移动通信信道衰落特性模型的研究
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仲恺农业技术学院学报,19(3):38～42,2006JournalofZhongkaiUniversityofAgricultureandTechnology文章编号:1006-0774(2006)03-0038-05
收稿日期:2006-05-18作者简介:吴羲晖(1974-),男,河南信阳人,助教,硕士.移动通信信道衰落特性模型的研究
吴羲晖
(仲恺农业技术学院信息学院,广东广州510225)
摘要:利用超短波进行无线通信远距离移动通信传输时,仅需要不大的发射功率和适中的设备费用,且通信线路不易被摧毁.这些特点使其在无线远距离通信领域有广泛的发展前景.但由于其信道的特点,超短波无线通信存在可靠性低、质量差的弱点,无法适应越来越高的传输要求,作者分析了无线远距离通信信道的一些特性,并根据其路径损耗和多径效应引起的衰落,给出了无线远距离通信系统的通信信道模型.关键词:OFDM;信道估计;无线远距离移动通信;多径衰落中图分类号:TP84+2 文献标识码:A
Channelfadingcharacteristicmodelofmobilecommunications
WUXi2hui(CollegeofInformation,ZhongkaiUniversityofAgricultureandTechnology,Guangzhou510225,China)
Abstract:ModeratetransmissionpowerandreasonableequipmentcostwereonlyrequiredbyLongdistance
VHFwirelesscommunicationtransmission,andthechannelwasdifficulttobedestroyed.Thesecharacteristics
wereextremelypromisingtobedeveloped.However,becauseofthenatureofitschannel,italsohadthedefi2
cienciessuchaslowreliabilityandpoorperformancetolimititsapplicationinever-increasingcommunication
demand.Thecharacteristicsoflongdistancewirelesscommunicationchannelwaspresented,basedonthe
channelfadingcharacteristicmodel.
Keywords:OFDM;channelestimation;longdistancewirelessmobilecommunication;multi2pathfading
无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约.要设计出性能良好的无线远距离移动传输系统,首先需要清楚地了解无线远距离移动传输环境以及无线信道的基本特征.作者从研究无线远距离移动信道
的特征入手,对各种信道模型进行了分析比较.然后针对正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMulti2
plexing,OFDM)通信系统的具体应用范围确定了系统的通信信道的模型.
1 无线移动信道衰落特性
对于室外远距离无线移动通信的应用来说,对信号传输质量影响最深的应属路径衰落和多径效应.路
径衰落决定了系统的应用覆盖范围,而多径效应产生的多径衰落和多普勒频移给传输质量带来了很大的
影响,需要采用相应的技术予以消除[1].因此,作者对该应用的信道研究主要集中在多径给信道带来的时
间和频率色散的影响上.另外,我们所要实现的OFDM传输系统主要是针对超短波通信领域的应用.系统
频段为30～80MHz;初步系统发射频率定在30M,处于短波和超短波交界的地方;主要通过地波方式,而不是通过电离层传播.因此可以忽略电离层的一些影响,包括电离层的反射、吸收等等.而对多径的考
虑也主要集中在地面和传输路径中的阻挡带来的散射而产生的多径.111 无线远距离移动信道的路径损耗 路径损耗定义为有效发射功率和接收功率之间的差值,表示信号衰减,单位为dB的正值.路径损耗
主要由两部分组成:自由空间传播损耗、发射/散射及穿透和绕过物质时产生的损耗.
11111 自由空间损耗 自由空间损耗是指接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径时,发送的电磁波的衰减程度.随着发射机和接收机之间距离的不断增加,电磁波强度将不断衰减.自由空间中距发射机
d处天线的接收功率,由Friis公式[224]给出:
Pr(d)=PtGtGrλ2
(4π)2d2L(1)
天线增益与它的有效截面有关,即:
G=4πAeλ2(2)
其中有效截面Ae与天线的物理尺寸相关,λ则与载频相关:
λ=cf=2πcω—c(3)
其中,f为载频,单位为Hz;ω—c为载频,单位为rad/s;c为光速,单位为m/s;Pt和Pr必须具有
相同单位,Gt和Gr为无量纲量.综合损耗L(L≥1)通常归于传输线衰减、滤波损耗和天线损耗,L=1则表明系统硬件中无损耗.由(1)式自由空间公式可知,接收机功率随T-R距离的平方衰减,即接收功率与距离的关系为
20dB/10倍程.当包括天线增益时,自由空间路径损耗为:
PL(dB)=10logPtPr-10logGlGrλ2(4π)2d2(4)
当不包括天线增益时,设定天线具有单位增益,则自由空间路径损耗为:
PL(dB)=10logPtPr-10logλ2(4π)2d2(5)
Friis自由空间模型仅当d为发射天线远场值时适用.天线的远场或Fraunhoer区定义为超过远场距离
df地区,df发射天线截面的最大线性尺寸和载波波长有关.Fraunhoer距离为:
df=2D2/λ(6)
其中,D为天线的最大物理线性尺寸,此外,对于远场距离df地区必须满足:df>>D和df>>λ.显然易见,(1)式不包括d=0的情况.为此,在尺度传播模型使用近地距离d0作为接收功率的参考
点.当d>d0时,接收功率Pr(d)与d0的Pr相关.Pr(d0)可由(1)式预测或由测量平均值得到.参考距离必须选择在远场区,即d0≥df,同时d0小于移动通信系统所用的实际距离.这样,由(1)式,当距离大于d0时,自由空间中接收功率为:
Pr(d)=Pr(d0)d0d2 d≥d0≥df(7)
为方便计算,经常以dBm为单位来表示接收电平.则(7)式可以表示成以dBm为单位:
Pr(d)dBm=10logpr(d0)01001W+20logd0d d≥d0≥df(8)
其中,Pr(d0)单位为W.11112 反射、散射以及穿透和绕过物质时产生的损耗 在移动通信系统中
,影响传播的3种最基本的机制为反射、衍射和散射.下面给出3种机制给传播带来的具体影响.当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射,反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面.反射波和
传输波的电场强度取决于费涅尔(Fresnel)反射系数(Γ).反射系数为材料的函数,并与极性、入射角和频率有关.当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射.由阻挡表面产生的二次波93第3期吴羲晖:移动通信信道衰落特性模型的研究散布于空间,甚至于阻挡物体的背面.当发射机和接收机之间不存在视距路径,围绕阻挡体也产生波的弯
曲.在高频波段,绕射和反射一样,依赖物体的形状,以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况.在移动无线信道中,基站和移动台之间的单一直接路径很少是传播的唯一物理方式,因此,单独使由空
间传播模型,在多数情况下是不准确的.考虑地面反射和影响,由地面反射(双线)模型(图1)可推得:
Pr=PtGtGrh2th2rd4(9)
由(9)式可见,当距离很大时,接收功率随距离成4次方衰减(40dB/10倍程),比自由空间中的损
耗要快得多.其路径损耗[2](单位为dB)可以表示为:
PL(dB)=40logd-(10logGt+20logGr+20loght+20loghr)(10)
从上式可以看出,对于远距离传播的电磁场,路径损耗与频率无关.
图1 地面反射双线模型Fig1 Modelofdoublelinereflectingontheground 在移动通信系统中,对次级波的阻挡产生了衍射损耗,即有一部分能量绕过阻挡体,而一些费涅尔区发出的次级波
被阻挡,根据阻挡体的几何特征,接收能量为非阻挡体费涅
尔区所贡献能量的矢量和.一般来说当阻挡体不阻挡第一费
涅区,则衍射损失最小,衍射影响可以忽略不计.当遮掩由
单个物体,如山或山脉引起,通过把阻挡体看作衍射刃形边
缘来估计衍射损失,这种情况下的衍射可用针对刃形后面(成为半平面)场强的经典费涅尔法来估计.而当传输路径上不只一个阻挡体,而是有很多阻挡体的情况下(如山区传
播),这样所有的阻挡体引起的衍射损失都必须计算.布灵顿(Bullington)提出了用一个等效阻挡体代替
一系列阻挡体,就可以使用单刃形绕射模型计算路径损耗[5](图2).这种方法极大地简化了计算并给出了比较好的接收信号强度估计.实际移动无线环境中,接收信号比单独衍射和反射模型预测的要强.这是因为当电波遇到粗糙表面
时,反射能量由于散射而散布于所有方向.像灯柱和树这样的物体在所有方向上散射能量,这就给接收机
提供了额外的能量.
图2 等效单刃的布灵顿模型Fig2 Equivalentmodelofone2edgedBullington11113 路径损耗模型分析 在设计无线通信系统时,了解路径损耗是非常重要的.系统的覆盖区域,系统的可靠性
都与电磁波传播的功率有关.由于无线信道非常复杂,精
确的理论分析是不可能的,在实际中,往往采用理论分析
和试验相结合的方法,针对不同的环境归纳总结出相应的
路径损耗模型.在系统工作前,利用路径损耗模型预测接
收信号的电平,分析信噪比SNR.由于没有一个模型可以适
用于所有的传播环境,因此,要求设计人员根据具体的情
况选择使用合适的模型.在理论分析上,图1给出的地面反
射双线模型比较常用,而实际的路径损耗估计技术中,对
数距离路径损耗模型比较常用.下面给出对数距离路径损耗模型:基于理论和测试的传播模型,无论室内或室外信道,平均接收信号功率随距离的对数衰减.对任意T-R距离,平均大尺度路径损耗表示为:
PL(d)∝dd0n(11)
或:
PL(dB)=PL(d0)+10nlogdd0(12)
其中,n为路径损耗指数,是表明路径损耗随距离增长的速率,它依赖于特定的传播环境,在自由空间,n=2,当有阻拦物时,n变大;d0为近地参考距离,由测试决定;d为T-R距离.在无线通信系统中,电波的传播经常在不规则地区.在估计路径损耗时,要考虑特定地区的地形地04仲恺农业技术学院学报第19卷
