CN115396054B - 一种多径衰落信道模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信领域，具体涉及一种多径衰落信道模型构建方法。方法包括：获取原始信号参数；计算多普勒扩展点数；配置单径信道参数；扩展类型为纯多普勒时，进行频移处理，其余类型生成多普勒功率谱；将多普勒功率谱分为两路并乘以高斯噪声；通过逆傅里叶变换转化为时域；再将多普勒扩展信息变采样至点数与信号点数一致；多普勒扩展类型为莱斯多普勒扩展时，进行莱斯通道处理；该径信道参数设置的衰减值改变单径的功率值；通信信号则根据每径信道设置的时延添加时延点数与补偿点数；雷达信号则添加时延点数并截取信号；存储单径信息存储；时域上叠加多条产生的信道；输出信号。本发明提供的多径衰落信道模型综合性强、模拟功能完善。

Description

一种多径衰落信道模型的构建方法

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种多径衰落信道模型的构建方法。

背景技术

无线信号在传播过程中会受传播信道环境影响而体现出不同程度的衰落特性。这些衰落特性不仅会影响信号的覆盖范围，还会严重干扰信号的传输质量。因此，在通信领域，通信系统的研发前提是需要研究无线传播信道的特性。通过理论分析和大数据统计，建立传播信道模型，能为通信系统的设计和网络规划提供参考和指导意义。

无线信道模型目前主要包括三类：统计性模型、确定性模型和半确定性模型。在统计性模型中，按衰落分类又可分为大尺度衰落模型和小尺度衰落模型。大尺度衰落模型主要研究信号随着传播距离的变化而经历的路径损耗和阴影衰落，如LEE模型、Okumura模型和Hata模型等。小尺度衰落模型主要研究信号由于移动台和基站相对运动造成的多普勒效应、多径传播引起的信号幅度衰落与时延扩展。

基于多普勒谱的多径衰落信道模型属于小尺度衰落模型。在小尺度衰落模型中，Jakes信道模型通过构建有限个正弦波发生器来近似模拟信号幅度的瑞利分布，但为了保证分布精度，需要使用数量足够多的正弦波，导致计算量大；且若要产生更多的多普勒谱，需要对每个正弦波的频率和相位进行复杂的加权，即便如此，也只能模拟小部分的多普勒谱。此外，Jakes模型并不能模拟信道的时延扩展特性。Saleh-Valenzuela信道模型和UWB信道模型都能模拟多径传播引起的幅度衰落和时延扩展特性，但不能实现对多普勒谱的设置。

目前大部分小尺度衰落模型都从时域上模拟信道的传播特性，难以对频域上的多普勒谱进行自定义的设置；且大部分模型不能涵盖所有的信道特性，难以实现链路级的仿真模拟。

发明内容本发明的目的是提供一种多径衰落信道模型及其构建方法和应用。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种构建多径衰落信道模型的方法，包括如下步骤：

（1）获取原始信号参数；

（2）初始化信道的参数；

（3）计算多普勒扩展点数：根据原始信号参数以及信道的参数计算出多普勒扩展点数；

（4）配置单径信道参数；

（5）第一次多普勒扩展类型判断：当扩展类型为纯多普勒时，直接进行频移处理，随后进行步骤（11）；其余扩展类型进行步骤（6）；

（6）多普勒功率谱生成：根据不同的多普勒扩展类型，生成对应的功率谱；

（7）将步骤（6）生成的多普勒功率谱分为I、Q两路，分别乘以高斯噪声，获得复数功率谱；

（8）逆傅里叶变换：将步骤（7）获得的复数功率谱通过逆傅里叶变换转化为时域；

（9）采样率变换：将转换为时域的多普勒扩展信息点数变采样至与信号点数一致，得到所需要的多普勒扩展值；

（10）第二次多普勒扩展类型判断：当多普勒扩展类型为莱斯多普勒扩展时，进行莱斯通道处理；其余多普勒扩展类型无需进行莱斯通道处理；

（11）单径相对衰落、衰落因子添加：依据该径信道参数设置的衰减值改变单径的功率值；

（12）判断信号类型：如果是通信信号，则根据每径信道设置的时延添加时延点数与补偿点数；如果是雷达信号，则添加时延点数并截取信号以保证PRI不变，，所述PRI为脉冲重复周期；

（13）存储单径信息：将步骤（12）处理后的单径信息存储下来；

（14）判断多径个数：当多径个数未达到设定值时，返回步骤（4），重复步骤（4）～步骤（14），至产生的多径个数达到设定值；

（15）多径叠加：将多条产生的信道时域上直接叠加；

最终输出信号。

优选的，步骤（1）所述原始信号参数包括信号的数据信息、采样率、长度信息及粒度。

优选的，步骤（2）所述初始化信道的参数包括信道的多径个数，每径信道的时延、衰减、扩展类型及最大多普勒扩展。

优选的，步骤（3）中，当计算出的多普勒扩展点数低于设置的下限值时，需增加信号的长度。

优选的，步骤（4）所述单径信道参数包括步骤（2）所述初始化信道的参数和步骤（3）计算出的多普勒扩展点数。

优选的，完成步骤（15）后，在叠加后的多径信道上添加大尺度衰落，所述大尺度衰落包括路径损耗和阴影衰落，随后再输出信号。

相应的，利用所述方法，构建多径衰落信道模型。

相应的，所述多径衰落信号模型在通信系统设计中的应用。

相应的，可实现所述方法的多径衰落信道系统，所述系统包括用户控制单元、信道系数生产单元、变频单元及基带处理单元；

所述用户控制单元用于设置信道模型参数，所述信道系数生成单元用于根据设置的所述信道模型参数计算信道衰落模型的冲击响应系数；所述变频单元用于将射频测试信号转换成预设频段的信号，并传输至所述基带处理单元；所述基带处理单元用于对所述预设频段的信号进行多径延时处理，并根据所述冲击响应系数以及经多径延时处理的预设频段的信号计算得到衰落的基带信号。

本发明具有以下有益效果：本专利从频域处理出发，提出了一种基于多普勒谱的多径衰落信道模型，既能实现多种多普勒谱的仿真，又结合了时延抽头模型，能模拟多径衰落特性，而且还添加了路径损耗、阴影衰落，以模拟大尺度衰落。

本发明提供的多径衰落信道模型是一种综合性强、模拟功能完善、配置方式灵活的信道模型，既能导入COST207、3GPP LTE等标准信道模型，又能支持自定义信道参数，可为通信系统、测试系统提供传播信道链路级的仿真测试，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明多径衰落信道模型实现流程图；

图2为本发明提供的多普勒扩展特性实现的原理框图；

图3为采用时延抽头模拟信道时延扩展特性的原理框图；

图4为jakes扩展功率谱示意图；

图5为rounded扩展功率谱示意图；

图6为gaussian扩展功率谱示意图；

图7为flat扩展功率谱示意图；

图8为24径时延扩展时域图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于多普勒谱的多径衰落信道模型，其实现流程图如图1所示，具体实现过程包括如下步骤：

1、获取原始信号参数：所述原始信号参数包括信号的数据信息、采样率、长度信息及粒度。

2、初始化信道的参数：包括信道的多径个数，每径信道的时延、衰减、扩展类型及最大多普勒扩展。

3、计算多普勒扩展点数：根据步骤1的原始信号参数以及步骤2的初始化信道的参数计算出多普勒扩展点数。

其中为多普勒扩展点数，原始信号长度，为最大多普勒扩展，为信号的采样率。

当多普勒扩展点数过低时，无法模拟出信道的功率谱信息，所以在设置参数的步骤中，所设的采样率过高或者最大多普勒过低时会导致多普勒扩展点数不足，当扩展点数低于设置的下限值时，需增加信号的长度；下限值根据项目指标要求精度确定。

4、配置单径信道参数：包括步骤3计算的多普勒扩展点数以及步骤2中信道的基础参数，将单径参数存入结构体中，传入后续步骤。

5、第一次多普勒扩展类型判断：本发明提供多种多普勒扩展类型，包括jackes、rounded、flat、gaussian、bell、rician、pure_doppler等。当扩展类型为pure_doppler，即纯多普勒时，只需要做频移处理即可，不需要生成相应的扩展功率谱；其余扩展类型都需要进行多普勒功率频谱生成。频移处理为本领域公知常识，此处不进行赘述。

6、多普勒功率谱生成：根据不同的多普勒扩展类型，生成对应的功率谱。

7、I、Q两路乘高斯噪声：为实现复数域处理，需将生成的多普勒功率谱分为I、Q两路分别乘以高斯噪声，获得复数功率。

8、逆傅里叶变换（IFFT）：将生成的复数功率谱通过逆傅里叶变换转化为时域。转化为时域的方法为本领域公知常识，此处不进行赘述。

9、采样率变换：将转换为时域的多普勒扩展信息点数变采样至与信号点数一致，变采样方法为：通过三级的两倍内插过半带滤波器后，再经过多级的两倍内插过CIC滤波器，最后再使用Farrow滤波器进行小数倍变采样。由于之前已经计算过多普勒扩展点数，此处变采样后将得到所需要的多普勒扩展值。

10、第二次多普勒扩展类型判断：当多普勒扩展类型为rician，即莱斯多普勒扩展时，由于莱斯扩展需要添加一条直射径，其余频域能量会依据莱斯信道的参数发生变换，所以需要额外进行莱斯通道处理；其余类型无需进行莱斯通道处理。

11、单径相对衰落、衰落因子添加：依据该径信道参数设置的衰减值改变单径的功率值。

12、判断信号类型：根据通信信号与雷达信号的特性，通信信号需根据每径信道设置的时延添加时延点数与补偿点数；雷达信号则需要添加时延点数并截取信号以保证PRI（Pulse Repetition Interval，脉冲重复周期）不变。

13、存储单径信息：将以上通过计算的单径信息存储下来。

14、判断多径个数：当多径个数未达到设定值时，返回步骤4（配置单径信道参数），重复进行；当产生的多径个数达到设定值时进行步骤15。

15、多径叠加：将多条单径信道产生的信道在时域上直接叠加。

16、大尺度衰落（路径损耗、阴影衰落）：根据需求可在叠加后的多径信道上添加大尺度衰落：包括路径损耗和阴影衰落。

17、最终信号输出。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。所获得的数据均为进行至少3次重复后获得的平均值，且各重复获得的均为有效数据。

实施例

1、多普勒扩展的实现。

设发射信号的载频为，最大多普勒扩展为，则典型多普勒功率谱（也称为Jakes多普勒功率谱）如下：

。

由于多普勒效应，接收信号功率谱展宽至和范围，即呈现为多普勒扩展特性。对于不同的传播信道，根据接收信号波到达的水平方位和仰角不同，可表现为不同的多普勒扩展类型。以下给出几种常用多普勒扩展类型：

（1）平坦型多普勒扩展（Flat多普勒扩展），其中为最大多普勒扩展：

。

（2）Rounded多普勒扩展，其中为最大多普勒扩展，为Rounded多普勒扩展参数，、、为Rounded多普勒扩展因子：

；。

根据无线信道模型IEEE 802.16，通常使用以下参数：。

（3）Bell多普勒扩展，其中为最大多普勒扩展，为Bell多普勒扩展参数，为Bell多普勒扩展因子：

；。

根据室内MIMO信道模型IEEE 802.11n，通常可使用参数：A=9。

（4）Gaussian多普勒扩展，其中为最大多普勒扩展，为Gaussian多普勒扩展因子：

，一般取。

根据不同类型的多普勒功率谱密度，多普勒扩展特性实现的原理框图如图2所示，详细描述见具体实施方式中步骤6～9，其中为多普勒功率谱，Complex gauss randomnoise source为高斯噪声源，分别提供I、Q两路，IFFT为逆傅里叶变换，Interpolate为变采样内插，最后输出单径衰落（Single path fading）。

2、时延扩展特性实现。

当发送方发出一个信号，信号经过不同路径到达接收方，由于不同路径的路径长度不同，因此接收方接收到信号的时延也不同。接收到最后一个可分辨的时延信号与最早接收到的时延信号的到达时间的差值，称为时延扩展。

信号在传播过程中会因为反射、绕射、散射等原因经历不同的路径而产生多径效应。设可分辨多径数为，第径的路径衰落系数为,第径的时延。由接收信号和发射信号关系可推出信道冲激响应：

。

其中，t表示时间，j表示φ_i（t）为虚数，φ_i（t）表示第i径相位。

为了模拟信道的时延扩展特性，可采用时延抽头完成。采用时延抽头模拟信道时延扩展特性的原理框图如图3所示：首先为原始信号s(t)添加每径信道参数中的时延（Delay），再将步骤1中产生的不同单径衰落1～N（path fading 1～N）乘上对应经过时延的原始信号，最终将每径相乘后的信道相加，得出最终信号r(t)。

3、按本发明方法进行单路多普勒扩展仿真，输入信号为CW信号，设置最大多普勒扩展1MHz。jakes扩展功率谱如图4所示；rounded扩展功率谱如图5所示；扩展功率谱如图6所示；gaussian扩展功率谱如图6所示；flat扩展功率谱如图7所示。可以看到，使用本发明技术方案能依据用户需求产生种类丰富的多普勒扩展类型，且产生方式不需要使用多个正弦信号进行复杂的加权，只用从频域上得到每种扩展的多普勒功率谱，实现上简单快捷；能模拟的多普勒扩展值范围大，精度高，能适应通信、雷达信号的信道多普勒仿真。

进行24路时延扩展仿真。输入信号为CW信号，设置24径，每路相对衰落较上一路0.5dB,每径延时0.6ms。24径时延扩展时域图如图8所示。本发明技术方案能实现的信道模拟多径数量大，每径信道的时延及功率可独立配置且参数精度高；

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形、变型、修改、替换，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种构建多径衰落信道模型的方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）获取原始信号参数；

（2）初始化信道的参数；

（3）计算多普勒扩展点数：根据原始信号参数以及信道的参数计算出多普勒扩展点数；

（4）配置单径信道参数；

（5）第一次多普勒扩展类型判断：当扩展类型为纯多普勒时，直接进行频移处理，随后进行步骤（11）；其余扩展类型进行步骤（6）；

（6）多普勒功率谱生成：根据不同的多普勒扩展类型，生成对应的功率谱；

（7）将步骤（6）生成的多普勒功率谱分为I、Q两路，分别乘以高斯噪声，获得复数功率谱；

（8）逆傅里叶变换：将步骤（7）获得的复数功率谱通过逆傅里叶变换转化为时域；

（9）采样率变换：将转换为时域的多普勒扩展信息点数变采样至与信号点数一致，得到所需要的多普勒扩展值；

（10）第二次多普勒扩展类型判断：当多普勒扩展类型为莱斯多普勒扩展时，进行莱斯通道处理；其余多普勒扩展类型无需进行莱斯通道处理；

（11）单径相对衰落、衰落因子添加：依据该径信道参数设置的衰减值改变单径的功率值；

（12）判断信号类型：如果是通信信号，则根据每径信道设置的时延添加时延点数与补偿点数；如果是雷达信号，则添加时延点数并截取信号以保证PRI不变，所述PRI为脉冲重复周期；

（13）存储单径信息：将步骤（12）处理后的单径信息存储下来；

（14）判断多径个数：当多径个数未达到设定值时，返回步骤（4），重复步骤（4）～步骤（14），至产生的多径个数达到设定值；

（15）多径叠加：将多条产生的信道时域上直接叠加；

最终输出信号。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤（1）所述原始信号参数包括信号的数据信息、采样率、长度信息及粒度。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤（2）所述初始化信道的参数包括信道的多径个数，每径信道的时延、衰减、扩展类型及最大多普勒扩展。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤（3）中，当计算出的多普勒扩展点数低于设置的下限值时，需增加信号的长度。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤（4）所述单径信道参数包括步骤（2）所述初始化信道的参数和步骤（3）计算出的多普勒扩展点数。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于：完成步骤（15）后，在叠加后的多径信道上添加大尺度衰落，所述大尺度衰落包括路径损耗和阴影衰落，随后再输出信号。

7.根据权利要求1～6任意一项所述方法，构建多径衰落信道模型。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于所述多径衰落信号模型应用在通信系统设计中。

9.一种实现权利要求1～6任意一项所述方法的多径衰落信道系统，其特征在于：所述系统包括用户控制单元、信道系数生产单元、变频单元及基带处理单元；

所述用户控制单元用于设置信道模型参数，所述信道系数生成单元用于根据设置的所述信道模型参数计算信道衰落模型的冲击响应系数；所述变频单元用于将射频测试信号转换成预设频段的信号，并传输至所述基带处理单元；所述基带处理单元用于对所述预设频段的信号进行多径延时处理，并根据所述冲击响应系数以及经多径延时处理的预设频段的信号计算得到衰落的基带信号。