（通信与信息系统专业论文）phs系统在移动信道下无线链路的性能研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在研究p h s 系统中，首要的工作就是认识移动信道本身的特性，研究无线 信道特性所带来的一些具体问题。在规划和建设城市微蜂窝数字移动通信网时， 从选择频段、分配频率、考虑无线电覆盖范围、计算通信可信度以及系统内和 系统间的电磁干扰，到最终确定无线设备的参数，都有赖于对信道和电波特性 的深入掌握。本文在研究移动信道特性的基础上，进行了如下主要工作： 本文重点研究了p h s 系统在衰落信道下及同信道干扰下的无线链路性能。 研究p h s 空中接口技术链路层的工作原理，探讨几种分集合并技术对系统无线 链路性能的影响，以及存在同信道干扰时p h s 接收的性能。为深入了解p h s 系 统的原理、p h s 基站和手机的设计、改进及对p h s 网络规划提供参考和依据。 文章首先介绍了三种可能应用于p h s 接收机的合并方法；接着给出了不同信道 条件下p h s 的误码率性能的仿真结果和分析，证明同信道干扰与最大多径延迟 扩展对系统性能影响很大，在通常微小区应用场合采用p d m r c 具有最好的性 能；同时讨论了同信道干扰下p h s 系统性能，并由此计算了实际同频复用距离。 在p h s 系统运行过程中，无线链路失败是一个经常发生的现象，也是导致 无线链路非人为释放的主要原因，对它的定位一直是个难点。在移动信道下， 导致无线链路失败的原因有许多，比如无线衰落环境，功率控制等等。在熟悉 移动信道特性和无线链路工作原理基础上，文章进一步研究了p h s 系统无线链 路失败的基本判断机理，给出了分析定位无线链路失败的大致流程，并提出了 相应的解决方法或策略，最后通过m e l c o 的测试例子说明定位p h s 无线链路失 败的分析方法。 关键词：移动信道，检测后等增益合并，同频复用距离，t p c 合并算法， 无线链路失败 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h er e s e a r c ho fp h ss y s t e m ，t h ef i r s tt a s ki st ou n d e r s t a n dt h ec h a r a c t e r i s t i e s o f t h em o b i l ec h a n n e l ，a n dr e s e a r c ht h ec o r r e l a t i v ec h a r a c t e r i s t i e sc a u s e db ym o b i l e c h a n n e l i nt h e p l a n n i n ga n d c o n s t r u c t i o no fu r b a nm i c r o - c e l l u l a rm o b i l e c o m m u n i e a t i o nn e t w o r l 【，f r o mb a n ds e l e c t i o n , f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n , r a d i oc o v e r a g e ， c a i c u l a t i o no f c o m m u n i c a t i o i l sc r e d i b i l i t y t ot h ef m a lp a r a m e t e r so f w i r e l e s sd e v i c e s , d e p e n do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er a d i oc h a n n e la n dg r a s p b a s e do nt h es t u d yo f t h ec h a r a c t e r i s t i e so f t h em o b i l ec h a n n e lb a s i s ，t h em a j o ro n e sa r ea sf o l l o w s ： i nt i f f sp a p e r , w ef o c u so nt h eb i te l i o rr a t ep e r f o r m a n c eo fp h sa i ri n t e r f a c e f i r s tw ea d d r e s st h ep h y s i c a ll a y e ro fp h sa n dt h e ng i v et h e3c o m b i n i n gt e c h n i q u e s c h e m e sp o s s i b l yi m p l e m e n t e di np h sr e c e i v e r ，i n c l u d i n gp o s t d e t c c t i o nm a x i m a l r a t i oc o m b i n e r ( p d m r c ) ，p o s t d e t e c t i o n e q u a i g a i n c o m b i n e r ( p d e g c ) a n ds e l e c t i v e c o m b i n e r ( s c ) t h e ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i so fp h s b e rp e r f o r m a n c ei n v a r i o u sm o b i l er a d i oc h a n n e l sa r eg i v e ms i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tc o - c h a n n e l i n t e r f e r e n c ea n dm a x i m u mm u l t i - p a t hd e l a ys p r e a di m p a c to nt h eb e rp e r f o r m a n c e s i g r f i f i c a n t l ya n dp d m r cg i v e st h e b e s tp e r f o r m a n c ei nm o s tc o m m o np i c o 。c e l l e n v i r o n m e n t l a s tw ed i s c l l s st h ep e r f o r m a n c ew i t hc c ia n dc a l c u l a t et h ef r e q u e n c y r e u s ed i s t a n c e t h ep a p e ra n a l y s et h ee s s e n t i a lc a u s eo fr a d i ol i n kf a i l u r e ，e s p e c i a l l yi ns h o ， a n dp r o v i d es o m eu s e f u lm e t h o d st ot r o u b l e s h o o tt h ec a n s ei nt e s t i n g f i r s t ，t h es i n g l e r a d i ol i n kw a sc o n c e r n e d , s o m ep o t e n t i a lc a l l f o rr a d i ol i n kf a i l u r ei ns i n g l er a d i o l i n kw a sl i s t e d ；a f t e ra n a l y s et h ee f f e c to ft p cc o m b i n i n go nr lf a i l u r ed u r i n g h a n d o v e r , p o i n tt h a t t l l et p cc o m b i n i n ga l g o r i t h mw i l lc a u s er lf a i l u r em o f r e q u e n t l yd u r i n gh a n d o v e rt h a no n er l t h e ns o m ei s s u e sw h i c hc a nc a u s er a d i ol i n k f a i l u r ew e r ea n a l y s e di nd e t a i l s u c ha st p cp a r e mm o d e ，u n b a l a n c eb e t e c l lt w o r a d i ol i n k s t p ce r r o ra n da c t i v es e tn u m b e r f i n a l l y ，s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sw e r e s u m m a r i z e dt ou n d e r s t a n dr lf a i l u r ea n dt oa v o i dr lf a i l u r ed u r i n gh a n d o v e r k e yw o r d s ：m o b i l ec h a n n e l ，p d e g c ，f r e q u e n c y r e u s ed i s t a n c e ，t p cc o m b i n i n g a l g o r i t h m ，r lf a i l u r e n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写的成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构学 位证书而使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 龇融嗍迹谨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在研究p h s 系统中，首要的工作就是认识移动信道本身的特性，研究无线 信道特性所带来的一些具体问题。本文在研究移动信道特性的基础上，首先介 绍了三种可麓应用于p h s 接收机的合并方法；接着给出了不同信道条件下p h s 的误码率性能的仿真结果和分析，证明同信道干扰与最大多径延迟扩展对系统 性能影响很大，在通常微小区应用场合采用p d m r c 具有最好的性能；同时讨 论了同信道干扰下p h s 系统性能，并由此计算了实际同频复用距离。而后进一 步研究了p h s 系统无线链路失败的基本判断机理，给出了分析定位无线链路失 败的大致流程，并提出了相应的解决方法或策略，最后通过m e c o 的测试例子 说明定位p h s 无线链路失败的分析方法。 1 2 研究背景 当前移动通信的发展趋势是：移动电话发展的速度大大超过固定有线电话， 成为信息通信产业的亮点。据美国商业周刊预测：1 9 9 7 年全球移动电话约2 亿部，固定有线电话近l o 亿部 至2 0 1 0 年全球移动电话将达到1 3 亿部，年 均增长率为2 5 ，而固定有线电话将达到1 4 亿部，年均增长率仅为4 。我 国二者的增长数量也呈现了类似的规律，移动电话的年增长速度大大超过固定 有线电话。因此移动通信将成为2 1 世纪非常重要的通信工具，它将与有线通信 具有同样重要的战略地位。移动通信正以其高速增长的市场、非凡发展的潜力， 成为未来整个信息通信产业耀眼的亮点。 移动通信设备正朝着数字化、宽带化、小型化的方向发展。当前各种移动 通信系统都已经从第一代模拟技术过渡到第二代数字技术，频谱效率大大提高。 终端的移动性、小型化取得显著进展，作为第三代移动通信系统必须满足多媒 体业务的需求，数字传输数率耍达到2 m b i t s 以上。国际上都在努力攻克 w c d m a 的技术难题，并已取得可喜的进展。 移动通信网络正朝着综合化、智能化、全球化、个人化的方向发展。蜂窝、 武汉理工大学硕士学位论文 无绳、寻呼和集群等各种移动通信系统将在第三代中以全球通用、系统综合作 为基本出发点逐步融合，力图建立一个全球性移动综合业务数字网。各种低、 中、高轨道卫星移动通信系统纷纷推出，借以解决全球覆盖、三维空间的个人 移动通信。移动通信网作为一种理想的智能接入网，将来必定要与固定通信网 综合成全球一网，为实现个人通信的理想奠定基础。 移动通信技术的发展： ( 1 ) 第一代( 1 g ) 移动通信技术 人们习惯于将模拟蜂窝系统称为第一代移动通信系统，美国是率先开发模 拟蜂窝系统的国家之一，主要有a m p s 和a r t s 系统，分别于1 9 8 3 年i o 月和 1 9 8 4 年初投入运营。日本是最早研制汽车电话系统的国家之一，它研制的 9 0 0 m h z 大容量汽车电话系统( h c m t s ) 于1 9 7 9 年投入使用。北欧四国开发的 n m t - 4 5 0 移动电话系统于1 9 8 1 年投人使用。英国的t a c s 蜂窝系统于1 9 8 5 年 1 月投入营运。西德的c - 4 5 0 系统于1 9 8 6 年8 月投人使用。加拿大的a m p s 系统 于1 9 8 5 年7 月在多伦多投入使用。 我国于1 9 8 7 年开始建立模拟蜂窝通信系统，基本是采用英国的l 址s 标 准。模拟蜂窝的主要技术是提出了蜂窝状小区制网络结构；采用频率复用及多 信道共用技术，提高了频谱利用率和系统容量；采用越区切换及位置登记等技 术，方便计费和管理；计算机及智能技术的应用，提高了模拟网的管理水平。 模拟网的发展标志着移动通信的一次革命。 ( 2 ) 第二代( 2 g ) 移动通信技术 人们习惯将数字蜂窝系统称为第二代移动通信系统。由于模拟蜂窝系统具 有以下致命的弱点：一是各系统问没有公共接口；二是无法与固定网迅速向数 字化推进相适应，数据承载业务很难开展；三是频谱利用率低，无法适应大容 量要求；四是安全保密性差，易被窃听。因此，一些发达国家早在7 0 年代初 就着手考虑数字蜂窝移动通信技术的研究开发。在数字蜂窝技术的发展中，最 引人注目的有三种标准： 欧洲的g s m 系统。 g s m 标准又称泛欧数字蜂窝移动通信系统或全球移动通信系统。它是欧洲 1 9 国通过协议制定的一种能在欧洲统一使用的数字蜂窝技术标准。在此之前， 欧洲各国使用的模拟蜂窝系统有多种制式，难以互通。 g s m 系统采用t d m a 技术，系统容量为t a c s 的3 6 倍。调制方式为高斯滤 2 武汉理工大学硕士学位论文 波最小频移键控( g m s k ) ，并采用了非线性功率放大器，具有等幅包络、窄带、 相干检测能力好、带外辐射小、输出功率谱好等优点。 北美i s 5 4 ( 也称d a m p s 或a d c ) i s 5 4 系统是美国通信工业协会于1 9 8 9 年制定的模拟数字兼容的数字蜂 窝标准。由于北美模拟蜂窝标准比较统一，所以该系统的主要技术特点在于谋 求与现有模拟蜂窝系统兼容。因此，所用频段及载频间隔均与模拟网相同；控 制方式也与模拟网相通，其差别仅在于通话检测和信道切换所用的信令不同。 ( 3 ) 日本的p d c ( 也称m e ) 系统 日本的第一个数字蜂窝网p d c 系统于1 9 9 3 年3 月投入使用。该系统明显的技 术优点在于：其系统容量为g s m 的2 倍，且为了进一步扩展容量，已开始制定半 速率( 5 6 k b s ) 的话音编译码规范；该系统使用了两个频段( 8 0 0 m n z 和1 5 g h z ) ， 以便于扩展用户基站；由于采用了r d 4 q p s k 调制等措施，其频谱效率在三种系 统中是最高的；用户终端的尺寸小、电池寿命长，这对用户是相当有吸引力的。 ( 3 ) 第三代( 3 g ) 移动通信技术 由于第二代数字移动通信系统在很多方面仍然没有实现最初的目标，比如 统一的全球标准；同时也由于技术的发展和人们对于系统传输能力的要求越来 越高，几千比特每秒的数据传输能力已经不能满足某些用户对于高速率数据传 输的需求，一些新的技术如口等不能有效的实现，这些需要是高速率移动通信 系统发展的市场动力。因此，自从国际电信联盟( i t u ) 制定了i m t - 2 0 0 0 标准 以来，第三代蜂窝移动通信系统的发展计划就开始受到有关国家政府和一些国 际性大公司的重视。 1 3 研究目的与意义 在p h s 系统研究中，首要的工作就是认识移动信道本身的特性，研究无线信 道所带来的一些相关特性。在规划和建设城市微蜂窝数字移动通信网时，从选 择频段、分配频率、考虑无线电覆盖范围、计算通信可信度以及系统内和系统 间的电磁干扰，到最终确定无线设备的参数，都有赖于对信道和电波特性的深 入掌握。 进而，研究p h s 空中接口技术无线链路的工作原理，探讨几种分集与合并 技术对系统性能的影响，以及存在同信道干扰时p h s 接收的性能，为深入了解 p h s 系统的原理、p h s 基站和手机的设计、改进及对p h s 网络规划提供参 武汉理工大学硕士学位论文 考和依据。 在p h s 系统中，无线链路失败是一个经常发生的现象，也是导致无线链路非 人为释放的主要原因，对它的定位一直是个难点。分析定位无线链路失败的大 致流程，研究相应的解决方法或策略，通过m e l e o 的测试例子说明定位p h s 无 线链路失败的分析方法，可以为实际工作提供有效的指导作用。 1 4 国内外研究状况 在国内，移动通信是我国最具发展活力的产业之一。因此，我们在制订我 国信息产业的规划时，非常有必要首先对4 g 有关的关键技术、产业环境和生态 环境进行预研，以便通过政府有限的经济支持和强有力的政策引导，促进我国 的移动通信产业乃至整个信息产业的快速发展。 开展4 g 课题的预研，将有利于制订我国3 g 的产业政策。3 g 是整个移动通信 产业发展历史过程中的一个特定历史时期。4 g 是移动通信发展的成熟期。只有 了解了4 g 的发展前景，才能制定出符合历史发展的3 g 产业政策，促进我国移动 通信产业的健康持续发展。 开展4 g 课题的预研，将有利于调整我国的信息产业结构。4 ( 3 的产业环境和 生态环境，无论与现在的2 g 或3 g 相比，都会有一个革命性的变化。现在开展4 g 课题的预研，有利于将现在的产业结构调整与历史发展趋势相吻合，保证我国 信息产业结构的先进性和适应性。 开展4 g 课题的预研，将有利于促进我国信息产业的发展并使之处于世界的 先进水平。4 g 时代，将是一个全球移动通信领域自由竞争的时代，各种贸易保 护措施将不复存在，我国的信息产业将完全融合在世晃信息社会的经济浪潮中。 因此，为了适应全球信息社会的发展需要，保证我国信息产业在未来的全球市 场经济中立于不败之地，非常有必要将未来的4 g 产业环境和生态环境等因素考 虑到十一五规划纲要中去。 在国外，日本业界雄心勃勃地计划进行第四代移动通信系统技术的研究， 意欲赢得时间和主动，抢占2 1 世纪移动通信技术的制高点。2 0 0 0 年1 1 月3 日，日 本邮政省向国际电联通信技术审议会咨询了关于第四代( 4 g ) 移动通信系统技 术规格标准化的问题。2 0 0 1 年，日本政府就公布了其4 g 移动通信发展蓝图。政 府与主要的移动通信企业已为超高速移动通信技术拟定了基础计划，这项4 g 移 动通信技术将于2 0 0 5 年成形，并打算在2 0 0 5 年前制订4 g 核心技术标准，让它在 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 1 0 年普及。韩国有关运营商和通信研究所e t r i 也向政府提出了相应的4 g 研究 计划。韩国信息与通信部部长宣称，2 0 0 5 年之前，他们准备投资1 3 5 4 亿韩元支 持4 g 移动通信服务系统的开发。出于竞争需要，欧盟也把第四代移动通信系统 列入了“第六框架研究计划”。在我国，4 g 的立项早在2 0 0 0 年初就已开始酝酿， 2 0 0 1 年1 1 月立项申请被批准，随后国家成立了由尤肖虎教授负责、由8 6 3 计划通 信技术主题专家组领导的总体组，并于2 0 0 1 年年底和2 0 0 2 年6 月发布了两次课题 指南，成立了一系列课题组，开始了计划的启动。中兴、华为等公司已加入到 了4 g 的研发当中。阿尔卡特、西门子等国际著名公司首次作为合作伙伴参加了 8 6 3 计划通信主题的有关项目。由于4 g 作为第四代移动通信技术，前瞻性太强， 所以这些企业都只可能拿出一小部分资金来投入研究。目前我国4 g 的研发主要 还是靠政府支持。 1 5 本文框架 本论文共分五个章节： 第1 章介绍了研究的背景，研究目的和意义，以及国内外研究现状。 第2 章介绍了无线移动通信系统的概述，从理论角度分析了移动信道特性 制约无线移动通信系统的性能的原因。 第3 章深入研究移动信道仿真模型的建立和分析。其中，主要做了以下两 方面的工作：一是分别建立了移动信道的确定型仿真模型和频率选择性衰落的 仿真模型。二是具体分析了一个移动信道的仿真实例。本章的目的是为后续研 究p h s 在移动信道下无线链路的性能打下基础。 第4 章深入研究了p h s 在移动信道下的无线链路的性能，研究了p h s 空中 接口技术链路层的工作原理，探讨了几种分集与合并技术对系统性能的影响， 以及存在同信道干扰时p h s 接收的性能。同时根据分析结论，计算实际的p h s 系统同频复用距离。 第5 章研究了p h s 系统无线链路失败的原因和定位流程。在熟悉移动信道 特性和无线链路工作原理基础上，首先介绍无线链路失败的基本判断机理，然 后给出了分析定位无线链路失败的大致流程，并给出了相应的解决方法或策略， 最后通过m e l c o 的测试例子说明定位p h s 无线链路失败的分析方法。 第6 章给出了本论文的工作总结以及今后的工作展望。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章无线通信移动信道特性概述 无线移动通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。无线信道通常被 认为是自然界中的一种较为恶劣的通信介质，发射机与接收机之间的传播路径 非常复杂，从简单的视距传播到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶 等。无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有极度的随机性，特别 难以分析。甚至移动台的速度都会对信号电平的衰落产生影响。无线信道的建 模历来是移动无线系统设计的难点，现在的研究一般采用统计的方法，并且根 据特定频带上的通信系统的测量值来进行。 2 2 无线信道的几个基本术语 为了后面很好的阐述和研究无线移动信道的特性，有必要先介绍一下无线 移动通信中几个常用的基本术语。在无线移动通信信道传播特性的研究中，常 见的基本术语有：l o s 、多径传播、阴影衰落及d o p p l e r 频移【l 】。 l o s ( l i n eo fs i g h t ) ：直射信号，例如当卫星与地面终端之间的传播信 道上不存在任何障碍物，从发射端沿单一路径( 即视距传播路径) 直接到达接 收端的信号。在卫星移动通信中，当卫星与移动用户之间存在着视距传播路径 时，接收信号中就含有l o s 信号分量。 多径传播：从发射机端发出的电波信号在传播过程中，由于信道中诸如地 表、建筑物等反射及反射物的存在，构成了一个不断消耗信号能量的环境，导 致信号幅度、相位及时间的变化。这些因素使发射波到达接收机时形成在时间、 空间上相互区别的多个无线电波。不同多径成分具有的随机相位和幅度引起信 号强度波动，导致小尺度衰落、信号失真等现象。多径传播常常延长信号基带 部分到达接收机所用的时间，由于码间干扰引起信号模糊。 阴影衰落：当信号电波在传播路径上受到建筑物、树木和起伏山丘等障碍 物的阻挡时会使电磁波信号产生衰耗，从而造成接收信号电平的下降。移动终 端在通信过程中经过不同的障碍物的阴影时，信号电平会产生不同程度的衰耗， 6 武汉理工大学硕士学位论文 使得接收端信号的幅度在一定的范围内产生起伏，这就产生了阴影衰落，它是 一种慢衰落。阴影衰落的衰落率主要取决于移动站周围的环境和收发双方的运 动速度与频率基本无关，而阴影衰落的深度取决于信号的频率和障碍物状况。 d o p p l e r 频移：无线移动通信，特别是卫星移动通信过程中，由于发射机 和接收机之间的相对运动，接收端接收到的信号载频所发生的频率的偏移。 d o p p l e r 频移：对采用相关解调的数字通信的危害较大，它可由下式计算： ， d = 、i - c o s 伐 ( 2 1 ) 其中，厶表示d o p p l e r 频移：a 是入射电波与移动站运动方向之间的夹角； v 是移动站的径向运动速度；九是信号的波长。由于电波波长与频率成反比， 故信号的频率越高或径向移动速度v 越高，则d o p p l e r 频移越大。 2 3 移动无线电传播 电磁波传播的机理多种多样，但总体可归结为反射、绕射和散射。大多数 蜂窝无线系统运作在城区，发射机和接收机之间无直接视距路径，而且高层建 筑产生了强烈的绕射损耗。此外，由于不同物体的多路反射，经过不同长度路 径的电磁波相互作用引起多经损耗，同时随着发射机和接收机之间距离的不断 增加而引起电磁波强度的衰减。以卫星无线移动通信的电波传输为例，可用图 2 1 描述 1 1 。 2 3 1 大尺度衰落 对传统模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测和特定 位置附近场强的变化。对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型， 由于它们描述的是发射机和接收机之间( t r ) 长距离上的场强变化，所以被称 为大尺度衰减，对于卫星系统和微波视距无线链路这类典型的在接收机和发射 机之间可能出现完全无遮挡的视距路径的自由空间传播模型，其预测接收功率 的衰减为t - r 距离的函数( 幂函数) 。自由空间中距发射机d 处天线的接收功 率，由f r i i s 公式给出 7 武汉理工大学硕士学位论文 蹦舡器篝 ， 天线增益；g r 是接收天线增益；d 是t - r 间距离，单位为米；l 是与传播无 关的系统损耗因子；九为波长，单位米。 图2 - 1 卫星移动通信中信号电波传输示意图 2 3 2 小尺度衰落 而由于移动终端在极小范围内移动时，无线信号在经过短时间或短距传播 后其幅度将快速衰落，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计，我们称之 为小尺度衰落。它是由同一传输信号沿多个路径传播，以微小的时间差到达接 收机的信号相互干涉所引起的。其主要效应表现为【2 l ： ( 1 ) 经过短距或短时传播时传播后信号强度的急速变化； ( 2 ) 在不同多径信号上，存在着时变的d o p p l e r 频移引起的随机频率调制； ( 3 ) 多径传播时延引起的扩展( 回音) 。 在高楼林立的市区，由于移动天线的高度比周围建筑物矮得多，因而不存 在从移动终端到发射机之间的视距传播，这就导致了衰落的产生。即使有这么 一条视距传播路径存在，由于地面与周围建筑物的反射，多径传播仍然发生。 入射电波以不同的传播方到达，具有不同的传播时延。空间任一点的移动终端 8 武汉理工大学硕士学位论文 所收到的信号都由许多平面波组成，它们具有随机分布的幅度、相位和入射角 度。这些多径成分被接收机天线按向量合并，从而使接收信号产生衰落失真。 即使移动接收机处于静止状态，接收信号也会由于无线信道所处环境中的物体 的运动而产生衰落。影响小尺度衰落的物理因素有很多，包括多径传播、移动 终端的运动速度、环境物体的运动速度和信号的传输带宽，但实际建模时在综 合上述因素的基础上主要考虑多径传播的影响。小尺度衰落直接造成的无线信 号的快衰落特性，它反映了瞬时功率在几个波长量级的范围内反映了接收信号 的快变化特性，其幅度包络r 统计上服从r i c i a n 分布或r a y l e i g h 分布 ( 不 含有l o s 分量) ，式( 2 - 3 ) 和式( 2 - 4 ) 分别给出了r i c i a n 和r a y l e i g h 两种 分布包络的概率密度函数。 f ( 咖专e x p i 一等暑) q - 3 ) l ( d ) = 专e x pl 一舌i q 舢 上两式中，r 是接收信号的包络；z 是直射波信号的幅度；o 是多径反射信 号的平均功率，由周围环境状况决定；而i o ( ) 是第一类零阶修正b e s s e l 函数。 另外，在大区内传播的无线信号由于大气折射会造成时间慢衰落统计特性， 而由于建筑物、山脉、树木等地物的阻挡，会造成阴影屏蔽的地点( 位置) 慢 衰落统计特性。r e c ，i t u rm 1 2 2 5 指出；慢衰落的围绕平均路径损耗l ( d b ) 的对数形式服从均值为0 的高斯分布。接收天线移动的距离大于几十或几百米。 其模型给出的“本地平均功率”，表示几十个波长范围内的平均功率值，典型值为 4 吮。所以对于慢衰落特性，以对数正态分布来描述其衰减是合适的。 觯) = 表唧卜1 ( i n z r - u ) 2 , l 协s ， 其中，2 是信号电波的幅度，u 与d o 分别是l n z 的均值和方差。 图2 2 给出了一个无线通信系统小尺度快衰减和大尺度慢衰减的变化情 况。我们注意到，随着接收机的移动，信号衰减很快，但是随着距离的变化却 很慢。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ii 。j蟾翔 l d ，。l址h ，幽d 。b 础瓯 。f f 雨蘸肾刑一i 。昼11 玎 澜巍 ll厶。 l 1i l ；1 1 l i i l 。l k ull 一-l u l + l l 胃 i l 曩ia r 刚l ll 41 5l l 譬l l1 92 0 筋瓣嚣2 觞撕打2 t r 熏纛 2 3 3 传播噪声 图2 - 2 小尺度和大尺度衰落 和有线信道传输不同，无线传输在很大程度上要受自然界噪声的影响，我 们可以将这些噪声分为系统内、外噪声，接收机系统外部噪声主要来源于宇宙 空间，如宇宙噪声、大气噪声、太阳噪声天电噪声、人为噪声、地面噪声等， 当然信号发送时也可能自身就带有噪声；而接收机系统内部噪声则主要指馈线 噪声和接收机产生的噪声等。一般说来，传播噪声的大小可以用天线的等效噪 声温度t a 来表示： r _ - 去 协6 ， 式中，p a 是在b n 频带范围内天线在匹配条件下所接收到( 包括天线本身的 热噪声) 的全部噪声功率；k 为b o l t z m a n n 常数，k = - i 3 8 x 1 0j k 。在实际的研究中， 常用来表征信道特性的参数有：电平通过率( l c r ，l e v e lc r o s s i n gr a t e ) ，衰落 率( f a d i n gr a t e ) ，衰落深度( d e e po f f a d i n g ) ，衰落持续时间( f d ) ，及平均衰 落持续时间( a f d ，a v e r a g ef a d ed u r a t i o n ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 描述信道特性的三种常用概率密度函数的物理意义 由于无线通信道特性具有随机性，故适合使用统计信道模型对其进行描述， 概率分布模型建立了对卫星移动通信信道中传播过程的理解，对实际情况作了 简化假设，其分析过程比较简单，物理意义比较明确，仿真实现比较简单，因 此，在对卫星移动通信信道传播特性的研究中，通常采用概率分布的统计模型 来对卫星移动通信信道进行建模。在前面对信道特性分析中，我们知道无线信 道的小尺度快衰络特性和大尺度慢衰落特性可以分别用r i e i a n ( 不含直射分量 时用r a y l e i g h ) 概率密度函数和对数正态( l o g n o r m a l ) 概率密度函数来描述， 当时直接给出了信号包络的概率密度函数，下面我们将根据实际的物理环境条 件来研究推导出这些分布1 5 。 2 4 1 传播噪声 由建筑物、树木或其它反射物造成的反射波形成的多径信号分量与直射波 信号分量合成的接收信号的包络服从r i c i a n 分布，其概率密度函数在前面的式 ( 2 3 ) 已经给出。 下面来研究一下r i c i a n 概率密度分布函数在通信过程中的物理意义。设 j f j ：j 为未调制的载波信号，则有 jo ) = c 0 5(w，t+伊。)(2-7) 六= c 。s ( a 。) ( 2 - 8 ) 若接收信号为直射波信号与多径信号的迭加，那么其幅度哟可表示为 ，( f ) = c o s ( m + 纹+ f ) + 厶c o s ( 吃f + 纯+ 丸+ f ) ( 2 9 ) n - i 其中，前项为直射波l o s 分量，后项为多径信号的迭加，= 2 月i ，巾n 为 第n 条路径的相位偏差。则式( 2 9 ) 变为 ，( ，) = c o s ( w + 岛) + c c o s ( w 。t + e ：) 肛1 武汉理工大学硕士学位论文 n = c o c o s w ：c o s 0 1 一c os i n k r s i n q + 厶c o s f c o s 岛- y c 。s i n w j s i n 0 2 n i l n = l = ( 岛c 。s q + n n = l 已c o s 岛 c o s 咐一( c o 血q + 妻n - i qs 抽岛) s i n 吖 ，( r ) = c o s q + c 。c o s 0 2 n - i q ( f ) = 岛s m o , + 厶s i n 晓 n = l ，( f ) = ，( r c osw 。t a ( f ) s i nw 。t ， = c o s 秒2 ， 疋= c 。s i n 口2 z = ，( f o ) c o s o i + 疋( 气) = c oc o s 0 i + q = o ( t o ) = c os i n 0 1 + i ( t o ) = c os i n o l + l 且随机变量t c 与t s 的概率密度函数分别为： i ”孺1 唧( 一番 讹，= 去唧( 一番 ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 因为0n 在【o ，2 7 r 】内是均匀分布的，即en u ( 0 ，2 n ) ，所以随机变量t c 与t s 的协方差为： 。( l ，z ) ：q 瓦t 】- 窆窆e n t r e 华 ：o ( 2 1 5 ) 而，- qp 的概率密度函数分别为 ( z ) = 左( ；一岛c o s 岛) i ( i - c o c o s a 。) 2 f = 去o x p i 一掣l ( 2 ，6 ) 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 f q ( q ) = f r , ( q - c os i n 0 1 ) i ( q - c os i n 许面1 o x p i 一号笋 沼 考虑式( 2 11 ) 和式( 2 1 2 ) ，易得i 和q 的均值分别为 e 【q 】ic 。s i n 口t 则i 和q 的协方差为： c 。v ( lq ) = e ( ，一e 【，】) ( q e 【q 】) 因此i 与q 是相互独立的，故i 与q 的联合概率密度函数为 疡( f ，g ) = 石( f ) 尼( 鼋) = 丽1 e x p 由前面的假设式( 2 一l o ) 可知 r 2 = i 2 + 9 2 于是可得 f = r c o s 口 g = ，s i n 秒 于是可得到j a c o b i a n 行列式 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ，= 黜= ， z 4 ， 所以接收信号的包络r 与其相位0 的联合概率密度函数为： 厶( ，卅刊6g ) l j i = 丽r e 冲 一丝警业 ( 2 2 s ) 由此可得接收信号的包络f 的概率密度函数： ，c ，= ! 厶c n 功棚= 寺唧 _ 毫纠! 唧( 等c o s 巾 c 2 粕， 武汉理工大学硕士学位论文 又因为第一类零阶修正b e s s k 函t o ( x ) 去! e x p ( x c o s o ) d 口 所以式( 2 - 2 5 ) 变为 加) = 舌e x p - 可r 2 + c ；j 弋( 7 c o r ( 2 2 7 ) 令z = 岛，则可得到式( 2 3 ) ，即 加) = 砉唧k r z 盯+ ：g2 厂1l ( c 万o g 所以含l o s 分量和多径延迟信号的接受信号包络 r i c i a n 分布。我们在此一并给出了包络r 的n 阶原点矩 e e r - = ( 2 盯2 ) ；e 。r ( + 兰 ，e ( + 兰山七 ，z ( 2 2 8 ) r 的概率密度服从 ( 2 2 9 ) 其中：七= 2 z _ 盯l 2 是r i c i a n 因子；r ( ) 是g 锄衄函数，卜) 是合流超 几何函数。r i c i a n 分布的概率密度函数曲线如图2 - 3 ( a ) 所示。 售柏雠 a ) r i c t m 分布的概率密度函数( b ) g y l e g h 分布的概率密度岖 曲线( f l 、口。2 4 )数曲线( 口一2 4 ) 图2 3 概率密度函数曲线 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2r a y l e i g h 概率分布函数 考虑了l o s 分量和多径延迟分量的包络r 的概率密度己知后，纯多径信号 分量组成的接收信号的包络r 的概率密度就容易多了，只需令式( 2 3 ) 中的l o s 分量z - - o 即可。因为io ( o 声l ，于是由式( 2 3 ) 就直接得到式( 2 - 4 ) ，由于纯多径信号 只是r i e i a n 信号的一种特殊情形，故我们对纯多径信号的包络r 仍然使用r 来表 示，即 加垮r 唧 - 割 协，。， 多径信号包络r 的n 阶原点矩为 e ， = 舻e 严 当n = 1 时，有 2( 2 3 1 ) e 陆盯括 2 - 3 2 ) r a y l e i g h 分布的概率密度函数曲线如图2 - 3 ( b ) 所示。 2 4 3l o g n o r m a l 概率分布函数 当发射机与移动终端之间的电波信号途经树木或其它障碍物而被吸收或散 射时，就会出现阴影效应。限于篇幅，我们在此只讨论l o s 的阴影效应，多径 的阴影效应同理可分析之。设s ( t ) 为未调制载波信号，即 s ( t ) = a c o s ( w f l + 仍1 ( 2 3 3 ) 受阴影遮蔽的l o s 电波信号的多谱勒频移矗，阴影遮蔽因子c ( t ) 对于载波 信号而言，是乘性因子，所以受阴影遮蔽的接收电波信号可以表示为 r ( f ) = f ( ，) s ( f ) = 。r l c , ( t ) a e o s ( w j + o c + 2 7 t a r o t ) = 娶q ( f ) 彳c o s o e o s w , t b q ( f ) 4 s i n 6 s i n w j ( 2 _ 3 4 ) 对于任一特定的时间，则接受信号柏包络r 有 武汉理工大学硕士学位论文 ，= ( 垂q ( b ) 4 c o s 口 2 + ( 垂q ( 岛) a 4 s i n 口 2 = 彳耋q ( 岛) c 2 s s ， i n r = l n a + i n c ( f 。) 在此，我们可以设 l n r = y i n a = k 则有 y = k + x 觑q “) = 工 ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 由中心极限定理可知，j 服从正态分布，即x u ( u 。，a 。) ，则其概率密度 函数为 瓣去唧卜噼 加m 沪钏一i = 去唧 一掣 又因为l n r = y ，所以 斛丽1 唧 - 呸乒 i nr 的均值： 州卧删m 陲毗) 卜码 i n r 的方差： 口2 = d 【i n r 】= d 【i n a + d i i n c l -，( f o ) - 1 l = 仃? t ，= 1j 所以受阴影遮蔽的l o s 信号包络r 的概率密度 斛而1 唧卜譬 1 6 ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 - 4 1 ) ( 2 - 4 2 ) ( 2 - 4 3 ) ( 2 - 4 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 再令z = ，= o r 2 ，即可得到式( 2 - 5 ) ，重写于下 胖击唧 - 警 此时包络r 的n 阶原点矩 e ，” = e x p ，朝v + 孚盯2 图2 - 4 给出了l o g n o r m a l 分布的概率密度函数曲线。 纛 毫 密 度 僖号豹包络 图2 - 4l o g n o r m a l 分布的概率密度函数曲线 2 5 本章小结 ( 2 - 4 5 ) ( 2 4 6 ) 无线移动通信信道总是处于一个不仅复杂而且多变的环境之中，研究表明， 信道特性的随机特性服从一定的统计规律。本章先对无线信道特性进行分析和 讨论，由于受到大气折射和障碍物阻挡，无线电波在长距离传输上会造成大尺 度慢衰落，而移动终端的小范围移动及多径延迟信号引起的小尺度快衰落是造 成接收电波信号损耗较大的主要原因。然后从物理意义的角度对包络进行分析， 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 推导出多径延迟作用下其概率密度服从r i c i a n ( 不含l o s 分量