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)和新興寬帶移動互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)的快速增長，對無線通信系統(tǒng)的優(yōu)化顯得尤為重要。與有線信道靜態(tài)和可預(yù)測的典型特點相反，在實際中，由于無線信道動態(tài)變化且不可預(yù)測，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，所以對無線信道的準確理解和仿真對設(shè)計一個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設(shè)備通過一段較長的距離時體現(xiàn)，它是由信號的損耗（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，小尺度衰落是指當移動臺在較短距離內(nèi)移動時，由多條路徑的相消或相長干涉所引起信號電平的快速波動，主要表現(xiàn)為多徑衰落。它們之間的關(guān)系如圖1所示。報告中分別對這幾種衰落的常見模型進行了總結(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)射功率的輻射擴散及信道的傳播特性造成，反映在宏觀長距離上。理論上認為，對于相同收發(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的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，也不會產(chǎn)生反射或散射，傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達接收天線的地面反射信號場強也可以忽略不計。自由空間模型中路徑損耗計算公式：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，在其他所有實際環(huán)境中，平均接收信號功率隨距d呈對數(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，通常會置d為1km，對于小區(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模型的特點是：以大城市地區(qū)準平坦地形的場強中值路徑損耗作為基準，對于不同的傳播環(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路徑損耗與移動臺天線高度增益的關(guān)系（2）Hata模型Hata模型仍然保留了Okumura模型的風格，以市區(qū)傳播損耗為標準，其他地區(qū)在此基礎(chǔ)上進行修正。中值路徑損耗的經(jīng)驗公式為：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；移動臺高度(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，修正因子：a(h)8.29(lg1(.54H))21.1m m大城市且載波頻率f400MHz時，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)射天線和移動臺之間的地面是理想平面大地，并且兩者之間的距離遠大于發(fā)射天線的高度h或移動臺的高度h，此時的t r路徑損耗公式為：L12040logd20logh20logh系統(tǒng)設(shè)計時一般接收機高度按型值h.5處理，此徑損耗公式為：rL116.540logd20logh p 10 10t1.1.5EgLi模型Egli認為不平坦地區(qū)的場強等于平面大地反射公式算出的場強加上一個修正值，該修正值為：40G20logf10式中f為工作頻率，單位為MHz。Egli模型是從大量實測結(jié)果中歸納出來的中值預(yù)測公式，屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?4fhh 40EE20logtr20logf 0 10cd2 10Egli公式可用于計算不平坦地區(qū)的傳播損耗，計算公式如下：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臺在運動中通過不同障礙物的陰影時，構(gòu)成的接收天線處場強中值的變化，從而引起的衰落。實測數(shù)據(jù)表明陰影衰落服從對數(shù)正態(tài)分布。對數(shù)正態(tài)陰影模型是最常用的統(tǒng)計仿真模型，發(fā)射和接收功率比值φP/P，服t r從對數(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)量會增加，衰減增加，這里μ近似為路徑損耗。標準差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，具體指當移動臺移動一個較小距離時，接收信號在短期內(nèi)的快速波動。當多徑信號以可變相位到達接收天線時會引起干涉（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的相對相位關(guān)系決定了接收信號的電平波動。而且，每一個多徑信號都可能發(fā)生變化，而這種變化依賴于移動臺和周圍物體的速度?？傊?，小尺度衰落由以下因素決定：多徑傳播、移動臺速度、周圍物體的速度和信號的傳輸帶寬。根據(jù)不同無線環(huán)境，接收信號包絡(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。這里主要針對服從瑞利分布的多徑信道進行模擬仿真。2.1瑞利信道Jakes模型通過對復正弦波的合成，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，必須對每個正弦波發(fā)生器進行加權(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模型實現(xiàn)圖9介紹了如何實現(xiàn)Jakes模型。假設(shè)以均勻方向到達的所有散射分量的射線被近似為N個平面波。定義N(N/21)/2，其中限定N/2為一個奇數(shù)。令0θ表示第n個平面波的到達角度，取值為θ2πn/N,n1,2,...,N。如圖9所示，N個頻率為w的復振蕩器的輸出求和wwcosθ,n1,,...,N，每個振 0 n n d n 0蕩器的輸出對應(yīng)不同的多普勒頻移），然后與頻率為w2πf的復振蕩器的輸出相加。在復振蕩器的總和中，實部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個正弦信號的初始相位，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。可以證明h(t)和h(t)滿足下面的性質(zhì)： 0 I QEE20NhI(t)12E