褚好迎，蘇勝君

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

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無線通信系統(tǒng)中發(fā)射分集技術(shù)研究

褚好迎，蘇勝君

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

在無線通信系統(tǒng)中，不同場景下有不同的傳播模型。為了研究發(fā)射分集技術(shù)對抗多徑效應(yīng)的性能，文中總結(jié)了無線通訊系統(tǒng)中室外場景下的傳播模型。針對傳統(tǒng)的Okumura-Hata傳播模型來研究不同環(huán)境下發(fā)射信號的功率損耗，在接收端計算各信號副本的接收功率，通過與預(yù)設(shè)的接收功率門限作比較，得出每個信號副本以及各副本等增益合并后的信號可用性，從而研究發(fā)射分集對于信號可用性的提升作用。仿真結(jié)果表明，分集技術(shù)能明顯提升接收機接收信號的可用性。

無線通信；傳播模型；分集技術(shù)；多徑效應(yīng)

多徑效應(yīng)是指接收到的視距信號與原信號經(jīng)過反射或散射后的組合信號，從而對原信號產(chǎn)生干擾。多徑信號在結(jié)構(gòu)上會對原始信號產(chǎn)較強的干擾，使原始信號產(chǎn)生畸變等影響。為解決多徑效應(yīng)問題，目前主要的方法有時空組合抗多徑法、抗多徑信號處理與自適應(yīng)抵消技術(shù)、抗多徑天線分集技術(shù)等方法[1-3]。

目前主要使用的分集技術(shù)有空間分集技術(shù)、極化分集、頻率分集技術(shù)。早期的無線通信系統(tǒng)是在發(fā)射端采用空間分集技術(shù)，后面又引入頻分技術(shù)。目前無線通信系統(tǒng)則采用頻率分集和空間分集相結(jié)合的分集技術(shù)。也可采用多天線發(fā)射信號，根據(jù)不同天線與反射面的垂直距離不同，信號的傳輸路徑差和入射角也不同，這樣根據(jù)信號產(chǎn)生相位延遲的不同來實現(xiàn)不同的信噪比分配。對于空間分集，若反射面恒定，則空間分離的有效方向為垂直于反射面的方向，所以需要根據(jù)實際情況選擇分離方向。頻率分集是使用多路頻率信號傳送至發(fā)射天線，在同樣的信號傳播路徑下通過改變頻率來改變時延的等效相位延遲，從而取得明顯的相位差，其對于接收端的瞬時信噪比和平均信噪比均有提升[4]。

1 室外環(huán)境下傳播模型

Hata-Okumuram模型是根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立的模型，該模型提供的數(shù)據(jù)較齊全，應(yīng)用較為廣泛，適用于VHF和UHF頻段。該模型的特點是：以準平坦地形大城市地區(qū)的場強中值路徑損耗作為基準，對不同的傳播環(huán)境和地形條件等因素用校正因子加以修正。

當移動臺的高度為典型值為hr=1.5 m時，按Hata-Okumura模型計算路徑損耗的公式為

Lb=69.55+26.16lgf-13.82lghb-α(hm)+

(44.9-6.55ghb)lgd

(1)

其中，Lb表示市區(qū)準平滑地形電波傳播損耗中值；f為工作頻率；hb為基站天線有效高度；hm為移動臺天線有效高度；d為移動臺與基站之間的距離；α(hm)為移動臺天線高度因子。

(1)大城市環(huán)境下，移動臺天線高度因子為

α(hm)=8.29[lg(1.54hm)]2-1.1 dB，f≤200 MHz

(2)

α(hm)=3.2[lg(11.75hm)]2-4.97 dB，1500 MHz≥f≥400 MHz

(3)

當hm在1.5～4 m之間時，上面兩式基本一致。

(2)對于中小城市環(huán)境

α(hm)=(1.1×logf-0.7)hm-(1.56×lgf-0.8)

(4)

(3)對于郊區(qū)環(huán)境

Lbs=Lb-2×[lg(f/28)]2-5.4

(5)

(4)對于開闊地環(huán)境

Lbq=Lb-4.78(lgf)2+18.33×lgf-40.94

(6)

2 發(fā)射分集信號性能仿真

在Okumura-Hata模型下，通過Matlab對發(fā)射分集的各信號副本在幾種傳輸環(huán)境下的路徑損耗情況進行仿真，進而說明發(fā)射分集從信號功率這一角度對信號可用性的提升作用。信號可用性是指接收機相對于收發(fā)機在一定的距離范圍內(nèi)，接收到信號副本i的功率處在接收機功率門限范圍內(nèi)的概率，記為Pi。在發(fā)射分集模式下，若同時接收M個信號副本，等增益合并后的信號可用性為P1∪P2…∪Pi，iM。仿真中，將發(fā)射端空間-頻率分集的4個信號副本的發(fā)射功率設(shè)為一個定值，信號通過Okumura-Hata模型傳輸后，在接收端計算各信號副本的接收功率，通過與預(yù)設(shè)的接收功率門限作比較，得出每個信號副本以及各副本等增益合并后的信號可用性[5-7]。

(1)大城市環(huán)境?；贠kumura-Hata大城市模型進行仿真，根據(jù)理論研究[8-10]，將仿真條件設(shè)置如表1所示。

表1 大城市環(huán)境仿真條件設(shè)置

各信號副本的接收功率仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 大城市環(huán)境接收功率分布

(2)中小城市環(huán)境。對于中小城市環(huán)境的仿真，仿真條件設(shè)置與大城市相同，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 中小城市環(huán)境接收功率分布

(3)郊區(qū)環(huán)境。基于Okumura-Hata郊區(qū)模型進行仿真，將仿真條件設(shè)置如表2所示。

表2 郊區(qū)環(huán)境仿真條件設(shè)置

各信號副本的接收功率仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 郊區(qū)環(huán)境接收功率分布

通過仿真得出郊區(qū)環(huán)境下該垂足距離范圍內(nèi)的信號可用性，如表3所示。

表3 郊區(qū)環(huán)境信號可用性

(4)開闊地環(huán)境。基于Okumura-Hata開闊地模型進行仿真，仿真條件設(shè)置如表4所示。

表4 開闊地環(huán)境仿真條件設(shè)置

各信號副本的接收功率仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 開闊地環(huán)境接收功率分布

通過仿真得出開闊地環(huán)境下該垂足距離范圍內(nèi)的信號可用性，如表5所示。

表5 開闊地環(huán)境信號可用性

分析各仿真結(jié)果可知，相對于城市環(huán)境而言，郊區(qū)和開闊地的多徑效應(yīng)并不明顯，其遠場邊界距離遠超過城市環(huán)境(郊區(qū)約為12 km，開闊地約為40 km)，接收機在距離發(fā)射基站較遠的距離范圍內(nèi)均具有良好的信號可用性。

3 結(jié)束語

從多徑環(huán)境下的仿真結(jié)果可看出，空間發(fā)射分集和頻率發(fā)射分集均能明顯提升接收機接收信號的可用性，且二者組合使用時，對信號可用性的提升效果更佳。但需要說明的是，本次仿真為了更好地說明問題，將接收功率的門限設(shè)置得較小，在實際中接收機的接收功率門限會是一個更大的范圍，但這并不影響本研究結(jié)論的一般性。

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Research on Transmit Diversity in Wireless Communication Systems

CHU Haoying, SU Shengjun

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

In the wireless communication system, there are different propagation models under different scenarios. In order to study the performance of transmit diversity technology against multipath effects, this paper summarizes the propagation model of the outdoor scenes in the wireless communication system. The emitted signal power loss of the traditional Okumura Hata propagation model, under different environments is studied, the copies of signal received power at the receiving end is calculated and compared with the preset received power threshold to obtain the signal availability of each copy and the copy of the equal gain combination in order to study the improvement of the signal availability by the transmit diversity. The simulation results show that the diversity technology can significantly improve the availability of the receiver signal.

wireless communication; propagation model; diversity technique; multipath effect

2016- 01- 19

全國大學生科技創(chuàng)新重點基金資助項目(201310252003)

褚好迎(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：通信技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.006

TN929.533

A

1007-7820(2016)11-019-03