小尺度衰落产生的原因

小尺度衰落产生原因

可伸缩的移动模型透视和无线Ad-Hoc网络中的路由协议性能（Mobility Model Perspectives for Scalability and Routing Protocol Performances in Wireless Ad-Hoc Network）

关键字： Ad-hoc网络可伸缩性移动路由协议

1、介绍

网络的发展刺激了经济的规模。那是因为根据互联网用户或主机的数目，网络用户的花费随着网络规模的增大而减小。Ad hoc 无线网络的可伸缩性引起了许多改变，如移动ad hoc网络（MANET）包括许多能够自由任意并且涉及到动态的编队拓扑中的移动节点。从而MANET构成了一个自主移动系统。并且MANET的一些其他特征如动态拓扑、宽带约束、资源约束和受限的物理安全。从而以上所需的特性可以实现其独特的可伸缩性。

另一个设计可伸缩的ad hoc 网络的主要问题在于那些流动的可移动节点。事实上那些节点的迅速复位和移动也是其中的一个难点所在。不同的流动模型如随机的航路点等问题已经被提出来。再说流动性模型在路由器发送方案的选择上起着主要的影响，从而影响其性能

表现。同时在一些如在场部署和应急响应操作的应用中，ad hoc网络同样能扩充到成百上千的节点。从而拥要有广泛的流动性同时还缺乏有力的指导，纯ad hoc网络连入大型的伸缩节点是其设计中所面临的一个紧急挑战。

移动自组网在是实际中是多跳的。因此自组网络的可伸缩性底层的路由协议直接相关。比如说一个移动自组网络可以通过减少路由协议的开销来实现更好的伸缩性。

所以在这篇论文里面我们调查一下移动自组网的可伸缩性。自从MANET的路由协议在移动自组网的设计中起着关键作用，我们看到了那些在可伸缩条件下的协议表现的问题。也是因为流动性模型对可伸缩性有着巨大影响，我们扩展了MANET在不同的流动模型中的路由协议的表现分析。

全文的组织如下：在第二部分，我们分析了各种不同的MANET路由协议和他们的对应的性能指标。在第三部分，我们描述了不同的流动性模型。在第四部分，纳秒环境下的仿真和结果讨论。第五部分描述了相关工作的一些细节。第六部分，提交论文。

2、MANET路由协议

移动自组网路由协议被分为主动的和反应式的路由协议。主动路由协议尝试着维持最新的彼此节点间的拓扑信息。反之，在反应式路由协议中，路由只有在需要的时候才被源节点创建。我们这部分所讨论的协议是DSDV--一种主动式的协议和DSR、AODV--反应式的路由协议。

2.1 DSDV

DSDV是一种基于古典贝尔曼福特路由机制的表驱动是算法。DSDV 中的主要思想是用距离队列数目来实现无网间协调的自由循环。DSDV 的主要组成如下：

1、一个以单调递增序列为数目依据的老化机理，他所鲜明表示的路线和过去常常被用来避免路由循环并且没有无穷计算问题。

2、充分利用路由更新，每次更新间隔周期性发送，或发送拓扑变化的增量更新。

3、对于路线很可能是不稳定的路由更新有延迟。

对于效率低下的DSDV的原因之一是它限制了节点可以连接到的网络号的定期更新的要求，自增长的开销为O（n2）的影响，因此该协议影响其可扩展性。

2.2 DSR

DSR路由的特点是源路由。这是发送者所知道的点对点的路由到目的地。DSR路由强调积极利用路由缓存中存储的完整路径目标。

源路由提出了无环路的路由像许多优点，避免了需要多达最新路由的中间节点的信息，还允许通过偷听数据包的缓存路由信息的节点。的DSR协议由两个主要机制，路由发现和路由维护。当一个节点要发送数据包到目的地，它使用一个路由发现过程，动态确定由充斥RREQ分组网络的路由。每个节点重播它，除非它是目的地或有到目的地的路线。这样一个节点回复回用一个RREP数据包的源。路由维护是通过执行“路线错误”的数据包和确认使用。

DSR路由算法的目的是为网络中的移动节点以温和的速度移动所造成的包延迟。它运行在网络中，其中有一个相对较小的直径，移动节点可以是混杂接收模式。因此，由于上述假设，因为源路由，路由的可扩展性是其路由规定的挑战。有必要在这两个地方的路线进行答复和数据包造成更大的开销全程控制。同时积极利用路线缓存带有的惩罚。缺乏基本的DSR协议的有效机制，以清除陈旧的路线，这不仅浪费网络带宽，而且造成缓存污染。对于显示性能的研究，陈旧的缓存可以大大损害性能，尤其是在高流动性和/或高负荷方面。

2.3 AODV

AODV协议时基于DSR路由那些通过类似的路由发现过程来发现“所需”路由的条件的。然而，AODV保持着一个传统的路由表--每个目的地的进入。不依靠源路由，AODV依赖于路由表来传播一个RREP回来到源头，随后路由数据包到目的地。AODV协议通过使用序列号的方法来维持每一个目的地的路由信息的更新，以防止路由循环。如果在指定的时间内没有使用的话，路由条目会被会删除。链路故障是传播无限度量的RREP信息到源节点，在那路由将会再次被发现。AODV 协议的一个可选功能是用hello消息来维持相邻节点间的链接。AODV 的纯分布式按需方法是醉倒限度的减少路由表的信息，但是多路由的结果导致其提高。

AODV协议需要使用对称链接，然而当对称链接不可用的时候DSR 可以使用非对称链接。当传输多样化增加的时候，AODV是可用的，这种情况ＤＳＲ是无法应对的。

２.4 协议的性能指标分析

一个协议的性能表现分析的目标是来衡量如路由服务的效率和带宽方面的成本、能源消耗、CPU周期索引。他还关注应用程序的应用性能指标和他们之间的关系如流动模式、通信效率和提供负载因素。因此，这种研究通常是协议的仿真。在这里，我们的目标是评估路由协议的性能并以Broch为指标进行性能的详细分析。

1、封包传输率之间 -由应用层传送到最终目的地的起源包的数量比例。

2、路由开销-路由的目标，每传输的数据包传输的数据包数。

3、最优路径-包到达其目的地的跳点数和当数据包是起源时物理层的存在时的最短路径的长度。

3、流动模型

根据已知的移动模型模拟节点的移动。移动模型的基础直接影响自组网络的路由协议的性能。在下面的章节中我们描述两个已经使用的移动模型即随机路径点移动模型和随机行走反射移动模型。

3.1、随机路径点移动模型

由于随机路径点移动模型被普遍用于调查组织，我们使用随机路径点移动模型来测试。在这个模型中，一个移动节点在模拟区域内以随机速度从它当前位置随机的移动到另一个位置，简单的记为[Vmin,Vmax]。Vmin是指模拟的最小速度，Vmax指最大速度。随机路径点包括选择新位置、新速度的暂停时间。因此一个移动节点到达新节点之后在离开之前要停顿一段时间。

流动性模型中最重要的参数是速度。随机路径点移动模型有一个在（0，Vmax）之间均匀分布的速度，假设的平均速度为Vmax/2。假定这个平均节点速度会在模拟过程中不变。这是并非如此的，在伊和刘的论文中平均速度将会不断降低，并最终达到零。简单的解决方案建议是建立一个积极的最低速度。因此，我们已经使用了稳态随机路径点移动模型。

3.2、反映流动性的随机游动模型

反映流动性的随机游动模型是随机访问移动模型的实例。该模型所描述的导出了稳态分布，并在一个工具中实施，它的输出是直接的NS-2模拟器可用的形式。移动模型与随机漫步反射类似随机航点，但在过渡即时行程，挑选一个节点的方向，行程时间和数字的速度。在给定给定数字的速度旅行期间特定方向移动的节点。如果在旅途中，节点打域边界，它是反映到域。该模型的稳定状态的版本是这样的节点上的立场是一致的领域分布，节点速度为在过渡即时旅行相同的分布。

4、模拟环境

NS - 2的模拟器版本2.29已被用于如DSD、AODV和DSR协议的可扩展的性能分析。基本的MAC协议是由IEEE802.11定义。连续比特率（CBR）的流量来源的使用。所采用的移动模型的稳态随机路点和随机行走在一个长方形的反射场迁移率模型。该区域为1500× 300米的配置，交通生成脚本调用cbrgen.tcl被用来产生速率为4.0 kbps 的CBR的10来源情况。中节点的数目为仿真环境200个节点。至少

有5个方案的稳态随机路点，5个随机游动的情况与反射为0，10，20，30个不同的暂停时间的文件档案，40秒被用于测试如DSDV，AODV 和DSR路由协议。

4.1、模拟结果

DSDV，AODV和DSR可扩展仿真结果在一段暂停时间范围（0,10，20，30，40）秒的速度范围[1,19]航点的稳态和随机[0速度范围，20移动模型与随机反射走]见图1所示。

4.1.1数据包路由开销

AODV和DSR是按需协议并且他们的流动性随开支下降而下降。

由于DSDV路由协议是一个开销随流动率改变的路由协议。

我们还观察到，DSR路由消耗更少的数据包路由的开销相比，AODV 协议，因为使用DSR路由攻击路由缓存。但在高流动率（0秒）暂停时间的路由开销的数目高，因为在DSR路由缓存被陈腐的机会相当高。

4.1.2 封包传输率

从下面图它是清楚地看到，AODV协议在分组优于中模型的运送比其他协议的所有条款。

DSR路由性能高流动率穷人，因为链路故障可能发生非常频繁。也正因为小直径的假设DSR是不是扩展。 DSDV相对着在分组投递率方面效果不佳，因为它使用一个表维护路由信息，它只有一条路线，因此每个目的地的每个数据包的MAC层是无法传递动力的途径

下降，因为没有备用路由。

4.1.3平均端到端延迟

从下面图很清楚，在随机移动模型的所有航点路由协议相比，少用反射随机行走包延迟。

在DSR路由具有较高的封包延迟两种模式。这是因为使用DSR路由选择的多路路线为路线长度的主要标准，而最不喜欢拥挤的AODV 路由。因此，AODV的展品更短的延迟。从上面的图很清楚，DSDV使用路径是接近最佳路线。

在不同的暂停时间DSDV继续执行没有任何关于流动性的最优路由显着巨变。

5、相关工作

航点的随机移动模型分析中发现的J尹的作品。在本文中，他们证明，节点的移动速度是模型的重要参数。实验证明，他们也瞬时速度降低平均结始终在一段时间内，将最终达到了一个模拟1000秒即长期为零。因此，性能分析可能不准确。为了克服这一点，他们提出了一个稍作修改的随机路径点移动模型通过设置一个最小正数，并考虑到初始模拟预热时间。我们曾在这些假设我们的分析以获得稳定的性能措施。在关于完善模拟纸SP的Chaudhri有导出一些随机访问移动模型稳态分布和实施了一个为NS-2工具完美的采样。与反射随机游动是一种随机访问模型，它用来实现稳态措施的具体实例。因此，我们已经采用这种模式也为我们的绩效指标。V诺莫夫在他们的论文

提出了关于在大型DSR和AODV的Ad Hoc网络性能具有不同的节点，不同的行动和通讯车型数量的结果。他们只用随机路径点移动模型。他们的结论是，这两个协议的流量来源证明人数少就数量和密度的节点可扩展性好。但在高流动率DSR路由似乎并没有有效地传递数据包。郭某调查特设网络所具有的可扩展性的问题，源于其多跳的性质。他们的结论是，在一个网络中心分组流量线性相关的网络半径。

6、总结

本文根据目前的模拟可扩展性，在不同的移动模型移动无线路由协议的三个条件的实证结果。我们说，DSDV表现以及数据包和路由开销路径远最优关注，但该数据包传送率是很低的。AODV协议比DSR 路由生成的，它的数据包投递率减少路由开销比DSDV好，但它的最优路径是在两个模型中最穷的。 AODV协议产生的数据包的路由开销相对其他协议最多。对AODV的显着特点是最高的数据包投递率。AODV的最优路径航点是随机的随机比较少走路的反映。总括而言，在某些路由协议的可扩展性展览条件和他们的表现各不相同，是由基础移动模型的影响。

摘要：本文先对小尺度衰落的有关概念进行了解释和梳理，然后就小尺度衰落的产生原因提出了作者自己的看法，并试图通过实验论证自己的观点。

关键词：小尺度衰落，多径时延扩展，多普勒扩展

1、引言

从上世纪60至70年代，贝尔实验室的研究人员提出了蜂窝的概念起，人们开始研究移动通信的信道，移动通信要克服的一大困难就是小尺度衰落，因此，小尺度衰落历来是无线电波传播研究的重要环节。小尺度衰落指的是信号在小尺度区间（距离或时间的微小变化）的传播过程中，信号的幅度、相位和场强瞬时值的快速变化。前人对小尺度衰落进行了很多研究，建立了多种模型，如Ricean 衰落、Reyleigh衰落和Nakagami衰落。

说到小尺度衰落的产生原因，很多人都会想到两个词：多径和多普勒。但是与之相关的一些概念由于表述方式相近，导致人们对这些概念产生了误解，进而也影响到大家对小尺度衰落产生原因的理解。

本文将根据作者的体会，对小尺度衰落的生成原因进行阐述。接下来的一节会说明与多径和多普勒有关的概念，第三节解释小尺度衰落与多径以及多普勒的关系，文章的最后一节将通过实验论证作者的观点。

2、多径和多普勒

多径（multipath），是指在无线信道中，由于反射或者折射，在发射机和接收机之间不会只有单一视距传输路径，会形成的多种不同的传输路径。不难理解，若信号从发射机到接收机有多条传输路径，通过每条路的传播时间以及传播距离就会不同，这可导致各多径分量上，信号到达接收机的时间也不一样。这些路径中肯定存在一条最短路径，则信号通过其它路径到达接收机的时间，肯定会比通过最短路径到达接收机的时间延长，这种时间的延长称为多径时延（multipath time delay）。在各径的时延中，有一部分时延并不大，使得接收机不能把它们跟最早到达的信号解析出来，这些时延信号相加，造成接收信号在时间上宽度扩展，这种现象叫多径时延扩展(delay spread)。

多普勒效应（Doppler effect）是指，当电波传输收发双方有相对运动时，其传输频率随瞬时相对距离的缩短和增长而相应增高和降低的现象。多普勒频移（Doppler shift）说的也就是上述现象，是同一种现象更具体地定义，因为它

把多普勒效应的本质——频率偏移直接描述了出来。把多普勒频移应用到实际的移动通信中，通常，基站相对地面静止，而移动台相对地面运动。通过推导[1]，多普勒频移d f 为：

cos d v

f θλ=? （1）

其中，v 是移动台相对地面的运动速度，λ是无线电波（信号）波长，θ是移动台运动方向和信号入射方向之间的夹角。由公式（1），我们可以看出，多普勒频移d f 与收发双方相对运动速度、信号波长和信号入射方向与相对运动方向之间

的夹角有关。当具有相对运动的收发双方之间的信号传输是通过多条路径时，每个分量到达接收机的角度θ会各不相同，进而导致每个分量产生的多普勒频移d f 也不一样，这些信号相加，从频域角度来看，跟发送信号相比，接受信号的频谱展宽了，这个频域上扩展的宽度就叫多普勒扩展。

3、小尺度衰落的产生原因

有了对上述概念的梳理，现在回到问题“小尺度衰落是否由多径和多普勒联合引起？”上来。首先，这个表述是不准确的，因为正如上文所提到的，与多径和多普勒有关的概念十分繁多，我们不能确定问题所涉及的是哪两个，我也就不在此片面的回答“是”或“否”。下面将讨论我对小尺度产生原因的一些看法。

3.1 基于多径时延扩展的小尺度衰落

信号经过多径传播后，入射电波从不同的方向传播到达，具有不同的传播时延，接收机所收到的信号都由许多平面波组成，他们具有随机分布的幅度、相位和入射角度。设()s t 是发射机发送的信号，则信号经过多径传播后被接收机接收到的信号()y t 可表示为：

1()()n

i i i y t a s t τ==-∑ （2）

其中，n 是多径数，i a 和i τ分别是通过信号第i 条路径到达的幅度和时间。若令发送信号()j t s t e ω=，那么：

11()()()i n n

j j t j t i i i i i y t a s t a e e H e ωτωωτω-===-==∑∑ （3）

其中1()i n

j i i H a e ωτω-==∑。

实际接收的信号是由这些多径成分被接收机天线相加合并而成的，所以各多径分量之间会互相影响，这种影响根据各分量的相位状态，可能是积极地，也可能是消极的。相位状态与传播路程有很大关系。依据我们所学过的物理知识，如果两个多径分量路程之差为波长的整数倍（n λ），那么这两个分量会产生最大的积极影响；如果路程之差为半波长加波长的整数倍（2

n λλ+），分量会产生最大的消极影响。路径长度的随机性会导致相位变化的随机性，进而导致各分量之间互相影响积极与否的随机性，最终会导致实际接收信号的强度在经过短距或短时传播后产生多达几十dB 的剧烈变化，即小尺度衰落。

通过对信号带宽S B 与信道相干带宽C B 的比较，以及时延扩展S T 与符号周期

τσ的比较，基于时延扩展的小尺度衰落可分为频率选择性衰落和平坦衰落。

频率选择性衰落的条件是：

S C B B >

S T τσ<

即信号带宽大于信道相干带宽，信号的符号周期小于时延扩展。此时，从频域上看，接收信号()R f 的宽度与信道传输函数()H f 相等，比发送信号()S f 的带宽要窄，所以出现了频率选择。也就是说，信号进入信道环境后，接收信号的频率范围和信道环境的频率有很大关系。

相反地，平坦衰落也称非频率选择性衰落，它的条件是：

S C B B <<

S T τσ>>

即信号带宽远小于信道的相干带宽，信号的符号周期远大于时延扩展。发送的信号()S f 与信道的传输函数()H f 经过频域的相乘之后，留下来带宽小的东西，也

就是信号的东西，因此接收到的信号()R f 的幅度虽然有所变化，但频谱却和原来发射信号的频谱类似。

3.2 基于多普勒扩展的小尺度衰落

当多径特性遇到多普勒效应，根据公式（1），入射角度的不同导致各多径分量的多普勒频移也不同。令第i 个分量的多普勒频移为i f ，则角频率2i i f ωπ=，类比公式（3），接收信号就变成了：

1()(,)i i n j j t j t j t i i y t e

a e H t e ωτωωωω-+===∑ （4）

其中1

(,)i i n j j t i i H t a e ωτωω-+==∑，信道的传输函数不再是时谐的，而变成了时变的。

这种信道的时变特性，增大了各分量之间互相影响积极与否的随机性，带来了小尺度衰落的另一种考察机制。根据发送的基带信号与信道变化快慢程度，信道可分为快衰落信道和慢衰落信道。数学上，是通过对信号的符号周期S T 与相干时间C T 作比较，以及信号带宽S B 与多普勒扩展D B 作比较进行区分的。

快衰落又叫时间选择性衰落，它的条件是：

S C T T >

S D B B <

即信号的符号持续周期大于相干时间，信号带宽小于多普勒扩展。此时，信道冲激响应在符号周期内快速变化，从而导致信号失真。从频域来看，信号失真会随着多普勒扩展对发送信号带宽影响的增加而增加。

慢衰落又叫非时间选择性衰落，它的条件是：

S C T T <<

S D B B >>

即符号周期远小于相干时间，信号带宽远大于多普勒扩展。信道冲激响应的变化比发送的基带信号的变化要慢很多。在这种情况下，在一个或多个符号周期时间间隔内，我们可以假设信道是静态的。

4、实验

我们先看看基于多径时延的小尺度衰落。由于多径信道的特性受收发双方的相对距离的影响，因此信道的传输函数也与收发双方的距离有关，下图描述的是信道传输函数的幅值与收发双方距离的关系，为了方便，只设了两条路径，其中信号频率f=1GHz ，发送信号的基站高度10t h m =，接收信号的移动台高度2r h m =。

图 1

根据条件，易得信号波长/0.17c f m λ==，考虑到路径数设得比较少，上图的|H|基本上可以算作是波长量级的巨大变化。若对此信道发送一个宽带信号，则接收信号强度关于距离d 的变化将与上图的变化趋于一致。这也说明了在没有多普勒的情况下，小尺度衰落是可以产生的。

再假定时延扩展τσ分别为5s μ和0.5s μ的两种情况，每种情况都是分为六条路径传输：

图2

从图2中可以看出信号在第一种信道传输时产生了频率选择性衰落，输出信号的频谱和幅度都发生了较大变化；在第二种信道传输时产生了平坦衰落，输出信号的幅度有所变化，但频谱形状和输入信号差别不大。

再来看看基于多普勒扩展的小尺度衰落。

图3

从图3a中可以看出，当只有多普勒效应而不存在多径的时候，接收信号的包络几乎不发生改变。由图3b、图3c和图3d，多普勒扩展越大，信号在时域上的衰落就越快，导致信号的失真越严重。

5、小结

总之，作者认为产生小尺度衰落的根本原因只是多径因素。多径特性造成的多径时延扩展会引起时间色散，导致信号在频率上的衰落特性（平坦衰落或频率选择性衰落）；多径传播与多普勒频移相结合产生的多普勒扩展会引起频率色散，导致信号在时间上的衰落特性（快衰落或慢衰落）。可见，多普勒效应只是在多径的基础上使得衰落问题更加复杂并带来更大的不确定性。基于多径时延扩展的小尺度衰落和基于多普勒扩展的小尺度衰落是两种不同的传播机制，这两种机制彼此独立。

REFERENCES

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小尺度衰落产生的原因分析

小尺度衰落产生原因 可伸缩的移动模型透视和无线Ad-Hoc网络中的路由协议性能（Mobility Model Perspectives for Scalability and Routing Protocol Performances in Wireless Ad-Hoc Network） 关键字： Ad-hoc网络可伸缩性移动路由协议 1、介绍 网络的发展刺激了经济的规模。那是因为根据互联网用户或主机的数目，网络用户的花费随着网络规模的增大而减小。Ad hoc 无线网络的可伸缩性引起了许多改变，如移动ad hoc网络（MANET）包括许多能够自由任意并且涉及到动态的编队拓扑中的移动节点。从而MANET构成了一个自主移动系统。并且MANET的一些其他特征如动态拓扑、宽带约束、资源约束和受限的物理安全。从而以上所需的特性可以实现其独特的可伸缩性。 另一个设计可伸缩的ad hoc 网络的主要问题在于那些流动的可移动节点。事实上那些节点的迅速复位和移动也是其中的一个难点所在。不同的流动模型如随机的航路点等问题已经被提出来。再说流动性模型在路由器发送方案的选择上起着主要的影响，从而影响其性能

表现。同时在一些如在场部署和应急响应操作的应用中，ad hoc网络同样能扩充到成百上千的节点。从而拥要有广泛的流动性同时还缺乏有力的指导，纯ad hoc网络连入大型的伸缩节点是其设计中所面临的一个紧急挑战。 移动自组网在是实际中是多跳的。因此自组网络的可伸缩性底层的路由协议直接相关。比如说一个移动自组网络可以通过减少路由协议的开销来实现更好的伸缩性。 所以在这篇论文里面我们调查一下移动自组网的可伸缩性。自从MANET的路由协议在移动自组网的设计中起着关键作用，我们看到了那些在可伸缩条件下的协议表现的问题。也是因为流动性模型对可伸缩性有着巨大影响，我们扩展了MANET在不同的流动模型中的路由协议的表现分析。 全文的组织如下：在第二部分，我们分析了各种不同的MANET路由协议和他们的对应的性能指标。在第三部分，我们描述了不同的流动性模型。在第四部分，纳秒环境下的仿真和结果讨论。第五部分描述了相关工作的一些细节。第六部分，提交论文。 2、MANET路由协议 移动自组网路由协议被分为主动的和反应式的路由协议。主动路由协议尝试着维持最新的彼此节点间的拓扑信息。反之，在反应式路由协议中，路由只有在需要的时候才被源节点创建。我们这部分所讨论的协议是DSDV--一种主动式的协议和DSR、AODV--反应式的路由协议。

(精选)信道衰落模型汇总

简单模型2种：常量（Constant ）模型和纯多普勒模型 1. 常量（Constant ）模型： 常量模型既没有衰落，也没有多普勒频移，适用于可预测的固定业务无线信道。其幅度分布的概率密度函数（PDF ）为： 0(r)A (r r ) p δ=- 式中r 为信道响应的幅度，A 为概率常数。 常量模型的多普勒谱为： ()db d f P B f δ= 式中fd 为最大多普勒频移，f 为基带频率，B 为常数。 2. 纯多普勒模型： 纯多普勒模型无衰落，但有多普勒频移，适用于可预测的移动业务无线信道。其幅度分布与常量模型相同，多普勒谱为： ()x db d d f f P C f f δ=-，C 为常数。 由于移动通信中移动台的移动性，无线信道中存在多普勒效应。在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低。我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。虽然，由于日常生活中，我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这不可否认地会给移动通信带来影响，为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了移动通信的复杂性。 3. 瑞利模型： 瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel ）是一种无线电信号传播环境的统计模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络服从瑞利分布。这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。瑞利衰落只适用于从发射机到接收机不存在直射信号（LoS ，Line of Sight ）的情况，否则应使用莱斯衰落信道作为信道模型。在无线通信信道环境中，电磁波经过反射折射散射等多条路径传播到达接收机后，总信号的强度服从瑞利分布。 同时由于接收机的移动及其他原因，信号强度和相位等特性又在起伏变化， 故称为瑞利衰落。

VANET网络中小尺度衰落信道仿真

2010年第12期，第43卷 通 信 技 术 Vol.43，No.12,2010 总第228期 Communications Technology No.228,Totally VANET网络中小尺度衰落信道仿真 熊 飚， 张小桥 (南昌大学 计算机技术研究所，江西 南昌 330029) 【摘 要】车载网络（VANET）是智能交通系统的核心部分，能够提高道路交通的安全性与高效性。分析电波在VANET网络中的传播特点，着重分析该网络中双移动节点间的小尺度衰落信道，包括多普勒功率谱模型和用成型滤波器法仿真VANET 网络中小尺度衰落信道特性，给出经历该信道后接收信号的包络。仿真结果表明，随着移动车辆速度比增大，接收信号衰落更深。该结果对于VANET网络下无线多媒体业务性能评估有着重要的作用。 【关键词】车载网络；无线电波；小尺度衰落信道 【中图分类号】TN929.25 【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2010)12-0056-02 Simulation on Short-term Fading Channel for Radio Link between Dual Mobile Nodes in VANET XIONG Biao， ZHANG Xiao-qiao (School of Computer Institute, Nanchang University, Nanchang Jiangxi 330029, China) 【Abstract】Vehicle Ad Hoc Network(VANET) is the key part of intelligent transportation system (ITS), which can improve the safety and effectiveness of road traffic. The paper analyzes the propagation performance of radio signal in VANET, with focus on the short-term fading channel for radio link between dual mobile nodes, including the Doppler spectrum model and the received-signal envelop under the short-term fading channel for radio link based on IFFT method. The simulation results show that, with the increasing speed of moving vehicle, the wireless channel becomes worse. The results could serve as a valuable reference for performance evaluation of wireless multi-media traffic in VANET. 【key words】VANET; radio wave; short-term fading channel 0 引言 创造性的将移动自组网及无线传感器网络技术应用于车辆，使得传统的用于交通角色的车辆变成“智能终端”，即形成车载自组网。V ANET网络是智能交通系统 (ITS )的核心部分，旨在提高道路交通的安全性与高效性，同时提高旅客出行的舒适性[1]，具有巨大的潜在商业价值。在2003年ITU-T的汽车通信标准化会议上，各国专家提出车载自组网技术有望在2010年将交通事故引起的损失降低50%[2] 。 相比较于传统的无线蜂窝网络，V ANET网络具有无中心性、双高速移动节点和节点的移动模型可预见性等独特特点，使得V ANET网络的拓扑结构具有快速的动态变化性，这些导致V ANET网络运行环境更复杂，应用于V ANET网络的关键技术存在很大的难点，特别是在实现服务质量(QoS)和安全性方面。关于V ANET网络技术的研究已经成为近十年的最热门的研究课题之一，然而对于研究V ANET网络首先需要解决的问题——无线电波在V ANET网络环境中的传播特点，并没有得到很好的研究。 首先，V ANET由于其自身独特特点（节点高速移动、拓扑结构快速动态变化和运行环境的更复杂性等）使得V ANET中的无线电波传播特性与传统无线蜂窝网络中的无线电波传播特性有所不同。其次，通信过程是信号与噪声通过通信系统(无线传播环境)的过程，对通信过程的研究就离不开对无线传播环境中的无线电波传播特点的研究。另一方面，文献[3]综合研究MANET物理层因素对其他各层的影响。文献[4]具体研究了MANET物理层特性对MAC层的重要作用。故对V ANET网络中电波传播特性的研究是很有必要的。 收稿日期：2010-04-22。 作者简介：熊 飚（1978-），男，学士，主要研究方向为计算机网络及短距无线通信；张小桥（1989-），学士，主要研究方向为无 线电波传播及其工程应用。 56

小尺度衰落产生的原因

小尺度衰落产生原因 作者：白舸 摘要：本文先对小尺度衰落的有关概念进行了解释和梳理，然后就小尺度衰落的产生原因提出了作者自己的看法，并试图通过实验论证自己的观点。 关键词：小尺度衰落，多径时延扩展，多普勒扩展 1、引言 从上世纪60至70年代，贝尔实验室的研究人员提出了蜂窝的概念起，人们开始研究移动通信的信道，移动通信要克服的一大困难就是小尺度衰落，因此，小尺度衰落历来是无线电波传播研究的重要环节。小尺度衰落指的是信号在小尺度区间（距离或时间的微小变化）的传播过程中，信号的幅度、相位和场强瞬时值的快速变化。前人对小尺度衰落进行了很多研究，建立了多种模型，如Ricean 衰落、Reyleigh衰落和Nakagami衰落。 说到小尺度衰落的产生原因，很多人都会想到两个词：多径和多普勒。但是与之相关的一些概念由于表述方式相近，导致人们对这些概念产生了误解，进而也影响到大家对小尺度衰落产生原因的理解。 本文将根据作者的体会，对小尺度衰落的生成原因进行阐述。接下来的一节会说明与多径和多普勒有关的概念，第三节解释小尺度衰落与多径以及多普勒的关系，文章的最后一节将通过实验论证作者的观点。 2、多径和多普勒 多径（multipath），是指在无线信道中，由于反射或者折射，在发射机和接收机之间不会只有单一视距传输路径，会形成的多种不同的传输路径。不难理解，若信号从发射机到接收机有多条传输路径，通过每条路的传播时间以及传播距离就会不同，这可导致各多径分量上，信号到达接收机的时间也不一样。这些路径

中肯定存在一条最短路径，则信号通过其它路径到达接收机的时间，肯定会比通过最短路径到达接收机的时间延长，这种时间的延长称为多径时延（multipath time delay ）。在各径的时延中，有一部分时延并不大，使得接收机不能把它们跟最早到达的信号解析出来，这些时延信号相加，造成接收信号在时间上宽度扩展，这种现象叫多径时延扩展(delay spread)。 多普勒效应（Doppler effect ）是指，当电波传输收发双方有相对运动时，其传输频率随瞬时相对距离的缩短和增长而相应增高和降低的现象。多普勒频移（Doppler shift ）说的也就是上述现象，是同一种现象更具体地定义，因为它把多普勒效应的本质——频率偏移直接描述了出来。把多普勒频移应用到实际的移动通信中，通常，基站相对地面静止，而移动台相对地面运动。通过推导[1]，多普勒频移d f 为： cos d v f θλ=? （1） 其中，v 是移动台相对地面的运动速度，λ是无线电波（信号）波长，θ是移动台运动方向和信号入射方向之间的夹角。由公式（1），我们可以看出，多普勒频移d f 与收发双方相对运动速度、信号波长和信号入射方向与相对运动方向之间 的夹角有关。当具有相对运动的收发双方之间的信号传输是通过多条路径时，每个分量到达接收机的角度θ会各不相同，进而导致每个分量产生的多普勒频移d f 也不一样，这些信号相加，从频域角度来看，跟发送信号相比，接受信号的频谱展宽了，这个频域上扩展的宽度就叫多普勒扩展。 3、小尺度衰落的产生原因 有了对上述概念的梳理，现在回到问题“小尺度衰落是否由多径和多普勒联合引起？”上来。首先，这个表述是不准确的，因为正如上文所提到的，与多径和多普勒有关的概念十分繁多，我们不能确定问题所涉及的是哪两个，我也就不在此片面的回答“是”或“否”。下面将讨论我对小尺度产生原因的一些看法。 3.1 基于多径时延扩展的小尺度衰落 信号经过多径传播后，入射电波从不同的方向传播到达，具有不同的传播时

矿井宽带无线信道小尺度衰落特性分析

矿井宽带无线信道小尺度衰落特性分析 【摘要】现有的矿山通信系统分为有线与无线系统，前者是以线缆为媒介的通信形式，因其抗干扰力强、信号传输稳定的特点，长期以来一直是为矿山通信的重要形式，同时利用光纤等成熟技术很容易实现宽带化升级改造。但是，根据矿山生产实际情况，特别是井下生产特点，有线通信系统存在着许多局限性，如架线繁杂，缺乏灵活性，易受损，影响着系统有效运行。所以，大力发展矿井无线通信技术，是矿井通信的现实需求和未来发展方向。 【关键词】矿井通信；信号传输；技术先进；经济合理；大尺度衰落；小尺度衰落 0 引言 近些年，随着“数字矿山”建设的稳步推进，对承载传输信息的矿山通信系统提出更高的要求。也就是说，现有的矿山通信系统，即单纯的话音和简单监测监控数据传输的矿山窄带通信系统已无法满足这种发展要求，矿山通信系统的宽带化（也就是高传输速率、大传输容量、低误码率、高实时性）已是发展的趋势。 1 矿井无线信道传播特性 1.1 大尺度衰落 当移动接收端在大的距离范围（一般的距离为大于几十个波长的范围）内移动时，由于机车、风门、立柱、综采机等障碍物对电波的遮挡所造成的电磁波传播阴影而引起的衰落，通常称为阴影衰落。这种衰落现象表现为，平均接收信号场强中值的变化，因此也称之为长期衰落或大尺度衰落。大尺度衰落主要受发射机和接收机之间的距离和周围的地物环境的影响。 1.2 小尺度衰落 电磁波信号在巷道环境中传播，大量的反射分量和散射分量造成了电磁波多路径传播，是矿井无线信道信号传输的主要形式，当移动台在一个小的范围内（一般小于几十个波长距离）运动时，引起接收信号的幅度、相位和到达角度的快速起伏变化，这种衰落通常称之为小尺度衰落。它是信号多径传播衰落现象最为直接的表现结果。 2 矿井宽带无线信道小尺度衰落特性 2.1 描述小尺度衰落的参数 描述矿井无线信道三组参数为：时延扩展（相关带宽），多普勒扩展（相关时间）和角度扩展（相关距离）。它们可以用包络相关函数来确定。包络的相关

小尺度衰落信道解读

156 第六章小尺度衰落信道 前面已经介绍无线信道的传播模型可分为大尺度（Large-Scale）传播模型和小尺度（Small-Scale）衰落两种[2]，三、四、五章已经介绍了大尺度传播。所谓小尺度是描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内接收信号强度快速变化的；而移动无线信道的主要特征是多径，由于这些多径使得接收信号的幅度急剧变化，产生了衰落，因此，本章将介绍小尺度衰落信道，这对我们移动通信研究中传输技术的选择和数字接收机的设计尤为重要。 本章将先介绍小尺度的衰落和多径的物理模型和数学模型，使读者从概念上清楚地认识移动无线信道的主要特点，并建立一个统一的数学模型，为以后讨论各种模型奠定基础；接着将介绍移动多径信道的三组色散参数——时间色散参数(时延扩展，相关带宽)、频率色散参数(多普勒扩展，相关时间)、角度色散参数(角度扩展，相关距离)，为之后的信道分类奠定了基础；接下来介绍衰落信道的一阶包络统计特性、二阶统计特性，大量的实测数据表明，在没有直达路径的情况下（如市区），信道的包络服从瑞利分布，在有直达路径的情况下（如郊区），信号包络服从莱斯分布，因此，一阶包络统计特性主要介绍瑞利衰落分布和莱斯衰落分布，二阶统计特性主要介绍一组对偶参数——时间电平交叉率和平均衰落持续时间，简要介绍其他两组对偶参数——频域电平交叉率和平均衰落持续带宽，空间电平交叉率和平均衰落持续距离；在已经介绍了多径信道的三组色散参数之后，将介绍小尺度衰落信道相对应的不同分类。 6.1 衰落和多径 6.1.1 衰落和多径的物理模型 陆地移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到很多建筑物，树木以及起伏的地形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射，散射及绕射等，这样，移动信道是充满了反射波的传播环境。到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时同相迭加而加强，有时反向迭加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。 移动信道的多径环境所引起的信号多径衰落，可以从时间和空间两个方面来描述和测试。从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离变动而衰减。其中，本地反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变化，其局部均值为随距离增加而起伏的下降的曲线，反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散损耗。 从时域角度来看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间就不同。这样，如从基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉冲，而且还包含它的各个时延信号。这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展的现象，称为时延扩展。扩展的时间可以用第

移动衰落信道现状与发展

1.2研究现状分析 近年来，常用的信道建模方法可以分为两类:第一类是统计模型，它总结了建筑地形的统计特性(包括建筑物本身)，这种无线传播的统计描述包括地形和多次反射、散射、衍射的次数等；第二类是确定性射线跟踪模型，它利用了从地形 中各个障碍点到达接收机的多条射线进行直接计算，在接收点统计多条射线，以得到接收信号的统计特性，包括幅度、相位等，这样得到的结果十分精确。第二 种方法在未对环境进行功率测量的情况下就可以进行建模，因此比较省时方便。 使用统计模型来对无线信道建模的研究分析比较早。最早出现的是瑞利模 型、莱斯模型和对数正态模型，其中前面两个模型都是针对小尺度衰落而建立的，而对数正态模型则是针对大尺度衰落而建立的。后来随着人们对无线信道建模精确性要求的提高，越来越多的统计混合模型出现了，但都是以这三个模型为基础。 1960年Nakagami.M提出了以其名字命名的模型，这种衰落信道模型适用性十分广泛，比瑞利、莱斯和对数正态模型更适应复杂的环境，Suzuki提出瑞利对数正态模型，该模型同时反映了大尺度衰落和小尺度衰落的特性，描述了这样一种传播场景，在发射端发射的信号主波经过几次反射和衍射后，达到了一个建筑物密集的地方，主波由于当地物体的散射、衍射等的结果将会分为许多子路径。 模型令发射端到小区的路径服从对数正态分布，因为路径经历了乘法效应；而当地路径由于是加性散射效应导致的，服从瑞利分布；这时接收信号的包括服从瑞利一对数正态模型。 第一个移动信道多径统计模型是由Ossana在1964年提出，它基于入射波和建筑物表面随机分布的反射波相互干涉的原理。但该模型假设在收发之间存在一条直射路径，且反射的角度局限于一个严格的范围之内，所以该模型对于市区传播环境来说，既不方便也不准确。后来Clarke建立了移动台接收信号场强的统计特性是基于散射的统计模型，他认为接收端的电磁波由N个平面波组成，这些平面波具有任意载频相位、入射方位角及相等的平均幅度，Clarke模型已经被广泛使用。 以上都是针对小尺度衰落的统计模型，在大尺度衰落的统计建模方面的研究

移动通信中的衰落和抗衰落技术

移动通信中的衰落和抗衰落技术小结 衰落的起因 移动通信的传输媒介是发射机和接收机之间的无线信道，主要传播方式有直射、反射、绕射、散射等。信号从发射机到接收机就会有很多不同的传播路径，信号经过每条路径的幅度和时延都不相同，多径分量之间有着不同的相移，这种现象叫做多径传播。 接收机无法辨别不同的多径分量，只是简单地把它们叠加起来，以至于彼此间相互干涉，这种干涉或相消或相长，会引起合成信号幅度的变化，这种效应--由不同的多径分量引起合成信号幅度的变化--称为小尺度衰落。 由于电磁波经过建筑传输，导致直射波的多径分量的幅度大大降低，这种效应叫做阴影效应，会导致大尺度衰落。 多径在宽带系统中的影响可采用两种不同的方式解释：1、信道传输函数随带宽而变化，也称为信道的频率选择性；2、信道的冲激响应会有延迟，即时延色散。两种解释互为傅里叶变换。 相干带宽定义为相关系数小于一定门限的频率差，相干时间也是如此。系统带宽大于相干带宽就会产生频率选择性衰落，小于相干带宽产生平坦衰落。由相干时间决定的也会产生快衰落和慢衰落。 抗衰落技术 分集技术 RAKE接收 纠错编码技术 均衡技术 分集 分集的基本原理就是同一信息通过多个统计独立的信道到达接收机，用两个及以上的天线去接收，如果其中一路发生了衰落深陷，另外一路有可能没有，这样，就降低了中断概率，改善了接收端SNR的统计特性。 分集分为宏分集和微分集。宏分集一般用于克服大尺度衰落，微分集用于克服小尺度衰落。常见的微分集方法： 空间分集：利用空间分离的天线。 时间分集：接收不同时刻的发送信号。 频率分集：在不同载频上传输信号。 角度分集：使用不同天线方向图的多个天线。 极化分集：多个天线接收不同方向的信号。 分集后的处理：1、选择合并。选择并处理最佳的副本信号，其余副本全部丢弃。2、合并分集。合并所有的信号，再对合并的副本进行解码。 RAKE接收 RAKE接收本质上也是一种多径分集接收机。RAKE接收机所作的就是：通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起。图为一个RAKE接收机，它是专为CDMA系统设计的经典的分集接收器，其理论基础就是：当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可被看作是互不相关的。带DLL的相关器是一个具有迟早门锁相环的解调相关器。迟早门和解调相关器分别相差±1/2（或1/4）个码片。迟早门的相关结果相减可以用于调整码相位。延迟环路的性能取决于环路带宽。 纠错编码技术

数字通信复习(基本概念)

《数字通信》复习－基本概念 一、系统方面 1、数字通信系统可靠性和有效性的评价指标是什么？ 2、在AWGN信道条件下最佳接收准则。 3、二进制数字调制系统最佳接收机的类型及其结构。 4、MLSE接收机的原理结构框图。 5、分析最佳接收机有哪两种基本的方法？给予简要说明。 6、什么是奈奎斯特准则？满足奈奎斯特准则的最常用的传输特性是什么？ 7、在AWGN信道条件下最佳基带传输系统的发送和接收滤波器是什么样的滤波器？ 8、部分响应信号设计的基本思想是什么？部分响应系统中预编码器的作用是什么？ 9、二进制数字传输系统的误比特率性能分析方法及性能公式。 10、什么是等效低通的分析方法。 二、信号与噪声 1、带通信号的三种表达式。 2、窄带高斯噪声的三种表达式及统计特性。 3、如何在信号空间中表示数字调制信号？ 4、信号波形相关系数的计算。 5、调制方式：线性与非线性调制，无记忆与有记忆调制，正交调制。 6、线性数字调制信号功率谱与什么因素有关？ 7、QAM数字调制系统的发送机和接收机的结构。 8、MSK信号的特点是什么？ 三、滤波器（匹配滤波器、升余弦滤波器、线性滤波器信道、均衡器） 1、匹配滤波器：依据的准则、最佳传输函数、输出信噪比和常用的基本性质。 2、升余弦滤波器：奈氏带宽，截止频率，滚降因子，符号速率等参数。 3、描述线性滤波器信道的主要特性是什么？ 4、在数字调制系统中线性滤波器信道的等效低通数学模型。 5、在QAM系统中分析线性滤波器信道符号间干扰的特点。 6、线性均衡器的两个基本准则是什么？各有什么特点？ 7、自适应均衡器在结构上有哪几种基本类型？非线性均衡器是什么概念？ 8、LMS算法的表达式。基于LMS算法的线性均衡器的结构。

思考题：小尺度衰落的功率分布函数

思考题：小尺度衰落的功率分布函数 因为实部和虚部相互独立都服从于复高斯分布，所以信号的幅值服从瑞利分布，而瞬时功率为幅值的平方关系，即实部与虚部的平方和。根据概率论所学的知识，我们知道若n个相互独立的随机变量ξ1，ξ2，…，ξn ，均服从标准正态分布，则这n个服从标准正态分布的随机变量的平方和∑ξi∧2构成一新的随机变量，其分布规律称为χ2(n)分布。所以功率谱的分布应该服从于卡方分布。 Matlab仿真： N=1e6; x=randn(1,N); y=randn(1,N); r=sqrt(0.5*(x.^2+y.^2)); step=0.1; t=0:step:3; h=hist(r,t); fr_approx=h/(step*sum(h)); fr=(t/0.5).*exp(-t.^2); plot(t,fr_approx,'ko',t,fr); grid;

或者用matlab自带瑞利分布函数 x = [0:0.01:3]; p = raylpdf(x,0.5); plot(x,p); grid; 后面的卡方分布我也不知道自己写的对不对，百度了一下卡方分布的matlab函数，chi2cdf 和chi2pdf前者是累计分布函数，后者是概率密度函数。 N=1e6; x=randn(1,N); y=randn(1,N); r=sqrt(0.5*(x.^2+y.^2)); step=0.1; t=0:step:3; h=hist(r,t); fr_approx=h/(step*sum(h)); fr=(t/0.5).*exp(-t.^2); plot(t,fr_approx,'ko',t,fr); hold on; plot(t,fr_approx,'ko',t,chi2cdf(t,2)); grid;

实验五 2017多径瑞利衰落信道性能

实验报告 哈尔滨工程大学教务处制

实验五 无线多径信道特性及模型设计 一、实验目的 实验验证多径信道时间选择性和频率选择性特性，验证多径衰落信道模型。 二、实验原理 在陆地移动通信中，移动台往往受到各种障碍物和其他移动体的影响，以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和。 而描述这样一种信道的常用信道模型便是瑞利衰落信道。 瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel ）是一种无线电信号传播环境的统计模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，表现为“衰落”特性，并且多径衰落的信号包络服从瑞利分布。由此，这种多径衰落也称为瑞利衰落。 这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。瑞利衰落只适用于从发射机到接收机不存在直射信号的情况，否则应使用莱斯衰落信道作为信道模型。假设经反射（或散射）到达接收天线的信号为N 个幅值和相位均随机的且统计独立的信号之和。其典型信道模型为Clarke 信道模型。 Clarke 信道模型是用于描述小尺度衰落的一种平坦衰落信道模型，即瑞利衰落信道。其移动台接收信号强度的统计特性是基于散射的，这正好与市区环境中的无直视通路的特点相吻合，因而广泛应用于市区环境的仿真中。 在Clarke 模型中，基站和移动台之间的传播环境的主要特征是多径传播，不存在直射路径，只存在散射路径，使到达波都经历了相似的衰落，具有几乎相等的幅度，但具有不同的频移和入射角。 移动台的移动使得每个到达波都经历了多普勒频移，假设发射天线是垂直极化的，入射到移动台天线的电磁场由N 个平面波组成。对于第n 个以角度n α到达的x 轴的入射波，多普勒频移为： cos n n v f αλ = (1) 式中，λ为入射波波长，v 为移动台运动速度。到达移动台的垂直极化平面波的场强分量为： 01 E cos(2)N z n c n n E C f t πθ==+∑ ( 2) 式中，E 0为本地平均电场的实数幅度；C n 为不同电波幅度的实数随机变量；f c 为载波频率。第n 个到达分量的随机相位为： 2n n n f t θπφ=+ ( 3) n φ为随机变量，其在[0, 2π]间隔内有均匀的概率密度函数1()2n p φπ=， （πθ20≤≤）。对C n 进行归一化： 2 1 1N n n C ==∑ ( 4)