移动无线信道多径衰落的MATLAB仿真实现

******************* 实践教学 ******************* 计算机与通信学院 2010 年秋季学期 移动通信课程设计 题 目： 移动无线信道多径衰落的仿真 专业班级： 06 级通信工程（11）班 姓 名： 北行 学 号： 06252312 指导教师： 王栋 成 绩： 2 摘 要 本次设计在简要介绍了移动无线信道的基本概念、特点、分类及理论知识, 并推导了典型的小尺度衰落信道的基础上，针对移动无线信道中信号传输环境的 复杂性和随机性，结合MATLAB软件运用数字信号处理方法仿真分析了无线信 道中信号受多径干扰的情况，并与理想信道下信号的传输情况进行对比。最终得 出结论：无线信道中多径衰落会对信号造成很大的影响，对衰落信道的仿真至关 重要。 关键词: 移动信道；多径衰落； Matlab仿真 3 前 言 ................................................................................................................................................ 4 第 1 章 无线信道 .......................................................................................................................... 5 1.1常用的改善方法 .................................................................................................................... 5 1.2 移动无线信道的分类 ......................................................................................................... 5 第 2 章 多径传播的基本原理....................................................................................................... 7 2．1 多径传输模型的建立 ......................................................................................................... 7 2．2 小尺度无线信道模型 ....................................................................................................... 8 第 3 章 仿真流程及结果分析....................................................................................................... 10 3.1仿真流程 .............................................................................................................................. 10 3.2结果分析 .............................................................................................................................. 11 3.3 结论分析 ........................................................................................................................... 13 总 结 .............................................................................................................................................. 14 参考文献 ........................................................................................................................................ 15 4 前 言 移动通信是当前最主流的通信方式，而无线信道是移动通信中传输信号的媒 介，只有深刻掌握和了解移动无线信道的特征，我们才能提出解决各种干扰的措 施。移动无线信道传输特性的仿真对移动通信的研究具有重要意义,其中多径衰 落仿真又是其中的重点和难点。 移动通信的特点是传播的开放性、接收环境的复杂性和通信用户的随机移动 性。在无线通信信道中，大气的反射或折射、建筑物和其他物体的反射导致了发 送和接收天线之间通常存在多于一条的信号传播路径。由多径引起的信号衰落是 影响通信性能的一个主要因素，所以在通信方案可行性研究以及系统设计、优化 等过程中，经常要考虑到多径衰落及相关的解决方案。本次设计用 MATLAB 对 信号在多径信道中的传输进行了仿真，并与理想条件下的情况进行了对比分析， 提出了一些改进措施。 5 第 1 章 无线信道 移动通信的传输媒介即大气空间就是无线道，无线信道有很复杂的特性，并 且其特性会不断变化，各种地形地物的影响和用户终端的移动使得无线信道具有 极大的随机性。一般用路径损失、阴影衰落和多径衰落三种效应描述大、中、小 3种不同尺度范围内信道对传输信号的作用。多径衰落也称快衰落，是由于同一 信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机时相互干涉引起的。而 这些波称为多径波。多径波在接收天线处合成一个幅度和相位都急剧变化的信 号，其变化程度取决于多径波的强度、传播时间差以及传播信号的带宽。主要表 现在 3个方面: 1)经过短距离或短时间传播后信号强度产生急剧变化； 2)在不同路径上，存在着时变多普勒频移引起的随机频率调制； 3)多径传播时延引起的扩展。 1.1 常用的改善方法 针对种种情况，在移动通信中，可以采取功率控制、基站切换、分集、交 织、自适应均衡等各种有效的方法保证通信的质量。在仿真验证这些方法的效果 时，常常首先对信道衰落尤其多径衰落进行仿真。 1.2 移动无线信道的分类 各类信号从发射端发送出去以后,在到达接收端之前经历的所有路径统称为 信道。如果其中传输的是无线电信号,电磁波所经历的路径称之为无线信道。与 其他通信信道相比,无线信道是最为复杂的一种。无线传播环境是影响无线通信 系统的基本因素。发射机与接受机之间的无线传播路径,因从经历简单的视距传 播到遭遇各种复杂的地物(如建筑物、山脉和树林等)所引起的反射、绕射和散射 传播等而显得非常复杂。另外,移动台相对于发射台移动的方向和速度,甚至收发 双方附近的移动物体也对接受信号有很大的影响。因此,这使得无线信道具有极 大的随机性。 移动通信信号在空间传播中所经历的衰落大体可以分为 2 类,即大尺度衰落 和小尺度衰落。大尺度衰落是由于发射机与接收机之间的距离和两者之间障碍物 6 (如山丘、森林、建筑物等)的遮蔽影响而造成的信号强度的衰减,它反映了移动 信号在较大区域中的平均能量的减少，或称为路径损失。而小尺度衰落是指当移 动台在一个较小的范围运动时,引起的接收信号的幅度、相位和到达角等的快速 变化。信号在传播的过程中,受各种环境的影响会产生反射、衍射和散射,这样就 使得到达接收机的信号是许多路径信号的叠加,因而这些多径信号的叠加在没有 视距传播情况下的包络服从瑞利分布。当多径信号中包含一条视距传播路径时, 多径信号就服从莱斯分布。根据信号多径附加时延的大小,小尺度衰落又可以分 为平坦衰落和频率选择性衰落。另外,由于移动台的移动性而导致接收到的信号 产生多普勒频移(频率色散),根据多普勒扩展的大小,信道又可以分为快衰落信 道和慢衰落信道。 7 第 2 章 多径传播的基本原理 2．1 多径传输模型的建立 发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率 f＞30 MHz 时，典型的传播通路如图 1 所示。 沿路径①从发射天线直接到达接收天线的电 波称为直射波，它是 VHF和 UHF频段的主要传播方式；沿路径②的电波经过地面 反射到达接收机，称为地面反射波； 路径③的电波沿地球表面传播， 称为地表 面波。由于移动台与基站的相对运动,每个多径波都经历了明显的频移程,这种现 象称为多普勒频移,它与移动台的运动速度、运动方向以及接收机多径波的入射 角有关。假设移动台在长度为 d、端点为 X 与 Y 的路径上以速率 v 运动时,收到 来自远端源 S发出的信号,如图 1所示。 x y 图 1 电波传播示意图 无线电波在 X与 Y点上分别被接收时所走的路径差为式中，Δt为移动台从 X 到 Y所需的时间；θ为入射波的夹角,由于远端距离很远,可假设 X,Y 处的夹角是 相同的。所以,由路径差造成的接收信号相位变化值为:  cos22 t ππ (1) 则多普勒频移为:  coscos2 md ff  π (2) 式中 fm 为最大多普勒频移。从上式可以看出,若移动台朝向入射波方向运动,则 多普勒频移为正(即接收频率上升)；相反,则多普勒频移为负(接收频率下降)。 由于多径分量经由不同的方向传播到达接收机,从而造成接收机信号的多普勒扩 散,增加了信号带宽。 hRd1  h T d d2 d—直 射 波 传 播 距 离 d1—地 面 反 射 波 传 播 距 离 d2—散 射 波 传 播 距 离 8 2．2 小尺度无线信道模型 移动无线信道可用信道冲击响应 ),( tfh 来描述。为反映最恶劣的情况,假设 在收发信机之间没有直射波通路、有大量反射波存在、各反射波的幅度和相位都 是统计独立的。首先,考虑时延为某个特定的 / 这种无时延扩展的特殊情况,此时 发送端信号为: ))(cos()()( tttStS ct   (3) 相应的接收端信号为: )2)()(cos()()( / incr tftttAtS   π ,i=1～n-1 (4) 式中 nf 为多普勒频移； i 为电波到达相位; iA 为信号幅度。 令 )(2 / icni tf   π ,则 ))(sin()()())(cos()()())(cos()()( tttAthtttAthtttAtS csccicr   (5) 其中  ic th cos)( ,  is th sin)( 当 N 很大时, )(thc 与 )(ths 是大量独立随机变量之和。由中心极限定理可知,它们 可以近似为正态分布,因此,他们是正态随机过程。 令 )()()()()( tjsc etXtjhthth  ,则 )(th 表示信道冲激响应。因为 )(th 的两 个正交分量为零均值的高斯随机过程,所以其包络 )(tX 服从瑞利分布,相位服从 均匀分布。可以证明 )(thc 与 )(ths 互不相关,信号受多普勒衰落影响的功率谱密度 为 )(22)( mm ffffS  π ,式中 mf 为最大多普勒频移, π2 为 )(th 的方差。更 普遍的情况是时延不确定,此时存在时延扩展将产生频率选择性衰落,可以用复 低通冲激响应 ),( th  描述。可以证明,在一定范围内,频率选择性衰落信道满足以 下假设: 1)在若干码元期间衰落的统计特征可以认为对于时间是近似平稳的; 2)环境对电波的散射是连续且不相关的,也就是电波的到达角度与传播时延 是统计独立的随机变量,称其为广义平稳非相关散射信道(WSSUS-Wide Sense StationaryUncorrelated Scattering),它被认为是能够显示时延扩展和多普勒 扩展的最简单的随机过程。 在 WSSUS 信道中,当 /  时, ),( th  和 ),( / th  互不相关,这样, ),( th  关于 时延变量的相关函数为 )()(),( //   PRh 其中 ),(2)( thP   ,符号〈·〉 表示集合平均。 )(P 正是实测得到的多径时延谱,即信道输出的平均功率关于时 9 延τ的函数。显然, ),( th  的特性可由 )(P 获得。将 )(P 用 L个离散的 n 分割成 离散值,则第 n个值为: tnnn dtPP )()(    (6) 式中 τn为间隔的中心;Δτ为间隔宽度的一半。这样,h(τ,t)可以表示为： )()(),( nn thth   (7) 其中 )()()( tjhthth sc  。每个 )(thn 是独立复高斯随机过程,并具有平坦衰落信 道冲激响应 )(th 的特性。若信道输入信号的复包络为 )(tu ,则信道的输出可以表 示为: )()()( nn tuthtV  (8) 由若干路构成,每个支路都是平坦瑞利衰落。冲激响应 )(thn 可在频域生成,其幅 度符合多普勒频谱,相位是随机的。 10 第 3 章 仿真流程及结果分析 3.1 仿真流程 图 2 仿真流程图 基于以上分析,采用 MATLAB 软件产生的随机信号选用 QPSK 调制技术仿真信 11 号受多径干扰后的各种情况进行对比说明。仿真流程如上图所示。图中参数 T0、 T1、T2都有各自的意义:T0表示没有衰落的 LOS(视距传播)路径的接收功率级;T1 和T2分别表示2条具有瑞利分量的路径的接收功率级,仿真的采样频率是每个符 号 16样点。 3.2 结果分析 QPSK 调制信号在无线信道传输过程中受多径干扰的仿真结果见以下各图所 示。 图 3 理想情况下的星座图 图 4 多径衰落下的星座图 -1 -0.5 0 0.5 1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Qu ad rat ure In-Phase Scatter plot -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 Qu ad rat ure In-Phase Scatter plot 12 图 5 理想情况下的眼图 图 6 多径衰落下的眼图 -6 -4 -2 0 2 4 6 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Time Am pl itu de Eye Diagram for In-Phase Signal -6 -4 -2 0 2 4 6 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Time Am pl itu de Eye Diagram for Quadrature Signal -6 -4 -2 0 2 4 6 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 Time A m pl itu de Eye Diagram for In-Phase Signal -6 -4 -2 0 2 4 6 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 Time A m pl itu de Eye Diagram for Quadrature Signal 13 比较图 3 与图 4 中可得,信号受多径干扰后的星座图与理想传输情况星座图 差别很大,可见由于多径造成的信号扩展严重影响了信号的传输效率,这种情况 可以采用分集接收技术抗除；在同样的信噪比的情况下,由于莱斯衰落中存在 LOS信号,如果 LOS信号与多径信号的比值越大,其传输性能越好。在仿真过程中, 延迟是采用码元周期来表示的,仿真的采样频率是每个符号 16 个样点,所以在 delay=4 的时候,延迟时间是 1/4 周期,而在 delay=8 的时候,延迟时间是 1/2 周 期,通过对比可以看出时延越大,系统性能恶化明显增大。而当 delay=16 的时候, 延迟时间是一个周期,在delay=32的时候,延迟时间是 2个周期,此时的系统性能 就很差了。 3.3 结论分析 上述方法是根据数学模型仿真了信号在无线信道中传输的特点,针对无线信 道的随机性和复杂性选用 MATLAB 软件对无线信道中造成信号衰减的各种情况进 行了分析。通过仿真结果得到,LOS(视距)信号的功率与多径信号的功率比越大, 系统的传输可靠性就越好；信号的多径延迟时间越短,产生的干扰就越小。影响 信号传输性能的最主要因素就是存在多径干扰,因此在实际通信系统中要尽量避 免频率选择性衰落和瑞利衰落,他们会严重影响通信系统的整体性能。这就要求 在基站建设的时候尽可能的建立在空旷并且较高的位置,这是视距传输所需的， 而 LOS信号对提高系统性能又有很大的帮助。 通过选择调制效率较高的调制技术以及接收端采用均衡和分集技术可以有 效的减小多径衰落的影响。 14 总 结 在这之前已经有过好几门课程的设计了，不可否认，课程设计是培养学生综 合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节, 是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。而移动通信是作为我们通信工程 专业学生的基本课程，是讲述当下主流通信技术方面基本内容、原理的一门课程， 所以更容不得我们忽视对实践能力的训练。这次课程设计给我提供了一个很好的 理论与实际相结合的平台，它使我把理论知识实用化，使是我对这门课有了一个 新的认识，也对整个知识框架又有了一个全新的认识，同时我也意识到这门课是 一门实用性很强的课程，作为通信工程的必修课，在课设过程中我意识到了它在 我的以后工作生活中的实用价值。 此次设计我首先认真复习了通信原理和移动通信这两门课的相关知识,学习 了 MATLAB软件的应用,并通过观察星座图和眼图分析了实际传输信道系统的性 能。的确，从理论中得出结论，才能真正体现出知识的价值，也能提高自己的实 际动手能力和独立思考能力。 课设整个过程虽然有很多困难，但是我通过查询资料，向同学寻求帮助，还 有张老师精心讲解与帮助，按时完成了设计。在此向帮助过我的老师和同学表示 感谢。 15 参考文献 [1] 罗涛,乐光新。多天线无线通信原理与应用[M]。北京:北京邮电大学出版 社,2005,8-16。 [2] 何继爱,达正花。宽带无线通信中 OFDM 技术的分析[J]。甘肃科学学 报,2005,17(4):67-69。 [3] 唐贤远 ,李兴。数字微波通信系统 [M]。北京 :电子工业出版社 , 2004,20-269。 [4] 沈振元,聂志泉,赵雪符。通信系统原理[M]。西安:西安电子科技大学出版 社,2004,88-168 [5]张贤达,保铮。通信信号处理[M]。北京:国防工业出版社, 2004,154-211。 [6] 章坚武。移动通信[M]。西安:西安电子科技大学出版社,2004, 67-89。 [7] 樊昌信,张甫翊.通信原理[M].北京:国防工业出版社, 2003. [8] William H Tranter,K Sam Shanmugan,Theodore S,etal。Prin-ciples of Communication Systems Simulation With WirelessApplications[M] 。 USA:Pearson,2005。 [9] SKLAR B. Rayleigh fading channels in mobile digitalcommunication systems [ J]. IEEE CommunicationsMagazine, 1997, 35(7): 90-100. [10] Muriel Medard,Robert G Gallager。The Issue of Spreading in Multi-path Time-varying Channels [J]。 IEEE Trans Inform