无线通信信道的研究本科生毕业论文设计.docx
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无线通信信道的研究本科生毕业论文设计
兰州商学院
本科生毕业论文(设计)
论文(设计)题目:
无线通信信道的研究
学院、系:
信息工程学院
专业(方向):
计算机科学与技术
年级、班:
2003级2班
学生姓名:
姜阿勇
指导教师:
李海燕
2007年5月10日
无线通信信道的研究
摘要
无线通信由于其具有独特的优点,近年来得到广泛的应用,也将在未来个人通信中发挥重要的作用。
无线通信是当今通信领域最为活跃的和发展最为迅速的领域之一,随着对无线通信服务业务要求的提高,无线信道的研究又是无线通信系统分析与设计中一个难点。
首先对无线通信的发展历程进行介绍,然后介绍的是无线通信信道的基础知识,无线信道根据电磁波的传播特性将信道衰落分为:
大尺度衰落,阴影衰落和小尺度衰落,还介绍了对信道的研究方法。
着重介绍了信道的小尺度衰落,从而了解了影响小尺度衰落的因素,无线多径信道的参数,小尺度衰落的类型。
本文主要研究的是无线信道的衰落特性,对一些典型的衰落信道通过用Matlab仿真软件进行仿真,得到其仿真波形。
对在复杂传播环境下进行无线信道特性和无线通信系统性能的研究具有较为重要的理论意义和实用价值
随后对信道进行仿真,包括加性高斯白噪声信道,Rayleigh信道,Rician信道。
主要仿真的是他们的误码率和频谱。
最后对仿真的结果进行比较和分析。
关键词:
信道,衰落,仿真,Rayleigh,Rician
Theresearchofthewirelesscommunicationchannel
Abstract
Wirelesscommunicationhaduniqueadvantages.Itasoneofthemainrolesinthefuturepersonalcommunicationiswidelyapplied.Wirelesscommunicationisoneoftheactivestandfastestgrowingfieldsintheworld.Radiochannelmodelinghasbeenthemostdifficultproblemofwirelesscommunicationtoanalyzeanddesignfor.
First,thepaperdemonstratesthedevelopmentofwirelesscommunication.Thenintroducetherudimentaryknowledgeofthewirelesschannel.Accordingtotransmissioncharacteristicsofelectromagneticwave,channelfadingweredividedlarge-scalefading,shadowfadingandsmall-scalefading.Thepaperpresentsresearchmethodsofchannel.Itisimportantthatsmall-scalefadingwasintroduced.Therefore,wecanunderstandelementofaffectingsmall-scalefading,parametersofwirelessexcessivepathwayandkindsofsmall-scalefading.
Theresearchtopicinthisarticleisfadingcharacteristicsofwirelesschannels.ThroughMatlabsimulationsoftware,someclassicfadingchannelsweresimulated.Itmayobtainthewaveform.Incomplexenvironment,itisimportantandvaluabletotheresearchinwirelesschannelscharacteristicsandwirelesssystemperformance.
Afterwardsclassicchannelmodelsweresimulated.ItincludesAWGNchannel,Rayleighchannel,Ricianchannel.someparametersweresimulatedsuchasbiterrorrate(BER)andspectrum.Totheartificialresultfinallyhavecomparedandanalyzed
KeyWords:
channel,fading,simulation,Rayleigh,Rician
摘要..................................................................................Ⅰ
Abstract..............................................................................Ⅱ
无线通信的特点5
1.2无线通信信道研究的意义6
第2章无线通信信道的基础概念和知识7
2.1引言7
2.2无线通信信道的传播特性7
大尺度衰落特性9
阴影衰落10
小尺度衰落特性11
影响小尺度衰落的因素12
无线多径信道的参数12
小尺度衰落的类型13
第3章无线通信信道的仿真15
3.1仿真软件MATLAB简介15
的特点16
与MATLAB挂接的SIMULINK环境16
3.2加性高斯白噪声信道的仿真17
3.2.1加性高斯白噪声信道误码率仿真17
3.2.2加性高斯白噪声信道频谱仿真19
3.3Rayleigh信道的仿真20
3.3.1Rayleigh信道的衰落分布20
3.3.2Rayleigh信道的误码率仿真21
3.3.3Rayleigh信道的频谱仿真22
3.4Rician信道的仿真23
3.4.1Rician信道的衰落分布23
3.4.2Rician信道的误码率仿真24
3.4.3Rician信道的频谱仿真25
3.5仿真分析及结论26
结束语27
参考文献28
第1章绪论
1.1无线通信介绍
无线通信发展的状况
无线通信是20世纪经济发展和交通技术高速发展的产物,人类社会由生产型向信息社会过渡的时代,人们希望实现任何人,在任何时间,任何地点都能获得全时空的信息交换的理想目标。
实践证明,无线通信有助于人们实现这一目标。
因此无线通信越来越受到人们的重视,它已成为现代通信技术的发展方向之一。
所谓无线通信是指通信的一方或双方处于无线状态,或无线用户与固定用户之间的通信,包括机载航空通信,无线卫星通信,舰船通信陆地车辆的个人通信[1][2]。
到目前为止,无线通信从第一代到第三代的发展过程如图1-1所示:
图1-1无线通信发展的
(1)第一代(1G)无线通信技术
人们习惯于将模拟蜂窝系统称为第一代无线通信系统,美国是率先开发模拟蜂窝系统的国家之一,主要有AMPS(AdvancedWirelessPhoneSystem)系统,于1983年10月投入运营。
日本是最早研制汽车电话系统的国家之一,它研制的900MHZ大容量汽车电话系统(HCMTS)于1979年投入使用。
北欧四国开发的NMT-450无线电话系统于1981年投人使用。
英国的TACS(TotalAccessCommunicationSystem全向通信系统)蜂窝系统于1985年1月投入营运。
西德的C-450系统于1986年8月投人使用。
加拿大的AMPS系统于1985年7月在多伦多投入使用。
我国于1987年开始建立模拟蜂窝通信系统,基本是采用英国的TACS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无线通信的一次革命。
(2)第二代(2G)无线通信技术
人们习惯将数字蜂窝系统称为第二代无线通信系统。
由于模拟蜂窝系统具有以下致命的弱点:
一是各系统间没有公共接口;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70年代初就着手考虑数字蜂窝无线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GSM(GlobalSystemforWirelesscommunication)系统.
GSM标准又称泛欧数字蜂窝无线通信系统或全球无线通信系统。
它是欧洲19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。
GSM系统采用TDMA(TimeDivisionMultipleAccess时分多址)技术,系统容量为TACS的3-6倍。
调制方式为高斯滤波最小频移键控(GMSK),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。
②北美IS-54
IS-54系统是美国通信工业协会于1989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PDC(PersonalDigitalCellular)系统
日本的第一个数字蜂窝网PDC系统于1993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GSM的2倍,并且为了进一步扩展容量,已开始制定半速率(5.6kb/s)的话音编译码规范;该系统使用了两个频段(800MHz和1.5GHz),以便于扩展用户基站;由于采用了
/4QPSK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(3G)无线通信技术
由于第二代数字无线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IP等不能有效的实现,这些需要是高速率无线通信系统发展的市场动力。
因此,自从ITU(InternationalTelecommunicationUnion国际电信联盟)制定了IMT-2000(InternationalWirelessTelecommunication-2000)标准以来,第三代蜂窝无线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。
与前两代系统相比,第三代无线通信系统的主要特征是可提供丰富多彩的无线多媒体业务,其传输速率在高速无线环境中支持144kb/s,步行慢速无线环境中支持384kb/s,静止状态下支持2Mb/s。
其设计目标是为了提供比第二代系统更大的系统容量、更好的通信质量,而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务,同时也要考虑与己有第二代系统的良好兼容性。
到目前为止,己经有很多个版本的标准草案提交到ITU。
在各种建议方案中,最有影响力的包括:
WCDMA
全称为WidebandCDMA(CodeDivisionMultipleAccess码分多路),这是基于GSM网发展出来的3G技术规范,是欧洲提出的宽带CDMA技术,它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同,目前正在进一步融合。
该标准提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略。
GPRS(GeneralPacketRadioService)是通用分组无线业务的简称,EDGE是(EnhancedDatarateforGSMEvolution)增强数据速率的GSM演进的简称,这两种技术被称为2.5代无线通信技术。
②CDMA2000
CDMA2000是由窄带CDMA(CDMAIS95)技术发展而来的宽带CDMA技术,该标准提出了从CDMAIS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演进策略。
CDMA20001x被称为2.5代无线通信技术。
CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术,通过采用三载波使带宽提高。
③TD-SCDMA
全称为TimeDivision-SynchronousCDMA(时分同步CDMA),是由我国大唐电信公司提出的3G标准,该标准提出不经过2.5代的中间环节,直接向3G过渡,非常适用于GSM系统向3G升级。
但目前大唐电信公司还没有基于这一标准的可供商用的产品推出。
虽然WCDMA与CDMA2000,TD-SCDMA的目的相同,但是在关于怎样才能更好发挥CDMA的优势、提高系统的性能如系统容量、通信质量和网络覆盖等方面采用的技术有所不同。
首先,WCDMA与CDMA2000都是采用FDD(频分数字双工)模式,TD-SCDMA采用TDD(时分数字双工)模式。
TDD的频谱利用率高,而且成本低廉,但由于采用多时隙的不连续传输方式,基站发射峰值功率与平均功率的比值较高,造成基站功耗较大,基站覆盖半径较小,同时也造成抗衰落和抗多普勒频移的性能较差,当手机处于高速无线的状态下时通信能力较差。
其次,WCDMA(FDD-DS)采用直接序列扩频方式,其码片速率为3.84Mchip/s。
CDMA20001x与CDMA20003x的区别在于载波数量不同,CDMA20001x为单载波,码片速率为1.2288Mchip/s},CDMA20003x为三载波,其码片速率为1.2288*3=3.6864Mchip/s。
TD-SCDMA的码片速率为1.28Mchip/s。
码片速率高能有效地利用频率选择性分集以及空间的接收和发射分集,可以有效地解决多径问题和衰落问题,WCDMA在浙方面最具优势。
再次,智能天线技术是TD-SCDMA采用的关键技术,目前WCDMA与CDMA2000都还没有采用这项技术。
智能天线是一种安装在基站现场的双向天线,通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性,并可以同时获取基站和无线台之间各个链路的方向特性。
智能天线的这些特性可显著提高无线通信系统的频谱效率。
最后,WCDMA由GSM网络过渡而来,虽然可以保留GSM核心网络,但必须重新建立WCDMA的接入网,并且不可能重用GSM基站。
CDMA20003x从CDMAIS95,CDMA20001x过渡而来,可以保留原有的CDMAIS95设备。
TD-SCDMA系统的建设只需在已有的GSM网络上增加TD-SCDMA设备即可。
三种技术标准中,WCDMA在升级的过程中耗资最大。
(4)第四代(4G)无线通信技术
4G是集3G与WLAN于一体,并能够传输高质量视频图像,它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。
4G系统能够以100Mbps的速度下载,比目前的拨号上网快2000倍,上传的速度也能达到20Mbps,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。
而在用户最为关注的价格方面,4G与固定宽带网络在价格方面不相上下,而且计费方式更加灵活机动,用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。
此外,4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署,然后再扩展到整个地区。
很明显,4G有着不可比拟的优越性。
4G通信中的MIMO技术
MIMO技术充分开发空间资源,利用多个天线实现多发多收,在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下,可以成倍地提高信道容量。
MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put)系统,该技术是利用多天线来抑制信道衰落。
根据收发两端天线数量,相对于普通的SISO系统,MIMO还可以包括SIMO系统和MISO系统。
可以看出,此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。
也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高。
利用MIMO技术可以提高信道的容量,同时也可以提高信道的可靠性,降低误码率。
前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益,后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。
实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。
目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。
常见的空时码有空时块码、空时格码。
空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集,从而降低信道误码率。
4G通信中的OFDM技术OFDM正交频分复用技术实际上是MCMMulti-CarrierModulation,多载波调制的一种。
其主要思想是:
将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。
正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI。
每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰。
而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。
结合简要介绍OFDM的工作原理,输入数据信元的速率为R,经过串并转换后,分成M个并行的子数据流,每个子数据流的速率为R/M,在每个子数据流中的若干个比特分成一组,每组的数目取决于对应子载波上的调制方式,如PSK、QAM等。
M个并行的子数据信元编码交织后进行IFFT变换,将频域信号转换到时域,IFFT块的输出是N个时域的样点,再将长为Lp的CP循环前缀加到N个样点前,形成循环扩展的OFDM信元,因此,实际发送的OFDM信元的长度为Lp+N,经过并/串转换后发射。
接收端接收到的信号是时域信号,此信号经过串并转换后移去CP,如果CP长度大于信道的记忆长度时,ISI仅仅影响CP,而不影响有用数据,去掉CP也就去掉了ISI的影响。
4G技术将紧随3.5G技术后推出,预计在2010年将成为市场主流技术。
无线通信的特点
无线通信的主要特点如下[7]:
(1)无线通信利用无线电波进行信息传输
无线通信中基站至用户之间必须靠无线电波来传送信息。
然而无线传播环境十分复杂,导致无线电波传播特性一般很差,表现在传播的电波一般是直射波和随时间变化的绕射波、反射波、散射波的叠加,造成所接收信号的电场强度起伏不定,最大可相差20~30dB,这种现象称为衰落。
另外,无线台不断运动,当达到一定速度时,固定点接收到的载波频率将随运动速度的不同产生不同的频移,即产生多普勒交应,使接收点的信号场强振幅、相位随时间、地点而不断地变化,严重影响通信的质量。
这就要求在设计无线通信系统时,必须采取抗衰落措施,保证通信质量。
(2)无线通信在强干扰环境下工作
在无线通信系统中,除了一些外部干扰(如城市噪声、各种车辆发动机点火噪声、微波干扰噪声等)外,自身还会产生各种干扰。
主要的干扰有互调干扰、邻道干扰及同频干扰等,因此,无论在系统设计中,还是在组网时,都必须对各种干扰问题予以充分的考虑。
所谓互调干扰是指两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上,产生同有用信号频率相近的组合频率,从而对通信系统构成干扰的现象。
互调干扰是由于在接收机中使用“非线性器件”引起的。
如接收机的混频,当输入回路的选择性不好时,就会使不少干扰信号随有用信号一起进入混频级,最终形成对有用信号的干扰。
邻道干扰是指相邻或邻近的信道(或频道)之间的干扰,是由于一个强信号串扰弱信号而造成的干扰。
如有两个用户距离基站位置差异较大,且这两个用户所占用的信道为相邻或邻近信道时,距离基站近的用户信号较强,而远的用户信号较弱,因此,距离基站近的用户有可能对距离基站的用户造成干扰。
为解决这个问题,在无线通信设备中,使用了自动功率控制电路,以调节发射功率。
同频干扰是指相同载频电台之间的干扰。
由于蜂窝式无线通信采用同频复用来规划小区,这就使系统中相同频率电台之间的同频干扰成为其特有的干扰。
这种干扰主要与组网方式有关,在设计和规划无线通信网时必须予以充分的重视。
(3)通信容量有限
频率作为一种资源必须合理安排和分配。
由于适于无线通信的频段仅限于UHF和VHF,所以可用的通道容量是极其有限的。
为满足用户需求量的增加,只能在有限的已有频段中采取有效利用频率找施,如窄带化、缩小频带间隔、频道重复利用等方法来解决。
目前常使用频道重复利用的方法来扩容,增加用户容量。
但每个城市要做出长期增容的规划,以利于今后发展需要。
(4)通信系统复杂
由于无线台在通信区域内随时运动,需要随机选用无线信道,进行频率和功率控制、地址登记、越区切换及漫游存取等跟踪技术。
这就使其信令种类比固定网需要复杂得多。
(5)对无线台的要求高
无线台长期外于不固定位置,外界的影响很难预料,这就要求无线台具有很强的适应能力。
此外,还要求性能稳定可靠、携带方便、小型、低功耗及能耐高、低温等。
同时,要尽量使用户操作方便,适应新业务、新技术的发展,以满足不同人群的使用。
1.2无线通信信道研究的意义
无线电波在无线信道中传播的特性是研究任何无线通信系统首先要遇到的问题。
传播特性如何直接关系到无线通信设备的性能、天线高度的确定、通信距离的计算、以及为实现优质可靠的通信所必须采用的技术措施等一系列系统设计问题。
与其它通信信道相比,无线信道是最为复杂的一种。
信道中信号强度的骤然降低即所谓衰落是经常发生的,衰落深度可达30dB。
譬如在城市环境中,一辆快速行驶车辆上的无线台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。
这种衰落现象严重恶化接收信号的质量,影响通信可靠性。
另外在蜂窝无线环境中,同道干扰是一个必须考虑的问题。
当发生衰落时,要接收的信号也许比同频小区基站来的干扰信号还要弱,接收机就会锁定在错误信号上。
无线信道与非无线点对点无线信道相比,信号传输的误码率前者比后者高106倍。
与此相对照,有线信道中能够很好工作的语音编码器、调制解调器和同步装置在无线环境中工作性能将会大大恶化。
无线信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。
不同的环境,其传播特性也不尽相同。
而传播环境本身是相当复杂的,通信又在运动中完成,这就使得无线信道特性也是十分复杂的。
研究无线通信信道就必须认识无线信道本身的特性。
关于无线信道特性,人们发现传播信号衰落分为慢衰落和快衰落,慢衰落为对数正态分布,而快衰落为瑞利分布。
由于反射、散射和折射等现象,信号为多径传播,任意时刻无线台接收到的信号是该时刻来自不同传播路径的所有入射波的叠加,合成的总信号与径数的变化有关。
第2章无线通信信道的基础概念和知识
2.1引言
从微区的无线无线电基站向无线台发出的无线信号,在传播过程中不仅受到陆地传播路径损耗的影响,而且受到城市微区内复杂且时变环境的多径反射、散射、
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