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        移動(dòng)通信信道的建模與仿真

        2014-04-29 04:05:06劉春玲
        電子世界 2014年17期
        關(guān)鍵詞:誤碼率

        劉春玲

        【摘要】針對(duì)移動(dòng)通信的特點(diǎn),本文以中繼衛(wèi)星通信鏈路為主要研究對(duì)象,分析了該鏈路通信信道中存在的傳播損耗,并以此為基礎(chǔ)建立了鏈路通信的信道模型;最后仿真分析了不同的通信傳輸速率在加性高斯白噪聲(AWGN)衰落信道、多徑Rayleigh衰落信道、Rician衰落信道以及復(fù)雜衰落信道中的誤碼率特性曲線,仿真結(jié)果表明,滿足Rayleigh衰落信道模型的信號(hào)分量對(duì)系統(tǒng)的性能影響較大,且傳輸速率越高,信號(hào)分量中的反射分量與多徑分量影響越大。

        【關(guān)鍵詞】信道模型;高斯白噪聲衰落信道;多徑;誤碼率

        1.引言

        隨著移動(dòng)通信環(huán)境越來越復(fù)雜,使得移動(dòng)通信可靠性受到巨大挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)鏈無線通信信號(hào)在空間傳播過程中不可避免的受到自然環(huán)境如降雨、雨霧、大氣吸收、多徑、陰影等不同因素的影響,從而對(duì)通信信號(hào)的質(zhì)量造成不同程度的衰減,分析這些信道因素的特性,建立適合的鏈路信道模型可以為移動(dòng)通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證測試提供重要的理論支持,這就對(duì)研究移動(dòng)數(shù)據(jù)鏈的通信信道建模提出了新需求。

        為此,本文針對(duì)移動(dòng)與衛(wèi)星的通信信道進(jìn)行了建模與仿真。

        2.數(shù)據(jù)鏈信道傳播特性分析

        無線信號(hào)傳播過程中,鏈路傳播損耗的影響因素主要有自由空間損耗、雨衰、云霧衰、大氣吸收損耗,以及由多徑效應(yīng)引起的多徑衰落、陰影衰落。

        2.1 自由空間傳播損耗

        無線電波傳播中最基本的傳播方式是自由空間傳播,在影響衛(wèi)星通信鏈路中的傳輸損耗因素中,最主要的是自由空間損耗。

        設(shè)d為通信距離,PT是天線發(fā)射功率,GT為天線發(fā)射增益,GR為天線的接收增益,D為天線直徑,為信號(hào)的波長,則接收信號(hào)的功率如公式1。

        (1)

        其中,自由空間損耗為:

        用dB表示傳輸距離d與頻率f的轉(zhuǎn)換關(guān)系如公式2。

        (dB)

        (2)

        由上式可知,自由空間損耗Lp的大小與頻率f及傳送距離d有關(guān)。

        2.2 雨衰

        大氣和降雨等對(duì)毫米波傳播的影響顯著。毫米波通過大氣時(shí)產(chǎn)生的衰減主要是水汽和氧的吸收造成,水汽分子具有電偶極矩,氧分子具有磁偶極矩,它們與毫米波相互作用,在某些波長上產(chǎn)生諧振而吸收其能量。在毫米波頻段,雨、雪和冰雹引起的衰減更為嚴(yán)重,還會(huì)改變電磁波的極化,增加系統(tǒng)的噪聲溫度。尤其是降雨的影響不容忽視,研究表明由于降雨而引起的信號(hào)衰落是高頻段衛(wèi)星通信所經(jīng)受的最嚴(yán)重的傳播損耗。

        依據(jù)國際電信聯(lián)盟提出的ITU-R降雨衰減模型,降雨衰減可表示為:

        (3)

        式中,Rp是降雨率(mm/h)。ε為路徑仰角,參數(shù)K和與頻率、通信仰角和極化傾角有關(guān),可通過經(jīng)驗(yàn)公式得到:

        為雨區(qū)經(jīng)歷的等效傾斜路徑長度,與降雨率Rp和仰角ε有關(guān):

        (4)

        圖1所示是降雨率Rp與降雨衰減的關(guān)系??芍S著Rp的增大,增大;通信仰角的越小,越大;同時(shí),隨著載波頻率的增大,也增大。

        圖1 降雨率與降雨衰減的關(guān)系

        2.3 云霧衰減

        無線電波穿過云霧傳播時(shí),電波信號(hào)的部分能量會(huì)被云霧中的水汽分子吸收或散射,導(dǎo)致信號(hào)能量損耗。一般認(rèn)為,工作頻率越高、穿越的路徑越長、云霧濃度也大,云霧衰減越嚴(yán)重。

        相比于降雨衰減對(duì)信號(hào)的影響,云霧衰減要小得多,但是在波束的邊緣區(qū)域和低仰角的高緯度地區(qū),云霧衰減是不可以忽略的。對(duì)于云霧引起的損耗,可以用下式估計(jì)計(jì)算:

        (dB/km) ? ? ? ? ? ? ? (5)

        式中,頻率f的單位為GHz,能見度vm的單位是m。

        研究表明,能見度約為30m的密霧,引起的電波損耗介于大雨和中雨引起的雨衰之間;能見度約為120m的濃霧,引起的電波損耗與小雨引起的雨衰近似。

        2.4 大氣吸收損耗

        大氣吸收衰減主要是由大氣吸收引起的,而該衰減主要取決于載波頻率、通信仰角、海拔高度和水蒸氣的絕對(duì)濕度。當(dāng)頻率低于10GHz時(shí),該衰減可以忽略不計(jì),但是頻率高于10GHz時(shí),該衰減隨著頻率的增加而增加,特別是對(duì)于低仰角的情況下明顯。依據(jù)ITU-R給出的大氣吸收損耗的計(jì)算方法公式為:

        (6)

        式中,為天線仰角;表示干燥空氣的有效高度(km);為氧氣的損耗系數(shù)(dB/km);表示水蒸氣的有效高度(km);為水蒸氣的損耗系數(shù)(dB/km)。

        2.5 多徑衰落

        由于經(jīng)不同路徑的直射波和反射波的幅度、相位各不相同,到達(dá)接收天線的時(shí)間也不相同,所以接收信號(hào)為多個(gè)不同幅度、相位的信號(hào)的疊加,從而導(dǎo)致接收信號(hào)幅度急劇起伏,稱這種現(xiàn)象為多徑效應(yīng)。由多徑效應(yīng)引入的衰落稱為多徑衰落。接收終端接收的信號(hào)一般由受遮蔽的直射信號(hào)和漫反射引入的多徑信號(hào)組成,而受遮蔽的直射信號(hào)的概率密度函數(shù)服從Lognormal分布。其中經(jīng)漫反射引入的多徑信號(hào)的概率密度函數(shù)服從Rayleigh分布。

        2.6 陰影衰落

        信號(hào)傳播路徑中的建筑物、樹木或山丘等高層障礙物形成無線電陰影,任何穿過或繞過該障礙物的電波都將發(fā)生衰減,從而造成接收信號(hào)的電平下降,稱這種現(xiàn)象為陰影效應(yīng)。由于陰影效應(yīng),接收信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不同程度的衰減,導(dǎo)致接收信號(hào)電平在一定的范圍內(nèi)起伏,從而引起衰落,稱為陰影衰落。受陰影衰落的影響,接收信號(hào)包絡(luò)一般可用Lognormal分布來描述。

        3.鏈路建模

        通過上述鏈路損耗以及模型的分析,建立鏈路模型如圖2所示??紤]到鏈路通信選擇的頻段不同,信道中存在的衰落也不同。具體的信道模型選擇為:

        (1)理想的高斯白噪聲信道;

        (2)Rayleigh衰落模型信道與高斯白噪聲(AWGN)信道;

        (3)Rician衰落信道與AWGN信道;

        (4)復(fù)雜信道模型,即Rayleigh、Rician、AWGN相結(jié)合的模型。

        圖2 鏈路仿真模型

        圖3 不同傳輸速率各信道的誤碼率曲線

        4.鏈路仿真與分析

        利用Matlab對(duì)上述鏈路模型搭建仿真平臺(tái),分別對(duì)不同的信道衰落環(huán)境進(jìn)行誤碼率統(tǒng)計(jì)分析。以下是在BPSK調(diào)制解調(diào)模式下不同傳輸速率的信號(hào)分別在上述四種衰落信道環(huán)境誤碼率比較。

        由圖3可看出,不同傳輸速率的信號(hào)在AWGN信道的誤碼率最低,Rician衰落信道次之,Rayleigh衰落信道與復(fù)雜信道對(duì)信號(hào)的傳輸性能造成了很大的影響。在相同的誤碼率情況,多徑Rayleigh衰落、復(fù)雜衰落信道所需的信噪比要比AWGN信道、Rician信道要高。在相同的信噪比下,信號(hào)在AWGN、Rician衰落信號(hào)中誤碼率小于多徑Rayleigh衰落信道和復(fù)雜衰落信道。此外,對(duì)比圖3可知,隨著信號(hào)傳輸速率的增大,信號(hào)受多徑Rayleigh衰落影響更加明顯,說明滿足Rayleigh衰落分布的信號(hào)分量更容易引起碼間干擾,造成誤碼率的急劇提升。

        5.結(jié)束

        本文分析了移動(dòng)通信信道環(huán)境特性,對(duì)信道存在的各種衰落進(jìn)行了介紹與估算,然后針對(duì)不用的信道環(huán)境進(jìn)行了鏈路模型建模,最后分析了不同的信道環(huán)境對(duì)通信信號(hào)誤碼率產(chǎn)生的影響。仿真結(jié)果表明,多徑瑞利衰落信道對(duì)系統(tǒng)性能造成了很大的影響,而且隨著通信速率的提高,信道中對(duì)信號(hào)造成影響的信號(hào)分量造成的碼間干擾也越大。

        參考文獻(xiàn)

        [1]徐儀華,周生奎,朱秋明,黃攀.基于飛行軌跡的無人機(jī)通信信道仿真[J].電訊技術(shù),2013,53(5):656-670.

        [2]李琳琳,孫繼銀,姚志成.巡航導(dǎo)彈飛行控制數(shù)據(jù)鏈技術(shù)研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2008,36(2):78-81.

        [3]鄭藝,王玉文,鄧杰,尚小富.高空平臺(tái)站空地鏈路信道建模與QualNet仿真[J].電訊技術(shù)2014,54(2):224-230.

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