一种Nakagami衰落信道仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种Nakagami衰落信道仿真方法。首先进行参数初始化，基于正弦波叠加法生成直射路径分量和多径散射分量；然后将直射路径分量和多径散射分量叠加生成Nakagami衰落信道；最后对Nakagami衰落信道进行一阶和二阶统计特性分析。本发明专利技术考虑了散射体相对于移动路径的平均入射角，研究了不同角度下功率谱密度的变化情况，更加符合实际信道特性。本发明专利技术不仅可以同时获得精确的一二阶统计特性，而且运算复杂度低，占用资源少，适用于在FPGA硬件平台生成任意m参数Nakagami衰落信道。件平台生成任意m参数Nakagami衰落信道。件平台生成任意m参数Nakagami衰落信道。

【技术实现步骤摘要】
一种Nakagami衰落信道仿真方法


[0001]本专利技术涉及无线通信仿真方法，尤其涉及一种Nakagami衰落信道仿真方法。

技术介绍

[0002]在设计无线通信系统时，首先要考虑的是信道的传输特性。因此，对无线衰落信道的建模与仿真研究具有重要的意义。无线衰落信道的建模是指在信道传输特性分析的基础上建立的数学模型，能够在实验室环境下进行实际信道的模拟。与传统的现场实测方法相比较，具有成本低、灵活性高、可靠性强、效率高等诸多优点。
[0003]在无线通信中，由于移动台与基站之间的障碍物所产生的反射、散射、折射和绕射现象，导致接收信号是多条路径叠加而成的。经多条路径传播的信号，会产生不同形式的衰落。因此，人们提出了多种信道模型来描述不同形式的衰落，包括瑞利模型、莱斯模型以及Nakagami模型。瑞利衰落模型和莱斯衰落模型常用于对短距离通信信道中的快衰落问题进行分析研究，但是对于长距离信道中的快衰落问题描述不够全面。Nakagami模型是一种更为通用的信道模型，通过调整衰落因子m，可以灵活表征不同程度的衰落。当m＝1时，对应瑞利衰落；当m＞1时，对应莱斯衰落；除此之外，当m＝0.5时，Nakagami分布可以模拟单边高斯分布。由于Nakagami模型更贴近实测数据，比瑞利模型和莱斯模型具有更好的灵活性，因此得到了广泛的关注。
[0004]目前，对Nakagami衰落信道的仿真主要有Brute Force法、信道分解法、逆变换法和组合法。根据Brute Force法，Nakagami衰落可以分解为若干独立同分布的高斯分布。这种方法的优点是采用高斯分布进行仿真，降低了研究的难度，缺点在于仅适用于m是0.5整数倍的情况，随着衰落因子m的增大，算法复杂度会增加，仿真精度将降低。信道分解法是利用正弦波叠加生成具有相关性的复高斯分布，以此作为Brute Force法中的源分布。这种方法的优点是考虑了包络时域自相关特性，能产生任意互相关系数的Nakagami衰落信道。缺点是当m值较小时近似的小数分量大，精确的整数分量小，仿真精度较差；当m值增大时，需要的随机序列数会增加，计算复杂度也会提高。逆变换法是利用概率积分变换定理，对分布函数进行反变换的一种随机变量生成方法。由于Nakagami分布累计概率密度函数没有闭式表达式，故只能采用表格法或多项式近似，求解复杂，仿真精度低。组合法是能够对随机变量进行快速仿真的一种方法，采用的都是均匀分布、瑞利分布和莱斯分布这种简单且成熟的分布。组合法仿真速度快，但是误差大，特别是当m取值较小时，理论值与仿真值几乎完全不符。
[0005]上述方法都存在着一定的局限性，无法同时获得精确的一阶统计特性和二阶统计特性。因此，有必要研究新的Nakagami衰落信道建模方法，使之同时获得精确的一阶统计特性和二阶统计特性。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种能够仿真任意参数的Nakagami衰落信道，同
时获得精确的一阶统计特性和二阶统计特性的高Nakagami衰落信道仿真方法。
[0007]技术方案：本专利技术的Nakagami衰落信道仿真方法，采用正弦波叠加法生成直射路径分量和多径散射分量，并将直射路径分量和多径散射分量叠加生成Nakagami衰落信道；包括步骤如下：
[0008]S1，设定生成Nakagami衰落信道所需参数；
[0009]S2，采用正弦波叠加法生成直射路径分量；
[0010]S3，采用正弦波叠加法生成多径散射分量；
[0011]S4，将直射路径分量和多径散射分量叠加生成的Nakagami衰落信道表示为：
[0012][0013]其中，H1(k)为Nakagami信道直射路径分量，H2(k)为Nakagami信道多径散射分量；e为自然对数，j表示虚数单位；
[0014]S5，对Nakagami衰落信道进行仿真分析，仿真其一阶统计特性和二阶统计特性并验证信道的正确性。
[0015]所述步骤S2中，采用正弦波叠加法生成直射路径分量的具体实现步骤如下：
[0016]S21，根据输入的参数，计算最大多普勒频移f
d
：
[0017][0018]其中v为运动速度，f
c
为载波频率；
[0019]设置采样频率f
s
：
[0020]f
s
＝4f
d
[0021]S22，生成[0,2π]均匀分布的直射分量初始相位Φ0；
[0022]S23，生成直射分量振幅A0：
[0023][0024]其中，m为衰落因子；
[0025]S24，生成直射路径分量H1(k)：
[0026][0027]其中，A0为直射分量振幅；Φ0为直射分量初始相位；α0为散射体相对于移动路径的平均入射角；SD为响应样本密度，表示每半波长脉冲响应的数量；时间指数k是由样本密度SD确定的时间步长。
[0028]所述步骤S3中，利用正弦波叠加法生成多径散射分量的具体实现步骤如下：
[0029]S31，根据输入的参数，计算最大多普勒频移f
d
，计算采样频率f
s
；
[0030]S32，生成[0,2π]均匀分布的散射分量初始相位Φ
i
；
[0031]S33，生成的散射分量振幅满足条件如下：
[0032][0033]其中，A
i
为散射分量的振幅，N为路径总数；i路径数；
[0034]S34，生成服从均值为α0，标准差为s的截断高斯分布的散射分量入射角，α0为散射体相对于移动路径的平均入射角；
[0035]S35，生成多径散射分量H2(k)：
[0036][0037]其中，Φ
i
为散射分量初始相位；SD为响应样本密度，表示每半波长脉冲响应的数量；α
i
为散射分量的入射角；时间指数k是由样本密度SD确定的时间步长。
[0038]所述步骤S4中，采用正弦波叠加法原理，公式(7)的Nakagami衰落信道可以进一步表示为：
[0039]H(k)＝h
i
(k)+jh
q
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0040][0041][0042]其中，h
i
(k)为Nakagami信道的同相分量，h
q
(k)为Nakagami信道的正交分量；
[0043]A0为直射分量振幅；Φ0为直射分量初始相位。
[0044]本专利技术与现有技术相比，其显著效果如下：
[0045]1、本专利技术考虑了散射体相对于移动路径的平均入射角α0以及散射分量的入射角α
i
，可以仿真不同角度的Nakagami衰落信道，且二阶统计特性功率谱密度图是随角度不同而变化的。
[0046]2、不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Nakagami衰落信道仿真方法，其特征在于，采用正弦波叠加法生成直射路径分量和多径散射分量，并将直射路径分量和多径散射分量叠加生成Nakagami衰落信道，包括步骤如下：S1，设定生成Nakagami衰落信道所需参数；S2，采用正弦波叠加法生成直射路径分量；S3，采用正弦波叠加法生成多径散射分量；S4，将直射路径分量和多径散射分量叠加生成的Nakagami衰落信道表示为：其中，H1(k)为Nakagami信道直射路径分量，H2(k)为Nakagami信道多径散射分量；e为自然对数，j表示虚数单位；S5，对Nakagami衰落信道进行仿真分析，仿真其一阶统计特性和二阶统计特性并验证信道的正确性。2.根据权利要求1所述的Nakagami衰落信道仿真方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用正弦波叠加法生成直射路径分量的具体实现步骤如下：S21，根据输入的参数，计算最大多普勒频移f
d
：其中v为运动速度，f
c
为载波频率；设置采样频率f
s
：f
s
＝4f
d
S22，生成[0,2π]均匀分布的直射分量初始相位Φ0；S23，生成直射分量振幅A0：其中，m为衰落因子；S24，生成直射路径分量H1(k)：其中，A0为直射分量振幅；Φ0为直射分量初始相位；α0为散射体相对于移动路径的平均入射角；SD为响应样本密度，表示每半波长脉冲响应的数量；时间指数k是由...

【专利技术属性】
技术研发人员：张治中，董玉，冯姣，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：