的.相对于散

7、射体,移动台的速度为Vm的接收点的电场是N次平面波到达的重叠,可以看作是水平面内到达接收点的离散角度的个数,我们可以建立三维坐标图,如图3所示an是三维坐标系内入射波与xoy面的夹角n为三维坐标系内入射波与xoy面的夹角率Ec2E2n是相移,是幅度.an和n和是服从02兀的均匀分布的随机变量,每条入射波的平均功2E0是常数,表不接受信方的平均功率.波束向重克表不为2cosancoskscatsinancosscatX基准点的位置矢量：rX0,y0,Z0,如图4所示第n个阵元与基准点的信号分量间的相位差可以表示为:k?l在基准点的总接受电场为:NEtEnt,其中EntReaejscattn1kr

8、且Entcncosscattcosancosscatnxsinancosny.sinnZ0ny总电场可以表示为EtItcosctQtsinct阁1描建方位高总和西阳的XL工向阁4%元依收信号,位H的黛嘉3、仿真应用高斯过程是建模的根底,本节将用第2节中所产生的高斯随机数来对Loo模型进行仿真.模型Loo模型适用于乡村环境,模型假设大局部时间存在直射信号,并且树叶对直射信号有阴影作用,同时存在漫反射形成的多径信号.多径信号不受阴影影响,是典型的部分阴影模型,而且多径和阴影具有很大的相关性.在上述假设条件下,接收信号是服从瑞利和对数正态分布的随机变量之和,即rejsejRej式中的S服从对数正态分

9、布,R服从瑞利分布；相位.和是服从02兀的均匀分布.假设S为常量,r的条件概率密度函数简化为莱斯分布S服从对数正态分布,由全概率公式得,接收信号包络的概率密度函数为sdsrPrp-Pssumexp20loge120loge由信号功率和包络的关系可得:2s万,r2r二,所以在对数正态2s条件下的接受信号其中其中u和12分别是1010gs的均值和方差,S的均值为21mexp20loge12ds其中ps20exp21sln1020logs2i2功率的概率密度函数为由全概率公式得仿真结果及分析通过仿真值与理论值的比拟,研究模型的有效性.raylight分布为ItjQt根据服从对数正态分布的阴影衰落在当信号用分贝表示时就成为正态分布的原理就可以推导出Lognormal分布为：S201ogIt.在本次仿真中,参数的选取为：No34,K8000,Vd10m/s,Vm20m/sXLoo模型进行仿真,接收信号包络和功率概率密度函数和累积分布的仿真结果如下图.可以看出,由理论推导模型的曲线与计算机仿真模型的曲线十分吻合,说明用有限谐