無線信道快衰落時頻特性及其仿真研究

沈 淵，張劍鋒

(福建師范大學(xué) 閩南科技學(xué)院，福建 泉州 362332)

0 引言

無線通信的迅猛發(fā)展已經(jīng)使得無線電波傳輸信道預(yù)測成為通信領(lǐng)域的研究熱點。然而無線信道是一種惡劣的通信介質(zhì)，電磁波的反射、散射、繞射使得收發(fā)天線的接收波是多個信號的迭加，它們對收發(fā)天線上的來波的方向角度、時間延遲等量產(chǎn)生影響，引起了信號的快衰落。實際中，通常采用統(tǒng)計的方法描述信道，并建立信道的統(tǒng)計模型。本文在研究信道特性的基礎(chǔ)上針對快衰落的無線移動信道進行仿真，突出了多種調(diào)制方式下的多徑傳播，多譜勒頻移，AWGN信道等信道模型的仿真效果。

1 無線信道的參數(shù)傳輸特性

在存在多徑傳播的隨參信道中，就每條路徑的信號而言，它的衰耗和時延都是隨機變化的。因此多徑傳播后的接收信號將是衰減和時延都隨時間變化的各路徑的信號的合成。

1.1 多徑的衰落和頻率時變特性

1.2 多普勒頻移

多普勒頻移使信號呈現(xiàn)隨機的頻率調(diào)制特性，多普勒擴展引起信道的時變特性，用相干時間［3］Tc(信道保持恒定的最大時間差)來描述。Tc＜Ts(信號符號時間)時發(fā)生快衰落，Tc＞Ts時經(jīng)歷慢衰落。當(dāng)通信雙方發(fā)生對位移動時，多普勒頻移可表示為［5］:

其中，fd為頻率色散，θ1，θ2分別為兩個移動物體之間移動方向和兩物體連線的夾角，vo和vs分別為兩物體各種的移動速度。以上數(shù)學(xué)模型作為下面移動通信系統(tǒng)關(guān)于時間選擇衰落的仿真模型基礎(chǔ)。

2 無線傳輸信道統(tǒng)計實驗仿真

根據(jù)對多徑信道特性的研究，可以得出接受端信號的概率分布，電波衰落特性的統(tǒng)計規(guī)律，這種仿真將為研究移動信道抗衰落技術(shù)提供基本依據(jù)［4］。

2.1 調(diào)制信號通過AWGN和多徑信道的統(tǒng)計接收研究

圖1 AWGN信道接收星座圖

(1)在AWGN信道中仿真時規(guī)定的參數(shù)包括有調(diào)制方式、信道信噪比，發(fā)送碼元數(shù)等。下面給出用64QAM調(diào)制，在改變信噪比(從小到大)條件下的部分圖形(發(fā)送和接收星座圖對比等)，仿真時加入高斯加性噪聲。

當(dāng)加性高斯白噪聲信道的信噪比分別為10db、20db、25db，而發(fā)送碼元數(shù)為10000個時，信號調(diào)制后仿真通過AWGN信道接收信號星座圖分別如圖1所示。

通過統(tǒng)計誤碼率分別為0.0022、0.0012、0.0003。當(dāng)信噪比達到25 db，誤碼率為0。本仿真可以提供對于AWGN信道不同調(diào)制信號和不同信道參數(shù)等情況的關(guān)于接收參數(shù)的結(jié)果統(tǒng)計對比。

(2)快衰落信道的統(tǒng)計實驗仿真。在上面采用64QAM調(diào)制的基礎(chǔ)上，建立信道數(shù)學(xué)模型［6］為:

當(dāng)出現(xiàn)瑞利衰落時，數(shù)學(xué)模型改寫為:

圖2 多徑數(shù)對瑞利衰落的變化規(guī)律

①當(dāng)沒有萊斯因子時，取不同多徑值從小到大，觀察其變化，尋找其規(guī)律，如取多徑數(shù)n=10，根據(jù)上面的數(shù)學(xué)信道模型，借用hist函數(shù)給出了接收信號的概率分布，得出它與標(biāo)準(zhǔn)瑞利分布的對比如圖2左邊;當(dāng)取多徑數(shù)為5000時，得出它與標(biāo)準(zhǔn)瑞利分布的對比如圖2右邊，可得出結(jié)論，在多徑數(shù)較多時(與實際無線通信中的大多數(shù)場合相符)，其接收信號的概率密度函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)分布越來越接近，并可從該仿真中得出其多徑數(shù)變化時的規(guī)律，它可以為實際系統(tǒng)的改進提供理論依據(jù)和優(yōu)化方向。

②當(dāng)存在無線視距傳輸時，萊斯系數(shù)取不同取值如圖3左邊中取系數(shù)為100，多徑數(shù)為999，接收概率分布跟標(biāo)準(zhǔn)瑞利分布對比。為進一步說明問題，假設(shè)在接收端信號的兩個分量已經(jīng)服從高斯分布，在接收端得出它的幅度分布和標(biāo)準(zhǔn)瑞利分布也是相近的。為了說明問題，我們直接不讓信號通過信道，而直接假設(shè)在接收端信號的兩個分量已經(jīng)服從高斯分布，在接收端我們得出它的幅度分布和標(biāo)準(zhǔn)瑞利分布的比較圖(圖3右)(實線為標(biāo)準(zhǔn)瑞利分布的概率密度圖):

根據(jù)對以上的信道模型進行的仿真，我們得出接受端信號的概率分布，電波衰落特性的統(tǒng)計規(guī)律，這種仿真將為研究移動信道抗衰落技術(shù)提供基本依據(jù)。

圖3 萊斯衰落及瑞利極限情況的接收概率分布

2.2 頻率信號的多徑和多譜勒頻移的綜合統(tǒng)計仿真

考慮多譜勒頻移造成的時間選擇性衰落及多徑時延下的頻率選擇性衰落對信號接收的綜合效應(yīng)，仿真信號和信道兩方面的隨機參數(shù)的影響，得到不同仿真條件下的檢測曲線如圖4。

圖4 快衰落綜合影響下信號的幅頻和相頻特性

圖4 表示發(fā)送6徑多頻信號，其中各路衰落系數(shù)為［1，0.3，-0.8，0.5，-0.4，0.2］時接收信號的情況。圖中左邊為幅頻畸變，右邊為相頻畸變。其中實線為沒有加多譜勒頻移的接受信號。虛線為產(chǎn)生加多譜勒頻移時的接收信號，虛線從上到下對應(yīng)下面四種情況:a.大多譜勒頻移小多徑時延b.大多譜勒頻移大多徑時延c.小多譜勒頻移小多徑時延d.小多譜勒頻移大多徑時延。如從左圖中第一和第二幅圖中，我們可以看出當(dāng)大時延時產(chǎn)生頻率選擇性衰落嚴(yán)重。而從左邊第二和第四幅圖中，可以看出當(dāng)大多譜勒頻移時出現(xiàn)嚴(yán)重的時間選擇性衰落。本仿真可對多徑及多普勒進行綜合仿真并體現(xiàn)其它關(guān)于接收信號的時頻特性。為無線通信信道的理論研究和信道仿真提供直觀的參考依據(jù)，對實際系統(tǒng)的優(yōu)化方向也有一定的理論指導(dǎo)意義。

3 快衰落信道補償解決方案

快衰落信道衰落的克服和補償要用多種方法綜合起來進行控制和優(yōu)化，包括分集，其中空間分集和頻率分集用得較多，在實際使用時可以用組合式的。如采用二重空間分集、二重頻率分集來構(gòu)成四重分集;另外有跳頻/擴頻方式，如在呼叫期間，載波頻率在幾個頻率上變化，以克服瑞利衰落、抵抗衰落現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，同時采用數(shù)字技術(shù)和糾錯編碼技術(shù)在一定程度上可提高抗干擾性正。

由于數(shù)字信號處理的發(fā)展，OFDM及MIMO等技術(shù)的發(fā)展和結(jié)合引起了廣泛的關(guān)注。目前，人們越來越多的研究超3G、4G系統(tǒng)，力求容納龐大的用戶數(shù)，改善通信質(zhì)量、達到高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

4 結(jié)語

當(dāng)前，個人通信系統(tǒng)和室內(nèi)無線局域網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)使室內(nèi)微微小區(qū)成為電波傳播的主要環(huán)境。通過各種通信信道系統(tǒng)的理論研究可以知道，在這種環(huán)境下，現(xiàn)有的預(yù)測模型需要在考慮上述因素的基礎(chǔ)上進一步修正和提高。也就是說，除了常規(guī)的如路徑損耗和延遲擴展等參數(shù)外，還需明確信號的空間傳播特性、散射體的空間分布、接收天線上多徑分量來波方向角度分布等信息，所以信道模型必然朝著空時域、空頻域信道模型方向發(fā)展，以便利用智能天線和MIMO系統(tǒng)提高移動通信系統(tǒng)的容量，促進移動通信系統(tǒng)的快速發(fā)展。

［1］宋曉晉，宋鐵成，沈連豐.移動通信衰落信道的建模與仿真［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005(3):338-342.

［2］章俊，劉國慶，劉力軍，等.多徑信道衰落與時延的模擬研究［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，28(2):19-22.

［3］JERUCHIM，BALABBANP，SHANGMUGANK.Simulation of Communication SyStems［M］.Plenum Press，1994.

［4］Digital Video Broadcasting(DVB);Framing structure，channel coding and modulation for digital terrestrial television.In:ETSI EN 300 744 V1.4［S］.1European Standard(Telecommunications series)(2001-01).

［5］劉剛，郭漪，葛建華.MIMO-OFDM系統(tǒng)中信道估計技術(shù)的性能評估［J］.電路與系統(tǒng)學(xué)報，2005，10(6):119-122.

［6］John G.Proakis.DigitalCommunicatioms［M］.4th ed.Beijing:Publishing house of electronics industry，2001.