CN108242963B - 一种瑞利圆拱衰落信道的验证*** - Google Patents

Abstract

一种瑞利圆拱衰落信道的验证***，包括基站RRU、射频输入单元、瑞利圆拱衰落信道仿真单元和终端机。使用终端机对瑞利圆拱衰落信道进行验证：计算瑞利圆拱衰落信道仿真模型的序列；验证仿真模型的一阶统计特性；验证仿真模型的功率谱。瑞利圆拱衰落信道仿真模型是通过仿真单元产生的，终端机根据基带输入信号和基带输出信号计算出衰落信道序列；通过最大似然估计法对衰落信道序列的幅值和相角进行分析，验证仿真模型的一阶统计特性；通过观察功率谱密度函数的形状和带宽验证仿真模型的功率谱。使用本发明，采用最大似然估计法，对瑞利圆拱衰落信道的一阶特性即幅值和相角做出了精准的定量、定性分析。

Description

一种瑞利圆拱衰落信道的验证***

技术领域

本发明涉及无线信道建模与仿真领域，更具体地说是涉及一种瑞利圆拱衰落信道的验证***。

背景技术

瑞利经典衰落信道模型能够表征无线信道中小尺度衰落中的多普勒效应和多径效应，适用于描述建筑物密集的城镇中心地带的无线信道。瑞利经典衰落信道模型的幅值服从瑞利分布，相角服从均匀分布，多普勒功率谱为一个典型的U型谱。在具有固定发射机和接收机位置的无线信道中，由于环境的移动而导致非常小的多普勒扩展，多普勒功率谱中的功率集中在频率范围的中心，从而典型的U型谱变成一个圆拱状谱。作为瑞利衰落信道下必须考虑的一种情况，现有技术对瑞利圆拱衰落信道并没有一个科学标准的验证方法，因此，如何对瑞利圆拱衰落信道进行有效的验证是当下需要解决的一个难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种瑞利圆拱衰落信道的验证***，以解决现有瑞利圆拱衰落信道无法准确分析与验证的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种瑞利圆拱衰落信道验证***，包括基站RRU(射频拉远单元)、射频输入单元、瑞利圆拱衰落信道仿真单元和终端机；基站RRU通过射频接口和射频输入单元连接；射频输入单元通过第一射频电缆和瑞利圆拱衰落信道仿真单元连接，射频输入单元通过第二射频电缆和终端机连接，瑞利圆拱衰落信道仿真单元通过第三射频电缆和终端机连接。

射频输入单元和瑞利圆拱衰落信道仿真单元共同构成信道仿真器。

所述基站RRU用于输出射频信号来作为信道仿真器的射频输入信号。

所述射频输入单元用于将射频输入信号经过模拟下变频、模数转换、数字下变频、上行数据处理过程后，转换为基带输入信号x，并将基带输入信号x通过第一射频电缆传输到瑞利圆拱衰落信道仿真单元，通过第二射频电缆传输到终端机中。

所述瑞利圆拱衰落信道仿真单元用于设置衰落信道的采样频率fs，最大多普勒频移fd，采样点数N，产生瑞利圆拱衰落信道仿真模型，并将基带输入信号x和瑞利圆拱衰落信道仿真模型的衰落信道卷积得到基带输出信号y，将基带输出信号y通过第三射频电缆传输到终端机中。

所述终端机接收基带输入信号x和基带输出信号y，对瑞利圆拱衰落信道进行分析和验证。

终端机接收基带输入信号x和基带输出信号y，对瑞利圆拱衰落信道进行验证，是指采用最大似然估计法对瑞利圆拱衰落信道仿真模型进行参数估计和分析，以验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的准确性，具体包括以下步骤：

步骤一，计算瑞利圆拱衰落信道仿真模型的包络序列；

步骤二，验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的一阶统计特性；

步骤三，验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的功率谱。

步骤一中计算瑞利圆拱衰落信道仿真模型的包络序列，具体包括以下步骤：

终端机接收基带输入信号x和基带输出信号y后，根据y＝x*h计算出瑞利圆拱衰落信道仿真模型的包络序列h。

所述验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的一阶统计特性，即分别对求得的瑞利圆拱衰落信道仿真模型的幅值和相角进行分析和验证。由理论可知，瑞利圆拱衰落信道仿真模型的幅值服从瑞利分布，相角服从均匀分布。工程学上，可采用最大似然估计法对瑞利圆拱衰落信道仿真模型进行分析和验证。

验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的一阶统计特性，具体包括以下步骤：

第一步，根据包络序列h，求出瑞利圆拱衰落信道仿真模型的幅值序列H和相角序列θ；

第二步，设置显著性水平α；

第三步，根据克拉克理论设置幅值分布函数理论标准差

相角分布的概率密度函数理论值

第四步，使用统计学中极大似然估计法，根据显著性水平和瑞利圆拱衰落信道仿真模型，计算出幅值序列H的标准差最大似然估计值δ、置信区间Ω_(δ)，计算出相角序列θ的概率密度函数最大似然估计值f(x)、置信区间Ω_(f(x))；

因为相角是服从均匀分布的，其概率密度函数为一个确定值，所以可以用来作为定量分析的参数。而幅值序列是服从瑞利分布的，其概率密度函数是一个非确定值，不能直接做定量分析，需要提取概率密度函数的一个参量作为分析的参数，即序列的标准差，所以第四步中，计算的是幅值序列H的标准差δ。

第五步，根据第四步获得的幅值序列H的标准差最大似然估计值δ，以及相角序列θ的概率密度函数最大似然估计值f(x)，按照计算公式

求出幅值序列H的隶属函数μ_(δ)和相角序列θ的μ_(f(x))，采用隶属函数通过曲线拟合对瑞利圆拱衰落信道仿真模型进行分析与验证。

使用统计学中极大似然估计法，根据显著性水平和瑞利圆拱衰落信道仿真模型，计算幅值序列H的标准差最大似然估计值δ，计算出相角序列θ的概率密度函数最大似然估计值f(x)，为现有成熟技术。

采用隶属函数通过曲线拟合对瑞利圆拱衰落信道仿真模型进行分析与验证的具体步骤为：

绘制幅值序列H的概率密度函数的理论值曲线和相角序列θ的概率密度函数的理论值曲线。通过对幅值分布函数理论标准差

和相角分布的概率密度函数理论值

进行理论推导和计算，可绘制出幅值序列H的概率密度函数的理论值曲线和相角序列θ的概率密度函数的理论值曲线，为现有成熟技术。

绘制幅值序列H的概率密度函数的实际值曲线和相角序列θ的概率密度函数的实际值曲线。相角序列的概率密度函数的实际值是根据相角序列得到，为现有成熟技术。幅值序列的概率密度函数的实际值是根据幅值序列得到，为现有成熟技术。

将幅值序列H的概率密度函数的理论值曲线与幅值序列H的概率密度函数的实际值曲线，通过幅值序列H的隶属函数μ_(δ)判断幅值序列H的概率密度函数理论值曲线和幅值序列H的概率密度函数实际值曲线是否拟合；

将相角序列θ的概率密度函数的理论值曲线与相角序列θ的概率密度函数的实际值曲线，通过相角序列θ的隶属函数μ_(f(x))判断相角序列θ的概率密度函数理论值曲线和相角序列θ的概率密度函数实际值曲线是否拟合；

若幅值序列H的概率密度函数理论值曲线和幅值序列H的概率密度函数实际值曲线拟合，则说明瑞利圆拱衰落信道仿真模型的幅值服从瑞利分布；若相角序列θ的概率密度函数理论值曲线和相角序列θ的概率密度函数实际值曲线也拟合，则说明瑞利圆拱衰落信道仿真模型的相角服从均匀分布。

通过以上步骤完成瑞利圆拱衰落信道仿真模型的一阶统计特性的验证。

隶属函数用来佐证曲线拟合的好坏，用隶属函数代替误差判断是否拟合。

由隶属函数可得到理论值与实际值相似度的定量分析结果，通过隶属函数判断概率密度函数理论值曲线和实际值曲线是否拟合，为现有成熟技术。

所述验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的功率谱，即对瑞利圆拱衰落信道仿真模型的多普勒功率谱进行分析和验证。由理论可知，瑞利圆拱衰落信道仿真模型的多普勒功率谱函数图为一个圆拱状谱图，频谱带宽为最大多普勒频移f_d的两倍。工程学上，可根据多普勒功率谱的谱图形状和频谱宽度对瑞利圆拱衰落信道仿真模型的功率谱进行分析和验证。

验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的功率谱，具体包括如下步骤：

由理论可知，瑞利圆拱衰落信道仿真模型的多普勒功率谱函数图为一个圆拱状谱图，频谱带宽为最大多普勒频移fd的两倍；

根据包络序列h求得瑞利圆拱衰落信道仿真模型的多普勒功率谱函数，绘制多普勒功率谱的实际谱图，观察多普勒功率谱的实际谱图的形状是否为一个圆拱状谱图，多普勒功率谱的实际谱图的频谱带宽是否等于最大多普勒频移f_d的两倍；

若多普勒功率谱的实际谱图的形状为一个圆拱状谱图，且实际谱图的频谱带宽等于最大多普勒频移fd的两倍，则瑞利圆拱衰落信道仿真模型的功率谱是正确的；

通过以上步骤完成瑞利圆拱衰落信道仿真模型的功率谱的验证。

瑞利圆拱衰落信道仿真模型的多普勒功率谱函数可根据包络序列h的自相关函数作傅里叶变换得到。

若瑞利圆拱衰落信道仿真模型的幅值服从瑞利分布，瑞利圆拱衰落信道仿真模型的相角服从均匀分布，且多普勒功率谱的实际谱图的形状为一个圆拱状谱图，且实际谱图的频谱带宽等于最大多普勒频移fd的两倍时，则判定所产生的瑞利圆拱衰落信道仿真模型是准确的。

使用本发明，与现有建模验证方法相比，采用统计学上的最大似然估计法，对瑞利圆拱衰落信道的一阶特性即幅值和相角做出了精准的定量、定性分析，验证结果更加准确，同时为其他无线信道的准确验证提供了可行性方案。

附图说明

图1为本发明瑞利圆拱衰落信道验证***示意图；

图2为本发明瑞利圆拱衰落信道的验证方法流程图；

图3为本发明瑞利圆拱衰落信道仿真模型的时域幅值波动图；

图4为本发明瑞利圆拱衰落信道仿真模型的幅值概率密度函数图；

图5为本发明瑞利圆拱衰落信道仿真模型的相角概率密度函数图；

图6为本发明瑞利圆拱衰落信道的多普勒功率谱图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

参照图1，一种瑞利圆拱衰落信道的验证***包括基站RRU U1、射频输入单元U2、瑞利圆拱衰落信道仿真单元U3和终端机U4；基站RRU U1通过射频接口和射频输入单元U2连接；射频输入单元U2通过第一射频电缆和瑞利圆拱衰落信道仿真单元U3连接，射频输入单元U2通过第二射频电缆和终端机U4连接，瑞利圆拱衰落信道仿真单元U3通过第三射频电缆和终端机U4连接。

射频输入单元U2和瑞利圆拱衰落信道仿真单元U3共同构成信道仿真器。

所述基站RRU U1用于输出射频信号来作为信道仿真器的射频输入信号。

所述射频输入单元U2经过模拟下变频、模数转换、数字下变频、上行数据处理等过程，将射频输入信号转换为基带输入信号x，并将基带输入信号x通过第一射频电缆传输到瑞利圆拱衰落信道仿真单元U3，通过第二射频电缆传输到终端机U4中。

所述瑞利圆拱衰落信道仿真单元U3采用世德科技FS8信道仿真器，设置衰落信道的采样频率fs＝10000Hz，最大多普勒频移fd＝500Hz，采样点数N＝30000，产生瑞利圆拱衰落信道仿真模型，将基带输入信号x和瑞利圆拱衰落信道仿真模型的衰落信道卷积得到基带输出信号y，将基带输出信号y通过第三射频电缆传输到终端机U4中。

所述终端机U4接收基带输入信号x和基带输出信号y，并做进一步的处理以对瑞利圆拱衰落信道进行分析和验证。

参照图2，终端机接收基带输入信号x和基带输出信号y，对瑞利圆拱衰落信道进行验证，是指采用最大似然估计法对瑞利圆拱衰落信道仿真模型进行参数估计和分析，以验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的准确性，具体包括以下步骤：

步骤一，计算瑞利圆拱衰落信道仿真模型的包络序列U41；

步骤二，验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的一阶统计特性U42；

步骤三，验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的功率谱U43。

所述计算瑞利圆拱衰落信道仿真模型的包络序列U41具体为：终端机接收基带输入信号x和基带输出信号y后，根据y＝x*h计算出瑞利圆拱衰落信道仿真模型的包络序列h。计算出的瑞利圆拱衰落信道仿真模型的包络序列如图3所示，其幅值在一定范围内快衰落波动，满足小尺度衰落特性。

所述验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的一阶统计特性U42，即分别对求得的瑞利圆拱衰落信道仿真模型的幅值和相角进行分析和验证。由理论可知，瑞利圆拱衰落信道仿真模型的幅值服从瑞利分布，相角服从均匀分布。不失一般性的，采用最大似然估计法对瑞利圆拱衰落信道仿真模型的幅值和相角进行分析和验证。采用最大似然估计法对瑞利圆拱衰落信道仿真模型的幅值和相角进行分析与验证的步骤为：首先，分别求出瑞利圆拱衰落信道仿真模型的幅值序列H和相角序列θ；然后不失一般性的，设置显著性水平α为0.01，则置信水平为99％；然后根据克拉克理论设置幅值分布函数理论标准差

为0.7071，相角分布的概率密度函数理论值

为0.159155；然后计算出幅值序列H的标准差最大似然估计值δ为0.6965、置信区间Ω_(δ)为[0.6913,0.7071]，相角序列θ的概率密度函数最大似然估计值f(x)为0.159162、置信区间Ω_(f(x))为[0.159112,0.159162]；最后根据计算公式

求出隶属函数μ_(δ)为99.2448％，μ_(f(x))为99.9978％，并通过曲线拟合对瑞利圆拱衰落信道仿真模型进行分析与验证。瑞利圆拱衰落信道仿真模型的幅值概率密度函数如图4所示，幅值概率密度函数的实际值曲线与理论值曲线能很好的拟合，且验证结果表明，瑞利圆拱衰落信道仿真模型的幅值服从瑞利分布。瑞利圆拱衰落信道仿真模型的相角概率密度函数如图5所示，相角概率密度函数的实际值曲线与理论值曲线能很好的拟合，且验证结果表明，瑞利圆拱衰落信道仿真模型的相角服从均匀分布。

所述验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的功率谱U43，即对瑞利圆拱衰落信道仿真模型的多普勒功率谱进行分析和验证。由理论可知，瑞利圆拱衰落信道仿真模型的多普勒功率谱函数图为一个近似高斯分布图的圆拱状谱图，频谱带宽为最大多普勒频移f_d的两倍，即1000Hz。不失一般性的，根据多普勒功率谱的谱图形状和频谱宽度对瑞利圆拱衰落信道仿真模型的功率谱进行分析和验证。瑞利圆拱衰落信道仿真模型的多普勒功率谱密度函数如图6所示，验证结果表明，多普勒功率谱图为一个圆拱状谱图，且频谱带宽约为1000Hz，等于最大多普勒频移f_d的两倍。

本发明之一种瑞利圆拱衰落信道的验证方法采用最大似然估计法，能够对瑞利圆拱衰落信道的仿真模型和信道模拟器进行分析与验证，具有普适性和准确性，适用于需要对无线信道仿真模型和信道模拟器性能验证的场合。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种瑞利圆拱衰落信道的验证***，其特征在于，包括基站RRU、射频输入单元、瑞利圆拱衰落信道仿真单元和终端机；基站RRU通过射频接口和射频输入单元连接；射频输入单元通过第一射频电缆和瑞利圆拱衰落信道仿真单元连接，射频输入单元通过第二射频电缆和终端机连接，瑞利圆拱衰落信道仿真单元通过第三射频电缆和终端机连接；

射频输入单元和瑞利圆拱衰落信道仿真单元共同构成信道仿真器；

所述基站RRU用于输出射频信号来作为信道仿真器的射频输入信号；

所述射频输入单元用于将射频输入信号经过模拟下变频、模数转换、数字下变频、上行数据处理过程后，转换为基带输入信号x，并将基带输入信号x通过第一射频电缆传输到瑞利圆拱衰落信道仿真单元，通过第二射频电缆传输到终端机中；

所述瑞利圆拱衰落信道仿真单元用于设置衰落信道的采样频率fs，最大多普勒频移fd，采样点数N，产生瑞利圆拱衰落信道仿真模型，并将基带输入信号x和瑞利圆拱衰落信道仿真模型的衰落信道卷积得到基带输出信号y，将基带输出信号y通过第三射频电缆传输到终端机中；

所述终端机接收基带输入信号x和基带输出信号y，对瑞利圆拱衰落信道进行验证；

终端机接收基带输入信号x和基带输出信号y，对瑞利圆拱衰落信道进行验证，是指采用最大似然估计法对瑞利圆拱衰落信道仿真模型进行参数估计和分析，以验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的准确性，具体包括以下步骤：

步骤一，计算瑞利圆拱衰落信道仿真模型的包络序列；

步骤二，验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的一阶统计特性；

步骤三，验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的功率谱；

计算瑞利圆拱衰落信道仿真模型的包络序列，具体包括以下步骤：

终端机接收基带输入信号x和基带输出信号y后，根据y＝x*h计算出瑞利圆拱衰落信道仿真模型的包络序列h；

验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的一阶统计特性，具体包括以下步骤：

第一步，根据包络序列h，求出瑞利圆拱衰落信道仿真模型的幅值序列H和相角序列θ；

第二步，设置显著性水平α；

第三步，根据克拉克理论设置幅值分布函数理论标准差

相角分布的概率密度函数理论值

第四步，使用统计学中极大似然估计法，根据显著性水平α和瑞利圆拱衰落信道仿真模型，计算出幅值序列H的标准差最大似然估计值δ，计算出相角序列θ的概率密度函数最大似然估计值f(x)；

第五步，根据第四步获得的幅值序列H的标准差最大似然估计值δ，以及相角序列θ的概率密度函数最大似然估计值f(x)，按照计算公式

求出幅值序列H的隶属函数μ_(δ)和相角序列θ的隶属函数μ_(f(x))，采用隶属函数通过曲线拟合对瑞利圆拱衰落信道仿真模型进行分析与验证；

通过以上步骤完成瑞利圆拱衰落信道仿真模型的一阶统计特性的验证。

2.根据权利要求1所述瑞利圆拱衰落信道的验证***，其特征在于，验证瑞利圆拱衰落信道仿真模型的功率谱，具体包括如下步骤：

由理论可知，瑞利圆拱衰落信道仿真模型的多普勒功率谱函数图为一个圆拱状谱图，频谱带宽为最大多普勒频移fd的两倍；

根据包络序列h求得瑞利圆拱衰落信道仿真模型的多普勒功率谱函数，绘制多普勒功率谱的实际谱图，观察多普勒功率谱的实际谱图的形状是否为一个圆拱状谱图，多普勒功率谱的实际谱图的频谱带宽是否等于最大多普勒频移f_d的两倍；

若多普勒功率谱的实际谱图的形状为一个圆拱状谱图，且实际谱图的频谱带宽等于最大多普勒频移fd的两倍，则瑞利圆拱衰落信道仿真模型的功率谱是正确的；

通过以上步骤完成瑞利圆拱衰落信道仿真模型的功率谱的验证。

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