【正文】 81 年投人使用。西德的 C450 系統(tǒng)于 1986 年 8 月投人使用。 我國(guó)于 1987 年開(kāi)始建立模擬蜂窩通信系統(tǒng)，基本是采用英國(guó)的 TACS 標(biāo)準(zhǔn)。模擬網(wǎng)的發(fā)展標(biāo)志著移動(dòng)通信的一次革命。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(méi)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(kāi)展；三是頻譜利用率低，無(wú)法適應(yīng)大容量要求；四是安全保密性差，易被竊聽(tīng)。在數(shù)字蜂窩技術(shù)的發(fā)展中，最引人注目的有三種標(biāo)準(zhǔn)： (ⅰ )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)。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。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)。由于北美模擬蜂窩標(biāo)準(zhǔn)比較統(tǒng)一 ，所以該系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)在于謀求與現(xiàn)有模擬蜂窩系統(tǒng)兼容。 （ⅲ）日本的 PDC(也稱 JDC)系統(tǒng) 日本的第一個(gè)數(shù)字蜂窩網(wǎng) PDC 系統(tǒng)于 1993 年 3 月投入使用。 （ 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(méi)有實(shí)現(xiàn)最初的目標(biāo)，比如統(tǒng)一的全球標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)也由于技術(shù)的發(fā)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)男枨?，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)發(fā)展的市場(chǎng)動(dòng)力。 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 144kb／ s，步行慢速移動(dòng)環(huán)境中支持 384kb／ s，靜止?fàn)顟B(tài)下支持 2Mb／ s。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。該標(biāo)準(zhǔn)提出了 GSM(2G)— GPRS— EDGE— WCDMA(3G)的演進(jìn)策略。目前 中國(guó)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)。 CDMA20201x 被稱為 代移動(dòng)通信技術(shù)。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)。但目前大唐電信公司還沒(méi)有基于這一標(biāo)準(zhǔn)的可供商用的產(chǎn)品推出。首先， WCDMA 與 CDMA2020 都是采用 FDD(頻分?jǐn)?shù)字雙工 )模式， TD— SCDMA 采用 TDD(時(shí)分?jǐn)?shù)字雙工 )模式。其次， WCDMA(FDD— DS)采用直接序列擴(kuò)頻方式，其碼片速率為 ／ s。 TD— SCDMA 的碼片速率為 ／ s。再次，智能天線技術(shù)是 TD— SCDMA 采用的關(guān)鍵技術(shù)，目前 WCDMA 與 CDMA2020 都還沒(méi)有采用這項(xiàng)技術(shù)。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。 CDMA20203x 從 CDMA IS9 CDMA20201x 過(guò)渡而來(lái)，可以保留原有的 CDMA IS95 設(shè)備。三種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中， WCDMA 在升級(jí)的過(guò)程中耗資最大 。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)傳播特性比較好的低頻段頻譜的利用率極低。一些非授權(quán)頻段占用擁擠．而有些授權(quán)頻段則經(jīng)常空閑。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。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。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達(dá)到的通信容量和 QoS， 從而動(dòng)態(tài)地接入網(wǎng)絡(luò)。 ITUR 于 2020 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)的服務(wù)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。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)了許多研究項(xiàng)目。 信道仿真技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀 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。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。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 —— OkumuraHata 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。由于它的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠達(dá)到比較完美的吻合，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。而且由于其采用的頻率達(dá)到微波波段，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。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 型能夠在較短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)，頻率 用范圍為 900MHz～ 1800MHz。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)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)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(kāi)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。比較成熟的基于 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)。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。目前基于 COST231 模型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件中知名度比較高的是 AIRCOM 公司的 ASSET。 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。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)。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。 無(wú)線信道仿真的意義 無(wú)線信道是移動(dòng)通信的傳輸媒介，所有的信息都在這個(gè)信道中傳輸。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。 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。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)。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。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。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。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。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。 無(wú)線信道對(duì)傳輸信號(hào)的作用有三類： 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。 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。 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。 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。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；小尺度衰落則對(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 21 衰落信道分類 大尺度衰落 在無(wú)線通信系統(tǒng)中，電磁波通常在非規(guī)則、非單一的環(huán)境中傳播。比較經(jīng)典的模型有 LongleyRice 模型、 Durkin 模型、 Okumura 模型、Hata 模型、 Walfisch 和 Bertoni 模型等等。 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)。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TR 距離的函數(shù)（冪函數(shù)）。天線增益與它的有效截面 Ae 相關(guān)，即 24 eAG ??? 24 eAG ??? （ ） 有效截面 Ae與天線的物理尺寸相關(guān)， λ 則與載頻相關(guān) 2cccf ?? ??? 2cccf ?? ??? （ ） 其中， f 為載頻，單位是 Hz； c? 為載頻，單位是 rad/s。 Pt和 Pr必須具有相同的單位， Gt和 Gr為無(wú)量綱的量。 由式（ ）的自由空間公式可知，接收機(jī)功率隨 TR 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。有效全向發(fā)射功率（ EIRP）定義為 EIRP=PtGt（ ） 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。由于偶極子天線具有 的增益（比全向天線高 ），因此對(duì)于同一傳輸系統(tǒng)， ERP 比 EIRP 低 。 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。其路徑損耗為 222( ) 1 0 l g 1 0 l o g ( 4 )trPP L d B o Pd ????? ? ? ???? （ ） Friss 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。 Fraunhofer 距離為 22f Dd ?? （ ） 其中， D 為天線的最大物理線性尺寸。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)?？捎墒剑?） 預(yù)測(cè)或由測(cè)量的平均值得到。這樣，使用式（ ），當(dāng)距離大于d0 時(shí)，自由空間中的接收功率為 200( ) ( )rr dP d P d d??? ???? 0 fd d d?? （ ） 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。式（ ）可以表示成以 dBm 或 dBW 為單位，只要公示兩邊均乘以 10。 在實(shí)際使用低增益天線的 1~2GHz 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（ ）和式（ ）中的分子為 10 的倍數(shù)。 小尺度衰落 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。 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。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。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 c os c osi i ix d v t??? ? ? ?。所以，由于路程差所造成的 信號(hào)相位變化為： 22 c o s id v t???????? ? ? () 由此可推導(dǎo)出頻率變化值，即多普勒頻移 df 為： c o s c o s2d i m ivfft? ?????? ? ?? () 式中，m vf ??與入射角無(wú)關(guān)，是 df 的最大值。 圖 22 多普勒擴(kuò)展 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+ 的信號(hào)。通常時(shí)延譜的數(shù)學(xué)模型描述為： 1( ) exp( )iIP ?? ???? （ 25） 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 23 所示。 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(méi)有失真，既為平坦衰落信道。 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)。 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)字符周期之間的比較。 若信道傳輸特性變化激烈，其保持時(shí)間與單個(gè)