【文章內容簡介】 ................................................ 26 信道模型與其相關隨機數關系分析 ........................................................ 26 相關隨機數產生算法及 MFC 仿 真 結果 .................................................. 26 第 4 章 高 速鐵路 信道模型 ................................................................................................ 29 高速鐵路信道 研究背景 ........................................................................................ 29 高速鐵路 電波傳播統(tǒng)計特征 ................................................................................ 30 電波入射相位 ............................................................................................. 30 多徑徑數 ..................................................................................................... 31 衰減系數 .................................................................................................... 32 ..................................................................................................... 33 高速鐵路信道 建模 ................................................................................................ 33 結 論 .............................................................................................................................. 37 致 謝 .............................................................................................................................. 38 參考文獻 .............................................................................................................................. 39 西南交通大學 本科 畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 第 1 章 緒 論 研究背景和意義 隨著世界經濟的快速發(fā)展，用戶對于數據通信與多 媒體業(yè)務的需求也與日俱增，而現代移動通信的特點：通信終端的移動速度更大，通信的環(huán)境導致 電波傳輸條件更復雜，噪聲和干擾更加嚴重，系統(tǒng)和網絡結構也更加的復雜，要求的頻帶利用率和設備的性 能也更好。隨之通訊技術也日新月異 ，從 GSM、 GPRS 到 3G 再到 4G， 通信技術 不斷 的 演進。最早的移動通信電話 采用的是 模擬蜂窩通信技術， 它 只能提供區(qū)域性 的 語音業(yè)務，而且通話 的質量很 差、保密性能也不好，用戶 接聽 的 范圍也 很 有限。隨著移動 通信業(yè)務 的 迅猛發(fā)展，用戶 的數量也 增長迅速，傳統(tǒng)的通信模式已經滿足 不了 人們 對于 通信的 要求 ，在這種情況下就出現了 GSM 通信技術，該技術 主要 用的是窄帶 時分多址技術 (TDMA)，允許在一個 射頻 同時進行 8 組通話。它是根據 歐洲 電信標準 組織 ETSI 制定的數字移動通信標準 而確定的 頻率 范圍在 900～ 1800MHz 之間的數字移動 通信 系統(tǒng)。 該系統(tǒng) 自 90 年代中期投入商用以來 ，已經在 100 多個國家 正式運營， GSM 標準 的設備占據全球蜂窩移動通信設備市場的 80%以上 。 GSM 數字網 的特點就是它 符合用戶 較強的保密性和抗干擾性，音質清晰，通話穩(wěn)定 ，并具備容量大，頻率資源利用率高， 接口 開放，功能強大等 需求 。 隨著用戶對通信要求的進一步提高， GSM 就出現了 其一定的缺陷， 針對 GSM 通信出現的缺陷，人們在 2020 年又推出了一種新的通信技術 GPRS，該技術是在 GSM的基礎上的一種過渡技術。 GPRS 的推出標志著人們在 GSM 的發(fā)展史上邁出了意義最重大的一步， GPRS 在移動用戶和數據網絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線 IP 和 分組數據接入服務。 在新興通信技術的不斷推動之下 ， 3G 系統(tǒng)開始商用，全球存在四種標準：CDMA20 WCDMA、 TDSCDMA、 WIMAX。該技術能為用戶帶來了最高 2Mbit/s的 數據傳輸速率 ，在這樣的條件下，計算機中應用的任何媒體都能通過無線網絡輕松的傳遞。 WCDMA 通過有效的利用寬頻帶，不僅能順暢的處理聲音、圖像數據、與互聯(lián)網快速連接；此外 WCDMA 和 MPEG4 技術結合起來還可以處理真實的動態(tài)圖像。人們之間溝通的瓶頸會由 網絡傳輸速率 轉變?yōu)楦鞣N新型應用的提供：如何讓無線網絡更好的為人們服務而不是給人們帶來騷擾，如何讓每個人都能從信息的海洋中快速的得到自己需要的信息，如何能夠方便的攜帶、使用各種終端設備，各種終端設備之間如何更好的自動協(xié)同工作等等。在上述通信技術的基礎之上，無線通信技術最終 必然會 邁向 4G 通信技術時代。 隨著 高速鐵路的迅速發(fā)展，對高速可靠的無線傳輸的需求也日益迫切。高速列車 西南交通大學 本科 畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁 上也希望能夠接入電話、 因特網絡，并擁有良好的通信質量，因此新的高鐵信道模型也隨之產生 。然而高速鐵路時變多徑的傳播環(huán)境造成了傳輸環(huán)境的復雜多變性和列車300km/h 以上的快速行駛速度，使高速鐵路無線移動通信系統(tǒng)的性能受到了嚴重的影響，其主要表現是：傳播損耗、慢衰落、快衰落、時間選擇性衰落、頻率選擇性衰落和空間選擇性衰落，同時受遠近效應、小區(qū)內干擾、小區(qū)間干擾、同頻干擾和碼間串擾等干擾。 對于通信系統(tǒng)隨機數的研究，是通信系統(tǒng)信道模型仿真的基礎，而 再復雜的信道模型也都是由一些常用的隨機數衍生而成， 例如 高鐵信道模型的仿真分析過程涉及到的多徑徑數、傳播時延、電波入射相位和衰減系數等參數的分布特性也同樣與常用分布隨機數相關。 因此，基于隨機數仿真的信道建模研究對 通信的發(fā)展與我國的高速鐵路發(fā)展 具有重要 的現實 意義。 當前 研究現狀 對于復雜的信道模型而言， 盡管瑞利和萊斯分布確實能夠在很多情況下對信號通過衰落信道后的包絡進行很好的建模，然而，在實際的無線環(huán)境測試中，發(fā)現Nakagami 分布提供了更好的與實際測試的匹配度 。該分布的提出最初為電離層和同溫層的信道 快速衰落建模時，發(fā)現該分布與實測數據較為溫和，也適用于陸地移動通信模型。而對于高速鐵路信道模型， 由于高速鐵路時變的多徑傳播環(huán)境造成了傳輸信道的復雜多變性和列車較快行駛速度，使高速鐵路無線移動通信系統(tǒng)的性能受到影響，主要表現在傳播損耗、慢衰落、快衰落、時間選擇性衰落、頻率選擇性衰落、空間選擇性衰落，同時易受遠近效應、小區(qū)內干擾、小區(qū)間干擾、同頻干擾、碼間串擾等嚴重千擾 。近年來，伴隨著經濟和社會的快速發(fā)展，世界各國特別是中國的高速鐵路行業(yè)迅猛發(fā)展， 高鐵信道模型的仿真也成為通信信道模型研究的 關鍵 以及 各國爭相的熱點 。 本 文的主要工作 本文先研究了均勻、指數、泊松、正態(tài)等通信系統(tǒng) 中 常用隨機數的基本知識及 產生算法，并在 MFC 中仿真實現 各分布 隨機數的產生。 接著介紹了 高斯白噪聲 (AWGN)、瑞利衰落、萊斯衰落和 nakagami 衰落四種典型信道模型與其相關隨機數的關系分析 ，并在 MFC 中仿真實現與各典型信道模型相關的隨機數的產生。最后研究了眼前的研究熱門 —— 高鐵信道模型。主要介紹了該信道的主要特征以及 該信道 以 Jakes 信道仿真模型為基礎 的多徑效應信道模型。 本 文的組織結構 第 1 章簡單介紹了課題研究的背景及意義、 通 信系統(tǒng)常用隨機數的研究現狀 和論 西南交通大學 本科 畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 文內容與結構。 第 2 章主要介紹了均勻分布、指數分布、 韋伯分布 等通信系統(tǒng)常用隨機數的 基本知識及相關應用，并在 MFC 中實現了各分布隨機數的仿真。 第 3 章介紹了 高斯白噪聲 (AWGN)、瑞利衰落、萊斯衰落和 nakagami 衰落四種典型信道模型與其相關隨機數的關系分析 。 并在此基礎上利用第 2 章的常用分布隨機數在 MFC 中實現與典型信道模型相關的隨機數的仿真。 第 4 章主要 介紹了 高速鐵路對移動通信系統(tǒng)的要求及高速鐵路通信信道的建模，以及仿真過程中涉及的各參數 的 分布特性 。 西南交通大學 本科 畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 第 2 章 通信系統(tǒng)常 用隨機數 均勻分布隨機數 概念及主要特點 設連續(xù)型隨機變量 X 的分布函數為 ： ( ) ( ) / ( ) ,F x x a b a a x b? ? ? ? ? (21) 則稱隨機變量 X 服從 [a,b]上的均勻分布 ,記為 [ , ]X U a b 。 若 12[ , ]xx 是 [a,b]的任一子區(qū)間 ,則 ： ? ? ? ?1 2 2 1P { x x x } x x / b a? ? ? ? ? (22) 這表明 X 落在 [a,b]的子區(qū)間內的概率只與子區(qū)間長度有關 ,而與子區(qū)間位置無關 ,因此 X 落在 [a,b]的長度相等的子區(qū)間內的可能性是相等的 ,所謂的均勻指的就是這種等可能性 。 在實際問題中 ,當我們無法區(qū)分在區(qū)間 [a,b]內取值的隨機變量 X 取不同值的可能性有何不同時 ,我們就可以假定 X 服從 [a,b]上的均勻分布 。 產生算法及 MFC 仿真結果 產生 均勻分布隨機數的常用算法 [1]： 1 ( ) m od ( )nnX aX c m? ?? (23) 其中， a、 c、 m 都是整數， mod 表示求模運算。該算法產生的隨機數是整數，如果要產生區(qū)間 [a,b]上的均勻分布的連續(xù)隨機變量 Y，算法是： ()XY a b am? ? ? (24) C 語言的系統(tǒng)庫函數提供了產生均勻分布隨機數煩的函數。函數原型： int rand(void)；函數功能：產生 0_RAN D M AX之間的隨機整數；頭文件： 。 產生 400 個 0 400 的 均勻分布 隨機數： case 0： for(i=0。i400。i++) {/MFC 對話框內繪圖 / {m_point[1].x=+i。/對話框 橫坐標 i/ m_point[1].y=+(rand()%400)。 /產生 0400 均勻分布 隨機數作為縱坐標 / pEditDCSetPixel(m_point[1],RGB(0,0,0))。 } Sleep(1)。 西南交通大學 本科 畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 } break； MFC 仿真結果 如圖 21 所示。 圖 21 均勻分布 仿真 結果 二項分布隨機數 概念及主要特點 二項分布 ， 即重復 n 次的伯努力試驗， 描述隨機現象的一種常用概率分布形式，因 為 與二項式展開式相同而得名。 用ξ表示隨機試驗的結果 ， 如果事件發(fā)生的概率是 p,則 反面 不發(fā)生的概率q=1p， N 次獨立重復試驗中發(fā)生 K 次的概率 ： ( ) ( , ) (1 )k n kP K C n k p p? ?? ? ??? (25) 其中 C(n, k) = n!/(k! * (nk)!)， P 稱為 發(fā)生 K 次的概率 。記作 ( , )B n p? ， 期望 :Eξ=np， 方差 :Dξ=npq。 如果 ： 在每次試驗中只