許從方，叢 鍵

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041)

0 引言

由于無線通信使用的靈活性，人們不斷地在探索無線通信中的新技術(shù)，而所有新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)都離不開對無線信道的深入研究。超短波電臺可傳輸話音、數(shù)據(jù)、圖像等信息，具有建立迅速、機(jī)動靈活等特點(diǎn)，在現(xiàn)代軍事通信中占有重要地位。超短波無線信道的特性直接關(guān)系到為實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)可靠地超短波電臺通信必須采用的技術(shù)措施。研究超短波電臺的信道特點(diǎn)和仿真模型，可以用來評估超短波電臺設(shè)計(jì)中的技術(shù)參數(shù)和算法性能。

1 無線信道的特性

無線信道是隨時間、環(huán)境和其他外部因素而變化的。首先無線電波在發(fā)送端和接收端之間進(jìn)行傳輸過程中會產(chǎn)生損耗，并且會受到地形、建筑物的遮擋發(fā)生陰影衰落;而且信號經(jīng)多點(diǎn)反射從多條路徑到達(dá)接收端時會產(chǎn)生電平快衰落和時延擴(kuò)展。其次超短波電臺在快速移動時引起多普勒頻移，會使得電波傳輸特性發(fā)生快速的隨機(jī)起伏。下面對無線信道的特性進(jìn)行詳細(xì)的描述和仿真建模。

1.1 路徑損耗

無線電波在自由空間傳輸，其信號功率會隨著傳播距離的增加而減小。路徑損耗表示信號衰減，單位為dB的正值，定義為有效發(fā)射功率和接收功率之間的差值。

仿真設(shè)計(jì)中路徑損耗采用 Egli模型［1］，Egli模型是一種簡化的傳播模型，適用于平坦開闊地。

Egli模型的路徑損耗計(jì)算公式為:式中，d為傳輸距離，單位km;f為載波頻率，單位MHz;ht為發(fā)射天線高度，單位m;hr為接收天線高度，單位m。

1.2 陰影衰落

當(dāng)電磁波在空間傳播受到起伏地形、建筑物的阻擋，在這些障礙物后面會產(chǎn)生電磁場的陰影，造成場強(qiáng)中值的變化，從而引起衰落，被稱作陰影衰落。

陰影衰落統(tǒng)計(jì)特性服從對數(shù)正態(tài)分布［1］。仿真設(shè)計(jì)中，首先產(chǎn)生正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，然后通過變換產(chǎn)生對數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，于是就可以得到陰影衰落的大小。由于環(huán)境為平坦開闊地，標(biāo)準(zhǔn)偏差取5 dB。

1.3 多徑衰落

無線通信中，來自發(fā)射機(jī)的信號在傳播過程中由于受到各種障礙物和其他移動物體的影響，以致到達(dá)接收端的信號是來自不同傳播路徑的信號的合并。如果同相疊加則會使信號幅度增強(qiáng)，而反相疊加則會削弱信號幅度。這樣，接收信號的幅度將會發(fā)生急劇變化，就會產(chǎn)生衰落。

如果各條路徑信號的幅度和到達(dá)接收天線的方位角是隨機(jī)的并且統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，則接收信號的包絡(luò)服從瑞利(Rayleigh)分布［2］;如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在視距傳播，則接收信號的包絡(luò)服從萊斯(Rice)分布［2］。

多徑衰落采用抽頭延遲線模型，原理圖如圖1所示。

圖1 抽頭延遲線模型原理Fig.1 Structure of tapped delay line model

圖1中信道的每個抽頭看成一條路徑，各條路徑的增益構(gòu)成了信道的沖激響應(yīng)。信道模型是要解決信道增益hi和延遲τi等參數(shù)的設(shè)計(jì)問題，多普勒頻譜應(yīng)該在參數(shù)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出來。

Rayleigh衰落信道仿真基于Clarke信道模型［3］，Clarke模型用于描述平坦小尺度衰落信道。對于Rayleigh衰落信道的仿真，目標(biāo)是設(shè)計(jì)抽頭增益，即滿足Rayleigh統(tǒng)計(jì)特性的復(fù)高斯廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程Z(t)=Zc(t)+jZs(t)，并且使Zc(t)和Zs(t)的功率譜滿足多普勒經(jīng)典功率譜［4］:

仿真中采用了 Jakes仿真器的改進(jìn)方案［3，5］，原理圖如圖2所示。

圖2 Jakes仿真器原理框Fig.2 Structure of Jakes’fading simulator

式中，θ、φn和 ψn分別服從［－π，π］均勻分布，M=8，Ts為采樣周期。

包絡(luò)|Z(t)|服從Rayleigh分布。

相位ΘZ(t)=ang{Z(t)}服從［－π，π］均勻分布。

Zc(t)和Zs(t)的均值和相關(guān)統(tǒng)計(jì)特性為:

式中，J0(·)是第一類零階Bessel函數(shù)。

對于Rice衰落信道的仿真，可以由Rayleigh衰落轉(zhuǎn)化而來。采用下面的方法設(shè)計(jì)滿足Rice統(tǒng)計(jì)特性的抽頭增益:

式中，Zc(t)和Zs(t)分別是高斯廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程。

k稱為Rice因子，通常定義 k=β2/(2σ2)，表示直達(dá)平均功率 β2/2和彌散平均功率(σ2)的比值［6－7］。當(dāng) k=0 時，信道呈現(xiàn) Rayleigh 衰落;當(dāng) k→∞時，信道沒有衰落，表現(xiàn)為靜止信道。

包絡(luò)|Y(t)|服從Rice分布，相位ΘY(t)=ang{Y(t)}不是均勻分布，而是服從比較復(fù)雜的分布。

Rice衰落的多普勒功率譜是一個經(jīng)典多普勒譜和一條直射路徑的和［6］，即:

1.4 多普勒頻移

當(dāng)電臺在高速移動中進(jìn)行通信時，接收信號的頻率會發(fā)生變化，稱為多普勒效應(yīng)，移動引起的接收機(jī)信號頻移稱為多普勒頻移［8］。多普勒頻移fd定義為:

式中，v為電臺移動速度，fc為載波頻率，θ為移動方向與無線電波入射方向之間的夾角。最大多普勒頻移為fmax=vfc/c。

若電臺朝向入射波方向運(yùn)動，則多普勒頻移為正(即接收頻率上升);若電臺背向入射波方向運(yùn)動，則多普勒頻移為負(fù)(即接收頻率下降)。

在模型中，多普勒頻移實(shí)現(xiàn)方法為:

式中，Ts為采樣周期。

1.5 多普勒擴(kuò)展

當(dāng)發(fā)射機(jī)在無線信道上發(fā)送一個頻率為fc的單頻正弦波時，由于多普勒效應(yīng)，接收信號的頻譜被展寬，將包含頻率為fc－fd～fc+fd的頻譜分量，其中fd為多普勒頻移。這一頻譜稱為多普勒功率譜。

上述無線信道的特性中，路徑損耗與陰影衰落稱為大尺度衰落，因?yàn)檫@種衰落對信號的影響反映為信號隨傳播距離的增加而緩慢起伏變化，所以也稱慢衰落。多徑衰落是小尺度衰落，它反映了無線信號在較短的距離或時間之內(nèi)的快速變化，又稱快衰落。

2 信道模型仿真設(shè)計(jì)

在信道模型仿真中，信道特性往往是在基帶上獲得的，基帶上的信道特性實(shí)際上是射頻的信道特性對基帶信號的影響。文中信道模型所要實(shí)現(xiàn)的就是將基帶信號的信道特征仿真出來。

信道模型主要針對寬帶信號仿真了路徑損耗、陰影衰落、多普勒頻移、多徑衰落和多普勒擴(kuò)展，其中路徑損耗和陰影衰落模塊可選擇。

在實(shí)現(xiàn)多抽頭模型時，既要考慮概率密度的要求，還有多普勒頻譜的特定要求。仿真產(chǎn)生多路互相獨(dú)立的衰落，以便較真實(shí)地模擬實(shí)際通信環(huán)境。平坦開闊地存在視距傳播，所以第一條徑為直達(dá)徑。

信道模型仿真框圖如圖3所示。

圖3 信道模型仿真框Fig.3 Structure of channel simulator

從基帶輸入的I、Q兩路信號或是成形信號首先經(jīng)過路徑損耗和陰影衰落，接著模擬移動帶來的多普勒頻移，采用多抽頭的多徑衰落模型來仿真平坦衰落信道。

信道模型仿真參數(shù)采用COST207標(biāo)準(zhǔn)中的農(nóng)村地區(qū)模型的參數(shù)［1］，如表1所示。

表1 COST207標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)村地區(qū)信道參數(shù)Table 1 COST207 standard rural channel parameter

3 仿真及結(jié)果分析

無線信道的時變性和最大多普勒頻移有關(guān)，即由移動速度和頻率決定。圖4和圖5分別是頻率600 MHz、移動速度80 km/h和頻率800 MHz、移動速度120 km/h的Rayleigh衰落的包絡(luò)對比。

圖4 頻率600 MHz的Rayleigh衰落包絡(luò)Fig.4 Rayleigh fading envelope of 600 MHz

圖5 頻率800 MHz的Rayleigh衰落包絡(luò)Fig.5 Rayleigh fading envelope of 800 MHz

由于頻率800 MHz、移動速度120 km/h時，最大多普勒頻移為88.9 Hz，而頻率600 MHz、移動速度80 km/h時最大多普勒頻移為44.4 Hz，因此圖5中衰落變化比圖4中要快。從圖5中也可以看出在非常短的時間內(nèi)，即短距離內(nèi)，信號包絡(luò)起伏很大，屬于快衰落。

圖6和圖7分別是仿真的抽頭增益的同相分量和正交分量的功率譜密度。

圖6 同相分量的功率譜密度Fig.6 Power spectrum density for isotropic

圖7 正交分量的功率譜密度Fig.7 Power spectrum density for nonisotropic

由圖6和圖7可以看出，抽頭增益同相分量和正交分量的頻譜都符合Jakes模型的“U”型功率譜，表明該模型的多徑衰落的仿真結(jié)果和Jakes原理模型［1］基本一致。

4 結(jié)語

對超短波信道傳輸特性進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并且建立了信道仿真模型。從理論和仿真結(jié)果來看，本文研究的信道模型逼近信道真實(shí)環(huán)境，不僅在時域統(tǒng)計(jì)上滿足信道特性的要求，在頻域上也體現(xiàn)了信道對信號功率譜的影響，可以應(yīng)用于超短波電臺的仿真設(shè)計(jì)。本文僅針對平坦開闊地的地形建立了信道模型，在選擇場景參數(shù)時也僅選取了典型的農(nóng)村地區(qū)的特征參數(shù)，對于其它環(huán)境尚未做出詳細(xì)分析。但是通過對本文所提的信道模型做進(jìn)一步分析，可以在此基礎(chǔ)上論證和完善其它環(huán)境的信道模型。

［1］楊大成.移動傳播環(huán)境—理論基礎(chǔ)分析方法和建模技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.YANG Da－ cheng.Mobile Propagation Environment—Theory，Method and Model［M］.China Machine Press，2003.

［2］張華安.移動通信中信道模型的研究及進(jìn)展［J］.通信技術(shù)，2002(09):29－32.ZHANG Hua－an.Studying and Evolving of Channel Model in Mobile Communication［J］.Communications Technology，2002(09):29－32.

［3］李子，蔡躍明.Rayleigh衰落信道的仿真模型［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報，2004，5(02):1－8.LI Zi，CAI Yue－ming.Simulation Models for Rayleigh Fading Channel［J］.Journal of PLA University of Science and Technology，2004，5(02):1－8.

［4］LI Yun－xin，HUANG Xiao－jing.The Simulation of Independent Rayleigh Faders［J］.IEEE Transactions on Communications，2002，50(09):1503－1514.

［5］ZHENG Ya－h(huán)ong，XIAO Cheng－shan.Simulation Models With Correct Statistical Properties for Rayleigh Fading Channels［J］.IEEE Transactions on Communications，2003，51(06):920－928.

［6］BIANCHI H C，SIVAPRASAD K.A Channel Model for Multipath Interference On Terrestrial Line－of－Sight Digital Radio［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1998，46(06):891－901.

［7］HAAS E.Aeronautical Channel Modeling［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2002，51(02):254－264.

［8］BADDOUR E K，BEAULIEU C N.Autoregressive Models for Fading Channel Simulation［J］.IEEE Global Telecommunications，2001(02):1187–1192.