無線衰落信道建模仿真軟件設(shè)計

文/張如楠 王亞文 朱秋明 陳小敏

隨著現(xiàn)代無線通信不斷發(fā)展，5G、物聯(lián)網(wǎng)等等技術(shù)呼之欲出，信息與通信產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)成為我國經(jīng)濟發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)。而信道作為無線通信系統(tǒng)中的重要一環(huán)，無線信道的特性也就受到廣泛關(guān)注。當前，隨著無線通信應用場景的不斷拓展，信道所面臨環(huán)境越來越復雜，因此無線信道的快速仿真也變得更加重要。

目前，相對簡單高效的信道仿真方法包括濾波法和SoS ( Sum-of-Sinusoids)。由于濾波法需要多次內(nèi)插，復雜程度高。SoS及其改進方法由于運算量相對小，性能高效并且硬件容易實現(xiàn)而被廣泛使用。

本文簡要介紹了無線信道衰落的系統(tǒng)模型，仿真方法，并簡要說明無線信道模型參數(shù)計算方法。基于上述模型，設(shè)計Maltab平臺無線信道仿真軟件。該軟件的創(chuàng)新性在于將函數(shù)模塊化，通過GUI界面調(diào)用各個模塊，軟件操作簡單，方便用戶快速設(shè)置場景參數(shù)并能直觀觀測仿真結(jié)果。

1 信道模型

信號在傳輸過程中會有包括噪聲、路徑損耗、平坦衰落和頻率選擇性衰落的影響。而其中噪聲和路徑損耗一般是已知確定的，平坦衰落可用瑞利、萊斯和Nakagami等模型模擬，頻率選擇性衰落可由多徑平坦衰落相加得到。所以，本文對兩種衰落進行模擬仿真的系統(tǒng)模型如下：

對于平坦衰落，本文采用的仿真模型為SOS仿真模型。該模型可表示為：

其中，N表示不可分辨散射支路數(shù)目；cn表示路徑增益；fn表示多普勒頻率；θn表示初始相位，且服從的均勻分布。

對于頻率選擇性衰落，本文采用的仿真模型為離散延遲抽頭模型。該模型第k時刻沖激響應可表示為：

2 模型參數(shù)計算

2.1 離散多普勒頻率參數(shù)計算

本文SOS仿真模型參數(shù)計算方法將采用等面積方法（MΕA）。令確定離散多普勒頻率fn：

（1）將多普勒功率密度S(F)的面積N等分；在fn-1

（2）對于離散多普勒fn的一個顯示計算，引入輔助函數(shù)：

圖1：系統(tǒng)框圖

圖2：軟件流程圖

2.2 多徑時延參數(shù)計算

3 基于GUI無線信道仿真軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計方案及實現(xiàn)

Matlab軟件具有數(shù)值分析、矩陣運算和圖形化處理等強大功能，已被廣泛應用于通信領(lǐng)域的仿真與實驗。用MatlabGUI可視化工具開發(fā)的無線信道模擬平臺，利用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，將較復雜的信道模擬與特征參數(shù)統(tǒng)計等模塊封裝成對象函數(shù)，通過GUI組件編程實現(xiàn)各模塊的調(diào)用和鏈接，從而簡化整個系統(tǒng)的仿真模型。

本次研制軟件的仿真實現(xiàn)流程如圖2所示。在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊中，使用者可自行設(shè)置采樣率、移動速度、波長、仿真時間等參數(shù)；在信道參數(shù)設(shè)置模塊中，需要用戶手動設(shè)置，分為平坦衰落仿真和頻率選擇模型仿真兩部分。

（1）平坦衰落信道部分可先生成衰落信道，再生成常見功率譜，二者獨立顯示。生成時需要選擇相應類型和輸入重要變量值。

（2）頻率選擇信道部分只需要輸入時延和多徑數(shù)，則可在界面右側(cè)得出相應時域、頻域圖形，有助于深入研究了解信道特性。

演示平臺見圖3，其主要分為三個模塊，即系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊，平坦衰落信道模塊和頻率選擇信道模塊。該信道仿真軟件支持用戶輸入各種信道參數(shù)，以產(chǎn)生需要的信道衰落，比如瑞利衰落、萊斯衰落、Nakagami衰落和陰影衰落等多種衰落形式。同時該系統(tǒng)的各個模塊相互獨立，有利于二次開發(fā)。

3.2 軟件測試及結(jié)果分析

首先設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：采樣率f=100Hz，仿真時間T=20ms，移動速度v=1m/s，波長λ=50m。

（1）以平坦衰落信道為例，假設(shè)為瑞利信道，設(shè)置平坦衰落參數(shù)：類型為瑞利，均值Ε=0，方差萊斯因子k=2，多普勒隨機偏移量f=10Hz。設(shè)置常見功率譜參數(shù)：DPSD=rounded（圓），均值Ε=0，多普勒隨機偏移量f=10Hz。可得如下仿真結(jié)果：

如圖4所示，F(xiàn)adingType部分，上圖為瑞利衰落的時域圖形，下圖為該產(chǎn)生衰落信道的概率密度函數(shù)。DPSD部分，上圖為Rounded spectrum的時域圖，下圖為仿真功率譜。該軟件將仿真數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)都在圖上表示出來，通過將各點值與理論值之差相加并求其均值，可得平均誤差為0.008，因此該仿真結(jié)果與理論數(shù)據(jù)吻合較好，驗證了仿真模型的準確性。

（2）測試頻率選擇信道仿真模塊，設(shè)置參數(shù)如下：

時延=100，徑數(shù)=2；時延=100，徑數(shù)=6；

圖3：軟件界面

圖4：平坦衰落仿真結(jié)果

圖5：頻率選擇信道仿真

分別測試，可得不同徑數(shù)的時域和頻域頻率選擇信道圖，見圖5。

經(jīng)過無線信道軟件仿真，頻域波形表現(xiàn)出信道的頻率選擇特性。通過對比兩幅波形，四個徑的疊加使頻率選擇性更為明顯，這也證明該模擬信道具有良好的頻率選擇性。

4 結(jié)語

對于復雜環(huán)境下無線信道的測試困難，成本高昂，使得實際測試難以迅速開展。目前，無線信道的理論模型和建模仿真的實現(xiàn)方法都已經(jīng)成熟，這為無線信道的模擬提供了基礎(chǔ)。本文利用Matlab和GUI工具仿真平坦衰落信道和頻率選擇性衰落，并將信道衰落波形、概率密度函數(shù)、功率譜密度等信道特性直觀的顯示。通過計算機模擬測試了解系統(tǒng)中各變量對通信情況的影響，觀察通信情況變化的全過程，模擬現(xiàn)實復雜情景，在無線通信領(lǐng)域有效的降低了系統(tǒng)研制成本，提高了實際通信信道設(shè)計中的性能。另外，利用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ總€仿真功能都模塊化實現(xiàn)，使得其具有可擴展性，可以不斷完善和擴充，或與其它仿真系統(tǒng)模塊組合，構(gòu)建更為完整的無線通信仿真系統(tǒng)。