無線信道系統(tǒng)的仿真與分析

無線信道系統(tǒng)的仿真與分析

1無線信道傳播模型及其關(guān)鍵技術(shù)無線通信是自然界最糟糕的通信手段。由于障礙物的阻擋,電波通常不能從發(fā)射端直接到達接收天線。由于電波的反射、繞射及散射現(xiàn)象,接收端所接收到的信號是各個方向到達的電磁波的疊加。同時,用戶在空間的運動將使接收信號產(chǎn)生多普勒擴展。衰落直接體現(xiàn)了無線信道的復雜性和隨機性,是決定移動通信系統(tǒng)性能的基本問題。因此深入研究信道衰落機制,建立無線信道傳播模型是研究與開發(fā)高質(zhì)量移動通信系統(tǒng)的首要任務。在無線電波傳播過程中,信道會不可避免地受到各種“噪聲”的干擾,比如:加性高斯白噪聲(AWGN)、瑞利衰落(RayleighFading)、萊斯衰落(RicianFading)等,這種影響表現(xiàn)為一種快速衰落過程,它對無線信號的傳輸質(zhì)量起著決定性的作用,因此無線通信系統(tǒng)的很多研究工作都是圍繞著如何降低這種干擾進行的。本文根據(jù)移動通信衰落信道的工作機理,建立了基于加性高斯白噪聲信道(AWGNChannel)、瑞利衰落信道(RayleighFadingChannel)、萊斯衰落信道(RicianFadingChannel)的仿真模型,并利用Matlab進行了衰落信道的誤比特率性能的仿真分析。2基于規(guī)則的主導下的rician衰落移動信號在空間傳播中所經(jīng)歷的衰落大體可以看成兩類衰落的疊加,大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落是因為發(fā)射機與接收機之間的距離和兩者之間障礙物(如山丘、森林、建筑物等)的遮蔽影響而造成的信號強度衰減,它反映了移動信號在較大區(qū)域中的平均能量的減少或稱為路徑損失。相比較而言,這種衰落的變化是緩慢的,因此大尺度衰落也被稱作慢衰落。引起小尺度衰落的原因是移動信號的多徑傳播。電波在移動環(huán)境中傳播時,會遇到各種物體,經(jīng)反射,散射、繞射、到達接收天線時,已成為通過各個路徑到達的合成波,即多徑傳播模式。各傳播路徑分量的幅度和相位各不相同,其合成信號幅度表現(xiàn)為快速的起伏變化,變化率要比慢衰落高幾個數(shù)量級,因此小尺度衰落也被稱作快衰落。盡管多徑引起的衰落變化很快,但對于頻帶較窄(例如GSM系統(tǒng))的移動信號來說,仍然可以認為衰落在一個符號周期內(nèi)保持不變。在這種情況下,調(diào)制符號的周期比由多徑引起的時延擴展要大,因此,在一個符號周期內(nèi)的所有頻率分量都會經(jīng)歷相同的衰減和相移,信道對于所有頻率分量來說是平坦的。因而被定義為平坦衰落信道。研究表明,平坦衰落的幅度符合Rayleigh分布或者Rician分布。1)當發(fā)送天線和接收天線間存在有視在路徑時,衰落幅度符合Rician分布:ri=(xi+β)2+y2i???????????√(1)ri=(xi+β)2+yi2(1)其中,下標i表示Ti時刻;β表示視在路徑下的幅度分量;xi和yi都是均值為0,方差為σ2的高斯隨機變量,表示經(jīng)反射、散射、繞射等路徑到達的幅度分量。Rician衰落幅度的概率密度函數(shù)為:fRician(γ)=γσ2exp[?(γ2+β2)/2σ2]I(2)fRician(γ)=γσ2exp[-(γ2+β2)/2σ2]Ι(2)其中,I0為零階Bessel函數(shù)。對Rician衰落經(jīng)常定義其在視在路徑下的幅度分量與其它路徑下的幅度分量總和的比值為K系數(shù);K=β2/2σ2,它表示了反射信號功率與散射信號功率的比值。另外,萊斯分布的累積分布函數(shù)(CDF)為:CRician(γ)=1-exp(-γ)∑0∞∑0∞[βγ]mIm[γβσ2](3)[βγ]mΙm[γβσ2](3)在本文中,我們是通過迭代法得到萊斯分布的累積分布函數(shù)(CDF)。在每一步迭代中,我們用MATLAB中的函數(shù)find和length來求得符合要求的衰落序列的數(shù)量,這些衰落序列的衰落值要低于特定的門限值。得到K=7時萊斯分布累積分布函數(shù)(CDF)的近似估計,如圖1所示。2)當發(fā)送天線和接收天線間不存在有視在路徑時,衰落幅度符合Rayleigh分布:γi=x2i+y2i??????√(4)γi=xi2+yi2(4)其中:xi和yi都是均值為0,方差為σ2的高斯隨機變量。Rayleigh衰落幅度的概率密度函數(shù)為:fRayleigh(γ)=γσ2exp[?γ2/2σ2]γ≥0(5)fRayleigh(γ)=γσ2exp[-γ2/2σ2]γ≥0(5)對于Rician和Rayleigh的衰落來說,它們相位都符合[-π,π]的均勻分布。另外,Rayleigh衰落也可以看成是Rician衰落在K=0時的特例。本文采用Matlab中的hist函數(shù)得到Rayleigh的概率密度值,圖2所示是σ2分別等于0.5、1、2時瑞利隨機變量的概率分布曲線。3)描述衰落的另一個重要參數(shù)是多普勒頻移,當接收機以速度v運動時,它所接收到信號的頻率不再和發(fā)送信號相一致,而存在一個隨機的頻率偏移:Δf=fd×cosθi,fd=v×fcc(6)Δf=fd×cosθi,fd=v×fcc(6)其中:θi表示從第i條路徑到達接收機的信號與速度方向的夾角,c為光速,fc為載波頻率,fd被定義為多普勒頻移,它反映了衰落變化的快慢。在時域上,多普勒頻域造成了相隔Td=0.5/fd時間之內(nèi)的衰落相關(guān),Td稱為相干時間;在頻域上,接收信號的頻率f擴展為以載波頻率fc為中心,范圍為±fd的頻譜。3扁平下降的matlab模擬3.1bfsk調(diào)制信號利用Matlab中的simulink軟件對系統(tǒng)進行仿真,模型如圖3所示?！ば旁?由伯努利二進制隨機數(shù)產(chǎn)生器和MFSK調(diào)制器組成,對基帶數(shù)據(jù)進行BFSK調(diào)制,產(chǎn)生輸出信號。·信道:對于不同的移動環(huán)境,分別選用不同的信道模塊,如:加性高斯白噪聲模塊(AWGNchannel)、多徑瑞利衰落信道模塊(MultipathRayleighfading)、萊斯衰落信道模塊(RicianFading)。信道模塊在BFSK調(diào)制信號中加入衰落,然后在衰落信號中再疊加高斯白噪聲?！ば潘?BFSK基帶解調(diào)器對信號進行解調(diào),然后通過誤碼率計算器計算誤比特率。3.2信號的snr仿真圖4為BFSK信號分別在高斯白噪聲信道、瑞利衰落信道和萊斯衰落信道的仿真圖,其中,fd=20Hz,Rician的K因子為5。圖中,橫軸表示信道的信噪比,縱軸表示BFSK信號的誤比特率。從圖中可以看出:1)對于相同的信噪比,信號在高斯白噪聲信道中的誤比特率特性優(yōu)于萊斯衰落信道,在萊斯信道中的誤比特率特性優(yōu)于瑞利衰落信道。2)從圖中可以看出,當SNR=10dB時,加性高斯白噪聲信道的誤比特率低于0.05,而多徑瑞利衰落信道和萊斯衰落信道的誤比特率高于0.1。這樣要在瑞利衰落信道和萊斯衰落信道中獲得與高斯白噪聲信道相同的傳輸效果,就要增加信號的SNR。在移動通信系統(tǒng)中,瑞利衰落是不可避免的,因此,需要采用其他的措施來提高通信系統(tǒng)的性能。3)采用本文的仿真方法的SNR與誤碼率的關(guān)系曲線與理論計算值(表1)。基本上是相對吻合的,因而仿真方法可以作為比較準確的多徑衰落信道的分析方法,同時有利于在其他的多徑衰落信道應用和推廣。4通信系統(tǒng)性能的提升本文詳細地分析了瑞利衰落信道和萊斯衰落信道的誤碼率性能,并與加性高斯信道進行比較。仿真結(jié)果表明瑞利衰落信道對系統(tǒng)的誤碼率性能的影響最大,這將會嚴重影響通信系統(tǒng)的性能。但是信道衰落又是不可避免的,因此,需要采取各種措施來