无线信道仿真

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1、无线信道仿真无线信道是移动通信的传输媒体，所有的信息都 在这个信道中传输。信道性能的好坏直接决定着人们 通信的质量，因此要想在有限的频谱资源上尽可能地 高质量、大容量传输有用的信息就要求我们必须十分 清楚地了解信道的特性。然后根据信道地特性采取一 系列的抗干扰和抗衰落措施，来保证传输质量和传输 容量方面的要求。电磁波在空间传播时，信号的强度会受到各种因 素的影响而产生衰减，通常用路径损耗的概念来衡量 衰减的大小。路径损耗是移动通信系统规划设计的一 个重要依据，特别是对覆盖、干扰、切换等性能影响 很大。本文主要研究了宏小区室外传播模型，并对经 验模型Okumura-Hata模型、COST-231

2、 Hata模型以及 COST231-WI 模型进行了具体地分析和说明，对其中的 算法 Matlab 中写出了相应的函数并作出了 Matlab 仿 真。在实际仿真中经常要用到一些无线信道模型，本 文主要对高斯白噪声信道、二进制信道、瑞利衰落信 道以及伦琴衰落信道进行了分析和仿真，这里用到的 是Mat lab中自带的Simulink模块，进行了 BPSK,FSK 的误比特率性能的仿真。最后对 802.16 规范中建议使 用的SUI信道模型进行了仿真。1路径损耗11 自由空间模型：假设无线电波是在完全无阻挡的视距内传播，没 有反射、绕射和散射，这种理想的情形叫做自由空间 的传播。假设收发天线之间的距

3、离为d,发射频率为f, 自由空间的损耗可由以下公式计算：P = 32.4 + 20lg d + 201og f(dB)L其中，d的单位为km; f的单位为MHz。 对应于文件中的wireless_free_space_atte nu ati on.m文件： function y=wireless_free_space_attenuation(d,f) y=32.4+20*log(d)/log(10)+20*log(f)/log(10);当仁900MHz时的仿真图如下：f=900;d=0.1:0.1:100;y=wireless_free_space_attenuation(d,f);plot(

4、d,y);130120)B 110耗损 1009080700102030405060708090100距 离 (km)自由空间的传播是电波传播最基本也是最简单的一种理想情况。12 Okumura-Hata 模型Okumura-Hata模型是根据测试数据统计分析得到的经验公式，Okumura-Hata模型以市区传播损耗为标准，在此基础上对其他地形做了修正。实测中在基本确定了设备的功率、天线的高度后，可利用Okumura-Hata模型对信号覆盖范围做一个初步的测算。损耗单位为dB,在市区，Okumura-Hata经验公式如下：L 二 69.55 + 26.161g f - 13.821gH - a

5、(H ) + (44.9 - 6.551gH ) - lgdm b m b其中假设收发天线之间的距离为d(km)，发射频率为f(MHz)，移动台高度H (m),基站高m度 H (m)；a(H ) 为移动天线修正因子。bm对于中小城市有：a(H )二(1.11lg f - 0.7)H - (1.561g f - 0.8)mm对于大城市：a(H ) = 8.29lg(1.54H )2 1.1f 300MHzmm对于郊区， Okumura-Hata 经验公式如下：L = L (市区)2lg( f /28)2 5.4m在农村，Okumura-Hata经验公式如下:L 二 L(市区)-4.78(lg f

6、 )2 - 18.331g f - 40.98 m所写的函数为wireless_hata_attenuation.m。所用的仿真过程为Simulink_wire less hata attenuation.m中，仿真参数为，地物类型城区郊区农村基站高度(m)50100100移动台高度(m)1.51.51.5频率(MHz)900900900仿真结果如下:距 离 (km)但是再利用上述公式计算路径损耗时，必须注意基站天线没有采取空间分集，不能考虑 分集增益。另外，用户终端天线的安装位置也会对计算路径损耗有很大影响。表 1 天线安装不同对 Lm 的修正天线安装位置修正值/dB室内(非窗户旁)15窗户

7、旁-3室外0地形对于传输损耗的修正值也很大。对于农村地区的传播环境，主要可以分为丘陵地区 和开阔区，其修正值如下表所示。表 2 地形不同对 Lm 的修正地形修正值/dB丘陵地区10开阔区25传播环境的衰落有瑞利衰落和正态衰落两种，对应的余量储备如下所示。表 3 衰落类型不同对 Lm 的修正衰洛类型余量储备/dB瑞利衰落08正态衰洛6Okumura-Hata 模型适用于大区制移动系统，但是不适合覆盖距离不到 1km 的个人通信 系统。1 3 COST-231 Hata 模型在不少城市的高密度区，经过小区分裂站距已缩到数百米。而在基站密集的地域是使用 Okumura-Hata模型将出现预测值明显偏

8、高的问题，因此，EURO-COST组成COST-231工作 委员会，提出了 Okumura-Hata模型的扩展模型，即COST-231模型。其适用频率范围是1500 2300MHz，基站有效天线高度在30200m之间，移动台有效天线高度在110m之间，d的 范围在120km之间。COST-231 Hata模型路径损耗的计算公式为：L 二 46.3 + 33.91g f - 13.82lgH - a(H ) + (44.9 - 6.551gH ) - lgd + Cm b m b m其中假设收发天线之间的距离为d(km)，发射频率为f(MHz)，移动台高度H (m),基站高 m度H (m)； a

9、(H )为移动天线修正因子。CM为大城市中心校正因子。在中等城市和郊区， bmM190180170160150140130120110100CM=0dB，在市中心，CM=3dB。函数为wireless_COST2 31_hata_attenuation.m，所用的仿真过程为Simulink wire less COST231 hata attenuation.m中，仿真参数为：地物类型城区郊区农村基站高度(m)40100100移动台高度(m)1.51.51.5频率(MHz)180018001800仿真结果如下：COST231-Hata模型损耗中 小城市 f=1800MHz,Hm=1.5m,Hb

10、=40m 大城市 f=1800MHz,Hm=1.5m,Hb=40m 郊区 f=1800MHz,Hm=1.5m,Hb=100m 农村 f=1800M 日乙 Hm=1.5m,Hb=100m0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20距 离 (km)COST-231模型和Okumura-Hata模型主要的区别在于频率衰减系数的不同。COST-231 Hata模型的频率衰减因子为33.9，而Okumura-Hata模型的频率衰减因子为24.16。另外， COST-231模型还增加了一个大城市中心衰减因子CMo14 COST231-WI 模型COST231-WI 模型在使用高基站天线时该模型采

11、用理论的 Walfisch-Bertoni 模型和 IkegaCOST231-WI模型分为视距传播(LOS)和非视距传播(NLOS)两种情况计算路径损耗。对 于视距(LOS)传播环境，其路径损耗为：L 二 42.64 + 20lg f + 26lg dLOS其中， d 的单位为 km；f 的单位为 MHz。非视距传播(NLOS)适用条件和主要参数如下表：表4非视距传播(NLOS)适用条件和主要参数频率f(MHz)8002000基站高度Hb(m)450移动台高度(m)13距离d (km)0.025建筑物屋顶咼度Hroof(m)道路宽度w(m)建筑物间隔b(m)相对直接无线路径的道路方向性Phi(

12、度)城区的范围所用的公式为：L = L + L + Lb 0 rts msd式中， L 是自由空间的损耗：0L 二 32.4 + 20lg d + 20lg fL 是从屋顶到街道的绕射和散射损耗：rtsL =-16.9 - 10lgw + 10lgf + 20lg(H - H ) + Lrts b m cri-10 + 0.354Phi0 Phi 35。其中，L =2.5 + 0.075( Phi - 35)35。 Phi 55。cri4.0 + 0.114(Phi - 55)55。 Phi 90。L 是多屏绕射损耗：msdL = L + k + k lg d + k lg f 一 9.1lg

13、 bmsd bsh a df其中，L =bsh-181g(l + H - H 丿Hbroof Hb roof54Hb H b54-0.8(H -Hb roof- H)(d/0.5)roof54 - 0.8( HbHroof 0.5roof H且d 0.5roof= Hb roof)/H H Hroof b roof=- 4 + 0.7( f / 925 -1)中等城市和郊区_ - 4 +1.5(f /925 -1)大城市COST231-W模型路径损耗视距和非视距路径损耗函数分另I在wireless_Walfish_Ikegami_LOS_attenuatio n.m和wireless_Walf

14、ish_Ikegami_NLOS_attenuation.m中，视距传输的频率 f=900MHz，非视距传输的参数如下表：道路宽度w(m)20建筑物屋顶高度H roo(m)15基站高度H b(m)17移动台高度Hm(m)1.5相对直接无线路径的道路方向性Phi(度)90建筑物间隔b(m)40频率f(MHz)900,1800视距路径损耗f=900MHz 非视距路径损耗f=900MHz非视距路径损耗f=1800MHz0.51.522.533.544.55距 离 (km)2 仿真信道21 高斯白噪声信道：在信号传输的过程中，它会不可避免地受到各种干扰，这些干扰统称为“噪声”。加性 高斯白噪声AWGN (Additive White Gaussian Noise)是最常见地一种噪声，它存在于各种传 输媒质中，包括有线传输信道和无线传输信道。这里对BPSK在AWGN信道中的误码率进 行了仿真。仿真模型在BPSK_BERl.mdl中，仿真程序在Simulink_BPSK_BER.