信道建模与仿真

第七章标量信道建模及其仿真 (187)

7.1平坦衰落信道建模 (188)

7.1.1平坦衰落信道理论模型 (188)

7.1.1.1 Clarke信道模型 (188)

7.1.1.2 Suzuki 信道模型 (189)

7.1.2 多普勒功率谱 (191)

7.1.2.1 经典功率谱 (192)

7.1.2.2 高斯功率谱 (194)

7.1.2.3 平均多普勒频移和多普勒扩展 (195)

7.2平坦衰落信道仿真[13] (196)

7.2.1 正弦波叠加法 (197)

7.2.1.1 等距离法（MED）[8] (203)

7.2.1.2 等面积法（MEA）[8] (205)

7.2.1.3 Monte Carlo法（MCM）[8] (209)

7.2.1.4 最小均方误差法（MSEM）[8] (212)

7.2.1.5 精确多普勒扩展法（MEDS）[14] (214)

7.2.1.6 多普勒相位的计算方法 (217)

7.2.1.7 Jakes仿真器(JM)[1] (218)

7.2.1.8 仿真方法的性能分析 (233)

7.2.2 成形滤波器法 (236)

7.3频率选择性衰落信道建模[13] (238)

7.4频率选择性衰落信道仿真 (242)

参考文献 (244)

第七章标量信道建模及其仿真

前面的章节从总体上介绍了信道的基本知识和基本特性，包括大尺度传播、小尺度衰落等等。无疑，了解这些信道特性对我们要在频谱资源有限的信道上，尽可能高质量、大容量传输有用信息起着指导性的作用：讨论大尺度传播不仅对分析信道的可用性、选择载波频率以及切换有重要意义，而且对于移动无线网络的规划也很重要；而讨论小尺度衰落则对传输技术的选择和数字接收机的设计至关重要。因此，信道建模和仿真是研究移动无线通信各种技术和网络规划的基础和关键。建模的评估标准是在不同的环境下所建立的模型与真实无线信道的吻合程度；而仿真的评估标准则在于运算量的复杂度。因此，研究人员需要根据实际情况的不同来进行建模和仿真。下面的章节将重点讲述信道的建模和仿真，本章先介绍标量信道的建模和仿真。

在6.4节中已经介绍了小尺度衰落信道的分类：根据信道的频率选择性，可以把信道分为平坦衰落信道和频率选择性衰落信道；根据信道的空间选择性，可以把信道分为标量信道和矢量信道。因此，本章在介绍不考虑空间角度信息的标量信道建模和仿真时，将分别讨论平坦衰落信道和频率选择性衰落信道。事实上，平坦衰落信道只有一个可分辨径（包括了多个不可分辨径），而频率选择性衰落信道是由多个可分辨径组合而成（其中每一个可分辨径就是一个平坦衰落信道），这也就是说，频率选择性衰落信道的建模比平坦衰落信道的建模更复杂，它是由多个具有不同时延的平坦衰落信道组合而成。因此，平坦衰落信道建模是标量信道建模的基础，我们将在第七章的前半部分重点讲述；在此基础上，第七章的后半部分将介绍频率选择性衰落信道的建模和建模。

7.1 平坦衰落信道建模

本节将讲述平坦衰落信道建模的两个模型――Clarke 信道模型和Suzuki 信道模型，和与信道建模密切相关的多普勒功率谱。

7.1.1平坦衰落信道理论模型

以下介绍两种描述平坦衰落信道的模型：Clarke 信道模型和Suzuki 信道模型，其中前者用于描述小尺度衰落，后者综合考虑大尺度衰落和小尺度衰落。

7.1.1.1 Clarke 信道模型

Clarke [11] 提出了一种用于描述平坦小尺度衰落的统计模型，即瑞利衰落信道。其移动台接收信号场强的统计特性是基于散射的，这正好与市区环境中无直视通路的特点相吻合，因此广泛应用于市区环境的仿真中。

基站和移动台之间传播环境主要特征是多径传播，即并不仅仅来自一条直射路径，而更包括由于建筑物、树木及起伏的地形引起反射、散射及绕射后的信号，由于电波通过各个路径的距离不同，因而各路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时同相迭加而加强，有时反相迭加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。对于典型的市区环境(图6-2-7中的RX2)，具有以下特点：发射天线放置在建筑物顶端，在接收天线的远场区空间上只存在很少的可分离的远端散射体，且每个主反射体一般只有一个主要路径；在发送端和接收端的附近存在大量的散射体（称为本地散射体），由于它们产生的多径信号相对时延很小，所以可以认为任何平面波都没有附加时延，又由于不存在直射路径，只存在散射路径，使得到达波都经历了相似的衰落，具有几乎相等的幅度，只是具有不同的频移和入射角。

如图7-1-1，由于移动台的移动，使得每个到达波都经历了多普勒频移。假设发射天线是垂直极化的，入射到移动天线的电磁场由N 个平面波组成。对于第n 个以角度n α到达x 轴的入射波，多普勒频移为：

n n v

f αλ

cos =

(7-1-1)

其中的λ为入射波波长。

到达移动台的垂直极化平面波存在电场E 和磁场H 的场强分量分别为：

∑=+=N

n n c n z t f C E E 1

0)π2cos(θ

(7-1-2) ∑=+-

=N

n n c n n x t f C E H 1

)π2cos(sin θαη

(7-1-3) ∑=+-

=N

n n c n n y t f C E H 1

)π2cos(cos θαη

(7-1-4)

这里的0E 是本地平均E 场（假设为恒定值）的实数幅度，n C 表示不同电波幅度的实数随机变量，η是自由空间的固有阻抗)377(Ω，c f 是载波频率，第n 个到达分量的随机相位n θ为：

n n n t f ϕθ+=π2

(7-1-5)