微蜂窝小区信号的衰落分布本章小结第三章无线信道模型的研究方法信道模型分类典型的几何模型模型模型模型般几何模型的时空分布推导的联合概率密度的联合概率密度分布分布分布本章小结第四章新型圆盘模型新型圆盘模型散射体分布新型圆盘模型时空分布情况距离对新型圆盘模型时空特性的影响本章小结第五章改进型圆盘模型改进型模型的形状因子改进型圆盘模型的联合概率分布的联合概率分布的联合概率分布改进型圆盘模型的概率分布的概率密度分布万方数据的概率密度分布本章小结第六章总结与展望总结展望参考文献附录攻读硕士学位期间撰写的论文致谢万方数据南京邮电大学硕士学位论文第章绪论第章绪论移动通信发展概况移动通信技术高速发展所带来的社会进步可谓是人类文明史上的次奇迹。通信就是传递信息。通信技术经历了从固定电话卫星通信到移动电话，从模拟通信到数字通信技术的转变，从到再到如今的时代的演进。每次通信技术的重大进步，都极大地提升了通信质量和速度通信网的覆盖范围和扩展了通信业务，如从过去的电报传真到现在的可视电话电话即时通信如和微信和网上冲浪等，给通信业发展注入了新力量。现在的通信技术和业务已经渗透了人们生活娱乐和工作学习的各个方面，而随着社会的不断发展进步，人们对信息通信的需求更加强烈，对其要求也越来越高，通信发展的最终目标是要实现任何人可以在任何时候任何地点与任何人以及相关的物体进行交换信息。从世纪年代起，移动通信技术实现了自动选频和自动接续的技术突破。其中最为代表性的是美国推出的原移动电话系统的改进型。该系统采用和两个频段，通信区域采用大区制，提高了通信容量，同时实现了无线频段自动选择并且自动切换到公共电话网。可以说，在这个阶段里移动通信系统达到了改进与完善，通信技术有了质的飞越。到了年代，这是移动通信蓬勃发展的阶段。年，第个移动电话系统由美国贝尔实验室成功研制并投入使用。该系统采用了正六边形式的小区制，形成了蜂窝移动通信网，很大程度上提高了通信容量。同年，英国首次在伦敦试用了由其开发的全地址通信系统，频段采用了。这个阶段里，由于蜂窝状移动通信网有了实际应用，并且表现出性能稳定，抗干扰能力强，同时实现了频率再用，极大提高了系统容量，成为当时无可置疑的最佳通信系统，因此迅速在世界各地发展壮大。第代移动通信系统是模拟系统，以和为代表。在移动通信技术进入了数字通信阶段后，虽然模拟系统取得了巨大成功，但是其频谱利用率低移动设备复杂费用较高业务种类受限制等问题已不能满足日益增长的移动用户的需求。因此，第二代移动通信数字蜂窝移动通信系统应运而生。特别是数字通信系统采用提供数据业务，这是模拟系统难以实现的功能。世纪时期世界范围广泛使用的数字移动通信系统最先由欧洲推出使用。虽然第二代移动通信系统有很大的优势，但仍然存在业务种类拓展困难数据交换速度低以及无法全球范围内漫游等缺点。于是结合互联网和高度移动性的第三代移动通信系统应运而生。有了第三代移动通信，人们除了通话，可在有网络信号覆盖的万方数据南京邮电大学硕士学位论文第章绪论地方随时浏览网页收发邮件使用多媒体业务如拨打可视电话点播视频等，此外还可以进行网上购物办理金融业务等电子商务。牌照的发放，标志着时代的正式来临。是第四代移动通信及其技术的简称，能够传输高质量视频图像，并且传输的图像质量能够达到高清电视，是结合技术和技术于体的高科技产品。通信的最大数据传输速率达到，是拨号上网速度的倍，同时上行速度也能达到。另外，先进技术大大减少了成本的投资，未来的资费也集的闹市。发射的信号往往会在传播途中遇到各种地形，各种材质的障碍物以及正在移动的物体，这样会导致接收到的信号在时延上，相位上，幅度上发生很大的变化，也就是经历了各种衰落过程。假设表示为无线信道矩阵，则式中表示为信道的幅度增益，表示为无线信道的相位。假设相位的分布均相同，服从，上的均匀分布。那么如果信号幅度的衰减不同，信道的衰落分布也会不样，般有分布分布和分布。衰落分布的接收信号由大量的平面波复合而成，可视为广义平稳复高斯随机过程，故可采用随机过程进行信道建模。设，对于全向散射环境，此时和均服从方差为的独立同分布的零均值高斯随机过程，此时幅度的分布为，衰落分布的接收信号有镜面或者视距直达分量，此时和服从高斯随机过程，方差均为，均值分别为和。则衰落分布为，式中是零阶第类修正贝塞尔函数。信道增益的平均功率为。通常情况下，衰落分布用于有视距直达分量的信道模型中。根据实验证明，分布比分布分布和对数正态分布对于无线通信中些实验数据拟合的更好。其信道包络分布为，式中为分布的衰落指数。如果为，则分布变为单边高斯分布为时，分布演变为衰落分布当趋于无穷大时，包络分布变为冲激函数，此时信道成为无衰落的静态信道，因此衰落包含了很多分布情况。万方数据南京邮电大学硕士学位论文第二章无线通信信道特性本章小结本章主要介绍了无线通信中电磁波在传播过程中的几种典型传播机制以及信号由发射端经过障碍物到达接收端时，信号可能发生的各种损耗和衰落情况。受到信号的频率，符号的码间间隔以及收发端相对运动等因素的影响，信道会出现不同的衰落特性，这也是本章介绍的重点。比如多径信号的相干距离变小，则信道的角度扩展会变大，从而造成空间选择性衰落。最后介绍了蜂窝移动通信中信号传播环境的划分以及各种小区的环境特点，为下文无线信道模型的参数提取做好铺垫。万方数据南京邮电大学硕士学位论文第三章无线信道模型的研究方法第三章无线信道模型的研究方法获得准确丰富的无线信道空时信息是构建移动通信系统的基础，在研究采纳和应用任何无线通信技术之前都必须研究出相应的信道模型，从而对技术进行准确可靠的检测和性能评测。实际工程应用时，信道模型广泛应用于基站建设小区划分及测试标准制定系统试验网络规划等诸多领域。信道模型分类通常情况下，无线信道模型可以分为两类第类确定性信道模型确定性信道模型是基于对特定通信环境进行详细描述的模型。由于参数库的不同，大致分为冲激响应记录法和射线追踪技术。冲激响应记录法的参数库由大量实际测量所得到的真实信道冲激响应构成。在信道仿真过程中，可根据记录的参数来构建相关的通信环境。射线追踪技术是根据几何光学原理来跟踪射线的传播路径，由此来确定信号发射角和到达角的信息。在静止不变的环境中，射线追踪技术需要收集散射体的位置信息，反射材料，传播介质以及射线的反射或折射次数等信息，这也是参数库所要包含的内容。这类模型能够辨别信道中所有的无线路径，并且计算结果最准确。但是计算较复杂，要求计算机有较高的数据处理能力，同时还需要较大的存储空间来记录模型参数。因此，应用范围比较小。第二类统计性信道模型统计性信道模型是针对典型通信环境中的无线传播特性进行统计分析。统计性信道模型的优点是其模型通用性较高，复杂程度较低。同时模型的缺点也很明显，测量数据的精度不是其准确度的唯尺度，模型的准度往往取决于实际应用环境和测量环境之间的相似程度。因为是根据各自统计特性随机生成的模型的各种参数，其值在每次测量结果中都会不同，因此随机生成的参数与实际测量的参数相比误差可能会很大。最具代表性的就是信道模型。通常统计性信道模型包括基于几何的统计模型，和基于相关的统计模型，两种。相比较确定性信道模型而言，统计性信道模型不针对特定的传播环境进行描述，并且计算量大大降低，能够在统万方数据南京邮电大学硕士学位论文第三章无线信道模型的研究方法计意义上较好地反映各种信道特性，通用性和灵活性较强，因此得到了广泛应用。此外，衡量建模技术的好坏相对于这两类信道模型的标准是不同的。对于第类模型，输出的信道模型数据与实际数据越相似则越好而对于第二类模型而言，仿真得到的信道模型数据的统计参数值和实际信道数据的参数值越相似则越好。综合而言统计模型建模方式简单适用性广，但准确度比较差确定性模型较精确但建模难度较大，只能用于特定的场景，在实际应用中需要根据具体的情况选择合适的建模方法。如图所示为信道模型的分类情况，工程中主要应用统计建模技术，因此本文主要围绕基于几何的统计模型展开讨论，在模型中，主要由信道参数的概率密度分布来描述无线信道的特性。本章将在下节里详细介绍典型几何模型和般几何模型的建模方法。图无线信道模型的分类典型的几何模型无线信道元素主要包括基站散射体移动台的几何位置和相对速度。几何模型是将发射端接收端和散射体之间的空间关系理想化，加以修改推广应用于不同的传播环境中。在典型的几何模型中，提出了散射体簇。就是在传播信道中位置相近的多个散射物可以理想的看成是个散射体。这样信号发射时形成个离开角，信号到达接收端时则形成个到达角，这些散射物就有相同的时延，相同的离开角和到达角，同时每个路径都有个时延。散射体簇可以是个楼房，个池塘等。通常情况下，使用信道冲激响应来表征发射端和基站之间的信道特性。假设第个发射端的第条信号的信道冲激响应表示为，式中表示第个用户多径信号的数目，，，，，分别表示为到达角的万方数据南京邮电大学硕士学位论文第三章无线信道模型的研究方法方向矢量，信号振幅，相位，时延和到达角。由式可知，信道的冲激响应是各多径信号的叠加，每条多径信号都有各自的幅度相位时延和到达角。这些参数的分布则与接收端附近的散射体区域有密切的关系。散射区域的几何形状，散射体的位置数目和分布情况，以及收发端的距离都是影响无线信号传播的重要元素。几何信道模型主要依靠散射体在多径传播环境中的分布情况来确定信道特性的分布参数，包括离开角分布，到达角分布及时延分布。散射体分布情况包括两个方面，是散射体分布区域的几何形状，二是散射体概率密度分布。各国学者广泛研究了在圆盘椭圆以及空心圆盘等不同几何模型中应用不同的散射体概率密度分布函数，如均匀分布高斯分布反抛物线分布圆锥分布指数分布瑞利分布以及双曲线分布等。研究结果表明在几何模型中，不同散射体分布适用不同的传播环境，如瑞利散射体分布模型适合描述室外环境，指数散射体分布模型能够匹配室内环境，而均匀分布可拟合宏小区。和模型能够较准确的