频率选择性衰落信道模型研究与仿真.docx

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频率选择性衰落信道模型研究与仿真

南京邮电大学通达学院

毕业设计（论文）

题目频率选择性衰落信道模型研究与仿真

专业网络工程

学生姓名

班级学号

指导老师何雪云

评阅教师周克琴

指导单位通信与信息工程学院无线电工程系

日期：

2012年11月26日至2013年6月21日

毕业设计（论文）原创性声明

本人郑重声明：

所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。

论文作者签名：

日期：

年月日

摘要

在移动通信中，信号经过不同的路径传送到接收端，合成的接收信号相对于发送信号会产生衰落，这就是多径衰落。

本文研究了频率选择性衰落信道的特点；并且运用仿真软件Matlab对频率选择性衰落信道进行模拟仿真，实现了基于Jake模型的频率选择性衰落信道的建模。

并利用建立起来的模型比较了具有不同载波频率、数据传输速率以及移动台移动速度的移动通信系统所具有的信道衰落特性。

仿真结果表明：

移动通信系统的参数会影响其信道的衰落特性。

关键词：

频率选择性衰落;瑞利衰落信道；Jake模型

ABSTRACT

Inmobilecommunications,signalarrivesatthereceiverthroughdifferenttransmissionpaths.Thesynthesisofthereceivedsignalsinrelationtotheoriginalsignalwillbefaded,whichismulti-pathfading.Inthispaper,weresearchthefrequencyselectivefadingchannels’characteristics；AndmakethesimulationtofrequencyselectivefadingchannelswiththetoolMATLAB,whichisbasedonjackmodelmodeling.Usingtheestablishedmodels,wecomparethechannelfadingcharacteristicsofdifferentmobilecommunicationsystemswhichhavedifferentcarrierfrequencies,datatransmissionratesandmobilespeeds.Thesimulationshowsthat:

Themobilecommunicationsystems’parameterswillaffecttheirchannelfadingcharacteristics.

Keywords:

Frequency-selectivefading;Rayleighchannels;Jakemodel

第一章绪论

1.1移动通信技术

 当今的社会已经进入了一个信息化的社会，没有信息的传递和交流，人们就无法适应现代化的快节奏的生活。

移动通信可以说从无线电发明之日就产生了。

1897年，马可尼所完成的无线通信实验就是在固定站与一艘拖船之间进行的。

而蜂窝移动通信的发展是在二十世纪七十年代中期以后的事。

移动通信综合利用了有线、无线的传输方式，为人们提供了一种快速便捷的通讯手段。

由于电子技术，尤其是半导体，集成电路及计算机技术的发展，以及市场的推动，使物美价廉、轻便可靠、性能优越的移动通信设备成为可能。

第一代是模拟蜂窝移动通信网，时间是本世纪七十年代中期至八十年代中期。

1978年，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信系统。

而其它工业化国家也相继开发出蜂窝式移动通信网。

这一阶段相对于以前的移动通信系统，最重要的突破是贝尔实验室在七十年代提出的蜂窝网的概念。

蜂窝网，即小区制，由于实现了频率复用，大大提高了系统容量。

第一代移动通信系统的主要特点是采用频分复用，语音信号为模拟调制，每隔30KHz/25KHz一个模拟用户信道。

为了解决模拟系统中存在的技术缺陷，数字移动通信技术应运而生，并且发展起来，这就是以GSM和IS-95为代表的第二代移动通信系统，时间是从八十年代中期开始。

欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网（GSM）的体系。

随后，美国和日本也制订了各自的数字移动通信体制。

数字移动通网相对于模拟移动通信，提高了频谱利用率，支持多种业务服务，并与ISDN等兼容。

第二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的，因此又称为窄带数字通信系统。

第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的DAMPS系统，IS-95和欧洲的GSM系统。

 由于第二代移动通信以传输话音和低速数据业务为目的，从1996年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了2.5代的移动通信系统，如GPRS和IS-95B。

移动通信现在主要提供的服务仍然是语音服务以及低速率数据服务。

由于网络的发展，数据和多媒体通信的发展势头很快，所以，第三代移动通信的目标就是移动宽带多媒体通信。

 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟于1985年提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统。

主要体制有WCDMA，cdma2000和TD-SCDMA。

1999年11月5日，国际电联ITU-R TG8/1第18次会议通过了"IMT-2000无线接口技术规范"建议，其中我国提出的TD-SCDMA技术写在了第三代无线接口规范建议中。

总的来说，第一代模拟系统对应的接入技术是频分多址技术FDMA，它仅能提供9.6kbit／s通信带宽。

其典型系统，如美国的模拟电话系统AMPS、北欧的移动电话系统NMT、英国的全接入通信系统TACS等。

第二代窄带数字系统的接入技术主要有时分多址技术TDMA和码分多址技术CDMA两种，它可以提供9.6～28.8kbit／s的传输速率。

其典型系统，如欧洲的全球移动通信系统GSM、北美的数字增强型系统IS-136、CDMAOne IS-95A、IS-95B、日本的个人数字蜂窝系统PDC等。

与第一代模拟蜂窝移动通信相比，第二代移动通信系统具有保密性强、频谱利用率高、能提供丰富的业务、标准化程度高等特点。

无论是第一代还是第二代，主要针对话音通信设计的，话音仍是当前和未来一段时间内移动通信市场的基石和主阵地。

数字话音移动通信仍是移动通信的主流市场。

特别对发展中国家而言，人们对通信的需求还主要集中在话音领域，所以，在未来几年中，第二代数字话音通信仍然是这些国家移动通信市场的重点和支柱。

但是我们充分相信：

在移动通信中，数据通信量也将在某一天超过话音通信。

但要完成专门针对未来多媒体通信的第三代系统建设还需时日，所以如何利用现有的第二代数字系统实现数据通信，是填补市场需求空间的必然选择。

分析家们认为，实际3G技术所具备的功能绝大部分其实完全就可以在目前第二代无线技术的基础上实现，特别是随着移动通信和因特网服务快速发展而随之产生的移动数据通信要求。

其方法有两种：

一是在以电话为主的蜂窝移动通信系统中增加传送数据的能力；二是移动通信与因特网的结合。

由此产生了几种相关技术，如通用分组无线服务GPRS技术；增强数据速率改进EDGE技术；IS-95B利用码聚集技术；CDMA20001x技术、无线应用协议WAP技术；Bluetooth技术等

1.2移动通信信道

通信信道（CommunicationChannel）是数据传输的通路，在计算机网络中信道分为物理信道和逻辑信道。

物理信道指用于传输数据信号的物理通路，它由传输介质与有关通信设备组成；逻辑信道指在物理信道的基础上，发送与接收数据信号的双方通过中间结点所实现的逻辑通路，由此为传输数据信号形成的逻辑通路。

逻辑信道可以是有连接的，也可以是无连接的。

物理信道还可根据传输介质的不同而分为有线信道和无线信道，也可按传输数据类型的不同分为数字信道和模拟信道。

与其它通信信道相比，移动通信信道是最为复杂的一种。

多径衰落和复杂恶劣的电波环境是移动通信信道区别与其他信道最显著的特征，这是由运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。

在典型的城市环境中，一辆快速行驶的车辆上的移动台所接收到的无线电信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次，衰落深度可达20-30dB。

这种衰落现象将严重降低接收信号的质量，影响通信的可靠性。

为了有效地克服衰落带来的不利影响，必须采用各种抗衰落技术，包括：

分集接收技术、均衡技术和纠错编码技术等。

1.3本次毕业设计的任务

本次毕业设计就是要深入理解无线信道的特点和分类，重点研究频率选择性衰落信道，并利用Matlab仿真工具通过Jake模型和抽头延时线对其进行建模。

通过建立的模型掌握载波频率、移动台移动速度等对信道衰落特性的影响。

第二章移动通信信道

2.1移动通信系统

移动通信系统主要有蜂窝系统，集群系统，AdHoc网络系统，卫星通信系统，分组无线网，无绳电话系统，无线电传呼系统等。

蜂窝系统是覆盖范围最广的陆地公用移动通信系统。

在蜂窝系统中，覆盖区域一般被划分为类似蜂窝的多个小区。

每个小区内设置固定的基站，为用户提供接入和信息转发服务。

移动用户之间以及移动用户和非移动用户之间的通信均需通过基站进行。

基站则一般通过有线线路连接到主要由交换机构成的骨干交换网络。

蜂窝系统是一种有连接网络，一旦一个信道被分配给某个用户，通常此信道可一直被此用户使用。

蜂窝系统一般用于语音通信。

集群系统与蜂窝系统类似，也是一种有连接的网络，一般属于专用网络，规模不大，主要为移动用户提供语音通信。

卫星通信系统的通信范围最广，可以为全球每个角落的用户提供通信服务。

在此系统中，卫星起着与基站类似的功能。

卫星通信系统按卫星所处位置可分为静止轨道、中轨道和低轨道3种。

卫星通信系统存在成本高、传输延时大、传输带宽有限等不足。

上述移动通信系统都需要有线网络通信基础设施的支持，如基站、交换机、卫星等。

这些设施的建立和运转需要大量的人力和物力，因此成本比较高，同时建设的周期也长。

AdHoc网络不需要基站的支持，由主机自己组网，因此，网络建立的成本低，同时时间短，一般只要几秒钟或几分钟。

上述通信系统中，移动终端之间并不直接通信，并且移动终端只具备收发功能，不具备转发功能。

而AdHoc网络由移动主机构成，移动主机之间可以直接通信，而移动主机不仅收发数据，同时还转发数据。

此外目前的移动通信系统主要为用户提供语音通信功能，通常采用电路交换，拓扑结构比较稳定。

而AdHoc网络使用分组转发技术，主要为用户提供数据通信服务，拓扑结构易于变化。

Ad　Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络，网络中的节点均由移动主机构成。

Ad　Hoc网络最初应用于军事领域，它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项目，该项目由DARPA资助，其后，又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN（SurvivableAdaptiveNetwork）和全球移动信息系统GloMo（Global　Information　System）项目的研究。

由于无线通信和终端技术的不断发展，AdHoc网络在民用环境下也得到了发展，如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时，可以很方便地通过搭建AdHoc网络实现。

在Ad　Hoc网络中，当两个移动主机在彼此的通信覆盖范围内时，它们可以直接通信。

但是由于移动主机的通信覆盖范围有限，如果两个相距较远的主机要进行通信，则需要通过它们之间的移动主机的转发才能实现。

因此在AdHoc网络中，主机同时还是路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。

在AdHoc网络中，每个主机的通信范围有限，因此路由一般都由多跳组成，数据通过多个主机的转发才能到达目的地。

故AdHoc网络也被称为多跳无线网络。

AdHoc网络可以看作是移动通信和计算机网络的交叉。

在AdHoc网络中，使用计算机网络的分组交换机制，而不是电路交换机制。

通信的主机一般是便携式计算机、个人数字助理（PDA）等移动终端设备。

AdHoc网络不同于目前因特网环境中的移动IP网络。

在移动IP网络中，移动主机可以通过固定有线网络、无线链路和拨号线路等方式接入网络，而在AdHoc网络中只存在无线链路一种连接方式。

在移动IP网络中，移动主机通过相邻的基站等有线设施的支持才能通信，在基站和基站（代理和代理）之间均为有线网络，仍然使用因特网的传统路由协议。

而AdHoc网络没有这些设施的支持。

此外，在移动IP网络中移动主机不具备路由功能，只是一个普通的通信终端。

当移动主机从一个区移动到另一个区时并不改变网络拓扑结构，而AdHoc网络中移动主机的移动将会导致拓扑结构的改变。

2.2移动通信信道的分类

移动通信信道可分为短波信道，超短波信道，微波信道。

短波信道：

短波按照国际无线电咨询委员会（CCIR，现在的ITU-R），的划分是指波长在l00m~l0m，频率为3MHz~30MHz的电磁波。

利用短波进行的无线电通信称为短波通信，又称高频（HF）通信。

实际上，为了充分利用短波近距离通信的优点，短波通信实际使用的频率范围为1.5MHz~30MHz。

与卫星通信、地面微波、同轴电缆、光缆等通信手段相比，短波通信也有着许多显著的优点：

1）短波通信不需要建立中继站即可实现远距离通信，因而建设和维护费用低，建设周期短;2）设备简单，可以根据使用要求固定设置，进行定点固定通信。

也可以背负或装入车辆、舰船、飞行器中进行移动通信;3）电路调度容易，临时组网方便、迅速，具有很大的使用灵活性;4）对自然灾害或战争的抗毁能力强。

通信设备体积小，容易隐蔽，便于改变工作频率以躲避敌人干扰和窃听，破坏后容易恢复。

短波通信也存在着一些明显的缺点：

1）可供使用的频段窄，通信容量小。

按照国际规定，每个短波电台占用3.7kHz的频率宽度，而整个短波频段可利用的频率范围只有28.5MHz。

为了避免相互间的干扰，全球只能容纳7700多个可通信道，通信空间十分拥挤。

并且3kHz通信频带宽度，在很大程度上限制了通信的容量和数据传输的速率。

2）短波的天波信道是变参信道，信号传输稳定性差。

短波无线电通信主要是依赖电离层进行远距离信号传输的，电离层作为信号反射媒质的弱点是参量的可变性很大。

它的特点是路径损耗、延时散步、噪声和干扰，都随昼夜、频率、地点而不断变化着。

一方面电离层的变化使信号产生衰落，衰落的幅度和频次不断变化。

另一方面天波信道存在着严重的多径效应，造成频率选择性衰落和多径延时。

选择性衰落使信号失真，多径延时使接收信号在时间上扩散，成为短波链路数据传输的主要限制。

3）大气和工业无线电噪声干扰严重。

随着工业电器化的发展，短波频段工业电器辐射的无线电噪声干扰平均强度很高，加上大气无线电噪声和无线电台间干扰，在过去，几瓦、十几瓦发射功率就能实现的远距离短波无线电通信，而在今天，10倍、几十倍于这样的功率也不一定能够保证可靠的通信。

大气和工业无线电噪声主要集中在无线电频谱的低端，随着频率的升高，强度逐渐降低。

虽然，在短波频段这类噪声干扰比中长波段低，但强度仍很高，影响着短波通信的可靠性，尤其是脉冲型突发噪声，经常会使数据传输出现突发错误，严重影响通信质量。

2、超短波信道。

利用30～300兆赫波段的无线电波传输信息的信道。

由于超短波的波长在1～10米之间，所以也称米波通信。

整个超短波的频带宽度有270兆赫，是短波频带宽度的10倍。

1）超短波通信利用视距传播方式，比短波天波传播方式稳定性高，受季节和昼夜变化的影响小。

2）天线可用尺寸小、结构简单、增益较高的定向天线。

这样，可用功率较小的发射机。

3）频率较高,频带较宽,能用于多路通信。

4）调制方式通常用调频制，可以得到较高的信噪比。

通信质量比短波好。

3、微波信道：

微波常指频率在1000兆赫（MHz）以上（波长在30厘米以下）的电磁波。

微波的传播特性类似于光的传播，一般沿直线传播，绕射能力很弱，一般进行视距内的通信，对于长距离通信可采用接力的方式，为微波接力通信，或称微波中继通信也可利用对流层传播进行通信，称为对流层散射通信；或利用人造卫星进行转发，即卫星通信。

微波通信的特点是：

1）通信频段的频带宽，传输信息容量大。

2）通信稳定、可靠。

3）在进行地面上的远跟离通信时，必须采用接力的方式，发端信号经若干中间站多次转发，才能到达收端。

4）通信灵活性较大。

5）天线增益高、方向性强。

6）投资少、建设快。

2.3移动通信信道的特性

信道是任何一个通信系统所必不可少的组成部分。

陆地数字移动通信的信道和固定通信信道（无线本地环路例外）是完全不同的。

在固定通信中,信号的传输媒介是人工制作,例如双绞线、电缆、光纤等。

这些媒质的传输特性在相当长的时间内是十分稳定的，可以认为这种信道为恒参信道。

而在陆地移动通信信道中，信号在空间中自由传播，受外界信道条件的影响很大。

由于天气的变化、建筑物和移动物体的遮挡、反射和散射作用以及移动台的运动造成的多普勒频移的影响等造成信道的变化，可以认为这种信道为随参信道。

移动通信信道的主要特点：

传播的开放性，一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传播的；接收点地理环境的复杂性与多样性，高楼林立的城市中心繁华区，以一般性建筑物为主的近郊小城镇区，以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区，通信用户的随机移动性慢速步行时的通信，高速车载时的不间断通信。

移动通信信道中电磁波传播的特点：

直射波，它指在视距覆盖区内无遮挡的传播，直射波传播的信号最强。

多径反射波，指从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点的传播信号，其信号强度次之。

绕射波，从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度与反射波相当。

散射波，由空气中离子受激后二次发射所引起的漫反射后到达接收点的传播信号，其信号强度最弱。

移动通信系统中信号的损耗：

路径传播损耗，又称衰耗，它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了传播在宏观大范围（即公里量级）的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。

慢衰落损耗，它是由于在电波传输路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。

它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其变化率较慢故又称为慢衰落，由于慢衰落表示接收信号的长期变化，所以又称长期衰落（long-term-fading）。

快衰落损耗，它主要由于多径传播而产生的衰落，由于移动体周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化，它反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落，由于快衰落表示接收信号的短期变化，所以又称短期衰落（short-term-fading）。

仔细划分快衰落又可分为以下三类：

空间选择性衰落、频率选择性衰落、时间选择性衰落。

所谓选择性是指在不同的空间，不同的频率和不同的时间其衰落特性是不一样的。

空间选择性衰落，多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽称为角度扩展。

角度展宽给出信号的主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落。

频率选择性衰落，假设发射端发射的是一个时间宽度极窄的脉冲信号，经过多径信道后，由于各信道时延的不同，接收端接收到的信号为一串脉冲，即接收信号的波形比原脉冲展宽了。

这种由于信道时延引起的信号波形的展宽称为时延扩展。

时延扩展产生频率选择性衰落。

时间选择性衰落，多普勒扩展是一种由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时间选择性衰落。

移动信道的特点及其带来的传播上的特点，对接收点的信号将会产生三种效应：

阴影效应，移动台在运动中，由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区，从而形成电磁场阴影，这种随移动台位置的不断变化而引起的接收点场强中值的起伏变化叫做阴影效应。

阴影效应是产生慢衰落的主要原因。

远近效应，由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也是在随机的变化，若各用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同，离基站近信号强，离基站远信号弱。

通信系统的非线性则进一步加重，出现强者更强、弱者更弱和以强压弱的现象，通常称这类现象为远近效应。

因为CDMA是一个自干扰系统，所有用户共同使用同一频率，所以“远近效应”问题更加突出。

多普勒效应，它是由于接收的移动用户高速运动而引起传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户的运动速度成正比。

随参信道的一般衰落特性和选择性衰落特性，是严重影响信号传输的重要特性。

至于前面所说的慢衰落特性，因为它的变化速度十分慢，通常可以通过调整设备参量（如调整发射功率）来弥补。

而为了抗快衰落，通常可采用多种措施，例如，各种抗衰落的调制解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术等。

其中，明显有效且被广泛应用的措施之一，就是分集接收技术。

其基本思想就是，快衰落信道中接收的信号是到达接收机的各径分量的合成，如果在接收端同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并构成总的接收信号，则能够大大减小衰落的影响。

关于具体的分集接收的方法，这里不再赘述。

总之，移动通信系统的信道特性是非常复杂的，而解决这些特性带来的负面影响则是移动通信系统中的关键技术。

我们研究移动通信系统的性能，就必须仔细研究此系统的信道特性，这对于提高系统的性能非常重要。

第三章频率选择性衰落信道模型

3.1瑞利衰落的特性

我们已经知道，无线环境中存在多径效应引起的快衰落和地形环境缓慢变化所引起的阴影衰落。

另外，多径衰落信道的特性还可以通过频率选择性衰落和时间选择性衰落来加以研究。

当信号通过信道时，这两种衰落情况的产生与否不但与信道的特征参数有关，还与信号的参数有关。

我们可以用多径扩展d和相干带宽BWc来衡量信道的频率选择性特性。

两个频率间隔靠得比较近的衰落信号，存在不同的时间延迟，可能使两个信号变得相关起来。

符合这一条件的频率间隔取决于多径扩展。

这个频率间隔称为相干带宽或相关带宽。

相干带宽的精确定义在不同的参考文献中有不同的定义。

典型的定义是：

（3.1）

当信号的带宽W远大于相干带宽BWc或者说信号的持续时间T远小于多径扩展d时，信号以多条路径到达接收端经过矢量叠加之后，会造成接收信号在有的频率上幅度较大，而在有的频率上幅度较小，也就是信道对不同频率信号的衰减是不一致的，引起所谓的频率选择性衰落。

时间选择性衰落的特性可以用多普勒扩展Bd和相干时间Td来衡量。

对于时间选择性衰落，起伏变化的接收信号电平不再相关的最小时间间隔称为信道的相干时间。

该参数的物理意义是：

如果两个观测时刻间隔小于相干时间，则在这两个时刻接收到的信号电平可以认为经历了非选择性衰落；反之，如果这两个时间间隔大于相干时间，则认为这两个时刻所接收到的信号所经历的衰落没有什么相关性。

相干时间定义为

（3.2）

当信号的持续时间T远大于相干时间Td或者信号带宽W远小于多普勒扩展Bd时，会造成接收信号幅度在一个持续时间内的起伏变化，即信号在不同的时间上遭受不同的衰落，也就是所谓的时间选择性衰落。

根据发送的信号带宽W和数字信号的码元周期T与相干带宽BWc和相干时间Td的关系，衰落信道可以分为以下四种类型：

1.非色散信道，也称时/频非选择性衰落信道：

（3.3）

2.时间色散信道，也称频率选择性衰落信道：

（3.4）

3.频率色散信道，也称时间选择性衰落信道：

（3.5）

4.双重色散信