無線通信的遠程信道分布仿真研究

廣東郵電職業技術學院,廣東 廣州 510630

隨著無線通信計算的高速迅猛發展，對高速無線傳輸信道的分布要求標準也越來越高。然而現有無線通信的遠程信道分布狀況并不盡如人意，高速信道資源相對匱乏，信道間分布相對混亂[1,2]。有效提升有限信道分布資源變得尤為重要。利用傳統方法對信號頻率進行分布排列已很難提升信道的資源利用率。仿真技術為準確掌握研究信道分布狀態提供了新的技術支持，也為無線通信的遠程信道分布仿真研究提供了新的方向。通過仿真研究，準確掌握信道分布特點，為信道分布優化提供有力的數據支持[3]。

文獻[4]提出蜂窩通信網絡中的分布式無線信道分配方法，當網絡部署環境中出現干擾后，終端用戶通過控制信道，發送反饋信息至基站，基站接收到反饋信息后，對可用信道進行掃頻，利用廣播幀通知受干擾的終端用戶可用信道信息，然后終端用戶收到基站發送的廣播幀后，根據優先級機制，選擇新的信道重新建立與基站的通信，當蜂窩通信網中終端用戶受外部干擾而信道中斷后，可減少終端用戶和基站之間信令的開銷。但是該方法的數據傳輸時延較長。文獻[5]提出一種基于Q 學習和差分進化的聯合功率控制與信道分配算法，該算法通過獲取功率控制的反饋結果，采用基于多重變異和自適應交叉因子的差分進化算法進行信道分配，針對每次迭代產生的信道分配結果，采用基于狀態聚類和狀態修正的Q 學習算法實現功率控制；文獻[6]提出基于K-S 擬合優度檢驗的瑞利衰落信道統計特性評估方案，采用成形濾波器法產生瑞利衰落信道作為非參數假設檢驗模型，從瑞利衰落信道復序列中提取幅值序列和相位序列，采用K-S 檢驗法，將經驗累積分布函數和理論累積分布函數對比，驗證幅值序列和相位序列是否分別服從瑞利分布和均勻分布。但是上述兩種方法的信道利用率較低。

針對上述問題，本文提出了基于MATLAB 的無線通信遠程信道分布方法，通過采用基于MATLAB 的仿真測試軟件，對現有的無線通信信號的信道分布狀況進行詳細分析，并對仿真過程與算法步驟進行描述，通過仿真分析得到切實客觀有效的信道分布計算方案，并通過實驗數據對分析結論進行驗證。

1 基于MATLAB 的無線通信遠程信道分布

1.1 MATLAB 仿真測試平臺介紹

為準確分析出無線通信的遠程信道分布狀況，研究采用基于MATLAB 的數據仿真測試程序對無線通信信道參數數據進行測試[7]。MATLAB 是一款商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB 和Simulink 兩大部分[8]。

1.2 基于MATLAB 的無線遠程信道分布形態分析

在上述介紹完設計中所要采用的MATLAB 仿真測試平臺軟件后，對信道相關參量進行仿真計算。通過CSI 未知數據下的信道分布形態、可知CSI 與未知CSI 下的信道常態分布形態比對、可知CSI 與未知CSI 下的信道異態分布形態比對和可知CSI 與未知CSI 下的關聯信道分布形態比對四個步驟，分析無線遠程信道的各分布狀況。其計算步驟如下所示：

1.2.1 CSI 未知數據下的信道分布形態 假設gF,i是CSI 未知數據下的信道分布形態，則在第i條信道上CSI 未知數據的多普勒分布形態的表達式為：

式中，μ，F分別表示無線信號在標準大氣環境下的傳輸系數，g表示第i條信道上的信號波頻，b表示遠程終端的接收頻率，βi表示第i條信道信號接收頻率與載入信號波之間的夾角，gFz表示信號傳輸信道作用下的水平基面，即βi=0 時CSI 未知數據的多普勒分布形態。

1.2.2 可知CSI 與未知CSI 下的信道常態分布形態比對仿真 由上式可推導得出可知CSI 與未知CSI下的信道常態分布形態的表達式為：

式中：T1(y)表示可知CSI 與未知CSI 的信號分量值，Tw(y)表示信道常態系數量，y表示信道沖激響應的空間相關系數[9]。

1.2.3 可知CSI 與未知CSI 下的信道異態分布形態比對仿真 由式（2）可計算得出可知CSI 與未知CSI 下的信道異態分布形態的函數表達式為：

式中，I表示無線信號信道分布量總數，Tn表示第i條信道上的信號幅值[10]。

1.2.4 可知CSI 與未知CSI 下的關聯信道分布形態比對仿真 通過對式（3）的分析可知，在I滿足一定量值的條件下，使T1(y)與Tw(y)形成可知CSI 與未知CSI 的關聯形態數據，則信道分布形態基于完成分布，由此可得到，可知CSI 與未知CSI 下的關聯信道分布形態仿真式為：

式中：?2表示信道關聯分布的頻率均值，t表示信道信號傳輸時間。關聯信道的信號相位系數量存在于[0 2π]分布范圍內。

根據信號傳輸的遵循瑞利統計分布定律，可得到無線遠程信道各分布形態之間的關系式為：

1.3 無線通信的遠程信道分布仿真設計

完成計算后，將仿真計算數據通過GUI 仿真可視化計算模塊轉換輸出，MATLAB 仿真測試平臺GUI 可視化轉換輸出界面如圖1 所示。

在MATLAB 無線信道分布仿真平臺下，通過MATLAB 內CSI 與GUI 兩大核心模塊完成對無線遠程信道的各分布形態分析，包括CSI 未知數據下的信道分布形態仿真、可知CSI 與未知CSI 下的信道常態分布形態比對仿真、可知CSI 與未知CSI 下的信道異態分布形態比對仿真以及可知CSI 與未知CSI 下的關聯信道分布形態比對仿真。

2 仿真測試分析

2.1 實驗環境設置

為了驗證本文所提基于MATLAB 的無線通信遠程信道分布方法的有效性，在Microsoft Windows XP 操作系統，Intel(R)Celeron(R)2.6 GHz 處理器，MATLAB 仿真工具，內存為24.0 GB 的環境下進行仿真實驗分析。

2.2 實驗結果分析

為了驗證本文方法的有效性，采用本文方法、文獻[4]方法、文獻[5]方法和文獻[6]方法，對數據傳輸時延進行對比分析，對比結果如圖2 所示。

根據圖2 可知，本文方法的數據傳輸時延在15 ms～16 ms 之間；文獻[4]方法的數據傳輸時延在17 ms～20 ms 之間；文獻[5]方法的數據傳輸時延在16 ms～25 ms 之間；文獻[6]方法的數據傳輸時延在33 ms～35 ms 之間。本文方法的數據傳輸時延比文獻方法的數據傳輸時延短。

為了進一步驗證本文方法的有效性，對本文方法與文獻[4]方法、文獻[5]方法、文獻[6]方法的無線通信遠程信道利用率進行對比分析，對比結果如圖3 所示。

根據圖3 可知，本文方法的數據利用率最高可達100%，比文獻[4]方法、文獻[5]方法、文獻[6]方法的無線通信遠程信道利用率高。

3 結語

文章針對無線通信的遠程信道分布狀態，提出了基于MATLAB 的無線通信遠程信道分布方法。通過采用MATLAB 仿真測試平臺輔助完成對無線遠程信道4 種狀態下分布狀態的仿真研究，并通過對比實驗驗證了本文方法的有效性，為無線通信領域信道分布研究提供了參考依據。