无线通信系统中发射分集技术研究

褚好迎，苏胜君

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)



无线通信系统中发射分集技术研究

褚好迎，苏胜君

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

在无线通信系统中，不同场景下有不同的传播模型。为了研究发射分集技术对抗多径效应的性能，文中总结了无线通讯系统中室外场景下的传播模型。针对传统的Okumura-Hata传播模型来研究不同环境下发射信号的功率损耗，在接收端计算各信号副本的接收功率，通过与预设的接收功率门限作比较，得出每个信号副本以及各副本等增益合并后的信号可用性，从而研究发射分集对于信号可用性的提升作用。仿真结果表明，分集技术能明显提升接收机接收信号的可用性。

无线通信；传播模型；分集技术；多径效应

多径效应是指接收到的视距信号与原信号经过反射或散射后的组合信号，从而对原信号产生干扰。多径信号在结构上会对原始信号产较强的干扰，使原始信号产生畸变等影响。为解决多径效应问题，目前主要的方法有时空组合抗多径法、抗多径信号处理与自适应抵消技术、抗多径天线分集技术等方法[1-3]。

目前主要使用的分集技术有空间分集技术、极化分集、频率分集技术。早期的无线通信系统是在发射端采用空间分集技术，后面又引入频分技术。目前无线通信系统则采用频率分集和空间分集相结合的分集技术。也可采用多天线发射信号，根据不同天线与反射面的垂直距离不同，信号的传输路径差和入射角也不同，这样根据信号产生相位延迟的不同来实现不同的信噪比分配。对于空间分集，若反射面恒定，则空间分离的有效方向为垂直于反射面的方向，所以需要根据实际情况选择分离方向。频率分集是使用多路频率信号传送至发射天线，在同样的信号传播路径下通过改变频率来改变时延的等效相位延迟，从而取得明显的相位差，其对于接收端的瞬时信噪比和平均信噪比均有提升[4]。

1 室外环境下传播模型

Hata-Okumuram模型是根据实测数据建立的模型，该模型提供的数据较齐全，应用较为广泛，适用于VHF和UHF频段。该模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。

当移动台的高度为典型值为hr=1.5 m时，按Hata-Okumura模型计算路径损耗的公式为

Lb=69.55+26.16lgf-13.82lghb-α(hm)+

(44.9-6.55ghb)lgd

(1)

其中，Lb表示市区准平滑地形电波传播损耗中值；f为工作频率；hb为基站天线有效高度；hm为移动台天线有效高度；d为移动台与基站之间的距离；α(hm)为移动台天线高度因子。

(1)大城市环境下，移动台天线高度因子为

α(hm)=8.29[lg(1.54hm)]2-1.1 dB，f≤200 MHz

(2)

α(hm)=3.2[lg(11.75hm)]2-4.97 dB，1500 MHz≥f≥400 MHz

(3)

当hm在1.5～4 m之间时，上面两式基本一致。

(2)对于中小城市环境

α(hm)=(1.1×logf-0.7)hm-(1.56×lgf-0.8)

(4)

(3)对于郊区环境

Lbs=Lb-2×[lg(f/28)]2-5.4

(5)

(4)对于开阔地环境

Lbq=Lb-4.78(lgf)2+18.33×lgf-40.94

(6)

2 发射分集信号性能仿真

在Okumura-Hata模型下，通过Matlab对发射分集的各信号副本在几种传输环境下的路径损耗情况进行仿真，进而说明发射分集从信号功率这一角度对信号可用性的提升作用。信号可用性是指接收机相对于收发机在一定的距离范围内，接收到信号副本i的功率处在接收机功率门限范围内的概率，记为Pi。在发射分集模式下，若同时接收M个信号副本，等增益合并后的信号可用性为P1∪P2…∪Pi，iM。仿真中，将发射端空间-频率分集的4个信号副本的发射功率设为一个定值，信号通过Okumura-Hata模型传输后，在接收端计算各信号副本的接收功率，通过与预设的接收功率门限作比较，得出每个信号副本以及各副本等增益合并后的信号可用性[5-7]。

(1)大城市环境。基于Okumura-Hata大城市模型进行仿真，根据理论研究[8-10]，将仿真条件设置如表1所示。

表1 大城市环境仿真条件设置

各信号副本的接收功率仿真结果如图1所示。

图1 大城市环境接收功率分布

(2)中小城市环境。对于中小城市环境的仿真，仿真条件设置与大城市相同，仿真结果如图2所示。

图2 中小城市环境接收功率分布

(3)郊区环境。基于Okumura-Hata郊区模型进行仿真，将仿真条件设置如表2所示。

表2 郊区环境仿真条件设置

各信号副本的接收功率仿真结果如图3所示。

图3 郊区环境接收功率分布

通过仿真得出郊区环境下该垂足距离范围内的信号可用性，如表3所示。

表3 郊区环境信号可用性

(4)开阔地环境。基于Okumura-Hata开阔地模型进行仿真，仿真条件设置如表4所示。

表4 开阔地环境仿真条件设置

各信号副本的接收功率仿真结果如图4所示。

图4 开阔地环境接收功率分布

通过仿真得出开阔地环境下该垂足距离范围内的信号可用性，如表5所示。

表5 开阔地环境信号可用性

分析各仿真结果可知，相对于城市环境而言，郊区和开阔地的多径效应并不明显，其远场边界距离远超过城市环境(郊区约为12 km，开阔地约为40 km)，接收机在距离发射基站较远的距离范围内均具有良好的信号可用性。

3 结束语

从多径环境下的仿真结果可看出，空间发射分集和频率发射分集均能明显提升接收机接收信号的可用性，且二者组合使用时，对信号可用性的提升效果更佳。但需要说明的是，本次仿真为了更好地说明问题，将接收功率的门限设置得较小，在实际中接收机的接收功率门限会是一个更大的范围，但这并不影响本研究结论的一般性。

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Research on Transmit Diversity in Wireless Communication Systems

CHU Haoying, SU Shengjun

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

In the wireless communication system, there are different propagation models under different scenarios. In order to study the performance of transmit diversity technology against multipath effects, this paper summarizes the propagation model of the outdoor scenes in the wireless communication system. The emitted signal power loss of the traditional Okumura Hata propagation model, under different environments is studied, the copies of signal received power at the receiving end is calculated and compared with the preset received power threshold to obtain the signal availability of each copy and the copy of the equal gain combination in order to study the improvement of the signal availability by the transmit diversity. The simulation results show that the diversity technology can significantly improve the availability of the receiver signal.

wireless communication; propagation model; diversity technique; multipath effect

2016- 01- 19

全国大学生科技创新重点基金资助项目(201310252003)

褚好迎(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：通信技术，无线传感器网络等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.006

TN929.533

A

1007-7820(2016)11-019-03