無線長(zhǎng)距離通信信道模型研究

無線長(zhǎng)距離通信信道模型研究

無線通信系統(tǒng)的性能主要受無線無線通信系統(tǒng)的限制。要設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的無線距離移動(dòng)通信系統(tǒng)，首先要了解無線距離移動(dòng)通信環(huán)境和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本特征。在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)之后，作者分析并比較了不同的信道模型。然后，在通信系統(tǒng)的特定應(yīng)用程序范圍內(nèi)，建立了系統(tǒng)的通信通道模型（old）。1對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用研究對(duì)于室外遠(yuǎn)距離無線移動(dòng)通信的應(yīng)用來說,對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量影響最深的應(yīng)屬路徑衰落和多徑效應(yīng).路徑衰落決定了系統(tǒng)的應(yīng)用覆蓋范圍,而多徑效應(yīng)產(chǎn)生的多徑衰落和多普勒頻移給傳輸質(zhì)量帶來了很大的影響,需要采用相應(yīng)的技術(shù)予以消除.因此,作者對(duì)該應(yīng)用的信道研究主要集中在多徑給信道帶來的時(shí)間和頻率色散的影響上.另外,我們所要實(shí)現(xiàn)的OFDM傳輸系統(tǒng)主要是針對(duì)超短波通信領(lǐng)域的應(yīng)用.系統(tǒng)頻段為30～80MHz;初步系統(tǒng)發(fā)射頻率定在30M,處于短波和超短波交界的地方;主要通過地波方式,而不是通過電離層傳播.因此可以忽略電離層的一些影響,包括電離層的反射、吸收等等.而對(duì)多徑的考慮也主要集中在地面和傳輸路徑中的阻擋帶來的散射而產(chǎn)生的多徑.1.1路徑損耗.d路徑損耗定義為有效發(fā)射功率和接收功率之間的差值,表示信號(hào)衰減,單位為dB的正值.路徑損耗主要由兩部分組成:自由空間傳播損耗、發(fā)射/散射及穿透和繞過物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的損耗.1.1.1接收功率的自由空間自由空間損耗是指接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間是完全無阻擋的視距路徑時(shí),發(fā)送的電磁波的衰減程度.隨著發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間距離的不斷增加,電磁波強(qiáng)度將不斷衰減.自由空間中距發(fā)射機(jī)d處天線的接收功率,由Friis公式給出:Ρr(d)=ΡtGtGrλ2(4π)2d2L(1)Pr(d)=PtGtGrλ2(4π)2d2L(1)天線增益與它的有效截面有關(guān),即:G=4πAeλ2(2)G=4πAeλ2(2)其中有效截面Ae與天線的物理尺寸相關(guān),λ則與載頻相關(guān):λ=cf=2πc—ωc(3)λ=cf=2πcω—c(3)其中,f為載頻,單位為Hz;—ωcω—c為載頻,單位為rad/s;c為光速,單位為m/s;Pt和Pr必須具有相同單位,Gt和Gr為無量綱量.綜合損耗L(L≥1)通常歸于傳輸線衰減、濾波損耗和天線損耗,L=1則表明系統(tǒng)硬件中無損耗.由(1)式自由空間公式可知,接收機(jī)功率隨T-R距離的平方衰減,即接收功率與距離的關(guān)系為20dB/10倍程.當(dāng)包括天線增益時(shí),自由空間路徑損耗為:ΡL(dB)=10logΡtΡr-10log[GlGrλ2(4π)2d2](4)PL(dB)=10logPtPr?10log[GlGrλ2(4π)2d2](4)當(dāng)不包括天線增益時(shí),設(shè)定天線具有單位增益,則自由空間路徑損耗為:ΡL(dB)=10logΡtΡr-10log[λ2(4π)2d2](5)PL(dB)=10logPtPr?10log[λ2(4π)2d2](5)Friis自由空間模型僅當(dāng)d為發(fā)射天線遠(yuǎn)場(chǎng)值時(shí)適用.天線的遠(yuǎn)場(chǎng)或Fraunhoer區(qū)定義為超過遠(yuǎn)場(chǎng)距離df地區(qū),df發(fā)射天線截面的最大線性尺寸和載波波長(zhǎng)有關(guān).Fraunhoer距離為:df=2D2/λ(6)df=2D2/λ(6)其中,D為天線的最大物理線性尺寸,此外,對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)距離df地區(qū)必須滿足:df>>D和df>>λ.顯然易見,(1)式不包括d=0的情況.為此,在尺度傳播模型使用近地距離d0作為接收功率的參考點(diǎn).當(dāng)d>d0時(shí),接收功率Pr(d)與d0的Pr相關(guān).Pr(d0)可由(1)式預(yù)測(cè)或由測(cè)量平均值得到.參考距離必須選擇在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),即d0≥df,同時(shí)d0小于移動(dòng)通信系統(tǒng)所用的實(shí)際距離.這樣,由(1)式,當(dāng)距離大于d0時(shí),自由空間中接收功率為:Ρr(d)=Ρr(d0)(d0d)2d≥d0≥df(7)Pr(d)=Pr(d0)(d0d)2d≥d0≥df(7)為方便計(jì)算,經(jīng)常以dBm為單位來表示接收電平.則(7)式可以表示成以dBm為單位:Ρr(d)dBm=10log[pr(d0)0.001W]+20log(d0d)d≥d0≥df(8)Pr(d)dBm=10log[pr(d0)0.001W]+20log(d0d)d≥d0≥df(8)其中,Pr(d0)單位為W.1.1.2信號(hào)模型的建立在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,影響傳播的3種最基本的機(jī)制為反射、衍射和散射.下面給出3種機(jī)制給傳播帶來的具體影響.當(dāng)電磁波遇到比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)發(fā)生反射,反射發(fā)生于地球表面、建筑物和墻壁表面.反射波和傳輸波的電場(chǎng)強(qiáng)度取決于費(fèi)涅爾(Fresnel)反射系數(shù)(Γ).反射系數(shù)為材料的函數(shù),并與極性、入射角和頻率有關(guān).當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的無線路徑被尖利的邊緣阻擋時(shí)發(fā)生繞射.由阻擋表面產(chǎn)生的二次波散布于空間,甚至于阻擋物體的背面.當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間不存在視距路徑,圍繞阻擋體也產(chǎn)生波的彎曲.在高頻波段,繞射和反射一樣,依賴物體的形狀,以及繞射點(diǎn)入射波的振幅、相位和極化情況.在移動(dòng)無線信道中,基站和移動(dòng)臺(tái)之間的單一直接路徑很少是傳播的唯一物理方式,因此,單獨(dú)使由空間傳播模型,在多數(shù)情況下是不準(zhǔn)確的.考慮地面反射和影響,由地面反射(雙線)模型(圖1)可推得:Ρr=ΡtGtGrh2th2rd4(9)Pr=PtGtGrh2th2rd4(9)由(9)式可見,當(dāng)距離很大時(shí),接收功率隨距離成4次方衰減(40dB/10倍程),比自由空間中的損耗要快得多.其路徑損耗(單位為dB)可以表示為:ΡL(dB)=40logd-(10logGt+20logGr+20loght+20loghr)(10)PL(dB)=40logd?(10logGt+20logGr+20loght+20loghr)(10)從上式可以看出,對(duì)于遠(yuǎn)距離傳播的電磁場(chǎng),路徑損耗與頻率無關(guān).在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,對(duì)次級(jí)波的阻擋產(chǎn)生了衍射損耗,即有一部分能量繞過阻擋體,而一些費(fèi)涅爾區(qū)發(fā)出的次級(jí)波被阻擋,根據(jù)阻擋體的幾何特征,接收能量為非阻擋體費(fèi)涅爾區(qū)所貢獻(xiàn)能量的矢量和.一般來說當(dāng)阻擋體不阻擋第一費(fèi)涅區(qū),則衍射損失最小,衍射影響可以忽略不計(jì).當(dāng)遮掩由單個(gè)物體,如山或山脈引起,通過把阻擋體看作衍射刃形邊緣來估計(jì)衍射損失,這種情況下的衍射可用針對(duì)刃形后面(成為半平面)場(chǎng)強(qiáng)的經(jīng)典費(fèi)涅爾法來估計(jì).而當(dāng)傳輸路徑上不只一個(gè)阻擋體,而是有很多阻擋體的情況下(如山區(qū)傳播),這樣所有的阻擋體引起的衍射損失都必須計(jì)算.布靈頓(Bullington)提出了用一個(gè)等效阻擋體代替一系列阻擋體,就可以使用單刃形繞射模型計(jì)算路徑損耗(圖2).這種方法極大地簡(jiǎn)化了計(jì)算并給出了比較好的接收信號(hào)強(qiáng)度估計(jì).實(shí)際移動(dòng)無線環(huán)境中,接收信號(hào)比單獨(dú)衍射和反射模型預(yù)測(cè)的要強(qiáng).這是因?yàn)楫?dāng)電波遇到粗糙表面時(shí),反射能量由于散射而散布于所有方向.像燈柱和樹這樣的物體在所有方向上散射能量,這就給接收機(jī)提供了額外的能量.1.1.3傳播模型測(cè)試在設(shè)計(jì)無線通信系統(tǒng)時(shí),了解路徑損耗是非常重要的.系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域,系統(tǒng)的可靠性都與電磁波傳播的功率有關(guān).由于無線信道非常復(fù)雜,精確的理論分析是不可能的,在實(shí)際中,往往采用理論分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法,針對(duì)不同的環(huán)境歸納總結(jié)出相應(yīng)的路徑損耗模型.在系統(tǒng)工作前,利用路徑損耗模型預(yù)測(cè)接收信號(hào)的電平,分析信噪比SNR.由于沒有一個(gè)模型可以適用于所有的傳播環(huán)境,因此,要求設(shè)計(jì)人員根據(jù)具體的情況選擇使用合適的模型.在理論分析上,圖1給出的地面反射雙線模型比較常用,而實(shí)際的路徑損耗估計(jì)技術(shù)中,對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型比較常用.下面給出對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型:基于理論和測(cè)試的傳播模型,無論室內(nèi)或室外信道,平均接收信號(hào)功率隨距離的對(duì)數(shù)衰減.對(duì)任意T-R距離,平均大尺度路徑損耗表示為:ˉΡL(d)∝(dd0)n(11)PLˉˉˉˉˉ(d)∝(dd0)n(11)或:ˉΡL(dB)=ˉΡL(d0)+10nlog(dd0)(12)其中,n為路徑損耗指數(shù),是表明路徑損耗隨距離增長(zhǎng)的速率,它依賴于特定的傳播環(huán)境,在自由空間,n=2,當(dāng)有阻攔物時(shí),n變大;d0為近地參考距離,由測(cè)試決定;d為T-R距離.在無線通信系統(tǒng)中,電波的傳播經(jīng)常在不規(guī)則地區(qū).在估計(jì)路徑損耗時(shí),要考慮特定地區(qū)的地形地貌.地形從簡(jiǎn)單的曲線形狀到多山區(qū)地形.同時(shí)也要考慮樹木、建筑和其他阻擋物等.為此,人們根據(jù)各種服務(wù)區(qū)的測(cè)試數(shù)據(jù),建立了大量的實(shí)用傳播模型.如Longley-Rice模型、Durkin模型、Okumura模型、Hata模型、Walfish模型和Bertoni模型等.各個(gè)模型考慮的側(cè)重點(diǎn)和針對(duì)的環(huán)境各有不同,在此不作具體分析.1.2系統(tǒng)的多徑特性以上描述了無線遠(yuǎn)距離移動(dòng)信道的路徑損耗特性.從中可以看出,路徑損耗主要影響到接收信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間的整體功率,從而決定了系統(tǒng)的覆蓋范圍和對(duì)發(fā)射功率的要求,屬于大尺度衰落.而由無線遠(yuǎn)距離移動(dòng)信道的多徑性引起的短時(shí)間內(nèi)的衰落稱為小尺度衰落.下面針對(duì)多徑效應(yīng)展開分析.1.2.1信號(hào)中的多徑時(shí)延和選擇性衰落在典型的無線信道中,發(fā)送信號(hào)的多次反射導(dǎo)致了多徑傳播.不同的傳播路徑具有不同的延遲特征,從而使得信道表現(xiàn)出時(shí)間色散特性,進(jìn)一步導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生頻率選擇性衰落或者平坦衰落.如果移動(dòng)無線信道的帶寬Bc大于發(fā)送信號(hào)的帶寬Bs,且在帶寬范圍內(nèi)有恒定增益及線性相位,則接收信號(hào)就會(huì)經(jīng)歷平坦衰落過程,此時(shí)信道的多徑結(jié)構(gòu)使發(fā)送信號(hào)的頻譜特性在接收機(jī)內(nèi)仍保持不變.然而,由于多徑信道增益的起伏,使接收信號(hào)的強(qiáng)度隨時(shí)間而變換.平坦衰落信道增益最常見的幅度分布為瑞利分布(Rayleigh).瑞利平坦衰落信道模型假設(shè)信道幅度依據(jù)瑞利分布.經(jīng)歷平坦衰落的條件如下:Bs<<Bc,Τs>>σr其中Ts為信號(hào)周期,σr為延時(shí)擴(kuò)展.Bc為信道相干帶寬,Bs為系統(tǒng)傳輸帶寬.如果信道具有恒定增益或線性相位的帶寬范圍小于發(fā)送信號(hào)帶寬,則該信道特性就會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)產(chǎn)生選擇性衰落.在這種情況下,信道沖激響應(yīng)具有多徑時(shí)延擴(kuò)展,其值大于發(fā)送信號(hào)波形帶寬的倒數(shù).此時(shí),接收信號(hào)中包含了經(jīng)歷了衰減和時(shí)延的發(fā)送信號(hào)波形的多徑波,因而產(chǎn)生了接收信號(hào)失真.這樣信道就引起了符號(hào)間干擾(ISI).對(duì)頻率選擇性衰落失真而言,發(fā)送信號(hào)的帶寬Bs大于信道的相干帶寬Bc.因此,也稱頻率選擇性信道為寬帶信道.信號(hào)產(chǎn)生頻率選擇性衰落的條件是:Bs>Bc,Τs<σr具體的條件范圍還依賴于所用的調(diào)制方式.由多徑引起的符號(hào)間干擾(ISI)是無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的因素.當(dāng)數(shù)據(jù)速率較低,而且與信道的最大延遲相比符號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),那么就有可能無需任何均衡技術(shù)來處理ISI.但隨著系統(tǒng)的通信距離或者數(shù)據(jù)速率的增加,ISI變得越來越嚴(yán)重(如數(shù)據(jù)以10Mb/s的速率在最大延遲為10μs的信道上傳播,ISI將擴(kuò)展到10×10=100個(gè)符號(hào)),這時(shí)就必須借助于信道的均衡技術(shù).而且ISI越大,均衡器濾波系數(shù)的計(jì)算就會(huì)越復(fù)雜.對(duì)于100個(gè)符號(hào)的ISI來說,這個(gè)計(jì)算的復(fù)雜程度是可想而知的.1.2.2信號(hào)時(shí)變特性的描述由于傳輸過程中,移動(dòng)臺(tái)和發(fā)射臺(tái)(基站)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),每一個(gè)多徑波都經(jīng)歷了明顯的頻移過程,移動(dòng)引起的接收機(jī)信號(hào)頻移稱為多普勒頻移.它和移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度v、運(yùn)動(dòng)方向,以及接收機(jī)多徑波的入射角θ有關(guān).fd=vλ?cosθ?λ=cf(13)其中,c為光速,f為發(fā)送信號(hào)頻率.除了移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)外,在信道傳播路徑中的環(huán)境物體的運(yùn)動(dòng)也會(huì)引起多普勒效應(yīng).這些多普勒效應(yīng)使得信道在頻率上是色散的,即信道具有時(shí)變特性.描述信道的時(shí)變特性的參數(shù)主要有兩個(gè):多普勒擴(kuò)展和相干時(shí)間.多普勒擴(kuò)展Bd是譜展寬的測(cè)量值,它是移動(dòng)無線信道的時(shí)間變化率的一種量度.多普勒擴(kuò)展被定義為一個(gè)頻率范圍,在此范圍內(nèi)接收的多普勒譜有非0值.當(dāng)發(fā)送頻率為fc的純正弦信號(hào)時(shí),接收信號(hào)譜即多普勒譜在fc-fd至fc+fd范圍內(nèi)存在分量,其中fd是多普勒頻移.譜展寬依賴于fd.如果基帶信號(hào)帶寬大于Bd,則在接收機(jī)端可忽略多普勒擴(kuò)展的影響.即將信道看成一個(gè)慢衰落信道.相干時(shí)間是多普勒擴(kuò)展在時(shí)域的表示,用于在時(shí)域描述信道頻率色散的時(shí)變特性,與多普勒頻移成反比.實(shí)際上,相干時(shí)間就是信道沖激響應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值,換句話說,相干時(shí)間就是指一段時(shí)間間隔,在此間隔內(nèi),兩個(gè)到達(dá)信號(hào)有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性,如果基帶信號(hào)帶寬的倒數(shù)大于信道相干時(shí)間,則傳輸中基帶信號(hào)就有可能因?yàn)槎嗥绽招?yīng)而發(fā)生改變,導(dǎo)致接收機(jī)信號(hào)失真.一般將相干時(shí)間近似定義為:Τc≈√916πf2m=0.423fm(14)其中fm=vλ.在數(shù)字發(fā)送系統(tǒng)中,只要符號(hào)速率大于1/Tc,就不會(huì)有由于運(yùn)動(dòng)原因而產(chǎn)生的信道失真現(xiàn)象.對(duì)于由多徑傳播和多普勒擴(kuò)展引起的頻率選擇性衰落(也稱為頻率色散)以及時(shí)間選擇性衰落(也稱為時(shí)間色散),可以通過系統(tǒng)傳輸參數(shù)和信道的具體參數(shù)作相應(yīng)分類,其具體方法見圖3.2wssus信道模型對(duì)于時(shí)間色散信道,在過去的40年里,人們建立了大量的信道模型,如抽頭延時(shí)線性模型、COST207模型、Hashemi-Suzuki-Turin模型等.本文為了簡(jiǎn)化分析采用了抽頭延時(shí)線性模型來對(duì)信道進(jìn)行研究.現(xiàn)實(shí)的無線信道雖然不是廣義平穩(wěn)不相干散射信道WSSUS,但相關(guān)函數(shù)隨f和t的變化而變化緩慢,所以常用一種稱之為“準(zhǔn)廣義平穩(wěn)不相干散射信道”的模型來近似,因?yàn)橐粋€(gè)非WSSUS的模型實(shí)在是太復(fù)雜了,在這里也采取WSSUS的假設(shè)對(duì)信道進(jìn)行分析.WSSUS信道可以用抽頭延時(shí)線性模型(圖4)來實(shí)現(xiàn).圖中每一個(gè)抽頭的系數(shù)都是時(shí)變的.則信道的沖激響應(yīng)可以由下式描述:h(t,τ)=Ν∑i=1aiexp(jφi(t))δ(τ-τi)其中,N是抽頭的個(gè)數(shù),ai(t)是與時(shí)間有關(guān)的抽頭系數(shù)(通