移動通信信道的建模與仿真

劉春玲

【摘要】針對移動通信的特點，本文以中繼衛星通信鏈路為主要研究對象，分析了該鏈路通信信道中存在的傳播損耗，并以此為基礎建立了鏈路通信的信道模型;最后仿真分析了不同的通信傳輸速率在加性高斯白噪聲（AWGN）衰落信道、多徑Rayleigh衰落信道、Rician衰落信道以及復雜衰落信道中的誤碼率特性曲線，仿真結果表明，滿足Rayleigh衰落信道模型的信號分量對系統的性能影響較大，且傳輸速率越高，信號分量中的反射分量與多徑分量影響越大。

【關鍵詞】信道模型;高斯白噪聲衰落信道;多徑;誤碼率

1.引言

隨著移動通信環境越來越復雜，使得移動通信可靠性受到巨大挑戰。數據鏈無線通信信號在空間傳播過程中不可避免的受到自然環境如降雨、雨霧、大氣吸收、多徑、陰影等不同因素的影響，從而對通信信號的質量造成不同程度的衰減，分析這些信道因素的特性，建立適合的鏈路信道模型可以為移動通信系統方案設計與驗證測試提供重要的理論支持，這就對研究移動數據鏈的通信信道建模提出了新需求。

為此，本文針對移動與衛星的通信信道進行了建模與仿真。

2.數據鏈信道傳播特性分析

無線信號傳播過程中，鏈路傳播損耗的影響因素主要有自由空間損耗、雨衰、云霧衰、大氣吸收損耗，以及由多徑效應引起的多徑衰落、陰影衰落。

2.1 自由空間傳播損耗

無線電波傳播中最基本的傳播方式是自由空間傳播，在影響衛星通信鏈路中的傳輸損耗因素中，最主要的是自由空間損耗。

設d為通信距離，PT是天線發射功率，GT為天線發射增益，GR為天線的接收增益，D為天線直徑，為信號的波長，則接收信號的功率如公式1。

（1）

其中，自由空間損耗為：

用dB表示傳輸距離d與頻率f的轉換關系如公式2。

（dB）

（2）

由上式可知，自由空間損耗Lp的大小與頻率f及傳送距離d有關。

2.2 雨衰

大氣和降雨等對毫米波傳播的影響顯著。毫米波通過大氣時產生的衰減主要是水汽和氧的吸收造成，水汽分子具有電偶極矩，氧分子具有磁偶極矩，它們與毫米波相互作用，在某些波長上產生諧振而吸收其能量。在毫米波頻段，雨、雪和冰雹引起的衰減更為嚴重，還會改變電磁波的極化，增加系統的噪聲溫度。尤其是降雨的影響不容忽視，研究表明由于降雨而引起的信號衰落是高頻段衛星通信所經受的最嚴重的傳播損耗。

依據國際電信聯盟提出的ITU-R降雨衰減模型，降雨衰減可表示為：

（3）

式中，Rp是降雨率（mm/h）。ε為路徑仰角，參數K和與頻率、通信仰角和極化傾角有關，可通過經驗公式得到：

為雨區經歷的等效傾斜路徑長度，與降雨率Rp和仰角ε有關：

（4）

圖1所示是降雨率Rp與降雨衰減的關系。可知隨著Rp的增大，增大;通信仰角的越小，越大;同時，隨著載波頻率的增大，也增大。

圖1 降雨率與降雨衰減的關系

2.3 云霧衰減

無線電波穿過云霧傳播時，電波信號的部分能量會被云霧中的水汽分子吸收或散射，導致信號能量損耗。一般認為，工作頻率越高、穿越的路徑越長、云霧濃度也大，云霧衰減越嚴重。

相比于降雨衰減對信號的影響，云霧衰減要小得多，但是在波束的邊緣區域和低仰角的高緯度地區，云霧衰減是不可以忽略的。對于云霧引起的損耗，可以用下式估計計算：

（dB/km） ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中，頻率f的單位為GHz，能見度vm的單位是m。

研究表明，能見度約為30m的密霧，引起的電波損耗介于大雨和中雨引起的雨衰之間;能見度約為120m的濃霧，引起的電波損耗與小雨引起的雨衰近似。

2.4 大氣吸收損耗

大氣吸收衰減主要是由大氣吸收引起的，而該衰減主要取決于載波頻率、通信仰角、海拔高度和水蒸氣的絕對濕度。當頻率低于10GHz時，該衰減可以忽略不計，但是頻率高于10GHz時，該衰減隨著頻率的增加而增加，特別是對于低仰角的情況下明顯。依據ITU-R給出的大氣吸收損耗的計算方法公式為：

（6）

式中，為天線仰角;表示干燥空氣的有效高度（km）;為氧氣的損耗系數（dB/km）;表示水蒸氣的有效高度（km）;為水蒸氣的損耗系數（dB/km）。

2.5 多徑衰落

由于經不同路徑的直射波和反射波的幅度、相位各不相同，到達接收天線的時間也不相同，所以接收信號為多個不同幅度、相位的信號的疊加，從而導致接收信號幅度急劇起伏，稱這種現象為多徑效應。由多徑效應引入的衰落稱為多徑衰落。接收終端接收的信號一般由受遮蔽的直射信號和漫反射引入的多徑信號組成，而受遮蔽的直射信號的概率密度函數服從Lognormal分布。其中經漫反射引入的多徑信號的概率密度函數服從Rayleigh分布。

2.6 陰影衰落

信號傳播路徑中的建筑物、樹木或山丘等高層障礙物形成無線電陰影，任何穿過或繞過該障礙物的電波都將發生衰減，從而造成接收信號的電平下降，稱這種現象為陰影效應。由于陰影效應，接收信號的強度會產生不同程度的衰減，導致接收信號電平在一定的范圍內起伏，從而引起衰落，稱為陰影衰落。受陰影衰落的影響，接收信號包絡一般可用Lognormal分布來描述。

3.鏈路建模

通過上述鏈路損耗以及模型的分析，建立鏈路模型如圖2所示。考慮到鏈路通信選擇的頻段不同，信道中存在的衰落也不同。具體的信道模型選擇為：

（1）理想的高斯白噪聲信道;

（2）Rayleigh衰落模型信道與高斯白噪聲（AWGN）信道;

（3）Rician衰落信道與AWGN信道;

（4）復雜信道模型，即Rayleigh、Rician、AWGN相結合的模型。

圖2 鏈路仿真模型

圖3 不同傳輸速率各信道的誤碼率曲線

4.鏈路仿真與分析

利用Matlab對上述鏈路模型搭建仿真平臺，分別對不同的信道衰落環境進行誤碼率統計分析。以下是在BPSK調制解調模式下不同傳輸速率的信號分別在上述四種衰落信道環境誤碼率比較。

由圖3可看出，不同傳輸速率的信號在AWGN信道的誤碼率最低，Rician衰落信道次之，Rayleigh衰落信道與復雜信道對信號的傳輸性能造成了很大的影響。在相同的誤碼率情況，多徑Rayleigh衰落、復雜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，信號在AWGN、Rician衰落信號中誤碼率小于多徑Rayleigh衰落信道和復雜衰落信道。此外，對比圖3可知，隨著信號傳輸速率的增大，信號受多徑Rayleigh衰落影響更加明顯，說明滿足Rayleigh衰落分布的信號分量更容易引起碼間干擾，造成誤碼率的急劇提升。

5.結束

本文分析了移動通信信道環境特性，對信道存在的各種衰落進行了介紹與估算，然后針對不用的信道環境進行了鏈路模型建模，最后分析了不同的信道環境對通信信號誤碼率產生的影響。仿真結果表明，多徑瑞利衰落信道對系統性能造成了很大的影響，而且隨著通信速率的提高，信道中對信號造成影響的信號分量造成的碼間干擾也越大。

參考文獻

[1]徐儀華，周生奎，朱秋明，黃攀.基于飛行軌跡的無人機通信信道仿真[J].電訊技術，2013，53（5）：656-670.

[2]李琳琳，孫繼銀，姚志成.巡航導彈飛行控制數據鏈技術研究[J].現代防御技術，2008，36（2）：78-81.

[3]鄭藝，王玉文，鄧杰，尚小富.高空平臺站空地鏈路信道建模與QualNet仿真[J].電訊技術2014，54（2）：224-230.