无线信道仿真

无线信道仿真（精选7篇）

无线信道仿真 篇1

伊莱比特(Elektrobit,EB)公司是全球领先的无线通信及汽车电子领域专业公司,为用户提供硬件解决方案以及嵌入式软件。其日前推出一个全新信道仿真平台,用以实现WiMAX、LTE和4G通信系统的测试。基于这个崭新的平台,伊莱比特同时推出第一款新产品EB Propsim F8,通过为现有及未来无线通信系统提供完全的信道仿真,将信道仿真性能推向更高境界。

随着中国进入3G通信时代,以及“神舟七号”载人航天飞船顺利发射升空与回归和中国宇航员的首次空间漫步,无线通信技术的蓬勃发展与多元应用在这两项历史性创举中扮演着重要的角色。现今,更高的数据传输速率是无线系统的发展趋势,因此,空中接口设备相对要求更宽的通信带宽和更高的频谱利用效率。为满足这些性能要求,EB Propsim F8通过提供各种标准化以及更高级的无线信道模型,使得用户在实验室里即可实现在真实空间环境下无线设备、通信应用以及网络性能的测试。

新发布的EB Propsim仿真平台拥有强大的可扩展性,足以应对未来测试的需求。此平台能够流畅地增加新功能和支持新应用,增强版的图形化用户界面以及量身定制的用户配置文件,大大方便用户创建和运行信道仿真,从而节省测试时间,并提高工作效率。

EB Propsim F8将于2008年第四季度,通过伊莱比特全球销售及分销网络正式发售。

如欲进一步了解EB Propsim F8新产品信息,请登录:http://www.elektrobit.com/EBPropsimF8。

无线信道仿真 篇2

关键词：用电信息采集系统,微功率无线,信道仿真系统

0 引言

随着能源的日趋紧张和用电需求的迅速增长, 许多国家都在积极发展智能用电技术。就我国目前形势而言, 建立安全可靠的用电信息采集系统是建立智能电网不可或缺的一部分。

目前的用电信息采集系统中, 本地通信方式大都采用RS485总线和电力线载波方式, 但这两种通信方式都存在着诸多缺点和不足, RS485总线通信方式安装调试复杂、易遭到人为破坏, 电力线载波方式存在信号衰减大、噪声源多且干扰强以及受负载特性影响大等问题, 对通信的可靠性形成一定的技术障碍[1]。已在小范围试点运行的微功率无线通信方式由于具有施工简单、成本低、适应性强等优点, 得到了广泛的关注。

国外在将微功率无线通信技术应用到用电信息采集方面的研究比较早, 自动抄表系统的理论和技术目前己经比较成熟, 在发达国家 (如美国、日本、英国等) , 基本都实现了自动远程抄表[2]。在我国的用电信息采集系统中, 470~510 MHz免申请频段的微功率无线通信方式的成功应用, 使得对于这种通信方式的研究逐步发展起来, 然而, 目前已有的无线通信性能评估系统的功能和性能指标不能完全满足对现有多种无线通信产品性能评估的需求, 国内对于微功率无线通信方式用电侧的无线通信产品的性能评估技术发展相对滞后。

1 国内外研究现状

无线通信产品在用电侧计量设备中的应用, 要求建立完善的产品性能测试系统, 以便全面、准确地考核用电侧所应用的各种通信设备的性能, 为数据传输的可靠性以及通信设备的质量提供保障, 提前发现实际使用过程中存在的隐患。

近年来, 由于数据通信技术需求的推动以及半导体、计算机领域等相关电子技术的快速发展, 无线信道仿真技术发展迅速, 基于软件或硬件均可实现无线信道的模拟仿真。目前软件实现方式上多采用MATLAB、C++编程, 可实现对信道各项参数的仿真设置, 这种方式操作简单、成本低, 适合于学术研究, 但不适用于实际产品的检测;硬件一体化无线信道仿真器也已有成熟的产品, 其中以美国Spirent公司和芬兰的Elektronbit公司的产品较为多见。但这些较为成熟的无线信道仿真设备多针对无线公网如GPRS、CDMA等信道的测试, 通信频点、测试模型以及测试方式上均不适合微功率无线通信信道的环境, 因此目前基于硬件仿真实现这一特定频段、特定通信方式和特殊通信环境的微功率无线通信信道的仿真还处于研究阶段。

目前, 国内有部分微功率无线产品生产厂家也在研制微功率无线通信的检测系统, 这些检测系统只能根据经验值实现对信号损耗的一个模拟, 不能实现对诸如多径衰落、噪声以及衰落类型等信道参数的仿真, 因此这些系统并不能够模拟真实的信道环境。此外, 这些检测系统只能实现对自己产品的检测, 无法实现微功率无线通信产品的互联互通检测, 因而无法大规模应用到实际的微功率无线通信产品的性能检测评估中。

2 微功率无线通信信道分析

2.1 微功率无线通信环境及信道参数分析

微功率无线通信技术是采用频率调制方式把信息加载在470~510 MHz高频电磁波上, 利用空间传播来进行数据通信的方法[3]。其通信特点在于自组网, 采用分簇的Ad hoc分级网络结构, 按照集中器模块内部的智能电能表地址信息, 模块自动组网, 电能表模块不仅可以传输自身的用电信息, 还可为其相邻的电能表模块转发数据, 这使得从电能表到集中器存在多条有效路由, 当某条路由中断时, 无线自组织网络中可立即启用另一路由继续进行数据传输。微功率无线通信设备组成示意如图1所示。

在实际的通信环境中, 集中器并不是采集每个电能表的数据, 而是根据自组网的特点采集相对距离较近的节点信息或者主表位的信息, 从而获得整个小区的用电信息。

对以上环境的分析以及对大量文献研究表明, 虽然微功率无线信道与传统的移动信道一样, 发送的无线电波经历大量反射、散射和绕射造成多径色散[5], 但微功率无线通信信道又同传统的移动信道存在差别。

1) 传统的移动信道为高基站天线、低移动天线, 信号色散的主要原因是固定物体 (如建筑物) , 相比较而言, 人和车辆的移动可以忽略。微功率无线信道的天线都较低, 抄表环境存在于室内或室外, 建筑物、人和其他物体在低高度移动台天线周围的移动都会造成信号的变化。

2) 传统的移动信道的多普勒频移较明显, 而在微功率无线环境中不存在发射端与接收端相对的快速移动, 因此微功率无线信道的多普勒频移可忽略。

3) 微功率无线传播距离比移动信道的要短, 因而传播时延和多径时延差小得多。对微功率信道而言, 最大传输时延约为10μs, 而移动信道会受远处物体, 例如丘陵、山脉、高大建筑物等影响, 附加时延大于100μs。

微功率信道也受到气候、环境、距离等各种因素的影响, 接收到的信号幅度和相位是随机变化的, 必须考虑快衰落、深度平坦衰落、长扩展时延等因素[6], 通信速率高时还要考虑频率选择性衰落等各种不确定因素。

2.2 微功率无线产品检测指标分析

根据现有的一些标准[4], 微功率无线产品的检测包括发射性能测试、接收性能测试、组网性能以及协议分析测试, 这些主要的测试类别中包含对接收信号灵敏度、频偏、误差矢量幅度、抄表时间、抄表成功率等一系列指标的检测和分析。如果在实际的环境中测试, 需要耗费大量的人力和物力, 且需要反复测试产品特性, 可行性较差, 因此迫切需要在实验室环境下建立微功率无线信道的仿真系统, 以便于实现对微功率无线通信产品的检测, 进而建立和完善可靠的用电信息采集体系。

3 系统仿真

3.1 系统概述

本文研究建立了一个无线信道仿真平台来建立对微功率无线通信产品的检测能力, 实现对470~510 MHz微功率无线模块的指标检测。此系统可以全面模拟用电信息采集系统本地通信信道的信号损耗特征、多径衰落特征、信号频移、相移特征以及噪声特性, 并且实现了信号的双工通信, 解决了单向链路无法模拟这一特定通信技术特点的难题, 可完成集中器模块向微功率电表模块发送命令、电表模块回复数据的双向通信过程, 在测试过程中注意信号的屏蔽, 可以实现对外界干扰和噪声的有效隔离, 以实现被测集中器模块与电能表模块的良好通信。

无线仿真测试仪器连接框图和仿真系统功能框图分别如图2、图3所示。

本文的信号模拟方案主要由Agilent公司的N9020A MXA频谱分析仪、N5106A PXB接收机测试仪、E4438C矢量信号源构成。其中E4438C和N9020A完成信号的变频转换, N9020A将用户需要衰落的RF信号下变频到中频, E4438C将模拟后的信号上变频到RF输出, N5106A可设置信道参数完成对中频信号的信道模拟。

为了验证系统可行性, 需采用确定信号以方便对比输入输出信号, 因此, 本文的仿真实验均采用安捷伦E5515C作为信号源, 发送连续波信号。

3.2 传输环境分析及系统仿真

为了验证系统的可行性, 本文对用电信息采集系统的本地通信方式——微功率无线通信的无线信道涉及的各个信道参数进行了仿真, 并对仿真结果进行了分析。

3.2.1 信道衰减

设置频率f=475 MHz, 幅度为-20 d Bm。经测得输入信号的带宽B=63.35 k Hz, 周期T=2.115 ns。输出信号频谱如图4所示。

设信号衰减为10 d Bm, 则接收信号幅度为-30 d Bm, 图4为经过无线信道仿真系统后信号的频谱分析, 输出信号的幅值为-30.75 d Bm, 在可接受误差范围内。

在实际的测试中, 系统最大衰减量能达到-136 d Bm, 可以满足在可接收到信号条件下任何微功率环境的参数模拟。

3.2.2 多径效应

在实际的微功率环境中, 电能表和集中器的安放位置各不相同, 对于一些旧的住宅小区, 电能表多安装在楼道内, 集中器安放在楼外的配电箱内, 对于新建的一些住宅小区, 电能表和集中器往往都安置在地下室的配电室中, 还有一些农村环境下信道的情况也不尽相同, 但由于环境中障碍物的反射、绕射和折射现象, 信号一定会产生多径效应。

根据时间弥散性, 当满足信号带宽大于相关带宽时, 信号产生串扰。对于多径幅度, 在距离信号源较远的地区, 直射波由于扩散损耗较大而很弱, 或者由于遮蔽而没有直射波, 仅有大量反射波, 衰落服从瑞利分布[7]。

测得本文的输入信号带宽B=63.35 k Hz, 因此多径时延需满足τ>15.8μs时才会对不同频率的信号产生频率选择性衰落。

根据以上理论基础, 对信道的多径时延进行了仿真分析, 仿真参数为:多径时延τ=[0, 0.1, 0.5, 17.2, 50], 单位为μs, 5条时延信号的频偏f=[0, 5, 10, 2, 15], 单位为Hz, 相移θ=[0, 7, 15, 18, 20], 单位为度, 信号功率幅度服从瑞利衰落。

多径效应频谱和多径效应时域波形分别如图5和图6所示。

图5记录了3个不同时刻信号的频谱图, 从图中能清楚地看到信号发生了频率选择性衰落。图6为信号时域波形, 经过多径效应的信号幅度都发生了较大的波动。频率幅度数据统计见表1所列。

表1记录了频率和幅度的变化, 可以看出由于信号受多径效应的影响, 幅度的变化范围波动较大, 从3.10~21.13 m V, 即从–37.2~–20.5 d Bm变化, 由此可见, 多径效应引起信号发生了频率选择性衰落。

本文建立的仿真系统可最多模拟24条路径, 多径延时可达2 ms, 且每条路径都可设置发射角度与到达角度, 因此可以满足微功率无线环境的测试。

3.2.3 其他参数仿真

微功率无线环境下的噪声为高斯白噪声, 在实际的仿真中, 可根据实际环境下的信噪比来产生相应的高斯白噪声, 仿真系统信噪比可达–30~30 d B。可在0~360°范围内生成任意角度的入射角、出射角的信号。此外, 可根据衰落特点设置衰落类型, 包括Rayleigh、Rician、Suzuki、对数正态分布等。

4 结语

本文分析了用电信息采集系统中微功率无线信道环境的特点, 根据微功率信道特有的特点, 建立了适合于微功率无线通信产品的检测系统, 完成集中器与电能表的双向链路通信检测, 通过大量的实验验证, 整理了大量的数据和试验结果。从理论上分析了系统的可行性, 可用于对微功率无线产品的检测。

参考文献

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[6]于春锐.无线通信系统的信道建模与仿真研究[D].长沙:国防科技大学, 2007.

无线信道仿真 篇3

在无线通信的发展过程中,合作通信是近几年来发展最快的研究领域之一。这一技术的核心思想是网络中多个节点进行资源共享,从而实现整个网络节约资源的目的。只要网络中终端数目超过两个,就有可能采用中继协作方式进行通信[1]。

采用中继协作方式进行通信时,协作伙伴的选择是一个关键的问题。关于协作伙伴的选择也有很多策略如Song Wenmiao等提出了基于最小错误率的伙伴选择方法[2];Nam Soo Kim等根据接收端接收到的中继信号的强弱选择[3]等。信道容量是系统性能的重要参量之一,研究以信道容量最大为约束条件时合作伙伴的选择是有意义的。中继节点个数,位置和天线的根数对信道容量均有很大的影响,文章主要研究中继节点位置对信道容量的影响。

文章通过分析模型构造了一个特定函数,并从该函数的特点出发,得出了信道容量的表达式。通过分析计算和系统仿真可知,中继节点位置存在使信道容量最大的唯一最优值,这一结论有效的缩小了中继节点位置选择的范围,有助于提高协作伙伴选择的效率。文章通过仿真还讨论了信道衰落模型中传输吸收常数和路径损失指数对信道容量的影响。仿真表明随着传输吸收常数和路径损失指数的增大,中继节点的最优位置将更加靠近目的节点,但对应的信道容量的最大值将减小。

本文组织如下:首先在第一部分给出系统模型;第二部分从数学公式角度分析了中继节点的位置对无线信道容量的影响,得出了信道容量的具体表达式,并试图寻找以容量最大为约束条件时,中继节点的最优位置;第三部分给出一个具体的数值例子,通过系统仿真表明本文的分析方法正确,并进一步分析了信道传输吸收常数和路径损失指数对信道容量和中继节点最优位置的影响;第四部分总结全文。

2 系统模型

无线通信中继信道模型如图1所示。该中继信道是由三个终端组成的传输信道。这些终端分别定义为源节点(Source)、中继节点(Relay)和目的节点(Destination)。源节点以功率1P发射信号Xs,中继节点接收到的信号为rY,然后对rY进行某种检测和(或)解码,再编码后以功率2P发送信号Xr;目的节点接收的信号记为dY。信号在传输的过程中同时受到衰减和噪声的影响。假设中继节点接收机接收到的噪声为Zr~N(0,Nr),目的节点接收到的噪声为Zd~N(0,Nd)。

源节点和目的节点的距离设为d,假设源节点和中继节点之间的距离为x,不失一般性和简化考虑,中继节点和目的节点的距离为(d-x)。信号衰减系数表达式为:h(x)=e-γx(1+x)δ,其中γ≥0是传输吸收常数(γ只有在真空环境下等于0),δ>0是路径损失指数(一般情况下取值为2~6)[4]。源节点和目的节点之间的信道衰减系数为:hsd=h(d)=e-γd(1+d)δ,源节点和中继节点之间的信道衰减系数为hsr(x)=h(x)=e-γx(1+x)δ,中继节点和目的节点之间的信道衰减系数为hrd(x)=h(d-x)=e-γ(d-x)(1+(d-x))δ。由上面的表达式可知hsr(x)是x的单调减函数,hrd(x)是x的单调增函数。对应的边界条件为:h sr(0)=hrd(d)=1,hsr(d)=hrd(0)=hsd。

3 信道容量分析

3.1 容量计算

Cover和Gamal已经证明了退化无线中继信道容量为[5]:

根据式(1),经过计算可得到信道容量为[6]:

3.2 分析计算C(x)和xopt

把可取到容量最大值的x记为xopt,最大容量值记为Cmax。

由hsr(x)的表达式可知h sr(x)是x的单调减函数,而hrd(x)是x的单调增函数,从而f(α,x)是x的单调增函数,同时f(α,x)是α的单调减函数;同样g(α,x)是x的单调减函数,是α的单调增函数。令y(x)=f(1,x)-g(1,x),0≤x≤d,对于确定的x来说,f(1,x)是f(α,x)的最小值,g(1,x)是g(α,x)的最大值,因此y(x)是表达式(f(α,x)-g(α,x))的最小值。由f(α,x)和g(α,x)关于x的单调性可知y(x)是x的单调增函数。

因为y(x)是x的严格单调函数,利用高等数学连续函数零点定理可知,如果y(0)⋅y(d)>0,则y(x)=0在区间[0,d]上无实数根;如果y(0)⋅y(d)≤0,则y(x)=0在区间[0,d]上有且只有一个实数根。下面对y(0)和y(d)分情况讨论。

对于∀x∈[0,d]均有y(x)>0成立,即

故有C(x)=max0≤α≤1min{f(α,x),g(α,x)}=g(1,x)

即:

即

由式子(9)和式子(13)可得

4 系统的仿真分析

4.1 仿真条件

源节点和中继节点发射信号功率比值为:P1 P2=1.25,中继节点和目的节点接收噪声方差比为:Nr Nd=1,源节点和目的节点的距离设定为:d=1,路径吸收常数γ=0,0.1,0.2,0.5,0.8,1,2,路径损失指数δ=1.8,2,3,4 5,。

4.2 仿真结果分析

1.按照公式(2)和依据本文结论公式(16.1)仿真的得到的信道容量曲线对比图如图2所示。

从仿真图形上可以看出两条曲线基本重合。各自得到的协作中继位置的最佳值分别为xopt=0.4600和xopt=0.4610。仿真结果说明了本文所得结论的正确性。

2.运用本文结论,通过仿真计算得出不同γ和δ下信道容量最大值Cmax(见表1)和对应的中继最优位置xopt的值(见表2)。图3给出γ=1,δ=1.8,2,3,4 5,时信道容量曲线。图4给出γ=0,0.1,0.2,0.5,1,2,δ=2时信道容量曲线。

从表1,表2和图3,图4可看出,随着传输吸收常数γ和路径损失指数δ的增大,中继最优位置xopt的取值变大,而信道容量的最大值Cmax变小。这个结论与从物理模型得到的直观结果一致。

4 结束语

本文通过构造特定方程的方法分析了中继节点位置对信道容量的影响,同时仿真说明了信道衰落参数对信道容量的影响。给出了一个数值例子,通过系统仿真,得出了信道衰落模型中不同的传输吸收常数和路径损失指数下信道容量的最大值和中继节点的最优位置。这对中继位置的选择有指导意义。仿真表明,当传输吸收常数和路径损失指数增大的时候,中继节点的最优位置向目的节点移动,同时信道容量的最大值减小,这个结论具有很直接的物理意义。

参考文献

[1]FRANK H.P.FITZEK,MARCOS D.KATZ编,程卫军,闫晓东等译.无线网络中的合作原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2009.

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[3]NAM SOO KIM,YOUNG SANG KIM.Cooperativediversity with combining in Rayleigh fading for wirelessad-hoc networks[A].8th International Conference on Ad-vanced Communication Technology[C].NJ,USA,2006,1:4.

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[5]COVER T M,GAMAL A A,Capacity Theorems forthe Relay Channel[J].IEEE Transactions on InformationTheory,1979,25(6):572-584.

无线信道仿真 篇4

目前XX通信模拟训练系统的研发已经基本完成, 进入调试、完善阶段。在对其深入研究后发现系统在一定程度上仍然不能完全满足训练的需要, 系统中还是普遍存在一个问题:原模拟训练系统中信道控制器对于通信效果的判决上方法较为简单粗糙, 即采用手动输入设置通信质量等级的方式来反映通信效果的好坏, 1 到10 个等级, 依次代表通信质量从好到坏的程度, 这种方式人为因素占主导, 也就是只能通过导调人员下达的导调方案来手动进行设置, 不能真实地反映通信的实际效果, 使得训练效果大打折扣。

基于以上考虑, 就需要对信道控制软件进行改进和完善。利用信道模型计算出通信质量等级来取代目前手动输入通信质量等级的方式。这种方式可以通过数据客观地反映出通信质量, 模拟通信效果, 满足贴近实战的训练要求, 有效地提高训练水平。

1 信道控制软件

1.1 信道控制软件概述

信道控制软件是XX通信模拟训练系统中重要的组成部分, 它能够支持多种无线通信手段的通信装备和组网训练, 涉及范围广, 软件多, 组网复杂, 不仅对系统研发人员提出了更高的要求, 并且能使受训人员能熟练地操作通信装备, 灵活地进行组网。

信道控制软件利用通信网络控制技术在系统中起着承上启下的作用, 对下管理设备, 对上形成拓扑, 响应导控命令, 配合指控运行。对组成的通信网内中各模拟训练器设备的参数状态进行监控、以及通过模拟训练装备之间的通信参数匹配实现在有线环境下模拟训练装备之间无线通信的功能, 即监控当前各模拟训练装备当前状态、各类分系统间协议转换与数据交互、模拟设备参数收集、设备监管与网络拓扑识别等主要功能。

1.2 信道控制软件的组成

信道控制软件主要由设备处理模块、公共构件、通信专业构件和拓扑生成模块以及基于UDP和TCP的网络通信接口和数据库接口等基础支持接口组成。如图1 所示。

(1) 设备处理模块。设备处理模块主要处理模拟设备的注册、注销、入网、退网、心跳等一系列通信协议。

(2) 通信专业模块。通信专业模块是信道控制软件对实现各类模拟 (或虚拟) 设备的注册登记、协议转换、参数交换、实时管控等功能, 是实现各类通信网系有机融合的关键部件, 由无线电台构件、交换路由构件、接力通信构件、微波接力构件、移动通信构件、卫星通信构件等组成。不同的模拟设备具有不同的组网特性, 信道控制软件以模块化方式将不同专业的通信构件进行封装组合、用以支持模拟设备运行。

(3) 拓扑生成模块。拓扑生成模块主要由单网系拓扑生成和多网系拓扑生成组成。单网系拓扑生成主要是基于通信专业模块的结果生成。多网系拓扑生成主要是基于单网系拓扑、通信路由、地理气象环境仿真、电磁环境仿真以及网络状态生成。

(4) 公共模块。公共模块主要为模拟设备训练提供外部的环境支撑, 包括战场环境响应构件、路由判断构件和SIP语音控制构件等一系列公共构件的支持。

(5) 模拟训练装备通信接口。模块训练设备通信接口主要实现信道控制软件与模拟训练装备UDP通信, 进行UDP通信的开、关、收、发等功能。

(6) 数据库通信接口。数据库通信接口主要实现信道控制软件与数据库的通信, 进行数据库连接、数据库关闭、数据库读、数据库写等功能。

1.3 信道控制软件工作流程

信道控制软件工作流程参见图2 信道控制软件工作流程图所展示。信道控制软件与外部设备的互联关系是模拟训练装备通过通信接口与信道控制软件互联, 导控系统和指控网络控制器通过数据库接口与信道控制软件互联, SIP语音服务通过SIP控制接口与信道控制软件互联。信道控制软件内部之间的各模块通过主程序进行集成和互联。

首先, 导调人员通过通信业务控制席位计算机上安装的信道控制软件界面设置操作, 选择训练模式, 并根据导调指令设置模拟训练器设备间的通信质量等级。

其次, 在模拟训练装备开机后, 其注册请求通过网络接口传送到信道控制软件的网卡, 并进入信道控制软件的网络数据接收模块, 该模块把数据分发到数据处理模块队列中, 等待通信专业模块进行处理, 同时信道控制软件回复模拟训练装备数据已经安全收到, 回复数据也进入队列排序, 等待处理。模拟训练装备收到注册命令回复后, 回复应答命令, 表示设备在线, 以数据包的方式上报当前设备参数并且在参数变化后也需要上报。信道控制计算机对已注册的模拟训练装备要实时查询其在线状态。所有产生的数据信息通过数据接口全部存储在系统数据库中已被调用。

再次, 通信专业模块通过获取数据包的类型进行同类型间或不同类型间的参数比对, 进而对模拟训练装备进行通信参数匹配, 发出组播地址, 将不同通信方式划分到一个子网中。

最后, 信道控制软件会通过信令下发模块把之前手动设置的通信质量等级下发到相应的模拟训练装备。模拟训练装备根据接收到的通信质量等级来确定通断状态, 从而模拟出通信效果。

2 信道仿真应用的实现方案

通过对信道控制软件的介绍, 从中看出信道控制软件在信道质量的判定上设计比较简单, 判别通信效果仍然依靠手动输入设置通信质量, 没有利用现有的信道模型, 仿真水平低, 远远不能满足当前训练的需要。故需要对其进行改进和完善。

2.1 信道仿真应用的实现设计方案

本文所构想的应用方案是在原信道控制软件的通信专业模块的基础上, 新添加一个功能模块, 叫做信道判决模块。信道判决模块主要由无线传播模型和数据处理模型组成, 如图3信道判决模块构成图所示。

存储在数据库中的自然环境信息、电磁环境信息以及设备参数由导控网发送给无线传播模型和数据处理模型, 先经过无线传播模型计算出无线传播路径损耗, 再将路径损耗值输入数据模型中计算信噪比、误码率, 然后根据既定标准估算出通信质量等级经过SIP控制接口发送给模拟训练装备, 模拟出相应的通信效果。

通信专业模块中不同方式的通信构件众多, 且工作流程基本相似, 所以仅以电台组/退网构建为例, 介绍信道判决模块在信道控制软件中的工作流程, 如下图4 信道判决模块工作流程图所示。

在XX通信模拟训练系统中, 系统数据库提供了大量各模拟训练装备的自然环境信息和复杂电磁环境信息, 而且模拟训练装备开机向信道控制软件注册时, 上报了各模拟训练装备的位置、IP地址、工作模式、频率、功率等信道参数信息, 这些信息会实时存储在模拟训练系统数据库中, 并且信道控制软件可以通过导控网读取这些信息。

模拟训练装备通过通信接口将参数信息上传到参数解析模块。参数解析模块将设备参数存入系统数据库, 并将合法参数进行解析放入对应的参数比对模块。参数比对模块将设备参数进行参数比对, 形成一个电台子网, 并将比对结果放入信道判决模块。

信道判决模块利用建立的信道模型结合设备参数、通信距离、地形环境、气象环境和电磁环境等各种数据信息进行处理后, 计算出误码率、信噪比等, 近似地描绘出通信设备的通信质量等级, 信道判决模块将估算后的通信质量等级采用UDP封装的方式, 通过SIP控制接口下发通断判决指令给目的模拟训练装备执行, 模拟产生相应的通信效果。

信道控制软件通过导控网读取这些数据参数时, 只要设备参数、环境信息和复杂电磁环境信息等发生改变, 信道判决模块就要重新计算通信质量。参数改变一方面包括导控系统数据库更新参数, 另一方面也包括设备参数变更时, 模拟训练装备重新组网, 设备环境、电磁参数出现变更, 都要重新计算通信质量。

这样就使得信道控制软件控制输入信号的过程贴近实际, 取代以往单纯地依靠导调指令手动输入通信质量等级来决定信号的通断, 以客观数字作为依据来反映两个通信模拟训练装备能否互相连通。

3 总结

无线信道远程网桥的设计 篇5

通常计算机网络的传输媒介主要是铜缆或光缆, 但在某些场合下, 敷设专用通信线路的布线施工难度大、费用高、耗时长, 有线网受到限制, 特别是, 相距较远的节点或网络需要互联时, 敷设专用的有线线路也不现实。无线远程网桥可以解决上述问题。

网桥工作在OSI参考模型的数据链路层, 可以用来互联2个不同拓扑结构、不同网络操作系统、不同协议的局城网;网桥还可以扩展网络的物理距离和使用范围;在负载较重的网络中, 可以使用网桥将局域网分隔成不同的网段, 减小各网段网络负载, 降低了数据帧的碰撞概率。

无线网桥与有线网桥不同, 它通过无线链路互联网络。无线链路与有线线路相比有传输不可靠、误码率高、受空间干扰大等缺点, 在数据传输时必须提高数据传输的可靠性, 在无线数据链路层使用ARQ协议, 提高检错码的检错能力, 将长数据帧分段等措施。电磁环境恶劣、信道误码率较高时, 还应在物理层的无线信道中加入强纠错能力的信道编译码, 提高信道误码性能, 降低数据帧重传概率。

无线网桥设计框图如图1所示, 由有线接口、无线数据链路 (DLC) 处理、纠错编译码单元组成。有线接口由物理层接口、有线发缓存、有线收缓存、帧解析4个模块组成。DLC单元由分段、重组、转发、检错等模块组成, 实现ARQ协议、有线数据帧的分段、重组功能。纠错编译码单元由编码和译码模块组成, 用于提高无线信道的误码性能。

1 无线数据链路层的设计

数据链路层 (DLC) 主要作用是实现可靠的无差错的数据传输。无线信道与有线信道相比具有不稳定性, 数据传输出错不可避免, 必须进行差错控制。常用的差错控制方式有3种:检错重发 (ARQ) 、前向纠错 (FEC) 和前2种方式相结合的混合纠错 (HEC) 。无线信道中DLC通常选用HEC, 接收端不但具有纠错能力, 对超出纠错能力的错误还有检错能力。遇到不能纠正的错误则通过ARQ协议要求发端重发。

数据链路层 (DLC) 设计框图见图2, 主要有分段重组功能和选择重传ARQ。分段、重组作用是为有线数据帧适应无线传输, 由分段和重组2个模块组成。选择重传ARQ实现无线数据链路层数据的无差错传输, 由数据帧转发、数据帧检测、响应帧检测、响应帧发送、检错、缓存器等模块组成。

数据链路层 (DLC) 工作过程, 按从发到收顺序分为4个功能:数据帧分段、转发、接收、数据帧重组。数据帧分段功能:发送缓存未满时, DLC从有线接口单元读入数据帧, 若数据帧长度大于无线数据帧长度, 则对数据帧按无线数据帧长度分段, 并且按先后顺序给每段数据编号, 根据编号收端可以识别出数据包之间的前后顺序, 另外无线数据帧中还需有总数字段, 供收端数据帧重组用, 指示当前有线数据帧是否收完, 防止数据帧重组时遗失数据段;转发功能:DLC对落入发送窗口内无线数据帧循环编号, 然后依次发送, 直至窗口内数据帧全部发送完毕为止, 编号的目的是为ARQ协议响应帧使用, 收到对端的确认帧ACK, 表示该帧数据成功接收, 收到否认帧NCK, 则该帧数据发送失败, 需重新发送对应的数据帧, 窗口最前面的数据帧得到确认后, 窗口向前滑动一次, 新落入窗口内的数据帧可以发送, 这样发送窗口循环向前移动, 发缓冲中的数据依次向无线信道发送。接收功能:同样, 在接收端需要设置接收窗口, 控制数据帧的接收, 只有落入接收窗口内才允许接收, 收到的数据帧落在窗口外, 将其丢弃, 另外接收端还需对数据帧检错, 正确且落入窗口内, 向发端发送确认帧ACK, 通知发端该帧数据成功接收, 可以继续发送, 若出错则向发端发送否认帧NCK, 通知发端该帧数据传送失败, 需要重发;数据重组功能:接收端需对正确接收的各段数据重组, 根据总数字段, 当所有字段全部接收后, 按各段编号将各段数据按顺序重新组合, 恢复出有线数据帧, 传送给有线接口。

1.1ARQ协议

ARQ协议有停止等待协议、连续ARQ协议、选择重传ARQ协议3种。连续ARQ协议简单可靠, 缺点是信道利用率低;连续ARQ协议可以连续发送数据帧, 提高了信道效率, 缺点是需要足够的缓存存储没有得到确认的所有数据帧, 当有数据帧出错时, 需要对该帧数据之后的所有数据帧重传, 这样又使信道利用率降低, 信道较差时, 可能仅因为一个字节的错误, 需要不断传送后面已经成功传送的数据帧, 此时信道效率还不如停止等待协议;选择重传ARQ协议比连续ARQ协议效率更高, 对正确传送的数据帧不需重复发送, 只需重传出错的数据帧, 其缺点是接收端同样需要足够的缓存。综合考虑上面3种协议, 为提高信道利用率高, 采用选择重传ARQ协议。

滑动窗口尺寸W的选择。选择重传ARQ协议发送端数据帧的发送是通过滑动窗口控制的, 只有落在窗口内的数据帧才可以发送出去, 而落在窗口外的帧, 即使是信道空闲也不能向信道发送。其值并不是越大越好, 一般选择W≥ (1+2Td/Tf) , 其中Td是无线链路时延, Tf是单帧传输时间, Td越大, Tf越小, 滑动窗口W值越大。当W满足上述条件时, 信道利用率Er达到最高。滑动窗口尺寸W选定后, 为使ARQ协议有效工作, 还需对发送窗口Wt和接收窗口Wr加以限定。对于选择重传ARQ协议, Wt和Wr必须满足Wt+Wr≤W, Wr≤W/2。

1.2数据帧分段无线转发

从网络有线侧接收的局域网的数据帧帧长为64～1 600字节, 这些数据帧在无线链路上必须经过处理才能转发。对于长度较短的数据帧可以直接发送, 而对较长的数据帧先拆分成短帧, 然后发送, 如果不经过处理, 直接转发, 成功接收的概率很低, 而且传输出错后, 整帧数据需要全部重传一次, 这样降低了无线信道的利用率。这是由于无线信道的不稳定造成的, 信号经过信道传输线路后, 由于线路本身不稳定或自然界干扰等因素, 到达接收端可能会发生畸变, 从而导致误码。即使在物理层处理上, 加入具有较强纠错能力的编码, 接收端信号出错仍不可避免。

数据链路层中数据以帧为单位传送, 数据帧中任何一比特出错将导致本帧数据传输失败。数据帧传输失败概率Pf与数据帧帧长N、无线信道误码率Pe有关, 它们之间关系为Pf=1- (1-Pe) N, 从公式中可以看出Pe固定不变情况下, N越长, Pf越大。在无线信道误码率Pe等于1ⅹ10-5, 帧长N等于1 600字节时, 传输失败概率为12%, 当帧长N降为500字节时, 传输失败概率为4%, 将帧长N降低到200字节时, 传输失败概率为1.2%, 可以满足网络数据传输的目的。由此可见, 将长数据帧分成短数据帧大大提高了传输成功的概率, 提高了信道利用率Er。

1.3检错、纠错

ARQ协议要求能够检测到接收数据帧中的错误, 必须在数据传输过程中引入检错能力较强的码, 当检测出错后, 将该数据包丢弃, 禁止向高层继续传送错误的数据包, 防止高层协议误操作甚至瘫痪。CRC校验码有很强的检错能力, 特别适合于检测错误, 另外编码器及错误检测电路容易实现。它是一种循环码, 能够检测出如下错误:

① 突发长度≤n-k的突发错误 (其中n是码长, k是信息长度) ;② 大部分突发长度=n-k+1的错误, 其中不可检测的这类错误只占2- (n-k-1) ;③ 大部分突发长度>n-k+1的错误, 不可检测的这类错误只占2- (n-k) ;④ 所有与许用码组码距≤dmin-1的错误 (dmin是最小码距) ;⑤ 所有奇数个随机错误。

数据链路层中使用了ARQ协议, 加入了检错码后, 对于有线线路, 就可稳定工作了, 但对于无线线路来说, 还是不够的。尽管有线数据帧分段后, 传输成功概率提高了, 但是跟有线线路比还是比较低。另外对于否认帧和确认帧出错, 将会导致数据链路层传输不可靠。为此还需要在物理层加入纠错码, 降低误码率, 提高无线线路稳定性, 从而提高数据帧传输的成功概率。

2 以太网数据帧处理

2.1数据帧缓存设计

有线数据帧缓存的功能是缓存接收和等待发送的数据包。发缓存负责存储从网口接收的数据帧, 等待无线信道空闲时读出数据帧, 发送出去。收缓存负责存储从无线信道接收的数据帧, 然后向网口转发。发缓存和收缓存的结构相同。在数据链路层, 数据是按帧传输的, 有它固定的帧格式, 在存储转发或传输过程中, 不能将包打乱, 否则数据帧到达目的主机后, 将无法识别, 导致数据传输失败, 所以缓存器的结构不能像物理层缓存器一样按比特存储或按字节存储, 必须按帧存储。另外数据链路层数据帧长度不固定, 根据IEEE 802.3 协议, 数据帧长度最短64字节, 最长1 600字节, 所以缓存器为每帧数据设置的长度不能为定长, 很显然, 若设为最短长度, 对较长的数据帧容量不够, 若设为最大长度, 对较短的数据帧将会造成存储器的严重浪费, 缓存的数据帧减少, 事实上网络中传输的也是大量的长度较短的数据帧。所以缓存器中数据按帧存储, 而且为每帧数据动态分配存储空间。

2.2帧解析设计

帧解析单元完成接收数据帧的解析和转发功能。按照MAC帧格式对其各字段进行分析。IEEE 802.3中MAC帧由帧起始定界符、目的地址、源地址、类型、数据、填充域和检验和字段组成。帧起始定界符长度1个字节, 目的地址和源地址长度都为6个字节, 其他各字段长度和具体说明可参考IEEE 802.3标准。将MAC帧的目的地址与地址表中地址比较, 若没有相同的, 则将该地址加入地址表, 完成地址表的更新。根据MAC帧的目的地址和地址表, 判断目的主机和源主机是否处于同一网段, 若处于同一网段, 则本帧数据不需转发, 否则, 需转发。

3 结束语

本设计完成了无线网桥的基本功能, 电路实现简单, 除物理层外大部分功能可以用FPGA实现, 数据转发速度快, 经过工程验证工作稳定可靠。与传统网桥相比有移动性好、灵活性高、安装使用方便等优点。在不方便铺设电缆的地方, 使用无线网桥, 非常方便, 可以提高网络互联的速度。

参考文献

[1]潘爱民.计算机网络[M].北京:清华大学出版社, 2004:267-277.

[2]曹志刚.现代通信原理[M].北京:清华大学出版社, 2001:365-366.

超宽带室内信道仿真分析 篇6

目前为止,人们对于超宽带信号的传播问题进行了大量测量,尤其是集中在室内环境信道下的测试较多,由于进行分析的数据量不足,对不同的测量不能进行统一的规范化,已有的超宽带室内统计模型中较为著名的是S-V信道模型[2],这是一种描述多径按簇分布的信道模型,文中进行仿真研究了修正S-V信道模型,保留原有S-V信道模型中多径成簇到达和能量服从双指数分布的特点,但修正S-V信道模型中每一径的幅度不再服从瑞利分布,而是根据实测结果更加符合对数正态分布,成为研究超宽带系统性能的更好的信道平台。

1 信道测量技术

由于UWB信号的射频带宽通常达到GHz量级,信号传播特性与传统的窄带或宽带连续波信号有着明显的不同,特别在非视距环境下对超宽带信道的测量、分析以及建模将不同于传统的方法,如何获得信道冲激响应是研究信道传播特性的核心问题,因此信道测量是研究信道传输特性的基础。

超宽带通信信道测量技术是利用适当的UWB信号来探索信道,主要有两种测量方法,一是时域测量技术;二是频域测量技术,该技术是利用矢量网络分析仪,在指定频带上选择若干等间隔的离散频率点发射单频信号,得到信道的时域冲激响应及统计量,UWB信道可以用一个时变的脉冲响应表示为[3]

$h(t,\tau )={\displaystyle \sum _{n=1}^{{\rm N}(t)}a}{}_n(t)\delta (t-\tau {}_n(t)\exp )(\text{j}\theta {}_n(t))(1)$

其中,第n径的参数an,τn,θn分别是幅度、时延、相位;N表示多径数目。UWB信道也可以描述为频域自回归模型,表示为

${\rm H}(f{}_n,x)-{\displaystyle \sum _{i=1}^{p}b}{}_i{\rm H}(f{}_{n-1},x)=V(f{}_n)(2)$

其中,bi是模型参数;p是模型阶数;V(fn)是复白噪声;H(fn,x)是位置x处复频率响应的第n个抽样。

2 信道数学模型的建立

2.1 S-V信道模型

由于超宽带技术主要应用于室内环境,所以人们对超宽带信道的建模主要集中在室内环境。由于墙壁、家具、人等障碍物的存在,UWB脉冲通常会发生反射、衍射等现象,且发送端与接收端很少存在视距传播路径(LOS),因此UWB室内传播时的多径现象严重且第一径通常不具有最大能量。到目前为止,人们已经提出了多种UWB室内信道模型,如Δ-K模型、POCA- NAZA模型、S-V模型和IEEE802.15.3a室内标准信道模型等。目前普遍认可的对于室内超宽带传输特性描述较好的是基于分簇方式的模型,该模型首先由Turin于1972年提出,后来Saleh和Valenzuela在对宽带信号的研究中提出了进一步规范化的模型,得到了普遍认可,即S-V模型,基物理描述如下:多径信号不是按着固定的速率均匀到达接收机,而是以簇(Cluster)的形式,分成一簇一簇地到达。S-V信道模型是一个统计模型,由实测数据建模而成,在该模型中,来自同一个脉冲的多径分量以簇的形式到达接收机,簇到达时间被建模成一个速率为Λ的泊松过程[4,5,6]

$p({\rm T}{}_l|{\rm T}{}_{l-1})=\Lambda \exp [-\Lambda ({\rm T}{}_l-{\rm T}{}_{l-1})],l＞0(3)$

其中,Tl与Tl-1分别表示第l簇和第l-1簇的到达时间。在不考虑空间传播延迟的情况下,可以假设第一簇的到达时间等于零。每一簇内包含多个多径分量,而且多径分量的到达时间也被建模成一个到达速率为λ的泊松过程

$p(\tau {}_{k,l}|\tau {}_{(k-1),l})=\lambda \exp [-\lambda (\tau {}_{k,l}-\tau {}_{(k-1),l})](4)$

其中,τk,l与τ(k-1),l分别表示第l簇内的第k与第k-1条径的到达时间。用βk,lexp(jθk,l)表示第l簇内的第k径的复数衰减系数,则S-V信道模型的冲击响应可表示为

$h(t)={\displaystyle \sum _{l=0}^{\infty }{\displaystyle \sum _{k=0}^{\infty }\beta }}{}_{k,l}\text{e}{}^{\text{j}\theta {}_{k,l}}\delta (t-{\rm T}{}_l-\tau {}_{k,l})(5)$

其中,Tl,l=0,1,2,…为第l个到达簇的到达时间,τk,l,k=0,1,2,…为第l个簇中到第k个到达射线的到达时间,T0=0为第一个到达簇的到达时间,τ0l=0为第l个簇中第一条射线到达时间,δ(·)为狄拉克冲激函数,θk,l为在[0,2π)均匀分布的随机变量,{βk,l}为相互独立且服从瑞利分布的随机变量,其平均功率服从双指数分布

$\overline{\beta {}_{k,l}}=\overline{\beta {}_{0,0}}\exp (-{\rm T}{}_l/\Gamma )\exp (-\tau {}_{k,l}/\gamma )(6)$

其中,$\overline{\beta {}_{k,l}^2}=E(\beta {}_{k,l}^2)$为第l簇内的第k径的平均功率;Γ为簇功率衰减因子;γ为多径的功率衰减因子。虽然在该统计模型中多径数目可以为无穷大,但是在实际测试中,当l或k比较大时,βk,l近似为零。

2.2 修正S-V信道模型

S-V模型是一个适合仿真研究使用的完整的多径模型,但存在几个问题,首先,S-V信道能够准确地反应室内LOS环境的传播规律,但对于NLOS环境的性能明显不足;其次,模型无法准确预测特定环境的多径传播特性;最后,在实际应用中存在模型输入参数获取困难的问题。为与超宽带实测实验中得到的数据更吻合,802.15.3a工作组对S-V模型进行了一些修改,建议利用对数正态分布而不是瑞利分布来描述多径增益幅度,第一簇内部各路径之间是独立的衰减机制,用另一个对数正态分布随机变量表示总多径增益的波动,簇和簇内路径的到达时间分别是用独立的泊松过程来描述,信道冲激响应的相位分别是0或π,因此不存在虚部分量,信道误差系数采用实变量来代替原来的复变量[7]。考虑到UWB信号脉冲经过电介质表面反射出现脉冲翻转的概率是随机的,假设θk,l等概率出现于±π,则修正后的信道模型冲激响应可以表示为

$h(t)=X{\displaystyle \sum _{l=1}^L{\displaystyle \sum _{k=1}^{{\rm K}(l)}\alpha }}{}_{k,l}\delta (t-{\rm T}{}_l-\tau {}_{k,l})(7)$

其中,X表示阴影效应对应的对数正态衰落随机变量,它反映了信号总能量的衰落,其分布为20lg10(Xi)～N(0,σ2x),L是观测到的簇的数目;K(l)是第l簇内接收到的多径数目,αk,l是第l簇内第k条径的幅度增益,可以表示为αk,l=pk,lξlβk,l,此处pk,l等概率地取±1,表示由反射引起的信号反转,ξl反应第l簇的衰减,βk,l对应第l簇内第k条径的衰减,ξlβk,l也服从正态分布,即20lg10(ξlβk,l)～N(μk,l,σ${}_1^2$+σ${}_2^2$),此处的σ${}_1^2$表示簇衰减系数的标准差,σ${}_2^2$表示径衰减系数的标准差,μk,l表示径衰减系数的均值,可表示为[8]

$\mu {}_{k,l}=\frac{10\ln (\Omega {}_0)-10{\rm T}{}_l/\Gamma }{\ln (10)}-\frac{(\sigma {}_1^2+\sigma {}_2^2)\ln (10)}{20}(8)$

其中,Ω0是第一簇第一径的平均能量。

3 信道仿真及结果分析

基于发射机和接收机的平均距离和是否存在视距分量,推荐4种不同的实测信道,CM1:视距(0～4 m),CM2:非视距(0～4 m),CM3:非视距(4～10 m),CM4:非视距(4～10 m),代表了极端的NLOS多径信道环境。不同环境下的信道模型对应的参考值,如表1所示。

在Matlab环境下建立仿真平台进行仿真实验,设定源参数为:数据长度(Data Length)为100 bit,脉冲持续时间(Impulse Duration)为0.5 ns,抽样间隔(Sample Interval)为0.05 ns,周期(Period)为20 ns,信道为CM1-CM4,信道冲激响应(CIR)间隔为0.5 ns,信噪比(SNR)取为5 dB,信道估计采用的训练序列长度(Training Sequence Length)为10 bit,接收路径数(RAKE Branch Number)为4,发射端发送BPSK信号,适于NLOS的CM3信道和CM4信道的信号平均每80 ns发送一次,通过仿真运行程序可以得到不同信道环境下的信道冲激响应,如图1所示。

对比CM1的LOS环境与CM4的NLOS环境下信号,可以看到LOS信道传播环境中,多径分量的数目较少、簇的数目明显、信号比较好,而在NLOS环境下,由于传播环境变差,多径分量明显增多,而且簇和簇的间隔不再明显,随着时间的增加多径分量的幅度也在逐渐衰减。实际上室内环境下的UWB信号传播时,往往存在多重障碍物,参考S-V/802.15.3a标准的CM4信道可以代表NLOS的恶劣的多径信道环境,故选取CM4信道进行重点研究,发射端发送的UWB高斯窄带脉冲信号在CM4环境下,设定信道响应间隔为0.5 ns,信噪比为5 dB时通过S-V信道后得到的信号如图2所示。

在CM-4环境下仿真得到的信道估计与实际信道估计对比结果如图3所示。

4 结束语

超宽带脉冲信号在室内传播时的多径现象很严重,文中对超宽带信道模型在视距与非视距环境下存在的性能差异,经过实验仿真表明,通过信道仿真结果分析了超宽带信道的传输特点,证明了修正S-V信道 模型能够完好地反映超宽带通信系统信道的传输特征,与实际的信道响应特性相吻合,是更为适合用于研究超宽带通信系统的信道模型。

参考文献

[1]张中兆,沙学军,张钦宇,等.超宽带通信系统.北京:电子工业出版社,2010.

[2]张士兵,张力军.超宽带信道建模与仿真[J].南京邮电学院学报,2005,25(3):60-63.

[3]乔永伟.超宽带无线通信系统的同步及解调算法研究[D].北京:北京邮电大学,2009.

[4]贺中堂,张力军.UWB室内传播模型的研究[J].南京邮电学院学报,2005,25(5):58-59.

[5]杨牛扣,周杰.超宽带室内LOS环境信道模型研究[J].无线电通信技术,2011,37(4):41-43.

[6]MLOISCH A.Time variance for UWB wireless channels[S].IEEE P802.15-02/461-SG3a and IEEE P802.15-02/462-SG3a,2002.

[7]刘江庭.超宽带(UWB)室内信道建模研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2006.

无线接入信道损耗特性分析 篇7

在无线接入信道,电波不仅随传播距离的增加而发生弥散损耗,并且会受到地形、地物遮蔽而发生“阴影效应”,而且信号经过多点反射,会从多条路到达接收端,这种多径信号的幅度、相位以及到达时间都不一样,它们相互叠加产生电平快衰落和时延扩展。工程实际中,常常用一些特征量来表示衰落信号(快衰落)的幅度特点,这些特征量主要有衰落速率和衰落深度。本文将对莱斯和瑞利2种小尺度衰落信道条件下的衰落速度和衰落深度进行分析。

1 无线接入信道的损耗分析

无线接入信道的损耗主要包括自由空间传输损耗和散射损耗两部分。

1.1 自由空间传输损耗

自由空间损耗反映了无线电波在理想空间传播时产生的扩散损耗。自由空间传播损耗提供了一个可供比较的传播环境标准。自由空间传播损耗Lbs的定义为:

undefined。

式中,Lf为自由空间传播基本传输损耗;d为传播路径长度;λ为波长。

1.2 反射损耗

在工程实践中,典型的移动通信电波传播需要考虑地物等反射对电波传播的影响,这种情况下的传播通路为直射通路和反射通路,对应的传播模型称为二射线反射模型。

反射引起的附加损耗可以表示为:

undefined。

式中,λ为波长;Re为等效反射系数;Δr为直接射线与地反射射线之间的路程差。

2 服从瑞利分布的衰落深度

无线信道中传输的信号在无视距路径存在的情况下是服从瑞利分布的,此时信号幅度、相位的联合分布密度为:

undefined。

信号幅度和相位的分布密度分别为:

undefined

从而可以得到相应的幅度分布概率为:

undefined

即P(R)为传输信号不超过给定值的概率,而q(R)表示传输信号超过给定值的概率。

根据式(1)和式(2)可以求出包络功率ω=r2的分布密度和分布概率为:

undefined, (3)

undefined。

式中,ω0=2σ2为平均信号包络功率。

令式(3)右边等于1/2,可以得到信号幅度中值为:

ωm=ω0ln2。

从而可得:

undefined

而相应于被超过概率q的相对于中值的电平即为:

V(dB)=10lg(-lgq)+5.2。

从而得到信号服从瑞利分布情况下的衰落深度为:

F=V(0.5)-V(0.9)≈8.2 dB。

3 服从莱斯分布的衰落深度

当信号在无线传输过程中存在视距路径且该视距路径可建模为常矢量时,此时传输信号服从莱斯分布,信号幅度、相位的联合分布密度为:

undefined。

式中,α为直射路径分量幅度。

信号幅度和相位的分布密度分别为:

undefined

式中,

undefined(零阶虚变量贝塞尔函数);

undefined;undefined;

undefined。

当γ2<<1时,信号可近似看作是服从瑞利分布,而当γ2 >>1时,则

undefined

从而可以得出结论,当常矢量很强时,信号的幅度和相位主要分布在常矢量的幅度值α和相位值θ=0附近。可得信号幅度的分布概率为:

undefined。

定义undefined,则

undefined。

从而可得相对于常矢量的被超过概率q的相对于中值的电平为:

F=20lgm。

令K=20lgk,从而可以得到信号服从莱斯分布情况下的衰落深度为:

undefined

。

不同莱斯因子条件下的误码性能如图1所示。

4 衰落速率分析

衰落速率可表示为:

undefined。

当用中值电平表示时,衰落速率还可以写为:

N(r)=N(rm)n(r)。

式中,N(rm)为中值电平rm处的衰落速率;n(r)为电平r处的相对衰落速率。可以得到N(rm)和n(r)的表达式为:

undefined;

undefined。

当γ=0时,信号服从瑞利分布:

undefined。

当γ≠0时,信号服从莱斯分布:

undefined。

5 结束语

小尺度衰落是无线接入多径衰落信道重要特征,在典型的莱斯分布和瑞利分布衰落信道条件下,衰落深度和衰落速度是表征信道特性的重要参数,直接决定了系统工程中关键部件的设计方法。本文推导了莱斯、瑞利信道衰落深度和衰落速度的统计计算方法,对针对变参条件下的信道设计有一定的参考作用。

参考文献

[1]PROAKIS J G.数字通信(第4版)[M].张力军,译.北京:电子工业出版社,2003.