移动通信信道衰落特性模型的研究

仲恺农业技术学院学报,19(3):38～42,2006
Journal o f Zhongkai Univer sity o f Agriculture and Technology
文章编号:1006-0774(2006)03-0038-05
收稿日期:2006-05-18
作者简介:吴羲晖(1974-),男,河南信阳人,助教,硕士.
移动通信信道衰落特性模型的研究
吴羲晖
(仲恺农业技术学院信息学院,广东广州510225)
摘要:利用超短波进行无线通信远距离移动通信传输时,仅需要不大的发射功率和适中的设备费用,且通信线路不易被摧毁.这些特点使其在无线远距离通信领域有广泛的发展前景.但由于其信道的特点,超短波无线通信存在可靠性低、质量差的弱点,无法适应越来越高的传输要求,作者分析了无线远距离通信信道的一些特性,并根据其路径损耗和多径效应引起的衰落,给出了无线远距离通信系统的通信信道模型.
关键词:OFDM;信道估计;无线远距离移动通信;多径衰落
中图分类号:TP84+2 文献标识码:A
Channel fading characteristic model of mobile communications
W U X i 2hui
(C ollege of In formation ,Zhongkai University of Agriculture and T echnology ,G uangzhou 510225,China )
Abstract :M oderate transmission power and reas onable equipment cost were only required by Long distance VHF wireless communication transmission ,and the channel was difficult to be destroyed.These characteristics were extremely promising to be developed.H owever ,because of the nature of its channel ,it als o had the defi 2ciencies such as low reliability and poor performance to limit its application in ever -increasing communication demand.The characteristics of long distance wireless communication channel was presented ,based on the channel fading characteristic m odel.
K ey w ords :OFDM ;channel estimation ;long distance wireless m obile communication ;multi 2path fading
无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约.要设计出性能良好的无线远距离移动传输系统,首先需要清楚地了解无线远距离移动传输环境以及无线信道的基本特征.作者从研究无线远距离移动信道的特征入手,对各种信道模型进行了分析比较.然后针对正交频分复用(Orthog onal Frequency Division Multi 2plexing ,OFDM )通信系统的具体应用范围确定了系统的通信信道的模型.
1　无线移动信道衰落特性
对于室外远距离无线移动通信的应用来说,对信号传输质量影响最深的应属路径衰落和多径效应.路径衰落决定了系统的应用覆盖范围,而多径效应产生的多径衰落和多普勒频移给传输质量带来了很大的影响,需要采用相应的技术予以消除[1].因此,作者对该应用的信道研究主要集中在多径给信道带来的时间和频率色散的影响上.另外,我们所要实现的OFDM 传输系统主要是针对超短波通信领域的应用.系统频段为30～80MH z ;初步系统发射频率定在30M ,处于短波和超短波交界的地方;主要通过地波方式,而不是通过电离层传播.因此可以忽略电离层的一些影响,包括电离层的反射、吸收等等.而对多径的考虑也主要集中在地面和传输路径中的阻挡带来的散射而产生的多径.
111　无线远距离移动信道的路径损耗
路径损耗定义为有效发射功率和接收功率之间的差值,表示信号衰减,单位为dB 的正值.路径损耗主要由两部分组成:自由空间传播损耗、发射/散射及穿透和绕过物质时产生的损耗.
11111　自由空间损耗　自由空间损耗是指接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径时,发送的电磁波的衰减程度.随着发射机和接收机之间距离的不断增加,电磁波强度将不断衰减.自由空间中距发射机d 处天线的接收功率,由Friis 公式[224]给出:
P r (d )=P t G t G r λ2(4π)2d 2L (1)
天线增益与它的有效截面有关,即:
G =4πA e
λ2(2)
其中有效截面Ae 与天线的物理尺寸相关,λ则与载频相关:
λ=c f =2πc ω—c (3)
其中,f 为载频,单位为H z ;ω—c 为载频,单位为rad/s ;c 为光速,单位为m/s ;Pt 和Pr 必须具有
相同单位,G t 和Gr 为无量纲量.综合损耗L (L ≥1)通常归于传输线衰减、滤波损耗和天线损耗,L =1则表明系统硬件中无损耗.
由(1)式自由空间公式可知,接收机功率随T -R 距离的平方衰减,即接收功率与距离的关系为20dB/10倍程.
当包括天线增益时,自由空间路径损耗为:
P L (dB )=10log P t P r -10log G l G r λ2(4π)2d 2(4)
当不包括天线增益时,设定天线具有单位增益,则自由空间路径损耗为:
P L (dB )=10log P t P r -10log λ2(4π)2d 2(5)
Friis 自由空间模型仅当d 为发射天线远场值时适用.天线的远场或Fraunhoer 区定义为超过远场距离d f 地区,d f 发射天线截面的最大线性尺寸和载波波长有关.Fraunhoer 距离为:
d f =2D 2/λ(6)
其中,D 为天线的最大物理线性尺寸,此外,对于远场距离d f 地区必须满足:d f >>D 和d f >>λ.
显然易见,(1)式不包括d =0的情况.为此,在尺度传播模型使用近地距离d 0作为接收功率的参考点.当d >d 0时,接收功率Pr (d )与d 0的Pr 相关.Pr (d 0)可由(1)式预测或由测量平均值得到.参考距离必须选择在远场区,即d 0≥d f ,同时d 0小于移动通信系统所用的实际距离.这样,由(1)式,当距离大于d 0时,自由空间中接收功率为:
P r (d )=P r (d 0)d 0
d 2　d ≥d 0≥d f (7)
为方便计算,经常以dBm 为单位来表示接收电平.则(7)式可以表示成以dBm 为单位:
P r (d )dBm =10log p r (d 0)
01001W +20log d 0
d d ≥d 0≥d f (8)
其中,Pr (d 0)单位为W .
11112　反射、散射以及穿透和绕过物质时产生的损耗　在移动通信系统中,影响传播的3种最基本的机制为反射、衍射和散射.下面给出3种机制给传播带来的具体影响.
当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射,反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面.反射波和传输波的电场强度取决于费涅尔(Fresnel )反射系数(Γ).反射系数为材料的函数,并与极性、入射角和频率有关.当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射.由阻挡表面产生的二次波
93第3期吴羲晖:移动通信信道衰落特性模型的研究
散布于空间,甚至于阻挡物体的背面.当发射机和接收机之间不存在视距路径,围绕阻挡体也产生波的弯曲.在高频波段,绕射和反射一样,依赖物体的形状,以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况.
在移动无线信道中,基站和移动台之间的单一直接路径很少是传播的唯一物理方式,因此,单独使由空间传播模型,在多数情况下是不准确的.考虑地面反射和影响,由地面反射(双线)模型(图1)可推得:
P r =P t G t G r h 2t h 2r d 4(9)
由(9)式可见,当距离很大时,接收功率随距离成4次方衰减(40dB/10倍程),比自由空间中的损耗要快得多.其路径损耗[2](单位为dB )可以表示为:
P L (dB )=40logd -(10log G t +20log G r +20log h t +20log h r )(10)
从上式可以看出,对于远距离传播的电磁场,路径损耗与频率无关
.
图1　地面反射双线模型Fig 1　M odel of double line reflecting on the ground 在移动通信系统中,对次级波的阻挡产生了衍射损耗,
即有一部分能量绕过阻挡体,而一些费涅尔区发出的次级波
被阻挡,根据阻挡体的几何特征,接收能量为非阻挡体费涅
尔区所贡献能量的矢量和.一般来说当阻挡体不阻挡第一费
涅区,则衍射损失最小,衍射影响可以忽略不计.当遮掩由
单个物体,如山或山脉引起,通过把阻挡体看作衍射刃形边
缘来估计衍射损失,这种情况下的衍射可用针对刃形后面(成为半平面)场强的经典费涅尔法来估计.而当传输路径上不只一个阻挡体,而是有很多阻挡体的情况下(如山区传
播),这样所有的阻挡体引起的衍射损失都必须计算.布灵顿(Bullington )提出了用一个等效阻挡体代替一系列阻挡体,就可以使用单刃形绕射模型计算路径损耗[5](图2).这种方法极大地简化了计算并给出了比较好的接收信号强度估计.
实际移动无线环境中,接收信号比单独衍射和反射模型预测的要强.这是因为当电波遇到粗糙表面时,反射能量由于散射而散布于所有方向.像灯柱和树这样的物体在所有方向上散射能量,这就给接收机提供了额外的能量
.
图2　等效单刃的布灵顿模型Fig 2　Equivalent m odel of one 2edged Bullington 11113　路径损耗模型分析　在设计无线通信系统时,了解
路径损耗是非常重要的.系统的覆盖区域,系统的可靠性
都与电磁波传播的功率有关.由于无线信道非常复杂,精
确的理论分析是不可能的,在实际中,往往采用理论分析
和试验相结合的方法,针对不同的环境归纳总结出相应的
路径损耗模型.在系统工作前,利用路径损耗模型预测接
收信号的电平,分析信噪比S NR.由于没有一个模型可以适
用于所有的传播环境,因此,要求设计人员根据具体的情
况选择使用合适的模型.在理论分析上,图1给出的地面反
射双线模型比较常用,而实际的路径损耗估计技术中,对数距离路径损耗模型比较常用.下面给出对数距离路径损耗模型:
基于理论和测试的传播模型,无论室内或室外信道,平均接收信号功率随距离的对数衰减.对任意T -R 距离,平均大尺度路径损耗表示为:
P L (d )∝d
d 0n (11)
或:
P L (dB )=P L (d 0)+10n log d
d 0(12)
其中,n 为路径损耗指数,是表明路径损耗随距离增长的速率,它依赖于特定的传播环境,在自由空间,n =2,当有阻拦物时,n 变大;d 0为近地参考距离,由测试决定;d 为T -R 距离.
在无线通信系统中,电波的传播经常在不规则地区.在估计路径损耗时,要考虑特定地区的地形地04仲恺农业技术学院学报第19卷
貌.地形从简单的曲线形状到多山区地形.同时也要考虑树木、建筑和其他阻挡物等.为此,人们根据各种服务区的测试数据,建立了大量的实用传播模型.如Longley -Rice 模型、Durkin 模型、Okumura 模型、Hata 模型、Walfish 模型和Bertoni 模型等[2,6].各个模型考虑的侧重点和针对的环境各有不同,在此不作具体分析.
112　无线远距离移动信道的多径效应引起的衰落
以上描述了无线远距离移动信道的路径损耗特性.从中可以看出,路径损耗主要影响到接收信号的长时间的整体功率,从而决定了系统的覆盖范围和对发射功率的要求,属于大尺度衰落.而由无线远距离移动信道的多径性引起的短时间内的衰落称为小尺度衰落.下面针对多径效应展开分析.
11211　多径传播　在典型的无线信道中,发送信号的多次反射导致了多径传播.不同的传播路径具有不同的延迟特征,从而使得信道表现出时间色散特性,进一步导致信号产生频率选择性衰落或者平坦衰落.
如果移动无线信道的带宽Bc 大于发送信号的带宽Bs ,且在带宽范围内有恒定增益及线性相位,则接收信号就会经历平坦衰落过程,此时信道的多径结构使发送信号的频谱特性在接收机内仍保持不变.然而,由于多径信道增益的起伏,使接收信号的强度随时间而变换.平坦衰落信道增益最常见的幅度分布为瑞利分布(Rayleigh )[7].瑞利平坦衰落信道模型假设信道幅度依据瑞利分布.经历平坦衰落的条件如下:
Bs <<Bc , Ts >>σr
其中Ts 为信号周期,σr 为延时扩展.Bc 为信道相干带宽,Bs 为系统传输带宽.
如果信道具有恒定增益或线性相位的带宽范围小于发送信号带宽,则该信道特性就会导致接收信号产生选择性衰落.在这种情况下,信道冲激响应具有多径时延扩展,其值大于发送信号波形带宽的倒数.此时,接收信号中包含了经历了衰减和时延的发送信号波形的多径波,因而产生了接收信号失真.这样信道就引起了符号间干扰(ISI ).
对频率选择性衰落失真而言,发送信号的带宽Bs 大于信道的相干带宽Bc.因此,也称频率选择性信道为宽带信道.信号产生频率选择性衰落的条件是:
Bs >Bc , Ts <σr
具体的条件范围还依赖于所用的调制方式.
由多径引起的符号间干扰(ISI )是无线传输系统设计中需要考虑的因素.当数据速率较低,而且与信道的最大延迟相比符号持续时间长,那么就有可能无需任何均衡技术来处理ISI.但随着系统的通信距离或者数据速率的增加,ISI 变得越来越严重(如数据以10Mb/s 的速率在最大延迟为10μs 的信道上传播,ISI 将扩展到10×10=100个符号),这时就必须借助于信道的均衡技术.而且ISI 越大,均衡器滤波系数的计算就会越复杂.对于100个符号的ISI 来说,这个计算的复杂程度是可想而知的.
11212　多普勒效应　由于传输过程中,移动台和发射台(基站)之间存在相对运动,每一个多径波都经历了明显的频移过程,移动引起的接收机信号频移称为多普勒频移.它和移动台的运动速度v 、运动方向,以及接收机多径波的入射角θ有关.
f d =v λ・cos θ,　λ=c f (13)
其中,c 为光速,f 为发送信号频率.
除了移动台的运动外,在信道传播路径中的环境物体的运动也会引起多普勒效应.这些多普勒效应使得信道在频率上是色散的,即信道具有时变特性.
描述信道的时变特性的参数主要有两个:多普勒扩展和相干时间.
多普勒扩展B d 是谱展宽的测量值,它是移动无线信道的时间变化率的一种量度.多普勒扩展被定义为一个频率范围,在此范围内接收的多普勒谱有非0值.当发送频率为f c 的纯正弦信号时,接收信号谱即多普勒谱在f c -f d 至f c +f d 范围内存在分量,其中f d 是多普勒频移.谱展宽依赖于f d .如果基带信号带宽大于B d ,则在接收机端可忽略多普勒扩展的影响.即将信道看成一个慢衰落信道[5].
相干时间是多普勒扩展在时域的表示,用于在时域描述信道频率色散的时变特性,与多普勒频移成反比.实际上,相干时间就是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值,换句话说,相干时间就是指一段时间间隔,在此间隔内,两个到达信号有很强的幅度相关性,如果基带信号带宽的倒数大于信道
14第3期吴羲晖:移动通信信道衰落特性模型的研究
相干时间,则传输中基带信号就有可能因为多普勒效应而发生改变,导致接收机信号失真[8].一般将相干时间近似定义为:
T c ≈916πf 2m =0.423f m (14) 其中f m =v λ.在数字发送系统中,
只要符号速率大于1/T c ,就不会有由于运动原因而产生的信道失
图3　信号所经历的衰减类型同信号参数之间的关系
Fig 3　The relation between fading type and parameter of sign 真现象.
对于由多径传播和多普勒扩展引起的频率选
择性衰落(也称为频率色散)以及时间选择性衰
落(也称为时间色散),可以通过系统传输参数和
信道的具体参数作相应分类,其具体方法见图3.
2　系统通信信道模型
对于时间色散信道,在过去的40年里,人们
建立了大量的信道模型,如抽头延时线性模型、
C OST 207模型、Hashemi 2Suzuki 2Turin 模型等[2].本
文为了简化分析采用了抽头延时线性模型来对信
道进行研究.现实的无线信道虽然不是广义平稳
不相干散射信道WSS US ,但相关函数随f 和t 的变化而变化缓慢,所以常用一种称之为“准广义
平稳不相干散射信道”的模型来近似,因为一个非WSS
US 的模型实在是太复杂了,在这里也采取WSS US 的假设对信道进行分析.
图4　信道延时线性模型
Fig 4　M odel of channel delay WSS US 信道可以用抽头延时线性模型(图4)来
实现.
图中每一个抽头的系数都是时变的.则信道的冲激响
应可以由下式描述:
h (t ,τ
)=6N i =1a i exp (j φi (t ))δ(τ-τi ) 其中,N 是抽头的个数,a i (t )是与时间有关的
抽头系数(通常是复高斯的),τi 是输入到第i 个抽头的延迟.对每个抽头都有一个多普勒谱来描述其系数随时间的变化而产生的变化.不失一般性,通常令τi 等于0.
对于τi 的选择,有两种方式:
(1)与实际路径的到达时间完全一致(散射体群);
(2)它们等间隔分布,抽头间距Δτ由抽样定理决定.这样,即使WSS US 假设成立,抽头系数一般也不是统计独立的.
如果抽头是等间隔的,且抽头系数被定义成统计独立的,则模型可以进一步简化.如果存在视距成分,这种模型就称为N —延迟莱斯衰落模型;如果不存在视距成分,则称为N 一延迟瑞利衰落模型.对于这种模型,我们进一步假设抽头系数只在远大于传输数据的一个包周期的时间内才发生变化,也就是说在传输一个包的时间里,信道是慢变的.这样的信道叫做慢衰落信道或准静态信道.事实上,在突发模式传输的系统里,完全可以做到这一点.
3　结果和分析
无线远距离移动通信系统的传输性能同其信号经历的信道有非常密切的关系.信号在无线移动信道中
(下转第70页)
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【责任编辑　冯元璋】
(上接第42页)
传输时会受到多径延迟和路径衰落以及多普勒频移带来的衰落影响.要在接收端正确无误地得到传输信号,就必须对接收到的信号进行信道估计和补偿.能不能正确地估计和补偿信道影响将在很大程度上决定系统性能.本文主要分析了无线远距离移动通信信道的时间色散特性,并从信道传输的角度,认为信道的统计特性为广义平稳不相关散射信道.根据这些分析,确定了信道的模型为抽头延时线性模型,并且认为信道在传输一个OFDM符号期间是慢衰落信道.
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【责任编辑　徐妍】。