W-CDMA系统中无线信道的建模与仿真

北京邮电大学硕士学位论文

W-CDMA系统中无线信道的建模与仿真

姓名：孙琪申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：吴伟陵

20030315

北京邮电大学００级硕士毕业论文

摘要

摘

要

本论文课题受到北京邮电大学信息论／移动通信教研室资助，通过软件编程，计划实现Ｗ－ＣＤＭＡ物理层的ＶＣ软件仿真平台，涉及到信道编码复用、多径信道建模和ｒａｋｅ接收机等几项关键技术。论文着重研究了信道建模部分，主要工作包含如下：

学习移动通信的发展历史，建立第三代移动通信系统的基本概念。着重了解Ｗ－ＣＤＭＡ移动通信系统，包括系统框架结构、协议规范等等。掌握无线信道的传播特性和各种典型衰落信道的特性。

小尺度衰落信道建模：建立了符合ｍ．１２２５标准的６径瑞利衰落信道的仿真平台，分别用Ｃｌａｒｋｅ和Ｊａｋｅｓ模型实现。对于仿真平台进行了数据测试，分别在ＱＰＳＫ和ＢＰＳＫ调制方式下，进行了仿真结果对比。

建立了基于两径生灭模型的可变延时的多径瑞利信道的仿真平台，并进行了数据测试。

设计实现了基于Ｓｕｚｕｋｉ模型的可变时延信道，并进行数据测试。

建立了室＃ｂ／室内衰落信道模型。建立了一种典型的室内传播环境信道统计模型一ＳＲＩＣＩＭ模型的仿真平台，着重研究了模型算法。进行了数据测试。

大尺度衰落信道建模：包括自由空间、单刃绕射、地面反射信道模型，进行了数据测试。

设计了信道中其他一些小模块，如升余弦（附图形）、多径延时等等，加入了整个仿真系统中。

学习并使用了软件ｖｉｓｕａｌｃ＋＋６．０和Ｍａｔｌａｂ６．１进行编程和计算机仿真。 参照协议规范为３９ｐｐＴＳ２５．２１２—２５．２１４Ｒ９９版本，２００２．３。以及ｍ．１２２５协议。

关键词：Ｗ－ＣＤＭＡ，ＱＰＳＫ，ＢＰＳＫ，３ＧＰＰ，ｒａｋｅ

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｉｓ

ｐｒｏｊｅｃｔ

ｉｓ

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ｍｏｂｉｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎｖｏｌｖｅｓｃｈａｎｎｅｌ

ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ｍｕｌｔｉ－ｐａｔｈｃｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｒａｋｅｒｒｅｃｅｉｖｅｒ，ａｎｄｓｏｍｅｏｔｈｅｒ

ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｆｏｃｕｓｆｏｌｌｏｗｉｎｇｐａｒｔｓ：

ｏｎ

Ｗ－ＣＤＭＡｃｏｄｉｎｇａｎｄ

ｋｅｙ

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Ｌｅａｒｎｅｄｓｏｍｅｔｌｌｉｎｇａｂｏｕｔｔｈｅｈｉｓｔｏｒｙｏｆｍｏｂｉｌｅｃｏｎｕｎｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ

３ＧｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｏｎＷ—ＣＤＭＡｓｙｓｔｅｍ．Ｍａｔｅｒｅｄｔｈｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ

ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｒａｄｉｏｃｈｅｎｎｅｌｓａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｓｏｍｅｃｌａｓｓｉｃａｌｆａｄｉｎｇｃｈａｎｎｅｌｓ．

ｂａｓｉｃｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ

ｏｎ

Ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｓｍａｌｌｓｃａｌｅｆａｄｉｎｇｃｈａｎｎｅｌｓ：ｒｅａｌｉｚｅｄｓｔａｎｄａｒｄｓｉｘ．ｐａｔｈＲａｙｌｅｉｓｈｆａｄｉｎｇｃｈａｎｎｅｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｉａｔｔｈｌ＇ＯＵ曲ＣｌａｒｋｅａｎｄＪａｋｅｓｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈｗａｓ

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ｍ．１２２５ｐｍｔｏｅａｌ．Ｔｅｓｔｅｄｔｈｉｓｍｏｄｅｌａｔｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＢＰＳＫ

ＱＰＳＫ．Ｄｉｄｓｏｍｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓａｎｄｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓ．

ｏｎ

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ｏｎ

ｔｗｏ－ｐａｔｈ

ｄａｔａ

１ｉｆｅ ｄｅａｔｈｍｅｄｅｌ．Ｄｉｄｓｏｍｅｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓ．

Ｒｅａｌｉｚｅｄｖａｒｉｂｌｅｄｅｌａｙｅｈａｌｍｅｌｂａｓｅｄ

ｏｎ

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ＤｅｓｉｇｎｅｄＣＯＳｉｎｅｍｏｄｅｌｏｆｃｈａｎｎｅｌｇｒｏｕｐ．

Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇａｒｅｒｅｆｅｒｔｏ３ＧＰＰＴＳ２５．２１２—＿２５．２１４Ｒ９９．２００３

ａｎｄｍ．１２２５．

Ｋｅｙ

ｗｏｒｄｓ：Ｗ－ＣＤＭＡ，ＱＰＳＫ，ＢＰＳＫ，３ＧＰＰ，ｒａｋｅ

ＩＩ

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第１章绪

论

第１章绪

论

第１节第三代移动通信发展的历史

１．１．１移动通信的发展趋势

随着全球信息化进程的加快，人们对信息交换的需求也迅猛增长，由此对通

信手段提出了能保证任何人（Ｗｈｏｅｖ神在任何时间（Ｗｈｅｎｅｖｅ０任何地方（Ｗｈｅｒｅｖｅｒ）

向任何入（Ｗｈｏｍｅｖｅｒ）传递任何信息（Ｗｈａｔｅｖｅｒ）的所谓５Ｗ的要求。该要求的提出，

直接导致了世界范围内第三代移动通信系统研制热潮的兴起和通信技术的迅猛发展。从总体技术框架上讲，第三代移动通信系统所采用的技术并非革命性的新技术，而是在前两代移动通信系统技术基础上的延续和改进。从所提供的业务内容看，第一代移动通信系统仅提供话音业务，第二代系统除了以话音业务为主之外，还增加了中、低速数据业务，第三代系统则除了提供话音业务之外，还将提供高速数据和多媒体业务；从业务承载方式上看，第一代移动通信系统以采用模拟调频技术进行业务信号的传输作为代表特征，其中最具代表性的是由Ｂｅｌｌ实验室开发的ＡＭＰＳ（ＡｄｖａｎｃｅｄＭｏｂｉｌｅＰｈｏｎｅＳｙｓｔｅｍ）系统；第二代系统主要采用面向连接（对于数据业务，在基站以后的网段也有采用非连接方式的）的数字调制方式，在业务适配上广泛采用了语音压缩和编码技术，其多址方式一般采用时分多址（ＴＤＭＡ）和码分多址（ＣＤＭＡ）技术加上ＦＩ）ＭＡ，其中具有代表性的系统分别是：ＧＳＭ（ＴＤＭＡ）和ＩＳ－９５（ＣＤＭＡ）。

第二代移动通信系统正在向第三代移动通信系统演变，提供更先进的业务（诸如速率从ｌＯＯｋｂｉｆｆｓ至Ｕ２００ｋｂｉｆｆｓ的电路或分组业务）。但这个演变过程充分考虑了现有系统的性能，同时能够根据市场的要求进行更新。这些过渡系统被统称为２．５Ｇ。

１．１．２第三代移动通信的特点

第三代移动通信系统要将各种业务结合起来，用一个单一的全功能网络来实现，与现有的第一代和第二代移动通信系统相比，其主要特点可以概括为：

全球普及和全球无缝漫游的系统：第二代移动通信系统一般为区域或国家标准，而第三代移动通信系统是一个在全球范围内覆盖和使用的系统，使用共同的频段。在ＩＭＴ－２０００标准制定之初，要求制定一个全球统一的标准，但现在看来，仍然是几个标准共存。

具有支持多媒体业务的能力，特别是支持Ｉｎｔｅｍｅｔ业务：现有的移动通信系

统主要以提供话音业务为主，随着发展，一般也仅提供１００—２００ｋｂｉｔ／ｓ的数据业

务，ＧＳＭ演进到最高阶段的速率能力为３８４ｋｂｉｔ，ｓ。而第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显的改进。它应能支持从话音到分组数据到多媒体业务；应能根据需要提供带宽。ＩＴＵ规定的第三代移动通信系统无线传输技术的最低要求中，必须满足以下三种，即：

Ａ快速移动环境，最高速率达１４４ｋｂｉｔ／ｓ；

Ｂ室外到室内或步行环境，最高速率达至０３８４ｋｂｉＵｓ；Ｃ室内环境，最高速率达到２Ｍｂｉ魄：

便于过渡、演进：由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应与固定网兼容。高频谱效率；高服务质量；低成本：高保密性。同时，还要将综合宽

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第１章绪论

带网的业务尽量延伸到移动环境中，能够传送高达２Ｍｂｉｔ／ｓ的高质量图像，真正实现“任何人，在任何地点、任何时间与任何人”都能便利地通信。１．１．３３Ｇ的标准化组织

第三代移动通信系统ＩＭＴ一２０００是国际电信联盟（ＩＴＵ）在１９８５年提出的工作在２０００ＭＨｚ的频段，预期在２００２年左右商用的系统，当时称为陆地移动通信系统，目ＰＦＰＬＭＴＳ。１９９６年正式更名为ＩＭＴ．２０００。１９９２年世界无线电大会也为ＩＭＴ。２０００分配了２３０ＭＨｚ的频段。从１９９６年开始第三代移动通信的研究逐渐成为移动通信领域的研究热点，各国对第三代移动通信的研究都进入了实质性的阶段，特别是ＩＴｕ在１９９７年４月向全世界发出了征集ＩＭＴ．２０００无线传输技术规范的通函，并制定了详细的ＩＭＴ．２０００ＲＴＴ步骤和时间表。按照ＩＴＵ原有时间表，１９９９年３月将完成第三代移动通信标准

ＩＭＴ．２０００的选定，１９９９年底完成ＩＭＴ．２０００的无线技术规范，２０００年完成包括上层协议在内的完整的标准的制订工作。１９９９年１１月初，在芬兰赫尔辛基ＩＴＵ会议通过了ＩＭＴ．２０００无线接口技术规划建议，将无线接口标准明确为以下五个标准。

（１）ＩＭＴ－－２０００ＣＤＭＡＤ（对应ＷＣＤＭＡ）（２）ＩＭＴ－２０００ＣＤＭＡＭＣ（对应ｅｄｍａ２０００）

（３）ＩＭＴ一２０００ＣＤＭＡＴＤＤ（对应ＴＭ．ＳＣＤＭＡ和ＵＴＲＡＴＤＤ）（４）ＩＭＴ－２０００ＣＤＭＡＴＤＤ（对应ＵＷＣ．１３６）（５）ＩＭＴ．２０００ＣＤＭＡ／ＴＤＭＡ（对应于ＤＥＣＴ）

以上五种标准中，前三种属于ＣＤＭＡ体制，后两种属于ＴＤＭＡ体制。日本（ＡＲｍ）、欧洲（ＥＴＳＩ）。美国（ＴＩＡ）、（ＴＰＩ）、中国（ＣＡ。ＴＴ）、韩国（ＴＴＡ）等是众多标准的主要提出者。从双工方式来看大体上ＦＤＤ与ＴＤＤ两种方案均会并存，从接入主流技术来看，目前主要是宽带ＣＤＭＡ技术，限于篇幅本文不对上述各标准展开介绍。宽带ＣＤＭＡ系统关键技术主要有：

（１）信道编译码技术：选择效率高、编码增益高、时延性能好、译码算法较简单、存储量较小、溢出概率小、对同步要求不要过高，适于衰落信道传送、易于实现。

（２）多速率匹配技术：对不同信号速率采用不用ＲＦ信号码片速率与之匹配。（３）克服多径影响的ＲａＫｅ接收技术。

（４）同步技术；实现可靠的ＰＮ码同步，符号同步、帧同步和扰码同步。

（５）多用户检测技术：测量各个用户扩频码之间的非正交性，用算法来消除多用户之间的相互干扰，保证在衰落环境下实现大容量。要完成宽带ＣＤＭＡ系统的商品化需解决的技术难题，远不只这几个。１．１．４几种主要无线传输方案

目前，国际上最具竞争力的ＩＭＴ－２０００无线传输技术主要有两种：即日本和欧洲一些厂家提出的ＷＣＤＭＡ技术和北美提出的基于Ｉｓ．９５ＣＤＭＡ系统的ｅｄｍａ２０００技术。另外，我国也提出了具有自己知识产权的ＴＤ．ＳＣＤＭＡ系统。１．ＷＣＤＭＡ技术

在欧洲，爱立信公司在ＣＯＤＩＴ计划中作为主要厂家最先对ＷＣＤＭＡ技术进

行研究，日本则将Ｎ丌ＤｏＣｏＭｏ公司的ＷＣＤＭＡ综合ＦＤＤ／ＴＤＤ方式与爱立信

公司的方案进行融合，形成了现在的ＷＣＤＭＡ技术。它的主要关键技术是建立在窄带ＣＤＭＡ的基础上的，其技术特点有：

可适应多种速率的传输，灵活的提供多种业务：

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第１章绪论

ＢＴＳ之间无需同步；

优化的分组数据传输方式：支持不同载频之间的切换；上、下行快速功率控制；

反向采用导频辅助的相干检测（提高反向解调增益，提高功率控制准确性）；

充分考虑了信号设计对ＥＭＣ的影响。２．ｃｄｍａ２０００技术

它是北美Ｌｕｃｅｎｔ，Ｍｏｔｏｒｏｌａ，Ｎｏｒｔｅｌ，Ｑｕａｌｃｏｍｍ公司以及韩Ｓａｍｓｕｎｇ等公司联合提出来的基于ＩＳ．９５的候选系统。它充分考虑了对Ｉｓ．９５ＣＤＭＡ系统的后向兼容，沿用了ＩＳ．９５的主要技术和基本技术思路，如帧长为２０ｍｓ，采用ＩＳ．９５的软切换和功率控制技术，需要ＧＰＳ同步等。但也作了一些实质性的改进，主要有：

反向信道采用连续导频方式；反向信道相干接收；前向发送分集；

全部速率采用ＣＲＣ方式；

充分考虑了信号设计对ＥＭｃ的影响。

３．ＴＤ．ＳＣＤＭＡ

ｃｄｍａ２０００和ＷＣＤＭＡ都是属于ＦＤＤ方式，实际很多人预测第三代移动通信网络的前景是一个共同的网络，ＦＤＤ技术的无线基站用来完成全球无线覆盖，ＴＤＤ技术的基站用于在城市人口集中地区，实现大容量的话音、数据及多媒体业务。

我国原邮电部电信科学技术研究院在１９９７年成功开发出基于ＳＣＤＭＡ技术的ＷＬＬ系统的基础上，于１９９８年６月代表中国向Ⅱｕ提交了第三代ＲＩＩ建议ＴＤ—ＳＣＤＭＡ，后来在一些高校和公司的参与下，在１９９９年１０月向ＩＴＵ提交了全部的ＴＤ．ＳＣＤＭＡ标准文件，并积极和欧洲的ＵＴＲＡＴＤＤ方案进行融合，终于在１９９９年１１月５日ＩＴＵ－ＲＴＧ８／１赫尔辛基会议上获得了批准，被列为ＩＭＴ一２０００ＣＤＭＡＴＤＤ的两种方案之一。

ＴＤ．ＳＣＤＭＡ中使用了直接序列扩频的码分多址技术（ＤＳ．ＣＤＭＡ）。它的传输带宽为１．６ＭＨｚ，码片速率为１．２８Ｍｅｈｉｐ／ｓ。ＴＤ．ＳＣＤＭＡ采用了时分双Ｉ（ＴＤＤ）的方式，因而前向和逆向链路可以使用相同的无线频率的同步时间间隔，前向和逆向链路的信息在物理信道的不同时隙相互发送。ＴＤＤ系统在满足ＩＭＴ．２０００要求的前提下，同时具有如下特点：

ＴＤＤ能使用各种频率资源，不需要成对的频率；

ＴＤＤ适用于不对称的上下行数据产生速率，特别适用于Ｐ型的数据业务；ＴＤＤ上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性便之便于使用诸如智能天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的；

ＴＤＤ系统设备成本较低，将可能比ＦＤＤ系统低２０％．５０％。ＴＤＤ系统的主要缺陷在于终端的移动速度和覆盖距离：

（１）采用多时隙不连续传输方式，抗快衰落和多普勒效应能力比连续传输的ＦＤＤ方式差。

（２）ＴＤＤ系统平均功率与峰值功率之比随时隙数增加而增加，考虑到耗电和成本因素，用户终端的发射功率不可能很大，故通信距离（小区半径）较小，

北京邮电大学００级硕士毕业论文第１章绪论

一般不超过１０ｋｍ，而ＦＤＤ系统的小区半径可达到数１０ｋｉｎ。１．１．５后３Ｇ的标准化及发展近况

１９９９年１１月，ＩＴＵ．ＲＴＧ８／１会议确定了５个ＩＭＴ一２０００无线接口技术的框架性标准。而包括无线接入部分和核心网在内的较为成熟、完善，具备商

用基础的３Ｇ第一阶段的标准，尽管一直在频繁更新，但２０００年上半年在３ＧＰＰ和３ＧＰＰ２都已经基本完成。同时，３ＧＰＰ和３ＧＰＰ２也在进行面向全口网络的，支持２Ｍｂｐｓ以上的更高分组数据业务的３Ｇ增强型的标准化工作。此外，在ＩＴｕ也己经启动了有关后ＩＭＴ一２０００（Ｂｅｙｏｎｄ３Ｇ）。目前３Ｇ标准化的一个非常突出的特点是版本多、更新快。但第一阶段的版本已经基本成熟，第二阶段则正在探索和变化阶段。

３ＧＰＰ的版本更新：

３ＧＰＰ目前已经存在两个版本，Ｒ９９（有时也称作Ｒ３版本）和Ｒ４版本，且都在不断地进行更新。其中Ｒ９９是目前最成熟、最稳定的版本。Ｒ９９的特点是采用基于ＧＳＭ，ＧＰＲＳ的核心网络，引入新的ＷＣＤＭＡ和ＣＤＭＡＴＤＤ的无线接入网络（ＲＡＮ）。Ｒ９９是在２０００年３月在３ＧＰＰ正式通过的，但此后每三个月更新一次，Ｒ９９今年３月通过的版本曾经被认为可以作为商用版本，且其的更新版本将能与之后向兼容，但６月通过的Ｒ９９版本与３月相比又有５６６个ＣＲ（ＣｈａｎｇｅＲｅｑｕｅｓｔ，对３月版本的修订），其中包括支持ＧＳＭ／ＵＭＴＳ切换等重要内容。９月底刚刚在北京召开的３ＧＰＰ会议，通过了Ｒ９９最新版本（２００１年９月版本），与６月版本相比，通过了２６６个新的ＣＲ。本次会议特别强调不应对Ｒ９９版本的实质内容再进行修改，否则将严重影响产品的商用化时间。

３ＧＰＰ２的版本变化：

对于３ＧＰＰ２来讲，版本也比较多，目前有Ｒｅｌｅａｓｅ０、Ａ和Ｂ三个版本，且这些版本也一直在不断更新。基于全坤的ＲｅｌｅａｓｅＣ也在研究中，计划在２００２年完成。目前正在进行商用化准备的标准主要基于Ｒｅｌｅａｓｅ０和ＲｅｌｅａｓｅＡ两个版本。这两个版本在２０００年底和２００１年初已经稳定。由于基于ｅｄｍａＯｎｅ的现有标准和ＩＥＴＦ的技术规范，标准成熟性较３ＧＰＰ好。但由于３ＧＰＰ２在标准的一致性和开放性方面较３ＧＰＰ弱，所以运营商和制造商对ｃｄｍａ２０００整个系统的版本的选择，也并不完全一致，给设备之间的互通和不同网络之间的漫游带来一些困

难。

３ＧＰＰ２从２０００年开始研究ｅｄｍａ２０００．１Ｘ的增强型技术１ＸＥＶ。２０００年９月３ＧＰＰ２完成了可支持峰值速率为２．４Ｍｂｐｓ的ｃｄｍａ２０００．１Ｘ的增强型技术

１ＸＥＶ－ＤＯ（ＤａｔａＯｎｌｙ）的标准化。原计划２００１年９月确定支持５Ｍｂｐｓ以上速率的１ＸＥＶ－ＤＶ（ＤａｔａａｎｄＶｏｉｃｅ）标准，但两次投票，均没有结果。所以３ＧＰＰ２将不得不继续研究如何确定１ＸＥＶ／ＤＶ的技术标准。３ＧＰＰ２ＲｅｌｅａｓｅＣ是面向全Ｐ的标准，与３ＧＰＰ类似，３ＧＰＰ２由于主要精力在完善现有的版本，ＲｅｌｅａｓｅＣ的进展缓慢，预计２００２年完成。后ＩＭＴ－２０００（ＳｙｓｔｅｍＢｅｙｏｎｄＩＭＴ．２０００）的研究进展目前ｒｒＵ．Ｒ的ＷＰ８Ｆ和ｒｒＵ－ＴＩＭＴ一２０００ＳＳＧ已经开始了后ＩＭＴ一２０００的研究计划。后ＩＭＴ－２０００，也是有些人称为“第四代”。由于目前第三代移动通信的技术仍处于起步阶段，还没有大规模商用，本身的能力又有很大的扩展空间，目前不宜人为地定义新的一代，所以ＩＴＵ强烈呼吁不要使用“第四代移动通信”这个术

语。

ＷＲＣ ２０００已经确定了ＩＭＴ－２０００的扩展频谱，用于ＩＭＴ．２０００增强及后ＷＰ８Ｆ正在对这些频谱进行规划，预计２００２年６月完

４

ＩＭＴ一２０００系统，目前ＩＴＵ

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第１章绪论

成。与此同时，ＷＰ８Ｆ还计划２００２年６月完成后ＩＭＴ．２０００的目标和远景，也就是后ＩＭＴ一２０００的最基本的目标和要求建议。目前已完成了框架，还没有任何结论，如后ＩＭＴ。２０００在高速移动环境支持２０Ｍｂｐｓ还是１００Ｍｂｐｓ，静止环境最高速率是１００Ｍｂｐｓ还是１Ｇｂｐｓ等，都处在探讨阶段。目前日、美、欧等国家和地区都踊跃参加。事实上虽然对于后３Ｇ还没有形成清晰、一致的概念，但新的一轮的技术之争已经拉开了序幕，在及早争取领先和有利的地位。所以我们国家在冷静认识后３Ｇ的研究现状的同时，及早启动相关国家级项目，对关键技术进行储备研究。当然对我国的制造企业来讲，仍应将有限的人力、物力集中在当前的３Ｇ产业化上，以及早推出成熟的设备，占领市场。

第２节Ｗ－ＣＤＭＡ系统简介

１．２．１

ＷＣＤＭＡ系统承载的业务我们将在表１．１中简单列出：

会话类型

数据流类型

互动类型

后台类型信息接受目的端并不在某一时期内期待数据的到达

保持数据的完整性

Ｅ．ａｍｉｌ的后台下载

业务类型

基本特点

须保持流中信息实体间的时间关系（变化）

会话模式（苛刻的、低的时延要求）

话音、可视电话、视频游戏

须保持流中信息实体间的时间关系（变化）

请求一响应模式

须保持数据的完整性

网页浏览网络游戏

应用举例

流式多媒体

表１－１ＷＣＤＭＡ系统所承载的业务

ＷＣＤＭＡ的基本参数特点

以下我们简单的列出了系统的基本参数特点：●多址接入方式：ＤＳ．ＣＤＭＡ●双工方式：频分双工／时分双工●基站同步：异步方式●码片速率：３．８４Ｍｏｐｓ●帧长：１０ｍｓ

●业务复用：有不同服务质量要求的业务复用到一个连接中●多速率概念：可变的扩频因子和多码

●检测：使用导频符号或公共导频进行相关检测●多用户检测，智能天线：标准支持，应用时可选更具体的参数规定我们将在下一部分中介绍。１．２．３ｗＣＤＭＡ协议简介

ＷＣＤＭＡ方案包括ＦＤＤ与ＴＤＤ两种工作方式。前者工作在覆盖面积较大的范围内，提供中、低速业务；后者主要侧重在业务繁重的小范围内，提供高至２Ｍｂｐｓ的业务。根据ＯＳＩ参考模型，空中接口可以划分为三层模型。

１。２。２

北京邮电丈学００级硕士毕业论文第１章绪论

第一层是物理层，主要由ＴＳ２５．２ｘｘ协议进行规范：第二层是链路层，主要由ＴＳ２５．３ｘｘ协议进行规范：第三层是网络层，主要由ＴＳ２５．４ｘｘ协议进行规范。下面仅就ＦＤＤ方式进行讨论。

基本参数：

ＷＣＤＭＡ工作频段：１９２０～１９８０ＭＨｚ频段分配给ＦＤＤ上行链路使用；２１１０～２１７０ＭＨｚ频段分配给ＦＤＤ下行链路使用；１９００～１９２０ＭＨｚ频段由于在高频段没有相应的镜像频段，被分配给ＴＤＤ双工方式使用。基本标称带宽５ＭＨｚ，但其实际值可以以２００ｋＨｚ为步长，根据需要在４．４～５．２ＭＨｚ之间调整。基本带宽可以扩展至ｌＯ／２０ＭＨｚ。

基本扩频码速率４．０９６Ｍｅｐｓ，它也可以扩展到８，１９２／１６．３８４ＭＨｚ。

帧长ｌｏｒｅｓ，每帧包含１６个时隙，每时隙Ｏ．６２５ｍｓ，代表一个功控周期。信道结构：

ＷＣＤＭＡ信道可分为专用信道和公共信道两大类。专用信道包括：业务信道、独立专用控制信道、伴随专用控制信道。

公共信道包括ｉ广播控制信道、前向接入信道、寻呼信道、随机接入信这些信道通过不同的方式映射到相应的物理信道。下面我们分别对上下行链路进行介

绍。

（１）上行链路

上行链路专用物理信道分为；专用物理数据信道（ＤＰＤＣＨ）和专用物理控制信道（ＤＰＣＣＨ）。公用物理信道为物理随机接入信道口ＲＡＣＨ）。

图ｌ－１上行链路ＤＰＤＣＨ／ＤＰＣＣＨ帧结构

专用物理信道：上行链路专用物理数据信道用来承载第二层和更高层的专用数据。专用物理控制信道用来承载第一层产生的控制信息，包括：用于信道估计的导频信号（Ｐｉｌｏｔ）；功率控制信号（ＴＰＣ）以Ｒ传送格式指示比特（ＴＦＩ）。

上行链路专用物理信道帧结构如图２．１所示。每帧１０ｍｓ，分成１６个时隙。７２个连续的帧组成一个超帧，时长７２０ｍｓ。每时隙比特数为：１０＂２ｋ，其中ｋ＝０，……，６，相应的为ＳＦ＝２５６／２ｋ。即为２５６－－４。ＤＰＣＣＨ与ＤＰＤＣＨ是并行发送的。

公共物理信道：上行链路公共物理信道只有～种：物理随机接入信道

（ＰＲＡＣＨ）

移动台仅在相对于所在小区广播控制信道帧边界的一系列给定时间偏置处发起

接入尝试。这样的时间偏置称为接入时隙。每个接入时隙都会与别的接入时隙之间有１．２５ｍｓ的时间间隔，以防止接入尝试的相互碰撞。本小区中哪些接入时隙可用的消息在广播控制信道中发布。每个接入时隙随机接入

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第１章绪论

突发的结构如下图２－２所示。

图１－２随机接入突发结构

接入突发由长度为Ｉｍｓ的前导部分和长度为１０ｍｓ的消息部分组成。两部分之间为０．２５ｍｓ的空闲时隙。其中前导部分是由１６个复数符号Ａ或一Ａ（Ａ＝１＋ｊ，这里Ｊ是虚部的标记）组成特征序列，共有１６个不同的这样的序列。在一个小区中，哪些特征序列可以使用的消息通过基站下行信道予以广播。消息部分由数据部分（对应于ＤＰＤＣＨ）和第一层控制信息部分（对应于ＤＰＣＣＨ）组成，这两部分是通过两条物理信道并行发送的。控制信息部分时隙由ＴＰＣ，ＴＦＩ和Ｐｉｌｏｔ组成。数据部分时隙由１６比特的移动台识别码，３比特的所要求服务类型指示码，可选的用户短信息包，８比特的循环冗余比特组成。

（２）下行链路

下行链路物理信道由专用物理数据信道（ＤＰＤＣＨ）和专用物理控制信道（ＤＰＣＣＨ），基本公共控制物理信道（ＰｒｉｍａｒｙＣＣＰＣＨ）和辅助公共控制物理信道（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＣＣＰＣＨ）组成。专用物理信道的功能与上行链路相同。基本公共物理控制信道用来承载广播控制信道０３ＣＣＨ），辅助公共控制物理信道用来承载前向

接入信道（ＦＲＡＣＨ），寻呼信道（ＰＣ田和同步信道（ＳＣＨ）。

专用物理数据信道：下行链路专用物理信道是ＤＰＣＣＨ和ＤＰＤＣＨ的时分复用。第二层及高层的数据与第一层的控制信息（ＴＰＣ，ＴＦＩ，Ｐｉｌｏｔ）通过时分复用复用到同一条信道上。其帧结构如图２．３。同样，下行链路ＤＰＣＨ一帧也是

由１６个０．６２５ｍｓ的时隙组成的，帧长为１０ｍｓ。７２个连续的帧组成一个超帧。

图１．３下行链路ＤＰＣＨ时隙结构

当总的比特率大于一条物理信道所能承载的最大码速率时，可采用多码传输的方法，即在下行链路发送多个并行的相同的物理信道。此时，第一层控制信息只需要在第一条物理信道发送，其它物理信道在相应的时间段中不发送任何信息。多码传输的另一种方法是每个发送的物理信道的扩频增益不同。因此，此时每条物理信道都需要发送第一层的控制信息。

基本公共控制物理信道：ＰｒｉｍａｒｙＣＣＰＣＨ承载ＢＣＣＨ，它的码速是固定的，为３２ｋｂｐｓ。其帧结构与下行链路ＤＰＣＨ的差别是它不包含ＴＰＣ和ＴＦＩ，只包含Ｐｉｌｏｔ和ＤＡＴＡ。每时隙有８比特的Ｐｉｌｏｔ和１２比特的ＤＡＴＡ。

辅助公共控制物理信道：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＣＣＰＣＨ承载ＦＡＣＨ和ＰＣＨ，ＦＡＣＨ和ＰＣＨ分别映射到不同的ＳｅｃｏｎｄａｒｙＣＣＰＣＨ。ＳｅｃｏｎｄａｒｙＣＣＰＣＨ码速是恒定的。但这里的恒定，只是对一条ＳｅｃｏｎｄａｒｙＣＣＰＣＨ而言。对不同的辅助公共控制物理信道，它的码速是可以不同的，以适应不同的ＦＡＣＨ和ＰＣＨ容量。ＳｅｃｏｎｄａｒｙＣＣＰＣＨ和ＰｒｉｍａｒｙＣＣＰＣＨ的主要区别是前者的码速对不同信道是不同的，虽然在同一信道中是恒定的，后者码速对每个小区都是相同的；并且前者是在有数据时才发送，且可能只在某个方向发送，前者是在整个小区连续发射的。

同步信道由两个子信道组成；基本同步信道和辅助同步信道。

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第１章绪论

可见，上下行链路有很大不同，下行链路专用数据信道和专用控制信道是时分复用的，而上行链路专用数据信道和专用控制信道是并行发送的。

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第２章项目设计概要和计划

第２章项目设计概要和计划

第１节系统设计基本框架

２．１．１项目设计的提出

在进行本项目设计之前，北京邮电大学信息论教研室已经于２０００年建立了ｗ．ＣＤＭＡ系统的ＣｏＳＳＡＰ仿真平台，并获得了一定的实测结果。

为了配合建立符合最新协议标准的、更通用化的仿真平台，同时丰富实验室的理论研究工具，２００２年３月，信息论教研室拟定项目：计划实现Ｗ－ＣＤＭＡ物理层的ＶＣ软件仿真平台，涉及到信道编码复用、多径信道建模和ｒａｋｅ接收机等几项关键技术。２．１．２系统设计框架

以下是系统分析师吴湛击博士提出的初步总体框图，如图２．１所示：

ｓｓｎ。ｒｒｍｅ

１

Ｌ－—．一

．

ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ

ｌ

●

ｒａｙｌｅｉｆｆｈｃｈａｎ卜…一

●

ｒａｋｅ

ｋ…．ｌＬ．…一

●

３９ｐｐｄｅｆｒａｍｅ卜。一一一

，－．＿－…－－－－－～（

、’～…一‘，，图２－１总体设计和接口参数流程图

３８ｐｐｆｔｌｅｓ

．）

根据各个模块的划分和接口参数设计，我们提出了数据结构的定义

＃ｄｅｆｉｎｅ

＃ｄｅｆｉｎｅ～嗽１’ｒｃｈ

９

ＭＡＸＴＴＩ

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第２章项目设计概要和计划

＃ｄｅｆｉｎｅＭＡＸＰｈｙｃｈａｎｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｕｃｔ

｛

ｉｎｔ

ｆｌａｇ；／／１ｆｏｒｄｏｗｎｌｉｎｋａｎｄ０ｆｏｒｕｐｌｉｎｋｉｎｔ

ｓｅｒｖｉｃｅ；

ｉｎｔ

ｔｆｃｉ［ＭＡＸ＿ＴＴＩ］；

ｉｍｒｍ［ＭＡＸ＿ｆｒａｍｅ］［ＭＡＸ＿Ｔｒｃｈ］；

ｐｈｙｓｉｃａｌ＿ｃｈａｎ＿ｐａｒａｃｈａｎ＿．ｐａｒａｍｅｔｅｒ［ＭＡＸ＿Ｔｒｃｈ］；）３９ｐｐｆｒａｍｅ＿ｉｎｐｕｔ；

ｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｕｃｔ

｛

ｌ。ｎｔ

ｆｌａｇ；／／１ｆｏｒｄｏｗｎｌｉｎｋａｎｄ０ｆｏｒｕｐｌｉｎｋ

ｆｌ‘ｉｔ

ｐｈｙ＿ｔｙｐｅ；／／０

ｆｏｒＤＰＣＣＨａｎｄ１ｆｏｒＤＰＤＣＨ

ｉｎｕｐｌｉｎｋ

ｍ‘ｔ

ｓｌｏｔ＿ｆｏｒｍａｔ；

ｍ‘ｔｐｈｙｃｈａｒｔ＿ｌｅｎｇｔｈ；

ｍ’ｔｓｃｒａｍｂｌｅ＿＿ｎｕｍ；

ｍ‘ｔ

ｓｐｒｅａｄｉｎｇ＿ｆａｃｔｏｒ；ｍ‘ｔ

ｏｖｓｆｎｕｒｎ；

）ｐｈｙｓｉｃａｌ＿ｅｈａｎ＿ｐａｒａ；ｔｙｐｅｄｅｆｓｔｍｃｔ

｛

ｉｎｔ’ｐｈｙ＿ｅｈａｎ；

ｐｈｙｓｉｅａｌ＿ｃｈａｎ．．ｐａｒａ

ｐａｒａｍｅｔｅｒ；

）ｐｈｙｓｉｃａｌ＿ｃｈａｎ＿ｉｎｔ；ｔｙｐａｄｅｆｓｔｒｕｃｔ｛

ｆｌｏａｔ＋ｐｈｙ＿ｃｈａｎ；

ｐｈｙｓｉｅａｌ＿．ｅｈａｎ＿．ｐａｒａｐａｒａｍｅｔｅｒ；）ｐｈｙｓｉｃａｌｃｈａｒｔｆｌｏａｔ；

ｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｕｃｔ

｛

ｉｎｔｆｌａｇ；／／ｌｆｏｒｄｏｗｎ．１ｉｎｋａｎｄ０ｆｏｒｕｐｌｉｎｋｉｍｐｈｙ．．ｎｕｍ；

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ｐｈｙ＿ａｒｒａｙ［ＭＡＸ＿Ｐｈｙｅｈａｎ］；

／／ｆｉｒｓｔｆｏｒＤＰＣＣＨｉｎｕｐｌｉｎｋｄｏｗｎｌｉｎｋ

｝３９ｐｐｆｉ＇ａｍｅ＿ｏｕｔｐｕｔ；ｔｙｐｏｄｅｆｓｔｍｃｔ｛

ｉｍｆｌａｇ；／／１ｆｏｒｄｏｗｎｌｉｎｋ

ａｎｄ

０ｆｏｒｕｐｌｉｎｋ

ｉｎｔｐｈｙ＿ｎｕｍ；ｐｈｙｓｉｃａｌ＿ｃｈａｎ＿ｆｌｏａｔ

ｐｈｙ＿ａｒｒａｙ［ＭＡＸ＿Ｐｈｙｃｈａｎ］；

｝ｒａｋｅ＿ｏｕｔｐｕｔ；ｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｅｅｔ

１０

ａｎｄＴＦＣＩｉｎ

｛

ｉｎｔ‘ｍｏｄｕ＿Ｉ；

ｉｎｔ＋ｍｏｄｕ＿Ｑ；

ｉｎｔｍｏｄｕ＿ｌｅｎｇｔｈ；

｝ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ＿ｏｕｔｐｕｔ；

ｔｙｐｅｄｅｆ

ｓｔｒｕｃｔ

｛

ｆｌｏａｔＳＮＲ；

ｉａｔ

ｆｌｏａｔｆｌｏａｔｆｌｏａｔｆｌｏａｔ

ｓａｍｐｌｅ＿Ｎ；

ｄｃｔａｙ［６］；ｐｏｗｅｒ＿ｒｉＢ［６］；

ｆｓ；ｆｄ；Ｎｓ：

ｉｍ

｝ｃｈａｎ＿ｐａｒａ＿ｉｎｐｕｔ；

ｔｙｐｅｄｃｆ

ｓｔｒｅｅｔ

｛

ｉｎｔ＋ｅｈａｎＩ；ｉａｔ

４ｅｈａｎ＿Ｑ；

ｃｈａｒｔ＿ｌｅｎｇｔｈ；

ｓｔｒｕｃｔ

ｉａｔ

｝ｃｈａｎｏａｔｐｕｔ；

ｔｙｐｅｄｃｆ

｛

ｃｈａｒ

ｆｐ＿ｎａｍｅ［ＭＡＸ＿Ｔｒｅｈ］［３０１；｝３９ｐｐｆｉｌｅｓ；

第２节任务分配和完成计划

２．２．１项目组设计人员分配

为了保证模块划分的清晰性和任务的同步进度，项目组将设计任务划分为三个小组，每组工作安排如下：●信道编码及复用组

第一期任务：实现上下行收发复用的优化算法，ＴＦＣＩ的ＲＭ编译码、盲格

式检测和扩频加扰。

第二期任务实现ＲＳ、ＢＣＨ、Ｇｏｐｐａ和交替码的编译码，实现ｔｕｒｂｏ码的

ＭＡＰ和ｓｏｖａ算法

第三期任务：进行ＬＤＰＣ和空时码方面的编程和研究工作 信道建模组：

第一期任务：实现符合ｍ．１２２５标准的６径瑞利衰落信道的仿真平台，分别

用Ｃｌａｒｋｅ和Ｊａｋｅｓ模型实现

第二期任务：实现生灭模型的可交延时的多径瑞利信道的仿真平台，大尺度

室外内衰落信道模型和小尺度室外内衰落信道模型

第三期任务：进行矢量信道的建模 ｒａｋｅ接收机组：

Ｎ．倍

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第２章项目设计概要和计划

第一期任务：实现固定时延的四径ｒａｋｅ接收机

第二期任务：实现匹配滤波器和小区搜索，可变延时的ｒａｋｅ接收机第三期任务：实现功率控制，多用户检测和自适应均衡２．２．２模块功能及接口参数分配

第一组承担３９ｐｐ—ｆｒａｍｅ，ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，３９ｐｐ＿ｄｅｆｒａｍｅ三个模块的研制，各模块的功能和接口参数为：

●３９ｐｐ＿ｆｆａｍｅ

功能：根据ＴＳ２５．２１２协议，实现物理层ＤＰＣＨ的编码和复用输入参数：

３９ｐｐｆｉｌｅｓ：多个传输信道的输入源文件名

ｓｔｒｅｅｔ３９ｐｐｆｆａｍｅ＿ｉｎｐｕｔ：每个无线帧的参数配置（速率匹配参数，传输格式参数，服务模式等）输出参数：

ｓｔｒｕｃｔ３９ｐｐｆｒａｍｅ＿ｏｕｔｐｕｔ：多个物理信道的传输指针和相关的扰码，扩频码等参数

ｓｔｒｕｃｔ

●３９ｐｐ＿ｄｅｆｒａｍｅ

功能：根据ＴＳ２５．２１２协议，实现物理层ＤＰＣＨ的解复用和译码输入参数：

ｓｔｒｕｃｔｒａｋｅｏｕｔ：经过ｒａｋｅ接受后的多个传输信道的相关信息；

３９ｐｐｆｒａｍｅ＿．ｉｎｐｕｔ：每个无线帧的参数配置（速率匹配参数，传输格式参数，服务模式等）输出参数：

ｓｔｒｕｃｔ３９ｐｐｆｉｌｅｓ：多个传输信道的输出源文件名

ｓｔｒｕｅｔ

●

ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ

功能：根据ＴＳ２５．２１３协议，实现上下行基带信号的扩频，加扰和ＱＰＳＫ调制输入参数：

３９ｐｐ＿．ｏｕｔｐｕｔ：如上

输出参数；

ｓｔｒｕｃｔｓｔｒｕｃｔ

ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ＿ｏｕｔｐｕｔ：扩频，加扰和ＱＰＳＫ调制后的Ｉ，Ｑ两路信号

●ｒａｙｌｅｉｇｈｃｈａｎ

功能：根据ｍ．１２２５协议，实现六径瑞利衰落信道，其中一个码片取ｓａｍｐｌｅ的抽样输出。输入参数：

ｓｔｒｕｃｔ

ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ＿ｏｕｔｐｕｔ：如上

ｓｔｍｃｔ

Ｃｈａｎ＿ｐａｒａ．＿ｉｎｐｕｔ：六径瑞利衰落信道的延时，衰落，ＳＮＲ，ｓａｍｐｌｅ＿．Ｎ等参

ｏｕｔｐｕｔ：经过六径衰落的Ｉ，Ｑ两路码片抽样值

数

输出参数：

ｓｔｒｕｃｔｃｈａｎ

●ｒａｋｅ

功能：根据已知４径的延时，进行相位补偿，并经最大比例合并得到各物理信道的无线帧。输入参数：

ｓｔｒｕｃｔｅｈａｎ

ｓｔｒｕｃｔ

ｏｕｔｐｕｔ：如上

Ｃｈａｎ＿ｐａｒａ＿ｉｎｐｕｔ：得到六径的延时

３９ｐｐ

ｓｔｒｕｃｔ

ｆｒａｍｅ＿ｏｕｔｐｕｔ：得到每个物理信道的扩频码和扰码和无线帧的

北京邮电大学００级硕士毕业论文第２章项耳设计概要和计划

ｓｌｏｔｆｏｒｍａｔ

输出参数：

ｓｔｒｕｃｔｒａｋｅ＿ｏｕｔｐｕｔ：得到经相位补偿和最大比例合并的各物理信道的归一化的无线帧。

各小组应先拟定各自的计划书，然后依进度执行，完成算法分析、代码编写和自测，在末期任务结束之后，项目组要进行系统联调和界面变成的工作。项目设计过程中，穿插进行组内和组间讨论。同时要求写好项目设计文档和测试报告。

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第３章无线信道的建模、仿真及测试

第３章无线信道的建模、仿真及测试

第１节无线通信的传播环境

本节先讨论无线电波的基本特点及其衰落的分类；随后的几节深入地介绍了几种基本的衰落，仿真的模型和策略，以及仿真模型所用的参数。

本章简单的推导了一些基本的与信道有关的参数和公式，以及不同环境下的参数不同导致模型的不同。但是在后面我们可以看到，本文的重点放在瑞利衰落信道的仿真上。事实证明，瑞利衰落信道也足以为测试提供足够的模拟环境。３．１．１无线电波传播的基本特点以及衰落信道的初步分类

在通信系统研究中，传统的（理想的）加性白高斯噪声（ＡＷＧＮ）信道，通常是理解基本性能关系的起点。这种信道数据抽样间无符号间干扰（ＩＳＩ），受统计独立高斯噪声抽样影响。基本影响性能的因素是接收机产生的热噪声。通常，天线接收到的外部干扰比热噪声更重要。外部干扰有时候可以用宽频带信号表示，用天线温度【１】参数量化。热噪声通常在信号频带内有平坦的功率谱密度，电压符合零均值高斯概率密度函数。当实际系统建模的时候，下一步是引入带限滤波器。发送端的滤波器通常用于满足由于频谱限制的调整需求，接受端的滤波器通常用于信号带宽的匹配滤波器。由于滤波器的带宽受限和相位失真，为了减少滤波器引入的ＩＳＩ，需要特定的信号设计和均衡技术。３．１．２自由空间信道模型

如果不指定无线信道的传播特性，通常假设信号随着距离的衰减特性与在理想的自由空间传播相同。在自由空间模型，发送和接收天线之间的区域没有任何物体吸收或者发射无线频谱（Ｉ心）能量。而且，它假设在这一区域的大气也是完全单一的，不吸收的介质。再者，地面也假设为离传播信号无穷远（也就是说，反射系数可忽略）。在这样的理想自由空间模型中，发送和接收机之间的ＲＦ能量衰减符合逆平方律。接收功率可以用发送功率和一个衰落因子厶（ｄ）表示，这个因子被称为路径损耗或者自由空间损耗。当接收天线是全向天线，这个因子可以表示为【１］：

Ⅷ＝（等）２

＠ ，

上式中，ｄ表示发送和接收机之间的距离，Ａ是传播信号的波长。在这种理想传播情况下，接受信号功率可以预估。

对大部分实际的信道，信号在大气中接近地表传播，自由空间传播模型对描述信道特性和估计系统性能是不够的。在无线移动通信系统，信号从发送端到接收端可能通过多个反射路径传播，这一现象被称作多径传输。结果可能引起接收信号幅度，相位和到达角度的波动，术语上叫做多径衰减。另一方面，由于传播媒体的物理变化引起的多径衰落，比如反射高频无线信号的电离层离子密度的变化，也会引起信号传播的随机波动或者衰落。３．１．３实际信道传播模型

无线移动信道由基站天线、移动用户天线以及两付天线之间的传播路径构成。其中传播路径可分为直射传播∞ＯＳ，Ｌｉｎｅ－Ｏｆ－Ｓｉｇｈｔ）和非直射传播（ｎｏｎ－ＬＯＳ）。在基站与移动台之间一般不存在无阻挡的直射信号，此时接收到的信号是发射信

１４

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第３章无线信道的建模、仿真及测试

号经过若干次反射、折射或散射后的叠加。而在某些空旷地区或基站天线较高时则可能存在直射传播路径。

由于高大建筑物或远处高山的存在，常常会导致发射信号经过不同的传播路径到达接收端。这即是所谓的多径传播效应（ＭｕｌｔｉｐａｔｈＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）。各径信号通过不同的路径到达接收端时，具有不同的时延和入射角（ＤｏＡ），这将导致接收信号的时延扩展（ＤｅｌａｙＳｐｒｅａｄ）和角度扩展ａ叫ＰＳｐｒｅａｄ）。

另外，移动用户的运动以及大气的扰动，即信道的时变特性，将使接收信号产生多普勒扩展（ＤｏｐｐｌｅｒＳｐｒｅａｄ）。其结果将导致接收信号在频域的扩展。同时改变了信号电平的变化率。

归纳起来，由于地理环境的复杂性与多样性，用户移动的随机性和多径传播现象等因素的存在，使得移动通信系统的信道变得十分复杂。人们通过理论分析和长期实际观测，建立了基站与移动台之间的无线信道的统计模型。该模型认为，电波传播的损耗主要由以下三部分构成：路径损耗，阴影效应和多径衰落。公式（３ ２）给出了上述模型的表达式。

Ｐ（ｄ（ｆ））＝ｌｌａ（ｔ）ｌＪ

ｓ（ｄｏ））Ｒ（ｄ（ｆ））

（３—２）

其中孑（ｆ）为某时刻用户天线与基站天线之间的距离矢量。ｌｌａ（ｔ）ｌＦ“表示自由空间

的传播损耗，该类损耗是由于电波传播的弥散特性造成的，其中ｎ的典型值为３￣４，它反映了公里量级的空间距离内，接收电平均值的变化趋势。Ｓ（ｄ（ｆ））则表示阴影效应，它是由位于电波传播路径上的障碍物的阻挡而产生的损耗。它反映了数百波长内接收电平均值的变化趋势，此时信号的均值遵从对数正态分布（ＬｏｇＮｏｒｍａｌＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）。最后一项Ｓ（孑（ｆ）），代表多径传播丽产生的衰落，它反映了数十波长内，接收电平的均值的变化趋势，此时信号的均值遵从Ｒａｙｌｅｉｇｈ或Ｒｉｃｉａｎ分布。

图３－１显示了衰落的分类及其相互关系。从图中可以看出，路径损耗和阴影衰落属于大范围衰落，而多径衰落属于小范围衰落。

从系统设计的角度考虑，传播损耗和阴影衰落影响基台的覆盖范围，但总是可以通过合理的系统设计消除其影响，如功控。而多径衰落则直接影响信号的质量，必须加以有效的抗多径措施，来削弱多径衰落对信号质量的不利影响。３．１．４小范围衰落的分类

对位于特定发送和接收机之间，由于大范围衰落产生的路径损耗进行统计描述所需要的参数为：

参考距离以路径损耗指数ｎ

以的标准差盯。

但是对小范围衰落，根据其参数关系以及处理域的不同，可以分为几种不同的信道模型。后面我们将会对这几种模型以及参数含义详细解释，这里我们只是简单介绍和分类，以期有一个总体的了解。

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第３章无线信道的建模、仿真及测试

图３－１衰落的分类

３．１．５频率选择性衰落和非频率选择性衰落

小尺度衰落表现为两种形式：信号的数字脉冲的时域扩展。

信道由于移动产生的时变特性（例如在移动平台上的接收天线）。

在衰落信道中，根据时域扩展特性，可以用最大额外时延乙和符号时间正的关系区分两种传播模型分类：频率选择性衰落和非频率选择性衰落。ｒ≯￡，信道是频率选择性衰落，此时接收到的多径信号分量符号扩展超过符号的持续时间。当Ｌ＜互，信道为非频率选择性衰落，或者叫平坦衰落。在这种情况下，一个符号经过多径传播以后所有分量都在同一个符号时间内到达接收点，因此接收机不能将他们分解出来。如果五和瓦的关系近似为：

ｆｏ≈１／Ｌ，

同理可以在频域定义频率选择性衰落和非频率选择性衰落：

当信道满足兀＜１／￡＊Ｗ，其中符号速率１／正与信号带宽Ｗ近似相等时，信道发生了频率选择性衰落。当＾＞Ｗ，发生非频率选择性衰落（或平坦衰落）。３．１．６快衰落和慢衰落

信道的时变特性或者衰落速率机制可以分为两类：快衰落和慢衰落。快衰落是指ｒｏ＜‘的信道，其中矗是信道的一致时间，ｚ是一个传输符号的时长。慢衰落的时候，瓦＞正，信道的相关时间比一个符号的持续时间长。

（３ ３）

北京邮电大学００级硕士毕业论文第３章光线信道的建模、仿真及测试

假设信号由于时变产生的多普勒功率谱的宽度为厶，以与不相互影响，关

系可以近似表示为：

瓦“去

快衰落信道满足

矽＜厶

慢衰落

矿＞厶

３．１．７路径损耗

（３．４）

（３—５）

（３－６）

我们知道，接收天线截获的能量仅仅是发射能量的极小一部分，而大部分能量都弥散掉了。传播损耗正是表征这种能量损耗的物理量。此时假设自由空间并不吸收电磁信号能量。

通常我们定义自由空间的传播损耗厶为：接收信号功率只与发射信号功率只之

比。即：

厶：曼

Ｂ

（３—７）

由电磁场理论可以得到接收信号功率Ｐｒ与发射信号功率只有如下等式

睁Ｐ。岛啪｜

（３－８）

其中旯为电磁波波长，ｄ为收发天线之间的距离，ｇ，、ｇ，分别为接收天线增益和发射天线增益。以下将更详细地介绍路径损耗模型和信道脉冲响应模型。假设所有测试环境的传播模型，天线高度都为１．５米。路径损耗模型

室内办公漉试环境韵路径损耗模壅

室内办公环境的路径损耗是基于ＣＯＳＴ２３１模型，其定义如下：

ｆ！±三＿１一

三＝三＿疔＋ｔ＋∑．ｉ｝“三耐＋以。¨１’×０

（３ ９）

其中：

￡。：发射机与接收机之间的自由空间损耗三。：恒定损耗值

‰：发射机与接收机之间穿过的ｉ类墙壁的数目

１７

北京邮电大学００级硕士毕业论文第３章无线信道的建模、仿真及测试

ｎ：

发射机与接收机之间穿过的地面的数目

表３－１常见的路径损耗因子平均值损耗因子

￡，

描述

常见楼层结构（如办公室）

空心瓷砖加固混凝土厚度＜３０ｃｍ轻型内墙塑料板

带大开口的墙壁（如窗户）内墙混凝土较小的透孔

取值（ｄＢ）

１８．３

３．４

三ｗｌ

６．９

三ｗ２

Ｌ。：ｉ类墙壁的损耗￡，：相邻层间的损耗

ｂ：

经验参数

注１：￡。通常设为３７ｄＢ

注２；室内办公环境ｎ的平均值为４。如果计算略差的环境的容量，可以将ｎ设为３。常见的路径损耗因子平均值见表３．１。

经过以上假设，简化后的路径损耗模型可以表示为：

ｆ旦±Ｌ０４６１

Ｌ＝３７＋３０ｌｏｇｌｏＲ＋１８．３×／＇／Ｌ““

Ｊ

（３－１０）

其中；Ｒ表示发射机与接收机之间的距离ｎ表示传播路径上需经过的楼层数

室钤虱室内步行灏试环境的路径损耗模銎

与室内测试环境不同，室外到室内步行测试环境的路径损耗Ｌ（ａＢ）通常分为三部分：自由空间损耗三＾，从屋顶到街道的衍射造成的损耗上，。，以及穿过楼层时由

于反射造成的损耗三。。在这个模型中，ｋ和三。独立于基站天线高度，但是三。。

与天线相对于建筑物的高度有关。通常，模型表示为：Ｌ（Ｒ）＝工矗＋三墙＋三附ｄ

（３—１１）

由于本文着重在多径损耗的模拟，对此模型的路径损耗不再详细推导，具体可以参见有关资料。以下只给出最终的常用公式。其中，△＾。表示建筑物平均高度与

移动天线高度的差值，Ｘ表示移动台与障碍物的水平距离，ｄ表示楼群之间的平均距离。当△＾。＝１０．５ｍ，ｘ＝１５ｍ，ｄ＝８０ｍ，在通常的城市和郊区环境下，可以将路径损耗简化表示为发射机和接收机之间的距离Ｒ（ｋｍ）和频率ｆ（Ｍｎｚ）的函数：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sct4.html