无线信道快衰落时频特性及其仿真研究

沈 渊，张剑锋

(福建师范大学 闽南科技学院，福建 泉州 362332)

0 引言

无线通信的迅猛发展已经使得无线电波传输信道预测成为通信领域的研究热点。然而无线信道是一种恶劣的通信介质，电磁波的反射、散射、绕射使得收发天线的接收波是多个信号的迭加，它们对收发天线上的来波的方向角度、时间延迟等量产生影响，引起了信号的快衰落。实际中，通常采用统计的方法描述信道，并建立信道的统计模型。本文在研究信道特性的基础上针对快衰落的无线移动信道进行仿真，突出了多种调制方式下的多径传播，多谱勒频移，AWGN信道等信道模型的仿真效果。

1 无线信道的参数传输特性

在存在多径传播的随参信道中，就每条路径的信号而言，它的衰耗和时延都是随机变化的。因此多径传播后的接收信号将是衰减和时延都随时间变化的各路径的信号的合成。

1.1 多径的衰落和频率时变特性

1.2 多普勒频移

多普勒频移使信号呈现随机的频率调制特性，多普勒扩展引起信道的时变特性，用相干时间［3］Tc(信道保持恒定的最大时间差)来描述。Tc＜Ts(信号符号时间)时发生快衰落，Tc＞Ts时经历慢衰落。当通信双方发生对位移动时，多普勒频移可表示为［5］:

其中，fd为频率色散，θ1，θ2分别为两个移动物体之间移动方向和两物体连线的夹角，vo和vs分别为两物体各种的移动速度。以上数学模型作为下面移动通信系统关于时间选择衰落的仿真模型基础。

2 无线传输信道统计实验仿真

根据对多径信道特性的研究，可以得出接受端信号的概率分布，电波衰落特性的统计规律，这种仿真将为研究移动信道抗衰落技术提供基本依据［4］。

2.1 调制信号通过AWGN和多径信道的统计接收研究

图1 AWGN信道接收星座图

(1)在AWGN信道中仿真时规定的参数包括有调制方式、信道信噪比，发送码元数等。下面给出用64QAM调制，在改变信噪比(从小到大)条件下的部分图形(发送和接收星座图对比等)，仿真时加入高斯加性噪声。

当加性高斯白噪声信道的信噪比分别为10db、20db、25db，而发送码元数为10000个时，信号调制后仿真通过AWGN信道接收信号星座图分别如图1所示。

通过统计误码率分别为0.0022、0.0012、0.0003。当信噪比达到25 db，误码率为0。本仿真可以提供对于AWGN信道不同调制信号和不同信道参数等情况的关于接收参数的结果统计对比。

(2)快衰落信道的统计实验仿真。在上面采用64QAM调制的基础上，建立信道数学模型［6］为:

当出现瑞利衰落时，数学模型改写为:

图2 多径数对瑞利衰落的变化规律

①当没有莱斯因子时，取不同多径值从小到大，观察其变化，寻找其规律，如取多径数n=10，根据上面的数学信道模型，借用hist函数给出了接收信号的概率分布，得出它与标准瑞利分布的对比如图2左边;当取多径数为5000时，得出它与标准瑞利分布的对比如图2右边，可得出结论，在多径数较多时(与实际无线通信中的大多数场合相符)，其接收信号的概率密度函数与标准分布越来越接近，并可从该仿真中得出其多径数变化时的规律，它可以为实际系统的改进提供理论依据和优化方向。

②当存在无线视距传输时，莱斯系数取不同取值如图3左边中取系数为100，多径数为999，接收概率分布跟标准瑞利分布对比。为进一步说明问题，假设在接收端信号的两个分量已经服从高斯分布，在接收端得出它的幅度分布和标准瑞利分布也是相近的。为了说明问题，我们直接不让信号通过信道，而直接假设在接收端信号的两个分量已经服从高斯分布，在接收端我们得出它的幅度分布和标准瑞利分布的比较图(图3右)(实线为标准瑞利分布的概率密度图):

根据对以上的信道模型进行的仿真，我们得出接受端信号的概率分布，电波衰落特性的统计规律，这种仿真将为研究移动信道抗衰落技术提供基本依据。

图3 莱斯衰落及瑞利极限情况的接收概率分布

2.2 频率信号的多径和多谱勒频移的综合统计仿真

考虑多谱勒频移造成的时间选择性衰落及多径时延下的频率选择性衰落对信号接收的综合效应，仿真信号和信道两方面的随机参数的影响，得到不同仿真条件下的检测曲线如图4。

图4 快衰落综合影响下信号的幅频和相频特性

图4 表示发送6径多频信号，其中各路衰落系数为［1，0.3，-0.8，0.5，-0.4，0.2］时接收信号的情况。图中左边为幅频畸变，右边为相频畸变。其中实线为没有加多谱勒频移的接受信号。虚线为产生加多谱勒频移时的接收信号，虚线从上到下对应下面四种情况:a.大多谱勒频移小多径时延b.大多谱勒频移大多径时延c.小多谱勒频移小多径时延d.小多谱勒频移大多径时延。如从左图中第一和第二幅图中，我们可以看出当大时延时产生频率选择性衰落严重。而从左边第二和第四幅图中，可以看出当大多谱勒频移时出现严重的时间选择性衰落。本仿真可对多径及多普勒进行综合仿真并体现其它关于接收信号的时频特性。为无线通信信道的理论研究和信道仿真提供直观的参考依据，对实际系统的优化方向也有一定的理论指导意义。

3 快衰落信道补偿解决方案

快衰落信道衰落的克服和补偿要用多种方法综合起来进行控制和优化，包括分集，其中空间分集和频率分集用得较多，在实际使用时可以用组合式的。如采用二重空间分集、二重频率分集来构成四重分集;另外有跳频/扩频方式，如在呼叫期间，载波频率在几个频率上变化，以克服瑞利衰落、抵抗衰落现象。在此基础上，同时采用数字技术和纠错编码技术在一定程度上可提高抗干扰性正。

由于数字信号处理的发展，OFDM及MIMO等技术的发展和结合引起了广泛的关注。目前，人们越来越多的研究超3G、4G系统，力求容纳庞大的用户数，改善通信质量、达到高速数据传输的要求。

4 结语

当前，个人通信系统和室内无线局域网的发展已经使室内微微小区成为电波传播的主要环境。通过各种通信信道系统的理论研究可以知道，在这种环境下，现有的预测模型需要在考虑上述因素的基础上进一步修正和提高。也就是说，除了常规的如路径损耗和延迟扩展等参数外，还需明确信号的空间传播特性、散射体的空间分布、接收天线上多径分量来波方向角度分布等信息，所以信道模型必然朝着空时域、空频域信道模型方向发展，以便利用智能天线和MIMO系统提高移动通信系统的容量，促进移动通信系统的快速发展。

［1］宋晓晋，宋铁成，沈连丰.移动通信衰落信道的建模与仿真［J］.东南大学学报:自然科学版，2005(3):338-342.

［2］章俊，刘国庆，刘力军，等.多径信道衰落与时延的模拟研究［J］.南京工业大学学报，2006，28(2):19-22.

［3］JERUCHIM，BALABBANP，SHANGMUGANK.Simulation of Communication SyStems［M］.Plenum Press，1994.

［4］Digital Video Broadcasting(DVB);Framing structure，channel coding and modulation for digital terrestrial television.In:ETSI EN 300 744 V1.4［S］.1European Standard(Telecommunications series)(2001-01).

［5］刘刚，郭漪，葛建华.MIMO-OFDM系统中信道估计技术的性能评估［J］.电路与系统学报，2005，10(6):119-122.

［6］John G.Proakis.DigitalCommunicatioms［M］.4th ed.Beijing:Publishing house of electronics industry，2001.