窄带快衰落和莱斯分布的统计模型及仿真

时间：2023-06-20 理论教育 版权反馈

【摘要】：在参考文献［Kunn02］中，考虑了具有莱斯分布包络的快衰落的统计模型和仿真以及期望的时间、空间和频谱的关联。模拟的快衰落信道增益包括一个确定的直接部分加上一个高斯部分，因此，具有莱斯分布包络。产生的莱斯衰落信道增益的数量是由子载波数量、发射天线数量、接收天线数量之间的乘积给出的。最终，改变序列以达到要求的信道抽样速率。

窄带快衰落和莱斯分布的统计模型及仿真

由于多径信道特性导致的接收信号在大约几个波长的距离或者短时间上的快速变化，即:到达波的振幅和相位的变化被称为是小规模衰落或快衰落。从全局上看，接收信号幅度是由依赖距离的路径损耗值与长期或短期衰落效应的叠加所描述的。

快衰落是由于从不同路径到达的波，即从位于传播环境中的不同散射体上到达的波的路径长度不同所引起的。这些不同导致了显著的相位差。

在窄带情况下，与系统分辨率相比，所有的辐射实质上都是同时到达的;因此，接收信号振幅的短期变化可以由视距元件（如果存在的话）加上几个反射路径和/或折射路径和表示。这通常依靠视距路径的存在与否，被描述为瑞利或莱斯分布（见参考文献［Pars92］）。

在视距（莱斯）情况下，视距路径的功率与反射/折射路径功率的比值通常被定义为莱斯因子K。应该注意到K的值是通信链路性能的有用的测量值，它的正确估计对得到精确的信道特征是十分重要的（见参考文献［Corr01］）。

当慢衰落效应被建模为一个对数正态分布时，瑞利衰落通常用来建模快衰落效应，整体信号分布可以建模为Suzuki分布（见参考文献［Pars92］）。

一般认为长期衰落效应和短期衰落效应可以分别建模。在参考文献［Ande02］中表明，在MT移动时长期衰落效应通常不是由阴影效应造成的，而是由散射体之间耦合的缓慢变化引起的。这意味着由于长期衰落效应起源于相同的散射体，长期衰落效应与短期衰落效应一样不可预测。在环境发生重大变化时阴影效应将同样存在。

参考文献［Ande02］中提出了一个利用多重散射的新模型，将总体衰落中的传统部分替换为一个缓慢的对数正态和一个快的瑞利部分。其物理基础是散射体之间的前向散射模型，这个模型介绍了多重散射波并定义了一个新的转移函数H。这个函数包含了一小部分项数的和，每一项是复杂高斯分布的一个多重产物。

H=K+H₁+αH₂H₃+βH₄H₅H₆+…（4.10）

式中，H_i是复杂的独立高斯变量（瑞利分布）;K是与莱斯因子有关的常量。

参量K、α和β是通过在测量中最小化均方误差得到的。

参考文献［EFLR97］在以前就已经将双衰落描述为级联瑞利衰落，并且表明功率s的概率密度可以通过下式给出:

式中，K₀是第二类零阶修正贝塞尔函数。

接着给出了累积的分布函数

式中，K₁为第二类一阶修正贝塞尔函数。

这种分布的优势是它对长期衰落的起源的洞悉，而它的缺点是除特殊情况（如:瑞利衰弱路径的二重积）外，不能对接收功率的PDF给出一个简单的分析函数。

这种新的模型可以在形状上类似Suzuki分布，但是它有不同的解释。对数正态（适用于Suzuki）分布通常被解释为一个阴影函数，阴影效应取决于当地环境，并将影响当地的均值。提出的这种分布对整个环境的单反射有一个常量平均功率，总功率的均值变化是由MT运动引起的散射体之间的缓慢散射变化所造成的。因此，没有任何必要通过阴影论证来解释快衰落。从分布拟合得到的参数可能被解释为揭示了传播机制。根据参考文献［Ande02］，长期衰落与短期衰落一样，源于相同的随机原理。

短期衰落可以利用光线追踪或者统计学的方法通过模拟得到（见参考文献［TLVD01］，［Kunn02］）。在统计学模型中，衰落过程被给予了预先定义的特征。此外，统计方法可以使短期衰落的简单模型在时域和频域都能应用。在特定场域下，射线跟踪方法是用数值表示的深度调查技术。(www.daowen.com)

由于对多径环境中接收信号平均水平和方差的了解是设计一个无线通信系统的基础，如果不同的技术都适用于估计这些变化，就应该对这些技术进行适当的评估。从参考文献［ThYo03］的工作中，可以看出，射线跟踪技术可以在保证平均信号水平和均值方差的足够精确度的前提下进行估计，因此，至少在室内环境，可以利用它估计统计信息。

能够计算接收信号的平均功率和局部统计量的能力导致了获得特定场域信道模型的可能性，这能说明一个区域内不同位置的信道变化。此外，从一端利用射线跟踪技术得到的多普勒频谱开始，有可能估计另一端的局部区域的信号统计量。因为它本质上降低了局部统计量计算时间，这种可能性有很重要的实用性。

这种技术的一种替换技术是统计模型方法。在参考文献［Kunn02］中，考虑了具有莱斯分布包络的快衰落的统计模型和仿真以及期望的时间、空间和频谱的关联。提出的模型适用于MIMO多载波系统的仿真。模拟的快衰落信道增益包括一个确定的直接部分加上一个高斯部分，因此，具有莱斯分布包络。提出的快衰落仿真器结构同样使经典抽头延迟线模型的时变抽头权重的产生成为可能。

产生的莱斯衰落信道增益的数量是由子载波数量、发射天线数量、接收天线数量之间的乘积给出的。就仿真结构而言，一个噪声发生器输出不相关复杂高斯白噪声序列，并提供给有相同脉冲响应的并行时间相关整形滤波器。具有期望的时间相关性的不相关输出序列被输入一个为每一个不相关样本集运行的空间频率相关转换。具有期望的时间、空间和频谱相关性的复杂高斯样本被累加到代表直流分量的复杂样本上。最终，改变序列以达到要求的信道抽样速率。

最近，由于存在达到高信息理论容量的可能性，MIMO系统受到了广泛的关注。作为这些技术的核心，为开发传播信道的多径丰富性，在基站和MT端都采用了多单元天线。达到这个目的的一个方法是在基站和MT端分离天线单元，因此可以得到大的分集数量级。这要求在基站端天线间距达到10个波长，而在MT端达到一个波长。在基站采用多单元天线没有引起显著的问题，但是在MT端容纳更多的天线却对实际实施引入了一些限制。

就这一点而言，电磁矢量传感器（Electromagnetic Vector Sensor，EVS）可以展开作为一个小型的MIMO接收天线，它有能力在空间中的某一点测量6个时变电场和磁场，如图4.35所示。尽管EVS已经广泛用于侧向应用（见参考文献［NePa94］，［WoZo00］），近来的结果显示EVS可以应用于移动通信系统，在那里极化分集的应用可以提供相对通用双极化系统的容量的改进（见参考文献［AnMd01］）。