一种改进型的莱斯衰落信道研究

２０１１年第４期　大众科技　Ｎｏ．４。２０１１　（总第１４０期）　ＤＡＺＨＯＮＧ　ＫＥ　Ｊ　（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｌｙ　Ｎｏ．１　４０）　一种改进型的　莱斯衰落信道研究　黄　飞　（民航桂林空中交通管理站，广西桂林５４１００６）　【摘要】文章重点介绍多种无线信道建模方法及其缺陷，给出一种基于ＭＥＤＳ—ＳＰ瑞利衰落信道模型的莱斯衰落信道改　进模型，与此同时针对地空信道特性，从而建立适用于多种环境下的地空信道模型，对研究地空信道传输性能具有重要意义。　【关键词】瑞利衰落；莱斯衰落；ＭＥＤＳ—ＳＰ　【中图分类号】Ｖ３５　【文献标识码】Ａ　【文章编号】１００８－１１５１（２０１１）０４—００６１—０２　地空通信是指空中飞行平台（如有人飞机等）与地面站之　莱斯分布转变为瑞利分布，如式（２）所示为瑞利分布的概率密　间的通信，其用于保障空中飞行平台与地面站之间交换信息　度函数　和共享情报，使得地面站对空中飞行平台实时监视和指挥引　导，提高空中飞行平台的生存能力。由于地空信道易受多径　衰落和多普勒频移的影响，因此研究地空信道特性是提高地　班砉ｅｘｐ（＿舌）　（２）　空通信系统性能的一个关键因素，同时能够有针对性地克服　由此可知，瑞利分布是莱斯分布的一个特例　莱斯分布　信道固有缺陷，从而发挥信道特有的优势。　是瑞利分布的一个扩展。　（一）地空信道特性　（二）莱斯平坦衰落信道的建模　信号在地空通信系统中传播易受环境例如房屋、高山、　多径衰落会引起接收信号在时域上的扩展，当发送信号　雨雪和云层的影响而产生反射、衍射和绕射等现象。由此，　的带宽足够窄，那么发送信号的所有频率分量几乎经历相同　接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由　的衰落，此时信号在传输过程中将不会产生失真，这样的衰　多径引起的，也称为多径衰落。多径衰落分为平坦衰落和频　落称为是平坦衰落。　率选择性衰落，，当衰落继续增大时，则会出现了严重的码间　针对广义平稳特性和各态历经特性不能同时满足的问　干扰（ＩＳＩ）。　题，Ｍ．Ｐ￣ｔｚｏｌｄ在参考文献［２］中提出ＭＥＤＳ—ＳＰ确定型仿真模　地空通信系统中通信链路始终保持“通视”效果，即直　型，该仿真模型是对ＭＥＤＳ仿真模型中的离散多普勒频率进行　射分量依然存在，但由于信道的多径效应和多普勒效应等特　改进，引入仿真次数因子，即多普勒系数和离散多普勒频率　性，使得接收信号还包括多径分量，信号的包络ａ（ｔ）服从莱　在仿真过程中是确定值，因此该模型不仅满足，　义平稳特性　斯分布，莱斯分布的概率密度函数如下：　还满足各态历经特性，且大大降低了仿真运算的复杂度，提　高了仿真效率，是一种新的高效信道仿真模型。　砉ｅｘｐ（一　），０（箬）　ＭＥＤＳ—ｓＰ仿真模型的数学模型如下：　式（１）中，Ｓ　是直射分量的功率，　是多径分量的平均　ｓｉｔ）：ＳＩ（ｆ）＋　（ｆ）　（３）　Ｍ　功率，，口（－）是第一类零阶修正贝塞尔函数。定义莱斯因子纳　。ｓ（　ｆｃｏｓ（　，　１　２（４）　直射分量功率与多径分量平均功率的比值，即Ｋ＝Ｓ　／（２ａ　），　随着通信距离的增大和飞行器飞行速度的增加，直射分量功　其中，　，ｑ　，　分别表示幅度，信号到达角和初始　率逐渐降低，莱斯因子他随之减小。通常在地空通信中，莱　相位；　为最大多普勒频率，由前面分析可知合理设置（　，　斯因子在（２－２０ｄＢ）范围内变化，当莱斯因子剧、于等于６ｄＢ　时，地空信道呈现低莱斯因子衰落特性。　ｑ　，　）这三个参数，就可以使仿真模型的统计特性与　当Ｋ＝０时，则表示没有直射分量，接收信号包络　…由　Ｃｌａｒｋｅ参考模型的相匹配，并满足广义平稳特性和各态历经　【收稿日期】２０１卜０卜２６　【作者简介】黄飞，男，民舷桂林空中交通管理站技术保障部雷达设备管理室助理工程师。　一６ｌ一　特性。由于现有的信道仿真模型都不能很好的与Ｃｌａｒｋｅ参考　模型的相匹配，故ＭＥＤＳ—ＳＰ仿真模型在ＭＥＤＳ仿真模型的基础　上，对以上的三个参数进行了修改，如下所示：　＝括，　【盍　壶（ｆ＿　】，　＇２，…，　（５）　对所有的ｎ都是在（一ｎ，　］范围内均匀分布的随机变　量，　为正弦波数目，并且有Ｍ２＝Ｍ＋１；Ｌ为仿真次数，　ｆ＿１，２．…，Ｌ。由式（４）可以看出，对于给定的　和Ｌ，　和　，　在　仿真中是确定值，因此该模型产生的信号是满足各态历经特　性的。　现基于ＭＥＤＳ—ＳＰ确定型仿真模型对莱斯衰落信道模型进　行改进如下：　０（ｆ）＝ｑ（ｆ）＋ｊ０２（ｒ）　０　０ｆ（ｆ）＝［　（ｆ）＋４Ｋ　ｃｏｓ（２万　ｔＣＯＳ　＋　）】／４１＋Ｋ　Ｌ，Ｊ　Ｄ２（ｆ）：ｉｓ２（ｆ）＋√　ｓｉｎ（Ｄｒｆｍ　ｔｃｏｓＯｏ＋　）】／√ｌ＋Ｋ　（　Ｊ　上式中　为莱斯因子，　和九分别是直射分量的到达角和　初始相位，其中碗在（一ｎ，　］内均匀分布，并且复高斯随机　过程Ｄｆ，１的包络　（ｒ）＝１Ｄ（ｆ）Ｉ服从莱斯分布，相位服从（一Ⅱ，Ⅱ］　范围内的均匀分布。　（三）统计特性仿真与分析　由于在正弦波数目和仿真次数趋于无穷时，现有的仿真　模型产生的信号的包络均服从瑞利分布，相位均服从（一ｎ，ｎ］　的均匀分布，因此下面首先通过实验仿真对比Ｙａｈｏｎｇ　Ｒ．Ｚｈｅｎｇ和Ｃｈｅｎｓｈａｎ　Ｘｉａｏ分别在参考文献［３］、［４］和［５］　中提出的三种随机型仿真模型（记为模型Ｉ、模型ＩＩ和模型　ＩＩＩ）以及ＭＥＤＳ—ＳＰ确定型仿真模型（模型ＩＶ）的相关统计特　性，如图１、图２所示。仿真条件为：载频￣＝２０００ｋＰ／ｚ，移动　速度　＝１５０Ｋｍ／ｈ，抽样时间，艄　ｒ＝０．０１Ｓ，　代表仿真的正弦　波数，三代表仿真次数。　对比图１和图２可知，模型Ⅳ的相关统计特性在正弦波数　目瘌仿真次数￡较小的情况下就能与Ｃｌａｒｋｅ参考模型相匹　配，而其他三种模型的自相关即使在仿真次数￡很大的情况下　（￣，Ｌ＝ＩＯ０时）也不能与参考模型完全吻合，这是由于模型Ⅳ　在离散多普勒频率中引入仿真次数因子三的缘故；图３中，模　型Ⅳ由于两路正弦波数目　＝　＋Ｉ，所以其互相关为０，而其　他三种模型的互相关均不为０。图４表明这四种仿真模型均满　足广义平稳特性，并且模型Ｉ、ＩＩ和Ⅳ与参考模型最匹配，　而模型ＩＩＩ的复信号自相关函数值是理想参考模型的一半。　综上所述，模型ＩＶＲＰＭＥＤＳ—ＳＰ确定型仿真模型要优于现有　的其他衰落信道仿真模型，现对莱斯衰落信道改进模型的统　计特性进行仿真，如下图５、图６、图７所示。从仿真图可以看　出，改进型莱斯衰落信道仿真模型的一阶和二阶统计特性均　与理想莱斯衰落过程吻合，不仅满足实际信道要求，还具有　高精度和低仿真运算复杂度的优点。　．６２．　图１　Ｊ＃ｌＯ，Ｌ＝４时同相自相关线　图２　ｈ／＝１０，Ｌ＝１００时同相自相关曲线　Ｉ…　ｍ●咖ｎ　Ｔｍ叫’　ｇｎ－●－∞　Ｄ　ｌｌ　＆　■Ｉ∞ｒｒＤ　『Ｉｌ　～　ｎ●　Ｉ　ｒ∞“Ⅳ　二ｌ二　曼　警旁墨　黼　Ｎ　＿剐－ｍ＿眦　图３￣４＝５０，Ｌ＝１０时互相关曲线　图４　Ｍ＝ＩＯ，Ｌ＝１０时复信号自相关曲线　ｋ　图５不同朋拘复信号自相关的实部图６不同　值时复信号包络的概率密度　Ｊ＊≈目　￥　图７　ｋ／＝８，　０＝　／４，　１Ｏ时不同　的电平通过率　（四）结束语　本文对地空信道的建模进行了一个比较全面的分析，首　先从概念上介绍地空通信信道的主要特性和信道的衰落；其　次重点研究莱斯平坦衰落信道的建模，给出ＭＥＤＳ－ＳＰ瑞利高　效信道模型的同时，并在该模型的基础上对莱斯衰落信道模　型进行改进，实验仿真表明新改进型莱斯衰落信道模型与理　想莱斯衰落过程吻合，不仅满足实际信道要求，还具有高精　度和低仿真运算复杂度的优点　【参考文献】　［１】Ａ．Ｎｅｕｌ　ｅｔ　ａ１．Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｃｈａｎｎｅｌ［Ｃ］．ＩＥＥＥ　ＶＴｃ．１９８７：９０—９７．　［２】Ｍ．Ｐ￣ｉｔｚｏｌｄ，Ｂ．Ｈｏｇｓｔａｄ　ａｎｄ　Ｄ　Ｋｉｍ．Ａ　Ｎｅｗ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｏｎｃｅｐｔ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ—Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｆａｄｉｎｇ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒｓ　Ｕｓｉｎｇ　Ｓｅｔ　ＰａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇｌＪ］．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｐｅｍｏｎａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｉｔｏｎｓ，２００７，　４０（３）：２６７—２７９．　［３】Ｙ．Ｒ．Ｚｈｅｎｇ　ａｎｄ　Ｃ．Ｘｉａｏ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｍｏｄｅ￣ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｕｌｉｔｐｌｅ　Ｕｎｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ　Ｒ．ａｙｌｅｉｇｈ　Ｆａｄｉｎｇ　Ｗａｖｅｆｏｍａｓ［１］．Ⅲ髓　ＣｏｍｍｕｒＬ２００２，６（６）：２５６—２５８．