基于Matlab的无线信道仿真.doc

基于Matlab无线信道仿真
近几年，伴随无线通信业务和新兴宽带移动互联网接入业务快速增加，对无线通信系统优化显得尤为主要。与有线信道静态和可预测经典特点相反，在实际中，因为无线信道动态改变且不可预测，无线通信系统性能在很大程度上取决于无线信道环境，所以对无线信道准确了解和仿真对设计一个高性能和高频谱效率无线传输技术显得尤其主要。
无线信道一个经典特征是“衰落”，衰落现象大致可分为两种类型：大尺度衰落和小尺度衰落。其中，大尺度衰落主要在移动设备经过一段较长距离时表现，它是由信号损耗（长距离传输）和大障碍物（如建筑物、中间地形和植物）形成阴影所引发，通常分为路径损耗和阴影衰落，另首先，小尺度衰落是指当移动台在较短距离内移动时，由多条路径相消或相长干涉所引发信号电平快速波动，主要表现为多径衰落。它们之间关系如图1所表示。汇报中分别对这几个衰落常见模型进行了总结和仿真。

图1 各种衰落之间关系
一、大尺度衰落
大尺度衰落是在一个较大范围上考查功率渐变过程，功率局部中值随距离改变迟缓。大尺度信道模型主要研究电波传输在时间、空间、频率范围内平均特征。
1.1 路径损耗
路径损耗由发射功率辐射扩散及信道传输特征造成，反应在宏观长距离上。理论上认为，对于相同收发距离，路径损耗相同。其定义为有效发射功率和平均接收功率之间比值。几个惯用描述大尺度衰落模型有自由空间模型、对数距离路径损耗模型、Hata-Okumura模型。
1.1.1自由空间模型
所谓自由空间是指天线周围为无限大真空时电波传输，它是理想传输条件。电波在自由空间传输时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射，传输路径上没有障碍物阻挡，抵达接收天线地面反射信号场强也能够忽略不计。
自由空间模型中路径损耗计算公式：

其中，为发射功率，为接收功率，为发射端与接收端距离，为载波频率，为光速取，为发射端天线增益，为接收端天线增益。转换成份贝表示：

发射端与接收端均是全向天线，，得图2：

图2 路径损耗随距离、频率改变曲线
1.1.2 对数距离路径损耗模型
与前面提到自由空间路径损耗一样，在其余全部实际环境中，平均接收信号功率随距呈对数方式减小。经过引入伴随环境而改变路径损耗指数能够修正自由空间模型，从而结构出一个更为普遍路径损耗衰落模型。

其中，是一个参考距离，在参考距离或者靠近参考距离位置，路径损耗具备自由空间路径损耗特点。如表1所表示，路径函数主要由传输环境决定，对于不一样传输系统必须确定适宜参考距离，比如，在大覆盖范围蜂窝系统（半径大于10km蜂窝系统）中，通常会设置为1km，对于小区半径为1km宏蜂窝系统或者具备极小半径微蜂窝系统，能够分别设置参考距离为100m或1m。
环境
路径损耗（）
环境
路径损耗（）
自由空间
2
建筑物内视距传输
1.6~1.8
市区蜂窝
2.7~3.5
建筑物内障碍物阻挡
4~6
市区蜂窝阴影
3~5
工厂内障碍物阻挡
2~3
表1 路径损耗指数
对数路径损耗随距离、路径损耗指数改变曲线：

图3 路径损耗随距离、路径损耗指数改变曲线
1.1.3 Hata-Okumura模型
(1) Okumura模型
Okumura模型特点是：以大城市地域准平坦地形场强中值路径损耗作为基准，对于不一样传输环境和地形条件等原因用校正因子加以修正。Okumura模型中大城市地域准平坦地形中值路径损耗（dB）由下式给出

其中，为发射端与接收端距离，为载波频率，为基站天线高度增益，为移动台天线高度增益。它们与路径损耗关系以下：

图4 路径损耗与基站天线高度增益关系

图5 路径损耗与移动台天线高度增益关系
（2）Hata模型
Hata模型依然保留了Okumura模型格调，以市区传输损耗为标准，其余地域在此基础上进行修正。中值路径损耗经验公式为：

其中，为修正因子，由所在环境决定。Hata模型适用条件：载波频率(MHz)f=150-1000MHz；基站高度(m)Hb=30-100m；移动台高度(m)Hm=1-10m；收发天线距离(小区半径)(km)d=1-20km。
中小城市修正因子：

大城市且载波频率时，修正因子：

大城市且载波频率时，修正因子：

郊区修正因子：

农村修正因子：

仿真结果以下：

图6 Hata模型中路径损耗随距离改变曲线（Hb=60，Hm=1，f=200MHz）

图7 Hata模型中路径损耗随距离改变曲线（Hb=60，Hm=1，d=2Km）
1.1.4布灵顿模型
描述大尺度衰落一个模型。假设发射天线和移动台之间地面是理想平面大地，而且二者之间距离远大于发射天线高度或移动台高度，此时路径损耗公式为：

系统设计时通常把接收机高度按经典值处理，此时路径损耗公式为：

1.1.5 EgLi模型
Egli认为不平坦地域场强等于平面大地反射公式算出场强加上一个修正值，该修正值为：

式中为工作频率，单位为MHz。Egli模型是从大量实测结果中归纳出来中值预测公式，属于经验模型。

Egli公式可用于计算不平坦地域传输损耗，计算公式以下：

为传输损耗，单位dB；为距离，单位km；为发射天线高度，单位m
为接收天线高度，单位m；为工作频率，单位MHz；为地形修正因子，单位dB。
1.2 阴影衰落
阴影衰落是指移动台在运动中经过不一样障碍物阴影时，组成接收天线处场强中值改变，从而引发衰落。实测数据表明阴影衰落服从对数正态分布。对数正态阴影模型是最惯用统计仿真模型，发射和接收功率比值，服从对数正态分布：

其均值取决于路径损耗和所在区域内建筑物属性，随距离增加，障碍物数量会增加，衰减增加，这里近似为路径损耗。标准差范围在4dB-13dB之间，代表不一样环境，密集城区、城区、郊区等取8dB，农村取7dB，扇区和高速取4dB。仿真结果以下：

图8 不一样环境下阴影衰落波形

二、小尺度衰落
小尺度衰落是指短期内衰落，详细指当移动台移动一个较小距离时，接收信号在短期内快速波动。当多径信号以可变相位抵达接收天线时会引发干涉（即相位相同相长干涉，相位不一样相消干涉）。换句话说，来自当地散射体大量信号相对相位关系决定了接收信号电平波动。而且，每一个多径信号都可能发生改变，而这种改变依赖于移动台和周围物体速度。总之，小尺度衰落由以下原因决定：多径传输、移动台速度、周围物体速度和信号传输带宽。
依照不一样无线环境，接收信号包络通常服从几个经典分布，如瑞利分布、莱斯分布和Nakagami-m分布。这里主要针对服从瑞利分布多径信道进行模拟仿真。
2.1 瑞利信道
Jakes模型经过对复正弦波合成，产生服从给定多普勒谱瑞利衰落信道。为了使产生信号幅度近似服从瑞利分布，正弦波数量必须足够大。另外，必须对每个正弦波发生器进行加权，方便产生想要多普勒谱。这就是Jakes模型主要思想。
图9 Jakes模型实现
图9介绍了怎样实现Jakes模型。假设以均匀方向抵达全部散射分量射线被近似为个平面波。定义，其中限定为一个奇数。令表示第个平面波抵达角度，取值为。如图9所表示，将个频率为复振荡器输出求和（，每个振荡器输出对应不一样多普勒频移），然后与频率为复振荡器输出相加。在复振荡器总和中，实部和虚部能够分别表示为：

和
其中，为经过多普勒频移第个正弦信号初始相位，为经过最大多普勒频移正弦信号初始相位。初始相位设置必须使衰落信道相位服从均匀分布。比如能够设置初始相位为：

Jakes模型复输出能够表示为：
其中，为衰落信道平均幅度。经过多普勒频移正弦信号频率为：

经过多普勒频移正弦数必须足够大，方便衰落信道振幅能够近似服从瑞利分布。就足够大了。能够证实和满足下面性质：

前两式说明Jakes模型生成衰落信号平均幅度为，平均能量为。另外，后两式说明信道实部和虚部都是统计独立，且平均功率都为仿真结果以下：

图10 时域信道特点

图11 幅度分布

图12 相位分布

图13 自相关函数

图14 多普勒谱