移动无线信道多径衰落的MATLAB仿真实现

*******************实践教学*******************计算机与通信学院2010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：06级通信工程（11）班姓名：北行学号：06252312指导教师：王栋成绩：2摘要本次设计在简要介绍了移动无线信道的基本概念、特点、分类及理论知识,并推导了典型的小尺度衰落信道的基础上，针对移动无线信道中信号传输环境的复杂性和随机性，结合MATLAB软件运用数字信号处理方法仿真分析了无线信道中信号受多径干扰的情况，并与理想信道下信号的传输情况进行对比。最终得出结论：无线信道中多径衰落会对信号造成很大的影响，对衰落信道的仿真至关重要。关键词:移动信道；多径衰落；Matlab仿真3前言................................................................................................................................................4第1章无线信道..........................................................................................................................51.1常用的改善方法....................................................................................................................51.2移动无线信道的分类.........................................................................................................5第2章多径传播的基本原理.......................................................................................................72．1多径传输模型的建立.........................................................................................................72．2小尺度无线信道模型.......................................................................................................8第3章仿真流程及结果分析.......................................................................................................103.1仿真流程..............................................................................................................................103.2结果分析..............................................................................................................................113.3结论分析...........................................................................................................................13总结..............................................................................................................................................14参考文献........................................................................................................................................154前言移动通信是当前最主流的通信方式，而无线信道是移动通信中传输信号的媒介，只有深刻掌握和了解移动无线信道的特征，我们才能提出解决各种干扰的措施。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。移动通信的特点是传播的开放性、接收环境的复杂性和通信用户的随机移动性。在无线通信信道中，大气的反射或折射、建筑物和其他物体的反射导致了发送和接收天线之间通常存在多于一条的信号传播路径。由多径引起的信号衰落是影响通信性能的一个主要因素，所以在通信方案可行性研究以及系统设计、优化等过程中，经常要考虑到多径衰落及相关的解决方案。本次设计用MATLAB对信号在多径信道中的传输进行了仿真，并与理想条件下的情况进行了对比分析，提出了一些改进措施。5第1章无线信道移动通信的传输媒介即大气空间就是无线道，无线信道有很复杂的特性，并且其特性会不断变化，各种地形地物的影响和用户终端的移动使得无线信道具有极大的随机性。一般用路径损失、阴影衰落和多径衰落三种效应描述大、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，是由于同一信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机时相互干涉引起的。而这些波称为多径波。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。1.1常用的改善方法针对种种情况，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。1.2移动无线信道的分类各类信号从发射端发送出去以后,在到达接收端之前经历的所有路径统称为信道。如果其中传输的是无线电信号,电磁波所经历的路径称之为无线信道。与其他通信信道相比,无线信道是最为复杂的一种。无线传播环境是影响无线通信系统的基本因素。发射机与接受机之间的无线传播路径,因从经历简单的视距传播到遭遇各种复杂的地物(如建筑物、山脉和树林等)所引起的反射、绕射和散射传播等而显得非常复杂。另外,移动台相对于发射台移动的方向和速度,甚至收发双方附近的移动物体也对接受信号有很大的影响。因此,这使得无线信道具有极大的随机性。移动通信信号在空间传播中所经历的衰落大体可以分为2类,即大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落是由于发射机与接收机之间的距离和两者之间障碍物6(如山丘、森林、建筑物等)的遮蔽影响而造成的信号强度的衰减,它反映了移动信号在较大区域中的平均能量的减少，或称为路径损失。而小尺度衰落是指当移动台在一个较小的范围运动时,引起的接收信号的幅度、相位和到达角等的快速变化。信号在传播的过程中,受各种环境的影响会产生反射、衍射和散射,这样就使得到达接收机的信号是许多路径信号的叠加,因而这些多径信号的叠加在没有视距传播情况下的包络服从瑞利分布。当多径信号中包含一条视距传播路径时,多径信号就服从莱斯分布。根据信号多径附加时延的大小,小尺度衰落又可以分为平坦衰落和频率选择性衰落。另外,由于移动台的移动性而导致接收到的信号产生多普勒频移(频率色散),根据多普勒扩展的大小,信道又可以分为快衰落信道和慢衰落信道。7第2章多径传播的基本原理2．1多径传输模型的建立发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率f＞30MHz时，典型的传播通路如图1所示。沿路径①从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波，它是VHF和UHF频段的主要传播方式；沿路径②的电波经过地面反射到达接收机，称为地面反射波；路径③的电波沿地球表面传播，称为地表面波。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。xy图1电波传播示意图无线电波在X与Y点上分别被接收时所走的路径差为式中，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:cos22tππ(1)则多普勒频移为:coscos2mdffπ(2)式中fm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。hRd1hTdd2d—直射波传播距离d1—地面反射波传播距离d2—散射波传播距离82．2小尺度无线信道模型移动无线信道可用信道冲击响应),(tfh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/这种无时延扩展的特殊情况,此时发送端信号为:))(cos()()(tttStSct(3)相应的接收端信号为:)2)()(cos()()(/incrtftttAtSπ,i=1～n-1(4)式中nf为多普勒频移；i为电波到达相位;iA为信号幅度。令)(2/icnitfπ,则))(sin()()())(cos()()())(cos()()(tttAthtttAthtttAtScsccicr(5)其中icthcos)(,isthsin)(当N很大时,)(thc与)(ths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,他们是正态随机过程。令)()()()()(tjscetXtjhthth,则)(th表示信道冲激响应。因为)(th的两个正交分量为零均值的高斯随机过程,所以其包络)(tX服从瑞利分布,相位服从均匀分布。可以证明)(thc与)(ths互不相关,信号受多普勒衰落影响的功率谱密度为)(22)(mmffffSπ,式中mf为最大多普勒频移,π2为)(th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),(th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-WideSenseStationaryUncorrelatedScattering),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WSSUS信道中,当/时,),(th和),(/th互不相关,这样,),(th关于时延变量的相关函数为)()(),(//PRh其中),(2)(thP,符号〈·〉表示集合平均。)(