無線通信系統(tǒng)物理層仿真綜述

文獻(xiàn)綜述通信工程無線通信系統(tǒng)物理層仿真綜述摘要：本文主要講述了瑞利衰落信道的概念和matlab仿真概念和應(yīng)用以及瑞利衰落信道在無線通信系統(tǒng)中如何克服，同時(shí)介紹了OFDM無線信道的原理和應(yīng)用。關(guān)鍵詞：瑞利衰落;matlab仿真;無線通信;OFDM一、瑞利衰落信道的概念瑞利衰落信道(Rayleighfadingchannel)是一種無線電信號(hào)傳播環(huán)境的統(tǒng)計(jì)模型。這種模型假設(shè)信號(hào)通過無線信道之后，其信號(hào)幅度是隨機(jī)的，即“衰落”，并且其包絡(luò)服從瑞利分布，這一信道模型能夠描述由電離層和對(duì)流層反射的短波信道，以及建筑物密集的城市環(huán)境在無線通信信道環(huán)境中，電磁波經(jīng)過反射折射散射等多條路徑傳播到達(dá)接收機(jī)后， 總信號(hào)的強(qiáng)度服從瑞利分布。同時(shí)由于接收機(jī)的移動(dòng)及其他原因， 信號(hào)強(qiáng)度和相位等特性又在起伏變化，故稱為瑞利衰落。如果收到的信號(hào)中除了經(jīng)反射折射散射等來的信號(hào)外， 還有從發(fā)射機(jī)直接到達(dá)接收機(jī)(如從衛(wèi)星直接到達(dá)地面接收機(jī))的信號(hào)，那么總信號(hào)的強(qiáng)度服從分布萊斯， 則稱為萊斯衰落。文獻(xiàn)［1］中也提到蜂窩中的信號(hào)傳播高度依賴基站布置和周圍的反光物體的幾何形狀，如果信號(hào)沒有被障礙物阻塞，信號(hào)的能量會(huì)一直向四面八方輻射。由于隨機(jī)信號(hào)的變更，一個(gè)呼叫同樣會(huì)被放棄如果移動(dòng)物體和它的基站之間的信號(hào)強(qiáng)度低于通訊所需的最小閾值。就是說一個(gè)信號(hào)從無線信道里傳出來如果基站周圍有障礙物或者反光物體就會(huì)使信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)?，信?hào)幅度變得有高有低，如果低于信號(hào)接受的低于最小閾值，就無法通訊，這種現(xiàn)象就是瑞利衰弱。文獻(xiàn)［2］主要講述無線信道的布置和無線傳感器的運(yùn)用，同時(shí)為更好的分配通信頻帶，提供數(shù)學(xué)演算，為減少信號(hào)削弱提出了比較好的網(wǎng)絡(luò)布置設(shè)計(jì)。二、Matlab仿真的概念MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(MatrixLaboratory)的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Matlab也是大學(xué)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的一種教學(xué)軟件，具有易上手和強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，特別是矩陣的計(jì)算、應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、線性規(guī)劃計(jì)算用matlab很方便。MATLAB主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中， 為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。文獻(xiàn)［3］著重說明了matlab軟件的基礎(chǔ)使用方法法和及功能介紹， 講述了如何利用數(shù)學(xué)工具軟件來做數(shù)學(xué)。同時(shí)介紹了其它集中數(shù)學(xué)軟件如 mathematica、maple等工具軟件，并介紹了幾種工具軟件的特點(diǎn)功能，分析比較后著重講述了 matlab相對(duì)于其它數(shù)學(xué)軟件的優(yōu)勢，matlab具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力與符號(hào)運(yùn)算功能。并在書中指出了 matlab在數(shù)學(xué)工作中的重大作用，為數(shù)學(xué)教學(xué)研究帶來很大的便利。MATLAB的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試和測量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。 而matlab在這些領(lǐng)域中的運(yùn)用既是matlab仿真。文獻(xiàn)［4］以實(shí)例介紹了MATLAB仿真軟件在現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)中的應(yīng)用.為適應(yīng)新形勢下現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)，嘗試將MATLAB仿真軟件中的SIMUUNK工具引人現(xiàn)代控制理論的課堂教學(xué)中.借助于SIMULINK可視化的編程和仿真演示，將抽象的理論和概念變得更為通俗易懂，加深了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的認(rèn)識(shí)和理解，也培養(yǎng)了學(xué)生系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的能力。三、Matlab仿真在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用當(dāng)在實(shí)際電子通信系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)研究比較困難或更本無法實(shí)現(xiàn)時(shí)， 仿真技術(shù)就成為必然選擇。信息技術(shù)的快速發(fā)展，使得通信系統(tǒng)在性能不斷提高的同時(shí)也變得越來越復(fù)雜。正因?yàn)槿绱?，采用傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的日子一去不復(fù)返而由于計(jì)算機(jī)仿真方法的廉價(jià)性、高效性和靈活性，使其成為了通信系統(tǒng)中的主要設(shè)計(jì)和分析手段之一。另一方面，計(jì)算機(jī)仿真更是進(jìn)行通信與網(wǎng)絡(luò)等科研工作時(shí)所必備的工具omatlab仿真就是是無線通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中常用的一種仿真技術(shù)。文獻(xiàn)［5］指出研究信道的快變衰落特性及其仿真實(shí)現(xiàn)方法對(duì)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能分析具有重要意義現(xiàn)有的信道仿真方法主要用于緩變衰落信道 而未來的無線通信系統(tǒng)工作頻率更高容量更大用戶移動(dòng)速度更快 信道的快變特性更加明顯。同時(shí)研究了基于時(shí)間延遲線 （TDL）模型和多速率濾波的快變信道仿真方法，討論了其仿真實(shí)現(xiàn)過程 給出了仿真結(jié)果，該方法具有計(jì)算量小和實(shí)現(xiàn)容易的優(yōu)點(diǎn)，還分析了快變信道對(duì)正交頻分復(fù)用 OFDM通信系統(tǒng)性能的影響，為快變信道中的OFDM系統(tǒng)均衡器設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。Matlab仿真在無線通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)運(yùn)用就是用于信道建模：建立系統(tǒng)模型的過程。又稱模型化。建模是研究系統(tǒng)的重要手段和前提。凡是用模型描述系統(tǒng)的因果關(guān)系或相互關(guān)系的過程都屬于建模。圖描述的關(guān)系各異，所以實(shí)現(xiàn)這一過程的手段和方法也是多種多樣的?？梢酝ㄟ^對(duì)系統(tǒng)本身運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析，根據(jù)事物的機(jī)理來建模；也可以通過對(duì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的處理，并根據(jù)關(guān)于系統(tǒng)的已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來建模。文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］從無線電波的傳播特性出發(fā)，研究了無線信道的電波傳播模型和信道描述的參數(shù)，重點(diǎn)分析了對(duì)基帶信號(hào)處理有重要影響的小尺度衰落模型：研究了通信信號(hào)的復(fù)數(shù)表示方法，并結(jié)合無線信道的特點(diǎn)，討論了信道的基帶沖激響應(yīng)模型和 SIsO、SIMO、MISO、MIMO等無線通信系統(tǒng)的基帶模型描述方法。并重點(diǎn)研究了平坦衰落信道和頻率選擇性信道的信道模型并仿真驗(yàn)證。四、 基于Matlab仿真的OFDM系統(tǒng)OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其原理是將高速的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為低速的并行數(shù)據(jù)流，再將這些并行數(shù)據(jù)調(diào)制在相互正交的子載波上，實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)［8］主要是本文主要是對(duì)OFDM系統(tǒng)無線信道特性進(jìn)行建模與仿真，完成了以下工作：（1）在研究了無線信道傳播理論基礎(chǔ)上，分析了無線信道傳播特性，建立了各種衰落信道的結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了無線信道抽頭延遲線模型和Jakes仿真模型。（2）對(duì)路徑損耗信道模型進(jìn)行了分析，比較了各模型的特點(diǎn)，仿真分析了模型誤差，提出了各種模型的適用環(huán)境。對(duì) 0FDM系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過比較加保護(hù)間隔和不加保護(hù)間隔系統(tǒng)的誤碼率，給出 OFDM具有獨(dú)特的抗多徑衰落特性。文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］主要講述了基于Matlab的OFDM多載波無線通信系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，并在此平臺(tái)上對(duì)OFDM的子載波調(diào)制方式、信道估計(jì)算法和同步算法作了比較全面的仿真和性能分析。并提出OFDM技術(shù)是現(xiàn)今最受關(guān)注的技術(shù)之一。文獻(xiàn)［11］和文獻(xiàn)［12］首先簡要介紹了OFDM基本原理，重點(diǎn)研究了理想同步情況下，保護(hù)時(shí)隙（CP）和不同的信道估計(jì)方法在高斯信道和多徑瑞利衰落信道下對(duì) OFDM系統(tǒng)性能的影響。在給出OFDM系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，用MATLAB語言實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真并給出參考設(shè)計(jì)程序。最后給出在不同的信道條件下，保護(hù)時(shí)隙、信道估計(jì)方法對(duì)OFDM系統(tǒng)誤碼率影響的比較曲線，得出了較理想的結(jié)論。五、 瑞利衰落信道的克服在MIMO中，傳統(tǒng)的多天線被用來增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信息的信號(hào)通過不同的路徑被發(fā)送出去，在接收機(jī)端可以獲得數(shù)據(jù)符號(hào)多個(gè)獨(dú)立衰落的復(fù)制品，從而獲得更高的接收可靠性。舉例來說，在慢瑞利衰落信道中，使用 1根發(fā)射天線n根接收天線，發(fā)送信號(hào)通過n個(gè)不同的路徑。如果各個(gè)天線之間的衰落是獨(dú)立的，可以獲得最大的分集增益為 n，平均誤差可以減地更小。對(duì)于發(fā)射分集技術(shù)來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統(tǒng)的可靠性。在一個(gè)具有m根發(fā)射天線n根接收天線的系統(tǒng)中，如果天線對(duì)之間的路徑增益是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。需要特別指出的是在高信噪比的情況下，傳輸速率是自由度受限的，此時(shí)對(duì)于m根發(fā)射天線n根接收天線，并且天線對(duì)之間是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落的。文獻(xiàn)［13］［14］指出信道模型對(duì)于評(píng)估MIMO通信系統(tǒng)的性能非常重要。并在分析無線信道傳播特征的基礎(chǔ)上，討論了常見的MIMO物理模型，然后研究了MIMO信道建模的基本問題，提出了建模的基本步驟和方法，即從幾何參數(shù)到陣列相關(guān)矩陣，然后導(dǎo)出 MIMO協(xié)方差矩陣，最后產(chǎn)生符合要求的信道增益矩陣。這一方法對(duì)于進(jìn)行 MIMO系統(tǒng)性能的分析和仿真是很有用的。文獻(xiàn)［15］提出MIMO.OFDM技術(shù)將OFDM與空時(shí)編碼技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起， 能夠大幅度的提高無線通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，并能有效的抵抗多徑衰落、抑制干擾和噪聲。本文在分析移動(dòng)無線信道衰落特性的基礎(chǔ)上，闡述7MIMO.OFDM系統(tǒng)的基本原理，描述了多入多/出（MIMO）iE交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)幾種常見的信道估計(jì)方法。最后在 LS頻域信道估計(jì)的基礎(chǔ)上提出了一種新的改進(jìn)算法：分組LS頻域信道估計(jì)算法，并結(jié)合MATLAB仿真對(duì)其原理、性能和實(shí)用性等進(jìn)行了詳細(xì)的分析。六、下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)無線移動(dòng)通信自誕生以來，其發(fā)展速度令人驚嘆。經(jīng)歷第二代和第三代移動(dòng)通信的快速發(fā)展，下一代即后三代（Beyond3G）或第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）的研究工作已經(jīng)開始展開。第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)就是OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)，4G（第四代移動(dòng)通信技術(shù)）的概念可稱為寬帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對(duì)稱的超過2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。它包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網(wǎng)、移動(dòng)寬帶系統(tǒng)和交互式廣播網(wǎng)絡(luò)。第四代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)比第三代標(biāo)準(zhǔn)具有更多的功能。第四代移動(dòng)通信可以在不同的固定、無線平臺(tái)和跨越不同的頻帶的網(wǎng)絡(luò)中提供無線服務(wù)，可以在任何地方用寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)（包括衛(wèi)星通信和平流層通信），能夠提供定位定時(shí)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等綜合功能。此外，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)是集成多功能的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，是寬帶接入^系統(tǒng)。4G通信系統(tǒng)最主要的特征在于可提供高數(shù)據(jù)速率、大系統(tǒng)容量的無線通信業(yè)務(wù)。參考文獻(xiàn)［1］ A.GoldSmith,wirelesscommunications［M］.NewYork:CambridgeUniversityPress,2005.［2］ MAOJian-lin，WUZhi-ming,Optimaldistributedresourceallocationinawirelesssensornetworkforcontrolsestems［J］《浙江大學(xué)學(xué)報(bào)A（英文版）》2007年1期-［3］ 馬正飛，殷翔.《數(shù)學(xué)計(jì)算方法與軟件工程運(yùn)用》［M］北學(xué)工業(yè)出版社，2002.9［4］ 鄭艷，高立群，李浚圣.Matlab仿真軟件在現(xiàn)代控制理論教學(xué)中的應(yīng)用［J］《沈陽教育學(xué)院學(xué)報(bào)》-2008年2期［5］ 代光發(fā)，陳少平.快變衰弱信道的matlab仿真及應(yīng)用，［J］《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》，2005年1期.［6］ 楊大成等.移動(dòng)傳播環(huán)境理論基礎(chǔ)、分析方法和建模技術(shù)［M］—北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.［7］ 于春銳無線通信系統(tǒng)的信道建模與仿真研究.［D］,國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007［8］ 田期星.基于OFDM無線信道特性建模與仿真［D］,大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.5.［9］ 宦若虹，金向東.無線通信系統(tǒng)的Madab仿真［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2006.1.［10］ 王乾，基于MATLAB/SIMULINK的多載波無線通信系統(tǒng)仿真及性能分析［D］,中國海洋大學(xué),2007.［11］