Matlab在移動衰落信道中建模與仿真

虞湘賓 儲君雅

摘要：論文基于Matlab及其GUI環(huán)境設(shè)計并實現(xiàn)了一個移動衰落信道教學(xué)、演示和二次開發(fā)平臺。該平臺支持學(xué)生在不同場景下自主輸入各個信道特征參數(shù)，并基于諧波疊加方法產(chǎn)生空時相關(guān)的隨機過程，以期獲得各種多徑移動衰落信道。教學(xué)實踐表明，該平臺可以幫助學(xué)生多角度深入地理解移動衰落信道的本質(zhì)特征，為移動通信及其相關(guān)課程的學(xué)習(xí)奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：移動通信；衰落信道；諧波疊加法；仿真演示平臺

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）16-0265-03

《移動通信》是信息工程和電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要學(xué)科，在整個專業(yè)學(xué)科體系中處于承前啟后的關(guān)鍵地位。無線信道及信道建模是移動通訊傳輸技術(shù)的理論根柢。電磁波在傳輸過程中會受到自然環(huán)境中的各種阻礙，不能直接到達(dá)接收端，所以無線信道是一種相對惡劣的傳輸介質(zhì)。電磁波傳輸過程中經(jīng)過反射、繞射及散射作用，以不同角度在接收端迭加形成接收信號。小尺度衰落是移動通信中信號衰落的關(guān)鍵所在。小尺度衰落在衰減幅度較大的小范圍內(nèi)快速變化，反映了無線信道的復(fù)雜性與隨機性，支配著移動通信傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)機能。因此為了研發(fā)高質(zhì)量高效率的通信傳輸系統(tǒng)，必須深入探究移動信道衰落特性，構(gòu)造相應(yīng)的信道衰落模型，這也是移動通信課程知識體系中的一個重點內(nèi)容。但是，由于移動衰落信道比較抽象且理論性強，傳統(tǒng)板書教學(xué)枯燥且缺乏直觀性，學(xué)生難以理解掌握?；诖耍?jīng)過多次探索與嘗試，利用Matlab GUI設(shè)計并實現(xiàn)了一個移動衰落信道教學(xué)演示系統(tǒng)，用圖形的形式來直觀展示不同參數(shù)下信道的變化，使學(xué)生對信道衰落和信道特性的理解更加深入，獲得了良好的教學(xué)效果。

一、移動通信衰落信道的仿真模型

論文所設(shè)計的教學(xué)平臺假定路徑損耗、陰影衰落、多徑衰落三者之間互相獨立，由于路徑損耗變化相對緩慢，我們將多徑陰影衰落建模為一個統(tǒng)一的復(fù)合衰落，即：

基于上述分析和方法，我們可以針對不同的衰落信道，構(gòu)建相應(yīng)的仿真模型，可與實際的衰落信道相匹配。從而為下面的仿真演示平臺設(shè)計奠定良好的理論基礎(chǔ)。

三、教學(xué)演示平臺及案例分析

1.教學(xué)演示平臺。由于高效率的數(shù)值分析、矩陣計算與圖形化處理的能力，Matlab軟件已被廣泛用以輔助教學(xué)。利用Matlab GUI可視化工具開發(fā)的移動衰落信道教學(xué)演示平臺，如圖1，主要包括三大模塊：系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，信道參數(shù)選擇和衰落特性統(tǒng)計。該平臺支持學(xué)生手動選擇信道模型，輸入相應(yīng)的信道特征參數(shù)，然后學(xué)生可在輸出界面中直觀觀察信道衰落的各統(tǒng)計特性，從而對移動衰落信道有進(jìn)一步的認(rèn)識。

2.教學(xué)案例。為講解不同信道參數(shù)下的衰落特性，假設(shè)H11為瑞利信道，H12為萊斯信道，H21為Nakagami信道，H22表示Nakagami-Lognorm復(fù)合衰落信道。各支路最大多普勒頻率分別為10Hz，20Hz，25Hz，25Hz。

圖1給出了該平臺的各模塊分布。由于不同子信道的衰落均為隨機變化，所以學(xué)生需通過觀察不同衰落信道的統(tǒng)計分布，如圖2，進(jìn)而了解不同信道衰落類型的差異。

圖3根據(jù)各衰落模型的概率密度函數(shù)，利用Matlab中的hist指令對輸出信道包絡(luò)分布進(jìn)行統(tǒng)計，獲得不同衰落信道的統(tǒng)計分布。通過該Matlab平臺所顯示的仿真結(jié)果，學(xué)生不僅可以直觀的觀察不同信道參數(shù)下的各衰落信道的時域波形，而且可以通過觀察各信道的衰落統(tǒng)計分布來加深對移動衰落信道的理解。

圖4給出了各信道衰落的時間自相關(guān)特性。根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的定義，利用Matlab中的xcov工具獲取仿真結(jié)果。可見各信道的自相關(guān)系數(shù)均隨時間的增加而下降。由上述平臺及其仿真結(jié)果可以看出，圖形化的仿真結(jié)果，可以使原本抽象難以理解的理論知識變得生動，從而加深學(xué)生對該方面知識的理解。

四、結(jié)束語

移動衰落信道是一個多元時變隨機過程，理論性強，不容易被學(xué)生理解學(xué)習(xí)，是“移動通信”課程教學(xué)中的一個難點。本文基于Matlab GUI圖形化開發(fā)平臺，實現(xiàn)了移動衰落信道的教學(xué)演示系統(tǒng)，將信道衰落的相關(guān)特性通過圖形的形式直觀地展示給學(xué)生，讓學(xué)生了解移動衰落信道的特性，從而可以更加深入的理解移動通信的本質(zhì)，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)移動通信及其相關(guān)知識奠定理論基礎(chǔ)。

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