无线通信-信道模型概念

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我是靠谱客的博主干净酸奶，最近开发中收集的这篇文章主要介绍无线通信-信道模型概念，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

通信原理，信道增益

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#Channal Models：

###Additive White Gaussion Noise（AWGN）

加性高斯白噪声 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 是最基本的噪声与干扰模型。

加性噪声：叠加在信号上的一种噪声，通常记为n(t)，而且无论有无信号，噪声n(t)都是始终存在的。因此通常称它为加性噪声或者加性干扰。

白噪声：噪声的功率谱密度在所有的频率上均为一常数，则称这样的噪声为白噪声。

高斯白噪声白噪：声取值的概率分布服从高斯分布。

###Signal Noise Ratio（SNR）

信噪比指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。

###Path Loss

路径损耗是指电磁波在空间传输中能量密度的衰减。它是在分析和设计无线通信系统的链路预算的重要组成部分。

###Shadowing Fading

在移动通信中，由于障碍物阻挡造成的阴影效应，接收信号的强度下降，但该场强中值随地理改变缓慢变化，又称慢衰落。比如在传播环境中的山丘、建筑物等障碍物阻碍，行程电波的阴影区，会造成信号场强中值的缓慢变化，引起衰落。

###Flat Fading

平坦衰落：当信号传输带宽较窄(<10Mb/s)时,可以忽略频率选择性的影响,认为在信号传输带宽内具有相同的电平衰落深度,这种衰落称为平衰落. 平衰落储备是当考虑热噪声的影响时,为保证设备的门限误码率必须留有的电平余量,即自由空间条件下收信电平与门限电平的差值.

###Frequency-selective Fading

频率选择性衰落是指在不同频段上衰落特性不一样。

###Multipath Fading

多径衰落：在通信系统中，由于通信地面站天线波束较宽，受地物、地貌和海况等诸多因素的影响，使接收机收到经折射、反射和直射等多条路径到达的电磁波，这种现象就是多径效应。

###Reyleith Fading

瑞丽衰落：在无线通信信道中，由于信号进行多径传播达到接收点处的场强来自不同传播的路径，各条路径延时时间是不同的，而各个方向分量波的叠加，又产生了驻波场强，从而形成信号快衰落称为瑞利衰落。瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。

###Time-invariant & Time-varying

时不变：平稳的信道或系统，不随时间的变化而变化。

时变性：不稳定的信道或系统，随时间的变化而变化。

###Frequency-domain & Time-domain

Frequency-domain：将信号分解为正弦波，并且用正弦波合成信号。分解或分析就是计算各种频率的正弦波在信号中所占的比例，合成或综合就是根据不同比例的正弦波来合成信号。它引导人们从信号的表面深入到信号的本质，看到信号的组成部分。
应用：
对分解的信号，保留部分幅值比较大的正弦波分量，以备将来恢复信号。
实践中，例如减少表示信号所需的数据、节省存储数据的存储器、节省传输数据的时间、增加通信线路的使用效率等。
合成信号中，例如恢复接收数据的原始信号、合成语音信号、生成图像信号、产生测量信号等。

Time-domain：时域分析是指控制系统在一定的输入下，根据输出量的时域表达式，分析系统的稳定性、瞬态和稳态性能。系统输出量的时域表示可由微分方程得到，也可由传递函数得到。

信道增益
channel gain描述的是信道自身的传输能力特性，与输入输出无关，会随时间或者频率变化。gi^2=Pt/Pr虽然channel gain中包含pathloss，但是他们是两种完全不同的概念，Hata和cost231是pathloss的典型模型。要得到信道具体的channel gain 可以使用一个已知的pilot导频信号经过测试的信道，根据 y=gi·x+n得到channel gain的CSI（信道状态信息）。实际情况下一般不能用函数直接描述channel gain随时间的变化。常见的channel gain模型有flat fading channel 和frequency-selective fading。对于flat fading channel，channel gain随时间变化。对于frequency-selective fading，channel gain随频率变化。通过channel gain和香农定理还可以估计信道的最大传输容量，即在信道增益大时传输更大功率的信号，信道增益小时传输较小功率的信号。

道增益可随/不随时间变化。假设答主处于静止状态下，一直在家里躺着用流量刷抖音，那么此时信道增益可以近似认为不变，因为周边环境没有发生任何变化，电磁波传播路径较为稳定。如果题主处于移动状态，那么信道增益会随收多普勒频移、天线相位、路损、波束成形矢量等因素有关。我硕士研究方向为信道建模、波束管理、大规模MIMO、混合波束成形，有根据3GPP协议完整搭过链路级仿真平台的经验（上、下行控制信道、数据信道、参考信号如SSB、SRS）且平台已经商用，一直也在为本/硕的同学答疑，有什么通信及深度学习、机器学习等方面的问题可以问我，很乐于解答。

一般认为是随时间变化的。和信道特性，发射/接收天线特性都有关系。描述都是根据具体的系统特性描述。

信道中的噪声
1.加性噪声

加性噪声(Additive noise)是信道中存在的不需要的电信号，它独立于信号始终存在。

        影响：加性噪声会使模拟信号失真，数字信号发生错码，限制信息的传输速率。
2.加性噪声分类
按噪声来源分   定义   举例或特性
人为噪声
由人类的活动产生的
    如家电用具产生的电磁波辐射

自然噪声   自然界中存在的各种电磁波辐射
    如大气噪声、宇宙噪声

内部噪声（热噪声）
    主要是系统内部电子器件和导体中自由电子受热不断运动，在运动中和其他粒子碰撞而随机地以折线路径运动，呈现为布朗运动。
    热噪声是由大量自由电子受热激励引起的随机运动产生，其统计特性服从高斯分布，所以热噪声又称为高斯白噪声

按噪声性质分类
    定义   举例或特性
脉冲噪声
    是突发性地产生的，幅度很大，其频谱较宽。
    如电火花；
其不是普遍持续存在，对话音通信影响较小，但对数字通信影响可能较大。

窄带噪声
    来自相邻电台或其他电子设备，其频谱或频率位置通常是确知的或可以测知的。
    窄带噪声只存在特定频率、时间、地点，影响有限。
起伏噪声
    是遍布在时域和频域内的随机噪声。

热噪声、宇宙噪声；

它始终存在

3.窄带高斯噪声

信号解调时，热噪声经过接收机带通滤波器的过滤，变成了带限（bandlimited）白噪声，也称为窄带噪声。由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此窄带噪声又称为窄带高斯噪声。

4、乘性噪声

乘性噪声：与传输信号的关系是相乘的关系，不是独立存在，是伴随着传输信号而出现。
举例：移动无线信道的多径衰落信道，其衰落对传输信号的影响相当于乘性噪声、脉冲编码调制中的量化噪声。

AWGN

AWGN又称加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise)，是最基本的噪声与干扰模型。它的幅度分布服从高斯分布，而功率谱密度是均匀分布的，它意味着除了加性高斯白噪声外，r(t)与s(t)没有任何失真。即H(f)失真的。

中文名
加性高斯白噪声AWGN
外文名
Additive White Gaussian Noise

特    点
    最基本的噪声与干扰模型
幅度分布
    高斯分布

定义

加性高斯白噪声 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 是最基本的噪声与干扰模型。加性噪声：叠加在信号上的一种噪声，通常记为n(t)，而且无论有无信号，噪声n(t)都是始终存在的。因此通常称它为加性噪声或者加性干扰。白噪声：噪声的功率谱密度在所有的频率上均为一常数，则称这样的噪声为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称这样的噪声为高斯白噪声。
简介

AWGN，在通信上指的是一种通道模型（channel model），此通道模型唯一的信号减损是来自于宽带（Bandwidth）的线性加成或是稳定谱密度（以每赫兹瓦特的带宽表示）与高斯分布振幅的白噪声。
白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声，即其功率谱密度为常数。
扩展

AWGN从统计上而言是随机无线噪声，其特点是其通信信道上的信号分布在很宽的频带范围内。
高斯白噪声的概念：“白”指功率谱恒定；高斯指幅度取各种值时的概率p(x)是高斯函数。功率谱密度恒定的话，自相关系数则是功率谱密度的反变换，高斯白噪声的自相关系数为无延时的冲击函数，则在时间差不等于零的时候，自相关等于0，也就是不同时间的高斯白噪声的幅度是不相关的。
y = awgn(x,SNR)
在信号x中加入高斯白噪声。信噪比SNR以dB为单位。x的强度假定为0dBW。如果x是复数，就加入复噪声。
y = awgn(x,SNR,SIGPOWER)
如果SIGPOWER是数值，则其代表以dBW为单位的信号强度；如果SIGPOWER为'measured'，则函数将在加入噪声之前测定信号强度。
y = awgn(x,SNR,SIGPOWER,STATE)
重置RANDN的状态。
y = awgn(…,POWERTYPE)
指定SNR和SIGPOWER的单位。POWERTYPE可以是'dB'或'linear'。如果POWERTYPE是'dB'，那么SNR以dB为单位，而SIGPOWER以dBW为单位。如果POWERTYPE是'linear'，那么SNR作为比值来度量，而SIGPOWER以瓦特为单位