基于MATLAB的移动衰落信道仿真.doc

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江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）

基于MATLAB的移动衰落信道仿真

摘要：

本文基于MATLAB对移动衰落信道进行仿真。

重点利用JAKES法对瑞利信道进行了确定性模型仿真，对其功率谱密度和自相关函数进行了讨论。

通过比较仿真模型与参考模型，说明了仿真模型的正确性。

同时，仿真结果表明，仿真结果的特性主要取决于最大多普勒频移与谐波个数这两个参数。

关键词：

瑞利信道；功率谱密度；自相关函数；JAKES法；最大多普勒频移

MobileFadingChannelSimulationBasedonMATLAB

Abstract:

Inthisthesis,mobile fading channelissimulatedbasedonMATLAB.Itmainlyfocusesonthedeterministic model simulationofRayleigh channel usingJAKESmethod,anditspower spectral densityandautocorrelation functionarediscussed.Bycomparingthesimulationmodel withthereference model,itdemonstratesthecorrectnessofsimulationmodels.Atthesametime,thesimulationresultsindicatethattheresultsaremainlydependingonfollowingtwoparameters:

the maximum Dopplerfrequencyshiftsandthenumberofharmonicwaves.

Keywords:

Rayleighchannel；powerspectraldensity；autocorrelationfunction；Jakesmethod；maximumDopplershift

目录

前言 1

第一章绪论 2

1.1研究背景及意义 2

1.2研究内容 2

第二章无线信道的概念与特性 3

2.1移动无线信道的概念 3

2.2移动无线信道基本理论 3

2.3移动无线信道的类型 4

2.3.1传播路径损耗模型 4

2.3.2大尺度传播模型 4

2.3.3小尺度传播模型 4

2.4移动无线信道的衰落 5

2.5瑞利衰落信道模型的实现 5

第三章确定性信道过程的理论导论 8

3.1确定性信道建模的原理 8

3.1.1成形波器法 8

3.2.2正弦波叠加法 9

3.2确定性过程的基本性质 11

第四章确定性过程模型参数的计算方法 12

4.1离散多普勒频率和多普勒系数的计算方法 12

4.2多普勒相位的计算方法 15

4.3确定性瑞利过程的衰落时间间隔 16

第五章JAKES功率谱密度与自相关函数的性能分析 18

第六章结束语 23

参考文献 24

致谢 25

附录 26

江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）

前言

现代移动通信的发展涉及通信信号与信道、分集接收机与最佳接收机、信源编码与信道编码、数字调制与解调等多方面技术，而无线信道及信道建模构成了移动通信传输技术的理论基础。

广义上讲，移动无线信道属于随参信道，该信道的特性比恒参信道的要复杂的多，对信号的影响也要严重的多。

同时，移动无线信道也属于衰落信道，由于电波传播的多样性无法用精确的数学模型来描述其信道模型，只能通过用数学上的随机过程和和统计特性模型的方法建立无线电信号的传播环境来分析和仿真其实际的物理信道，因此，移动衰落信道的建模、分析与仿真将为移动通信传输系统的设计与应用奠定基础。

在移动通信中，由于障碍物阻挡了视距路径，发出的电磁波通常不能直接到达接收天线。

事实上，接收到的电磁波是由建筑物、树木及其它障碍物导致的反射、衍射和散射而产生的来自不同方向的波叠加而成的。

这种现象称为多径传播。

由于多径传播和多普勒效应的影响。

接收机的运动还导致了到达天线的来波的频移（多普勒频移）。

通常瑞利过程适合用来对快衰落建模,本文重点研究用JAKES法对移动衰落信道进行建模。

第28页共28页

第一章绪论

1.1研究背景及意义

移动通信无疑是当下发展最快、应用最广和技术最前沿的通信领域之一。

特别是随着现代通信从第一代（1G）、第二代（2G）发展到第三代（3G）和后三代（B3G），以及学术界和产业界已提出的研究开发第四代（4G）的技术与标准和第五代（5G）移动通信系统的构想，极大地推动了移动通信技术的革命性发展步伐。

同时，移动通信市场也以前所未有的速度朝前推进，所提供的业务随着更高带宽的传输和更大系统的容量的实现[1]。

现代移动通信的发展涉及通信信号与信道、分集接收机与最佳接收机、信源编码与信道编码、数字调制与解调等多方面技术，而无线信道及信道建模构成了移动通信传输技术的理论基础。

移动无线信道属于衰落信道，由于电波传播的多样性无法用精确的数学模型来描述其信道模型，只能通过用数学上随机过程和统计模型的方法建立无线电信号的传播环境来分析和仿真实际物理信道，因此，移动衰落信道的建模、分析与仿真将为移动通信传输系统的设计与应用奠定基础。

1.2研究内容

本文重点研究确定性信道建模的原理，包括两种有色高斯随机过程建模的基本方法：

滤波法和莱斯法，确定性过程的基本性质，确定性过程模型参数（多普勒系数、离散多普勒频率，多普勒相位）的计算方法。

利用MATLAB对确定性瑞利信道进行仿真，并分析最大多普勒频移、谐波函数个数等条件对仿真结果的影响。

本次设计主要运用JAKES法计算确定性过程模型参数,从而建立信道仿真模型,同时给出信道仿真结果的自相关函数及功率谱密度，并与理论值进行比较分析。

第二章无线信道的概念与特性

2.1移动无线信道的概念

移动信道属于无线信道，是移动的动态信道，主要取决于用户所在地环境条件的客观存在，其信道参数是时变的。

移动通信中的各类新技术都是针对移动信道的动态时变特性，为了解决有效性、可靠性和安全性设计的；了解移动信道的特点是解决移动通信关键技术的前提。

移动信道具有下列特点：

（1）传播的开放性：

无线信道是基于电磁波在空间的传播来实现开放式信息传输的；

（2）接收环境的复杂性：

可将接收点地理环境分为3类典型区域，即城市繁华区、近郊区农村/远郊区；

（3）通信用户的随机移动性：

准静态的室内用户通信、慢速步行用户通信、高速车载用户通信。

2.2移动无线信道基本理论

在移动通信中，由于障碍物阻挡了视距路径，发出的电磁波经常不能直接到达接收天线，事实上，接收到的电磁波是由建筑物、树木及其他障碍物导致的反射、衍射和散射而产生的来自不同方向的波叠加而成的。

这种现象为多径传播。

除了多径传播，多普勒效应同样会对移动信道的传输特性产生负面影响。

由于移动单元的运动，多普勒效应降引起每个来波的频移。

由第条入射波的入射方向和移动单元的运动方向定义的入射角按照如下关系式决定第条入射波的多普勒频率：

（2-1）

式中，与移动单元的速度V、光速和载波频率的关系可以用数学表达式表示如下

（2-2）

由于多普勒频移从而引起的多普勒色散，造成信道的时变特性，也就是信道出现了时间选择性衰落。

时间选择性衰落会造成信号失真，这是由于发送信号还在传输的过程中，传输信道的特征已经发生了变化。

信号尾端时的信道特性与信号前端时的信道特性已经发生了变化。

如果信号持续的时间比较短，在这个比较短的持续时间里内，信道的特性还没有比较显著的变化，这时时间选择性衰落并不明显；当信号的持续时间进一步增加，信道的特性在信号的持续时间内发生了比较显著的变化时，就会使信号产生失真。

信号的失真随着信号的持续时间的增长而增加。

2.3移动无线信道的类型

在无线通信系统中,无线信道通常是利用信道的统计特性来分析和仿真的,一般来说,整个无线信道对信号产生的影响,可以分为以下三大类:

2.3.1传播路径损耗模型

一般来说,可以把接收信号的功率或者传播路径的损耗看作一个随机变量,而传播路径损耗模型是用来描述接收信号的平均功率或是传播路径的平均损耗,平均功率会随着传播距离的增加而减少,而传播路径的损耗会随着传播距离的增加而增加,因此,这个随机变量是传播距离的函数,随着距离的改变,会有不同的平均值或中间值。

这种模型中较常使用的模型有:

自由空间传播模型、对数距离路径损耗模型、及Hata模型。

2.3.2大尺度传播模型

这个模型是用来描述信号经过长距离传播的变化（几百个波长或更多波长）,主要探讨各类地形与地物对传播信号所产生的遮蔽效应。

遮蔽效应可以用一个随机变数来描述,大部分的文献都一致的假设:

遮蔽效应会使接收到的信号功率呈现对数常态分布。

对数常态遮蔽效应指的就是:

在相同的传收距离下,不同接收机所接收到的信号强度（单位为dB）将呈现高斯或是常态分布,这也就是说传播路径所造成的功率损耗（以dB为单位）是呈现高斯或是常态分布的,而且这个随机变数标准差的单位也是dB。

大尺度传播中的衰落包括:

信号经过一段距离时信号的平均衰落。

以及大型物体（如山脉或摩天大楼）导致的信号衍射而产生的衰落,并且大尺度衰落的信号的平均功率是缓慢变化的。

2.3.3小尺度传播模型

小尺度模型是用来描述在很短的距离（或时间）内,接收信号功率所呈现快速的变动。

小尺度传播模型是用来探讨小尺度衰落的现象,小尺度衰落也简称为衰落,主要是用来描述无线电信号经过一段很短的时间（或是很短的距离）所产生的快速变化;这些变化包括振幅、相位、频率、多重路径所造成的延迟等等。

这种衰落是基带信号处理所必须要面对的主要问题。

简单的来说,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;而小尺度传播模型则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,两者不可混肴。

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。

多重路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[2]。

2.4移动无线信道的衰落

无线信道是自然界中较为恶劣的通信介质。

由于障碍物的阻挡,电波通常不能从发射端直接到达接收天线。

由于电波的反射、绕射及散射现象,接收端所接收到的信号是各个方向到达的电磁波的叠加。

同时,用户在空间的运动将使接收信号产生多普勒扩展。

衰落直接体现了无线信道的复杂性和随机性,是决定移动通信系统性能的基本问题。

因此深入研究信道衰落机制,建立无线信道传播模型是研究与开发高质量移动通信系统的首要任务。

在无线电波传播过程中,信道会不可避免地受到各种"噪声"的干扰,比如:

加性高斯白噪声、瑞利衰落、莱斯衰落等,这种影响表现为一种快速衰落过程,它对无线信号的传输质量起着决定性的作用,因此无线通信系统的很多研究工作都是围绕着如何降低这种干扰进行的[3]。

根据移动通信衰落信道的工作机理,建立了基于加性高斯白噪声信道、瑞利衰落信道、莱斯衰落信道的仿真模型,并利用MATLAB进行了衰落信道的性能的仿真分析。

2.5瑞利衰落信道模型的实现

瑞利衰落信道