无线信道建模与仿真综述.pdf
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1、1 摘要 移动通信最近几年得到了突飞猛进的发展,人们对无线信道的研究也成了当前通信行业 的主题,特别是对无线信道的建模与仿真也受到了许多学者的关注, 在这个领域的研究也取得 了很大成果。无线信道模型分为自由空间模型、无线视距模型和经验模型,本文首先研究了 无线信道模型的特点,建立了无线信道的的模型,对自由空间模型和经验模型Okumura-Hata 模型、 COST-231 Hata模型以及 COST231-WI 模型进行了比较,并将其用Matlab 软件仿真, 对仿真结果进行了分析。 关键字: 无线信道、 Hata 模型、 COST231-WI 模型 2 Abstract Mobile com
2、munication several years obtained the development recently which progresses by leaps and bounds, The people have also become the current correspondence profession subject to the wireless channel research. Specially has also received many scholars attention to the wireless channel modeling and simula
3、tion, Has also yielded the very big result in this domain research. Wireless channel model is divided into free space model, the wireless line of sight and empirical model, this paper studied the characteristics of wireless channel model is established radio channel model, on the free space model an
4、d empirical model Okumura-Hata model, COST-231 Hata model and COST231-WI model were compared, using Matlab software to simulate, the simulation results are analyzed. Keywords: Wireless channel, Hata model, COST231-WI model 3 目录 第一章绪论 4 1.1 无线通信的发展和建模仿真的发展状况 4 1.1.1 无线通信的发展 4 1.1.2 信道建模仿真技术的发展概况 4 1.
5、2 本文研究的内容 5 第二章无线信道的概念和无线信道的模型 6 2.1 无线信道的概念 6 2.1.1 无线信道的定义 6 2.1.2 无线信道的特点 6 2.2 无线信道的模型 15 2.2.1 自由空间传播模型 15 2.2.2 无线视距传播模型 17 2.2.3 无线信道经验模型 19 第三章无线信道建模仿真及结果分析 30 3.1 Matlab软件介绍 . 30 3.2 路径损耗模型仿真及结果分析 30 3.2.1 自由空间模型仿真及结果分析 30 3.3 经验模型仿真及结果分析 32 3.3.1 Okumura-Hata模型仿真及结果分析 . 32 3.3.3 COST-231 H
6、ata模型仿真及结果分析 . 34 3.3.5 COST231-WI 模型仿真及结果分析 . 36 结论 39 参 考 文 献 41 附录 42 中英文翻译 42 Matlab 程序 . 49 致谢 54 4 第一章绪论 1.1 无线通信的发展和建模仿真的发展状况 1.1.1 无线通信的发展 无线通信的开端可以追溯到公元1901 年,当年的 12 月 12日,意大利科学家列莫 马可 尼实现了人类历史上首次无线电通信。基于发明无线电报及其对无线通信的发展所作出的贡 献,1909 年 35 岁的马可尼荣获了诺贝尔物理学奖, ,而我们通常认为的现代数字通信的开端 是以 1924 年奈奎斯特 (Nyq
7、uist)的工作为标志的。当时,他研究并解决了在信道带宽给定的 前提下,系统可实现的无码间干扰传输最高速率的问题。1948 年,香农 (C.E.Shannon) 在前 人 研 究 成 果 的 基 础 上 发 表 了 那 篇 划 时 代 的 论 文 (A Mathematical Theory of Communication) 。该文建立了信息传输的数学基础,同时提出了通信系统无差错传输的极限 信息速率。该文中的一个著名公式为: )1log( WNo p WC sbit / (1-1) 其中, C 是信道容量, P 是发射信号的平均功率,W是信道的带宽, 0 N 是白噪声的单边功率 谱密度。二
8、十世纪六、七十年代美国贝尔实验室提出了蜂窝网的概念。二十世纪七十年代适 于无线通信的高可靠、小型化的晶体射频硬件也发明了。这两者,一个是理论,一个是硬件, 极大地推动了无线通信的发展。从此,无线通信进入了蓬勃发展的时期。十几年间,移动用 户的迅猛增长,既极大推动了无线通信的蓬勃发展,又证明着无线通信对社会生产力发展和 人们生活水平提高的巨大推动作用。在当前的无线宽带通信领域中,MIMO 和 OFDM,这两项技 术特别引人注目 .MIMO是英文 Multiple-Input Multiple-Output的简称,也就是多输入多输 出,它被认为是“现代通信中最重要的技术突破之一”。 “任何人在任何
9、地点、任何时候同 任何其他人进行任何类型的通信”是人类通信的最高目标,这一宏伟而美好的理想正吸引着 全世界的通信人为之不懈奋斗。 1.1.2 信道建模仿真技术的发展概况 移动通信系统的性能主要受到无线信道特性的制约。发射机与接收机之间的传播路径一 般分布有复杂的地形地物,其信道往往是非固定的和不可预见的。具有复杂时变的电波传播 特性,因而造成了信道分析和传播预测的困难。随着通信系统的日趋复杂化,无线信道的建 模和仿真对于现代数字移动通信系统的研发具有越来越重要的意义。随着移动通信用户的增 多,划分给移动通信的频带却没有改变,为了更有效地利用频带以支持更多的用户,移动通 信中蜂窝的覆盖半径越来越
10、小,经历了由大区制到宏小区、微小区以及微微小区的演变。未 来的个人通信系统,基站天线差不多是街灯的高度,传播距离在1km以内。按照蜂窝覆盖半 5 径的大小,现代无线移动通信大致可分为宏小区、微小区和微微小区等几种频率复用方式。 目前,大区制、宏小区和微小区己有公认的具有普遍意义的信道模型。对大区制和宏小区(R 20km)内的电波传播,常根据统计结果得出预测的经验公式,再根据实测进行修正。国际公 认的大区制和宏小区模型是0kumura-Hata 模型,它是一组基于测试数据的统计图表拟合的、 具有计算不同区域传播路径损耗中值的经验公式,它以市区路径传播损耗为基准。在此基础 上对其他地区进行修正。由
11、于它的预测值与实测数据吻合较好,己被广泛应用于大区制和宏 蜂窝的无线覆盖设计中,目前这方面的工作主要集中为无线信道建模与仿真技术的必然发展 趋势。 1.2 本文研究的内容 随着无线通信技术的发展,无线通信已与我们的日常生活密不可分,它渗透到我们生活 的各个部分,对无线信道的研究也就成了当前通信方面研究的主要内容,无线信道衰落的仿 真也就成了研究的主要课题。 本文主要研究的是无线信道建模和仿真,第一章概论介绍了无线通信的发展历史及本文 的研究内容,第二章阐述了无线信道的基本概念和无线信道的模型,第三章主要是对无线信 道建模仿真和仿真结果的分析,然后就是对本次研究内容的总结。 6 第二章无线信道的
12、概念和无线信道的模型 2.1 无线信道的概念 2.1.1 无线信道的定义 无线信道指无线通信中发射天线到接收天线之间的电波通路。对于无线电波而言,从发 送端到接收端并没有一个有形的连接,电波的传播路径也有可能不只一条( 多径传播、反射 等)。为了形象地描述发送端与接收端之间的工作,我们想象两者之间有一个看不见的道路衔 接,把这条衔接通路称为信道。信道有一定的频带宽度,正如公路有一定的宽度一样。无线 通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。无线信道不像有线信道那样固定并可预见, 而是具有很大的随机性, 通常难于分析。 甚至移动台的速度都会对信号电平的衰落产生影响。 无线信道的建模历来是移动无线
13、系统设计中的一个关键问题,也是一个难点。 2.1.2 无线信道的特点 (1)传播路径与信号衰落 在 VHF 、 UHF移动信道中,电波传播方式除了直射波和地面反射波之外,还需要考虑 传播路径中各种障碍物所引起的散射波。 图 2-1 移动信道的传播路径 直射波的传播距离为d, 地面反射波的传播距离为 1 d ,散射波的传播距离为 2 d 。移动 台接收信号的场强由上述三种电波的矢量合成。为分析简便,假设反射系数 R=-1(镜面反射 ), 则合成场强 E为 )ee1 ( 21 2 j 2 2 j 10 dd EE (2-1) 式中, 0 E 是直射波场强,是工作波长, 1 和 2 分别是地面反射波
14、和散射波相对于直射波 的衰减系数,而 ddd 11 7 ddd 22 (2-2) 图 2-2 典型信号的衰落特性 (2)多径效应与瑞利衰落 在陆地移动通信中,移动台往往受到各种障碍物和其它移动体的影响,以致到达移动台 的信号是来自不同传播路径的信号之和。 图 2-3 移动台 N条接收路径信号 假设基站发射的信号为 )(exp)( 0000 tjatS(2-3) 式中, 0为载波角频率 , 0 为载波初相。 经反射 (或散射 )到达接收天线的第i 个信号为 )(tSi , 其振幅为 i a , 相移为 i 。 假设 )(tSi 与移动台运动方向之间的夹角为 i , 其多普勒频移值为 imii f
15、fcoscos(2-4) 式中,为车速,为波长, m f 为 i =0时的最大多普勒频移,因此 )(tSi 可写成 )(exp)cos 2 (exp)( 00 jtjatS iiii (2-5) 假设 N个信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立,则接收信号为 N i i tstS 1 )()((2-6) 令 iii t cos 2 , N i N i iii xax 11 cos, N i N i iii yay 11 sin 则 S(t) 可写成 8 S(t) = (x+jy) )( jexp 00 (2-7) 由于 x 和 y 都是独立随机变量之和,因而根据概率的中心极限定
16、理,大量独立随机变量 之和的分布趋向正态分布,即有概率密度函数为 2 2 2 2 2 2 2 1 )( 2 1 )( y x y y x x eyp exp (2-8) 式中, x 、 y 分别为随机变量x 和 y 的标准偏差。 x、 y 在区间 dx、dy 上的取值概率分别 为 p(x)dx 、 p(y)dy ,由于它们相互独立,所以在面积dxdy 中的取值概率为 p(x,y)dxdy = p(x)dxp(y)dy (2-9) 式中, p(x, y)为随机变量 x 和 y 的联合概率密度函数。 假设 222 yx ,且 p(x) 和 p(y) 均值为零,则 2 22 2 2 e 2 1 ),
17、( yx yxp (2-10) 通常,二维分布的概率密度函数使用极坐标系(r, ) 表示比较方便。此时,接收天线处的 信号振幅为 r, 相位为,对应于直角坐标系为 x y yxr arctan 222 (2-11) 在面积ddr中的取值概率为 p(r,)drd = p(x,y)dxdy (2-12) 得联合概率密度函数为 a r rp r 2 2 2 2 e 2 )0 ,( (2-13) 对积分,可求得包络概率密度函数p(r) 为 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 ee 2 1 )( rr r drrp (2-14) 同理,对 r 积分可求得相位概率密度函数p()为 2 1 2 1 )(
18、 2 2 2 0 2 drrep r (2-15) 9 由式(2 - 14)不难得出瑞利衰落信号的如下一些特征: 253.1 2 )()( 0 drrrprEm (2-16) 均方值 2 0 22 2d)()(rrprrE (2-17) 瑞利分布的概率密度函数p(r) 与 r 的关系如图 2-4 所示 图 2-4 瑞利分布的概率密度 当 r=时,p(r) 为最大值,表示 r 在值出现的可能性最大。由式(2-14) 不难求得 ) 2 1 exp( 1 )(p (2-18) 当r= 2ln2 1.177 时, 有 2 1 )( 77. 1 0 drrp (2-19) 信号包络低于 的概率为 39.
19、0e1d)( 0 2 1 rrp (2-20) 同理,信号包络 r 低于某一指定值 k 的概率为 k k rrp 0 2 2 e1d)( (2-21) 10 图 2-5 瑞利衰落的累积分布 (3)慢衰落和衰落储备 在移动信道中,由大量统计测试表明:信号电平发生快衰落的同时,其局部中值电平还 随地点、时间以及移动台速度作比较平缓的变化,其衰落周期以秒级计,称作慢衰落或长期 衰落。慢衰落近似服从对数正态分布。所谓对数正态分布,是指以分贝数表示的信号电平为 正态分布。 此外,还有一种随时间变化的慢衰落,它也服从对数正态分布。这是由于大气折射率的 平缓变化,使得同一地点处所收到的信号中值电平随时间作慢
20、变化,这种因气象条件造成的 慢衰落其变化速度更缓慢(其衰落周期常以小时甚至天为量级计) ,因此常可忽略不计。 11 图 2-6 信号慢衰落的特性曲线(a)市区(b)郊区 为研究慢衰落的规律, 通常把同一类地形、 地物中的某一段距离 (12km)作为样本区间, 每隔 20m(小区间 ) 左右观察信号电平的中值变动,以统计分析信号在各小区间的累积分布和 标准偏差。图2-6(a) 和(b) 分别画出了市区和郊区的慢衰落分布曲线。绘制两种曲线所用的 条件是:图 2-6(a) 中,基站天线高度为220m, 移动台天线高度为3m; 图 2-6(b) 中,基站天 线高度为 60m, 移动台天线高度为3m 。
21、由图可知,不管是市区还是郊区,慢衰落均接近虚线 所示的对数正态分布。标准偏差取决于地形、地物和工作频率等因素,郊区比市区大, 也随工作频率升高而增大,如图 2-7 。 12 图 2-7 慢衰落中值标准偏差 图 2-7 示出了可通率 T 分别为 90% 、 95%和 99% 的三组曲线,根据地形、地物、工作频 率和可通率要求, 由此图可查得必须的衰落储备量。例如:f=450MHz,市区工作,要求 T=99% , 则由图可查得此时必须的衰落储备约为22.5dB。 图 2-8 衰落储备量 (4)多径时散与相关带宽 1)多径时散 多径效应在时域上将造成数字信号波形的展宽,为了说明它对移动通信的影响,首
22、先看 一个简单的例子 ( 参见图 2-9) 。 13 图 2-9 多径失散实例 假设基站发射一个极短的脉冲信号 )()( 0 tatSi ,经过多径信道后,移动台接收信号呈 现为一串脉冲,结果使脉冲宽度被展宽了。这种因多径传播造成信号时间扩散的现象,称为 多径时散。 必须指出,多径性质是随时间而变化的。如果进行多次发送脉冲试验,则接收到的脉冲 序列是变化的(即便是地点不变) ,如图 2-10 所示。它包括脉冲数目N 的变化、脉冲大小的 变化及脉冲延时差的变化。 图 2-10 时变多径信道相应示例(a)N=3 ( b)N=4 (c)N=5 一般情况下,接收到的信号为N个不同路径传来的信号之和,即
23、 )()( 1 0 ttSatS i N i ii (2-22) 式中, i a 是第 i 条路径的衰减系数;)(tti为第 i 条路径的相对延时差。 图 2-11 多径时延信号强度 14 表 2-1 多径时散参数典型值 参数市区郊区 平均时延s/ 对应路径距离差/m 1.5 2.5 450750 0.1 2.0 30600 时延扩展s/1.0 3.0 0.2 2.0 最大时延s/ max 5.0 12 3.0 7.0 2)相关带宽 从频域观点而言,多径时散现象将导致频率选择性衰落,即信道对不同频率成分有不同 的响应。若信号带宽过大,就会引起严重的失真。为了说明这一问题,先讨论两条射线的情 况
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