無線通信系統(tǒng)物理層仿真綜述【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻綜述</b></p><p><b>　　通信工程</b></p><p>　　無線通信系統(tǒng)物理層仿真綜述</p><p>　　摘要：本文主要講述了瑞利衰落信道的概念和matlab仿真概念和應用以及瑞利衰落信道在無線通信系統(tǒng)中如何克服，同時介紹了OFDM無線信道的原理和應用。<

2、;/p><p>　　關鍵詞：瑞利衰落;matlab仿真;無線通信;OFDM</p><p>　　一、瑞利衰落信道的概念</p><p>　　瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）是一種無線電信號傳播環(huán)境的統(tǒng)計模型。這種模型假設信號通過無線信道之后，其信號幅度是隨機的，即“衰落”，并且其包絡服從瑞利分布，這一信道模型能夠描述由電離層和對流層反射的短

3、波信道，以及建筑物密集的城市環(huán)境</p><p>　　在無線通信信道環(huán)境中，電磁波經過反射折射散射等多條路徑傳播到達接收機后， 總信號的強度服從瑞利分布。 同時由于接收機的移動及其他原因， 信號強度和相位等特性又在起伏變化， 故稱為瑞利衰落。如果收到的信號中除了經反射折射散射等來的信號外， 還有從發(fā)射機直接到達接收機 （如從衛(wèi)星直接到達地面接收機）的信號，那么總信號的強度服從分布萊斯， 則稱為萊斯衰落。</

4、p><p>　　文獻[1]中也提到蜂窩中的信號傳播高度依賴基站布置和周圍的反光物體的幾何形狀，如果信號沒有被障礙物阻塞，信號的能量會一直向四面八方輻射。由于隨機信號的變更，一個呼叫同樣會被放棄如果移動物體和它的基站之間的信號強度低于通訊所需的最小閾值。就是說一個信號從無線信道里傳出來如果基站周圍有障礙物或者反光物體就會使信號強度變弱，信號幅度變得有高有低，如果低于信號接受的低于最小閾值，就無法通訊，這種現(xiàn)象就是瑞利衰

5、弱。</p><p>　　文獻[2]主要講述無線信道的布置和無線傳感器的運用，同時為更好的分配通信頻帶，提供數(shù)學演算，為減少信號削弱提出了比較好的網絡布置設計。</p><p>　　二、Matlab仿真的概念</p><p>　　MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據可

6、視化、數(shù)據分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Matlab也是大學數(shù)學實驗室常用的一種教學軟件，具有易上手和強大的數(shù)值計算功能，特別是矩陣的計算、應用數(shù)理統(tǒng)計、線性規(guī)劃計算用matlab很方便。MATLAB主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，

7、為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。</p><p>　　文獻[3]著重說明了matlab軟件的基礎使用方法法和及功能介紹，講述了如何利用數(shù)學工具軟件來做數(shù)學。同時介紹了其它集中數(shù)學軟件如mathematica、maple等工具軟件，并介紹了幾種工具

8、軟件的特點功能，分析比較后著重講述了matlab相對于其它數(shù)學軟件的優(yōu)勢，matlab具有強大的數(shù)值計算能力與符號運算功能。并在書中指出了matlab在數(shù)學工作中的重大作用，為數(shù)學教學研究帶來很大的便利。</p><p>　　MATLAB 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。而matlab在這些領域中的運用既是matlab仿真。文獻[4

9、]以實例介紹了MATLAB仿真軟件在現(xiàn)代控制理論課程教學中的應用.為適應新形勢下現(xiàn)代控制理論課程的教學,嘗試將MATLAB仿真軟件中的SIMUUNK工具引人現(xiàn)代控制理論的課堂教學中.借助于SIMULINK可視化的編程和仿真演示,將抽象的理論和概念變得更為通俗易懂，加深了學生對基礎理論的認識和理解，也培養(yǎng)了學生系統(tǒng)綜合設計的能力。</p><p>　　三、Matlab仿真在無線通信系統(tǒng)中的應用</p>

10、<p>　　當在實際電子通信系統(tǒng)中進行試驗研究比較困難或更本無法實現(xiàn)時，仿真技術就成為必然選擇。信息技術的快速發(fā)展, 使得通信系統(tǒng)在性能不斷提高的同時也變得越來越復雜。 正因為如此, 采用傳統(tǒng)技術對通信系統(tǒng)進行分析和設計的日子一去不復返, 而由于計算機仿真方法的廉價性、高效性和靈活性, 使其成為了通信系統(tǒng)中的主要設計和分析手段之一。 另一方面, 計算機仿真更是進行通信與網絡等科研工作時所必備的工具。matlab仿真就是是

11、無線通信系統(tǒng)實驗中常用的一種仿真技術。</p><p>　　文獻[5]指出研究信道的快變衰落特性及其仿真實現(xiàn)方法對通信系統(tǒng)的設計與性能分析具有重要意義現(xiàn)有的信道仿真方法主要用于緩變衰落信道 而未來的無線通信系統(tǒng)工作頻率更高容量更大用戶移動速度更快 信道的快變特性更加明顯。同時研究了基于時間延遲線(TDL)模型和多速率濾波的快變信道仿真方法，討論了其仿真實現(xiàn)過程 給出了仿真結果，該方法具有計算量小和實現(xiàn)容易的

12、優(yōu)點，還分析了快變信道對正交頻分復用OFDM通信系統(tǒng)性能的影響，為快變信道中的OFDM 系統(tǒng)均衡器設計與性能優(yōu)化奠定了基礎。</p><p>　　Matlab仿真在無線通信系統(tǒng)中的一項運用就是用于信道建模：建立系統(tǒng)模型的過程。又稱模型化。建模是研究系統(tǒng)的重要手段和前提。凡是用模型描述系統(tǒng)的因果關系或相互關系的過程都屬于建模。圖描述的關系各異，所以實現(xiàn)這一過程的手段和方法也是多種多樣的?？梢酝ㄟ^對系統(tǒng)本身運動規(guī)律的

13、分析，根據事物的機理來建模;也可以通過對系統(tǒng)的實驗或統(tǒng)計數(shù)據的處理,并根據關于系統(tǒng)的已有的知識和經驗來建模。</p><p>　　文獻[6]和文獻[7] 從無線電波的傳播特性出發(fā)，研究了無線信道的電波傳播模型和信道描述的參數(shù)，重點分析了對基帶信號處理有重要影響的小尺度衰落模型：研究了通信信號的復數(shù)表示方法，并結合無線信道的特點，討論了信道的基帶沖激響應模型和SIsO、SIMO、MISO、MIMO等無線通信系統(tǒng)的基

14、帶模型描述方法。并重點研究了平坦衰落信道和頻率選擇性信道的信道模型并仿真驗證。</p><p>　　四、基于Matlab仿真的OFDM系統(tǒng)</p><p>　　OFDM是一種多載波調制技術，其原理是將高速的串行數(shù)據流轉化為低速的并行數(shù)據流，再將這些并行數(shù)據調制在相互正交的子載波上，實現(xiàn)并行數(shù)據傳輸。</p><p>　　文獻[8]主要是本文主要是對OFDM系統(tǒng)無線信

15、道特性進行建模與仿真，完成了以下工作：(1)在研究了無線信道傳播理論基礎上，分析了無線信道傳播特性，建立了各種衰落信道的結構模型，設計了無線信道抽頭延遲線模型和Jakes仿真模型。(2)對路徑損耗信道模型進行了分析，比較了各模型的特點，仿真分析了模型誤差，提出了各種模型的適用環(huán)境。對0FDM系統(tǒng)進行仿真，通過比較加保護間隔和不加保護間隔系統(tǒng)的誤碼率，給出OFDM具有獨特的抗多徑衰落特性。</p><p>　　文獻

16、[9]和文獻[10]主要講述了基于Matlab的OFDM多載波無線通信系統(tǒng)的仿真平臺，并在此平臺上對OFDM的子載波調制方式、信道估計算法和同步算法作了比較全面的仿真和性能分析。并提出OFDM技術是現(xiàn)今最受關注的技術之一。</p><p>　　文獻[11]和文獻[12] 首先簡要介紹了OFDM基本原理, 重點研究了理想同步情況下,保護時隙( CP) 和不同的信道估計方法在高斯信道和多徑瑞利衰落信道下對OFDM系統(tǒng)

17、性能的影響。在給出OFDM系統(tǒng)模型的基礎上, 用MATLAB語言實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的計算機仿真并給出參考設計程序。最后給出在不同的信道條件下,保護時隙、信道估計方法對OFDM 系統(tǒng)誤碼率影響的比較曲線, 得出了較理想的結論。</p><p>　　五、瑞利衰落信道的克服</p><p>　　在MIMO中，傳統(tǒng)的多天線被用來增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信息的信號通過不同的路徑被發(fā)送出去，在

18、接收機端可以獲得數(shù)據符號多個獨立衰落的復制品，從而獲得更高的接收可靠性。舉例來說，在慢瑞利衰落信道中，使用1根發(fā)射天線n根接收天線，發(fā)送信號通過n個不同的路徑。如果各個天線之間的衰落是獨立的，可以獲得最大的分集增益為n，平均誤差可以減地更小。對于發(fā)射分集技術來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統(tǒng)的可靠性。在一個具有m根發(fā)射天線n根接收天線的系統(tǒng)中，如果天線對之間的路徑增益是獨立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。需要特別

19、指出的是在高信噪比的情況下，傳輸速率是自由度受限的，此時對于m根發(fā)射天線n根接收天線，并且天線對之間是獨立均勻分布的瑞利衰落的。</p><p>　　文獻[13][14] 指出信道模型對于評估MIMO通信系統(tǒng)的性能非常重要。并在分析 無線信道傳播特征的基礎上，討論了常見的MIMO物理模型，然后研究了MIMO信道建模的基本問題，提出了建模的基本步驟和方法，即從幾何參數(shù)到陣列相關矩陣，然后導出MIMO協(xié)方差矩陣，最后

20、產生符合要求的信道增益矩陣。這一方法對于進行MIMO系統(tǒng)性能的分析和仿真是很有用的。</p><p>　　文獻[15]提出 MIMO．OFDM技術將OFDM與空時編碼技術有機的結合在一起，能夠大幅度的提高無線通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，并能有效的抵抗多徑衰落、抑制干擾和噪聲。本文在分析移動無線信道衰落特性的基礎上，闡述了MIMO．OFDM系統(tǒng)的基本原理，描述了多入多／出(MIMO)iE交頻分復用(OFDM)系統(tǒng)

21、幾種常見的信道估計方法。最后在LS頻域信道估計的基礎上提出了一種新的改進算法：分組LS頻域信道估計算法，并結合MATLAB仿真對其原理、性能和實用性等進行了詳細的分析。</p><p>　　六、下一代移動通信系統(tǒng)</p><p>　　無線移動通信自誕生以來，其發(fā)展速度令人驚嘆。經歷第二代和第三代移動通信的 </p><p>　　快速發(fā)展，下一代即后三代(Beyond

22、 3G)或第四代移動通信系統(tǒng)(4G)的研究工作已經開始展開。第四代移動通信的核心技術就是OFDM（正交頻分復用）技術，4G（第四代移動通信技術)的概念可稱為寬帶接入和分布網絡，具有非對稱的超過2Mb/s的數(shù)據傳輸能力。它包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網、移動寬帶系統(tǒng)和交互式廣播網絡。 第四代移動通信標準比第三代標準具有更多的功能。第四代移動通信可以在不同的固定、無線平臺和跨越不同的頻帶的網絡中提供無線服務，可以在任何地方用寬帶接入互

23、聯(lián)網（包括衛(wèi)星通信和平流層通信），能夠提供定位定時、數(shù)據采集、遠程控制等綜合功能。此外，第四代移動通信系統(tǒng)是集成多功能的寬帶移動通信系統(tǒng)，是寬帶接入IP系統(tǒng)。4G通信系統(tǒng)最主要的特征在于可提供高數(shù)據速率、大系統(tǒng)容量的無線通信業(yè)務。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] A.GoldSmith, wireless communica

24、tions [M]. New York: Cambridge University Press,2005.</p><p>　　[2] MAO Jian-lin，WU Zhi-ming, Optimal distributed resource allocation in a wireless sensor network for control sestems[J]《浙江大學學報A（英文版）》2007年1期-

25、</p><p>　　[3] 馬正飛，殷翔.《數(shù)學計算方法與軟件工程運用》[M]北學工業(yè)出版社，2002.9</p><p>　　[4] 鄭艷，高立群，李浚圣. Matlab仿真軟件在現(xiàn)代控制理論教學中的應用[J] 《沈陽教育學院學報》-2008年2期，</p><p>　　[5] 代光發(fā)，陳少平.快變衰弱信道的matlab仿真及應用，[J]《系統(tǒng)仿真學報》，

26、2005年1期．</p><p>　　[6] 楊大成等．移動傳播環(huán)境理論基礎、分析方法和建模技術[M]一北京：機械工業(yè)出版社，2003．</p><p>　　[7] 于春銳無線通信系統(tǒng)的信道建模與仿真研究. [D]，國防科學技術大學，2007</p><p>　　[8] 田期星．基于OFDM無線信道特性建模與仿真[D]，大連理工大學碩士學位論文，2008．5．

27、</p><p>　　[9] 宦若虹，金向東．無線通信系統(tǒng)的Madab仿真[J]．電子技術應用，2006．1．</p><p>　　[10] 王乾,基于MATLAB/SIMULINK的多載波無線通信系統(tǒng)仿真及性能分析[D],中國海洋大學,2007.</p><p>　　[11] 呂愛琴，田玉敏，朱明華．基于MatlAB的OFDM系統(tǒng)仿真及性能分析]J]．計算機仿&

28、lt;/p><p>　　2005．9 22(10).</p><p>　　[12] 李煜國, 多徑瑞利信道下OFDM信號的識別方法研究[D], 西安電子科技大學,2009.1</p><p>　　[13] 任晶秋，董琳，王秀芳，天線相關性對瑞利衰弱下的MIMO相關信道容量影響[J]《大慶石油學院學報》，2009年1期</p><p>　　[14]