【正文】 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 2 頁 共 28 頁 第一章 緒論 研究背景及意義 移動通信無疑是當(dāng)下發(fā)展最快、應(yīng)用最廣和技術(shù)最前沿的通信領(lǐng)域之一。特別是隨著現(xiàn)代通信從第一代（ 1G）、第二代（ 2G）發(fā)展到第三代（ 3G）和后三代（ B3G），以及學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界已提出的研究開 發(fā)第四代（ 4G）的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)和第五代（ 5G）移動通信系統(tǒng)的構(gòu)想，極大地推動了移動通信技術(shù)的革命性發(fā)展步伐。同時，移動通信市場也以前所未有的速度朝前推進(jìn)，所提供的業(yè)務(wù)隨著更高帶寬的傳輸和更大系統(tǒng)的容量的實(shí)現(xiàn) [1]。 現(xiàn)代移動通信的發(fā)展涉及通信信號與信道、分集接收機(jī)與最佳接收機(jī)、信源編碼與信道編碼、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)等多方面技術(shù)，而無線信道及信道建模構(gòu)成了移動通信傳輸技術(shù)的理論基礎(chǔ)。移動無線信道屬于衰落信道，由于電波傳播的多樣性無法用精確的數(shù)學(xué)模型來描述其信道模型，只能通過用數(shù)學(xué)上隨機(jī)過程和統(tǒng)計模型的方法建立無線 電信號的傳播環(huán)境來分析和仿真實(shí)際物理信道，因此，移動衰落信道的建模、分析與仿真將為移動通信傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 研究內(nèi)容 本文重點(diǎn)研究 確定性信道建模的原理，包括 兩種有色高斯隨機(jī)過程建模的基本方法：濾波法和萊斯法，確定性過程的基本性質(zhì)，確定性過 程模型參數(shù)（多普勒系數(shù)、離散多普勒頻率，多普勒相位）的計算方法。 利用 MATLAB 對確定性瑞利信道進(jìn)行仿真，并分析最大多普勒頻移 、諧波函數(shù)個數(shù) 等條件對仿真結(jié)果的影響。 本次設(shè)計主要運(yùn)用JAKES 法計算 確定性過程模型參數(shù) ,從而建立信道仿真模型 ,同時 給出信 道仿真結(jié)果的自相關(guān)函數(shù)及功率譜密度，并與理論值進(jìn)行比較分析。 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 3 頁 共 28 頁 第二章 無線信道的概念與特性 移動無線 信道的概念 移動信道屬于無線信道，是移動的動態(tài)信道，主要取決于用戶所在地環(huán)境條件的客觀存在，其信道參數(shù)是時變的。移動通信中的各類新技術(shù)都是針對移動信道的動態(tài)時變特性，為了解決有效性、可靠性 和安全性設(shè)計的；了解移動信道的特點(diǎn)是解決移動通信關(guān)鍵技術(shù)的前提 。移動信道具有 下列 特點(diǎn) ： (1)傳播的開放性：無線信道是基于電磁波在空間的傳播來實(shí)現(xiàn)開放式信息傳輸?shù)模? (2)接收環(huán)境的復(fù)雜性：可將接收點(diǎn)地理環(huán)境分 為 3類典型區(qū)域，即城市繁華區(qū)、近郊區(qū)農(nóng)村 /遠(yuǎn)郊區(qū)； (3)通信用戶的隨機(jī)移動性：準(zhǔn)靜態(tài)的室內(nèi)用戶通信、慢速步行用戶通信、高速車載用戶通信。 移動無線信道基本理論 在移動通信中，由于障礙物阻擋了視距路徑，發(fā)出的電磁波經(jīng)常不能直接到達(dá)接收天線，事實(shí)上，接收到的電磁波是由建筑物、樹木及其他障礙物導(dǎo)致的反射、衍射和散射而產(chǎn)生的來自不同方向的波疊加而成的。這種現(xiàn)象為多徑傳播。除了多徑傳播，多普勒效應(yīng)同樣會對移動信道的傳輸特性產(chǎn)生負(fù)面影響。由于移動單元的運(yùn)動，多普勒效應(yīng)降引起每個來波的頻移。由第 n 條入射波的入射方向和移動單元的運(yùn)動方向定義的入射角 n? 按照如下關(guān)系式?jīng)Q定第 n 條入射波的多普勒頻率： nn ff ?co sm a x? （ 21） 式中， maxf 與移動單元的速度 V、光速 0C 和載波頻率 0f 的關(guān)系可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示如下 00max fcvf ? （ 22） 由于多普勒頻移從而引起的多普勒色散，造成信道的時變特性，也就是信道出現(xiàn)了時間選擇性衰落。時間選擇性衰落會造成信號失真，這是由于發(fā)送信號還在傳輸?shù)倪^程中，傳輸信道的特征已經(jīng)發(fā)生了變化。信號尾端時的信道特性 與信號前端時的信道特性已經(jīng)發(fā)生了變化。如果信號持續(xù)的時間比較短，在這個比較短的持續(xù)時間里內(nèi)，信 道的特性江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 4 頁 共 28 頁 還沒有比較顯著的變化，這時時間選擇性衰落并不明顯；當(dāng)信號的持續(xù)時間進(jìn)一步增加，信道的特性在信號的持續(xù)時間內(nèi)發(fā)生了比較顯著的變化時，就會使信號產(chǎn)生失真。信號的失真隨著信號的持續(xù)時間的增長而增加。 移動 無線信道的類型 在無線通信系統(tǒng)中 ,無線信道通常是利用信道的統(tǒng)計特性來分析和仿真的 ,一般來說 ,整個無線信道對信號產(chǎn)生的影響 ,可以分為以下三大類 : 傳播路徑損耗模型 一般來說 ,可以把接收信號的功率或者傳播路徑的損耗看作一個隨機(jī)變量 ,而傳播路徑損耗模型是用來描述接收信號的平均功率或是傳播路 徑的平均損耗 ,平均功率會隨著傳播距離的增加而減少 ,而傳播路徑的損耗會隨著傳播距離的增加而增加 ,因此 ,這個隨機(jī)變量是傳播距離的函數(shù) ,隨著距離的改變 ,會有不同的平均值或中間值。這種模型中較常使用的模型有 :自由空間傳播模型、對數(shù)距離路徑損耗模型、及 Hata模型。 大尺度傳播模型 這個模型是用 來 描述信號經(jīng)過長距離傳播的變化 (幾百個波長或更多波長 ),主要探討各類地形與地物對傳播信號所產(chǎn)生的遮蔽效應(yīng)。遮蔽效應(yīng)可以用一個隨機(jī)變數(shù)來描述 ,大部分的文獻(xiàn)都一致的假設(shè) :遮蔽效應(yīng)會使接收到的信號功率呈現(xiàn)對數(shù)常態(tài)分布。對 數(shù)常態(tài)遮蔽效應(yīng)指的就是 :在相同的傳收距離下 ,不同接收機(jī)所接收到的信號強(qiáng)度 (單位為dB)將呈現(xiàn)高斯或是常態(tài)分布 ,這也就是說傳播路徑所造成的功率損耗 (以 dB為單位 )是呈現(xiàn)高斯或是常態(tài)分布的 ,而且這個隨機(jī)變數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差 ? 的單位也是 dB。大尺度傳播中的衰落包括 :信號經(jīng)過一段距離時信號的平均衰落。以及大型物體 (如山脈或摩天大樓 )導(dǎo)致的信號衍射而產(chǎn)生的衰落 ,并且大尺度衰落的信號的平均功率是緩慢變化的。 小尺度傳播模型 小尺度模型是用來描述在很短的距離 (或時間 )內(nèi) ,接收 信號功率所呈現(xiàn)快速的變動。小尺度傳播模型是用來探討小尺度衰落的現(xiàn)象 ,小尺度衰落也簡稱為衰落 ,主要是用來描述無線電信號經(jīng)過一段很短的時間 (或是很短的距離 )所產(chǎn)生的快速變化 。這些變化包括振幅、相位、頻率、多重路徑所造成的延遲等等。這種衰落是基帶信號處理所必須要面對的主要問題。 簡單的來說 ,大尺度傳播模型是用來描述在一段較長的時間之內(nèi) ,信號所呈現(xiàn)的平均功率變化 。而小尺度傳播模型則是描述信號在短時間之內(nèi) ,受到信道影響瞬間所產(chǎn)生江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 5 頁 共 28 頁 的變化 ,兩者不可混肴。小尺度傳播中的衰落是多徑傳播和多普勒頻移兩者作用的結(jié)果。多重路徑效應(yīng) 會造成各個路徑信號到達(dá)接收機(jī)時有不同的相位、振幅、與時間延遲 ,因此會產(chǎn)生信號的時散效應(yīng)與頻率選擇性衰落 。多普勒效應(yīng)則會產(chǎn)生信號的頻散效應(yīng)與時間選擇性衰落 [2]。 移動 無線信道的衰落 無線信道是自然界中較為惡劣的通信介質(zhì)。由于障礙物的阻擋 ,電波通常不能從發(fā)射端直接到達(dá)接收天線。由于電波的反射、繞射及散射現(xiàn)象 ,接收端所接收到的信號是各個方向到達(dá)的電磁波的疊加。同時 ,用戶在空間的運(yùn)動將使接收信號產(chǎn)生多普勒擴(kuò)展。衰落直接體現(xiàn)了無線信道的復(fù)雜性和隨機(jī)性 ,是決定移動通信系統(tǒng)性能的基本問題。因此深入研究信道衰落 機(jī)制 ,建立無線信道傳播模型是研究與開發(fā)高質(zhì)量移動通信系統(tǒng)的首要任務(wù)。 在無線電波傳播過程中 ,信道會不可避免地受到各種 噪聲 的干擾 ,比如 :加性 高斯白噪聲、瑞利衰落、萊斯衰落等 ,這種影響表現(xiàn)為一種快速衰落過程 ,它對無線信號的傳輸質(zhì)量起著決定性的作用 ,因此無線通信系統(tǒng)的很多研究工作都是圍繞著如何降低這種干擾進(jìn)行的 [3]。 根據(jù)移動通信衰落信道的工作機(jī)理 ,建立了基于加性高斯白噪聲信道、瑞利衰落信道、萊斯衰落信道的仿真模型 ,并利用 MATLAB進(jìn)行了衰落信道的性能的仿真分析 。 瑞利衰落信道模型的實(shí)現(xiàn) 瑞利衰落信道 是一種無線電信號傳播環(huán)境的統(tǒng)計模型。這種模型假設(shè)信號通過無線信道 之后，其信號幅度是 隨機(jī) 的，即 “ 衰落 ” ，并且其 包絡(luò) 服從 瑞利分布 。 瑞利衰落模型適用于描述建筑物密集的城鎮(zhèn)中心地帶的無線信道。密集的建筑和其他物體使得無線設(shè)備的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間沒有直射路徑，而且使得無線信號被衰減、反射 、 折射 、 衍射 。在 曼哈頓 的實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)?shù)氐臒o線信道環(huán)境確實(shí)接近于瑞利衰落。通過電離層和對流層反射的無線電信道也可以用瑞利衰落來描述，因?yàn)榇髿庵写嬖诘母鞣N粒子能夠?qū)o線信號大量散射。 瑞利衰落屬于小尺度的衰落效應(yīng)，它總是疊加于如 陰影 、衰減等大尺度衰落效應(yīng)上。信道衰落的快慢與發(fā)射端和接收端的相對運(yùn)動速度的大小有關(guān)。相對運(yùn)對導(dǎo)致接收信號的 多普勒頻移 。圖中所示即為一固定信號通過單徑的瑞利衰落信道后，在 1秒 內(nèi)的能量江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 6 頁 共 28 頁 波動，這一瑞利衰落信道的多普勒頻移最大分別為 10Hz和 100Hz，在 GSM1800MHz 的 載波 頻率上，其相應(yīng)的移動速度分別為約 6 千米每小時和 60 千米每小時。特別需要注意的是信號的 “ 深衰落 ” 現(xiàn)象，此時信號能量的衰減達(dá)到數(shù)千倍，即 30～ 40分貝 。 多普勒效應(yīng)的主要內(nèi)容 是 物體輻射的波長因?yàn)楣庠春陀^測者的相對運(yùn)動而產(chǎn)生變化。 多普勒效應(yīng) 指出，波在波源移向觀察者時接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時接收頻率變低。當(dāng)觀察者移動時也能得到同樣的結(jié)論。但是由于缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備，多普勒當(dāng)時沒有用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、幾年后有人請一隊小號手在平板車上演奏，再請訓(xùn)練有素的音樂家用耳朵來辨別音調(diào)的變化，以驗(yàn)證該效應(yīng)。假設(shè)原有波源的波長為 ? ，波速為 c，觀察者移動速度為 v。多 普勒功率譜密度的波形圖如圖 21所示 。 圖 21多普勒功率譜密度 當(dāng)觀察者走近波源時觀察到的 波源頻率為 ?)( VC? ，如果觀察者遠(yuǎn)離波源，則觀察到的波源頻率為 ?)( VC? 。 在移動通信中，當(dāng)移動臺移向基站時，頻率變高，遠(yuǎn)離基站時，頻率變低，所以我們在移動通信中要充分考慮多普勒效應(yīng)。當(dāng)然，由于日常生活中，我們移動速度的局限，不可能會帶來十分大的頻率偏移，但是這不可否認(rèn)地會給移動通信帶來影響，為了避免這種影響造成我們通信中 不必要的影響 ，我們不得不在技術(shù)上加以各種考慮。也加大了移動通信的復(fù)雜性 [4]。 為了對移動無線信道建模， 我們經(jīng)常假設(shè)電磁波的傳播發(fā)生在二維平面即水平面來簡化問題。而且，通常都是理想化的假設(shè)使到達(dá)移動用戶（接收機(jī)）天線的入射波角度江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 7 頁 共 28 頁 在 ?0 ?2 上服從均勻分布。對于全向天線，可以很容易計算出散射成分的多普勒功率譜密度 )(fSuu 。對于 )(fSuu ，可以得到下面的表達(dá)式： )(fSuu = )()( 2211 fSfS uuuu ? （ 23） 式中， 20 m a xm a x m a xm a x1 ( )()0u iu ifff f fSfff??? ???? ?? ?? (24) 對 i = 2,1 成立且 maxf 表示最大多普勒頻率。式（ 24）通常被稱為 JAKES 功率譜密度。 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 8 頁 共 28 頁 第 三 章 確定性信道過程的理論導(dǎo)論 確定性信道建模的原理 多譜勒頻譜的實(shí)現(xiàn)方法有兩