無(wú)線信道系統(tǒng)的仿真與分析

無(wú)線信道系統(tǒng)的仿真與分析

1無(wú)線信道傳播模型及其關(guān)鍵技術(shù)無(wú)線通信是自然界最糟糕的通信手段。由于障礙物的阻擋,電波通常不能從發(fā)射端直接到達(dá)接收天線。由于電波的反射、繞射及散射現(xiàn)象,接收端所接收到的信號(hào)是各個(gè)方向到達(dá)的電磁波的疊加。同時(shí),用戶(hù)在空間的運(yùn)動(dòng)將使接收信號(hào)產(chǎn)生多普勒擴(kuò)展。衰落直接體現(xiàn)了無(wú)線信道的復(fù)雜性和隨機(jī)性,是決定移動(dòng)通信系統(tǒng)性能的基本問(wèn)題。因此深入研究信道衰落機(jī)制,建立無(wú)線信道傳播模型是研究與開(kāi)發(fā)高質(zhì)量移動(dòng)通信系統(tǒng)的首要任務(wù)。在無(wú)線電波傳播過(guò)程中,信道會(huì)不可避免地受到各種“噪聲”的干擾,比如:加性高斯白噪聲(AWGN)、瑞利衰落(RayleighFading)、萊斯衰落(RicianFading)等,這種影響表現(xiàn)為一種快速衰落過(guò)程,它對(duì)無(wú)線信號(hào)的傳輸質(zhì)量起著決定性的作用,因此無(wú)線通信系統(tǒng)的很多研究工作都是圍繞著如何降低這種干擾進(jìn)行的。本文根據(jù)移動(dòng)通信衰落信道的工作機(jī)理,建立了基于加性高斯白噪聲信道(AWGNChannel)、瑞利衰落信道(RayleighFadingChannel)、萊斯衰落信道(RicianFadingChannel)的仿真模型,并利用Matlab進(jìn)行了衰落信道的誤比特率性能的仿真分析。2基于規(guī)則的主導(dǎo)下的rician衰落移動(dòng)信號(hào)在空間傳播中所經(jīng)歷的衰落大體可以看成兩類(lèi)衰落的疊加,大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落是因?yàn)榘l(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離和兩者之間障礙物(如山丘、森林、建筑物等)的遮蔽影響而造成的信號(hào)強(qiáng)度衰減,它反映了移動(dòng)信號(hào)在較大區(qū)域中的平均能量的減少或稱(chēng)為路徑損失。相比較而言,這種衰落的變化是緩慢的,因此大尺度衰落也被稱(chēng)作慢衰落。引起小尺度衰落的原因是移動(dòng)信號(hào)的多徑傳播。電波在移動(dòng)環(huán)境中傳播時(shí),會(huì)遇到各種物體,經(jīng)反射,散射、繞射、到達(dá)接收天線時(shí),已成為通過(guò)各個(gè)路徑到達(dá)的合成波,即多徑傳播模式。各傳播路徑分量的幅度和相位各不相同,其合成信號(hào)幅度表現(xiàn)為快速的起伏變化,變化率要比慢衰落高幾個(gè)數(shù)量級(jí),因此小尺度衰落也被稱(chēng)作快衰落。盡管多徑引起的衰落變化很快,但對(duì)于頻帶較窄(例如GSM系統(tǒng))的移動(dòng)信號(hào)來(lái)說(shuō),仍然可以認(rèn)為衰落在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)保持不變。在這種情況下,調(diào)制符號(hào)的周期比由多徑引起的時(shí)延擴(kuò)展要大,因此,在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)的所有頻率分量都會(huì)經(jīng)歷相同的衰減和相移,信道對(duì)于所有頻率分量來(lái)說(shuō)是平坦的。因而被定義為平坦衰落信道。研究表明,平坦衰落的幅度符合Rayleigh分布或者Rician分布。1)當(dāng)發(fā)送天線和接收天線間存在有視在路徑時(shí),衰落幅度符合Rician分布:ri=(xi+β)2+y2i???????????√(1)ri=(xi+β)2+yi2(1)其中,下標(biāo)i表示Ti時(shí)刻;β表示視在路徑下的幅度分量;xi和yi都是均值為0,方差為σ2的高斯隨機(jī)變量,表示經(jīng)反射、散射、繞射等路徑到達(dá)的幅度分量。Rician衰落幅度的概率密度函數(shù)為:fRician(γ)=γσ2exp[?(γ2+β2)/2σ2]I(2)fRician(γ)=γσ2exp[-(γ2+β2)/2σ2]Ι(2)其中,I0為零階Bessel函數(shù)。對(duì)Rician衰落經(jīng)常定義其在視在路徑下的幅度分量與其它路徑下的幅度分量總和的比值為K系數(shù);K=β2/2σ2,它表示了反射信號(hào)功率與散射信號(hào)功率的比值。另外,萊斯分布的累積分布函數(shù)(CDF)為:CRician(γ)=1-exp(-γ)∑0∞∑0∞[βγ]mIm[γβσ2](3)[βγ]mΙm[γβσ2](3)在本文中,我們是通過(guò)迭代法得到萊斯分布的累積分布函數(shù)(CDF)。在每一步迭代中,我們用MATLAB中的函數(shù)find和length來(lái)求得符合要求的衰落序列的數(shù)量,這些衰落序列的衰落值要低于特定的門(mén)限值。得到K=7時(shí)萊斯分布累積分布函數(shù)(CDF)的近似估計(jì),如圖1所示。2)當(dāng)發(fā)送天線和接收天線間不存在有視在路徑時(shí),衰落幅度符合Rayleigh分布:γi=x2i+y2i??????√(4)γi=xi2+yi2(4)其中:xi和yi都是均值為0,方差為σ2的高斯隨機(jī)變量。Rayleigh衰落幅度的概率密度函數(shù)為:fRayleigh(γ)=γσ2exp[?γ2/2σ2]γ≥0(5)fRayleigh(γ)=γσ2exp[-γ2/2σ2]γ≥0(5)對(duì)于Rician和Rayleigh的衰落來(lái)說(shuō),它們相位都符合[-π,π]的均勻分布。另外,Rayleigh衰落也可以看成是Rician衰落在K=0時(shí)的特例。本文采用Matlab中的hist函數(shù)得到Rayleigh的概率密度值,圖2所示是σ2分別等于0.5、1、2時(shí)瑞利隨機(jī)變量的概率分布曲線。3)描述衰落的另一個(gè)重要參數(shù)是多普勒頻移,當(dāng)接收機(jī)以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí),它所接收到信號(hào)的頻率不再和發(fā)送信號(hào)相一致,而存在一個(gè)隨機(jī)的頻率偏移:Δf=fd×cosθi,fd=v×fcc(6)Δf=fd×cosθi,fd=v×fcc(6)其中:θi表示從第i條路徑到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)與速度方向的夾角,c為光速,fc為載波頻率,fd被定義為多普勒頻移,它反映了衰落變化的快慢。在時(shí)域上,多普勒頻域造成了相隔Td=0.5/fd時(shí)間之內(nèi)的衰落相關(guān),Td稱(chēng)為相干時(shí)間;在頻域上,接收信號(hào)的頻率f擴(kuò)展為以載波頻率fc為中心,范圍為±fd的頻譜。3扁平下降的matlab模擬3.1bfsk調(diào)制信號(hào)利用Matlab中的simulink軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,模型如圖3所示?！ば旁?由伯努利二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器和MFSK調(diào)制器組成,對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行BFSK調(diào)制,產(chǎn)生輸出信號(hào)?！ば诺?對(duì)于不同的移動(dòng)環(huán)境,分別選用不同的信道模塊,如:加性高斯白噪聲模塊(AWGNchannel)、多徑瑞利衰落信道模塊(MultipathRayleighfading)、萊斯衰落信道模塊(RicianFading)。信道模塊在BFSK調(diào)制信號(hào)中加入衰落,然后在衰落信號(hào)中再疊加高斯白噪聲。·信宿:BFSK基帶解調(diào)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào),然后通過(guò)誤碼率計(jì)算器計(jì)算誤比特率。3.2信號(hào)的snr仿真圖4為BFSK信號(hào)分別在高斯白噪聲信道、瑞利衰落信道和萊斯衰落信道的仿真圖,其中,fd=20Hz,Rician的K因子為5。圖中,橫軸表示信道的信噪比,縱軸表示BFSK信號(hào)的誤比特率。從圖中可以看出:1)對(duì)于相同的信噪比,信號(hào)在高斯白噪聲信道中的誤比特率特性?xún)?yōu)于萊斯衰落信道,在萊斯信道中的誤比特率特性?xún)?yōu)于瑞利衰落信道。2)從圖中可以看出,當(dāng)SNR=10dB時(shí),加性高斯白噪聲信道的誤比特率低于0.05,而多徑瑞利衰落信道和萊斯衰落信道的誤比特率高于0.1。這樣要在瑞利衰落信道和萊斯衰落信道中獲得與高斯白噪聲信道相同的傳輸效果,就要增加信號(hào)的SNR。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,瑞利衰落是不可避免的,因此,需要采用其他的措施來(lái)提高通信系統(tǒng)的性能。3)采用本文的仿真方法的SNR與誤碼率的關(guān)系曲線與理論計(jì)算值(表1)?；旧鲜窍鄬?duì)吻合的,因而仿真方法可以作為比較準(zhǔn)確的多徑衰落信道的分析方法,同時(shí)有利于在其他的多徑衰落信道應(yīng)用和推廣。4通信系統(tǒng)性能的提升本文詳細(xì)地分析了瑞利衰落信道和萊斯衰落信道的誤碼率性能,并與加性高斯信道進(jìn)行比較。仿真結(jié)果表明瑞利衰落信道對(duì)系統(tǒng)的誤碼率性能的影響最大,這將會(huì)嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)的性能。但是信道衰落又是不可避免的,因此,需要采取各種措施來(lái)