移动通信信道的建模与仿真

【摘要】针对移动通信的特点，本文以中继卫星通信链路为主要研究对象，分析了该链路通信信道中存在的传播损耗，并以此为基础建立了链路通信的信道模型;最后仿真分析了不同的通信传输速率在加性高斯白噪声（AWGN）衰落信道、多径Rayleigh衰落信道、Rician衰落信道以及复杂衰落信道中的误码率特性曲线，仿真结果表明，满足Rayleigh衰落信道模型的信号分量对系统的性能影响较大，且传输速率越高，信号分量中的反射分量与多径分量影响越大。

【关键词】信道模型;高斯白噪声衰落信道;多径;误码率

1.引言

随着移动通信环境越来越复杂，使得移动通信可靠性受到巨大挑战。数据链无线通信信号在空间传播过程中不可避免的受到自然环境如降雨、雨雾、大气吸收、多径、阴影等不同因素的影响，从而对通信信号的质量造成不同程度的衰减，分析这些信道因素的特性，建立适合的链路信道模型可以为移动通信系统方案设计与验证测试提供重要的理论支持，这就对研究移动数据链的通信信道建模提出了新需求。

为此，本文针对移动与卫星的通信信道进行了建模与仿真。

2.数据链信道传播特性分析

无线信号传播过程中，链路传播损耗的影响因素主要有自由空间损耗、雨衰、云雾衰、大气吸收损耗，以及由多径效应引起的多径衰落、阴影衰落。

2.1 自由空间传播损耗

无线电波传播中最基本的传播方式是自由空间传播，在影响卫星通信链路中的传输损耗因素中，最主要的是自由空间损耗。

设d为通信距离，PT是天线发射功率，GT为天线发射增益，GR为天线的接收增益，D为天线直径，为信号的波长，则接收信号的功率如公式1。

（1）

其中，自由空间损耗为：

用dB表示传输距离d与频率f的转换关系如公式2。

（dB）

（2）

由上式可知，自由空间损耗Lp的大小与频率f及传送距离d有关。

2.2 雨衰

大气和降雨等对毫米波传播的影响显著。毫米波通过大气时产生的衰减主要是水汽和氧的吸收造成，水汽分子具有电偶极矩，氧分子具有磁偶极矩，它们与毫米波相互作用，在某些波长上产生谐振而吸收其能量。在毫米波频段，雨、雪和冰雹引起的衰减更为严重，还会改变电磁波的极化，增加系统的噪声温度。尤其是降雨的影响不容忽视，研究表明由于降雨而引起的信号衰落是高频段卫星通信所经受的最严重的传播损耗。

依据国际电信联盟提出的ITU-R降雨衰减模型，降雨衰减可表示为：

（3）

式中，Rp是降雨率（mm/h）。ε为路径仰角，参数K和与频率、通信仰角和极化倾角有关，可通过经验公式得到：

为雨区经历的等效倾斜路径长度，与降雨率Rp和仰角ε有关：

（4）

图1所示是降雨率Rp与降雨衰减的关系。可知随着Rp的增大，增大;通信仰角的越小，越大;同时，随着载波频率的增大，也增大。

图1 降雨率与降雨衰减的关系

2.3 云雾衰减

无线电波穿过云雾传播时，电波信号的部分能量会被云雾中的水汽分子吸收或散射，导致信号能量损耗。一般认为，工作频率越高、穿越的路径越长、云雾浓度也大，云雾衰减越严重。

相比于降雨衰减对信号的影响，云雾衰减要小得多，但是在波束的边缘区域和低仰角的高纬度地区，云雾衰减是不可以忽略的。对于云雾引起的损耗，可以用下式估计计算：

（dB/km） （5）

式中，频率f的单位为GHz，能见度vm的单位是m。

研究表明，能见度约为30m的密雾，引起的电波损耗介于大雨和中雨引起的雨衰之间;能见度约为120m的浓雾，引起的电波损耗与小雨引起的雨衰近似。

2.4 大气吸收损耗

大气吸收衰减主要是由大气吸收引起的，而该衰减主要取决于载波频率、通信仰角、海拔高度和水蒸气的绝对湿度。当频率低于10GHz时，该衰减可以忽略不计，但是频率高于10GHz时，该衰减随着频率的增加而增加，特别是对于低仰角的情况下明显。依据ITU-R给出的大气吸收损耗的计算方法公式为：

（6）

式中，为天线仰角;表示干燥空气的有效高度（km）;为氧气的损耗系数（dB/km）;表示水蒸气的有效高度（km）;为水蒸气的损耗系数（dB/km）。

2.5 多径衰落

由于经不同路径的直射波和反射波的幅度、相位各不相同，到达接收天线的时间也不相同，所以接收信号为多个不同幅度、相位的信号的叠加，从而导致接收信号幅度急剧起伏，称这种现象为多径效应。由多径效应引入的衰落称为多径衰落。接收终端接收的信号一般由受遮蔽的直射信号和漫反射引入的多径信号组成，而受遮蔽的直射信号的概率密度函数服从Lognormal分布。其中经漫反射引入的多径信号的概率密度函数服从Rayleigh分布。

2.6 阴影衰落

信号传播路径中的建筑物、树木或山丘等高层障碍物形成无线电阴影，任何穿过或绕过该障碍物的电波都将发生衰减，从而造成接收信号的电平下降，称这种现象为阴影效应。由于阴影效应，接收信号的强度会产生不同程度的衰减，导致接收信号电平在一定的范围内起伏，从而引起衰落，称为阴影衰落。受阴影衰落的影响，接收信号包络一般可用Lognormal分布来描述。

3.链路建模

通过上述链路损耗以及模型的分析，建立链路模型如图2所示。考虑到链路通信选择的频段不同，信道中存在的衰落也不同。具体的信道模型选择为：

（1）理想的高斯白噪声信道;

（2）Rayleigh衰落模型信道与高斯白噪声（AWGN）信道;

（3）Rician衰落信道与AWGN信道;

（4）复杂信道模型，即Rayleigh、Rician、AWGN相结合的模型。

图2 链路仿真模型

图3 不同传输速率各信道的误码率曲线

4.链路仿真与分析

利用Matlab对上述链路模型搭建仿真平台，分别对不同的信道衰落环境进行误码率统计分析。以下是在BPSK调制解调模式下不同传输速率的信号分别在上述四种衰落信道环境误码率比较。

由图3可看出，不同传输速率的信号在AWGN信道的误码率最低，Rician衰落信道次之，Rayleigh衰落信道与复杂信道对信号的传输性能造成了很大的影响。在相同的误码率情况，多径Rayleigh衰落、复杂衰落信道所需的信噪比要比AWGN信道、Rician信道要高。在相同的信噪比下，信号在AWGN、Rician衰落信号中误码率小于多径Rayleigh衰落信道和复杂衰落信道。此外，对比图3可知，随着信号传输速率的增大，信号受多径Rayleigh衰落影响更加明显，说明满足Rayleigh衰落分布的信号分量更容易引起码间干扰，造成误码率的急剧提升。

5.结束

本文分析了移动通信信道环境特性，对信道存在的各种衰落进行了介绍与估算，然后针对不用的信道环境进行了链路模型建模，最后分析了不同的信道环境对通信信号误码率产生的影响。仿真结果表明，多径瑞利衰落信道对系统性能造成了很大的影响，而且随着通信速率的提高，信道中对信号造成影响的信号分量造成的码间干扰也越大。

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