移動通信論文-基于MCM法和Jakes法的Rayleigh信道仿真

1、基于MCM法和Jakes法的Rayleigh信道仿真組員馮曉東 潘朝云高忠賢摘要瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）是一種無線電信號傳播環(huán)境的統(tǒng)計模型。這種模型假設信號通過無線信道之后，其信號幅度是隨機的，即“衰落”，并且其包絡服從瑞利分布。本次試驗我們采用了蒙特克羅法和Jakes法進行Rayleigh信道時域仿真，并根據(jù)仿真信號得到仿真的Rayleigh概率密度函數(shù)（PDF），累積分布函數(shù)（CDF）以及多普勒功率譜，最后把得到的仿真結果與理論計算結果進行對比分析。目錄引言2一、Rayleigh衰落概述31、瑞利衰落32、瑞利衰落適用環(huán)境33、模型44、應用45、失真

2、和散射效應4二、論題重述5三、Matlab仿真過程51、蒙特卡羅法Rayleigh信道時域仿真5（1）Rayleigh概率密度函數(shù)（PDF）6（2）累積分布函數(shù)（CDF）7（3）多普勒功率譜72、Jakes法Rayleigh信道時域仿真8（1）Rayleigh概率密度函數(shù)（PDF）9（2）累積分布函數(shù)（CDF）9（3）多普勒功率譜10五、仿真結果分析11參考文獻11引言由于多徑效應和移動臺運動等影響因素，使得移動信道對傳輸信號在時間、頻率和角度上造成了色散，即時間色散、頻率色散、角度色散等等，因此多徑信道的特性對通信質(zhì)量有著重要的影響，而多徑信道的包絡統(tǒng)計特性則是我們研究的焦點。根據(jù)不同無線環(huán)

3、境，接收信號包絡一般服從幾種典型分布，如瑞利分布、萊斯分布等。在此專門針對服從瑞利分布的多徑信道進行模擬仿真，進一步加深對多徑信道特性的了解。從網(wǎng)絡上參考的文章和資料來看，關于瑞利信道仿真主要使用MATLAB自帶的瑞利信道仿真函數(shù)和瑞利信道的定義函數(shù)，這樣做雖然利于仿真和簡單的結果分析，但是由于其中部分參數(shù)采用定值代替變量，比如多普勒頻率和多普勒系數(shù)，會使瑞利信道的特性不能夠完全展現(xiàn)，本文將使用精確的算法，例如蒙特卡洛算法和Jakes法，會使結果更加準確，更能表現(xiàn)瑞利信道的特性。本文介紹了瑞利衰落相關概念，重點在于運用Matlab對Rayleigh信道進行時域仿真，并根據(jù)仿真信號得到仿真的Ra

4、yleigh概率密度函數(shù)（PDF），累積分布函數(shù)（CDF）以及多普勒功率譜，最終我們對實驗仿真結果與理論計算結果進行了對比分析并得出重要結論。正文一、Rayleigh衰落概述1、瑞利衰落瑞利衰落（Rayleigh Fading）是指在無線通信信道中，由于信號進行多徑傳播達到接收點處的場強來自不同傳播的路徑，各條路徑延時時間是不同的，而各個方向分量波的疊加，又產(chǎn)生了駐波場強，從而形成信號快衰落稱為瑞利衰落。瑞利衰落屬于小尺度的衰落效應，它總是疊加于如陰影、衰減等大尺度衰落效應上。2、瑞利衰落適用環(huán)境由于信號進行多徑傳播達到接收點處的場強來自不同傳播的路徑，各條路徑延時時間是不同的，而各個方向分量

5、波的疊加，又產(chǎn)生了駐波場強，從而形成信號快衰落稱為瑞利衰落。在無線通信信道環(huán)境中，電磁波經(jīng)過反射折射散射等多條路徑傳播到達接收機后， 總信號的強度服從瑞利分布。 同時由于接收機的移動及其他原因， 信號強度和相位等特性又在起伏變化， 故稱為瑞利衰落。 如果收到的信號中除了經(jīng)反射折射散射等來的信號外， 還有從發(fā)射機直接到達接收機 （如從衛(wèi)星直接到達地面接收機）的信號，那么總信號的強度服從萊斯分布， 故稱為萊斯衰落。一般來說， 多路信號到達接收機的時間有先有后，即有相對時（間）延（遲）。 如果這些相對時延遠小于一個符號的時間， 則可以認為多路信號幾乎是同時到達接收機的。 這種情況下多徑不會造成符號間

6、的干擾。 這種衰落稱為平坦衰落， 因為這種信道的頻率響應在所用的頻段內(nèi)是平坦的。相反地， 如果多路信號的相對時延與一個符號的時間相比不可忽略，那么當多路信號迭加時， 不同時間的符號就會重疊在一起，造成符號間的干擾。 這種衰落稱為頻率選擇性衰落， 因為這種信道的頻率響應在所用的頻段內(nèi)是不平坦的。至于快衰落和慢衰落， 通常指的是信號相對于一個符號時間而言的變化的快慢。 粗略地說，如果在一個符號的時間里，變化不大，則認為是慢衰落。 反之， 如果在一個符號的時間里，有明顯變化，則認為是快衰落。 理論上對何為快何為慢有嚴格的數(shù)學定義。3、模型瑞利分布是一個均值為0，方差為2的平穩(wěn)窄帶高斯過程，其包絡的一

7、維分布是瑞利分布。瑞利分布是最常見的用于描述平坦衰落信號接收包絡或獨立多徑分量接受包絡統(tǒng)計時變特性的一種分布類型。兩個正交高斯噪聲信號之和的包絡服從瑞利分布。瑞利衰落能有效描述存在能夠大量散射無線電信號的障礙物的無線傳播環(huán)境。若傳播環(huán)境中存在足夠多的散射，則沖激信號到達接收機后表現(xiàn)為大量統(tǒng)計獨立的隨機變量的疊加，根據(jù)中心極限定理，則這一無線信道的沖激響應將是一個高斯過程。4、應用瑞利衰落模型適用于描述建筑物密集的城鎮(zhèn)中心地帶的無線信道。密集的建筑和其他物體使得無線設備的發(fā)射機和接收機之間沒有直射路徑，而且使得無線信號被衰減、反射、折射、衍射。在曼哈頓的實驗證明，當?shù)氐臒o線信道環(huán)境確實接近于瑞利

8、衰落。 通過電離層和對流層反射無線電信道也可以用瑞利衰落來描述，因為大氣中存在的各種粒子能夠?qū)o線信號大量散射。 瑞利衰落屬于小尺度的衰落效應，它總是疊加于如陰影、衰減等大尺度衰落效應上。信道衰落的快慢與發(fā)射端和接收端的相對運動速度的大小有關。相對運動導致接收信號的多普勒頻移。圖中所示即為一固定信號通過單徑的瑞利衰落信道后，在1秒內(nèi)的能量波動，這一瑞利衰落信道的多普勒頻移最大分別為10Hz和100Hz，在GSM1800MHz的載波頻率上，其相應的移動速度分別為約6千米每小時和60千米每小時。特別需要注意的是信號的“深衰落”現(xiàn)象，此時信號能量的衰減達到數(shù)千倍，即3040分貝。5、失真和散射效應射

9、頻信號在穿越大氣時因受到空氣和環(huán)境條件的損害 ( 包括多徑散射效應 ) 而產(chǎn)生失真。采用信道仿真的新型數(shù)字實現(xiàn)方案可以降低一些難度太大和成本超高的測試試驗的難度和成本。在基站發(fā)射機和移動 ( 或固定 ) 接收機之間的通信質(zhì)量取決于多種因素，其中包括信號傳播信道的總體質(zhì)量。由于空氣吸收作用以及建筑物和樹木的反射作用，信號在傳播中的幅度和相位都將產(chǎn)生量值不定的波動。這種現(xiàn)象通常被稱為衰落 (fading)，有時稱為多徑衰落 ( 一種特殊類型的衰落 ) ，或者更一般地稱為信道損害 （impairment）。由于反射、衍射和局部散射效應，從基站發(fā)出的信號可能經(jīng)不同的路徑到達接收機，因而產(chǎn)生了多徑衰落。

10、不同的路徑具有不同的長度，這使得接收機將在不同的到達時間“看到”該信號幅度不一的多個副本。還有，當被局部實體反射或散射的時候，這個信號會產(chǎn)生相位偏移。隨著接收機的天線在空間中移動，當這些干涉小波在接收機端相互加強或減弱時，接收機將感受到信號強度的高峰和低谷。二、論題重述假設一輛工作在載波頻率為的TDD-LTE系統(tǒng)的車輛移動臺的行駛速度為，接收信號全部來自于散射路徑信號，即沒有直射信號，且電磁波的來波方向在（02）均勻分布。三、Matlab仿真過程1、蒙特卡羅法Rayleigh信道時域仿真（1）Rayleigh概率密度函數(shù)（PDF）（2）累積分布函數(shù)（CDF）（3）多普勒功率譜2、Jakes法R

11、ayleigh信道時域仿真（1）Rayleigh概率密度函數(shù)（PDF）（2）累積分布函數(shù)（CDF）（3）多普勒功率譜五、仿真結果分析從上文圖片中可以看出，使用MCM法和Jakes法對瑞利信道進行仿真時，信道衰落與預計情況相符，但是在概率密度函數(shù)（PDF），累積分布函數(shù)（CDF）的求解中，兩種算法的結果都不能和理論相匹配，特別是Jakes法，其PDF和CDF實際與理論結果相差較大。經(jīng)過多次修改程序和參數(shù)仍不能得到較為理想的結果，推測是對于算法在MATLAB中如何轉換不夠熟練，以及不知道如何正確求解PDF和CDF造成。參考文獻1Theodore S.Rappaport,無線通信原理與運用，北京：電子工業(yè)出版社，2009。2胡宴如，耿蘇燕主編，高頻電子