移动通信衰落信道的仿真分析

总第182期2009年第8期

舰船电子工程ShipElectronicEngineeringVol.29No.8 108

移动通信衰落信道的仿真分析

刘 坤 刘国芳 欧阳海波

(63888部队 济源 454650)

*

摘 要 介绍了无线信道的基本概念和特性,对幅度服从莱斯分布和瑞利分布的衰落信道的概率密度函数进行仿真。建立了多径衰落信道模型,详细分析了BFSK信号在多种衰落信道中误比特率与信噪比的关系,并进行了性能比较。仿真的结果表明,瑞利衰落信道的误比特性能较高斯白噪声信道和莱斯信道的误比特性能更差,且所建立的仿真方法可以作为多径衰落信道的分析方法。

关键词 衰落信道;误比特率;瑞利衰落信道;莱斯衰落信道;高斯白噪声信道中图分类号 TP391.9

SimulationofMobileCommunicationFadingChannel

LiuKun LiuGuofang OuyangHaibo(No.63888TroopsofPLA,Jiyuan 454650)

Abstract Thebasicconceptsandthecharacteristicsofmobileradiochannelareintroduced.ThesimulationofCDFandPDFofRicianandRayleighfadingchannelisdone.Themodelsofmultipathfadingchannelareestablished.TherelationshipofBERandSNRinBFSKisanalysedindetail.ThesimulationresultsinMatlabshowthattheperformanceofBERinRayleighchannelisworsethanAWGNandRicianchannel,andthemodel smethodcanbeappliedtothemethodofanalysisofmultipathfadingchannel.

Keywords fadingchannel,BER(biterrorrate),Rayleighfadingchannel,Ricianfadingchannel,AWGNchannelClassNumber TP391.9

1 引言

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

[1]

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(AWGN)、瑞利衰落(RayleighFading)、莱斯衰落(RicianFading)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[2]。

本文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(AWGNChannel)、瑞利衰落信道(RayleighFadingChannel)、莱斯衰落信道(RicianFadingChannel)的仿真模型,并利用Matlab进行了衰落信道的误比特率性能的仿真分析。

。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。

*

收稿日期:2009年4月12日,修回日期:2009年5月14日

作者简介:刘坤,男,助理工程师,研究方向:通信对抗。刘国芳,女,硕士,工程师,研究方向:通信对抗。欧阳海波,男,,:

2 衰落信道模型

移动信号在空间传播中所经历的衰落大体可以看成两类衰落的叠加,大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落是因为发射机与接收机之间的距离和两者之间障碍物(如山丘、森林、建筑物等)的遮蔽影响而造成的信号强度衰减,它反映了移动信号在较大区域中的平均能量的减少或称为路径损失。相比较而言,这种衰落的变化是缓慢的,因此大尺度衰落也被称作慢衰落。

引起小尺度衰落的原因是移动信号的多径传播。电波在移动环境中传播时,会遇到各种物体,经反射,散射、绕射、到达接收天线时,已成为通过各个路径到达的合成波,即多径传播模式。各传播路径分量的幅度和相位各不相同,其合成信号幅度表现为快速的起伏变化,变化率要比慢衰落高几个数量级,因此小尺度衰落也被称作快衰落。

尽管多径引起的衰落变化很快,但对于频带较窄(例如GSM系统)的移动信号来说,仍然可以认为衰落在一个符号周期内保持不变。在这种情况下,调制符号的周期比由多径引起的时延扩展要大,因此,在一个符号周期内的所有频率分量都会经历相同的衰减和相移,信道对于所有频率分量来说是平坦的。因而被定义为平坦衰落信道。研究表明,平坦衰落的幅度符合Rayleigh分布或者Rician分布。

1)当发送天线和接收天线间存在有视在路径时,衰落幅度符合Rician分布:

ri=

xi+ )+yi

MATLAB中的函数find和length来求得符合要求的衰落序列的数量,这些衰落序列的衰落值要低于特定的门限值。得到K=7时莱斯分布累积分布函数(CDF)的近似估计,如图1所示。

2)当发送天线和接收天线间不存在有视在路径时,衰落幅度符合Rayleigh分布:

i=变量。

Rayleigh衰落幅度的概率密度函数为:fRayleigh( )=

22

02exp[- /2 ] (5)

i+yi

2

(4)

其中:xi和yi都是均值为0,方差为 的高斯随机

对于Rician和Rayleigh的衰落来说,它们相位都符合[-!,!]的均匀分布。另外,Rayleigh衰落也可以看成是Rician衰落在K=0时的特例。

本文采用Matlab中的hist函数得到Rayleigh

2

的概率密度值,图2所示是 分别等于0.5、1、2时

瑞利随机变量的概率分布曲线。

3)描述衰落的另一个重要参数是多普勒频移,当接收机以速度v运动时,它所接收到信号的频率不再和发送信号相一致,而存在一个随机的频率偏移:

f=fd#cos#i,fd=

c

c

(6)

(1)

其中,下标i表示Ti时刻; 表示视在路径下的幅

2

度分量;xi和yi都是均值为0,方差为 的高斯随

机变量,表示经反射、散射、绕射等路径到达的幅度分量。

Rician衰落幅度的概率密度函数为:

222

fRician( )=exp[-( + )/2 ]I

其中:#i表示从第i条路径到达接收机的信号与速度方向的夹角,c为光速,fc为载波频率,fd被定义为多普勒频移,它反映了衰落变化的快慢。在时域上,多普

(2)

勒频域造成了相隔Td=0.5/fd时间之内的衰落相关,Td称为相干时间;在频域上,接收信号的频率f扩展为以载波频率fc为中心,范围为 fd的频谱。

其中,I0[]为零阶Bessel函数。对Rician衰落经常定义其在视在路径下的幅度分量与其它路径下的

2

幅度分量总和的比值为K系数;K= /2 2,它表

示了反射信号功率与散射信号功率的比值。

另外,莱斯分布的累积分布函数(CDF)为:CRician( )=1-ex

p(- )

3 平坦衰落的Matlab仿真

3.1 系统的组成

利用Matlab中的simulink软件对系统进行仿真,模型如图3所示。

%信源:由伯努利二进制随机数产生器和MF SK调制器组成,对基带数据进行BFSK调制,产生!

m

Im

(3)在本文中,我们是通过迭代法得到莱斯分布的

累积分布函数(CDF)。在每一步迭代中,我们用

图3 系统的仿真模型

表1 相同环境下,不同信道的误码率[5]

AWGNRicianRayleigh

0.34750.35630.982

20.31120.34330.3991

40.25110.29530.3459

60.24110.24670.3013

80.17630.18460.2511

100.12110.12230.2116

120.07510.08950.1726

140.0310.0730.123

%信道:对于不同的移动环境,分别选用不同的信道模块,如:加性高斯白噪声模块(AWGNchannel)、多径瑞利衰落信道模块(MultipathRay leighfading)、莱斯衰落信道模块(RicianFading)。信道模块在BFSK调制信号中加入衰落,然后在衰落信号中再叠加高斯白噪声。

%信宿

:BFSK基带解调器对信号进行解调,然后通过误码率计算器计算误比特率。3.2 系统仿真与结果分析

图4为BFSK信号分别在高斯白噪声信道、瑞利衰落信道和莱斯衰落信道的仿真图,其中,fd=20Hz,Rician的K因子为5。

图中,横轴表示信道的信噪比,纵轴表示BFSK信号的误比特率。

从图中可以看出:1)对于相同的信

图4 三种信道下误比特率

与信噪比的关系图

合的,因而仿真方法可以作为比较准确的多径衰落信道的分析方法,同时有利于在其他的多径衰落信道应用和推广。

4 结语

本文详细地分析了瑞利衰落信道和莱斯衰落信道的误码率性能,并与加性高斯信道进行比较。仿真结果表明瑞利衰落信道对系统的误码率性能的影响最大,这将会严重影响通信系统的性能。但是信道衰落又是不可避免的,因此,需要采取各种措施来提高通信系统的性能。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是采用各种分集接收技术,如:空间分集、频率分集、角度分集、极化分集等,它们已在短波通信、移动通信中得到广泛的应用。实践证明,采用分集接收技术后,能够大大地减少对信号衰落的影响,从而提高了系统的通信性能。

参考文献

[1]RappaportTS.Wirelesscommunicationsprinciples

andpractice[M].NewYorkPrenticeHallInc,1996:139~189

[2]Stuber,G..L.PrinciplesofMobileCommunication,Second

Edition[M].KluwerAcademicPublishers,2000

[3]ZhengYR,XiaoC.Improvedmodelsforthegenera

tionofmultipleuncorrelatedRayleighfadingwaveforms[J].IEEECommunicationsLetters,2002,6(6):256~258

[4]COST207,DigitalandMobileRadiocommunications,

OfficeforOfficialPublicationsoftheEuropeanCom munities,Abschlussbericht,Luxemburg,1989[5]吴志忠.移动通信无线电波传播[M].北京:人民邮电

出版社,2002

噪比,信号在高斯白噪声信道中的误比特率

特性优于莱斯衰落信道,在莱斯信道中的误比特率特性优于瑞利衰落信道。

2)从图中可以看出,当SNR=10dB时,加性高斯白噪声信道的误比特率低于0.05,而多径瑞利衰落信道和莱斯衰落信道的误比特率高于0.1。这样要在瑞利衰落信道和莱斯衰落信道中获得与高斯白噪声信道相同的传输效果,就要增加信号的SNR。在移动通信系统中,瑞利衰落是不可避免的,因此,需要采用其他的措施来提高通信系统的性能。

3)采用本文的仿真方法的SNR与误码率的

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