基于無線移動信道建模與仿真技術探究

李大為

(中國人民解放軍91245部隊，遼寧葫蘆島125000)

0 引言

當前，無線通信技術已經普及與應用于人類生活的每一個領域。由于無線通信系統的發射機與接收機之間的傳播路徑復雜多變，因此其傳播性能受無線信道特性制約最大。近些年來，無線通信技術迅速發展，無線移動信道的建模與仿真成為現代數字移動通信系統的研發重要內容，但無線信道隨機性大，分析困難，同時信號易衰減、容易引入干擾、傳輸質量不穩定。因此，無線信道的建模與仿真是移動無線系統設計中關鍵點與難點。

1 自由空間模型仿真及結果分析

1.1 自由空間模型仿真

無線移動通信自由空間傳播是一種理想傳播，是指無線電波在傳播視距中無反射、無繞射以及無散射的完全無阻擋情景，其路徑損耗計算公式如下:

式中，d是收發天線之間距離，單位為km，f是發射頻率，單位為 MHz。當發射頻率為 900 MHz與1 800 MHz時仿真圖如圖1所示。

圖1 f=900 MHz時自由空間模型仿真圖

1.2 自由空間模型仿真結果分析

自由空間傳播模型是無線電波傳播的最簡單的模型，無線電波的損耗只和傳播距離和電波頻率有關系;在給定信號頻率的時候，只和距離有關系。從圖1可以看出，傳播信號的衰減幅度在0～10 km距離內最大，超過10 km以上時，其衰減變為平緩，同時呈現上升態勢，有自由空間模型路徑損耗計算公式可得，在距離一定時，頻率是影響空間損耗原因，距離是定值時，發射頻率為900 MHz、1 800 MHz時損耗的差別是6.02 dB，由此可以得出，在自由空間模型中，其傳播損耗曲線屬于對數曲線特性，即頻率越大，傳播信號的損耗亦增加。

2 Okumura-Hata模型仿真及仿真結果分析

2.1 Okumura-Hata模型仿真

無線移動信號如果在城市及周邊地區傳播，一般通過Okumura-Hata模型進行預測，其依據是通過測試數據得出的圖表。Okumura-Hata模型傳播信號的工作頻率一般在150～1 920 MHz范圍，也可擴展到3 000 MHz;。距離在1～20 km之間，亦能延伸到100 km，Okumura-Hata經驗公式如下:

式中，d為收發天線之間距離(單位為km)，Hm為移動臺高度(單位為m)，Hb為基站高度(單位為m);a(Hm)為移動天線修正因子。

小城市天線修正因子:

大城市天線修正因子:

郊區天線修正因子:

農村天線修正移因子:

圖2是發射頻率450 MHz仿真結果。

圖2 f=450 MHz，Hm=1.5 m時的仿真結果

2.2 Okumura-Hata模型仿真結果分析

Okumura-Hata模型是根據實測數據建立的模型，應用較廣泛。從圖2中看出，在0～10 km范圍中損耗急劇上升，10 km之后信道的衰減雖然也是隨著距離的增加也有增大的趨勢，但相比之下，衰減更為平緩;在相同頻率下，大城市的衰減最為嚴重，郊區次之，農村的衰減最少，這是因為其鏈路損耗不僅取決于發射頻率、傳播距離，還和天線掛高及建筑物密度因子關系很大，同時，頻率越大，衰減也就越大。這種模型對大區制移動系統較為適用，對覆蓋距離不到1 km的個人通信系統不適合。其模型基站天線高度高于其周圍屋頂的宏蜂窩系統，因為在宏蜂窩中，基站天線都安裝在高于屋頂的位置，傳播路徑損耗主要由移動臺附近的屋頂繞射和散射決定。

3 COST-231 Hata模型仿真及結果分析

3.1 模型仿真

COST-231模型是Okumura-Hata模型的擴展模型，適用于高密度城市區域，頻率范圍一般是在1 500～2 300 MHz范圍，COST-231 Hata模型路徑損耗的計算公式為:

式中，CM為大城市中心校正因子。一般在中等城市與郊區，CM為0 dB;在市中心，CM的值通常取3 dB。在對COST-231 Hata模型仿真前，對非視距傳播(NLOS)適用條件與主要參數進行了規定，非視距傳輸參數進行了設定，發射頻率為1 800 MHz與2 299 MHz的仿真圖如圖3和圖4所示。

圖3 f=1 800 MHz，Hm=1.5 m時COST-231 Hata模型圖

圖4 f=2 299 MHz，Hm=1.5 m時COST-231 Hata模型圖

3.2 仿真結果分析

由圖4可以看出，在4 km距離以內，COST-231模型衰減較大，而超過4 km時，信號衰減略趨于平緩并緩慢上升，距離加大則信道衰減上升。頻率與衰減成正比。衰減較大是郊區，其次是大城市地區，最后是農村地區。大城市與郊區的衰減趨勢比較接近，當然隨著頻率的不同，衰減也有所變化，頻率越大，衰減越快。

4 COST231-WI模型仿真及結果分析

4.1 模型仿真

COST231-WI模型大量用于建筑物高度近似一致的郊區或者城區環境，在移動通信系統(GSM/PCS/DECT/DCS)的設計中應用很廣，其模型有兩類，一是視距傳播，二是非視距傳播，兩種情況計算路徑損耗計算公式分別如下:

式中，Lfs=32.44+20lgf+20lgr，Lfs為自由空間路徑損耗，Lrts為從屋頂到街面的衍射和散射損耗，Lmsd為多遮蔽物衍射損耗。發射頻率在900 MHz的仿真如圖5所示。

圖5 COST231-WI模型仿真圖

4.2 仿真結果分析

COST231-WI模型在仿真之前規定了非視距傳播(NLOS)適用條件和主要參數進行，設定了非視距傳輸的參數，分別對f=900 MHz和f=1 800 MHz的非視距傳播模型進行了仿真，對于視距模型只對f=900 MHz這個頻率進行了仿真。從圖中仿真結果可以看出，于COST231-WI模型的特點是在0.5 km距離內傳播信號衰減幅度很大，超過0.5 km距離后傳播信號緩慢衰減并上升，非視距損耗要遠遠大于視距路徑損耗。在發射頻率相同時，非視距路徑損耗在不同發射頻率下，頻率與損耗成正比。

5 四類仿真結果對比分析

①自由空間傳播模型是一種理想傳播模型，但無論是哪一種傳播模型，在其他條件一定時，頻率越高，傳播過程中的損耗也就越大。

②COST-231 Hata模型工作頻段相對較小，Okumura-Hata模型與COST231-WI模型工作頻段相對較大，Okumura-Hata模型與COST-231 Hata模型作用距離相對較，Okumura-Hata模型與COST-231 Hata模型基站天線高度和移動臺天線高度范圍相對較大，COST231-WI模型范圍相對較小，COST231-WI模型作用距離相對較短。

③Okumura-Hata模型在相同的頻率下，其傳播信號衰減最為嚴重的是大城市，郊區次之，農村的衰減最少，因此，適用于大區制移動系統，不適宜覆蓋距離不到1 km的個人通信系統;COST-231模型的特點是隨著距離的增加，信道的衰減呈上升趨勢，衰減最大的是大城市地區，接下來是郊區地區，最后是農村地區，同時，這種模型考慮到了自由空間損耗、沿傳播路徑的繞射損耗以及移動臺與周圍建筑屋頂之間的損耗，適用于城市等高建筑群區域以及微小區的實際工程設計;COST231-WI模型適合頻段為800～2 000 MHz，覆蓋距離:0.02～5 km，對微蜂窩較為適用，可用于低建筑群區域，目前廣泛用于建筑物高度近似一致的城區和郊區環境。

6 結束語

無線信道研究是當前通信行業研究的重要內容，通過計算機對無線移動信道進行建模與仿真，是近年來隨著計算機技術的發展新出現的研究方法，對于現代數字移動通信系統的研發具有越來越重要的意義。從以上4類無線移動信道建模與仿真技術分析可以得出如下結論:無線信號的頻率是決定路徑損耗的重要因素，同時無線移動模型的選擇要根據復雜的移動通信環境進行系統工程設計。

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