移动无线信道多径衰落的仿真

收稿日期:2004-12-28

作者简介:吴春艳(1965-),女,河南开封人,山东科技大学讲师,主要从事通信工程教学和研究.移动无线信道多径衰落的仿真

吴春艳1,孙　晨2

(1.山东科技大学信电学院,山东青岛　266510;2.山东交通学院信息工程系,山东济南　250023)

摘要: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。针对多普勒频移和无线信道的随机性,讨论了无线信道的小尺度模型。运用数字信号处理方法,在频

域给出了多普勒滤波仿真信道多径衰落的方法、频率选择性信道的仿真模型和仿真曲线。该方法较好地模拟

了信号载波频率和通信终端移动速度的影响。

关　键　词:无线通信;多径衰落;信道仿真

中图分类号:TN92 文献标认码:A 文章编号:1672-0032(2005)01-0011-03

在通信方案可行性研究以及系统研制等过程中,经常要用计算机仿真验证各种方案或通信信号处理方法的效果,这需要对移动无线信道传输特性进行研究并仿真,其中尤其以多径衰落的仿真为重点[1]。

现代移动通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。无线通信的空间无限性使得发射机与接收机之间的传播路径非常复杂,各种地形地物的影响和移动使得无线信道具有极大的随机性,这与确定性有线信道有很大不同。常用路径损失、阴影衰落和多径衰落3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2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,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[2]

。

假设无线信道中的物体处于静止状态,并且运动只由移动台产生,则衰落只与空间路径有关。此时,当移动台穿过多径区域时,它将信号的空间变化看作瞬时变化,在空间不同点多径波的影响下,高速运动的接收机可能在很短时间内经过若干次衰落。更为严重的是,接收机可能停留在某个特定的衰落很大的位置上,尽管可能由行人或车辆改变场模型,从而打破接收信号长时间处于失效状态的情况,但要维持良好的通信状态仍非常困难。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。图1　多普勒效应示意图

2　多径衰落特性

2.1　多普勒频移

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过

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。

无线电波在X 与Y 点上分别被接收时所走的路径差为

第13卷　第1期　

2005年3月 山东交通学院学报

J OUR NAL OF SH ANDONG JIAOTONG UNIVER SITY Vol .13No .1

　Mar .2005

Δl =d c os θ=v Δt c os θ,

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

Δφ=2πΔl λ=2πv Δt λ

cos θ.则多普勒频移为

f d =12πΔφΔt =v λ

c os θ=f m cos θ,式中　f m 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

[3]。

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h (f ,t )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τ′这种无时延扩展的特殊情况,此时发送端信号为

S t (t )=A (t )cos (ωc t +

θ(t )).相应的接收端信号为

S r (t )=∑N -1i =0

a i A (t )cos (ωc (t -τ′)+θ(t )+2πf n t +φi ),式中　f n 为多普勒频移;φi 为电波到达相位;

a i 为信号幅度。令θi =2πf n t -ωc τ′+φi ,则

S r (t )=∑N -1i =0

a i A (t )cos (ωc t +θ(t )+θi )=h c (t )A (t )cos (ωc t +θ(t ))-h s (t )A (t )sin (ωc t +θ(t )),其中　h c (t )=∑N -1i =0a i cos θi ,h s (t )=∑N -1

i =0

a i sin θi 。当N 很大时,h c (t )与h s (t )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,h c (t )与h s (t )是正态随机过程。

令h (t )=h c (t )+jh s (t )=X (t )e j Χ(t ),则h (t )表示信道冲激响应。因为h (t )的两个正交分量为零均值的高斯随机过程,所以其包络X (t )服从瑞利分布,相位服从均匀分布。可以证明h c (t )与h s (t )互不相关,信号受多普勒衰落影响的功率谱密度为

S (f )=σ2πf m 11-(f f m )2,(1)

式中　f m 为最大多普勒频移,σ2为h (t )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h (τ,t )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 Stationar y Uncorrelated 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W SSUS 信道中,当τ≠τ′时,h (τ,t )和h (τ′,t )互不相关,这样,h (τ,t )关于时延变量的相关函数为

R h (τ,τ′)=P (τ)·δ(τ-τ′),

其中　P (τ)=〈 h (τ,t ) 2〉,符号〈·〉表示集合平均。P (τ)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延τ的函数。显然,h (τ,t )的特性可由P (τ)获得。将P (τ)用L 个离散的τn 分割成离散值,则第n 个值为12山东交通学院学报2005年3月　第13卷