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

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