移动通信信道环境知识

学习报告内容：学习移动通信的信道环境姓名：徐忠富

日期：2013年09月18日

学习报告内容 (1)

一了解无线信道 (2)

1.1无线信道的基本概念 (2)

1.2电磁波在无线信道中的传播 (2)

1.2.1基本传播机制 (2)

1.2.2无线信道的指标 (2)

1.3无线信道的特点 (2)

1.4 无线信道的主要性能指标 (3)

二信道模型的种类 (3)

2.1为什么构建无线信道模型 (3)

2.2无线信道模型的分类 (3)

2.2.1室内传播模型和室外传播模型 (3)

2.2.2大尺度传播模型和小尺度衰落 (3)

三信道对移动通信的影响 (4)

3.1 恒参信道及其对信号的影响 (4)

3.2 随参信道及其对信号的影响 (4)

四怎么编写瑞利信道 (4)

4.1瑞利分布的定义 (4)

4.2瑞丽衰落模型的适用范围 (5)

4.3瑞利衰落分布 (5)

4.3.1幅度)(t

u的分布 (5)

的分布 (5)

4.3.2相位)(t

4.4瑞利信道的编写 (5)

五瑞利信道的仿真 (5)

5.1仿真原理 (5)

5.1.1瑞利分布分析 (5)

5.1.2多径衰落信道基本模型 (6)

5.1.3产生服从瑞利分布的路径衰落r(t) (7)

5.1.4仿真框架 (7)

5.2仿真实验结果 (8)

5.3附录： (8)

A 瑞利信道仿真 (9)

B 多普勒功率谱、信道仿真、瑞丽概率密度仿真 (10)

学习报告内容

报告内容：

学习移动通信的信道环境：了解无线信道，信道模型的种类，怎么编写瑞利信道，信道对移动通信的影响。

要求：

完成学习报告和瑞利信道的仿真（要求得到其概率密度曲线和多普勒功率谱）。

一了解无线信道

1.1无线信道的基本概念

无线信道是无线通信的传输媒质，它是基站天线与用户天线之间的传播路径。与其它通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种，其中复杂、恶劣的传播条件是无线信道的特征。

1.2电磁波在无线信道中的传播

对于不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不同的。

1.2.1基本传播机制

无线信号最基本的四种传播机制为直射、反射、绕射、散射。

<1>直射：即无线信号在自由空间中的传播；

<2>反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射，反射一般在地球表面、建筑物、墙壁表面；

<3>绕射：是指无线通信发射机发射的电磁波，照射到物体的不规则突出表面的边缘(如：房顶的边缘、窗户的四角等)，再传播到无线通信接收机的天线处。

<4>散射：当无线路径中存在小于波长的物体并且单位体积内这种障碍物体的数量较多的时候发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体上，一般树叶、灯柱等会引起散射。

1.2.2无线信道的指标

<1>传输损耗

①路径损耗；由于电波的弥散特性造成的，反应了在公里量级的空间距离内，接收信号电平的衰落，也称大尺度衰落；

②阴影衰落：即慢衰落，是接收信号的场强在长时间内的缓慢变化，一般由于电波在传播路径上遇到由于障碍物的电磁场阴影区所引起的；

③多径衰落：即快衰落，是接受信号场强在整个波长内迅速的随机变化，一般主要由于多径效应引起的。

<2>传输时延：包括传播时延的平均值、传播时延的最大值和传播时延的统计特性等；

<3>时延扩展：信号通过不同的路径沿不同的方向到达接收端会引起时延扩展，时延扩展是对信道色散效应的描述；

<4>多普勒扩展；是一种由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频移扩散，又称时间选择性衰落，是对信道时变效应的描述；

<5>干扰：包括干扰的性质以及干扰的强度。

1.3无线信道的特点

<1>频谱资源有限；

<2>传播环境复杂：电磁波在无线信道中传播存在多种机制，使得接收端的信号处于极不稳定的状态，接收信号的幅度、频率、相位等均处于不断变化之中；

<3>存在多种干扰：包括同频干扰，由于射频器的非线性还会引入互调干扰，同一通信系统内不同信道

间的隔离度不够还会引入邻道干扰；

1.4 无线信道的主要性能指标

无线信道的性能指标主要包括无线信道的容量、时间相关性、空间相关性、相关时间、相关带宽、信道衰落深度和衰落速率。其中无线信道的容量描述的是在给定的信噪比和带宽条件下，某一信道能可靠传输的传输速率极限。而时间相关性、信道衰落深度和衰落速率描述了信道容量随时间的变化关系，空间相关性描述了信道容量随空间的变化关系。

二信道模型的种类

2.1为什么构建无线信道模型

无线信道是移动通信的传输媒体，所有的信息都在这个信道中传输。信道性能的好坏直接决定着人们通信的质量，因此要想在比较有限的频谱资源上尽可能地高质量、大容量传输有用的信息就要求我们必须十分清楚地了解信道的特性。然后根据信道的特性采取一系列的抗干扰和抗衰落措施，来保证传输质量和传输的容量方面的要求。

2.2无线信道模型的分类

2.2.1室内传播模型和室外传播模型

无线信道模型一般可分为室内传播模型和室外传播模型，后者又可以分为宏蜂窝模型和微蜂窝模型。

①室内传播模型：室内传播模型的主要特点是覆盖范围小、环境变动较大、不受气候影响，但受建筑材料影响大。

②室外宏蜂窝模型：当基站天线架设较高、覆盖范围较大时所使用的一类模型。实际使用中一般是几种宏蜂窝模型结合使用来完成网络规划；

③室外微蜂窝模型：当基站天线架高度在3～6m时，多使用室外微蜂窝模型，其描述的损耗可分为视距损耗与非视距损耗。

2.2.2大尺度传播模型和小尺度衰落

无线信道的传播模型可分为大尺度传播模型和小尺度衰落两种。

(1)小尺度衰落信道的分类。

①根据信道的频率选择性，可以把信道分为平坦衰落信道和频率选择性衰落信道；多路信号到达接收机的时间有先有后，即存在相对时间延迟。如果这些相对时延远小于一个符号的时间，则可以认为多路信号几乎是同时到达接收机的。这种情况下多径不会造成符号间的干扰，这种衰落称为平坦衰落。

相反地，如果多路信号的相对时延与一个符号的时间相比不可忽略，那么当多路信号迭加时，不同时间的符号就会重叠在一起，造成符号间的干扰。这种衰落称为频率选择性衰落。

②根据信道的时间选择性，可以把信道分为快衰信道和慢衰信道；指的是信号相对于一个符号时间而言的变化的快慢。如果在一个符号的时间里，变化不大，则认为是慢衰落。反之，如果在一个符号的时间里，有明显变化，则认为是快衰落。

(2)大尺度衰落

大尺度衰落描述了长距离（几百米甚至更长）内接收信号的强度的缓慢变化，这些变化是由发射天线和接收天线之间的传播路径上的山坡或湖泊以及建筑物等造成的。其传播模型可分为：

①自由空间传播模型：自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径时接受信号的场强。卫星通信系统与微波视距无线链路是典型的自由空间传播。

②地面反射（双径）模型：双径传播模型不仅考虑了空中的直射传播路径，还考虑了地面的反射路径。

③室外宏蜂窝传播模型：

④室外微蜂窝传播模型

三信道对移动通信的影响

考虑信道特性对信号传输的影响，信道可分为恒参信道与随参信道。

3.1 恒参信道及其对信号的影响

恒参信道是指能使信号无失真传输的信道，即系统输出信号与输入信号相比，只有信号幅度大小和出现时间先后的不同，而波形上没有变化。

恒参信道通常用它的幅度—频率特性及相位—频率特性来表述。这两个特性的不理想，将会损害传输信号。此外，恒参信道中的其他一些因素也会使信道的输出信号产生畸变，如非线性畸变、频率偏移及相位抖动等。其中，非线性畸变主要由信道中元器件振幅特性的非线性引起的，它造成谐波失真及若干寄生频率等；频率偏移通常是由于载波电话（单边带）信道中接收端解调载频与发送端调制载频之间有偏差造成的；相位抖动也是由于调制和解调载频的不稳定性造成的。

3.2 随参信道及其对信号的影响

随参信道是指信道传输特性随时间快速变化的信道。随参信道的特点：

①信号的衰耗随时间变化；

②信号传输的时延随时间变化；

③多径传播。

随参信道对信号影响

(1)多径效应导致信号瑞利衰落（频率扩散）

在存在多径传播的随参信道中，就每条路径的信号而言，它的衰耗和时延都是随时间变化的。因此，多径传播后的接收信号将是衰减和时延都随时间变化的各条路径的信号的合成。

(2)多径效应引起波形展宽（时间扩散）

当发送信号具有一定频带宽度时，多径传播还会使信号产生频率选择性衰落。频率选择性衰落是信号频谱中某些分量的一种衰落现象。

四怎么编写瑞利信道

4.1瑞利分布的定义

瑞利衰落能有效描述存在能够大量散射无线电信号的障碍物的无线传播环境。瑞利分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接受包络统计时变特性的一种分布类型。两个正交高斯噪声

信号之和的包络服从瑞利分布。

4.2瑞丽衰落模型的适用范围

瑞利衰落模型适用于描述建筑物密集的城镇中心地带的无线信道。密集的建筑和其他物体使得无线设备的发射机和接收机之间没有直射路径，而且使得无线信号被衰减、反射、折射、衍射。

瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。

4.3瑞利衰落分布

当信道中不存在一个较强的直达径时，其信号包络服从瑞利分布。 4.3.1幅度)(t u 的分布

幅度)(t u 服从瑞利分布：

2

22

)(σσu e u

u p -=

∞<≤u 0

4.3.2相位)(t ?的分布

相位)(t ?服从均匀分布的，即：

π20,π

21

)(≤≤=

??p 4.4瑞利信道的编写

对瑞利信道的编写：成形滤波器法。

其仿真程序见附录A

五 瑞利信道的仿真

5.1仿真原理

5.1.1瑞利分布分析

环境条件：通常在离基站较远、反射物较多的地区，发射机和接收机之间没有直射波路径（如视距传播路径），且存在大量反射波，到达接收天线的方向角随机的（（0～2π）均匀分布），各反射波的幅度和

相位都统计独立。

假设基站发射的信号为：

)](exp[)(0

000

?ωα+=t j t S

式中，

ω

为载波角频率，

?

为载波初相。经反射（或散射）到达接收天线的第i 个信

号为

)(t S i

，其振幅为α

i

，相移为

?

i

。假设

)(t S i

与移动台运动方向之间的夹角为θ

i

，

其多普勒频移值为：

θ

θ

λ

i

m

i

i

f

f

v

cos

cos

=

=

式中，v 为车速，λ为波长，

f

m

为

00

=θi 时的最大多普勒频移，因此)(t S i 可写为：

)](ex p[)]cos 2(ex p[)(0

0?ωθ?αλ

π

++

=j vt j t i i

i i S

假设N 个信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收信号为：

)()(1t t S N

i i S ∑==

令：

θ?ψ

λ

π

i i i

vt cos 2+

=

∑∑====N

i i i

N

i i x x 1

1

cos ψα

∑∑====N

i i

i

N i i y

y 1

1

sin ψα

则)(t S 可写成

)](exp[)()(0

0?ω++=t j iy x t S

5.1.2多径衰落信道基本模型

离散多径衰落信道模型为：

)()()()

(1

τk t N k k t x t t y r -=∑=

其中,

)(t r

k

复路径衰落，服从瑞利分布;τk

是多径时延。多径衰落信道模型框图如图2所示：

图2 多径衰落信道模型框图

5.1.3产生服从瑞利分布的路径衰落r(t)

利用窄带高斯过程的特性，其振幅服从瑞利分布，即

)

()(2

2)(t n t n s c t r +=

上式中

)(t n c 、)(t n s ，分别为窄带高斯过程的同相和正交支路的基带信号。

5.1.4仿真框架

根据多径衰落信道模型（见图2），利用瑞利分布的路径衰落r(t)和多径延时参数τ

k

，

我们可以得到多径信道的仿真框图，如图3所示；

图3 多径信道的仿真框图

5.2仿真实验结果

其多普勒功率谱、信道仿真、瑞丽概率密度仿真见图四，图五与图六。其相关程序见附录B

图四 多普勒功率谱

图五 瑞丽衰落信道

图六 瑞丽概率密度(因标准化时令

)2(/,

sqrt r r )，故上图小标正确

5.3附录：

A瑞利信道仿真

function rayleigh_t= Rayleigh_filtered( fmax, fs, Ns )

fmax=111; %为最大多普勒频移

fs=1000; %表示抽样频率

Ns=1024; %表示抽样得到的瑞丽衰落信道的点数

N = 8; % N为仿真中瑞利衰落信道的实际点数，它的确定需要考虑数字信号处理的内容

while(N)

if (N < 2*fmax*Ns/fs)

N = 2*N;

else

break;

end

end

N_inv = ceil(N*fs/(2*fmax)); % N_inv 为 ifft的实际点数（考虑平滑作用）

f_interval = 2*fmax/N; % f_interval 为信号FFT之后的频率间隔

T_inv = 1/fs; % T_inv 为抽样点之间的时间间隔

%产生具有N点的高斯随机变量

I_input_time = randn(1,N);

Q_input_time = randn(1,N);

% 做FFT变换

I_input_freq = fft(I_input_time);

Q_input_freq = fft(Q_input_time);

%产生具有经典功率谱的成形滤波器

SEZ(1) = 1.5/(pi*fmax);

% 0 < f < fmax

for j=2:N/2

f(j) = (j-1)*f_interval;

SEZ(j) = 1.5/(pi*fmax*sqrt(1-(f(j)/fmax)^2));

SEZ(N-j+2) = SEZ(j);

end

% f = fmax点的值采用多项式拟合的方法求得

k = 3;

p = polyfit( f(N/2-k:N/2), SEZ(N/2-k:N/2), k );

SEZ(N/2+1) = polyval( p, f(N/2)+f_interval );

%高斯随机变量通过成形滤波器

I_output_freq = I_input_freq.* sqrt(SEZ);

Q_output_freq =Q_input_freq.* sqrt(SEZ);

% 做IFFT变换

I_temp=[I_output_freq(1:N/2) zeros(1,N_inv-N) I_output_freq(N/2+1:N)]; I_output_time = ifft(I_temp);

Q_temp=[Q_output_freq(1:N/2) zeros(1,N_inv-N) Q_output_freq(N/2+1:N)]; Q_output_time = ifft(Q_temp);

%得到衰落信道的冲激相应channel

channel=I_output_time+i*Q_output_time;

channel=channel(1:Ns);

% 用均方根（RMS）进行归一化

rms = sqrt(norm(channel,'fro'));

channel_unit = channel/rms ;

rayleigh_t=diag(channel_unit'* channel_unit)';

B 多普勒功率谱、信道仿真、瑞丽概率密度仿真

clear;

fc=900*10.^6; %carrief frequency

wc=2*pi*fc;

v1=30*1000/3600; % receiver speed[km/h]

c=3*10^8; %light speed

wm=wc*(v1/c); %Maximum shift

fm=wm/(2*pi); %Doppler shift

N=128*100;

% generate doppler power spectrum

deltaf=2*fm/(N-1);

T=1/deltaf;

sf0=1.5/(pi*fm);

for n=1:(N-2)/2

sf(n)=1.5/(pi*fm*sqrt(1-(n*deltaf/fm)^2));

end

classicf=[fliplr(sf),sf0,sf]; % fliplr为左右翻转矩阵

figure(1);

plot(classicf);

title('多普勒功率谱');

grid on;

%生成两个正态分布随机变量

gaussN_re1=randn(1,(N-2)/2);

gaussN_im1=randn(1,(N-2)/2);

gaussN_pos1=gaussN_re1+i*gaussN_im1;

gaussN_neg1=conj(gaussN_pos1); % conj 复共轭

gaussN1=[fliplr(gaussN_neg1),0,gaussN_pos1];

gaussN_re2=randn(1,(N-2)/2);

gaussN_im2=randn(1,(N-2)/2);

gaussN_pos2=gaussN_re2+i*gaussN_im2;

gaussN_neg2=conj(gaussN_pos2);

gaussN2=[fliplr(gaussN_neg2),0,gaussN_pos2];

% generate flat Rayleigh fading channel产生平坦瑞利衰落信道x=ifft(sqrt(classicf).*gaussN1);

y=ifft(sqrt(classicf).*gaussN2);

rayleigh_amp=sqrt(abs(x).^2+abs(y).^2);

rayleigh_db=20*log10(rayleigh_amp);

figure(2);

plot(rayleigh_db);

title('瑞利衰落信道');

grid on;

r=sqrt(0.5*(gaussN_re1.^2+gaussN_re2.^2));

step=0.1;

range=0:step:3;

h=hist(r,range);

fr_approx=h/(step*sum(h));

fr=(range/0.5).*exp(-range.^2);

figure(3);

plot(range,fr_approx,'ko',range,fr,'k');

title('瑞利概率密度');

grid on;