CN108365904A - 一种Nakagami衰落信道的测试系统及其验证方法 - Google Patents

Abstract

一种Nakagami衰落信道的测试系统及其验证方法，测试系统包括信号发生器、Nakagami衰落信道模拟器和计算机，信号发生器用于输出频率为f的正弦波信号并传至Nakagami衰落信道模拟器和计算机；Nakagami衰落信道模拟器用于产生Nakagami衰落信道；计算机用于数据处理与分析。验证方法分别验证Nakagami衰落信道时域衰落特性、一阶统计特性和二阶统计特性，时域衰落特性是在不同的Nakagami衰落因子下，在时域上验证波形波动速率和波动范围；一阶统计特性主要通过Kolmogorov Smirnov(KS)假设检验法来验证Nakagami衰落信道的幅值和相角分布统计特性；二阶统计特性主要验证功率谱密度函数的形状和带宽。本发明对Nakagami衰落信道模拟器或仿真模型性能的验证具有准确和可行性的特点。

Description

一种Nakagami衰落信道的测试系统及其验证方法

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Nakagami衰落信道的测试系统及其验证方法。

背景技术

通过对无线信道衰落特性的长期研究，人们发现和总结了多种信道衰落的统计分布和模型。描述小尺度衰落常用的信道统计模型有瑞利模型、莱斯模型和Nakagami模型。其中，Nakagami模型可以灵活地表征不同程度的衰落，包括瑞利衰落信道和莱斯衰落信道，在实际的无线通信环境测试中表现出更好的匹配度，因此在理论建模分析和实际测试中得到了更为广泛的应用。申请号为201410288810.1、授权公开号为CN104052557B的专利公开了一种Nakagami复衰落信道建模方法，申请号为201110101732.6、授权公开号为CN102130734B的专利公开了一种Nakagami衰落信道建模和仿真方法，上述2个专利均提供了Nakagami衰落信道建模方法，验证结果只是简单地将理论值和仿真值进行比较，而未提及如何科学地验证该模型的有效性和准确性的相关方法。因而，为了保证Nakagami衰落信道模拟器或仿真模型的良好性能，需要一套健全和可行的验证技术方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种Nakagami衰落信道的测试系统及其验证方法，旨在提供一种对现有的Nakagami衰落信道模拟器或相关仿真模型性能的验证方案。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种Nakagami衰落信道的测试系统，包括信号发生器、Nakagami衰落信道模拟器和计算机，信号发生器通过SMA电缆线分别与Nakagami衰落信道模拟器及计算机单向连接，Nakagami衰落信道模拟器通过GPIB通用接口总线与计算机单向连接；

所述信号发生器用于输出频率为f的正弦波信号x，正弦波信号x分别通过SMA电缆线传至Nakagami衰落信道模拟器和计算机；

所述Nakagami衰落信道模拟器用于产生Nakagami衰落信道y，测试过程中，Nakagami衰落信道模拟器设置最大多普勒频移f_d、损耗、莱斯因子K、相角、Nakagami衰落因子m，其中m为1或(K+1)²/(2K+1)，且打开其中一条Nakagami衰落信道路径通道，关闭其余路径通道；

所述计算机用于对来自Nakagami衰落信道模拟器射频输出的Nakagami衰落信道y进行运算和分析，得出Nakagami衰落信道在时域和频域上的性能指标，以验证信道模型的准确性。

本发明还提供了一种根据上述Nakagami衰落信道的测试系统验证Nakagami衰落信道的方法，其特征在于，主要在计算机上进行运算和分析的数据处理，包括以下步骤：

步骤S1，程序开始，进行参数初始化，设定测试系统的采样频率和载波频率；

步骤S2，验证Nakagami衰落信道时域衰落特性；

步骤S3，验证Nakagami衰落信道一阶统计特性；

步骤S4，验证Nakagami衰落信道二阶统计特性；

步骤S5，程序结束。

进一步，所述S2验证Nakagami衰落信道时域衰落特性具体包括：通过计算机得到的高频信号y的包络求得Nakagami衰落信道h，然后观察Nakagami衰落信道h的幅值波形在时域上是否快速波动，并且该Nakagami衰落信道h的幅值波形的波动范围为30dB至-60dB；当Nakagami衰落因子m为1时，验证Nakagami衰落信道是否符合瑞利衰落信道的特点；当Nakagami衰落因子m为(K+1)²/(2K+1)时，验证Nakagami衰落信道是否符合莱斯衰落信道的特点。

进一步，所述步骤S3验证Nakagami衰落信道一阶统计特性，包括：分别对求得的Nakagami衰落信道h进行幅值和相角统计分析。由理论可知，瑞利衰落信道幅值统计服从瑞利分布，相角统计服从均匀分布；莱斯衰落信道幅值统计服从莱斯分布，相角统计服从高斯分布，假设瑞利分布、莱斯分布、均匀分布和高斯分布的概率密度函数的特征参数均用σ表示，工程上，在Kolmogorov Smirnov假设检验理论的基础上对Nakagami衰落信道h进行统计验证，其验证方法为：

S31，分别求Nakagami衰落信道h的幅值序列H和相角序列θ；

S32，设定显著性水平α；

S33，通过最小二乘估计法求得参数σ的理论值和对应的置信区间Ω；

S34，分别计算幅值序列H和相角序列θ实际和理论的累积分布函数；

S35，通过Kolmogorov Smirnov(KS)假设检验法进行随机分布验证。

进一步，所述步骤S4验证Nakagami衰落信道二阶统计特性，具体包括：

分别对求得的Nakagami衰落信道h进行自相关和多普勒功率谱分析，主要验证功率谱密度函数的形状和带宽，理论上，当Nakagami衰落因子m为1时，功率谱密度函数为“标准瑞利U型功率谱”，且频谱带宽约为2f_d；当Nakagami衰落因子m为(K+1)²/(2K+1)时，功率谱密度函数为“标准莱斯U型功率谱”并带有多普勒频移的直射信号，且频谱带宽约为2f_d。

本发明与现有建模验证方法相比较具有以下优点：

1、不依赖于简单的仿真图形对比，而是建立在统计学的基础上进行更为科学、准确而有效的方案实施；

2、该测试系统的验证方法主要运用统计学经典KS假设检验方法，可以准确地验证Nakagami衰落信道一阶统计特性的幅值和相角分布类型，并且可以根据显著性水平得出置信区间，能在工程上提供被测量参数的测量值的可信度；

3、该验证方法具有良好的可行性和可实施性，为后续研究其他无线信道衰落模型提供了可靠的验证方案。

附图说明

图1为本发明Nakagami衰落信道的测试系统的仪器连接图；

图2为本发明Nakagami衰落信道验证方法流程图；

图3为本发明m＝1时Nakagami衰落信道的时域幅值波动图；

图4为本发明m＝1时Nakagami衰落信道的一阶统计特性图；

图5为本发明m＝1时Nakagami衰落信道的累积分布函数图；

图6为本发明m＝1时Nakagami衰落信道的二阶统计特性图；

图7为本发明m＝(k+1)²/(2k+1)时Nakagami衰落信道的时域幅值波动图；

图8为本发明m＝(k+1)²/(2k+1)时Nakagami衰落信道的一阶统计特性图；

图9为本发明m＝(k+1)²/(2k+1)时Nakagami衰落信道的累积分布函数图；

图10为本发明m＝(k+1)²/(2k+1)时Nakagami衰落信道的二阶统计特性图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细的描述。

参照图1，本发明Nakagami衰落信道的测试系统，包括信号发生器U1、Nakagami衰落信道模拟器U2和计算机U3，信号发生器U1通过SMA电缆线分别与Nakagami衰落信道模拟器U2及计算机U3单向连接，Nakagami衰落信道模拟器U2通过GPIB通用接口总线与计算机U3单向连接。

信号发生器U1用于输出频率为f，功率适当的正弦波信号x。实施例中信号发生器U1采用Agilent 33511B 2通道20MHz函数信号发生器，测试过程中，信号发生器U1输出频率f为10MHz、功率电平为-10dB的正弦波信号x分别通过SMA电缆线(数据线)传至Nakagami衰落信道模拟器U2和计算机U3。

Nakagami衰落信道模拟器U2用于产生Nakagami衰落信道y，实施例中Nakagami衰落信道模拟器U2采用是德科技FS8信道仿真器，测试过程中，仿真器的衰落模式设置为Nakagami衰落信道，最大多普勒频移f_d为500Hz，损耗为0dB，莱斯因子K为10，相角为90°，Nakagami衰落因子m为1或(K+1)²/(2K+1)即5.76，且打开其中一条Nakagami衰落信道路径通道，关闭其余路径通道；其中，当m为1时，验证Nakagami衰落信道是否符合瑞利衰落信道的特点；当m为5.76时，验证Nakagami衰落信道是否符合莱斯衰落信道的特点；m取值对Nakagami衰落信道分布影响的具体计算过程为本领域技术人员所掌握，在此不再赘述。

计算机U3用于对来自Nakagami衰落信道模拟器U2射频输出的Nakagami衰落信道y进行运算和分析，得出Nakagami衰落信道在时域和频域上的性能指标，以验证该信道模型的准确性。不失一般性的，计算机U3采用PC终端。

参照图2，本发明Nakagami衰落信道验证方法的实施，运算和分析相关数据处理的过程主要在计算机U3终端上进行，其流程包括：S1、开始，S2、验证Nakagami衰落信道时域衰落特性，S3、验证Nakagami衰落信道一阶统计特性，S4、验证Nakagami衰落信道二阶统计特性，S5、结束。

步骤S2验证Nakagami衰落信道时域衰落特性具体包括以下步骤：

由于计算机U3得到的高频正弦波信号x的幅值在一段时间内是稳定波动的，即可通过计算机U3得到的高频信号y的包络求得Nakagami衰落信道h，然后观察Nakagami衰落信道h的幅值波形在时域上是否快速波动，并且该Nakagami衰落信道h的幅值波形(快衰落信号)的波动范围为30dB至-60dB。当Nakagami衰落因子m为1时，其时域衰落特性如图3所示；当Nakagami衰落因子m为5.76时，其时域衰落特性如图7所示。快衰落信号波动范围的具体计算过程为本领域技术人员所掌握，在此不再赘述。

步骤S3验证Nakagami衰落信道一阶统计特性，包括：分别对求得的Nakagami衰落信道h进行幅值和相角统计分析。由理论可知，瑞利衰落信道幅值统计服从瑞利分布，相角统计服从均匀分布；莱斯衰落信道幅值统计服从莱斯分布，相角统计服从高斯分布；假设瑞利分布、莱斯分布、均匀分布和高斯分布的概率密度函数的特征参数均用σ表示，工程上，可在Kolmogorov Smirnov假设检验理论的基础上对Nakagami衰落信道h进行统计验证。不失一般的，其验证方法为：首先，分别求得Nakagami衰落信道h的幅值序列H和相角序列θ；然后设定显著性水平α，通常可设置为0.01；然后通过最小二乘估计法求得参数σ的理论值和对应的置信区间Ω；然后分别计算幅值序列H和相角序列θ实际和理论的累积分布函数；最后通过Kolmogorov Smirnov(KS)假设检验法进行随机分布验证。当Nakagami衰落因子m为1时，其一阶统计特性如图4、5所示，验证结果表明幅值服从瑞利分布，相角统计服从均匀分布；当Nakagami衰落因子m为5.76时，其时域衰落特性如图8、9所示，验证结果表明幅值服从莱斯分布，相角统计服从高斯分布，均与理论分析一致。实际测试仿真结果如表1所示。具体KS假设检验方法的实现为统计学领域技术人员所掌握，在此不再赘述。

表1本发明Nakagami衰落信道的一阶统计特性分布验证结果

步骤S4验证Nakagami衰落信道二阶统计特性，具体包括：分别对求得的Nakagami衰落信道h进行自相关和多普勒功率谱分析。工程上，可验证功率谱密度函数的形状和带宽。理论上，当Nakagami衰落因子m为1时，功率谱密度函数为“标准瑞利U型功率谱”，且频谱带宽等于2f_d；当Nakagami衰落因子m为(K+1)²/(2K+1)时，功率谱密度函数为“标准莱斯U型功率谱”并带有多普勒频移的直射(LOS)信号，且频谱带宽等于2f_d。

实施例中，当m为1时，其二阶统计特性如图6所示，验证结果表明功率谱密度函数为“标准瑞利U型功率谱”，且其频谱带宽约为1000Hz，等于2f_d(理论值)；当Nakagami衰落因子m为(K+1)²/(2K+1)即5.76时，其二阶统计特性如图10所示，验证结果表明功率谱密度函数为“标准莱斯U型功率谱”并带有多普勒频移0Hz的直射(LOS)信号，且其频谱带宽约为1000Hz，等于2f_d(理论值)。

本发明Nakagami衰落信道的验证方法能实现对Nakagami衰落信道模拟器或仿真模型性能的验证，具有良好稳定性和准确性的特点，适用于需要对无线信道建模、仿真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 (5)

1.一种Nakagami衰落信道的测试系统，其特征在于，包括信号发生器、Nakagami衰落信道模拟器和计算机，信号发生器通过SMA电缆线分别与Nakagami衰落信道模拟器及计算机单向连接，Nakagami衰落信道模拟器通过GPIB通用接口总线与计算机单向连接；

所述信号发生器用于输出频率为f的正弦波信号x，正弦波信号x分别通过SMA电缆线传至Nakagami衰落信道模拟器和计算机；

所述Nakagami衰落信道模拟器用于产生Nakagami衰落信道y，测试过程中，Nakagami衰落信道模拟器设置最大多普勒频移f_d、损耗、莱斯因子K、相角、Nakagami衰落因子m，其中m为1或(K+1)²/(2K+1)，且打开其中一条Nakagami衰落信道路径通道，关闭其余路径通道；

所述计算机用于对来自Nakagami衰落信道模拟器射频输出的Nakagami衰落信道y进行运算和分析，得出Nakagami衰落信道在时域和频域上的性能指标，以验证信道模型的准确性。

2.根据权利要求1所述的Nakagami衰落信道的测试系统验证Nakagami衰落信道的方法，其特征在于，主要在计算机上进行运算和分析的数据处理，包括以下步骤：

步骤S1，程序开始，进行参数初始化，设定测试系统的采样频率和载波频率；

步骤S2，验证Nakagami衰落信道时域衰落特性；

步骤S3，验证Nakagami衰落信道一阶统计特性；

步骤S4，验证Nakagami衰落信道二阶统计特性；

步骤S5，程序结束。

3.如权利要求2所述的Nakagami衰落信道的测试系统验证Nakagami衰落信道的方法，其特征在于，所述步骤S2验证Nakagami衰落信道时域衰落特性是在不同的Nakagami衰落因子下，在时域上验证波形波动速率和波动范围，具体包括：

通过计算机得到的高频信号y的包络求得Nakagami衰落信道h，然后观察Nakagami衰落信道h的幅值波形在时域上是否快速波动，并且该Nakagami衰落信道h的幅值波形的波动范围为30dB至-60dB；当Nakagami衰落因子m为1时，验证Nakagami衰落信道是否符合瑞利衰落信道的特点；当Nakagami衰落因子m为(K+1)²/(2K+1)时，验证Nakagami衰落信道是否符合莱斯衰落信道的特点。

4.如权利要求3所述的Nakagami衰落信道的测试系统验证Nakagami衰落信道的方法，其特征在于，所述步骤S3验证Nakagami衰落信道一阶统计特性，包括：分别对求得的Nakagami衰落信道h进行幅值和相角统计分析。由理论可知，瑞利衰落信道幅值统计服从瑞利分布，相角统计服从均匀分布；莱斯衰落信道幅值统计服从莱斯分布，相角统计服从高斯分布，假设瑞利分布、莱斯分布、均匀分布和高斯分布的概率密度函数的特征参数均用σ表示，工程上，在Kolmogorov Smirnov假设检验理论的基础上对Nakagami衰落信道h进行统计验证，其验证方法为：

S31，分别求Nakagami衰落信道h的幅值序列H和相角序列θ；

S32，设定显著性水平α；

S33，通过最小二乘估计法求得参数σ的理论值和对应的置信区间Ω；

S34，分别计算幅值序列H和相角序列θ实际和理论的累积分布函数；

S35，通过Kolmogorov Smirnov假设检验法进行随机分布验证。

5.如权利要求3所述的Nakagami衰落信道的测试系统验证Nakagami衰落信道的方法，其特征在于，所述步骤S4验证Nakagami衰落信道二阶统计特性，具体包括：

分别对求得的Nakagami衰落信道h进行自相关和多普勒功率谱分析，主要验证功率谱密度函数的形状和带宽，理论上，当Nakagami衰落因子m为1时，功率谱密度函数为“标准瑞利U型功率谱”，且频谱带宽约为2f_d；当Nakagami衰落因子m为(K+1)²/(2K+1)时，功率谱密度函数为“标准莱斯U型功率谱”并带有多普勒频移的直射信号，且频谱带宽约为2f_d。