【学习笔记】移动无线信道理论

一、定义

各类信号从发射端发送出去以后,在到达接收端之前经历的所有路径统称为信道

二、信道分类

信号在传播的过程中,受各种环境的影响会产生反射、衍射和散射,这样就使得到达接收机的信号是许多路径信号的叠加,因而这些多径信号的叠加在没有视距传播情况下的包络服从瑞利分布。当多径信号中包含一条视距传播路径时,多径信号就服从莱斯分布。

（一）瑞利(Rayleigh)信道

1、定义

在无线通信信道环境中，电磁波经过反射折射散射等多条路径传播到达接收机后，总信号的强度服从瑞利分布。同时由于接收机的移动及其他原因，信号强度和相位等特性又在起伏变化，故称为瑞利衰落。简单来说没有直射路径信号到达接收端的，就是瑞利信道。

2、适用条件

只适用于从发射机到接收机不存在直射信号的情况，也就是说是经过发射、折射或者衍射到达接收机的。
这一信道模型能够描述电离层和对流层发射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。如果发射机和接收机存在直射信道，那么信道模型就用莱斯衰落信道来描述。
瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。(大尺度衰落是因为发射机与接收机之间的距离和两者之间障碍物(如山丘、森林、建筑物等)的遮蔽影响而造成的信号强度的衰减,它反映了移动信号在较大区域中的平均能量的减少或称为路径损失。而小尺度衰落是指当移动台在一个较小的范围运动时,引起接收信号的幅度、相位和到达角等的快速变化。)
主要用于描述多径信道和多普勒频移现象(多普勒频移是指信道衰落的快慢与发射端和接收端的相对运动速度的大小有关，相对运动导致的是接收信号的多普勒频移。在考虑信道模型的时候一定要考虑发送方和接受方的相对速度

3、瑞利信道使用

（1）comm.RayleighChannel工具箱
MATLAB中提供了实现瑞利衰落的函数comm.RayleighChannel,它的用法如下

创建频率选择性或频率平坦的多径瑞利衰落信道系统对象H.该对象通过多径信道过滤实数或复数输入信号以获得信道受损信号。

rayleighChannel = comm.RayleighChannel（）

创建一个多路径瑞利衰落信道对象H，其指定的属性Name设置为指定的Value。您可以按任何顺序指定其他名称 - 值对参数（Name1，Value1，…，NameN，ValueN）。

rayleighChannel = comm.RayleighChannel（Name，Value）

使时域信号（IQ信号）通过瑞利信道

newSignal = rayleighChannel(IQsignal);

使用参考：详解matlab函数comm.RayleighChannel（）

（２）使用raylrnd生成瑞利衰落系数点乘时域信号（IQ信号）矩阵

生成瑞利信道衰落系数

h = raylrnd(1/sqrt(2),row,col)*sqrt(snr(i));

衰落系数点乘时域信号（IQ信号）矩阵

newSignal = h.*IQSignal

在调解前需要去除瑞利衰落的影响

signal = newSignal ./ h

R=raylrnd（B，m，n）返回从参数B的瑞利分布中选择的随机数矩阵，其中标量m和n是R的行和列维数。
使用参考：raylrnd的详细讲解

（二）莱斯信道

定义：如果收到的信号中除了经反射折射散射等来的信号外，还有从发射机直接到达接收机（如从卫星直接到达地面接收机）的信号，那么总信号的强度服从分布莱斯，故称为莱斯衰落。
详解参考：莱斯分布

（三）高斯信道

是一个射频通信信道，包含了各种频率的特定噪声频谱密度的的特征，从而导致了信道中错误的任意分布。
高斯信道(AWGN)主要是加性高斯白噪声，用于描述恒参信道，例如卫星通信，光纤信道，同轴电缆等等
使用方法：awgn工具箱

 y1 = awgn(Tx_Data,snr(i),'measured');    第一个参数是时域信号第二个参数是信噪比SNR

awgn使用参考：awgn

三、信道模型分类

信道模型按几个层次来讲，应该分物理模型－数学模型（参考模型）－仿真模型，即physical model-mathimatical model-simulator。
clarke模型是多径衰落的数学模型；而Jakes模型其实严格应该称为Jakes simulator，它是一个仿真模型，（也就是说是clarke模型的一个具体实现形式）它产生的信号是广义平稳的，并且能够较好的吻合Clarke模型中的统计特性。
几种模型研究的侧重不同，物理模型意义在于对实际传输环境的物理抽象，便于建模分析，例如在宏小区中抽象出散射体，远地散射体和本地散射体等概念；而数学模型的重点在于数学分析，对信道本质机理的一个建模，基于分析提出发送接收的策略，它的评估标准是在不同的环境下所建立的模型与真实无线信道的吻合程度；仿真模型即仿真器（可以用软件或硬件实现），它的评估标准则在于运算量的复杂度。三个模型是三个层次，不是并列关系，而是后者基于前者。

（一）Clarke模型

使用成型滤波法仿真
Clarke参考模型是一种理想模型，物理不可实现
许多信道建模和仿真方法的研究，均以Clarke信道模型的统计特性作为性能评估的标准，但Clarke参考模型是一种理想模型，物理不可实现。Clarke参考模型是由多个正弦波相加，但要求个数非常大，理想统计特性在N为无穷大时取得。从对模型的仿真结果来看，一般需要在大于50个正弦波的条件下，才能取得较好的仿真效果。

（二）Jakes模型

参考博客：Jakes信道模型总结

Jakes提出了基于正弦波叠加法的Jakes仿真模型。Jakes仿真模型是一种确定模型，产生的信号非广义平稳且不具各态历经性，其二阶统计特性与Clarke参考模型也相差较大。Jakes仿真模型虽然对Clarke参考模型实现了简化，降低了复杂度，提高了仿真效率，但却引入了广义非平稳性。其主要原因就在于Jakes对模型中的随机相移进行了确定化，同时造成了随机相移之间存在相关性。在仿真效率方面，所需的低频振荡器（即正弦波发生器）的数目由N减小到M=(N/2一l)/2，运算量大大减少。

（三）改进Jakes模型（Zheng模型）

基于Jakes仿真模型的多种改进方法,均是引入随机多普勒频率、随机正弦波初始相位等随机变量,避免确定性。

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