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摘要1第一章 问题重述 51.1 背景介绍 51.1.1 基本模型 51.1.2 无线信道估计 61.2 研究问题 7第二章 名词解释、符号说明与基本假设 92
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研
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究
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生
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数
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学
学
建
建
模
模
竞
竞
赛
赛
题 目
无线通信中的快时变信道建模
摘 要:
高速移动环境下,无线通信信道的通信性能会受到严重影响。本文针对无
线通信中的快时变信道,采用了基扩展模型(CE-BEM、DPS-BEM)进行信道
参数模拟,并用经过改进的 Jakes 瑞利衰落信道模型进行信道衰落的仿真。最
后,在考虑加性高斯白噪声的情况下,进行输入信号的数字调制及解调模拟,
并研究信噪比(SNR)与误比特率(BER)之间的关系。具体完成工作如下:
针对问题一:以一个传输符号块为研究对象,依据基扩展原理,采用复指
数基扩展模型(CE-BEM)与椭球基扩展模型(DPS-BEM),依据信道参数的部
分实测信号,对整体数据进行拟合预测,并对两种模型进行准确度计算和复杂
度量化。基于准确度和复杂度的考虑,对比评价了两种模型的优劣,给出了兼
顾精确性与高效性的模型参数。
针对问题二:首先,利用问题一中已建的两种基扩展信道模型,考虑了相
对速度引起的多普勒频移,完成了运动速度对所建模型准确度影响规律的研究。
其次,基于经典的 Jakes 瑞利衰落信道方法,在考虑多径延迟和衰减增益的情
况下,建立了改进的 Jakes 瑞利衰落信道模型,并分析了所建信道仿真模型的
相互独立性,以及幅度与相位的统计特性。利用所建的信道模型产生仿真数据,
验证了问题一中所建模型在减少测试数据方面的效果。
针对问题三:选用 OFDM 系统来进行研究实际信道受噪声影响的情况。依
据 QAM 调制与解调原理,使用 Matlab 中的相关函数生成符合调制要求的随机
数据流作为输入信号,信道数据采用附件中不同终端移动速度下的实测数据。
在每个传输数据块内添加 AWGN 噪声信号,其信噪比(SNR)取值范围从 0 到
40 dB。假定导频信号为梳状分簇插入方式,同时结合问题一中建立的 DPS-BEM
1
信道数据预测模型,分别使用 LS 与 LSMME 两种信道估计算法,研究了终端
移动速度为 90km/h、180km/h、270km/h、450km/h 时,信噪比(SNR)与误比
特率(BER)之间的关系。
关键词
:无线通信;快时变信道;基扩展模型;信道仿真;数字调制与解调
2
目 录
摘 要 ..........................................................................................................................1
第一章 问题重述 ........................................................................................................5
1.1 背景介绍 .........................................................................................................5
1.1.1 基本模型 ................................................................................................................5
1.1.2 无线信
道估计 ........................................................................................................6
1.2 研究问题 .........................................................................................................7
第二章 名词解释、符号说明与基本假设 ................................................................9
2.1 名词解释 .........................................................................................................9
2.2 符号说明 .........................................................................................................9
2.3 基本假设 .......................................................................................................10
第三章 问题分析 ......................................................................................................11
3.1 问题一分析 ...................................................................................................11
3.2 问题二分析 ...................................................................................................11
3.3 问题三分析 ...................................................................................................12
第四章 快时变信道参数预测模型建立及评价 ......................................................13
4.1 CE-BEM 模型建立及评价 ...........................................................................13
4.1.1 模型建立 ..............................................................................................................13
4.1.2 模型评
价 ..............................................................................................................14
4.2 DPS-BEM 模型建立及评价 .........................................................................16
4.2.1 模型建立 ..............................................................................................................16
4.2.2 模型评
价 ..............................................................................................................17
4.3 CE-BEM 模型与 DPS-BEM 模型对比分析 ................................................19
4.3.1 准确度对比分析 ..................................................................................................19
4.3.2 算法复
杂度对比分析 ..........................................................................................20
第五章 运动速度影响研究及多径快时变信道仿真 ..............................................21
5.1 运动速度影响研究 .......................................................................................21
5.2 多径快时变信道数据仿真 ...........................................................................22
5.2.1 常用经典信道仿真模型 ......................................................................................22
5.2.2 多径快
时变信道仿真模型 ..................................................................................23
5.2.3 信道数
据仿真结果 ..............................................................................................24
5.2.4 采用信
道仿真数据验证 DPS-BEM 模型的准确度 ...........................................28
第六章 基于 DPS-BEM 模型的 SNR 与 BER 关系研究 ..............................................30
6.1 OFDM 数据传输系统 ...................................................................................30
6.1.1 OFDM 数据传输系统模型 ..................................................................................30
6.1.2 OFDM 调制与解调 ..............................................................................................31
6.1.3 基于 DPS-BEM 模型的 OFDM 系统 .................................................................31
6.1.4 插入导
频结构 ......................................................................................................32
6.1.5 信道估
计的数据模型 ..........................................................................................32
6.2 SNR 与 BER 关系分析研究 .........................................................................33
6.2.1 LS 与 LSMME 估计算法优缺点 .........................................................................34
3
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第一章 问题重述
1.1 背景介绍
1.1.1 基本模型
宽带移动通信传输正在改变着人们的生活,更为快速和准确的传递信息是其
基本需求。据预测,到 2020 年,数以千亿的“物”,包括汽车、计量表、医疗设
备和家电等都将连入移动通信网络,人们的移动数字生活也将更加美好。由于移
动通信网络连接环境复杂多变,对实现高速宽带数据传递提出了更高的要求和挑
战。例如,高速铁路和高速公路的开通和应用,使未来移动通信系统面临高速移
动环境,而在高速移动环境下,无线通信信道会发生快速变化,若不能适应这种
变化,通信系统性能将会受到严重影响,极大降低信息传输的速度和质量。分析
现有通信模型的不足,建立新的数学模型,对提升信道容量、增加信息传输速率
和降低误码率会有很好的促进作用。
在通信系统中,发送端通过信道传输信号到接收端,在传输过程中,不可避
免地要引入干扰噪声。接收端对包含噪声的信号进行合理解码,得到正确的信息,
完成信息传输过程,原理用图 1.1 表示。
传输信道 H
Y X
收端信号
噪声 W
发端信号
图1.1
通信基本模型示意图
通信过程的数学模型可以表示为:
WXHY
(1-1)
从式(1-1)可以看出,在已知接收端信号 Y 的情况下,要得知发送端的信
号 X,还需要知道信道变量 H 和噪声 W 的统计特征。W 可视为加性高斯白噪声
AWGN(Additive White Gaussian Noise),因此问题的关键就是对 H 规律的探索。
在无线信道中,发送和接收之间通常存在多于一条的信号传播路径。多径的
存在是因为发射机和接收机之间建筑物和其他物体的反射、绕射、散射等引起的,
其传播特征如图 1.2 所示。
图1.2 无线信道传播特征
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XU美伢
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