nakagami衰落信道的仿真方法研究

v:* {behavior:url(#default#VML);} o:* {behavior:url(#default#VML);} w:* {behavior:url(#default#VML);} .shape {behavior:url(#default#VML);} 摘要 随着无线通信系统的高速发展，无线通信系统的性能在很大程度上取决于无线信道，使得人们的生活更加的方便快捷。无线信道不像有线信道那样固定并可预测，而是具有极大的随机性，分析难度较大。一般来说，多路信号到达接收机的时间有先有后，即有相对时（间）延（迟）。 如果这些相对时延远小于一个符号的时间，则可以认为多路信号几乎是同时到达接收机的。移动通信中信号随接受机与发射机之间的距离不断变化即产生了衰落。 本文将主要研究Nakagami衰落信道模型，对比性的研究高斯衰落模型、瑞利衰落模型、莱斯衰落信道模型概率统计密度图象。Nakagami分布的m路同分布瑞利支路的MRC分集合并的信噪比服从Gamma分布，说明其合成信号的幅度服从Nakagami-m分布。 时，Nakagami-m分布变成单侧高斯分布； 时，Nakagami-m分布为瑞利分布。对于较大的 值，Nakagami-m分布和莱斯形状相近。 本文基于MATLAB在通信领域的仿真技术，通过对比分析上述上述四种衰落信道特性，研究信号在各信道中传输存在的多径衰落因素的影响。全面的分析Nakagami的一阶和二阶统计特性，Nakagami分布的特点是具有可调参数m，选择不同的m对应不同的分布，Nakagami分布应用较为广泛。 关键词：无线通信系统；衰落；Nakagami；概率统计；一阶统计；二阶统计 论文研究的背景 随着无线通信系统的高速发展，无线通信系统的性能在很大程度上取决于无线信道，使得人们的生活更加的方便快捷。无线信道不像有线信道那样固定并可预测，而是具有极大的随机性，分析难度较大。一般来说，多路信号到达接收机的时间有先有后，即有相对时（间）延（迟）。 如果这些相对时延远小于一个符号的时间，则可以认为多路信号几乎是同时到达接收机的。 这种情况下多径不会造成符号间的干扰。这种衰落称为平坦衰落，因为这种信道的频率响应在所用的频段内是平坦的。 移动通信中信号随接受机与发射机之间的距离不断变化即产生了衰落。其中，信号强度曲线的中直呈现慢速变化，称为慢衰落；曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。可见快衰落与慢衰落并不是两个独立的衰落（虽然他们的产生原因不同），快衰落反映的是瞬时值，慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中值。 本文将主要研究高斯衰落模型、瑞利衰落模型、莱斯衰落信道模型以及Nakagami衰落信道模型，深刻的学习与研究基于MATLAB在通信领域的仿真技术。通过对比分析上述上述四种衰落信道特性，综合对比分析四种信道衰落模型，研究信号在各信道中传输存在的多径衰落因素的影响，从而有效利用随机衰落和可能存在的多径传播来提高传输性能，提高系统的性能。 在通信技术，特别是移动通信技术迅速发展的同时，传输技术随着新的通信频率的采用及传输环境的变化，也面临许多新的问题，问题之一是需要进一步加强对无线信道特性深刻而全面的认识及利用。无线信道是指发射机和接收机之间存在的传送无线电信号的物理介质。对于现实的无线通信而言，无线信道可以用线性时变系统来足够精确地描述。对于现实的无线通信而言，无线信道与恒定参数信道（如光纤、同轴电缆、传输线信道等）相比，它的一个明显的特点是信道参数的随机性和时变性。而与移动通信密切相连的移动无线信道，，由于存在多径传输和多普勒（Doppler）频移，使得信道具有明显的衰落特性，即信号经过移动无线信道传输时，可能会出现剧烈的幅度变化、码间干扰及载频偏移，致使通信系统的性能明显下降。因此移动无线信道又经常被称为衰落信道。而衰落信道的复杂特性导致了对衰落信道的分析方法的复杂系性。 衰落信道的特点就是传输过程中的空时随机性，这种随机性表现在既可能是在同一个接收地点接收到的信号随时间随机地变化，也可能是在同一个时间点上，随着接收地点的微小变化而接受到的信号强度随机地变化，即信号传输过程中存在时间和空间两方面的衰落。如果衰落对调制波的各个频谱分量的衰减是相同的，这种衰落称为非频率选择性衰落或平衰落。如果衰落对各个频谱分量的衰减岁频率不同而不同，则称之为频率选择性衰落。总之，无线信道的衰落特性可以看成信道的传输系数的随机变化，由于这种变化可能是十分激烈的，导致无线通信的可靠性要大大的低于有线通信。 1.2.MATLAB仿真平台简介 本论文主要借助于MATLAB/Simulnik仿真平台，依靠其强大的数据处理能力和仿真实现功能，完成对Nakagami衰落信道一阶、二阶统计特性。MATLAB是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。 ?????? MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。 ?????? 本文借助于MATLAB来进行软件平台的仿真，从分利用MATLAB集成的仿真模块和自定义M脚本文件，完成对高斯衰落信道、瑞利衰落信道、莱斯衰落信道、Nakagami衰落信道的概率密度仿真，对比各个衰落信道的关系，进而分析Nakagami衰落信道的一阶和二阶统计特性。 1.3.信道的基本含义 一般意义上来讲，信道表示从倍源到信宿之间的所有设备。信道模型是用数学语言或算法规则描述信道模块的转化关系。通常这种描述并不是基于内在的物理联系，而是根据对外在(经验)观察的拟合。在具体实践中，信道模型涉及两种截然不同的实体。一方面是单纯的物理媒质，这种媒质可以是自由空间(只是一种理想状况)、大气、电缆、波导或光纤等。通常，这种定义下的信道无疑包括了一定的其他物理条件或几何限定条件，而这些限定条件对于发射端和接收消之间的有效传导功能具有重大意义。其中的一些限定条件包括了载波频率、带宽和物理环境等。由于“大气”或。无线”倍迟依赖于各种控制因家的不同组合，因此可能有多种不同的描述方法。另一方面，无线中继或移动系统工作于产生多个路径的环境，这种环境恰好可作为一个“多径”信道来描述。本章将对常用的一些倍道进行建模和仿真，包括高斯白噪声信道、瑞利衰落信道、莱斯衰落信道。 移动通信是现代通信中不可缺少的组成部分。SNR是数据通信的一个重要指标，与误 码率有直接的对应关系，可表征通信链路的性能与硬件电路设计的好坏。本文将根据几种衰落信道下数据传输性能的研究，对比分析数据分别在高斯衰落信道、瑞利衰落信道、莱斯衰落信道传输过程中的SNR关系曲线图。基于MATLAB下的SIMULINK仿真技术在通信领域被广泛应用，本文将通过SIMULINK仿真技术，更加直观、全面的了解传输SNR的变化情况。