无线信道建模与仿真

无线信道建模与仿真关键词无线信道，信道建模，信道仿真
目录
第一章绪论 (1)
1.1 移动通信系统的发展 (1)
1.2 移动通信系统的基本概念 (4)
1.3 无线信道研究意义 (6)
第二章无线信道衰落与建模 (8)
2.1 电磁波传播机制 (8)
2.1.1 反射 (8)
2.1.2 绕射 (8)
2.1.3 散射 (9)
2.2 电磁波衰落 (10)
2.2.1 自由空间传播 (10)
2.2.2阴影衰落 (11)
2.3 小尺度衰落 (12)
2.3.1 小尺度衰落的影响因素 (13)
2.3.2 多径效应 (13)
2.3.3 时延扩展和相干带宽 (14)
2.3.4 多普勒扩展和相干时间 (15)
2.4 无线信道建模 (16)
2.4.1 基于统计测量的建模方法 (17)
2.4.2 基于传播预测的建模方法 (17)
第三章Suzuki信道模型 (19)
3.1 高斯功率谱 (20)
3.2 莱斯过程与瑞利过程 (23)
3.3 对数正态过程 (25)
3.4 信道仿真 (26)
3.5 正弦波叠加法 (27)
3.6 仿真参数计算 (33)
第四章 Jakes信道仿真 (37)
结论 (41)
附录 (43)
第一章绪论
1.1 移动通信系统的发展
中国主导定制的TD-LTE-Advanced正式成为4G（即第四代移动通信技术）国际标准之后，中国移动通信的4G进程得到了有力的推动。

4G技术能提供100Mbps~150Mbps的下行网络带宽，意味着下行速度最高可以达到18。

75Mbs。

这样的高速无疑是令人惊叹的。

于此同时，回顾移动通信系统的发展，我们能发现更令人惊叹的是它的发展速度。

1897年，马可尼（Marconi）在英格兰海峡里为世人展示了无线电为行驶着的船只保持连续不断的通信。

这种在运动中保持通信的能力，得到了世人的关注的同时，得到了举世瞩目的发展。

移动通信系统发展的最初，是单向通信系统，也就是无线寻呼系统。

通信仅仅是单向进行，这显然无法满足人们的通信需求以及渴望。

第一代移动通信系统随即产生。

此时的通信系统的双向通信系统，是模拟通信系统。

二十世纪四十年代中期至七十年代中期，开始公用电话业务，采用大区制，可以实现人工交换与公众电话网的接续。

在这一时期，蜂窝网的概念已经提出了。

到了六十年代中期，出现了自动交换与公众电话网的接续，并且，出现了频率合成器，信道间隔缩小，信道数目增加。

七十年代，小型化的、晶体射频电路迅速发展。

到了八十年代，以FDMA技术为基础、占用频段为800/900MHz的蜂窝式模拟移动通信系统正式问世。

这种主要用于语音通话的模拟系统，显然存在着诸多缺点：频谱利用率不高，容量有限；缺少统一的标准制式，导致各个系统间缺少公共缺口，导致互不兼容，难以实现漫游，限制了用户覆盖率，也导致使用的不便；与现在的通信系统相比，提供的业务种类太少，不能传输数据信息，使服务种类收到了限制；信息安全性得不到保障，容易被窃听监听等等。

在通信系统的巨大缺陷和用户对于移动通信的巨大需求的激烈矛盾推动下，第二代移动通信系统面世。

目前国际上商用的数字蜂窝系统有欧洲的GSM(全球移动通信系统)、美国的D-AMPS （IS-54/136，目前使用的IS-136）、日本的PDC(个人数字蜂窝系统)及美国的CDMA（IS-95）等。

其中基于CDMA为多址技术的IS-95数字移动通信系统，不仅能够数模兼容，而且系统容量是模拟系统的20倍，是数字TDMA系统的4倍。

与第一代移动通信系统相比，GSM有着两个显著的特点。

特点一是客户与设备分离(人机分开)，在GSM通信中，SIM卡与移动设备之间已设置一个开放式的公共接口，这样，使用者与自己的设备之间没有互相依存的关系。

在SIM卡中存储有持卡者的客户数据、保安数据、鉴权加密算法等，只要客户手持此卡就可以借用、租用不同厂家的移动台，得到卡内存储的各种业务的服务，大大方便了客户，大大增强了GSM通信的移动性，也大大地增强了各生产厂家的设备的共享性。

特点二是，通信安全可靠。

因为在SIM卡中有一个永久性的存储器，既有存储能力，又有进行计算的能力，所以它属于智能卡。

当客户建立呼叫时，首先要客户输入个人身份号码(PIN)，此码由4～8位数字组成，由移动台的键盘键入。

若输入三次不正确的PIN码后，PIN码被锁，通
信终止，这是防范那些伪客户盗用通信的方法之一。

若有权客户忘记了PIN码或一时疏忽，输入三次错误，可利用SIM卡中存储的0～9位数字的个人解锁钥(PUK)来解锁PIN码，使之恢复正常。

但也要特别注意，若输入十次错误的PUK，整个SIM卡就报废了，只有重新购置一个SIM 卡才能再进行通信。

在呼叫建立过程中PIN码正确时，网路开始对客户身份进行鉴权，利用存储在SIM卡中的A3、A8算法，移动台与网路把计算结果进行比较，相同鉴权成功，这又是防范盗用通信的第二道防线。

鉴权成功之后，为了对客户信息保密，安全传送至被叫，则又采用了一套加解密的方法，即采用了A5的算法，防止了非法客户窃密。

另外，在鉴权和加解密过程中的密钥(KC)和鉴权钥(K1)参数在空中接口上是不传输的，只有国际移动客户识别码(IMSI)传输一次，以后完全采用不断变化的临时移动客户识别码(TMSI)来代替，因此GSM通信比模拟移动通信更加安全可靠。

不仅仅如此，GSM系统提供的业务也更加的多样，包括电话、紧急呼叫、三类传真以及短消息业务在内的电信业务；呼叫偏转（有被叫，实时前转）、呼叫前转（无条件、遇忙、无应答、不可及）、主叫号码识别、呼叫等待（被叫忙时，接收新业务）、呼叫保持（保持当前呼叫，发起新呼叫）、呼入呼出限制等等的补充业务；语音群呼叫（VGCS）、话音广播业务（VBS）、多用户特征（MSP）、移动定位业务的增强型补充业务；包含交替语音和数据、数据后接语音业务、GPRS 业务等在内的承载业务。

伴随着第二代通信技术而出现的GPRS(General Packet Radio Service,即通用无线分组业务)，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。

GPRS有着两大优点：用途广泛，在网络时代，GPRS为手机用户提供了上网浏览以及手机接收发送电子邮件的便利；经济性高，已发展，因为GPRS沿用现有的GSM网络就可以发展起来，提供数据服务。

由于在通话时使用GSM，数据传输时使用GPRS，移动电话的应用得到了很大的扩展。

不过令人遗憾的是，随着信息爆炸式的增长以及人们生活方式的改变，第二代通信系统同样暴露出了不少的缺点：依旧缺少统一的国际标准，制式太多互不兼容；频谱利用率有待提高；随着社会发展，无法满足移动通信容量飞速增长的巨大要求；高速数据和多媒体业务的经济性差且传输速率不高；在Internet时代，不能有效的支持Internet业务等。

随着科技的进步和社会的发展，第三代移动通信技术应运而生。

第三代移动通信系统在国际上统称为IMT-2000，简称3G，是国际电信联盟(ITU)在1985年提出的工作在2000MHz频段，预期在2000年左右商用的系统。

当时称为未来陆地移动通信系统，即FPLMTS，1996年正式更名为IMT-2000。

与第一代模拟移动通信(如TACS和AMPS等)和第二代数字移动通信系统(如GSM和IS-95 cdmaOne等)相比，第三代的最主要特征是可提供移动多媒体业务，其设计目标是为了提供比第二代系统更大的系统容量、更好的通信质量，且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也要考虑与已有第二代系统良好的兼容性。

第三代移动通信技术的主要特征是可提供移动多媒体业务，其中高速移动环境支持144kbit/s 的速率，步行慢速移动环境支持速率达384kbit/s，在室内支持2Mbit/s的数据传输。

其设计目标是为了提供比第二代系统更大的系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现
无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好的兼容性。

除语音、可视电话、视频会议电话及多媒体业务外，E－MAIL、WWW浏览、电子商务、电子贺卡等业务能与移动网络相结合。

移动办公业务、教育类业务、股票信息、交通信息、气象信息、位置服务、网上教室、网上游戏等移动应用将极大地丰富人们的生活。

可以说，3G是为满足容量及业务的需求，在综合考虑现有技术的基础上新生成的一代系统。

目前的三种主流分别为CDMA2000、WCDMA和TD-SCDMA，分别为美国标准、欧洲标准和我国自主知识产权的3G标准。

CDMA2000最先投入市场，一度占据3G市场主流，它与基于CDMA为核心的技术有相似的基本技术和关键技术，使得CDMA系统性能提升至极限。

但是WCDMA的发展后来居上，有较高的扩频增益，存在明显的后发优势。

TD-SCDMA是我国拥有自主知识产权的3G技术，要求严格的同步，技术在日趋成熟中，略显底气不足。

要使用3G的网络必须使用3G的手机才能支持。

但是3G的手机同样可以兼容使用2G的网络，而目前的2G网络能满足基本的需求，给3G的推广带来了一定的阻力。

再者要使用不同的3G网络，必须定制不同制式的3G手机，这样3G的关键就在于网络覆盖和终端，终端是决定产业成熟度的关键因素。

WCDMA与CDMA2000进行比较可知：WCDMA的终端新增数量已达到CDMA2000的2倍。

而国内的TD终端推出较晚，经验和气势都较弱。

WCDMA的势头锐不可当。

中国移动2013年以来，中国移动启动了20万个基站的建设和100万部终端的采购，体验用户接近4万人。

2013年10月，中国移动获准在全国326个城市开展TD-LTE扩大规模试验。

中国移动称，该公司已在全国范围内启动了TD-LTE的商用部署工作，将建成全球规模最大的4G 网络，并将努力推动4G的融合发展。

按照中国移动的计划，在2013年底前，该公司可向北京、杭州、广州、深圳、青岛、南昌、南京、温州、厦门、上海、天津、沈阳、成都等城市的用户提供4G服务。

4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。

如果说现在的3G能为我们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信将是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。

与传统的通信技术相比，4G通信技术最明显的优势在于通话质量及数据通信速度。

然而，在通话品质方面，目前的移动电话消费者还是能接受的。

随着技术的发展与应用，现有移动电话网中手机的通话质量还在进一步提高。

数据通信速度的高速化的确是一个很大优点，它的最大数据传输速率达到100Mbit/s，简直是不可思议的事情。

另外由于技术的先进性确保了成本投资的大大减少，未来的4G通信费用也要比目前的通信费用低。

4G通信技术将是继第三代以后的又一次无线通信技术演进，其开发更加具有明确的目标性：提高移动装置无线访问互联网的速度--据3G市场分三个阶段走的的发展计划，3G的多媒体服务在10年后将进入第三个发展阶段，此时覆盖全球的3G网络已经基本建成，全球25%以上人口使用第三代移动通信系统。

在发达国家，3G服务的普及率更将超过60%，那么这时就需要有更新一代的系统来进一步提升服务质量。

第二代和第三代移动通信技术对于我们生活方式以及社会形态的影响可谓不小，然而第四代。