移动无线信道多径衰落的仿真

*******************实践教学*******************兰州理工大学计算机与通信学院2011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：姓名：学号：指导教师：成绩：在移动通信迅猛发展的今天，人与人的交流越来越多的依赖于无线通信。

而无线信道的好坏直接制约着无线通信质量的提高，因此对无线信道的研究有利于提高通信传输速率。

本次课程设计用simulink对移动无线信道多径衰落特性进行了仿真，并且和理想传输环境下的情况进行比较得出了结论。

关键词：移动通信；无线信道；频率选择性衰落；多径传播移动通信是指双方或至少其中一方在运动状态中进行信息传递的通信方式，是实现通信理想目标的重要手段。

移动通信满足了人们在任何时间任何空间上通信的需求，同时，由于集成电路、计算机和软件工程的迅速发展为移动通信的发展提供了技术支持，移动通信的发展速度远远超过了人们的预料。

移动通信追求在任何时间任何地方以任何方式与任何人进行通信，也就是移动通信的理想境界——个人通信。

要实现这个理想，高效率、高质量是前提。

所以，除了研究发射机接收机可以达到目的外，对于无线信道的研究更为重要。

无线信道的好坏直接影响无线通信的质量和效率，对无线信道建立数学模型是一种科学的研究方法，通过建模可以了解影响信号传输质量的因素以及解决的方法。

无线信道中，小尺度衰落占有重要地位，所以，研究小尺度衰落的特性和建模方法对于无线信道的研究具有重大意义。

第1章移动通信概述 (1)1.1移动通信的发展史 (1)1.2移动通信的特点 (2)第2章无线信道的概念和特性 (4)2.1 无线信道的定义 (4)2.2 无线信道的类型 (4)2.2.1 传播路径损耗模型(Propagation Path Loss Model) (4)2.2.2 大尺度传播模型(Large Scale Propagation Model) (5)2.2.3 小尺度传播模型(Small Scale Propagation Model) (5)2.3 无线移动信道的概念 (5)2.4 移动信道的特点 (6)2.4.1 移动通信信道的3个主要特点 (6)2.4.2 移动通信信道的电磁波传输 (6)2.4.3 接收信道的3类损耗 (6)2.4.4 三种快衰落（选择性衰落）产生的原因 (7)第3章调制解调 (8)第4章系统仿真及结果分析 (9)4.1 QPSK 调制解调系统的仿真 (9)4.2 利用Matlab研究QPSK信号 (11)总结 (15)参考文献 (16)附录一： (17)附录二： (19)第1章移动通信概述1.1移动通信的发展史移动通信的发展大致经历了以下几个发展阶段：1．20世纪20～30年代：警车无线电调度电话（AM调幅），使用频率为2 MHz。

2．20世纪40～50年代：人工接续的移动电话（FM调频），单工工作方式，使用频段为150 MHz及450 MHz。

特别值得一提的是1947年Bell实验室提出了蜂窝的概念。

3．20世纪60年代：自动拨号移动电话，全双工工作方式，使用频段为150 MHz及450 MHz。

1964年美国开始研究更先进的移动电话系统（AMTS）。

4．20世纪70～80年代：AMPS、TACS分别在美国、英国投入使用。

使用频段为800/900 MHz（早期曾使用450 MHz），全自动拨号，全双工工作，具有越区频道转换，自动漫游通信功能。

频谱利用率、系统容量和话音质量都有明显的提高。

5．20世纪90年代：GSM数字移动通信系统和窄带CDMA（IS-95A）数字移动通信系统及卫星移动通信投入使用。

6．21世纪初：基于窄带IS-95CDMA技术的宽带CDMA技术的cdma2000、基于日本无线工业广播协会（ARIB）支持的纯W-CDMA和欧洲电信标准协会（ETSI）制定的UTRA 两个独立建议的W-CDMA、由我国提出的时分同步CDMA（TD-SCDMA）等第三代（3G）系统（IMT-2000）陆续开始投入使用或建立试验网。

其中，第三代（3G）系统使用频段为1885~2025 MHz，2110~2200 MHz，全球统一标准。

在使用的150MHz、450MHz、900MHz三个频段的具体收发频率间隔分别为: 150MHz的收发频率间隔为5.7MHz；450 MHz 的收发频率间隔为10MHz；900MHz 的收发频率间隔为45 MHz。

20世纪80年代发展起来的模拟蜂窝移动电话系统，人们把它称为第一代移动通信系统。

其主要技术是模拟调频、频分多址，主要业务是电话。

代表这一系统的有美国的AMPS，英国的TACS，北欧的NMT-900等。

模拟系统的主要缺点是：频谱利用率低，不能与ISDN兼容，保密性差，以及移动终端要进一步实现小型化、低功耗、低价格的难度都较大。

美国的AMPS最早是由美国于1971年开始研制并投入军用的。

1973年，美国Motorola公司向美国联邦通信委员会(FCC)提出申请AMPS(Advanced Mobile Phone Service)系统，经批准于1983年投入使用。

1.2移动通信的特点移动通信是指通信双方至少有一方在移动中进行信息传输和交换，这包括移动体和移动体之间的通信，移动体和固定体之间的通信。

1．移动通信必须利用无线电波进行信息传输这种传播媒质允许通信中的用户可以在一定范围内自由活动，其位置不受束缚，不过无线电波的传播特性一般都很差。

首先，移动通信的运行环境十分复杂，电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，并且会受到地形、地物的遮蔽而发生“阴影效应“，而且信号经过多点反射，会从多条路径到达接收地点，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展；其次，移动通信常常在快速移动中进行，这不仅会引起多普勒频移，产生随机调频，而且会使得电波传播特性发生快速的随机起伏，严重影响通信质量。

因此，移动通信系统必须根据移动信道的特征，进行合理的设计。

2．移动通信是在复杂的干扰环境中运行的除去一些常见的外部干扰，如天电干扰、工业干扰和信道噪声外，系统本身和不同系统之间，还会产生这样或那样的干扰。

因为在移动通信系统中，常常有多部用户电台在同一地区工作，基站还会有多部收发信机在同一地点上工作，这些电台之间会产生干扰。

随着移动通信网所采用的制式不同，所产生的干扰也会有所不同。

归纳起来说，这些干扰有邻道干扰、互调干扰等。

3．移动通信可以利用的频谱资源非常有限，而移动通信业务量的需求却与日俱增如何提高通信系统的通信容量，始终是移动通信发展中的焦点。

为了解决这一矛盾，一方面要开辟和启用新的频段；另一方面要研究各种新技术和新措施，以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率。

可以说，移动通信无论是从模拟向数字过渡，还是再向新一代发展，都离不开这些新技术和新措施的支撑。

此外，有限频谱的合理分配和严格管理是有效利用频谱资源的前提。

4．移动通信的网络结构多种多样，网络的管理和控制必须有效根据通信地区的不同需要，移动通信网络可以组成带状、面状或立体状等，它能单网运行，也可以多网并行并实现互连互通。

为此，移动通信网络必须具备很强的管理和控制功能，诸如用户的登记和定位，通信链路的建立和拆除，信道的分配和管理，通信的计费、鉴权、安全和保密管理以及用户过境切换和漫游的控制等。

5．移动通信设备必须适于在移动环境中使用对手机的要求是体积小、重量轻、省电、操作简单的携带方便。

车载台和机载台除要求操作简单和维修方便外，还应保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常工作。

第2章无线信道的概念和特性2.1 无线信道的定义各类信号从发射端发送出以后,在到达接收端之前经历的所有路径,统称为信道。

其中,如果传输的是无线电信号,电磁波所经历的路径,我们则称之为无线信道。

与其它通信信道相比,无线信道是最为复杂的一种,其衰落特性取决于无线电波传播环境。

不同的环境,其传播特性也不尽相同。

无线信道可能是很简单的直线传播(Line of Sight, LOS),也可能会被许多不同的因素所干扰,例如:信号经过建筑物,山丘,或者树木等反射而产生的多径效应,使信号放大或衰落。

在无线信道中,信号衰落是经常发生的,衰落深度可达30dB。

对于数字传输来说,衰落使比特误码率(BER)大大增加。

这种衰落现象严重恶化接收信号的质量,影响通信可靠性。

移动信道与非移动点对点无线信道相比,信号传输的误比特率前者比后者高106倍。

另外,在陆地移动系统中,移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的区域,其天线将接收从多条路径传来的信号,再加移动台本身的运动,使得信号产生多普勒效应,并且信道的特性也随时间变化而变化,增加了信号的不确定性,使得移动台和基站之间的无线信道多变且难以控制。

所以,与传统模型相比,无线信道多径数目增多,时延扩展加大,衰落加快。

2.2 无线信道的类型在无线通信系统中,无线信道通常是利用信道的统计特性来分析和仿真的,一般来说,整个无线信道对信号产生的影响,可以分为以下三大类:2.2.1 传播路径损耗模型(Propagation Path Loss Model)一般来说,可以把接收信号的功率或者传播路径的损耗看作一个随机变量,而传播路径损耗模型是用来描述接收信号的平均功率或是传播路径的平均损耗,平均功率会随着传播距离的增加而减少,而传播路径的损耗会随着传播距离的增加而增加,因此,这个随机变量是传播距离的函数,随着距离的改变,会有不同的平均值或中间值。

这种模型中较常使用的模型有:自由空间传播模型(Free Space Propagation Model)、对数距离路径损耗模型(Log-Distance Path Loss Model)及哈他模型(Ha Ta Model)。

2.2.2 大尺度传播模型(Large Scale Propagation Model)这个模型是用来描述信号经过长距离传播的变化(几百个波长或更多波长),主要探讨各类地形与地物对传播信号所产生的遮蔽效应(Shadowing Effect)。

遮蔽效应可以用一个随机变数来描述,大部分的文献都一致的假设:遮蔽效应会使接收到的信号功率呈现对数常态分布(Log–Normal Distribution)。

对数-常态遮蔽效应指的就是:在相同的传收距离下,不同接收机所接收到的信号强度(单位为dB)将呈现高斯或是常态分布,这也就是说传播路径所造成的功率损耗(以dB为单位)是呈现高斯或是常态分布的,而且这个随机变数标准差σ的单位也是dB。

大尺度传播中的衰落包括:信号经过一段距离时信号的平均衰落。

以及大型物体(如山脉或摩天大楼)导致的信号衍射而产生的衰落,并且大尺度衰落的信号的平均功率是缓慢变化的。