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无线信道是无线通信系统的研究基础。随着移动通信技术的不断发展、需求的增大使得无线信道模型的建模与研究面临着挑战。国内国际上,许多研究都围绕着信道模型与建模技术来展开,并取得了很多具有参考价值的成果和结论。比如,有文献将无线信道模型的研究应用到煤矿井的特定场景中,有文献将移动信道的建模技术应用于航空信道模型中,有文献讨论了无人机通信信道的统计模型,对无人机通信信道的建模与研究具有一定的参考价值。这些有关无线通信信道的研究均对无线通信系统和通信的应用带来良好的影响和推动作用。
而移动通信发展中的焦点问题,始终都是围绕着如何来提高通信系统中的通信容量和质量来展开的。为解决这一问题所采用的基本措施,无疑都与无线通信信道的研究有着必然的联系。于是,本文的工作是以高速移动场景下低空通信的无线信道模型为依托,重点分析了该信道的特性以及进行一些研究和相应的仿真。
无线电波在收发信机之间历经空间、时间等多种变化,故移动通信的无线信道是一种空间不断变化的时变信道,具有空时域特性。由这个意义出发,也就是说,只要掌握了信道传播的空时域特性,就有可能在有限的频谱资源上传递大通信容量、高质量的信息。而从现有的一些实验与研究结果来看,信号的多径传播导致接收到的信号多径簇群的形式出现,多径簇现象已经在众多场合的测量实验中得到证实。比如,在文献[4]里提到由方向性信道模型的处理方法中,最重要的处理方法是引入了多径分量簇的概念以及给出多径分量簇的结构示意;而有文献在理论上分析了“多径分量簇—闪烁点簇”的传播特性,并给出了基于单个“多径分量簇—闪烁点簇”问题的描述;有文献讨论了多径分量簇这个概念的定义和归纳总结,并指出基于多径簇信道的建模的可行性。因此,从空时域特性出发,针对多径簇传播特性的分析与研究就有了基础的意义。另外,在通信信道建模领域中,这是目前比较新颖且可行的一种方法。
多径分量簇概念的引入方便了无线信道的建模工作的展开,因为它将统计性模型与确定性模型进行归一化描述;某种程度上统一了实际信道与信道模型;利于实现平坦衰落信道与频率选择性衰落信道模型的统一;利于对信道极化域特性的描述;给智能天线系统方面的研究提供了相关基础等。由此分析,多径簇定义的引入能够充分描述信号的真实传播过程,简化了信道的建模,提高了仿真的精度。于是,本文在此基础上,由无线移动通信信道中的电波传播的物理机制出发,针对多径簇的定义对空时信道模型进行了描述,提出了一种由散射引起的多径信道中基于多径分量簇的空时域传播模型。并在该模型中考虑了在高速移动场景下的多普勒效应。从而在假定基站的辐射满足高斯散射密度分布的情况下,对该信道进行相应的分析与仿真。
本文的主要内容,首先是简要介绍研究背景——无线移动通信,概述了无线信道的特性、电磁波的传播机制和物理特性、确定性信道模型与统计性信道模型的描述与建模方法等,然后介绍有关多径簇的定义概念、分析方法、处理方式等。接着就是讨论本文的核心——在高速运动的场景下基于多径簇无线信道模型的研究和分析。通过对信道参数(包含信号的来波角、到达时延和多普勒频移等)的描述以及针对发射区域满足高斯散射密度分布的情况下,对来波角的概率密度函数、来波角的功率分布函数、多普勒频移的功率分布函数进行了MATLAB仿真。并根据仿真得到的数据、仿真图形进行分析,给出结论。文章的最后还延伸讨论了,在高速运动场景下且含有多个多径簇的信道模型中,根据离散状态的连续时间的马尔科夫链的概念,简单描述了有关无线通信信道模型中多径路径的生灭规律问题。并在假定信道模型中来波信号的出生率及死亡率的情况下,对已得到的功率分布函数进行仿真和比较。
本文仿真和研究结果表明:在多径簇中的闪烁点分布满足高斯分布的情形下,接收信号的来波角的概率密度曲线关于中心角对称,呈正态分布,表现为随着参数值大小的变化,该曲线会相应地伸缩变形;来波角的功率分布函数曲线类似于钟形曲线,越大的角度偏差导致越大的功率衰减幅度;多普勒频移的功率分布曲线则表现为,随着多普勒频移的增大呈递减趋势,越大的频率偏差导致越大的功率衰减幅度。而对于考虑了信道中来波信号的生灭规律的情况,仿真结果表明,随着出生率与死亡率的不同,有关信号的来波角的功率分布函数和多普勒分布函数均产生相应的变化,但是大致的分布曲线的形状和规律不变。这样的仿真曲线图能够很好地反映出实际情况,比较符合预期的结果。
作为对有关无线移动通信信道模型的进一步思考,本文有望适用于多种通信场景下,具有一定的理论和参考价值。