沈 淵，張劍鋒

(福建師范大學(xué) 閩南科技學(xué)院，福建 泉州 362332)

0 引言

無(wú)線通信的迅猛發(fā)展已經(jīng)使得無(wú)線電波傳輸信道預(yù)測(cè)成為通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而無(wú)線信道是一種惡劣的通信介質(zhì)，電磁波的反射、散射、繞射使得收發(fā)天線的接收波是多個(gè)信號(hào)的迭加，它們對(duì)收發(fā)天線上的來(lái)波的方向角度、時(shí)間延遲等量產(chǎn)生影響，引起了信號(hào)的快衰落。實(shí)際中，通常采用統(tǒng)計(jì)的方法描述信道，并建立信道的統(tǒng)計(jì)模型。本文在研究信道特性的基礎(chǔ)上針對(duì)快衰落的無(wú)線移動(dòng)信道進(jìn)行仿真，突出了多種調(diào)制方式下的多徑傳播，多譜勒頻移，AWGN信道等信道模型的仿真效果。

1 無(wú)線信道的參數(shù)傳輸特性

在存在多徑傳播的隨參信道中，就每條路徑的信號(hào)而言，它的衰耗和時(shí)延都是隨機(jī)變化的。因此多徑傳播后的接收信號(hào)將是衰減和時(shí)延都隨時(shí)間變化的各路徑的信號(hào)的合成。

1.1 多徑的衰落和頻率時(shí)變特性

1.2 多普勒頻移

多普勒頻移使信號(hào)呈現(xiàn)隨機(jī)的頻率調(diào)制特性，多普勒擴(kuò)展引起信道的時(shí)變特性，用相干時(shí)間［3］Tc(信道保持恒定的最大時(shí)間差)來(lái)描述。Tc＜Ts(信號(hào)符號(hào)時(shí)間)時(shí)發(fā)生快衰落，Tc＞Ts時(shí)經(jīng)歷慢衰落。當(dāng)通信雙方發(fā)生對(duì)位移動(dòng)時(shí)，多普勒頻移可表示為［5］:

其中，fd為頻率色散，θ1，θ2分別為兩個(gè)移動(dòng)物體之間移動(dòng)方向和兩物體連線的夾角，vo和vs分別為兩物體各種的移動(dòng)速度。以上數(shù)學(xué)模型作為下面移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)于時(shí)間選擇衰落的仿真模型基礎(chǔ)。

2 無(wú)線傳輸信道統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)仿真

根據(jù)對(duì)多徑信道特性的研究，可以得出接受端信號(hào)的概率分布，電波衰落特性的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這種仿真將為研究移動(dòng)信道抗衰落技術(shù)提供基本依據(jù)［4］。

2.1 調(diào)制信號(hào)通過(guò)AWGN和多徑信道的統(tǒng)計(jì)接收研究

圖1 AWGN信道接收星座圖

(1)在AWGN信道中仿真時(shí)規(guī)定的參數(shù)包括有調(diào)制方式、信道信噪比，發(fā)送碼元數(shù)等。下面給出用64QAM調(diào)制，在改變信噪比(從小到大)條件下的部分圖形(發(fā)送和接收星座圖對(duì)比等)，仿真時(shí)加入高斯加性噪聲。

當(dāng)加性高斯白噪聲信道的信噪比分別為10db、20db、25db，而發(fā)送碼元數(shù)為10000個(gè)時(shí)，信號(hào)調(diào)制后仿真通過(guò)AWGN信道接收信號(hào)星座圖分別如圖1所示。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)誤碼率分別為0.0022、0.0012、0.0003。當(dāng)信噪比達(dá)到25 db，誤碼率為0。本仿真可以提供對(duì)于AWGN信道不同調(diào)制信號(hào)和不同信道參數(shù)等情況的關(guān)于接收參數(shù)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)比。

(2)快衰落信道的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)仿真。在上面采用64QAM調(diào)制的基礎(chǔ)上，建立信道數(shù)學(xué)模型［6］為:

當(dāng)出現(xiàn)瑞利衰落時(shí)，數(shù)學(xué)模型改寫(xiě)為:

圖2 多徑數(shù)對(duì)瑞利衰落的變化規(guī)律

①當(dāng)沒(méi)有萊斯因子時(shí)，取不同多徑值從小到大，觀察其變化，尋找其規(guī)律，如取多徑數(shù)n=10，根據(jù)上面的數(shù)學(xué)信道模型，借用hist函數(shù)給出了接收信號(hào)的概率分布，得出它與標(biāo)準(zhǔn)瑞利分布的對(duì)比如圖2左邊;當(dāng)取多徑數(shù)為5000時(shí)，得出它與標(biāo)準(zhǔn)瑞利分布的對(duì)比如圖2右邊，可得出結(jié)論，在多徑數(shù)較多時(shí)(與實(shí)際無(wú)線通信中的大多數(shù)場(chǎng)合相符)，其接收信號(hào)的概率密度函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)分布越來(lái)越接近，并可從該仿真中得出其多徑數(shù)變化時(shí)的規(guī)律，它可以為實(shí)際系統(tǒng)的改進(jìn)提供理論依據(jù)和優(yōu)化方向。

②當(dāng)存在無(wú)線視距傳輸時(shí)，萊斯系數(shù)取不同取值如圖3左邊中取系數(shù)為100，多徑數(shù)為999，接收概率分布跟標(biāo)準(zhǔn)瑞利分布對(duì)比。為進(jìn)一步說(shuō)明問(wèn)題，假設(shè)在接收端信號(hào)的兩個(gè)分量已經(jīng)服從高斯分布，在接收端得出它的幅度分布和標(biāo)準(zhǔn)瑞利分布也是相近的。為了說(shuō)明問(wèn)題，我們直接不讓信號(hào)通過(guò)信道，而直接假設(shè)在接收端信號(hào)的兩個(gè)分量已經(jīng)服從高斯分布，在接收端我們得出它的幅度分布和標(biāo)準(zhǔn)瑞利分布的比較圖(圖3右)(實(shí)線為標(biāo)準(zhǔn)瑞利分布的概率密度圖):

根據(jù)對(duì)以上的信道模型進(jìn)行的仿真，我們得出接受端信號(hào)的概率分布，電波衰落特性的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這種仿真將為研究移動(dòng)信道抗衰落技術(shù)提供基本依據(jù)。

圖3 萊斯衰落及瑞利極限情況的接收概率分布

2.2 頻率信號(hào)的多徑和多譜勒頻移的綜合統(tǒng)計(jì)仿真

考慮多譜勒頻移造成的時(shí)間選擇性衰落及多徑時(shí)延下的頻率選擇性衰落對(duì)信號(hào)接收的綜合效應(yīng)，仿真信號(hào)和信道兩方面的隨機(jī)參數(shù)的影響，得到不同仿真條件下的檢測(cè)曲線如圖4。

圖4 快衰落綜合影響下信號(hào)的幅頻和相頻特性

圖4 表示發(fā)送6徑多頻信號(hào)，其中各路衰落系數(shù)為［1，0.3，-0.8，0.5，-0.4，0.2］時(shí)接收信號(hào)的情況。圖中左邊為幅頻畸變，右邊為相頻畸變。其中實(shí)線為沒(méi)有加多譜勒頻移的接受信號(hào)。虛線為產(chǎn)生加多譜勒頻移時(shí)的接收信號(hào)，虛線從上到下對(duì)應(yīng)下面四種情況:a.大多譜勒頻移小多徑時(shí)延b.大多譜勒頻移大多徑時(shí)延c.小多譜勒頻移小多徑時(shí)延d.小多譜勒頻移大多徑時(shí)延。如從左圖中第一和第二幅圖中，我們可以看出當(dāng)大時(shí)延時(shí)產(chǎn)生頻率選擇性衰落嚴(yán)重。而從左邊第二和第四幅圖中，可以看出當(dāng)大多譜勒頻移時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的時(shí)間選擇性衰落。本仿真可對(duì)多徑及多普勒進(jìn)行綜合仿真并體現(xiàn)其它關(guān)于接收信號(hào)的時(shí)頻特性。為無(wú)線通信信道的理論研究和信道仿真提供直觀的參考依據(jù)，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的優(yōu)化方向也有一定的理論指導(dǎo)意義。

3 快衰落信道補(bǔ)償解決方案

快衰落信道衰落的克服和補(bǔ)償要用多種方法綜合起來(lái)進(jìn)行控制和優(yōu)化，包括分集，其中空間分集和頻率分集用得較多，在實(shí)際使用時(shí)可以用組合式的。如采用二重空間分集、二重頻率分集來(lái)構(gòu)成四重分集;另外有跳頻/擴(kuò)頻方式，如在呼叫期間，載波頻率在幾個(gè)頻率上變化，以克服瑞利衰落、抵抗衰落現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，同時(shí)采用數(shù)字技術(shù)和糾錯(cuò)編碼技術(shù)在一定程度上可提高抗干擾性正。

由于數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展，OFDM及MIMO等技術(shù)的發(fā)展和結(jié)合引起了廣泛的關(guān)注。目前，人們?cè)絹?lái)越多的研究超3G、4G系統(tǒng)，力求容納龐大的用戶數(shù)，改善通信質(zhì)量、達(dá)到高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，個(gè)人通信系統(tǒng)和室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)使室內(nèi)微微小區(qū)成為電波傳播的主要環(huán)境。通過(guò)各種通信信道系統(tǒng)的理論研究可以知道，在這種環(huán)境下，現(xiàn)有的預(yù)測(cè)模型需要在考慮上述因素的基礎(chǔ)上進(jìn)一步修正和提高。也就是說(shuō)，除了常規(guī)的如路徑損耗和延遲擴(kuò)展等參數(shù)外，還需明確信號(hào)的空間傳播特性、散射體的空間分布、接收天線上多徑分量來(lái)波方向角度分布等信息，所以信道模型必然朝著空時(shí)域、空頻域信道模型方向發(fā)展，以便利用智能天線和MIMO系統(tǒng)提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量，促進(jìn)移動(dòng)通信系統(tǒng)的快速發(fā)展。

［1］宋曉晉，宋鐵成，沈連豐.移動(dòng)通信衰落信道的建模與仿真［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005(3):338-342.

［2］章俊，劉國(guó)慶，劉力軍，等.多徑信道衰落與時(shí)延的模擬研究［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(2):19-22.

［3］JERUCHIM，BALABBANP，SHANGMUGANK.Simulation of Communication SyStems［M］.Plenum Press，1994.

［4］Digital Video Broadcasting(DVB);Framing structure，channel coding and modulation for digital terrestrial television.In:ETSI EN 300 744 V1.4［S］.1European Standard(Telecommunications series)(2001-01).

［5］劉剛，郭漪，葛建華.MIMO-OFDM系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù)的性能評(píng)估［J］.電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2005，10(6):119-122.

［6］John G.Proakis.DigitalCommunicatioms［M］.4th ed.Beijing:Publishing house of electronics industry，2001.