基于Matlab的無(wú)線信道仿真

基于Matlab無(wú)線信道仿真近幾年，伴隨無(wú)線通信業(yè)務(wù)和新興寬帶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)快速增加，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)優(yōu)化顯得尤為主要。與有線信道靜態(tài)和可預(yù)測(cè)經(jīng)典特點(diǎn)相反，在實(shí)際中，因?yàn)闊o(wú)線信道動(dòng)態(tài)改變且不可預(yù)測(cè)，無(wú)線通信系統(tǒng)性能在很大程度上取決于無(wú)線信道環(huán)境，所以對(duì)無(wú)線信道準(zhǔn)確了解和仿真對(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)高性能和高頻譜效率無(wú)線傳輸技術(shù)顯得尤其主要。無(wú)線信道一個(gè)經(jīng)典特征是“衰落”，衰落現(xiàn)象大致可分為兩種類(lèi)型：大尺度衰落和小尺度衰落。其中，大尺度衰落主要在移動(dòng)設(shè)備經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)距離時(shí)表現(xiàn)，它是由信號(hào)損耗（長(zhǎng)距離傳輸）和大障礙物（如建筑物、中間地形和植物）形成陰影所引發(fā)，通常分為路徑損耗和陰影衰落，另首先，小尺度衰落是指當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在較短距離內(nèi)移動(dòng)時(shí)，由多條路徑相消或相長(zhǎng)干涉所引發(fā)信號(hào)電平快速波動(dòng)，主要表現(xiàn)為多徑衰落。它們之間關(guān)系如圖1所表示。匯報(bào)中分別對(duì)這幾個(gè)衰落常見(jiàn)模型進(jìn)行了總結(jié)和仿真。圖1各種衰落之間關(guān)系一、大尺度衰落大尺度衰落是在一個(gè)較大范圍上考查功率漸變過(guò)程，功率局部中值隨距離改變遲緩。大尺度信道模型主要研究電波傳輸在時(shí)間、空間、頻率范圍內(nèi)平均特征。1.1路徑損耗路徑損耗由發(fā)射功率輻射擴(kuò)散及信道傳輸特征造成，反應(yīng)在宏觀長(zhǎng)距離上。理論上認(rèn)為，對(duì)于相同收發(fā)距離，路徑損耗相同。其定義為有效發(fā)射功率和平均接收功率之間比值。幾個(gè)慣用描述大尺度衰落模型有自由空間模型、對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型、Hata-Okumura模型。1.1.1自由空間模型所謂自由空間是指天線周?chē)鸀闊o(wú)限大真空時(shí)電波傳輸，它是理想傳輸條件。電波在自由空間傳輸時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射，傳輸路徑上沒(méi)有障礙物阻擋，抵達(dá)接收天線地面反射信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)也能夠忽略不計(jì)。自由空間模型中路徑損耗計(jì)算公式：其中，為發(fā)射功率，為接收功率，為發(fā)射端與接收端距離，為載波頻率，為光速取，為發(fā)射端天線增益，為接收端天線增益。轉(zhuǎn)換成份貝表示：發(fā)射端與接收端均是全向天線，，得圖2：圖2路徑損耗隨距離、頻率改變曲線1.1.2對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型與前面提到自由空間路徑損耗一樣，在其余全部實(shí)際環(huán)境中，平均接收信號(hào)功率隨距呈對(duì)數(shù)方式減小。經(jīng)過(guò)引入伴隨環(huán)境而改變路徑損耗指數(shù)能夠修正自由空間模型，從而結(jié)構(gòu)出一個(gè)更為普遍路徑損耗衰落模型。其中，是一個(gè)參考距離，在參考距離或者靠近參考距離位置，路徑損耗具備自由空間路徑損耗特點(diǎn)。如表1所表示，路徑函數(shù)主要由傳輸環(huán)境決定，對(duì)于不一樣傳輸系統(tǒng)必須確定適宜參考距離，比如，在大覆蓋范圍蜂窩系統(tǒng)（半徑大于10km蜂窩系統(tǒng)）中，通常會(huì)設(shè)置為1km，對(duì)于小區(qū)半徑為1km宏蜂窩系統(tǒng)或者具備極小半徑微蜂窩系統(tǒng)，能夠分別設(shè)置參考距離為100m或1m。環(huán)境路徑損耗（）環(huán)境路徑損耗（）自由空間2建筑物內(nèi)視距傳輸1.6~1.8市區(qū)蜂窩2.7~3.5建筑物內(nèi)障礙物阻擋4~6市區(qū)蜂窩陰影3~5工廠內(nèi)障礙物阻擋2~3表1路徑損耗指數(shù)對(duì)數(shù)路徑損耗隨距離、路徑損耗指數(shù)改變曲線：圖3路徑損耗隨距離、路徑損耗指數(shù)改變曲線1.1.3Hata-Okumura模型(1)Okumura模型Okumura模型特點(diǎn)是：以大城市地域準(zhǔn)平坦地形場(chǎng)強(qiáng)中值路徑損耗作為基準(zhǔn)，對(duì)于不一樣傳輸環(huán)境和地形條件等原因用校正因子加以修正。Okumura模型中大城市地域準(zhǔn)平坦地形中值路徑損耗（dB）由下式給出其中，為發(fā)射端與接收端距離，為載波頻率，為基站天線高度增益，為移動(dòng)臺(tái)天線高度增益。它們與路徑損耗關(guān)系以下：圖4路徑損耗與基站天線高度增益關(guān)系圖5路徑損耗與移動(dòng)臺(tái)天線高度增益關(guān)系（2）Hata模型Hata模型依然保留了Okumura模型格調(diào)，以市區(qū)傳輸損耗為標(biāo)準(zhǔn)，其余地域在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。中值路徑損耗經(jīng)驗(yàn)公式為：其中，為修正因子，由所在環(huán)境決定。Hata模型適用條件：載波頻率(MHz)f=150-1000MHz；基站高度(m)Hb=30-100m；移動(dòng)臺(tái)高度(m)Hm=1-10m；收發(fā)天線距離(小區(qū)半徑)(km)d=1-20km。中小城市修正因子：大城市且載波頻率時(shí)，修正因子：大城市且載波頻率時(shí)，修正因子：郊區(qū)修正因子：農(nóng)村修正因子：仿真結(jié)果以下：圖6Hata模型中路徑損耗隨距離改變曲線（Hb=60，Hm=1，f=200MHz）圖7Hata模型中路徑損耗隨距離改變曲線（Hb=60，Hm=1，d=2Km）1.1.4布靈頓模型描述大尺度衰落一個(gè)模型。假設(shè)發(fā)射天線和移動(dòng)臺(tái)之間地面是理想平面大地，而且二者之間距離遠(yuǎn)大于發(fā)射天線高度或移動(dòng)臺(tái)高度，此時(shí)路徑損耗公式為：系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通常把接收機(jī)高度按經(jīng)典值處理，此時(shí)路徑損耗公式為：1.1.5EgLi模型Egli認(rèn)為不平坦地域場(chǎng)強(qiáng)等于平面大地反射公式算出場(chǎng)強(qiáng)加上一個(gè)修正值，該修正值為：式中為工作頻率，單位為MHz。Egli模型是從大量實(shí)測(cè)結(jié)果中歸納出來(lái)中值預(yù)測(cè)公式，屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。Egli公式可用于計(jì)算不平坦地域傳輸損耗，計(jì)算公式以下：為傳輸損耗，單位dB；為距離，單位km；為發(fā)射天線高度，單位m為接收天線高度，單位m；為工作頻率，單位MHz；為地形修正因子，單位dB。1.2陰影衰落陰影衰落是指移動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)過(guò)不一樣障礙物陰影時(shí)，組成接收天線處場(chǎng)強(qiáng)中值改變，從而引發(fā)衰落。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明陰影衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。對(duì)數(shù)正態(tài)陰影模型是最慣用統(tǒng)計(jì)仿真模型，發(fā)射和接收功率比值，服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布：其均值取決于路徑損耗和所在區(qū)域內(nèi)建筑物屬性，隨距離增加，障礙物數(shù)量會(huì)增加，衰減增加，這里近似為路徑損耗。標(biāo)準(zhǔn)差范圍在4dB-13dB之間，代表不一樣環(huán)境，密集城區(qū)、城區(qū)、郊區(qū)等取8dB，農(nóng)村取7dB，扇區(qū)和高速取4dB。仿真結(jié)果以下：圖8不一樣環(huán)境下陰影衰落波形

二、小尺度衰落小尺度衰落是指短期內(nèi)衰落，詳細(xì)指當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)一個(gè)較小距離時(shí)，接收信號(hào)在短期內(nèi)快速波動(dòng)。當(dāng)多徑信號(hào)以可變相位抵達(dá)接收天線時(shí)會(huì)引發(fā)干涉（即相位相同相長(zhǎng)干涉，相位不一樣相消干涉）。換句話說(shuō)，來(lái)自當(dāng)?shù)厣⑸潴w大量信號(hào)相對(duì)相位關(guān)系決定了接收信號(hào)電平波動(dòng)。而且，每一個(gè)多徑信號(hào)都可能發(fā)生改變，而這種改變依賴(lài)于移動(dòng)臺(tái)和周?chē)矬w速度?？傊?，小尺度衰落由以下原因決定：多徑傳輸、移動(dòng)臺(tái)速度、周?chē)矬w速度和信號(hào)傳輸帶寬。依照不一樣無(wú)線環(huán)境，接收信號(hào)包絡(luò)通常服從幾個(gè)經(jīng)典分布，如瑞利分布、萊斯分布和Nakagami-m分布。這里主要針對(duì)服從瑞利分布多徑信道進(jìn)行模擬仿真。2.1瑞利信道Jakes模型經(jīng)過(guò)對(duì)復(fù)正弦波合成，產(chǎn)生服從給定多普勒譜瑞利衰落信道。為了使產(chǎn)生信號(hào)幅度近似服從瑞利分布，正弦波數(shù)量必須足夠大。另外，必須對(duì)每個(gè)正弦波發(fā)生器進(jìn)行加權(quán)，方便產(chǎn)生想要多普勒譜。這就是Jakes模型主要思想。圖9Jakes模型實(shí)現(xiàn)圖9介紹了怎樣實(shí)現(xiàn)Jakes模型。假設(shè)以均勻方向抵達(dá)全部散射分量射線被近似為個(gè)平面波。定義，其中限定為一個(gè)奇數(shù)。令表示第個(gè)平面波抵達(dá)角度，取值為。如圖9所表示，將個(gè)頻率為復(fù)振蕩器輸出求和（，每個(gè)振蕩器輸出對(duì)應(yīng)不一樣多普勒頻移），然后與頻率為復(fù)振蕩器輸出相加。在復(fù)振蕩器總和中，實(shí)部和虛部能夠分別表示為：和其中，為經(jīng)過(guò)多普勒頻移第個(gè)正弦信號(hào)初始相位，為經(jīng)過(guò)最大多普勒頻移正弦信號(hào)初始相位。初始相位設(shè)置必須使衰落信道相位服從均勻分布。比如能夠設(shè)置初始相位為：Jakes模型復(fù)輸出能夠表示為：其中，為衰落信道平均幅度。經(jīng)過(guò)多普勒頻移正弦信號(hào)頻率為：經(jīng)過(guò)多普