1、摘 要：為了更快捷方便地搭建無線通信網絡，對由多徑效應和多普勒頻移引起的大尺度衰落和小尺度衰落等信道特性進行了分析，總結其一般的傳播規律，并利用Matlab軟件對路徑損耗模型及平坦衰 落模型進行了仿真分析，為無線通信研究人員分析和仿真信道提供基礎。0引言移動通信系統是依靠無線信道實現的，它是最復雜的無線通信信道之一。移動通信系統的性能主要受到無線信道的制約，無線信道環境的好壞直接影響著通信質量的好壞。信號從發送機到接收機的過程 中，受到地形或障礙物的影響，會發生反射、繞射、衍射等現象，接收機接收到的信號是由不同路徑的來波組合而成，這種現象稱為多徑效應。由于不同路徑的來波到達時間不同，導致相位不

2、同。不同 相位的來波在接收端因同相疊加而加強，因反相疊加而減弱，會造成信號幅度的變化，稱為衰落，這種由多徑引起的衰落稱為多徑衰落。當發射機與接收機之間存在相對運動時，接收機接收的信號頻率 與發射機發射的信號頻率不相同，這種現象稱為多普勒效應，接收頻率與發射頻率之差稱為多普勒頻移。為了深人研究和實際應用的需要，把無線信道的衰落主要分為兩種形式：大尺度衰落和小尺度衰落。1 大尺度衰落大尺度衰落是由于發射機與接收機之間的距離和兩者之間的障礙物引起的平均信號能量減少，包括路徑損耗和陰影衰落，其中路徑損耗是由發射功率的幅度擴散及信道的傳播特性造成的。陰影衰落是由 發射機與接收機之間的障礙物造成的。11

3、路徑損耗陸地傳播的路徑損耗的公式可簡單表示為：式中：A是傳播常量；是路徑損耗系數；d是發射機與接收機的距離。在自由空間下，接收機接收的信號平均功率P，可由下式給出：式中：Pt是發射功率；gt是發射天線增益；gr是接收天線增益；是電波波長。自由空間的路徑損耗Lf定義為：由式（1）可得出，路徑損耗與距離的次方成正比。由式（3）可知，在自由空間下，路徑損耗與距離的平方成反比。然麗在實際的移動環境中，接收信號的功率要比自由空間下小很多，路徑損耗系數一般可取為34。12 路徑傳輸損耗模型關于路徑損耗的模型，目前應用最廣泛的是Okumura模型，Hata對Okumura模型進行了公式化處理，所得到的基本損

4、耗（單位：dB）公式如下：式中：Fc是載波頻率（1501 500 MHz）；hte是基站天線有效高度（30200 m），定義為基站天線實際海拔高度與基站沿傳播方向實際距離內的平均地面海拔高度之差；hre是移動臺有效天線高度（110 m），定義為移動臺天線高出地表的高度；d是基站天線和移動臺天線之間的水平距離（120 km）；(hre)是有效天線修正因子，是覆蓋區大小的函數，對于不同的區域，a（hre）具有不同的表示形式。（1）中小城市（2）大城市、郊區或開闊地當fc300 MHz時：當fc>300 MHz時：1.3 陰影衰落信號在傳播過程中會遇到各種障礙物的阻擋，從而使接收功率發生隨機變

5、化，因此需要建立一個模型來描述這種信號功率的隨機衰減。造成信號衰減的因素是未知的，所以只能用統計模型來表征這種隨機衰減，最常用的統計模型是對數正態陰影模型”它可以精確地描述室內和室外無線傳播環境中的接收功率變化。陰影效應的建模是一個乘性的且通常是隨時間緩慢變化的隨機過程。即接收信號功率可表示為：式中：Lp是平均路徑損耗;Pt(t)提發射功率；P（t）是陰影效應的隨機過程。對數正態陰影模型把發射和接收功率的比值Pt/Pr，假設為一個對數正態分布的隨機變量，其概率密度函數為：式中：是以dB為單位的的均值。實測時，等于平均路徑損耗；是的 dB標準差，是以dB為單位的路徑損耗標準差。對數正態陰影衰落的

6、參數一般采用對數均值，單位是dB，對于典型的蜂窩和微波環境，的變化范圍是512 dB。經變量代換，服從均值為、標準差為的正態分布，即：2 小尺度衰落小尺度衰落是由于發射機與接收機之間空間位置的微小變化引起的，描述小范圍內接收信號場強中瞬時值的快速變化特性，是由多徑傳播和多普勒頻移兩者共同作用的結果，包括由多徑效應引起的衰落和信道時變性引起的衰落，具有信號的多徑時延擴展特性和信道的時變特性。根據信號帶寬和多徑信道的相干帶寬關系，將由多徑效應引起的衰落分為平坦衰落和頻率選擇性衰落。21 平坦衰落若信號的帶寬小于多徑信道的相干帶寬，此時的信道衰落稱之為平坦衰落。研究表明，平坦衰落的幅度符合瑞利分布或

7、萊斯分布。若某一路徑信號在傳播過程中，存在視距路徑傳播時，衰落信號幅度符合萊斯分布。第i個時隙的衰落信號的幅度ri可表示為：式中：。xi和yi是均值為0，方差為2的高斯隨機變量；為視距路徑的幅度分量。萊斯信道的衰落幅度概率密度函數為：式中：I0·是修正過的零階貝塞爾函數。把定義為萊斯因子，表示視距路徑下幅度分量與其他非視距路徑下幅度分量的總和比。當反射路徑的數量很多，并且沒有主要的視距傳播路徑時，衰落信號的幅度服從瑞利分布。瑞利信道的衰落幅度概率密度函數為：由式（14），式（16）可以得出，瑞利衰落信道可以看成是0時的萊斯信道。衰落參數反映了信道衰落的嚴重性，越小，表示衰落越嚴重；越

8、大，表示衰落越輕，當時，表示信道沒有多徑成分，只有視距傳播路徑，此時的信道即為高斯白噪聲信道。22 頻率選擇性衰落若信號的帶寬大于多徑信道的相干帶寬，此時的信道衰落稱之為頻率選擇性衰落。此時，信道沖激響應具有多徑時延擴展，反應衰落信號相位的隨機變化。頻率選擇性衰 落是由于多徑時延接近或超過發射信號周期引起，是影響信號傳輸的重要特性。信號在多徑傳播過程中，容易引起選擇 性衰落，從而造成碼間干擾。為了不引起明顯的頻率選擇性衰落，傳輸信號帶寬必須小于多徑信道的相干帶寬。為了減 少碼間干擾的影響，通常限制信號的傳輸速率。3 信道模型分析31 路徑損耗模型分析根據12節中的理論公式，為大、中城市，郊區和

9、開闊地的無線移動信道搭建了仿真平臺，仿真流程圖如圖1所示。圖1 路徑損耗模型仿真流程圖文獻假設基站天線高度和移動臺天線高度相同，來分析不同的載波頻率和距離對信號傳輸的影響。在實際生活中，常常 對于不同的地形地貌，有針對性地設置基站的天線高度和相鄰基站的距離，從而在頻率不變，基站與移動臺距離不斷變 化的情況下，仍能保證很高的通信質量。因此，本文從另一個角度出發，分析了在載波頻率和移動臺天線高度相同的情 況下，即fc1 500 MHz，hre15 m時，不同的基站天線高度飩和距離d對信號傳輸的影響。假設基站天線高度分別為 30 m，50 m，70 m，90 m，110 mg隨著基站和移動臺的距離的

10、變化，路徑損耗特性如圖2圖5所示。圖2 大城市路徑損耗從仿真結果來看，無論在大、中小城市，郊區還是開闊地，當載波頻率與移動臺高度不變的情況下，路徑損耗與基站和 移動臺的距離J成正比，與基站天線高度成反比。當歹較小時，不同的基站天線高度對應的路徑損耗之間的差距很??；當 d>165 kni時，差距會很明顯，并隨著距離的增加，這種差距也越來越大，而且路徑損耗與基站天線高度成反比，與基 站和移動臺之間的距離成正比，基站天線高度越大，路徑損耗越小，基站和移動臺之間的距離越大，路徑損耗越大。圖3中小城市路徑損耗圖4 郊區路徑損耗圖5 開闊地路徑損耗對圖2圖5進行比較得出，在開始的50 m內，大城市環

11、境下的路徑損耗與中小城市的路徑損耗相同，均為92 dB，而城 市環境下的路徑損耗比郊區環境下的路徑損耗高，從92 dB降低到82 dB，郊區的路徑損耗比開闊地的路徑損耗要高，從 82 dB降低到62 dB。由此可見，在相同的基站天線高度和距離下，開闊地的路徑損耗最小，郊區次之，城市最大。另外 ，對于相同的路徑損耗，比較各種地形下基站與移動臺的距離，不難發現，開闊地的兩者之間距離最大，郊區次之，城 市最小。這是因為城區的遮蔽物比較豐富，特別是路徑上那些樹木、車輛、建筑等障礙物會對對數正態陰影衰落產生一定的影響。這也反映出，在基站高度相同的情況下，開闊地的手機信號要比在室內或者障礙物比較多的地方好

12、。因此，在城區、建筑物高而密集、或者多山地區，要想達到相對理想的接收功率，減少路徑損耗，必須要增加基站的天線高度，并適當縮小相鄰基站的距離。這也與現實生活中的實際情況是一致的。32 平坦衰落模型根據21節中的有關萊斯衰落和瑞利衰落的理論知識，本節將對這兩種衰落搭建仿真平臺，利用Matlab相關函數得到仿真序列，然后與理論值進行比較。具體的仿真流程圖如圖6所示。圖6 平坦衰落模型仿真流程圖321 萊斯衰落信道模型分析萊斯衰落信道模型經常用于仿真一個可視路徑和多個非可視路徑共同產生的衰落信道模型。萊斯分布的均值為，其中是式（13）中的高斯變量方差。對萊斯衰落進行歸一化處理，使，此時信號功率與信噪比

13、完全一致。于是，衰落幅度可表示為：本文利用Matlab中randn函數產生隨機序列，并結合式（17）得到萊斯衰落序列。然后利用迭代法得到萊斯分布的累積函數，如圖7所示。實線是理論值；興線是仿真序列。通過比較發現，理論值與期望序列是一致的。圖7 萊斯衰落分布函數（K7 dB）322 瑞利衰落信道模型分析瑞利衰落模型仿真只需要對萊斯衰落稍作修改，仿真過程中，根據式（lb）畫出了其概率密度函數，并利用Matlab中hiST函數得到瑞利衰落的密度函數估計值，如圖8所示。實線是理論值；興線是仿真值。通過仿真結果可以得出，結果與理論是一致的。圖8 瑞利衰落概率密度函數4結語無線移動通信系統的性能主要受到無

14、線信道的影響，具有較強的隨機性。本文分析了無線移動通信信號傳播的衰落特性，對移動通信中的大尺度衰落和小尺度衰落進行了分析，這些將對無線移動通信系統的前期設計和仿真提供基礎。復雜的信道特性對于無線通信來說不可避兔，因此要保證信號的傳輸質量，必須采用各種措施來減少由于衰落造成的不利影響。  來源:陰雨移動通信系統信道特性的簡析 通信 2009-09-14 14:19:13 閱讀378 評論1   字號：大中小 訂閱 中國泰爾實驗室 陳永欣 信道是任何一個通信系統所必不可少的組成部分。陸地數字移動通信的信道和固定通信信道(無線本地環路例外)是完全不同

15、的。在固定通信中,信號的傳輸媒介是人工制作,例如雙絞線、電纜、光纖等。這些媒質的傳輸特性在相當長的時間內是十分穩定的，可以認為這種信道為恒參信道。而在陸地移動通信信道中，信號在空間中自由傳播，受外界信道條件的影響很大。由于天氣的變化、建筑物和移動物體的遮擋、反射和散射作用以及移動臺的運動造成的多普勒頻移的影響等造成信道的變化，可以認為這種信道為隨參信道。 下面分幾個方面來介紹陸地數字移動通信系統的信道特性： 一 移動通信信道的主要特點 1.       傳播的開放性 一切無線信道都是基于電磁波在空間傳播來實現信息傳播的。 2.

16、0;      接收點地理環境的復雜性與多樣性 一般可將地理環境劃分為下列三類典型區域： Ø       高樓林立的城市中心繁華區； Ø       以一般性建筑物為主的近郊小城鎮區； Ø       以山丘、湖泊、平原為主的農村及遠郊區。 3.       通信用戶的隨機移動性

17、 Ø       慢速步行時的通信； Ø       高速車載時的不間斷通信。 二 移動通信信道中電磁波傳播的特點 下面進一步分析上述移動通信信道的三大特點形成的電磁波傳播的主要特點。 1.       直射波：它指在視距覆蓋區內無遮擋的傳播，直射波傳播的信號最強。 2.       多徑反射波：指從不同建筑物或其他物體反射后到達接收點的

18、傳播信號，其信號強度次之。 3.       繞射波：從較大的山丘或建筑物繞射后到達接收點的傳播信號，其強度與反射波相當。 4.       散射波：由空氣中離子受激后二次發射所引起的漫反射后到達接收點的傳播信號，其信號強度最弱。 三 移動通信系統中信號的損耗 上述移動通信的主要特點及其帶來的傳播上的特點，對接收點的信號會產生如下的后果，即在傳播上產生三類不同的損耗。 1.       路徑傳播損耗 又稱衰耗，它是指

19、電波在空間傳播所產生的損耗，它反映了傳播在宏觀大范圍(即公里量級)的空間距離上的接收信號電平平均值的變化趨勢。 一個全向天線發送的無線電波在傳輸時是以球面波的形式向四周擴散。所以當假設在自由空間中傳播時，我們可以有：                         （1） L代表路徑損耗，d代表收發端的距離，f代表無線電波頻率，c代表光速。 由上述說明可知無線電波由于

20、傳輸方向上的不集中，絕大多數能量都沒有達到接收端。這和固定通信的情況有很大不同。 2.       慢衰落損耗 它是由于在電波傳輸路徑上受到建筑物及山丘等的阻擋所產生的陰影效應而產生的損耗。它反映了中等范圍內數百波長量級接收電平的均值變化而產生的損耗，其變化率較慢故又稱為慢衰落，由于慢衰落表示接收信號的長期變化，所以又稱長期衰落（long-term-fading）。 一般認為慢衰落符合對數正態分布：             （2） 式中

21、L為基于位置函數的標準方差，m代表場強中值，單位是dB，M代表m的均值。 3.       快衰落損耗        它主要由于多徑傳播而產生的衰落，由于移動體周圍有許多散射、反射和折射體，引起信號的多徑傳輸，使到達的信號之間相互疊加，其合成信號幅度表現為快速的起伏變化，它反映微觀小范圍內數十波長量級接收電平的均值變化而產生的損耗，其變化率比慢衰落快，故稱它為快衰落，由于快衰落表示接收信號的短期變化，所以又稱短期衰落(short-term -fading）。 仔細劃

22、分快衰落又可分為以下三類：空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落、時間選擇性衰落。所謂選擇性是指在不同的空間，不同的頻率和不同的時間其衰落特性是不一樣的。由于快衰落是由多徑傳播引起的，所以先介紹多徑的概念，再分別介紹三種快衰落。 1)       可分離的徑 假設現在有兩路信號分別是：          （3）          （4） 式中，p1和p2是信號功率，1和2是多徑時延，是

23、在(0,2)間均勻分布的隨機相位，c(t)和d(t)代表擴頻序列和發送的數據。假設全相關的情況下，擴頻碼的相關性十分尖銳：                      （5） 當兩路信號的路徑時延之差大于一個擴頻碼碼片寬度時，我們認為兩路信號是正交的。所以可得到下式：             

24、0;             （6） 由式（6），我們可以十分清楚地知道：在CDMA系統中當兩信號的多徑時延相差大于一個擴頻碼片寬度時，這兩個信號是不相關的，或者說是可分離的。我們習慣上將某一可分離的信號叫作信號的徑。 2)       空間選擇性衰落 多徑信號到達天線陣列的到達角度的展寬稱為角度擴展。角度展寬給出信號的主要能量的角度范圍，產生空間選擇性衰落。 空間選擇性衰落用相干距離R描述，   

25、0;                         （7） 其中為波長；為天線擴散角。 相干距離為兩根天線上的信道響應保持強相關時的最大空間距離。相干距離越短，角度擴展越大；反之，相干距離越長，角度擴展越小。 接收天線距離小于相關距離，信號的相關性很好，信道的衰落特性平坦；大于相干距離，信號的相關性變差，信道呈空間選擇性衰落。 3)  

26、     頻率選擇性衰落 假設發射端發射的是一個時間寬度極窄的脈沖信號，經過多徑信道后，由于各信道時延的不同，接收端接收到的信號為一串脈沖，即接收信號的波形比原脈沖展寬了。這種由于信道時延引起的信號波形的展寬稱為時延擴展。時延擴展產生頻率選擇性衰落。 頻率選擇性衰落用相干帶寬F描述，                        

27、0;          （8） 其中 為時延擴展。 相干帶寬為信道在兩個頻移處的頻率響應保持強相關時的最大頻率差。相干帶寬越小，時延擴展越大；反之，相干帶寬約大，時延擴展越小。 傳輸帶寬小于相干帶寬，信號的相關性很好，信道的衰落特性平坦；大于相干帶寬，信號的相關性變差，信道呈頻率選擇性衰落。 另一個常用的描述多徑時延擴展的參數是最大時延擴展m(xdB)，定義為比直達信號功率下降xdB的多徑信號的相對時延。不存在直達信號的情況下，可以是最強的多徑信號的功率。 4)   

28、;    時間選擇性衰落 由于移動用戶與基站的相對運動，每個多徑波都會有一個明顯的頻率移動。由運動引起的接收信號頻率的移動稱為多普勒頻移fD，它與移動用戶的運動速度成正比。                         （9） 其中v為移動臺的運動速度；為無線電波長；為電波和移動臺運動的夾角。 多普勒擴展是一種由于多普勒頻移現象引起的衰

29、落過程的頻率擴散，又稱時間選擇性衰落。時間選擇性衰落用相干時間T描述，                                      （10） 其中B為最大多普勒頻移。 相干時間為兩個瞬時時間的信道沖激響應保持強相關時的最大時間

30、間隔。相干時間越小，多普勒頻移越大；反之，相干時間越大，多普勒頻移越小。 取樣時間間隔小于相干時間，信號的相關性很好，信道的衰落特性平坦；大于相干時間，信號的相關性變差，信道呈時間選擇性衰落。 5)       瑞利衰落 在移動通信信道中，由于基站和移動臺之間的反射體、散射體和折射體的數量是相當多的，所以信道的沖激響應表示如下：                   

31、（11） 式（11）中L代表到達的多徑的徑數； Al代表第l條路徑的信號幅度；           l代表第l條路徑相對第一條路徑（=0）的時延；            l代表第l條路徑的信號相位。 當徑數較多時，可假設沒有直射信道，因此信道的沖激響應h()可以看成一個復高斯過程，其包絡的值A符合瑞利分布：          &

32、#160;                （12） 信號包絡的均值為 ，方差為2。 相位符合均勻分布的，即：                                  （13） 此種信道被稱為瑞利信道。 6)       萊斯分布 當移動臺與基站間存在直射波信號時，即有一條主路徑，通過主路徑傳輸過來被接收的信號為一個穩定幅度Ak和相位k，其余多徑傳輸過來的信號仍如上面“瑞利衰落概率模型”所述。這種情況下，其包絡的值A的概率分布是萊斯分布：