褚好迎，蘇勝君

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

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無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中發(fā)射分集技術(shù)研究

褚好迎，蘇勝君

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，不同場(chǎng)景下有不同的傳播模型。為了研究發(fā)射分集技術(shù)對(duì)抗多徑效應(yīng)的性能，文中總結(jié)了無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)中室外場(chǎng)景下的傳播模型。針對(duì)傳統(tǒng)的Okumura-Hata傳播模型來(lái)研究不同環(huán)境下發(fā)射信號(hào)的功率損耗，在接收端計(jì)算各信號(hào)副本的接收功率，通過(guò)與預(yù)設(shè)的接收功率門(mén)限作比較，得出每個(gè)信號(hào)副本以及各副本等增益合并后的信號(hào)可用性，從而研究發(fā)射分集對(duì)于信號(hào)可用性的提升作用。仿真結(jié)果表明，分集技術(shù)能明顯提升接收機(jī)接收信號(hào)的可用性。

無(wú)線(xiàn)通信；傳播模型；分集技術(shù)；多徑效應(yīng)

多徑效應(yīng)是指接收到的視距信號(hào)與原信號(hào)經(jīng)過(guò)反射或散射后的組合信號(hào)，從而對(duì)原信號(hào)產(chǎn)生干擾。多徑信號(hào)在結(jié)構(gòu)上會(huì)對(duì)原始信號(hào)產(chǎn)較強(qiáng)的干擾，使原始信號(hào)產(chǎn)生畸變等影響。為解決多徑效應(yīng)問(wèn)題，目前主要的方法有時(shí)空組合抗多徑法、抗多徑信號(hào)處理與自適應(yīng)抵消技術(shù)、抗多徑天線(xiàn)分集技術(shù)等方法[1-3]。

目前主要使用的分集技術(shù)有空間分集技術(shù)、極化分集、頻率分集技術(shù)。早期的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)是在發(fā)射端采用空間分集技術(shù)，后面又引入頻分技術(shù)。目前無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)則采用頻率分集和空間分集相結(jié)合的分集技術(shù)。也可采用多天線(xiàn)發(fā)射信號(hào)，根據(jù)不同天線(xiàn)與反射面的垂直距離不同，信號(hào)的傳輸路徑差和入射角也不同，這樣根據(jù)信號(hào)產(chǎn)生相位延遲的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的信噪比分配。對(duì)于空間分集，若反射面恒定，則空間分離的有效方向?yàn)榇怪庇诜瓷涿娴姆较?，所以需要根?jù)實(shí)際情況選擇分離方向。頻率分集是使用多路頻率信號(hào)傳送至發(fā)射天線(xiàn)，在同樣的信號(hào)傳播路徑下通過(guò)改變頻率來(lái)改變時(shí)延的等效相位延遲，從而取得明顯的相位差，其對(duì)于接收端的瞬時(shí)信噪比和平均信噪比均有提升[4]。

1 室外環(huán)境下傳播模型

Hata-Okumuram模型是根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的模型，該模型提供的數(shù)據(jù)較齊全，應(yīng)用較為廣泛，適用于VHF和UHF頻段。該模型的特點(diǎn)是：以準(zhǔn)平坦地形大城市地區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)中值路徑損耗作為基準(zhǔn)，對(duì)不同的傳播環(huán)境和地形條件等因素用校正因子加以修正。

當(dāng)移動(dòng)臺(tái)的高度為典型值為hr=1.5 m時(shí)，按Hata-Okumura模型計(jì)算路徑損耗的公式為

Lb=69.55+26.16lgf-13.82lghb-α(hm)+

(44.9-6.55ghb)lgd

(1)

其中，Lb表示市區(qū)準(zhǔn)平滑地形電波傳播損耗中值；f為工作頻率；hb為基站天線(xiàn)有效高度；hm為移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)有效高度；d為移動(dòng)臺(tái)與基站之間的距離；α(hm)為移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度因子。

(1)大城市環(huán)境下，移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度因子為

α(hm)=8.29[lg(1.54hm)]2-1.1 dB，f≤200 MHz

(2)

α(hm)=3.2[lg(11.75hm)]2-4.97 dB，1500 MHz≥f≥400 MHz

(3)

當(dāng)hm在1.5～4 m之間時(shí)，上面兩式基本一致。

(2)對(duì)于中小城市環(huán)境

α(hm)=(1.1×logf-0.7)hm-(1.56×lgf-0.8)

(4)

(3)對(duì)于郊區(qū)環(huán)境

Lbs=Lb-2×[lg(f/28)]2-5.4

(5)

(4)對(duì)于開(kāi)闊地環(huán)境

Lbq=Lb-4.78(lgf)2+18.33×lgf-40.94

(6)

2 發(fā)射分集信號(hào)性能仿真

在Okumura-Hata模型下，通過(guò)Matlab對(duì)發(fā)射分集的各信號(hào)副本在幾種傳輸環(huán)境下的路徑損耗情況進(jìn)行仿真，進(jìn)而說(shuō)明發(fā)射分集從信號(hào)功率這一角度對(duì)信號(hào)可用性的提升作用。信號(hào)可用性是指接收機(jī)相對(duì)于收發(fā)機(jī)在一定的距離范圍內(nèi)，接收到信號(hào)副本i的功率處在接收機(jī)功率門(mén)限范圍內(nèi)的概率，記為Pi。在發(fā)射分集模式下，若同時(shí)接收M個(gè)信號(hào)副本，等增益合并后的信號(hào)可用性為P1∪P2…∪Pi，iM。仿真中，將發(fā)射端空間-頻率分集的4個(gè)信號(hào)副本的發(fā)射功率設(shè)為一個(gè)定值，信號(hào)通過(guò)Okumura-Hata模型傳輸后，在接收端計(jì)算各信號(hào)副本的接收功率，通過(guò)與預(yù)設(shè)的接收功率門(mén)限作比較，得出每個(gè)信號(hào)副本以及各副本等增益合并后的信號(hào)可用性[5-7]。

(1)大城市環(huán)境?；贠kumura-Hata大城市模型進(jìn)行仿真，根據(jù)理論研究[8-10]，將仿真條件設(shè)置如表1所示。

表1 大城市環(huán)境仿真條件設(shè)置

各信號(hào)副本的接收功率仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 大城市環(huán)境接收功率分布

(2)中小城市環(huán)境。對(duì)于中小城市環(huán)境的仿真，仿真條件設(shè)置與大城市相同，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 中小城市環(huán)境接收功率分布

(3)郊區(qū)環(huán)境。基于Okumura-Hata郊區(qū)模型進(jìn)行仿真，將仿真條件設(shè)置如表2所示。

表2 郊區(qū)環(huán)境仿真條件設(shè)置

各信號(hào)副本的接收功率仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 郊區(qū)環(huán)境接收功率分布

通過(guò)仿真得出郊區(qū)環(huán)境下該垂足距離范圍內(nèi)的信號(hào)可用性，如表3所示。

表3 郊區(qū)環(huán)境信號(hào)可用性

(4)開(kāi)闊地環(huán)境?；贠kumura-Hata開(kāi)闊地模型進(jìn)行仿真，仿真條件設(shè)置如表4所示。

表4 開(kāi)闊地環(huán)境仿真條件設(shè)置

各信號(hào)副本的接收功率仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 開(kāi)闊地環(huán)境接收功率分布

通過(guò)仿真得出開(kāi)闊地環(huán)境下該垂足距離范圍內(nèi)的信號(hào)可用性，如表5所示。

表5 開(kāi)闊地環(huán)境信號(hào)可用性

分析各仿真結(jié)果可知，相對(duì)于城市環(huán)境而言，郊區(qū)和開(kāi)闊地的多徑效應(yīng)并不明顯，其遠(yuǎn)場(chǎng)邊界距離遠(yuǎn)超過(guò)城市環(huán)境(郊區(qū)約為12 km，開(kāi)闊地約為40 km)，接收機(jī)在距離發(fā)射基站較遠(yuǎn)的距離范圍內(nèi)均具有良好的信號(hào)可用性。

3 結(jié)束語(yǔ)

從多徑環(huán)境下的仿真結(jié)果可看出，空間發(fā)射分集和頻率發(fā)射分集均能明顯提升接收機(jī)接收信號(hào)的可用性，且二者組合使用時(shí)，對(duì)信號(hào)可用性的提升效果更佳。但需要說(shuō)明的是，本次仿真為了更好地說(shuō)明問(wèn)題，將接收功率的門(mén)限設(shè)置得較小，在實(shí)際中接收機(jī)的接收功率門(mén)限會(huì)是一個(gè)更大的范圍，但這并不影響本研究結(jié)論的一般性。

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Research on Transmit Diversity in Wireless Communication Systems

CHU Haoying, SU Shengjun

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

In the wireless communication system, there are different propagation models under different scenarios. In order to study the performance of transmit diversity technology against multipath effects, this paper summarizes the propagation model of the outdoor scenes in the wireless communication system. The emitted signal power loss of the traditional Okumura Hata propagation model, under different environments is studied, the copies of signal received power at the receiving end is calculated and compared with the preset received power threshold to obtain the signal availability of each copy and the copy of the equal gain combination in order to study the improvement of the signal availability by the transmit diversity. The simulation results show that the diversity technology can significantly improve the availability of the receiver signal.

wireless communication; propagation model; diversity technique; multipath effect

2016- 01- 19

全國(guó)大學(xué)生科技創(chuàng)新重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(201310252003)

褚好迎(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：通信技術(shù)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.006

TN929.533

A

1007-7820(2016)11-019-03