無線信道建模的研究方法簡介

劉蕾蕾（南京郵電大學電子科學與工程學院 江蘇 南京 210003）

0 引言

一切無線通信都是基于電磁波在空間的傳播來實現信息傳輸的。電磁波在自由空間中的傳播主要有直射、反射、散射和漫射四種方式，其結果使得到達接收機的接收信號與發送信號相比產生了一些變化。因此無線通信系統的性能會受到無線信道的制約，研究無線信道的傳播特性也就成了構建無線通信系統的基礎[1]。

1 建模方法的分類

一般來說，可以將建立無線信道傳播模型的方法分成兩大類：一類是統計測量法，該方法是信道建模的主流方法，可細分為參數化的統計建模方法和基于物理傳播的建模方法等。統計測量方法通過在各種典型傳播環境中進行的信道測量工作，從大量的測量數據中獲取信道的特征表達，從而得到與系統參數以及環境參數有關的經驗公式。經驗模型的優點在于運算量小，易于仿真和刻畫信道特征，但是易受到測試條件的限制，如信號帶寬、天線配置與架設及測試環境等，信道與測試設備對測試結果的影響也難以分離。

另一類是是電磁場預測法，這類方法依據電磁波傳播理論給出無線信道的確定性模型，目前主要有射線法、時域有限差分法和矩量法等方法。這類建模方法是在己知無線傳播環境的具體細節情況下，利用電磁波傳播理論或者光學射線理論來分析并預測無線傳播環境的。與統計模型不同的是，確定性模型不用需要大量廣泛的測量，而是需要指定環境的諸多細節以便對信號的傳播做出準確的預測。由于計算量所限，確定模型方法大多應用于室內范圍的信道建模。

2 基于測量統計的經驗模型

2.1 參數化統計建模方法

參數化統計建模方法將接收信號描述為許多電磁波的迭加，以構建信道衰落的特征。建模中考慮到達空間上一系列點的主波，這些主波包括視距傳播的射線和有主要物體反射或散射的射線，將這些射線用幅度、時間、空間三維坐標上的脈沖序列來表示。該方法不依賴與物理傳播環境中的散射體分布狀況，而是直接對時延擴展、多普勒擴展和角度擴展等參數進行建模。

廣義平穩非相關散射(Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering,WSSUS）模型[2]是無線信道研究領域的基礎理論模型。它利用具有時變沖激響應的線性濾波器結構描述線性時變隨機無線信道。廣義平穩非相關散射被認為是能夠描述無線信道小尺度衰落的時延擴展與多普勒擴展的最簡單的隨機過程，故目前關于信道小尺度衰落建模的研究大多數都是基于WSSUS假設。Clarke模型[3]是基于電磁波線性疊加的隨機信道模型。在各向同性和接收天線為全向天線的假設下，得到了接收信號包絡服從Rayleigh分布這一重要結論。M.J.Gans推導了Clarke模型的多普勒頻譜，被稱為經典譜。經典的Clarke模型對于滿足各向同性假設的情況，能夠準確的描述無線信道對信號的影響且易于實現，因此到目前為止它仍然是應用最廣泛的信道模型。

2.2 基于物理傳播的統計建模方法

統計建模方法中，基于物理傳播特征的建模方法通過描述傳播環境中存在的散射物體的統計分布，利用電磁波經歷反射、繞射和散射時的基本規律構建衰落信道模型。該模型的特征描述與多徑傳播環境下散射體或者發射體的位置分布狀況有關。例如Okumura模型以平坦地形大城市的傳播損耗為參考，對其他傳播環境和地形條件等因素分別以校正因子的形式進行修正[4]。

基于物理傳播特征的建模方法被廣泛的應用在MIMO信道的研究中，主要借助一些重要物理參數描述信道特征與散射分布，其典型參數包括：到達角（AOA）、離開角（AOD）與到達時間（TOA）等。在不同的傳播環境中，通常假設在用戶端和基站端具有不同的散射體幾何分布，常用的幾何分布模型包括單環、雙環、橢圓和扇形等，多數模型只假設電波傳播經過散射體時發生了單反射過程[2][5][6]。

3 基于傳播預測的確定模型

3.1 射線法

射線法信道建模是應用最廣泛的確定性傳播預測方法，它基于光學射線理論，結合一致繞射理論和幾何繞射理論，在對傳播環境利用幾何體建模、并確定表面的電磁參數之后，對傳播損耗進行預測，預測結果的精度主要取決于地理環境模型的精度以及表面電磁參數的精度。在假設無線電信號的波長足夠小的前提下，將電磁波的傳播近似為光學射線的傳播，并將電磁波各種無線傳播機制簡化為發射、衍射和散射等主要機制，利用光學射線理論計算傳播損耗。射線法模型能夠獲得比統計性模型更準確的傳播預測，因此有大量的研究人員對此進行了廣泛的研究，目前的研究主要集中在地理環境建模以及加速算法等方面。

3.2 時域有限差分法

用射線法建立的信道模型不能正確包括電磁波的繞射傳播。時域有限差分法（FDTD）建模的方法利用電磁場傳播理論來計算大尺度傳播的功率損耗，綜合考慮了所有的無線傳播機制，因而能夠得到最準確的結果，并且能預測寬帶參數。它可以同時提供地圖中所有區域的場分布，也能給出整個區域的信號覆蓋信息。時域有限差分法的優點在于其準確性，但是需要明確的傳播環境細節，包括地理特性、建筑物分布、物體表面的電磁特性等大量數據，并且要進行復雜的運算才能得到最終結果。由于FDTD方法需要大量的存儲空間和巨大的運算量，它經常結合射線法技術以細化后者的結果。

4 總結

信道建模是一門結合了通信理論、電磁場及隨機過程理論的交叉性學科。一個好的信道模型可以在某一個方面擬合真實的信道，為系統設計、仿真、評估提供參考。本文介紹了信道模型的兩大分類及四種主要的研究方法。

［1］劉蕾蕾.MIMO/UWB無線信道特性研究與建模[D].2009.

［2］C.Oestges,V.Erceg,A.J.Paulraj.A physical scattering model for MIMO macrocellular broadband wireless channels[J].IEEE J.Select.Area Commun.,2003,21(5):721-729.

［3］H.Clarke.A statistical theory of mobile-radio reception[J].Bell Syst.Tech.Journal,1968,47:957-1000.

［4］Okumura T,Ohmori E,et al.Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile service[J].Review Electrical Communication Laboratory,1968,16(9-10):825-873.

［5］D.S.Shiu,G.J.Foschini,M.J.Gans,et al.Fading correlation and its effect on the capacity of multielement antenna systems[J].IEEE Transa.Wireless Commun.,2000,48(3):502－513.

［6］A.M.Sayeed,Modeling and capacity of realistic spatial MIMO channels[C].in Proc.of Inter.Conf.Acoustics,Speech and Signal Processing,2001,4:2489-2492.