发布时间 : 星期六 文章无线通信信道的建模研究 doc更新完毕开始阅读
三、无线通信信道理论分析
无线信道中电波传播特性非常复杂，有中、长波的地表面波传播、短波的电离层反射传播、超短波和微波的直射传播以及各种散射波传播等。无线信道中的干扰也是形式繁多、特征复杂，有由于信道畸变产生的码间干扰，也存在由于频率复用产生的同信道干扰和邻信道干扰等。 3.1无线信道对信号的影响
信号在无线信道中传播一般可归结为反射、绕射和散射三种基本传播方式，无线信号无论是在前向链路还是在反向链路的传播，都会以多种方式受到物理信道的影响。由于无 线信道的复杂性和时变性， 信号通过无线信道时会受到各个方面的衰减损耗。总的说来，信道对无线信号的影响可归纳为：自由空间路径损耗、阴影衰落和多径衰落三种。
3.1.1自由空间路径损耗
自由空间路径损耗：一般路径传播损耗又叫衰耗，是指电波在空间传播所生的损耗 ，反映在宏观大范围 ( 千米量级空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。路径损耗在固定的有线通信中也存在，不过它计算的是导线媒介中传输的衰耗，一般比在空间传播的衰耗值要小些。 3.1.2阴影衰落
阴影衰落：阴影衰落主要是指电波在传播路径上受到建筑物阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗 ，反映在中等范围内 ( 百米波长数量级 ) 的接收信号电平平均值起伏变化的趋势。这类损耗一般为无线传播所特有的，而一般在统计规律上来看遵从对数正态分布，其变化率比传送信息率要慢。 3.1.3多径衰落
多径衰落：多径衰落又称快衰落，反映在小范围( 十米波长以下数量级 )接收电平平均值的起伏变化趋势。其电平幅度一般遵从Rayleigh、Rice、Nakagami等概率分布，其变化速度比慢衰落快。快衰落又可分为空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落。
在无线信道中，有三种最重要的多径衰落效应：信号强度在一段很小的传播距离或时间间隔内快速变化产生的多径衰落：不同路径信号的多普勒频移引起的随机频率
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变化以及多径传播时延扩展引起的多径衰落效应。无线信道的多径衰落会导致信号在不同维 ( 时间、频率、空间 ) 的扩展，对无线通信信号具有明显的影响。 3.2无线信道的分类
在移动通信系统中，无线信道通常是利用信道的统计特性来进行仿真和分析的。一般来说，移动信号在空间传播中所经历的衰落大体可以分成两类，即大尺度衰落和小尺度衰落。 3.2.1大尺度衰落：
大尺度传播模型是用来描述在一段较长的时间之内，信号所呈现的平均功率变化。 3.2.2小尺度衰落：
小尺度传播模型是描述信号在短时间之内， 受到信道影响瞬间所产生的变化。小尺度传播中的衰落是多径传播和多普勒频移两者作用的结果。多径效应会造成各个路径信号到达接收机时有不同的相位、振幅、与时间延迟，因此会产生信号的时散效应与频率选择性衰落 ；多普勒效应则会产生信号的频散效应与时间选择性衰落。根据信号多径附加时延的大小，小尺度衰落又可以分为非频率选择性衰落 ( 平坦衰落 )和频率选择性衰落。另外，由于移动台的移动性会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。
（1）平坦衰落。
平坦衰落：一般来说，多路信号到达接收机的时间有先有后，即有相对时( 问) 延 ( 迟 ) 。如果这些相对时延远小于一 个符号的时间， 则可以认为多路信号几乎是同时到达接收机 的。在这种情况下多径效应不会造成符号间的干扰。这种衰 落称为平坦衰落， 因为这种信道的频率响应在所用的频段内是平坦的。平坦衰落信道的条件可以概括为：
B?Bc或 Ts??t, ( 1 )
式中，Ts 为信号周期，(信号带宽Bs的倒数) ；?t和Bc分别是信道的时延扩展和相干带宽。
（2）频率选择性衰落。
频率选择性衰落：如果多路信号的相对时延与一个符号的时间相比不可忽略， 那么当多路信号叠加时，不同时间的符号会重叠在一起，造成符号问的干扰。这种衰落称为频率选择性衰落，因为这种信道的频率响应在所有的频段内是不平坦的。发生频率选择性衰落的条件可以概括为：
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B?Bc或 Ts??t, ( 2 )
通常，若Ts?10?t，该信道就可以认为是频率选择性的，但这一范畴依赖于所用的调制类型。
由于移动台与基站之间的相对运动，或是由于信道路径中物体的运动，会产生多普勒扩展，引起信道随时间变化，产生信道的时变特性。根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，也就是多普勒扩展，信道可以分为快衰落信道和慢衰落信道。理论上对何为快何为慢有严格的数学定义。
①快衰落： 当信道的相干时间比发送信号的周期短， 且基带信号的带宽小于相关带宽时， 信道冲激响应在符号周期内变化很快， 从而导致信号失真， 产生快衰落， 即：
Ts?Tc且Bs?Bd, ( 3 )
式中Tc为信道的相干时间，从频域上可以看出，信号失真随发送信号带宽多普勒扩展的增加而加剧。
②慢衰落：当信道上的相干时间远远大于发送信号的周期，且基带信号的带宽旦远远小于相干带宽凡时，信道冲激响应的变化比要传送的信号码元周期低得多，此信道为慢衰落信道，即：
Ts?Tc且Bs?Bd, ( 4 )
在慢衰落信道中，可以认为信道参数在一个或多个信道码元周期内是稳定的。 3.2.3 多径和多普勒效应：
（1）多径效应
无线通信中，发射端发射的电波经过无线时间色散信道的多径传播，到达接收端接收天线的不同路径的电波具有不同的时延。如果无线信道的时间色散对接收信号的形状没有明显的影响，亦即不同路径时延差相对远小于调制信息的符号持续时间，此时无线通信系统称为窄带系统，无线信道可以使用窄带信道模型来描述，反之无线通信系统称为宽带系统，线信道必须使用宽带信道模型来描述。
（2）多普勒效应
当波源或观察者相对于媒质运动时，或者说波源和观察者有相对运动时，观察者接受到的振动频率与波源振动频率不同的现象称为多普勒效应。
当听者与声源的相对速率大到与声速可比拟时，就可以明显地感觉到声音频率的变化。譬如坐火车时，听到相向开来的火车汽笛声当火车由远而近开来 汽笛声的音调变高由近而远离去汽笛声的音调变低其实火车鸣笛的声音是固定不变的人们之所以感到声音频率在改变就是由于人耳与音源之间的距离在发展变化。
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四、脉冲无线通信信道特性与建模研究
本章给出了脉冲无线通信信道特性与建模研究实例。
脉冲无线通信技术使用脉冲信号作为携带信息的载体进行通信。它作为超宽带 ( Ultra--wideband，简称 UWB ) 无线通信技术领域中的一种，是当前无线通信研究领域极具竞争力和发展前景的技术之一。按照 I E E E 8 0 2 . 1 5 .3 a的建议，U WB通信系统被用于短距离(O-2 0m) 和高速( 2m范围内传输速率可以达到480Mbit/ s ， 10m范围内传输速率可以达到 110Mbit/s )无线接入,商业化中最主要的使用对象是家庭多媒体无线数据接入。在IEEE802.15.4 a的建议中，提出了UWB通信系统可以被用于低数据传输率的室内和室外无线接入。UWB无线通信的典型传播环境是室内短距离多散射体环境,一般采用固定的无线接人方式。在频谱资源十分珍贵的情况下，短距离宽带无线通信的地位日趋重要，使得研究 UWB通信技术具有巨大的战略意义和市场意义。目前适用于 U WB无线通信技术领域的物理层传输技术有很多种类， 最为典型的是冲激无线电, DS—UWB和OFDM—UWB方式。针对不同的UWB物理层传输技术，相应的信道传播特性也会有所区别。
脉冲无线通信的概念比冲激无线电更广。与冲激无线电一样，脉冲无线通信使用脉冲信号作为携带信息的载体。这种脉冲可以是无调制的，也可以是通过载波调制到某个特定频段。从物理层传输技术的角度来看，它与冲激无线电和 D S — U WB一 样， 均采用在时域持续时间很短的脉冲信号作为信息载体。这种传输方式不同于OFDM— UWB技术，后者由于采用子载波在信道中传输，因而在信道特性等方面与传统的窄带和宽带信道特性有许多相似之处。脉冲无线信道作为 UWB无线通信技术研究中非常重要的内容，其研究成果可以被应用于通信系统的仿真和设计接收机以及进行信道估计等。目前已经有众多国内外研究者对脉冲信道的传播特性进行了大量的研究和测量工作，并将测量结果以网站、研究报告或论文方式发布。从实验测量的频 段来看，各种测量带宽都有， 基本上集中在 3.1 —1 0.6 G H z 频段之间的某段频带上，测量的绝对带宽均超过5 0 0 Mt t z。从测量方式来看，有基于频域的测量和基于时域的测量， 但这两种方法得到的信道特性基本上是一致的。从测量环境来看，主要是集中在居住和办公的室内环境、人体域和桌面等特殊环境、医院、工厂，也包括室外传播环境的测量。从测量内容来看， 测量的参数主要是脉冲信道的多径时延、多径衰落幅度、多径的相位特征和多径问的时问和空间的相关性等。这些测量结果对于描述不同传播环境下脉冲信道的电波传输特性的典型参数具有很大的参考价值，并且具有一定的代表性。由于这些测量数据大多是在室内或室外静止环境下得到的，因此所描述的传播信道是时不变的。最近， 也有少量测量是研究室内散射体发生移动的传播环境，这样的测量环境是时变的。但对室外环境的短距离、时变脉冲信道的测量和特性描述还有
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