2010年本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：移動(dòng)通信系統(tǒng)中信道建模與仿真研究

1、2021屆畢業(yè)生 畢業(yè)論文題 目： 移動(dòng)通信系統(tǒng)中信道建模與仿真研究 院系名稱： 信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 電子信息工程 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 教授 2010 年 6 月 2 日摘要業(yè)界對(duì)移動(dòng)信道仿真模型的研究由來(lái)已久，但多數(shù)只考慮了小尺度衰落，而對(duì)于認(rèn)知無(wú)線電的研究來(lái)說(shuō)，不單單需要解決小尺度衰落對(duì)數(shù)字傳輸技術(shù)的影響，最根底的是要解決認(rèn)知無(wú)線電在空中接口上對(duì)信息的感知，并且要根據(jù)感知的信號(hào)強(qiáng)度判斷非授權(quán)用戶的接入是否會(huì)對(duì)授權(quán)網(wǎng)絡(luò)用戶造成干擾以及干擾的程度，進(jìn)而提出非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)用戶智能接入和退出的機(jī)制以及接入和退出閾值的判斷和計(jì)算，這勢(shì)必要涉及到大尺度衰落，所以本課題在研究

2、移動(dòng)信道仿真建模時(shí)同時(shí)考慮了大尺度衰落和小尺度衰落。本文回憶了移動(dòng)通信商用以來(lái)近40年的開展和演進(jìn)的歷史，介紹了移動(dòng)無(wú)線信道仿真研究的現(xiàn)狀，分別從小尺度衰落和大尺度衰落的角度分析了無(wú)線信道衰落的根本特性。關(guān)鍵詞：瑞利信道，頻率選擇性衰落信道，視距，非視距，路徑損耗，仿真Title：Analysing the model and simulation of the channel in mobile communicationAbstractThe research on simulation model of mobile channel has developed for a long ti

3、me, but most of them only consider Small Scale Fading. While, for the research of Cognitive Radio, the most basic task is to resolve the signal apperception through air interface, while not only solve the influence of Small Scale Fading on data transfer technology. Cognitive Radio also need to estim

4、ate whether the accessing of un-licensed subscribers bring interference to licensed network and its subscribers and the grade of that interference. As thus, Cognitive Radio is able to give a mechanism of the intellectualized login and logout for un-licensed subscribers. It will also give a judge and

5、 calculate method for the threshold value of login and logout. So, in this paper, Large Scale Fading and Small Scale Fading are both considered in the research of simulation model of mobile channel.This paper reviews the history of personal mobile communication about forty years since it came into b

6、usiness. Then recommends the status quo of research on simulation of radio channel and analyses the basic performance of radio channel fading from the point of view of Small Scale Fading and Large Scale Fading.Keywords: Rayleigh Channel, Frequency-Selective Fading Channel, Line of Sight, Non-Line of

7、 Sight, Path Loss, Simulation目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc262982462 第1章 緒論 PAGEREF _Toc262982462 h 4 HYPERLINK l _Toc262982463 移動(dòng)通信的開展 PAGEREF _Toc262982463 h 4 HYPERLINK l _Toc262982464 移動(dòng)通信的開展?fàn)顩r PAGEREF _Toc262982464 h 4 HYPERLINK l _Toc262982465 移動(dòng)通信技術(shù)的開展 PAGEREF _Toc262982465 h 5 HYPERLINK

8、 l _Toc262982466 認(rèn)知無(wú)線電的概述 PAGEREF _Toc262982466 h 7 HYPERLINK l _Toc262982467 信道仿真技術(shù)的開展及現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc262982467 h 8 HYPERLINK l _Toc262982468 無(wú)線信道仿真的意義 PAGEREF _Toc262982468 h 9 HYPERLINK l _Toc262982469 第2章移動(dòng)信道傳播特性 PAGEREF _Toc262982469 h 10 HYPERLINK l _Toc262982470 大尺度衰落 PAGEREF _Toc262982470 h

9、11 HYPERLINK l _Toc262982471 自由空間傳播模型 PAGEREF _Toc262982471 h 11 HYPERLINK l _Toc262982472 小尺度衰落 PAGEREF _Toc262982472 h 13 HYPERLINK l _Toc262982473 衰落和多徑 PAGEREF _Toc262982473 h 14 HYPERLINK l _Toc262982474 小尺度衰落的兩種機(jī)理 PAGEREF _Toc262982474 h 14 HYPERLINK l _Toc262982475 小尺度衰落信道的分類 PAGEREF _Toc2629

10、82475 h 16 HYPERLINK l _Toc262982476 第三章 移動(dòng)信道分析模型的建立和統(tǒng)計(jì)特性的研究 PAGEREF _Toc262982476 h 17 HYPERLINK l _Toc262982477 衰落信號(hào)分析模型的建立 PAGEREF _Toc262982477 h 18 HYPERLINK l _Toc262982478 3.1.1 Rayleigh過(guò)程 PAGEREF _Toc262982478 h 18 HYPERLINK l _Toc262982479 對(duì)數(shù)正態(tài)過(guò)程 PAGEREF _Toc262982479 h 19 HYPERLINK l _Toc2

11、62982480 多普勒功率譜密度函數(shù) PAGEREF _Toc262982480 h 20 HYPERLINK l _Toc262982481 3.2.1 Jakes功率譜密度函數(shù) PAGEREF _Toc262982481 h 20 HYPERLINK l _Toc262982482 3.2.2 Gaussian功率譜密度函數(shù) PAGEREF _Toc262982482 h 21 HYPERLINK l _Toc262982483 信道分析模型的統(tǒng)計(jì)特性 PAGEREF _Toc262982483 h 22 HYPERLINK l _Toc262982484 3.3.1 Rayleigh過(guò)

12、程 PAGEREF _Toc262982484 h 22 HYPERLINK l _Toc262982485 3.3.2 Suzuki過(guò)程 PAGEREF _Toc262982485 h 23 HYPERLINK l _Toc262982486 第四章 移動(dòng)信道仿真模型的建立和分析 PAGEREF _Toc262982486 h 25 HYPERLINK l _Toc262982487 移動(dòng)信道確實(shí)定性仿真模型的建立 PAGEREF _Toc262982487 h 27 HYPERLINK l _Toc262982488 仿真系統(tǒng)的組成 PAGEREF _Toc262982488 h 27 H

13、YPERLINK l _Toc262982489 仿真系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算方法 PAGEREF _Toc262982489 h 29 HYPERLINK l _Toc262982490 仿真結(jié)果分析 PAGEREF _Toc262982490 h 31 HYPERLINK l _Toc262982491 頻率選擇性衰落信道模型的建立 PAGEREF _Toc262982491 h 33 HYPERLINK l _Toc262982492 致謝 PAGEREF _Toc262982492 h 35 HYPERLINK l _Toc262982493 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc262982493

14、 h 36第1章 緒論通信技術(shù)經(jīng)歷了從有線到無(wú)線、從模擬到數(shù)字兩次根本性地變革。自從1894年馬可尼第一次用無(wú)線電實(shí)現(xiàn)與橫跨英吉利海峽的船舶之間的通信以來(lái)，經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的開展，直到20世紀(jì)70年代才實(shí)現(xiàn)了提供個(gè)人無(wú)線通信效勞。從第一代的模擬通信，到第二代的數(shù)字通信，直至如今新興的第三代移動(dòng)通信以及層出不窮的超3G、4G等等先進(jìn)的移動(dòng)通信技術(shù)，出于對(duì)“任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人的個(gè)人通信技術(shù)的不斷追求，以及高速數(shù)據(jù)傳輸、寬帶視頻和多媒體業(yè)務(wù)的需要，無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)的開展和應(yīng)用日新月異。移動(dòng)通信的開展?fàn)顩r到目前為止，已商用的移動(dòng)通信從第一代到第三代的開展如下列圖所示：圖1-1移動(dòng)通信系統(tǒng)開展過(guò)程移

15、動(dòng)通信技術(shù)的開展1.第一代1G移動(dòng)通信技術(shù)人們習(xí)慣于將模擬蜂窩系統(tǒng)稱為第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，美國(guó)是率先開發(fā)模擬蜂窩系統(tǒng)的國(guó)家之一，主要有AMPS和ARTS系統(tǒng)，分別于1983年10月和1984年初投入運(yùn)營(yíng)。日本是最早研制汽車 系統(tǒng)的國(guó)家之一，它研制的900MHz大容量汽車 系統(tǒng)(HCMTS)于1979年投入使用。北歐四國(guó)開發(fā)的NMT-450移動(dòng) 系統(tǒng)于1981年投人使用。英國(guó)的TACS蜂窩系統(tǒng)于1985年1月投入營(yíng)運(yùn)。西德的C-450系統(tǒng)于1986年8月投人使用。加拿大的AMPS系統(tǒng)于1985年7月在多倫多投入使用。我國(guó)于1987年開始建立模擬蜂窩通信系統(tǒng)，根本是采用英國(guó)的TACS標(biāo)準(zhǔn)。模擬蜂窩

16、的主要技術(shù)是提出了蜂窩狀小區(qū)制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；采用頻率復(fù)用及多信道共用技術(shù)，提高了頻譜利用率和系統(tǒng)容量；采用越區(qū)切換及位置登記等技術(shù)，方便計(jì)費(fèi)和管理；計(jì)算機(jī)及智能技術(shù)的應(yīng)用，提高了模擬網(wǎng)的管理水平。模擬網(wǎng)的開展標(biāo)志著移動(dòng)通信的一次革命。2.第二代2G移動(dòng)通信技術(shù)人們習(xí)慣將數(shù)字蜂窩系統(tǒng)稱為第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)。由于模擬蜂窩系統(tǒng)具有以下致命的弱點(diǎn)：一是各系統(tǒng)間沒有公共接口；二是無(wú)法與固定網(wǎng)迅速向數(shù)字化推進(jìn)相適應(yīng)，數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)很難開展；三是頻譜利用率低，無(wú)法適應(yīng)大容量要求；四是平安保密性差，易被竊聽。因此，一些興旺國(guó)家早在70年代初就著手考慮數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的研究開發(fā)。在數(shù)字蜂窩技術(shù)的開展中，最引人注目

17、的有三種標(biāo)準(zhǔn)：()歐洲的GSM系統(tǒng)GSM標(biāo)準(zhǔn)又稱泛歐數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)或全球移動(dòng)通信系統(tǒng)。它是歐洲1國(guó)通過(guò)協(xié)議制定的一種能在歐洲統(tǒng)一使用的數(shù)字蜂窩技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在此之前，歐洲各國(guó)使用的模擬蜂窩系統(tǒng)有多種制式，難以互通。GSM系統(tǒng)采用TDMA技術(shù)，系統(tǒng)容量為TACS的3-6倍。調(diào)制方式為高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)，并采用了非線性功率放大器，具有等幅包絡(luò)、窄帶、相干檢測(cè)能力好、帶外輻射小、輸出功率譜好等優(yōu)點(diǎn)。北美IS-54(也稱DAMPS或ADC)IS-54系統(tǒng)是美國(guó)通信工業(yè)協(xié)會(huì)于1989年制定的模擬數(shù)字兼容的數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)。由于北美模擬蜂窩標(biāo)準(zhǔn)比擬統(tǒng)一，所以該系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)在于謀求與現(xiàn)有模

18、擬蜂窩系統(tǒng)兼容。因此，所用頻段及載頻間隔均與模擬網(wǎng)相同；控制方式也與模擬網(wǎng)相通，其差異僅在于通話檢測(cè)和信道切換所用的信令不同。日本的PDC(也稱JDC)系統(tǒng)kbs)的話音編譯碼標(biāo)準(zhǔn)；該系統(tǒng)使用了兩個(gè)頻段(800MHzGHz)，以便于擴(kuò)展用戶基站；由于采用了/4QPSK調(diào)制等措施，其頻譜效率在三種系統(tǒng)中是最高的；用戶終端的尺寸小、電池壽命長(zhǎng)，這對(duì)用戶是相當(dāng)有吸引力的。3.第三代3G移動(dòng)通信技術(shù)由于第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)在很多方面仍然沒有實(shí)現(xiàn)最初的目標(biāo)，比方統(tǒng)一的全球標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)也由于技術(shù)的開展和人們對(duì)于系統(tǒng)傳輸能力的要求越來(lái)越高，幾千比特每秒的數(shù)據(jù)傳輸能力已經(jīng)不能滿足某些用戶對(duì)于高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?/p>

19、求，一些新的技術(shù)如IP等不能有效的實(shí)現(xiàn)，這些需要是高速率移動(dòng)通信系統(tǒng)開展的市場(chǎng)動(dòng)力。因此，自從國(guó)際電信聯(lián)盟ITU制定了IMT-2000標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，第三代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的開展方案就開始受到有關(guān)國(guó)家政府和一些國(guó)際性大公司的重視。與前兩代系統(tǒng)相比，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要特征是可提供豐富多彩的移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)，其傳輸速率在高速移動(dòng)環(huán)境中支持144kbs，步行慢速移動(dòng)環(huán)境中支持384kbs，靜止?fàn)顟B(tài)下支持2Mbs。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了提供比第二代系統(tǒng)更大的系統(tǒng)容量、更好的通信質(zhì)量，而且要能在全球范圍內(nèi)更好地實(shí)現(xiàn)無(wú)縫漫游及為用戶提供包括話音、數(shù)據(jù)及多媒體等在內(nèi)的多種業(yè)務(wù)，同時(shí)也要考慮與已有第二代系統(tǒng)的良好兼容

20、性。到目前為止，已經(jīng)有很多個(gè)版本的標(biāo)準(zhǔn)草案提交到ITU。在各種建議方案中，最有影響力的包括：()WCDMA全稱為Wideband CDMA，這是基于GSM網(wǎng)開展出來(lái)的3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是歐洲提出的寬帶CDMA技術(shù)，它與日本提出的寬帶CDMA技術(shù)根本相同，目前正在進(jìn)一步融合。該標(biāo)準(zhǔn)提出了GSM(2G)GPRSEDGEWCDMA(3G)的演進(jìn)策略。GPRS是General Packet Radio Service(通用分組無(wú)線業(yè)務(wù))的簡(jiǎn)稱，EDGE是Enhanced Data rate for GSM Evolution(增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率的GSM演進(jìn))的簡(jiǎn)稱，這兩種技術(shù)被稱為2.5代移動(dòng)通信技術(shù)。目前中國(guó)

21、移動(dòng)正在采用這一方案向3G過(guò)渡，并已將原有的GSM網(wǎng)絡(luò)升級(jí)為GPRS網(wǎng)絡(luò)。CDMA2000CDMA2000是由窄帶CDMA(CDMA IS95)技術(shù)開展而來(lái)的寬帶CDMA技術(shù)，由美國(guó)主推，該標(biāo)準(zhǔn)提出了從CDMA IS95(2G)CDMA20001xCDMA20003x(3G)的演進(jìn)策略。CDMA20001x被稱為2.5代移動(dòng)通信技術(shù)。CDMA20003x與CDMA2000lx的主要區(qū)別在于應(yīng)用了多路載波技術(shù)，通過(guò)采用三載波使帶寬提高。目前中國(guó)聯(lián)通正在采用這一方案向3G過(guò)渡，并已建成了CDMA IS95網(wǎng)絡(luò)。TDSCDMA全稱為Time DivisionSynchronous CDMA(時(shí)分同步

22、CDMA)，是由我國(guó)大唐電信公司提出的3G標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)提出不經(jīng)過(guò)2.5代的中間環(huán)節(jié)，直接向3G過(guò)渡，非常適用于GSM系統(tǒng)向3G升級(jí)。但目前大唐電信公司還沒有基于這一標(biāo)準(zhǔn)的可供商用的產(chǎn)品推出。雖然WCDMA與CDMA2000、TDSCDMA的目的相同，但是在關(guān)于怎樣才能更好發(fā)揮CDMA的優(yōu)勢(shì)、提高系統(tǒng)的性能如系統(tǒng)容量、通信質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋等方面采用的技術(shù)有所不同。首先，WCDMA與CDMA2000都是采用FDD(頻分?jǐn)?shù)字雙工)模式，TDSCDMA采用TDD(時(shí)分?jǐn)?shù)字雙工)模式。TDD的頻譜利用率高，而且本錢低廉，但由于采用多時(shí)隙的不連續(xù)傳輸方式，基站發(fā)射峰值功率與平均功率的比值較高，造成基站功耗較

23、大，基站覆蓋半徑較小，同時(shí)也造成抗衰落和抗多普勒頻移的性能較差，當(dāng) 處于高速移動(dòng)的狀態(tài)下時(shí)通信能力較差。其次，WCDMA(FDDDS)采用直接序列擴(kuò)頻方式，其碼片速率為3.84Mchips。CDMA20001x與CDMA20003x的區(qū)別在于載波數(shù)量不同，CDMA 20001x為單載波，碼片速率為1.2288Mchips，CDMA20003x為三載波，其碼片速率為1.2288*336864Mchips。TDSCDMA的碼片速率為1.28Mchips。碼片速率高能有效地利用頻率選擇性分集以及空間的接收和發(fā)射分集，可以有效地解決多徑問(wèn)題和衰落問(wèn)題，WCDMA在這方面最具優(yōu)勢(shì)。再次，智能天線技術(shù)是T

24、DSCDMA采用的關(guān)鍵技術(shù)，目前WCDMA與CDMA2000都還沒有采用這項(xiàng)技術(shù)。智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場(chǎng)的雙向天線，通過(guò)一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時(shí)獲取基站和移動(dòng)臺(tái)之間各個(gè)鏈路的方向特性。智能天線的這些特性可顯著提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜效率。最后，WCDMA由GSM網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡而來(lái)，雖然可以保存GSM核心網(wǎng)絡(luò)，但必須重新建立WCDMA的接入網(wǎng)，并且不可能重用GSM基站。CDMA20003x從CDMA IS95、CDMA20001x過(guò)渡而來(lái)，可以保存原有的CDMA IS95設(shè)備。TDSCDMA系統(tǒng)的的建設(shè)只需在已有的GSM網(wǎng)絡(luò)上增加TDSCDMA設(shè)備即可。三種技

25、術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，WCDMA在升級(jí)的過(guò)程中耗資最大。目前隨著無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求的快速增長(zhǎng)，可用的頻譜資源變得越來(lái)越稀缺。人們通過(guò)采用先進(jìn)的無(wú)線通信理論和技術(shù)，如鏈路自適應(yīng)技術(shù)、多天線技術(shù)、多用戶檢測(cè)技術(shù)等努力提高頻譜效率的同時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)全球授權(quán)頻段，尤其是信號(hào)傳播特性比擬好的低頻段頻譜的利用率極低。大量研究報(bào)告說(shuō)明：頻譜的利用情況極不平衡。一些非授權(quán)頻段占用擁擠而有些授權(quán)頻段那么經(jīng)?？臻e。一份測(cè)量報(bào)告說(shuō)明：3GHz以下頻段的平均頻譜利用率僅有5.2。因此近幾年來(lái)能夠?qū)Σ豢稍偕念l譜資源實(shí)現(xiàn)再利用的頻譜共享技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)有的頻譜共享技術(shù)，如工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用(Industrial Scienti

26、fic and Medica1 ISM)頻段開放接入、工作于3-10GHz頻段的超寬帶(Ultra-Wide Band UWB)系統(tǒng)與傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)共存等技術(shù)通常應(yīng)用于固定頻段的共享，或受限于發(fā)送功率的短距離通信。這些技術(shù)在提高頻譜利用率同時(shí)卻增加了干擾，限制了通信系統(tǒng)的容量和靈活性。1999年，Joseph Mitolo博士進(jìn)行了關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電的奠基性工作，提出CRCognitive Radio具有學(xué)習(xí)能力，能與周圍環(huán)境交互信息，以感知和利用在該空間的可用頻譜，并限制和降低沖突的發(fā)生。通常由非授權(quán)用戶組成一個(gè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)周圍無(wú)線環(huán)境的頻譜感知，發(fā)現(xiàn)授權(quán)用戶當(dāng)前未使用的頻譜空洞，通過(guò)頻

27、譜分析，估計(jì)相應(yīng)的參數(shù)，并根據(jù)非授權(quán)用戶的需求判斷可用的頻段和可以到達(dá)的通信容量和QoS，從而動(dòng)態(tài)地接入網(wǎng)絡(luò)。國(guó)際上普遍認(rèn)為這是緩解頻譜資源日趨緊張的有效方法。ITU-R于2006年3月提出一項(xiàng)新的建議，將認(rèn)知無(wú)線電單獨(dú)作為一個(gè)研究課題進(jìn)行研究，從廣義上來(lái)說(shuō)認(rèn)知無(wú)線電能夠幫助用戶自動(dòng)選擇最好的、最廉價(jià)的效勞進(jìn)行無(wú)線傳輸，甚至能夠根據(jù)現(xiàn)有的或者即將獲得的無(wú)線資源延遲或主動(dòng)進(jìn)行傳送。這將大大降低頻譜和帶寬限制對(duì)無(wú)線技術(shù)開展的束縛因此這一技術(shù)被預(yù)言為未來(lái)最熱門的無(wú)線技術(shù)。目前認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，人們啟動(dòng)了許多研究工程。認(rèn)知無(wú)線電的概念雖新，但其思想已在例如HSDPA、c

28、dma2000 1xEv/Do網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線通信的許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能主要受到無(wú)線信道特性的制約。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播路徑上一般分布有復(fù)雜的地形地物，其信道往往是非固定的和不可預(yù)見的，具有復(fù)雜時(shí)變的電波傳播特性，因而造成了信道分析和傳播預(yù)測(cè)的困難。隨著通信系統(tǒng)的日趨復(fù)雜化，無(wú)線信道的仿真對(duì)于現(xiàn)代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究有著不可替代的意義。隨著移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的開展，無(wú)線通信用戶逐年增多，導(dǎo)致無(wú)線頻帶資源日益短缺，為了更有效地利用有限的頻帶效勞更多的通信用戶，移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)歷了由大區(qū)制到宏小區(qū)、微小區(qū)以及微微小區(qū)的演變。目前，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出的預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式，再根據(jù)實(shí)地測(cè)試進(jìn)行修正，大

29、區(qū)制、宏小區(qū)和微小區(qū)已經(jīng)有公認(rèn)的具有普遍意義的信道模型Okumura-Hata模型，它是一組基于各種地形地物環(huán)境中場(chǎng)強(qiáng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)圖表擬合的、能夠計(jì)算不同區(qū)域傳播路徑損耗中值的經(jīng)驗(yàn)公式。它以準(zhǔn)平坦地形大城市地區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)中值或路徑損耗作為基準(zhǔn)，在此根底上對(duì)不同的傳播環(huán)境和地形條件等因素用校正因子加以修正。由于它的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠到達(dá)比擬完美的吻合，所以被普遍應(yīng)用于覆蓋范圍不大于20km的大區(qū)制和宏蜂窩小區(qū)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，目前這方面的工作主要集中在測(cè)量手段和數(shù)據(jù)處理上。而在微小區(qū)半徑小于1km中，由于多半是地形復(fù)雜且業(yè)務(wù)量比擬大的重點(diǎn)區(qū)域，基于統(tǒng)計(jì)和修正因子的經(jīng)驗(yàn)公式多半不適用。而且由于其采用

30、的頻率到達(dá)微波波段，所研究的散射體和計(jì)算域電尺寸過(guò)大每一維度均達(dá)幾百甚至幾千個(gè)波長(zhǎng)，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)內(nèi)存的消耗急劇增加，使得理論分析微小區(qū)電波傳播特性存在很大困難。而且由于所處地區(qū)地物環(huán)境的復(fù)雜性，干擾也相對(duì)復(fù)雜，很難預(yù)測(cè)其場(chǎng)強(qiáng)，也很少有統(tǒng)一實(shí)用的信道仿真模型。于是，基于相似性原理的近似信道模型成為一種合理的選擇，常用的電波傳播預(yù)測(cè)模型有COST231模型和RayTracing模型。COST231模型是一個(gè)在業(yè)界獲得廣泛應(yīng)用的宏小區(qū)和微小區(qū)電波傳播預(yù)測(cè)模型，它對(duì)地形地物做了必要且合理的假設(shè)，以可視路徑以及非可視路徑電波傳播損耗為基準(zhǔn)，在此根底上對(duì)其他地形地物進(jìn)行修正。COST231模型能夠

31、在較短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)，頻率用范圍為900MHz1800MHz。RayTracing模型考慮建筑物的反射和繞射，通常采用射線跟蹤的方法對(duì)微小區(qū)的無(wú)線電電波傳播進(jìn)行預(yù)測(cè)，因而能更接近實(shí)際信道，但計(jì)算量偏大。當(dāng)然，無(wú)論采取哪種方法，地形地物數(shù)據(jù)庫(kù)的建立都是微小區(qū)電波傳播預(yù)測(cè)的難點(diǎn)。在構(gòu)建RayTracing模型的地形地物數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)候，根本采用射線跟蹤的方法并綜合考慮建筑物邊緣繞射的影響，不過(guò)這種方法往往只能分析結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的建筑物和街道。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，運(yùn)算量和運(yùn)算速度不再成為科學(xué)研究的瓶頸，有許多學(xué)者開始研究用積分方程法、頻域有限差分法等電磁場(chǎng)數(shù)值方法來(lái)解決這一問(wèn)題，但計(jì)算量仍然較大。其中頻域有

32、限差分法對(duì)解決不規(guī)那么、非均勻的散射問(wèn)題有廣泛的適用性，可以快速得到整個(gè)區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)值，而不必如傳統(tǒng)算法一樣認(rèn)為細(xì)分總場(chǎng)值為直射、繞射、反射等，較為簡(jiǎn)單易行。比擬成熟的基于RayTracing模型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件有WinProp，它根據(jù)3D地圖上的建筑物特征和分布找出發(fā)射源到每個(gè)接收位置測(cè)試點(diǎn)光線的所有傳播路徑，然后根據(jù)菲涅耳等式和幾何繞射理論/一致性繞射理論(GTD/UTD)等來(lái)確定反射和繞射損耗等，這樣相應(yīng)得到每條路徑到每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，將同一測(cè)試點(diǎn)處到達(dá)的所有路徑的場(chǎng)強(qiáng)做相干疊加，得到每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)處總的接收?qǐng)鰪?qiáng)。與常用的基于修正的COST231模型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件相比，能夠充分考慮建筑

33、物的特征和分布對(duì)無(wú)線信號(hào)的影響，因此根據(jù)射線跟蹤模型的預(yù)測(cè)結(jié)果可以精確地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃并有效地控制干擾。然而射線跟蹤法的預(yù)測(cè)精度對(duì)高精度的3D數(shù)字化地圖的依賴非常大。相反，COST231模型對(duì)建筑物數(shù)據(jù)的精度要求就比擬低，運(yùn)算速度快，在目前的工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。目前基于COST231模型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件中知名度比擬高的是AIRCOM公司的ASSET。至于微微小區(qū)中的無(wú)線電電波傳播的預(yù)測(cè)，在理論和實(shí)測(cè)兩方面都有研究在進(jìn)行，且取得了一定的研究成果，但目前還沒有公認(rèn)的具有普遍意義的模型。在現(xiàn)代高速移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，往往需要為各種各樣的無(wú)線移動(dòng)信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展和衰落效應(yīng)進(jìn)行仿真建模。國(guó)際公認(rèn)

34、的傳播預(yù)測(cè)模型并不能適用于所有無(wú)線通信環(huán)境，尤其是在微微小區(qū)中，傳播路徑更加復(fù)雜，從簡(jiǎn)單的視距傳播到復(fù)雜的具有各種各樣障礙物的反射、折射和散射路徑，無(wú)線信道的傳播特性具有極大的隨機(jī)性，環(huán)境微小的變化都能引起接收信號(hào)很大的波動(dòng)。因此，非常有必要從普遍意義上研究無(wú)線信道的仿真技術(shù)。研究說(shuō)明，雖然無(wú)線信號(hào)在各種不同移動(dòng)環(huán)境中受到的時(shí)延擴(kuò)展和衰落影響各不相同，但他們都是時(shí)變的多徑傳輸信道，都可以用具有時(shí)變沖激響應(yīng)的線性濾波器描述。在很多文獻(xiàn)中，廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射被公認(rèn)為是能夠顯示時(shí)延擴(kuò)展和多普勒擴(kuò)展的最簡(jiǎn)單的隨機(jī)過(guò)程。業(yè)已證明，高斯廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射模型與許多實(shí)際的無(wú)線信道相吻合。無(wú)線信道是移動(dòng)通信的

35、傳輸媒介，所有的信息都在這個(gè)信道中傳輸。信道性能的優(yōu)劣直接決定著信息傳送的正確率和時(shí)效性，進(jìn)而決定著人們的通信質(zhì)量。因此，要想在有限的頻譜資源上盡可能高質(zhì)量、大容量傳輸有用信息，就要求我們必須十分清楚地了解信道的特性，然后根據(jù)信道的特性采取一系列的抗干擾和抗衰落技術(shù)來(lái)保證傳輸質(zhì)量和傳輸容量方面的要求。而對(duì)于象認(rèn)知無(wú)線電這樣的通過(guò)協(xié)商利用授權(quán)網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間、空閑頻段的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，首先就需要實(shí)時(shí)檢測(cè)授權(quán)網(wǎng)絡(luò)用戶當(dāng)前未使用的頻譜空洞，通過(guò)頻譜分析，估計(jì)相應(yīng)的參數(shù)，并根據(jù)非授權(quán)用戶的需求判斷可用的頻段和可以到達(dá)的通信容量和QoS。即使對(duì)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)化：假設(shè)授權(quán)和非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)為同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、工作于同一

36、頻段、覆蓋范圍重疊、且均為多用戶環(huán)境、使用碼分多址區(qū)分不同用戶。對(duì)于授權(quán)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的使用狀況仍需非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)完全通過(guò)空中接收、分析授權(quán)網(wǎng)絡(luò)與其用戶間的上、下行信號(hào)進(jìn)行判斷。更何況就認(rèn)知無(wú)線電的設(shè)想而言，它應(yīng)該解決異構(gòu)的多種制式的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的共存問(wèn)題，CR網(wǎng)能夠在全頻段的頻譜范圍內(nèi)快速捕獲頻譜空洞，進(jìn)而重新配置網(wǎng)絡(luò)資源、工作模式和參數(shù)?？v向要打破傳統(tǒng)的分層概念，采用跨層新協(xié)議，橫向要打破靜態(tài)頻譜分割方法，不僅動(dòng)態(tài)接入，而且還要自適應(yīng)地改變頻段，改變制式、改變參數(shù)，甚至改變網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這就對(duì)非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)如何通過(guò)無(wú)線信道獲得授權(quán)網(wǎng)絡(luò)信息的能力提出更高的要求。目前，在實(shí)驗(yàn)室里研究移動(dòng)無(wú)線信道普遍使用的是無(wú)線信道

37、仿真模型，這比實(shí)物試驗(yàn)更能節(jié)省費(fèi)用，并且信道仿真模型復(fù)用性高，可以利用其對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試、分析和評(píng)估。因此，無(wú)線信道仿真模型的研究有著重要的理論和實(shí)際意義。業(yè)界對(duì)無(wú)線信道仿真模型的研究由來(lái)已久，但多數(shù)只考慮了小尺度衰落，但對(duì)于認(rèn)知無(wú)線電的研究來(lái)說(shuō)，不單單需要解決小尺度衰落對(duì)數(shù)字傳輸技術(shù)的影響，最根底的是要解決認(rèn)知無(wú)線電在空中接口上對(duì)信息的感知，并且要根據(jù)感知的信號(hào)強(qiáng)度判斷非授權(quán)用戶的接入是否會(huì)對(duì)授權(quán)網(wǎng)絡(luò)用戶造成干擾以及干擾的程度，進(jìn)而提出非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)用戶智接入和退出的機(jī)制以及接入和退出閾值的判斷和計(jì)算，這勢(shì)必要涉及到大尺度衰落。所以本課題在研究無(wú)線信道仿真建模時(shí)同時(shí)考慮了大尺度衰落和小尺度衰落

38、。第2章移動(dòng)信道傳播特性無(wú)線傳播環(huán)境是影響無(wú)線通信系統(tǒng)的根本要素。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的無(wú)線傳播路徑非常復(fù)雜，從簡(jiǎn)單的視距傳播，到遭遇各種復(fù)雜的地物建筑物、山坡、植被、水域等等所引起的反射、繞射和散射傳播等。無(wú)線信道不像有線信道那樣固定并且可以預(yù)見，而是極具隨機(jī)性的。與此同時(shí)，移動(dòng)臺(tái)相對(duì)于發(fā)射臺(tái)移動(dòng)的方向和速度，以及在傳播路徑上障礙物發(fā)生的移動(dòng)，都會(huì)對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生重大的影響。因此，可以認(rèn)為無(wú)線信道是一種隨時(shí)間、環(huán)境和其他外部因素而變化的通信通路。無(wú)線信道對(duì)傳輸信號(hào)的作用有三類：1、多徑衰落，由于移動(dòng)傳播環(huán)境的多徑傳輸而引起的衰落。在幾個(gè)波長(zhǎng)的空間域或秒級(jí)的時(shí)間域上，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的瞬時(shí)值呈現(xiàn)快速變

39、化的特征，其衰落特性服從瑞利分布或者萊斯分布。2、陰影衰落，由于傳播環(huán)境的地形起伏以及建筑物等障礙物對(duì)電磁波遮蔽所引起的衰落。在數(shù)百波長(zhǎng)的區(qū)間內(nèi)，信號(hào)的短區(qū)間中值出現(xiàn)緩慢的變動(dòng)的特征，其衰落特性服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。3、自由空間傳播損耗，表現(xiàn)為隨著發(fā)射機(jī)距離的改變而成指數(shù)衰減的特征。通常，我們將多徑衰落歸為小尺度Small-Scale衰落，將陰影衰落和自由空間傳播損耗歸為大尺度Large-Scale衰落。大尺度傳播模型主要用于描述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的長(zhǎng)距離幾百或上千米上的信號(hào)強(qiáng)度變化；小尺度衰落用于描述短距離幾個(gè)波長(zhǎng)或短時(shí)間秒級(jí)內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度的變化，小尺度衰落有兩種機(jī)理：多普勒擴(kuò)展和多徑時(shí)延擴(kuò)展。

40、在一個(gè)無(wú)線信道中，同時(shí)存在著大尺度衰落和小尺度衰落。一般而言，大尺度衰落對(duì)分析信道的可用性、選擇載波頻率以及小區(qū)切換有重要意義，是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃所主要關(guān)注的；小尺度衰落那么對(duì)傳輸技術(shù)的選擇和數(shù)字接收機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。圖2-1顯示了衰落信道的分類。圖2-1衰落信道分類在無(wú)線通信系統(tǒng)中，電磁波通常在非規(guī)那么、非單一的環(huán)境中傳播。在估算信道損耗時(shí)，既需要考慮在傳播方向上的地形地貌，也需要考慮建筑物、樹木及其他遮擋物。比擬經(jīng)典的模型有Longley-Rice模型、Durkin模型、Okumura模型、Hata模型、Walfisch和Bertoni模型等等。本課題所涉及到的是自由空間傳播模型和C

41、OST231-Hata模型。自由空間傳播模型自由空間傳播模型用于預(yù)測(cè)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間是完全無(wú)阻擋的視距路徑時(shí)接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)和微波視距無(wú)線鏈路是典型的自由空間傳播。與大多數(shù)大尺度無(wú)線電波傳播模型類似，自由空間模型預(yù)測(cè)接收功率的衰減為T-R距離的函數(shù)冪函數(shù)。自由空間中距發(fā)射機(jī)d處天線的接收功率由Friis公式給出： QUOTE 4.1其中, Pt(d)為發(fā)射功率，Pt(d)為接收功率，為T-R距離的函數(shù)；Gt是發(fā)射天線增益；Gr是接收天線增益；d是T-R間距離，單位為m，L是與傳播無(wú)關(guān)的系統(tǒng)損耗因子L QUOTE 1，為波長(zhǎng)，單位為m。天線增益與它的有效截面Ae相關(guān)，即4.2有效截

42、面Ae與天線的物理尺寸相關(guān)，那么與載頻相關(guān)4.3其中， 為載頻，單位是Hz；為載頻，單位是rad/s;為光速，單位是m/s。Pt和Pr必須具有相同的單位，Gt和Gr為無(wú)量綱的量。綜合損耗LL QUOTE 1通常歸因于傳輸線衰減、濾波損耗和天線損耗，L=1那么說(shuō)明系統(tǒng)硬件中無(wú)損耗。由式4.1的自由空間公式可知，接收機(jī)功率隨T-R距離的平方而衰減，即接收功率衰減與距離的關(guān)系為20dB/十倍程。各方向具有相同單位增益的理想全向天線，通常作為無(wú)線通信系統(tǒng)的參考天線。有效全向發(fā)射功率EIRP定義為EIRP=PtGt4.4表示與全向天線相比，可由發(fā)射機(jī)獲得的在最大天線增益方向上的最大發(fā)射功率。實(shí)際上用有效

43、發(fā)射ERP代替EIRPdB，因此對(duì)于同一傳輸系統(tǒng)，ERP比EIRPdB。實(shí)際上，天線增益是以dBi與全向天線相比的dB增益為單位或以dBd(與半波偶極子天線相比的dB增益)為單位的。路徑損耗表示信號(hào)衰減，單位為dB的正值，定義為有效發(fā)射功率和接收功率之間的差值，可以包括也可以不包括天線增益。當(dāng)包括天線增益時(shí)，自由空間路徑損耗為4.5當(dāng)不包括天線增益時(shí)，假設(shè)天線具有單位增益。其路徑損耗為 4.6Friss自由空間模型僅當(dāng)d為發(fā)射天線遠(yuǎn)場(chǎng)值Pr時(shí)適用。天線的遠(yuǎn)場(chǎng)或Fraunhofer區(qū)定義為超過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)距離df的地區(qū)，與發(fā)射天線截面的最大線性尺寸和載波波長(zhǎng)有關(guān)。Fraunhofer距離為 其中，D為天

44、線的最大物理線性尺寸。此外對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)地區(qū)，df必須滿足 (4.7b)和顯而易見，式4.1不包括d=0的情況。為此，大尺度傳播模型使用近似距離d0作為接收功率的參考點(diǎn)。當(dāng)dd0時(shí)，接收功率Pr與d0的相關(guān)?？捎墒?.1預(yù)測(cè)或由測(cè)量的平均值得到。參考距離必須選擇在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，即，同時(shí)d0小于移動(dòng)通信系統(tǒng)中所有的實(shí)現(xiàn)距離。這樣，使用式4.1，當(dāng)距離大于d0時(shí)，自由空間中的接收功率為 4.8在移動(dòng)無(wú)心通信系統(tǒng)中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)Pr在幾平方公里的典型覆蓋區(qū)內(nèi)要發(fā)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。因?yàn)榻邮针娖降膭?dòng)態(tài)范圍非常大，經(jīng)常以dBm或dBW為單位來(lái)表示接收電平。式4.8可以表示成以dBm或dBW為單位，只要公示兩邊均乘以10

45、。例如，如果Pr的單位為dBm，接收功率為 4.9其中，的單位為W。在實(shí)際使用低增益天線的12GHz地區(qū)的系統(tǒng)中，參考距離在室內(nèi)環(huán)境的典型取值為1m，室外環(huán)境取值為100m或1km，這樣式4.8和式4.9中的分子為10的倍數(shù)。這樣以dB為單位的路徑損耗的計(jì)算會(huì)很容易。小尺度衰落類型:所謂小尺度衰落是描述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的空間域或時(shí)間域的極小變所化導(dǎo)致的信號(hào)的幅度和相位的較大變化。小尺度衰落有兩種機(jī)理：多普勒擴(kuò)展和多徑時(shí)延擴(kuò)展。衰落和多徑無(wú)線信道的多徑性導(dǎo)致小尺度衰落的產(chǎn)生。多徑性是指由發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)經(jīng)由兩個(gè)或多個(gè)路徑傳播，因?yàn)榉瓷洹⒄凵涞鹊拇嬖冢鴮?dǎo)致信號(hào)在各路徑傳遞的長(zhǎng)度不同，從而以微小

46、的時(shí)間差到達(dá)接收機(jī)，產(chǎn)生信號(hào)相互疊加。時(shí)間不同相位就不同，有時(shí)同相疊加而加強(qiáng)，有時(shí)反相疊加而減弱。小尺度衰落的兩種機(jī)理.1多普勒擴(kuò)展當(dāng)移動(dòng)臺(tái)以恒定速率v在長(zhǎng)度d的路徑上運(yùn)動(dòng)時(shí)收到來(lái)自遠(yuǎn)端發(fā)射機(jī)S的信號(hào)，如圖2-2所示。無(wú)線電波從S出發(fā)，在A點(diǎn)與B點(diǎn)處分別被移動(dòng)臺(tái)接收時(shí)所走過(guò)的路徑為SA和SB，路程差為。這里是移動(dòng)臺(tái)從A移動(dòng)到B所需的時(shí)間；是A和B處的接收信號(hào)入射角，由于發(fā)射源S的距離很遠(yuǎn)，我們可以近似認(rèn)為A、B兩處的入射角相當(dāng)。所以，由于路程差所造成的信號(hào)相位變化為： (2.3)由此可推導(dǎo)出頻率變化值，即多普勒頻移為： (2.4)式中，與入射角無(wú)關(guān)，是的最大值。稱為最大多普勒頻移。圖2-2多普

47、勒擴(kuò)展.2多徑時(shí)延擴(kuò)展在多徑傳播條件下，當(dāng)發(fā)送端發(fā)射一個(gè)脈沖寬度為T的脈沖信號(hào)時(shí)，由于信號(hào)沿各個(gè)長(zhǎng)度不同的路徑到達(dá)接收天線的時(shí)間不一，而且傳播路徑又隨移動(dòng)臺(tái)以及散射障礙物的運(yùn)動(dòng)而變化，因而移動(dòng)臺(tái)所接收的信號(hào)是許多不同時(shí)延的脈沖所組成寬度為T+ QUOTE 的信號(hào)。在數(shù)字傳輸中，時(shí)延擴(kuò)展能使接收信號(hào)中的一個(gè)碼元的波形擴(kuò)展到其他碼元周期中，引起碼間串?dāng)_Inter Symbol Interference,ISI。通常時(shí)延譜的數(shù)學(xué)模型描述為： 2-5此模型可以這樣理解：接收信號(hào)由N個(gè)等間隔的脈沖信號(hào)組成，脈沖的幅度為指數(shù)函數(shù)，如圖2-3所示。圖2-3多徑時(shí)延小尺度衰落信道的分類根據(jù)信道的頻率選擇性，可

48、以把信道分為平坦衰落信道和頻率選擇性衰落信道；根據(jù)信道的時(shí)間選擇性，可以把信道分為快衰落信道和慢衰落信道。.1平坦衰落信道和頻率選擇性衰落信道經(jīng)過(guò)信道傳輸后的信號(hào)波形所有頻率分量都經(jīng)歷了相同的衰減，接收信號(hào)波形和原始信號(hào)波形相比沒有失真，既為平坦衰落信道。其信號(hào)周期遠(yuǎn)大于信道的時(shí)延擴(kuò)展，也就是說(shuō)各頻率分量在頻譜上很接近，所以衰落幅度也比擬接近。反之，頻率選擇性信道的條件是信號(hào)周期小于信道的時(shí)延擴(kuò)展，也就是說(shuō)在頻譜上各頻率分量分隔較遠(yuǎn)，信道會(huì)對(duì)不同的頻率分量產(chǎn)生不同的衰落，所以接收信號(hào)經(jīng)歷了多個(gè)可分辨徑的衰落，出現(xiàn)嚴(yán)重的碼間串?dāng)_(ISI)。所以說(shuō)頻率選擇性信道的建模比平坦衰落信道的建模更復(fù)雜，它

49、可以表示為多個(gè)可分辨徑的組合，也就是多個(gè)不同時(shí)延的平坦衰落信道的組合。.2慢衰落信道和快衰落信道判斷一個(gè)信道是慢衰落，還是快衰落，主要是看信道傳輸特性保持時(shí)間與單個(gè)字符周期之間的比擬。假設(shè)信道傳輸特性保持時(shí)間遠(yuǎn)大于單個(gè)字符周期也可以認(rèn)為在一次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中信道特性保持不變，那么可稱信道是慢衰落的。假設(shè)信道傳輸特性變化劇烈，其保持時(shí)間與單個(gè)字符周期可比擬比方一個(gè)信道的傳輸特性在每個(gè)字符周期都會(huì)變化，那么可稱信道是快衰落的。第三章 移動(dòng)信道分析模型的建立和統(tǒng)計(jì)特性的研究移動(dòng)信道特性的研究是移動(dòng)通信系統(tǒng)研究領(lǐng)域中最重要的局部，也是近年來(lái)人們研究的熱點(diǎn)之一。其中多徑傳播和陰影效應(yīng)是信道的主要特點(diǎn)，幾乎

50、任何統(tǒng)計(jì)特性都建立在此根底上。除了研究接收信號(hào)的衰落特性以外，電平通過(guò)率(LCR)和平均衰落持續(xù)時(shí)間(AFD)也是兩個(gè)很重要的統(tǒng)計(jì)特性，分別描述了信號(hào)的衰落速度和持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)于估計(jì)系統(tǒng)的可用性以及選擇系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)及過(guò)失控制方式很有價(jià)值。3.1衰落信號(hào)分析模型的建立由于語(yǔ)音信號(hào)帶寬比信道帶寬窄的多，因此，這是個(gè)非頻率選擇性衰落信道，接收的信號(hào)只是將輸入信號(hào)與一個(gè)適當(dāng)?shù)谋硎拘诺罆r(shí)變特性的統(tǒng)計(jì)過(guò)程相疊加。Suzuki過(guò)程可以很精確的模擬這個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程。Suzuki過(guò)程表示為具有相等均值的Rayleigh過(guò)程(t)和對(duì)數(shù)正態(tài)過(guò)程(t)的乘積。3.1.1 Rayleigh過(guò)程多徑衰落是由于

51、接收信號(hào)有許多相互獨(dú)立的反射波疊加而成，根據(jù)中心極限定理，當(dāng)多徑信號(hào)的數(shù)目很大時(shí)，接受信號(hào)可以看成是由兩個(gè)互相獨(dú)立的均值為0，方差為2的高斯隨機(jī)過(guò)程的疊加，如式3.1所示： (3.1)此時(shí)接收信號(hào)的包絡(luò)： (3.2)的概率密度函數(shù)PDF為Rayleigh分布： (3.3)式中，2是多徑反射信號(hào)的平均功率，與周圍環(huán)境有關(guān)，接受信號(hào)相位在0,2間均勻分布。進(jìn)一步研究可以得到,和,的聯(lián)合概率密度函數(shù)： 3.4 式中，表示在t1，t2時(shí)刻的分量，表示相關(guān)系數(shù)。當(dāng)和是相互獨(dú)立時(shí)，為0，此時(shí)上式可簡(jiǎn)化為： 3.5那么在t1，t2時(shí)刻信號(hào)的聯(lián)合概率密度函數(shù)為： 3.6式中，表示為修正的零階貝塞爾函數(shù)。當(dāng)和是

52、相互獨(dú)立時(shí)，為0，此時(shí)上式可簡(jiǎn)化為： 3.7在后面，將導(dǎo)出Suzuki過(guò)程電平通過(guò)率LCR和平均衰落持續(xù)時(shí)間(AFD)。為了這個(gè)目的，將需要Rayleigh過(guò)程(t)和它的時(shí)間導(dǎo)數(shù)在時(shí)刻t的聯(lián)合概率密度函數(shù)?？梢哉J(rèn)為(t)與是相互獨(dú)立的，那么聯(lián)合概率密度： 3.8 3.9 3.103.1.2對(duì)數(shù)正態(tài)過(guò)程在考慮由多徑效應(yīng)引起的平坦衰落之后，接下來(lái)分析一下由陰影效應(yīng)引起的大尺度衰落。這種衰落可以用對(duì)數(shù)正態(tài)過(guò)程來(lái)描述。對(duì)數(shù)正態(tài)過(guò)程可由另一個(gè)高斯過(guò)程()產(chǎn)生，的均值為0，方差。 3.11式中，參數(shù)和是用于將的均值和方差轉(zhuǎn)換為實(shí)際情況下的均值和方差。此時(shí)接收信號(hào)的概率密度為： 3.12式中，為大區(qū)間內(nèi)平

53、均值。取決于發(fā)射臺(tái)功率及移動(dòng)臺(tái)離發(fā)射臺(tái)距離的大小。標(biāo)準(zhǔn)偏差取決于地形地物、工作頻率等因素。后文將導(dǎo)出Suzuki過(guò)程電平通過(guò)率LCR和平均衰落持續(xù)時(shí)間(AFD)。為了這個(gè)目的，將需要對(duì)數(shù)正態(tài)過(guò)程和它的時(shí)間導(dǎo)數(shù)在時(shí)刻t的聯(lián)合概率密度函數(shù)。根據(jù)高斯過(guò)程和它的時(shí)間導(dǎo)數(shù)的聯(lián)合概率密度，這個(gè)過(guò)程就能被推導(dǎo)。本文同樣認(rèn)為與是相互獨(dú)立的，那么它們的聯(lián)合概率密度： 3.13 3.14現(xiàn)在用下面的變換公式： 3.15 3.16從而根據(jù)式3.13及3.11，很容易獲得對(duì)數(shù)正態(tài)過(guò)程和它的時(shí)間導(dǎo)數(shù)在時(shí)刻t的聯(lián)合概率密度函數(shù)： 3.17從以上分析可以看出，在建立和分析信道模型時(shí)，認(rèn)為由多徑效應(yīng)產(chǎn)生的小尺度衰落服從Ray

54、leigh分布，由陰影效應(yīng)產(chǎn)生的大尺度衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。且認(rèn)為小尺度衰落的兩個(gè)正交分量和是互不相關(guān)的。接收信號(hào)表現(xiàn)為在一個(gè)Rayleigh過(guò)程上疊加一個(gè)對(duì)數(shù)態(tài)過(guò)程。多普勒功率譜密度函數(shù)3.2.1 Jakes功率譜密度函數(shù)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于移動(dòng)體處于不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致接收端接收到的是來(lái)自不同路徑的多徑信號(hào)。移動(dòng)臺(tái)的速率將會(huì)導(dǎo)致每條多徑分量具有不同的多普勒頻移，同時(shí)假設(shè)移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)的入射角度在0,2間均勻分布。這樣就產(chǎn)生了具有特定環(huán)境下的多普勒功率譜密度特性。一般情況下，在Rayleigh衰落的狀態(tài)下，多普勒功率譜具有Jakes功率譜密度函數(shù)，成對(duì)稱態(tài)，如圖3-2所示： 3.18式中

55、，為最大多普勒頻移，為個(gè)入射角度入射波的平均功率?？梢?，在沒有多普勒效應(yīng)前，對(duì)連續(xù)波調(diào)制解調(diào)后得到一單頻信號(hào)，在多普勒效應(yīng)的影響下，接收信號(hào)為具有一定頻寬的調(diào)制信號(hào)。圖3-2多普勒功率譜密度函數(shù)由隨機(jī)過(guò)程的知識(shí)可知，隨機(jī)過(guò)程的自相關(guān)函數(shù)與其功率譜密度為付氏變換對(duì)，假設(shè)多普勒功率譜密度函數(shù)，可以求得其相對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)： 3.19表示為第一類的零階貝塞爾函數(shù)。 3.203.2.2 Gaussian功率譜密度函數(shù)上面討論的是Rayleigh衰落的狀態(tài)下，多普勒功率譜的特性，下面將要討論的是對(duì)數(shù)正態(tài)過(guò)程的多普勒功率譜特性。由于正態(tài)對(duì)數(shù)過(guò)程是由一個(gè)實(shí)高斯過(guò)程產(chǎn)生，下面介紹一下Gaussian功率譜密度

56、函數(shù)： 3.21其中，與3-DB截止頻率的關(guān)系為。3-DB截止頻率比最大多普勒頻移小很多，可以說(shuō)=/K,這里K?1。相應(yīng)的也可以求得它的自相關(guān)函數(shù)： 3.223.3信道分析模型的統(tǒng)計(jì)特性電平通過(guò)率LCR和平均衰落持續(xù)時(shí)間(AFD)是移動(dòng)通信信道中的兩個(gè)重要的統(tǒng)計(jì)量。分別描述了信號(hào)的衰落速度和持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)于估計(jì)系統(tǒng)的可用性很有價(jià)值。對(duì)任一廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，電平通過(guò)率LCR定義為信號(hào)包絡(luò)以正的斜率通過(guò)指定信號(hào)電平R的期望值，由下式積分得到： 3.23式中上面的點(diǎn)表示導(dǎo)數(shù),是rt對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)即斜率，表示r=R處r和的聯(lián)合概率密度函數(shù)。平均衰落持續(xù)時(shí)間AFC用來(lái)表示，它反映了信號(hào)包絡(luò)低于給定

57、電平R的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值。定義如下： 3.24這里，表示信號(hào)包絡(luò)低于給定電平R的概率。3.3.1 Rayleigh過(guò)程對(duì)于Rayleigh過(guò)程來(lái)講，根據(jù)式3.8和3.23，很容易得出它的電平通過(guò)率LCR和平均衰落持續(xù)時(shí)間(AFD)。如下式： 3.25式中，的值在式3.9中給出，的值在式3.10中給出。平均衰落持續(xù)時(shí)間(AFD)中的由式3-3很容易的求得： 3.26那么： 3.273.3.2 Suzuki過(guò)程Suzuki過(guò)程(t)可以表示為具有相等均值的Rayleigh過(guò)程(t)和對(duì)數(shù)正態(tài)過(guò)程(t)的乘積：(t)=(t)*(t) 3.28由隨機(jī)過(guò)程的知識(shí)可知，Suzuki過(guò)程(t)的概率密度

58、函數(shù)可以有由式3.29的表示方法： 3.29式中，x，y定義為Rayleigh過(guò)程(t)和對(duì)數(shù)正態(tài)過(guò)程(t)在時(shí)刻t的聯(lián)合概率密度。由于Rayleigh過(guò)程(t)和對(duì)數(shù)正態(tài)過(guò)程(t)式相互獨(dú)立的，即。因此，利用式3.3與式3.12，式3.29能被寫成如下形式： 3.30接下來(lái)，將要討論的是Suzuki過(guò)程的電平通過(guò)率LCR和平均衰落持時(shí)間間(AFD)。 (3.31)因此，我們首先考慮，它是Suzuki過(guò)程(t)和它的時(shí)間導(dǎo)數(shù)t在時(shí)刻t的聯(lián)合概率密度函數(shù)。根據(jù)式3.8和式3.17將推出這個(gè)聯(lián)合概率密度函數(shù)。3.32經(jīng)過(guò)一些計(jì)算，可得到： 3.33式中： 3.34一些變量：，可以得到Suzuki過(guò)

59、程的電平通過(guò)率：3.35最后討論一下Suzuki過(guò)程的平均衰落持續(xù)時(shí)間： 3.36平均衰落持續(xù)時(shí)間中的很容易的求得：3.37從以上的分析可以看出：電平通過(guò)率LCR和平均衰落持續(xù)時(shí)間AFC都是和的函數(shù)。通過(guò)改變和，可以使分析所得的概率密度函數(shù)無(wú)限接近理想的概率密度函數(shù)。同時(shí)，也應(yīng)該注意到，Jakes功率譜密度函數(shù)與Gaussian功率譜密度函數(shù)的形狀也影響到了概率密度函數(shù)。因此，要想使得分析所得的概率密度函數(shù)無(wú)限接近理想的概率密度函數(shù)可能還要考慮的影響，但是當(dāng)，10時(shí)，的影響可忽略。第四章 移動(dòng)信道仿真模型的建立和分析移動(dòng)信道仿真模型對(duì)于移動(dòng)通信研究具有重要意義，尤其在無(wú)線信道建模、性能分析及系

60、統(tǒng)測(cè)試等方面作用重大。具體而言，可概括為如下幾個(gè)方面：1尋找最正確的調(diào)制解調(diào)方案；2尋找最正確的信道編碼方案；3尋找最正確的信道均衡方案；4設(shè)計(jì)制作信道模擬器，檢驗(yàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊的性能。在模型的設(shè)計(jì)中，除了在特性對(duì)相應(yīng)的仿真對(duì)象應(yīng)擁有良好的逼近外，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和速度是通常需要重視的要點(diǎn)，以保證其可實(shí)現(xiàn)性和實(shí)時(shí)性。目前常用于移動(dòng)信道建模的方法包括：1對(duì)實(shí)測(cè)的信道數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯，并利用其建立相應(yīng)的仿真模型；2產(chǎn)生高斯白噪隨機(jī)序列，并通過(guò)具有對(duì)象信道特性的濾波器，從而產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù)；3基于馬爾可夫過(guò)程(Markov Process)建模；4使用一定數(shù)量的低頻正弦波發(fā)生器，通過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)算得到偽隨機(jī)噪聲序列以