通信信道的分类和建模

通信信道的分类和建模

1、AWGN信道

信道中仅含高斯噪声，噪声服从N（0，D(N)）的高斯分布，通信原理中一直都是在用这种信道来建模，从而分析信噪比误码率等，但是这种信道不实用，在无线通信环境中，是没有实用AWGN信道建模的。电信号在PCB电路板内传输的过程中的噪声可以看作是高斯白噪声，还有就是有线介质信道中的噪声。

2、衰落信道（无线移动通信信道）

1)--衰落的4种类型，以及无线通信信道的影响因素

衰落可以分为：平坦快衰落、 平坦慢衰落、 频率选择性快衰落、 频率选择性慢衰落。这里所谓的衰落是指 小尺度衰落 ，实际上无线通信信道的衰落包含了 路径损耗+阴影衰落（大尺度衰落） +小尺度衰落 。 下面讲的均是小尺度衰落。 【 路径损耗】与功率辐射和通信环境有关，比如下雨的雨水、空气等会对电波吸收或过滤，从而使功率减小，损耗模型一般有成熟的建模，具体可以参考其他书籍；【阴影衰落】是指电波在传输的过程中，发生散射，反射，受障碍阻挡/吸收造成信号的强度在接收机处衰减，这种衰减比较缓慢。 路径损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设计可消除这种不利影响。而小尺度衰落是不可避免的，需要其他技术来减少小尺度衰落的影响。比如，平坦快/慢衰落信道需要通过在发送符号时插入导频，在接收机采用信道估计技术来进行信道补偿（星座校正），频选快/慢信道需要信道估计、信道补偿、还需要进行信道均衡（抑制码间串扰ISI）。

2)--上面的四种信道的分类取决于符号周期（Ts）与tao、和Tc的关系

tao--最大时延拓展，即最后一条径和第一条径到达的时间差

fd  --最大多普勒频移，学过物理的都知道，当信号源（移动台/手机）相对于基站（接收者）运动的时候，接收者收到的信号的频率是跟信号源发出的是不一样的，信号源远离基站，基站接收到的信号频率会小于信源的频率（fr = fs - fd），反之，会高于信源频率(fr = fs + fd)。这个物理现象，就相当于你（接收机）在铁路边听火车（信号源）的汽笛，火车靠近的时候，你感觉越刺耳（因为频率增加了）；火车远离的时候，你感觉越不刺耳（因为频率被减弱了）。

Tc --相干时间，相干时间与移动台的运动有关，该参数表达的物理意义是：在Tc时间内，信道特性保持不变。并有以下关系：Tc = 1/fd

3)--符号周期Ts与tao的关系决定了信道是【平坦衰落】or【频率选择性衰落】

A、当Ts > tao的时候，呈现的是平坦衰落。此时，从时域看，没有符号间干扰ISI，因为符号发的时间间隔Ts要比最大时延要大，从而看起来起伏比较小；从频域看，信号带宽小于信道带宽，从而呈现比较平坦的衰减，平坦一词由此得来。

B、当Ts < tao的时候，呈现的的是频率选择性衰落。此时，从时域看，存在ISI，因为一个符号的多径还没完全接收完的时候，第二个符号发送出去了，会造成接收机在对第一个符号采样的时候，采到的是第1个符号+第2个符号叠加量，严重的话，还会接收到第3个符号的叠加，从而看起来起伏比较大；从频域看，此时信号带宽大于信道带宽，造成非线性失真（信号的有用信息通过信道后被剔除了一部分！）

4)--符号周期Ts与Tc的关系决定了信道的衰落特性随时间变化是【慢】or【快】

A、当Ts > Tc的时候，此时信道呈现的是快衰落，因为Tc表征的时候信道保持不变的时间，发送符号的间隔超过了它，当然会经历的是一半变，一半不变的情况，从而呈现出来的衰落看起来比较快，即在一段时间内衰落多次。

B、当Ts < Tc的时候，此时信道呈现的是慢衰落，情况与A中的相反

5)--结合3)和4)，运用排列组合，就可以得到1)中的四种衰落信道了。。

3、四种信道的建模，可统分2种情况建模

第一类：平坦快/慢衰落可以一起建模。 此时，多径可以等效为单径的影响，但是这个影响是时变的，因为运动台在移动嘛，衰减和引入的随机相位都随着时间变化而变化，等效为单径的理由是：平坦情况下，不存在ISI，和单径情况是一样的，单径也不存在ISI，因为单径压根就不存在时延拓展的概念。举个例子：一个人跑步，第一名是他，最后一名也是他，无论他跑多快多慢。此时有:

                                  y(t)~ = h(t)~ * x(t)~  + n(t)~

PS：注意以下几点

1）、“~”表示的是复包络（复数），即接收信号的复包络 = 信道的复包络 * 发送符号的复包络 + 噪声复包络

2）、由h(t)~中的“t”可知，信道的复包络是随时间变化的，即引入的相位、幅度（衰减）均随时间变化，表征了移动台的运动。

3）、从式子可以看出h(t)~是乘性干扰，n(t)~是加性干扰。

4）、这种情况下，接收机接收到的信号的幅度（强度）会服从瑞利分布，相位服从均匀分布。若多径中有一径是直射径，会呈现莱斯分布。这也就是为什么将平坦快/慢衰落信道可称为瑞利衰落信道（无直射径）、或莱斯衰落信道(有直射径)的原因。

5）、为什么说接收信号的总强度服从瑞利分布？答：实际中的发射机最后的射频调制都是通过IQ（正交）调制然后从天线发射出去实现的，I路的每一条多径相互独立，且服从同一分布，Q路的每一条多径同理。从概率论的知识可知，多个独立的服从同一分布的随机变量的和服从高斯分布，两个独立的服从高斯分布的随机变量的和服从瑞利分布。即，I路的和：sum(I)~高斯，Q路的和：sum(Q)~高斯，因此: sum(I) + sum(Q) ~ RayleighDistribution

6）、从另一个角度来说，这2种信道（平坦快/慢衰落）也可以建模成一个时变的FIR滤波器（各抽头系数随时间变化），表征的是线性时变系统。当移动台不运动或运动很慢的时候（fd 很小,Tc很大很大，Ts恒满足Ts < Tc）的时候，可以建模为时不变的FIR滤波器，表征的是线性时不变系统。

第二类：频选快/慢衰落可以一起建模。此时，多径影响不可以等效为单径，此时存在的ISI。此时，要考虑真正的多径。这类信道的建模我研究得还不是很有体会，有兴趣的同学可以一起探讨一下~~

         y(t)~ = 0

for (int l = 0, l

     {

 y(t)~ = y(t)~ + hl(t)~ * x(t)~  + n(t)~

     }

综上，我对于无线通信的信道建模的体会就是这么多，其实，信道的建模是一个研究方向，对于非专业研究信道建模的同学们，我们只需要大概了解就行了，在仿真中会运用，在理论上有个中等层次的理解就很好了。

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