無線通信系統(tǒng)物理層仿真綜述【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)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(yīng)用以及瑞利衰落信道在無線通信系統(tǒng)中如何克服，同時(shí)介紹了OFDM無線信道的原理和應(yīng)用。<

2、;/p><p>　　關(guān)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(hào)傳播環(huán)境的統(tǒng)計(jì)模型。這種模型假設(shè)信號(hào)通過無線信道之后，其信號(hào)幅度是隨機(jī)的，即“衰落”，并且其包絡(luò)服從瑞利分布，這一信道模型能夠描述由電離層和對(duì)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(jīng)過反射折射散射等多條路徑傳播到達(dá)接收機(jī)后， 總信號(hào)的強(qiáng)度服從瑞利分布。 同時(shí)由于接收機(jī)的移動(dòng)及其他原因， 信號(hào)強(qiáng)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(hào)中除了經(jīng)反射折射散射等來的信號(hào)外， 還有從發(fā)射機(jī)直接到達(dá)接收機(jī) （如從衛(wèi)星直接到達(dá)地面接收機(jī)）的信號(hào)，那么總信號(hào)的強(qiáng)度服從分布萊斯， 則稱為萊斯衰落。</

4、p><p>　　文獻(xiàn)[1]中也提到蜂窩中的信號(hào)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(hào)沒有被障礙物阻塞，信號(hào)的能量會(huì)一直向四面八方輻射。由于隨機(jī)信號(hào)的變更，一個(gè)呼叫同樣會(huì)被放棄如果移動(dòng)物體和它的基站之間的信號(hào)強(qiáng)度低于通訊所需的最小閾值。就是說一個(gè)信號(hào)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(huì)使信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)?，信?hào)幅度變得有高有低，如果低于信號(hào)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(xiàn)[2]主要講述無線信道的布置和無線傳感器的運(yùn)用，同時(shí)為更好的分配通信頻帶，提供數(shù)學(xué)演算，為減少信號(hào)削弱提出了比較好的網(wǎng)絡(luò)布置設(shè)計(jì)。</p><p>　　二、Matlab仿真的概念</p><p>　　MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可

6、視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)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(xué)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的一種教學(xué)軟件，具有易上手和強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，特別是矩陣的計(jì)算、應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、線性規(guī)劃計(jì)算用matlab很方便。MATLAB主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，

7、為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)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(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。</p><p>　　文獻(xiàn)[3]著重說明了matlab軟件的基礎(chǔ)使用方法法和及功能介紹，講述了如何利用數(shù)學(xué)工具軟件來做數(shù)學(xué)。同時(shí)介紹了其它集中數(shù)學(xué)軟件如mathematica、maple等工具軟件，并介紹了幾種工具

8、軟件的特點(diǎn)功能，分析比較后著重講述了matlab相對(duì)于其它數(shù)學(xué)軟件的優(yōu)勢(shì)，matlab具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力與符號(hào)運(yùn)算功能。并在書中指出了matlab在數(shù)學(xué)工作中的重大作用，為數(shù)學(xué)教學(xué)研究帶來很大的便利。</p><p>　　MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。而matlab在這些領(lǐng)域中的運(yùn)用既是matlab仿真。文獻(xiàn)[4

9、]以實(shí)例介紹了MATLAB仿真軟件在現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)中的應(yīng)用.為適應(yīng)新形勢(shì)下現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué),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(xué)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(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的認(rèn)識(shí)和理解，也培養(yǎng)了學(xué)生系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的能力。</p><p>　　三、Matlab仿真在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用</p>

10、<p>　　當(dāng)在實(shí)際電子通信系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)研究比較困難或更本無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，仿真技術(shù)就成為必然選擇。信息技術(shù)的快速發(fā)展, 使得通信系統(tǒng)在性能不斷提高的同時(shí)也變得越來越復(fù)雜。 正因?yàn)槿绱? 采用傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的日子一去不復(fù)返, 而由于計(jì)算機(jī)仿真方法的廉價(jià)性、高效性和靈活性, 使其成為了通信系統(tǒng)中的主要設(shè)計(jì)和分析手段之一。 另一方面, 計(jì)算機(jī)仿真更是進(jìn)行通信與網(wǎng)絡(luò)等科研工作時(shí)所必備的工具。matlab仿真就是是

11、無線通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中常用的一種仿真技術(shù)。</p><p>　　文獻(xiàn)[5]指出研究信道的快變衰落特性及其仿真實(shí)現(xiàn)方法對(duì)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)速度更快 信道的快變特性更加明顯。同時(shí)研究了基于時(shí)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(shí)現(xiàn)過程 給出了仿真結(jié)果，該方法具有計(jì)算量小和實(shí)現(xiàn)容易的

12、優(yōu)點(diǎn)，還分析了快變信道對(duì)正交頻分復(fù)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(shè)計(jì)與性能優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　Matlab仿真在無線通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)運(yùn)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(guān)系或相互關(guān)系的過程都屬于建模。圖描述的關(guān)系各異，所以實(shí)現(xiàn)這一過程的手段和方法也是多種多樣的。可以通過對(duì)系統(tǒng)本身運(yùn)動(dòng)規(guī)律的

13、分析，根據(jù)事物的機(jī)理來建模;也可以通過對(duì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的處理,并根據(jù)關(guān)于系統(tǒng)的已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來建模。</p><p>　　文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[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(diǎn)分析了對(duì)基帶信號(hào)處理有重要影響的小尺度衰落模型：研究了通信信號(hào)的復(fù)數(shù)表示方法，并結(jié)合無線信道的特點(diǎn)，討論了信道的基帶沖激響應(yīng)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(diǎn)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(yàn)證。</p><p>　　四、基于Matlab仿真的OFDM系統(tǒng)</p><p>　　OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其原理是將高速的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為低速的并行數(shù)據(jù)流，再將這些并行數(shù)據(jù)調(diào)制在相互正交的子載波上，實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　文獻(xiàn)[8]主要是本文主要是對(duì)OFDM系統(tǒng)無線信

15、道特性進(jìn)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(chǔ)上，分析了無線信道傳播特性，建立了各種衰落信道的結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了無線信道抽頭延遲線模型和Jakes仿真模型。(2)對(duì)路徑損耗信道模型進(jìn)行了分析，比較了各模型的特點(diǎn)，仿真分析了模型誤差，提出了各種模型的適用環(huán)境。對(duì)0FDM系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過比較加保護(hù)間隔和不加保護(hù)間隔系統(tǒng)的誤碼率，給出OFDM具有獨(dú)特的抗多徑衰落特性。</p><p>　　文獻(xiàn)

16、[9]和文獻(xiàn)[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(tái)，并在此平臺(tái)上對(duì)OFDM的子載波調(diào)制方式、信道估計(jì)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(shù)是現(xiàn)今最受關(guān)注的技術(shù)之一。</p><p>　　文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12] 首先簡要介紹了OFDM基本原理, 重點(diǎn)研究了理想同步情況下,保護(hù)時(shí)隙( CP) 和不同的信道估計(jì)方法在高斯信道和多徑瑞利衰落信道下對(duì)OFDM系統(tǒng)

17、性能的影響。在給出OFDM系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上, 用MATLAB語言實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真并給出參考設(shè)計(jì)程序。最后給出在不同的信道條件下,保護(hù)時(shí)隙、信道估計(jì)方法對(duì)OFDM 系統(tǒng)誤碼率影響的比較曲線, 得出了較理想的結(jié)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(hào)通過不同的路徑被發(fā)送出去，在

18、接收機(jī)端可以獲得數(shù)據(jù)符號(hào)多個(gè)獨(dú)立衰落的復(fù)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(hào)通過n個(gè)不同的路徑。如果各個(gè)天線之間的衰落是獨(dú)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(duì)于發(fā)射分集技術(shù)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(gè)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(duì)之間的路徑增益是獨(dú)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(shí)對(duì)于m根發(fā)射天線n根接收天線，并且天線對(duì)之間是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落的。</p><p>　　文獻(xiàn)[13][14] 指出信道模型對(duì)于評(píng)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(chǔ)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(guān)矩陣，然后導(dǎo)出MIMO協(xié)方差矩陣，最后

20、產(chǎn)生符合要求的信道增益矩陣。這一方法對(duì)于進(jìn)行MIMO系統(tǒng)性能的分析和仿真是很有用的。</p><p>　　文獻(xiàn)[15]提出 MIMO．OFDM技術(shù)將OFDM與空時(shí)編碼技術(shù)有機(jī)的結(jié)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(dòng)無線信道衰落特性的基礎(chǔ)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(fù)用(OFDM)系統(tǒng)

21、幾種常見的信道估計(jì)方法。最后在LS頻域信道估計(jì)的基礎(chǔ)上提出了一種新的改進(jìn)算法：分組LS頻域信道估計(jì)算法，并結(jié)合MATLAB仿真對(duì)其原理、性能和實(shí)用性等進(jìn)行了詳細(xì)的分析。</p><p>　　六、下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)</p><p>　　無線移動(dòng)通信自誕生以來，其發(fā)展速度令人驚嘆。經(jīng)歷第二代和第三代移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)(4G)的研究工作已經(jīng)開始展開。第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)就是OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)，4G（第四代移動(dòng)通信技術(shù))的概念可稱為寬帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對(duì)稱的超過2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。它包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網(wǎng)、移動(dòng)寬帶系統(tǒng)和交互式廣播網(wǎng)絡(luò)。 第四代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)比第三代標(biāo)準(zhǔn)具有更多的功能。第四代移動(dòng)通信可以在不同的固定、無線平臺(tái)和跨越不同的頻帶的網(wǎng)絡(luò)中提供無線服務(wù)，可以在任何地方用寬帶接入互

23、聯(lián)網(wǎng)（包括衛(wèi)星通信和平流層通信），能夠提供定位定時(shí)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等綜合功能。此外，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)是集成多功能的寬帶移動(dòng)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(jù)速率、大系統(tǒng)容量的無線通信業(yè)務(wù)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] A.GoldSmith, wireless communica

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