基于Matlab的無線信道仿真

基于Matlab的無線信道仿真近幾年，隨著無線通信業(yè)務(wù)和新興寬帶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)的快速增長，對(duì)無線通信系統(tǒng)的優(yōu)化顯得尤為重要。與有線信道靜態(tài)和可預(yù)測(cè)的典型特點(diǎn)相反，在實(shí)際中，由于無線信道動(dòng)態(tài)變化且不可預(yù)測(cè)，無線通信系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于無線信道環(huán)境，所以對(duì)無線信道的準(zhǔn)確理解和仿真對(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)高性能和高頻譜效率的無線傳輸技術(shù)顯得尤其重要。無線信道的一個(gè)典型特征是“衰落”，衰落現(xiàn)象大致可分為兩種類型：大尺度衰落和小尺度衰落。其中，大尺度衰落主要在移動(dòng)設(shè)備通過一段較長的距離時(shí)體現(xiàn)，它是由信號(hào)的損耗（長距離傳播）和大的障礙物（如建筑物、中間地形和植物）形成的陰影所引起的，一般分為路徑損耗和陰影衰落，另一方面，小尺度衰落是指當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在較短距離內(nèi)移動(dòng)時(shí)，由多條路徑的相消或相長干涉所引起信號(hào)電平的快速波動(dòng)，主要表現(xiàn)為多徑衰落。它們之間的關(guān)系如圖1所示。報(bào)告中分別對(duì)這幾種衰落的常見模型進(jìn)行了總結(jié)和仿真。圖1各種衰落之間的關(guān)系一、大尺度衰落大尺度衰落是在一個(gè)較大的范圍上考察功率的漸變過程，功率的局部中值隨距離變化緩慢。大尺度信道模型主要研究電波傳播在時(shí)間、空間、頻率范圍內(nèi)平均特性。1.1路徑損耗路徑損耗由發(fā)射功率的輻射擴(kuò)散及信道的傳播特性造成，反映在宏觀長距離上。理論上認(rèn)為，對(duì)于相同收發(fā)距離，路徑損耗相同。其定義為有效發(fā)射功率和平均接收功率之間的比值。幾種常用的描述大尺度衰落的模型有自由空間模型、對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型、Hata-Okumura模型。1.1.1自由空間模型所謂自由空間是指天線周圍為無限大真空時(shí)的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射，傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達(dá)接收天線的地面反射信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)也可以忽略不計(jì)。自由空間模型中路徑損耗計(jì)算公式：P4πdf21LtsPcGGr tr其中，P為發(fā)射功率，P為接收功率，d為發(fā)射端與接收端距離，f為載波 t r頻率，c為光速取3108，G為發(fā)射端天線增益，G為接收端天線增益。轉(zhuǎn)換t r成分貝表示：PL（dB）10lgt32.4520lgd20lgf10lgGGs P trr發(fā)射端與接收端均是全向天線，GG1，得圖2：t r圖2路徑損耗隨距離、頻率變化曲線1.1.2對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型與前面提到的自由空間路徑損耗一樣，在其他所有實(shí)際環(huán)境中，平均接收信號(hào)功率隨距d呈對(duì)數(shù)方式減小。通過引入隨著環(huán)境而改變的路徑損耗指數(shù)n可以修正自由空間模型，從而構(gòu)造出一個(gè)更為普遍的路徑損耗衰落模型。dL（dB）L(d)10nlg()s_logs0d0其中，d是一個(gè)參考距離，在參考距離或者接近參考距離的位置，路徑損耗1所示，路徑函數(shù)主要由傳播環(huán)境決定，對(duì)于不同的傳播系統(tǒng)必須確定合適的參考距離d，例如，在大覆蓋范圍的蜂窩系統(tǒng)（半徑大于10km的蜂窩系統(tǒng)）中，通常會(huì)置d為1km，對(duì)于小區(qū)半徑為1km的0100m或1m。環(huán)境環(huán)境路徑損耗（n）環(huán)境路徑損耗（n）自由空間2建筑物內(nèi)視距傳輸1.6~1.8市區(qū)蜂窩2.7~3.5建筑物內(nèi)障礙物阻擋4~6市區(qū)蜂窩陰影3~5工廠內(nèi)障礙物阻擋2~3表1路徑損耗指數(shù)對(duì)數(shù)路徑損耗隨距離、路徑損耗指數(shù)變化曲線：圖3路徑損耗隨距離、路徑損耗指數(shù)變化曲線1.1.3Hata-Okumura模型(1)Okumura模型Okumura模型的特點(diǎn)是：以大城市地區(qū)準(zhǔn)平坦地形的場(chǎng)強(qiáng)中值路徑損耗作為基準(zhǔn)，對(duì)于不同的傳播環(huán)境和地形條件等因素用校正因子加以修正。Okumura模型中大城市地區(qū)準(zhǔn)平坦地形的中值路徑損耗（dB）由下式給出LLA(f,d)H(h,d)H(h,f) M bs m bb m m其中，d為發(fā)射端與接收端距離，f為載波頻率，H為基站天線高度增益，H為m圖4路徑損耗與基站天線高度增益的關(guān)系圖5路徑損耗與移動(dòng)臺(tái)天線高度增益的關(guān)系（2）Hata模型Hata模型仍然保留了Okumura模型的風(fēng)格，以市區(qū)傳播損耗為標(biāo)準(zhǔn)，其他地區(qū)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。中值路徑損耗的經(jīng)驗(yàn)公式為：L69.5526.16lg(f)-13.82lg(H)(44.9-6.55lg(H))lg(d)-a(h) M b b m其中，a(h)為修正因子，由所在環(huán)境決定。Hata模型適用條件：載波頻率(MHz)f=150-100MHz；基站高度(m)Hb=30-100m；移動(dòng)臺(tái)高度(m)Hm=1-10m；收發(fā)天線距離(小區(qū)半徑)(km)d=1-20km。中小城市修正因子：a(h)(1.11lg(f)0.7)H1.56lg(f)0.8m m大城市且載波頻率f200MHz時(shí)，修正因子：a(h)8.29(lg1(.54H))21.1m m大城市且載波頻率f400MHz時(shí)，修正因子：a(h)3.2(lg11(.75H))24.97m m郊區(qū)修正因子：a(h)2(lg(f/28))25.4m農(nóng)村修正因子：a(h)40.984.78(lg(f))218.33lg(f)m仿真結(jié)果如下：圖6Hata模型中路徑損耗隨距離變化曲線（Hb=60，Hm=1，f=200MHz）圖7Hata模型中路徑損耗隨距離變化曲線（Hb=60，Hm=1，d=2Km）1.1.4布靈頓模型描述大尺度衰落的一種模型。假設(shè)發(fā)射天線和移動(dòng)臺(tái)之間的地面是理想平面大地，并且兩者之間的距離遠(yuǎn)大于發(fā)射天線的高度h或移動(dòng)臺(tái)的高度h，此時(shí)的t r路徑損耗公式為：L12040logd20logh20logh系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一般接收機(jī)高度按型值h.5處理，此徑損耗公式為：rL116.540logd20logh p 10 10t1.1.5EgLi模型Egli認(rèn)為不平坦地區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)等于平面大地反射公式算出的場(chǎng)強(qiáng)加上一個(gè)修正值，該修正值為：40G20logf10式中f為工作頻率，單位為MHz。Egli模型是從大量實(shí)測(cè)結(jié)果中歸納出來的中值預(yù)測(cè)公式，屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?4fhh 40EE20logtr20logf 0 10cd2 10Egli公式可用于計(jì)算不平坦地區(qū)的傳播損耗，計(jì)算公式如下：L8840logd20logh20logh20logfGa1010t10r10L為傳播損耗，單位dB；d為距離，單位km；h為發(fā)射天線高度，單位ma th為接收天線高度，單位m；f為工作頻率，單位MHz；G為地形修正因子，位dB。1.2陰影衰落陰影衰落是指移動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中通過不同障礙物的陰影時(shí)，構(gòu)成的接收天線處場(chǎng)強(qiáng)中值的變化，從而引起的衰落。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明陰影衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。對(duì)數(shù)正態(tài)陰影模型是最常用的統(tǒng)計(jì)仿真模型，發(fā)射和接收功率比值φP/P，服t r從對(duì)數(shù)正態(tài)分布： 1 (lnφμ)2f(φ;μ;δ)e2δ2φδ2π其均值μ取決于路徑損耗和所在區(qū)域內(nèi)建筑物屬性，隨距離增加，障礙物數(shù)量會(huì)增加，衰減增加，這里μ近似為路徑損耗。標(biāo)準(zhǔn)差δ范圍在4dB-13dB之間，代表不同的環(huán)境，密集城區(qū)、城區(qū)、郊區(qū)等δ取8dB，農(nóng)村δ取7dB，扇區(qū)和高速δ取4dB。仿真結(jié)果如下：圖8不同環(huán)境下的陰影衰落波形 二、小尺度衰落小尺度衰落是指短期內(nèi)的衰落，具體指當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)一個(gè)較小距離時(shí)，接收信號(hào)在短期內(nèi)的快速波動(dòng)。當(dāng)多徑信號(hào)以可變相位到達(dá)接收天線時(shí)會(huì)引起干涉（即相位相同的相長干涉，相位不同的相消干涉）。換句話說，來自本地散射體的大量信號(hào)的相對(duì)相位關(guān)系決定了接收信號(hào)的電平波動(dòng)。而且，每一個(gè)多徑信號(hào)都可能發(fā)生變化，而這種變化依賴于移動(dòng)臺(tái)和周圍物體的速度。總之，小尺度衰落由以下因素決定：多徑傳播、移動(dòng)臺(tái)速度、周圍物體的速度和信號(hào)的傳輸帶寬。根據(jù)不同無線環(huán)境，接收信號(hào)包絡(luò)一般服從幾種典型分布，如瑞利分布、萊斯分布和Nakagami-m分布。這里主要針對(duì)服從瑞利分布的多徑信道進(jìn)行模擬仿真。2.1瑞利信道Jakes模型通過對(duì)復(fù)正弦波的合成，產(chǎn)生服從給定多普勒譜的瑞利衰落信道。為了使產(chǎn)生的信號(hào)幅度近似服從瑞利分布，正弦波的數(shù)量必須足夠大。此外，必須對(duì)每個(gè)正弦波發(fā)生器進(jìn)行加權(quán)，以便產(chǎn)生想要的多普勒譜。這就是Jakes模型的主要思想。2cosφcos(wt)+0+00NN)cos(cos21010twφNN)cos(cos211twφ)cos(cos2twφdN)cos(s2twφindN)cos(sin211twφ)cos(cos200twφNN+π2)(thQ)(thI+)()()(thththQI)/2cos(0NNπfmf圖9Jakes模型實(shí)現(xiàn)圖9介紹了如何實(shí)現(xiàn)Jakes模型。假設(shè)以均勻方向到達(dá)的所有散射分量的射線被近似為N個(gè)平面波。定義N(N/21)/2，其中限定N/2為一個(gè)奇數(shù)。令0θ表示第n個(gè)平面波的到達(dá)角度，取值為θ2πn/N,n1,2,...,N。如圖9所示，N個(gè)頻率為w的復(fù)振蕩器的輸出求和wwcosθ,n1,,...,N，每個(gè)振 0 n n d n 0蕩器的輸出對(duì)應(yīng)不同的多普勒頻移），然后與頻率為w2πf的復(fù)振蕩器的輸出相加。在復(fù)振蕩器的總和中，實(shí)部h(t)和虛部h(t)以分表示為： I Qh(t)2N0(cosφcoswt)2cosφcoswt 1 n nN dn1和h(t)2N0(sinφcoswt)2sinφcoswtQ n nN dn1其中，φ為經(jīng)過多普勒頻移的第n個(gè)正弦信號(hào)的初始相位，φ為經(jīng)過最大n N多普勒頻移f的正弦信號(hào)的初始相位。初始相位的設(shè)置必須使衰落信道的相位服φ0Nφπn/(N1)，n1,2,...,Nn0 0E Jakes模型的復(fù)輸出可以表示為：h(t) 0 {h(t)jh(t)} 2N1I Q0其中，E為衰落信道的平均幅度。經(jīng)過多普勒頻移的正弦信號(hào)頻率{w}N0為：0 nn1wwcosθ2πfcos(2πn/N),n1,2,...,Nn d n m 0經(jīng)過多普勒頻移的正弦數(shù)N必須足夠大，以便衰落信道的振幅能夠近似服0從瑞利分布。N8就足夠大了?？梢宰C明h(t)和h(t)滿足下面的性質(zhì)： 0 I QEE20NhI(t)12E