频率选择性衰落信道模型研究与仿真

一种移动通信无线信道衰落模型的调查文摘:未来3G和4G手机通信系统将被要求支持广泛的数据率和优质的服务矩阵。

为提高数据链路的设计系统设计者需要传输协议知识的统计特性的物理层。

研究表明,没有适当的信道特性,盲目的应用现有的协议和传输策略，结果可能是毁灭性的，除非采取了适当的措施。

信道特性也帮助分配资源,选择传输策略和协议。

一种可行的办法是有一个准确彻底地可再生的最佳通道模型,模拟移动无线信道在不同的衰落错误的环境。

通道模型的目的是提供恰当的上层协议的输出,就好象它是运行在实际的物理层。

该模型应该很好得符合实测数据和很容易处理分析。

衰减移动信道的各种特征出现在过去年五十年文献中。

对于现有的信道模型，文章调查的衰落信道模型为适当的无线信道和特性提供了方法分类。

给出了由这些通道模型和他们的假设、适用性、应用、缺点,进一步提高问题所做的贡献。

在当前环境马尔可夫模型最适合于表征无线信道的衰落。

这些无线信道模型提出了一种衰落状态模型作为随机过程。

一个适当的建造信道模型是很有价值的方法去提高将来的移动无线信道的可靠性和容量的。

关键字-马尔可夫通道模型、误差概率,状态,衰落、传播、协议。

1.引言提出研究不同的通道模型在过去几十年已经取得了相当大的努力。

准确的信道模型对于无线衰落信道特性来说是个宝贵的工具。

传统的简单的加性高斯白噪声通道模型接收信号时只是不断被衰减和延迟影响。

在移动数字传输无线信道中往往需要一个更精细的模式。

在这种情况下，有必要考虑其他反复变化传播而被称为衰落的情况，它影响了接收信号的包络。

基于衰落统计的衰落信道为大家众所周知的是快、慢、扁、平稳和非平稳的信道特点。

由于考虑因素的大量提高，模型复杂特性进一步增加，如：物理位置接收机,速度车辆、载频、调制技术。

此前，信道模型的提出是一种基于概率密度函数来接收信号。

然而，使用相关分析模型很难计算系统的性能参数。

例如，没有闭合的形式来对模型有关的简单特性进行表达，如PDF衰落的持续时间和PDF次数在规定时间内消失的时间间隔。

基于滤波法的COST207宽带信道模型及其仿真·无线天地基于滤波法的COST207宽带信道模型及其仿真车慧白勇陈曦摘要：在无线通信信道中，随着符号间隔的缩短或数据速率的提高，采用频率选择性信道即采用宽带信道模型来表征这一类信道。

广义平稳非相关散射(WSSUS)模型能够较好的描述频率选择性移动无线信道。

本文采用区别于莱斯法的滤波法完整实现四种不同地形的COST207信道模型仿真。

关键词：信道建模；频率选择性衰落；宽带信道；COST 207；WSSUS1 COST207信道模型的引出基于多径时延扩展的小尺度衰落可分为平坦衰落和频率选择性衰落。

平坦衰落信道及非选择性衰落信道，它的特征是接收信号的电磁波间传播延迟与符号间隔相比可以忽略。

显然随着符号间隔的缩短或数据速率的提高，平坦衰落信道模型不在适应这一变化，为此用频率选择性信道即采用宽带信道模型来表征这一类信道。

Bello介绍了广义平稳非相关散射(WSSUS)模型，此模型用来描述频率选择性移动无线信道。

基于WSSUS假设，欧洲COST207工作组对泛欧洲移动通信系统GSM的典型环境建立相应的信道模型。

工作组把传播环境分为了远郊地区、典型城区、恶劣城区、丘陵地区。

2 WSSUS假设WSSUSS假设将信号通过移动无线信道的输入—输出关系统计描述等效为在观测时间内的复基带信号。

WSSUS假设，WSS 假设表示具有不同多普勒频率或不同入射角的散射分量是统计不相关的，一般移动单元覆盖的距离在几十个载波信号波长的范围内，信道可以被认为是广义平稳的；US假设表示具有不同传播时延的散射分量是统计不相关的。

WSSUSS假设信道是一个线性时变系统。

假设输入信号为x(t),信道时变冲激响应为h(t,τ)，其中τ为延迟变量。

多普勒时变冲激响应s(t,υ)，它是对时变冲激响应h(t,τ)进行关于时间变量t的傅立叶变化，用来反映多普勒效应引起的变化：3 COST207宽带信道模型的仿真3.1 Jakes/Clarke 多普勒滤波器为了移动无线信道建模，我们假设电磁波的传播发生在水平面，到达移动用户天线的入射波角度在（0,2π）上服从均匀分布；假设天线为全向天线，那么散射成分的多普勒功率谱密度s(f)为：其中f m 为最大多普勒频率，(2)式也叫作Jakes功率谱密度（Jakes PSD）。

基于MATLAB的MIMO-OFDM通信系统的仿真0 引言5G技术的逐步普及，使得我们对海量数据的存储交换，以及数据传输速率、质量提出了更高的要求。

信号的准确传播显得越发重要，随之而来的是对信道模型稳定性、抗噪声性能以及低误码率的要求。

本次研究通过构建结合空间分集和空间复用技术的MIMO信道，引入OFDM 技术搭建MIMO-OFDM 系统，在添加保护间隔的基础上探究其在降低误码率以及稳定性等方面的优异性能。

1 概述正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技术通过将信道分成数个互相正交的子信道，再将高速传输的数据信号转换成并行的低速子数据流进行传输。

该技术充分利用信道的宽度从而大幅度提升频谱效率达到节省频谱资源的目的。

作为多载波调制技术之一的OFDM 技术目前已经在4G 中得到了广泛的应用，5G 技术作为新一代的无线通信技术，对其提出了更高的信道分布和抗干扰要求。

多输入多输出（Multi Input Multi Output,MIMO）技术通过在发射端口的发射机和接收端口的接收机处设计不同数量的天线在不增加频谱资源的基础上通过并行传输提升信道容量和传输空间。

常见的单天线发射和接收信号传输系统容量小、效率低且若出现任意码间干扰，整条链路都会被舍弃。

为了改善和提高系统性能，有学者提出了天线分集以及大规模集成天线的想法。

IEEE 806 16 系列是以MIMO-OFDM 为核心，其目前在欧洲的数字音频广播，北美洲的高速无线局域网系统等快速通信中得到了广泛应用。

多媒体和数据是现代通信的主要业务，所以快速化、智能化、准确化是市场向我们提出的高要求。

随着第五代移动通信5G 技术的快速发展，MIM-OFDM 技术已经开始得到更广泛的应用。

本次研究的MIMO-OFDM 系统模型是5G的关键技术，所以对其深入分析和学习，对于当下无线接入技术的发展有着重要的意义。

水声通信中的频率选择性衰落技术研究在当今的通信领域，水声通信作为一种特殊的通信方式，在海洋探索、水下监测、军事应用等众多领域发挥着至关重要的作用。

然而，水声信道的复杂性给通信带来了诸多挑战，其中频率选择性衰落就是一个不容忽视的问题。

要理解频率选择性衰落，首先得明白水声信道的特点。

与陆地无线通信信道相比，水声信道具有传播速度慢、多径传播严重、环境噪声大等显著特点。

声音在水中传播时，会由于海面、海底的反射以及水体中的不均匀性，产生多条传播路径。

这些不同路径的信号到达接收端的时间和强度各不相同，导致接收信号出现时延扩展。

当时延扩展超过了发送信号的符号周期时，就会引发频率选择性衰落。

频率选择性衰落会对水声通信的性能产生严重影响。

它会导致信号失真、误码率上升，从而使得通信质量大幅下降。

为了应对这一问题，研究人员提出了多种技术和方法。

其中，均衡技术是一种常见且有效的手段。

均衡器的作用就像是一个“校正器”，它能够对接收信号中的失真进行补偿，减小多径传播带来的影响。

自适应均衡器通过不断地调整自身的参数，以适应信道的变化，能够在复杂的水声环境中取得较好的效果。

例如，最小均方误差（LMS）均衡算法和递归最小二乘（RLS）均衡算法，它们在不同的场景下都有着广泛的应用。

另一种重要的技术是分集技术。

分集技术的基本思想是通过发送或接收多个独立的信号副本，来降低衰落对通信的影响。

常见的分集方式包括空间分集、频率分集和时间分集。

在水声通信中，由于空间受限，频率分集和时间分集应用得更为广泛。

通过在不同的频率或不同的时间发送相同的信息，即使部分信号受到衰落影响，只要还有其他未受严重影响的副本，就能够保证信息的可靠传输。

多输入多输出（MIMO）技术在水声通信中也逐渐受到关注。

MIMO 系统通过在发送端和接收端使用多个天线，能够有效地利用空间资源，提高信道容量和通信可靠性。

在水声环境中，合理布置多个收发换能器，可以增加通信的自由度，减轻频率选择性衰落的影响。

第10卷第12期Vo l .10,No .12宜宾学院学报J ou rnal of Yibin Un i versity2010年12月Dec .,2010收稿日期1修回作者简介贺繇(),男,重庆江津人,工学硕士,讲师,主要从事信号与图像处理、遥感方向研究浅海水声信道模型分析及频率选择性衰落仿真贺繇(宜宾学院物理与电子工程学院,宜宾644000)摘要:水声通信是以声波信号作为载波的水下通信,水声信道是水下通信的重要组成部分.在浅海中,水声信道是通信环境恶劣的信道,存在着较强的频率选择性衰落.通过对浅海水声信道的分析、建模、仿真,验证了水声信道的频率选择性衰落.关键词:水声信道;频率选择性衰落;射线声学模型中图分类号:T N92913 文献标志码:A 文章编号:1671-5365(2010)12-0078-03Ana lysis of Under wa ter Acou stic Cha nne lsM odel a nd S i m u l a tion of F requen cy Se lect i v ity A tten ua tionHE Yao(College of Physics and Electronic Engineering,Yibin Un iversity,Yibin 644000,China)Ab stract:The under water acou stic co mmun icati on is the under w ater commun icati on adop ted the acoustic signal as its carrier,and the under w ater acou stic channel is an i mpo rtan t p art of the under water ac ou stic c ommunication.Ho wever,the channel is a bad co mmun icati on channel in the shallo w sea and there is str ong frequency selectivity attenuation .Based on the analysis,modeling,si mu lating,the frequency selectivity attenuation of the under water commun icati on channels was p r oved.K ey word s:under water acoustic channels;frequency selectivity attenuati on;ac ou stic ray model 由于经济发展和国防建设的需要,人类活动已经频繁在水下展开,民用领域有水下的资源探测和开采、水下环境监测、海洋空间的利用;军事领域有潜艇在巡逻、演习、作战时与水面舰只或陆上基地的通信联络等,这些活动都必须建立可靠的通信互联,所以,水下通信,特别是人类活动最为频繁的浅海水域的水下通信是研究的重点领域之一.1　浅海水声信道的基本情况空间无线通信都采用高频电磁波作为信息传输的载波,一般都具有传播速度快、传播时延小、多普勒频移小、带宽较宽的特点.但是在水下,电磁波传输衰减极快,传播距离很短,所以电磁波不适合作为水下通信的载波.而声波在水下以纵波的方式进行传播,衰减速度比电磁波慢得多,传播距离较远,是水下通信较为理想的载波[1].即使以声波作为水下通信的载波,水下通信仍然存在诸多的技术难题.声波在水中传输时,水将对声波产生较强的吸收作用,使声波能量严重衰减.同时,声波信号在水中传输将经历多次海面和海底的反射,到达接收端的信号是从不同方向和不同路径传来,多径效应明显.在浅海中,由于浅海海底的复杂构成、海面的风浪、海水在不同季节由于温度原因形成的不同温度梯度等因素影响,多径效应将进一步增强,声波在传播过程中的能量衰减更为严重.声波信号的发射端和接收端可能存在相对运动,这将会导致接收机接收到的信号发生频率变化的多普勒效应.即使发送端和接收端静止,由于海面存在波浪运动和海中存在各种湍流,声波在行进过程中被海面波浪的调制,到达接收端时频率也会产生变化[2].所以,水声信道必须考虑多普勒效应.水声信道特别是浅海水声信道中的环境噪声比较严重,包括海潮、湍流、海面刮风下雨、生物群体活动、船舶航行和石油钻探都会对水声信道产生较强的噪声干扰.所以,水声信道是一复杂多变的信道,具有衰减严重、多径效应和频散特性较强、环境噪声严重的特点.正是水声信道的复杂性和不稳定性,使其成为自然界中最复杂的无线通信信道[3].水声信道在传输通信信号的过程中,将出现较强的频率选择性衰落、时间选择性衰落和码间干扰.2　声波频率的选择用声波作为水下通信的载波时,频率不能太低,因为太低的频率意味着通信速率很低.所以,水下通信的声波载波频率都在1KHz 以上[4].当频率大于1K H z 的声波在水中传播时,能量的衰减主要是由于水对声波的吸收.其中海水对声波的吸收系数为[2]:2010-10-24:2010-10-24:1972-k0=0.11f21+f2+44f24100+f2其中f的频率是KH z,k的单位是分贝/公里.由上面的公式可以看出,频率越高,海水对声波的吸收越强,对1KH z声波的吸收系数是0.065分贝/公里;对30KHz声波,吸收系数约为8分贝/公里;到50KHz时,吸收系数已达16.8分贝/公里.所以水下通信采用的声波信号频率一般为50KH z以下,信道带宽很有限.3　射线声学模型水声信道作为具有时变、频变、空变特性的通信环境恶劣的信道,很难用简单精确的数学模型将其表示,大部分研究采用的是基于射线声学理论的射线模型.射线模型是波动理论的一种近似,它直观地描述了声能量在介质中的传播,将声波看作是无数条垂直于等相位面的声线向外传播[5],其中每一条声线都携带着发射信号的信息.声能量从声源出发,在空间沿着声线按一定规律到达接收点,接收点收到的声能是所有到达的声能的叠加[2].在水声信号传输的过程中,有五种典型的声线,一是直达路径声线D;二是由发射端出发,首次反射是经过海面,到达接收端前的最后一次反射也是经海面,总共经过了n次海面反射才到达接收端的声线SS n;三是由发射端出发,首次反射是经过海面,到达接收端前的最后一次反射经海底,总共经过了n次海底反射才到达接收端的声线SB n;四是由发射端出发,首次反射是经过海底,到达接收端前的最后一次反射经海面,总共经过了n次海面反射才到达接收端的声线BS n;五是由发射端出发,首次反射是经过海底,到达接收端前的最后一次反射也是经海底,总共经过了n次海底反射才到达接收端的声线BB n.如图1所示,图中只画出了直达声线和n=1的反射声线.图1　声线传播图 在利用声学射线模型分析水声信道模型时,为了简化问题,需假设若干理想条件:1)所有声线为直线.在水温及海水自身产生压力的影响下,水中声速不会恒定,这将导致声线在水中发生轻微弯曲为简化模型,在声线传播图中,我们都用直线来表示声线传播方向)水深为常数对于大陆架附近的海域,海底的深度是平缓变化的,为简化模型,假设浅海水深为固定常数.3)在声波由海底反射时,海底会吸收一部分能量,这里假设海底的反射系数近似为0.85.同时,声波经过海底反射时,产生相移180°.4)海面的反射系数只与海面的风速和载波频率有关.在声波发射端与接收端距离比发射端与接收端深度大得多的情况下,海面的反射系数公式为rs=1+(f/f1)21+(f/f2)2其中f2=378w-2,f1=10f2,其中f是载波频率,w是风速[2].4　接收端接收信号的相关计算直达声线的传播距离D=L2+(h1-h2)2.首次反射和最后一次反射均通过海面的声线传播距离为SSn=L2+(2nH-h1-h2)2.首次反射和最后一次数反射均通海底的声线传播距离为BB n=L2+[2(n-1)H+h1+h2)2首次反射经过海面,而最后一次反射经过海底的声线传播距离为SBn=L2+(2nH-h1+h2)2,首次反射经过海底,而最后一次反射经过海面的声线传播距离为BS n=L2+(2nH+h1-h2)2,声波经过直达路径D的传播时间为:t0=D/c,声波经过经SSn的传播时间为tSS n=SSn/c,声波经过BBn的传播时间为tBB n=BBn/c,声波经过SBn的传播时间为tS B n=SBn/c,声波经过BSn的传播时间为tBSn=BSn/c,声音的传播损耗主要由海水对声音的吸收、海面反射损失、海底反射损失和扩散损失组成.由于本模型已认扩散损失按距离衰减,为简化问题,将海面和海底的联合衰减系数定义为k SSn=-(r b)n-1(r i)n=-0.85n-1(r S)nkBB n=-(rb)n(rS)n-1=-0.85n(rS)n-1kS B n=(rb)n(rS)n=0.85n(rS)nkBSn=(rb)n(rS)n=0.85n(rS)n式中的rb为海底的反射系数,假设其为0.85,负号为声波相位改变180°.因此,接收端的信号可表示为r(t)=∑∞i=1kix(t-τi)其中k i表示第i条路径相对于直达路径的归一化衰减因子考虑到海水对声波的吸收作用,设海水对声音的吸收系数为,则不同路径对声音信号的吸收系数为97　第12期 贺繇:浅海水声信道模型分析及频率选择性衰落仿真..2..k0k SS n=DSS nk S S nk 0k BB n=DBB n k BB nk 0k S B n=DSB nk SB nk 0k BS n=DBS nk B S nk 0则接收端的信号最后可写为[2]:r(t)=1+∑∞n=1[k SS ne-t S S+k BB n e-t BB+k S B ne-t BB]5　信道模型仿真通过Matlab 软件,仿真在水深为80米的浅海中,将水声发射器置于水下65米、水声接收器置于水下50米,在水平相距2公里和20公里处,发射不同频率的正弦波信号,接收端收到信号的情况.通过仿真图形可以看出:随着距离的增大,接收端接收到的信号越来越微弱,在2公里处的接收机和20公里处的接收机接收到的信号强度差别很大,说明声波在传输过程中衰减很强.不管是在2公里距离上还是在20公里距离上,接收机接收到的信号都随着频率的不同而幅度各不相同,出现了频率选择性衰落,在2公里距离上的频率选择性衰落强于20公里距离上的频率选择性衰落.这说明浅海水声信道对不同频率的声波衰减不同,并且距离越近,频率选择性衰落越明显.这是由于收发端距离较近时,接收端能够接收到声线较多,多个路径信号相互抵消和迭加引起的信号幅度起伏较为剧烈;而在收发端距离较远时,接收端接收到的声线数量较少,并且到达的声线都已经历较强的衰减,所以此时引起接收端信号的起落较为平缓.图2　接收机在2公里处接收到的信号图3　接收机在20公里处接收到的信号 综上所述,浅海水声信道是一个复杂多变的信道,具有较强的频率选择性衰落特征.同时,水声信道的码间干扰、浅海背景噪声和有限的带宽,使浅海水声信道成为了迄今最为复杂的无线通信信道之一.浅海水声信道的研究,必须综合信号处理、声学、海洋学、通信技术等多学科知识才能取得较好的进展.参考文献:[1]蔡惠智,刘云涛,等.水声通信及其研究进展[J ].物理,2006,35(12):1038-1043.[2]许俊.水声语音通信研究[D ].厦门:厦门大学,2001:15-33.[3]魏莉,许芳,孙海信.水声信道的研究与仿真[J ].声学技术,2008,27(1):25-29.[4]孙博,程恩,欧晓丽.浅海水声信道研究与仿真[J ].无线电通信技术,2006(3):11-15.[5]李蓉艳,杨坤德,邹士新.多输入多输出浅海水声信道响应的盲估计[J ].同济大学学报(自然科学版),2007,35(5):664-668.【编校:李青】8 宜宾学院学报 第10卷　。

南京邮电大学通达学院毕业设计（论文）题目频率选择性衰落信道模型研究与仿真专业网络工程学生姓名班级学号指导老师何雪云评阅教师周克琴指导单位通信与信息工程学院无线电工程系日期：2012年 11月 26 日至 2013 年 6月 21 日毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。

论文作者签名：日期：年月日摘要在移动通信中，信号经过不同的路径传送到接收端，合成的接收信号相对于发送信号会产生衰落，这就是多径衰落。

本文研究了频率选择性衰落信道的特点；并且运用仿真软件Matlab对频率选择性衰落信道进行模拟仿真，实现了基于Jake模型的频率选择性衰落信道的建模。

并利用建立起来的模型比较了具有不同载波频率、数据传输速率以及移动台移动速度的移动通信系统所具有的信道衰落特性。

仿真结果表明：移动通信系统的参数会影响其信道的衰落特性。

关键词：频率选择性衰落; 瑞利衰落信道；Jake模型ABSTRACTIn mobile communications, signal arrives at the receiver through different transmission paths. The synthesis of the received signals in relation to the original signal will be faded, which is multi-path fading. In this paper, we research the frequency selective fading channels’ characteristics；And make the simulation to frequency selective fading channels with the tool MATLAB, which is based on jack model modeling. Using the established models, we compare the channel fading characteristics of different mobile communication systems which have different carrier frequencies, data transmission rates and mobile speeds. The simulation shows that: The mobile communication systems’ parameters will affect their channel fading characteristics.Keywords:Frequency-selective fading; Rayleigh channels; Jake model目录第一章绪论 (1)1.1移动通信技术 (1)1.2移动通信信道 (2)1.3本次毕业设计的任务 (3)第二章移动通信信道 (4)2.1移动通信系统 (4)2.2移动通信信道的分类 (5)2.3移动通信信道的特性 (6)第三章频率选择性衰落信道模型 (9)3.1瑞利衰落的特性 (9)3.2Jake模型的具体算法 (12)3.3基于Jake模型和抽头延时线实现频率选择性衰落信道建模 (16)第四章 Matlab仿真技术 (17)4.1Matlab仿真软件 (17)4.2本次仿真过程中遇到的函数 (19)第五章基于Jake模型的频率选择性衰落信道仿真 (19)5.1仿真的基本过程 (21)5.2仿真结果及分析 (21)结束语 (27)致谢 (28)参考文献 (29)附录 (30)第一章绪论1.1移动通信技术当今的社会已经进入了一个信息化的社会，没有信息的传递和交流，人们就无法适应现代化的快节奏的生活。

*****************实践教学*****************兰州理工大学计算机与通信学院2013年秋季学期《通信系统综合训练》题目：基于QAM调制的无线衰落信道的性能分析与仿真专业班级：通信工程（1）班姓名：赵晓瑾学号：10250131指导教师：王惠琴成绩：摘要本次课程设计利用MATLAB软件对16QAM调制解调系统进行仿真,其中，信道采用瑞利衰落信道和高斯信道，调制方式为正交振幅调制方式，解调方式为相干解调方式。

并以此分析16QAM系统的信号经过的各个处理过程，由程序得到瑞利衰落信道下的系统误码率图，并与高斯信道下的误码率图进行对比。

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

关键词：16QAM;调制解调;瑞利信道;目录一、前言..................................................................................................................... 0聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

二、16QAM调制解调系统基本原理............................................................................ 1残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

2.1 调制及解调的相关概念............................................................................... 1酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

2.2 16QAM调制系统.......................................................................................... 1彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

2.2.1 16QAM系统的原理.......................................................................... 2謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。