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移动通信瑞利衰落信道建模及仿真 信息与通信工程学院 蒋砺思 摘要：首先分析了移动信道的表述方法和衰落特性，针对瑞利衰落，给出了Clarke模型，并阐述了数学模型与物理模型之间的关系，详细分析了Jakes仿真方法，并用MATLAB进行了仿真，并在该信道上实现了OFDM仿真系统，仿真曲线表明结果正确，针对瑞利衰落的局限性，提出了采用Nakagami-m分布作为衰落信道物理模型，并给出了新颖的仿真方法。 关键词：信道模型；Rayleigh衰落；Clarke模型；Jakes仿真；Nakagami-m分布及仿真 一．引言 随着科学技术的不断进步和经济水平的逐渐提高，移动通信已成了我们日常生活中不可缺少的必备品。然而，移动通信中的通话常常受到各种干扰导致话音质量的不稳定。本文应用统计学及概率论相关知识对移动通信的信道进行建模仿真和详尽的分析。 先来谈谈移动通信的发展历史和发展趋势。所谓通信就是指信息的传输、发射和接收。人类通信史上革命性的变化是从电波作为信息载体（电信）开始的，近代电信的标志是电报的诞生。为了满足人们随时随地甚至移动中通信的需求，移动通信便应运而生。所谓移动通信是指通信的一方或双方处于移动中，其传播媒介是无线电波，现代移动通信以Maxwel1理论为基础，他奠定了电磁现象的基本规律；起源于Hertz的电磁辐射，他认识到电磁波和电磁能量是可以控制发射的，而Marconi无线电通信证实了电磁波携带信息的能力。第二次世界大战结束后，开始了建立公用移动通信系统阶段。这第一代移动通信系统最大缺点是采用模拟技术，频谱利用律低，容量小。90年代初，各国又相继推出了GSM等第二代数字移动通信系统，其最大缺点是频谱利用率和容量仍然很低，不能经济的提供高速数据和多媒体业务，不能有效地支持Internet业务 。90年代中期以后，许多国家相继开始研究第三代移动通信系统，目前，我国及其他国家已开始了第四代移动通信的研究。相比之前的系统，3G或4G有以下一些特点：1.系统的国际通用性：全球覆盖和漫游。2.业务多样性，提供话音、数据和多媒体业务，支持高速移动。3.频谱效率高，容量大。4.提供可变速率业务，具有QoS保障。在3G或4G的发展中，一个核心问题就是系统的高速数据传输与信道衰落之间的矛盾。从后面的分析中，我们会看到多径衰落是影响移动通信质量的重要因素，而高速数据传输和移动终端高速移动会加剧多径衰落，因此，抗衰落是3G或4G的重要技术，对移动信道的研究是抗衰落的基础，建模及仿真是研究衰落信道的基本方法之一。 再来看看移动通信系统组成及移动信道特点。移动通信组成如图（1）所示，包括信源、信道、信宿，无线信道是移动通信系统的重要组成部分，无线电波通过开放的空间传播，其间可以遇到多个障碍物（如建筑物、树木、山峰等）而发生反射、折射、绕射、散射，形成电波传播的多条途径，使接收端的到达波中包含多个具有不同到达时间和相位的波，它们迭加，导致接收信号衰落和畸变，这就是移动信道的多径衰落。移动信道的另一大特点是具有随机调频特性。随机调频是指，在通信过程中，由于通信实体的快速移动，引起多普勒频移，使接收信号的载波频率相对发射信号发生偏移，收、发不同频，从而影响通信质量，由于通信实体的运动具有不确定性，所以我们称为随机调频。可见，通信信号通过移动信道要衰落，信道性能直接决定通信的容量和质量，根据信道特征设计通信系统（如调制制度、编解码方式、重传协议及TCP/IP协议）是大多数通信系统采取的方式。因此，研究移动信道的特性，对提高移动通信系统的性能具有重要意义。 图（1）通信系统组成 最后看看研究移动信道的方法。研究移动信道的方法有二：1.实测法，利用现有仪器设备（如场强仪）在接收端对已知的发射信号进行测量，通过收发信号的差异确定信道特征。但移动信道各时刻的信道不确定，服从统计规律，可看作平稳随机过程，由均值和方差确定，当测试环境发生变化时，均值和方差也会发生变化，因此，采用实地测量的方法，结果只能用于具体环境，不具有普遍性，不能适应移动通信中快速变化的环境。2.数学建模，数学建模是用数学语言描述实际现象的过程，它通过对大量实际观测的数据进行处理、研究、简化、抽象为实际对象的固有特征 （1） 其中是高斯分布的白噪声，反映了信道对信号的作用，因此，可将作为移动信道的表述（也称信到的冲击响应）。由前述可知，无线电波在空间经多径传播，导致衰落，所以又用来描述衰落，即移动信道的衰落特征，对移动信道建模及仿真也就是对的建模及仿真。在移动通信中衰落可分为大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落表征了接收信号在一定时间内的均值随传播距离和环境的变