基于MATLAB的无线信道传播特性分析.docx

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? ? 基于MATLAB的无线信道传播特性分析 ? ? 陆建东 中铁通信信号集团公司,北京 100071 0 引言 无线信道在传播中由于电磁波受到反射、绕射、散射甚或地表的吸收、移动终端的移动速度的影响,要用信道建模仿真进行分析一直以来都是无线通信系统的难点所在。无线信道衰落主要包括瑞利衰落、莱斯衰落、阴影衰落、多径时延、大尺度损耗衰弱,小尺度损耗衰落等等。无线信道是移动通信的传输媒介,所有的信息都在这个信道中传输,信道性能的优劣直接决定着信息传送的正确率、时效性和无线通信的质量。因此,要在有限的频谱资源上保证有效传输高质大容量的信号,根据信道的特性采取一系列的抗干扰和抗衰落技术来保证传输质量和传输容量方面的要求尤为重要。 从已有的研究成果知道Rayleigh衰落仿真在无线信道仿真研究中极其重要,所以本文基于MATLAB仿真软件,选取一种改进型的瑞利衰落信道作为模型基础来模拟单径瑞利衰落信道,用MATLAB编程进行验证的方法进行系统模拟研究无线信道的传播特性。 1 移动信道仿真建模 移动信道仿真模型对于无线移动通信的研究具有重大意义,在数学模型设计中,在特性上尽可能接近现实的环境,并且实现性和易用性也是通常需要着重考虑的,目前常用如下移动信道建模: 1)统计分析方法对实测的信道数据进行统计,并建模。但需要耗费大量的时间和人力,而且只局限于特定的区域范围,所以这种仿真方法并不经常使用。 2)高斯噪声随机序列,通过特性滤波器,产生仿真数据。低通滤波器滤波器法由于采样频率和带宽的限制,给设计和硬件实现带来了困难 3)马尔可夫(Markov Process)建模。但是随着阶数的增加,计算复杂度也提高。而且Markov模型多用于分组数据通信的协议研究,很少应用于物理信道的研究。 4)使用一定数量的低频正弦信号发生器,通过运算得到伪随机噪声序列以逼近对象信道。能够克服滤波器采样频率和带宽限制给设计和硬件实现带来的困难。 所以本文采用第四种方法通过正弦和理论建立移动信道的确定性仿真模型,并涉及相应的MATLAB的实现。 1.1 瑞利衰落信道模型 1.1.1 瑞利衰落信道的参考模型——Clarke模型 Clarke模型是一种用于描述平坦小尺度衰落的统计模型,即瑞利衰落信道模型,该模型的低通衰落过程可以描述为: 其中,E0是电场余弦波的幅度;cn表示第n条路径的衰减;wc表示载波角频率;wn表示第n条路径的多普勒频移;φn表示第n条路径的附加相移;不同路径的附加相移φn是相互独立的,且是在[0,2π]均匀分布的随机变量。 Clarke模型是瑞利衰落信道的理论模型,可以作为理想的参考模型,用于评价其他各种仿真模型的性能。由Clarke参考模型可知,当N趋向于无穷大的时候,二阶统计特性(衰落包络同相分量与正交分量的自相关函数和互相关函数)趋向于真实的瑞利衰落信道。 1.1.2 Jakes仿真模型 在上一节所介绍的Clarke参考模型的基础上,我们可以简化考虑,假设: 从而可以得出著名的瑞利衰落信道的Jakes仿真模型。这个模型的归一化的低通衰落过程表示如下: 其中N=4M+2,且 通过计算该模型的自相关函数和互相关函数,我们会发现即使在正弦波条数趋于无穷大的情况下,Jakes模型的二阶统计值也不能完全达到预期的统计特性的要求,因此这个模型并不是很理想,还需要进行必要的改进。 1.1.3 进一步的改进完善 综合上述Clarke模型和Jakes模型的优缺点进行考虑,又可以提出一种改进过后的模型。这个模型是通过再次引入三个随机变量cn、αn、φn来实现的。适当的引入随机数给变量cn、αn、φn,考察下列仿真原型方程[9]: 其中: N/2是整数,cn、αn、φn为3个相互独立且在[-π,π)内均匀分布的随机变量。 根据上述的这个原型方程,可以得出如式(2.18)的结果,即复值的振幅的路径增益等于式(2.5)给出的实数值的路径增益。 由于这里的cn和φ~n均有一个多余的随机相位,而这个相位就是新模型中需cn、αn、φn再次引入的随机变量,所以与式(2.4)中给出的变量相比,它们更有利于建立一个新的瑞利衰落信道的统计和宽带平稳的仿真模型。 上式中和的第一部分表示弧度多普勒频率的波动范围是从5wdcos(2π/N),wd?到 5-wdcos(2π/N),-wd?的 ,而和的第二部分的弧度多普勒频率从5-wdcos(2π/N),-wd?变化到 5wdcos(2π/N),wd?,显然,多普勒频率在这些范围内重叠,g(t)可以被进一步简化为: 其中M=N/4 ,wn=wdcosαn,因子被包括进去使得总的能量(功率)保持不变。经过以上对的表达式进行逐步简化后,现在可以引出所要研究的新的仿真模型了。 新的正弦波叠加统计仿真模型的标准化低通衰落过程描述如下: 此

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