（通信与信息系统专业论文）无线传播信道模型库的研究与建立.pdf

摘要 随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。 理想的目标是能在任何时候、任何地方、与任何人都能及时沟通联系、交流信息。 移动通信系统是实现这种愿望的支撑系统之一。无线信道特性严重影响着移动通 信系统的性能。因而对无线信道的研究是移动通信研究的基础。 在本文涉及的预研项目地域电波传播特性的研究中，提出了许多新颖的 观点，例如：对仿真模型应用时快速修正的思想以及信道仿真模型库中相关模型 的智能学习方法。本论文首先介绍了移动无线信道的基本概念，对主要研究对象 大尺度传播模型和小尺度衰落模型的相关内容给出说明，接着设计了仿真软件的 组织框架，将核心模块信道模型库与其它各类仿真模块，包括电子地图g i s 仿真 模块、基站覆盖演示模块等合理的组织在一起，实现各个仿真模块对核心模块的 调用与互操作。然后详细介绍了信道模型库模块的具体实现，包括数据结构设计， 程序设计，仿真软件m o d l i b 在集成编译平台b c b 6 0 上的实现以及探讨了其它仿 真模块对核心模块的调用问题。最后用c + + 语言实现了一种无线通信系统的仿真 方法，它的特点是一个由仿真模型和可互连的仿真结构组成的模块集，对在多径 弥散信道上的信号传输进行分析并进行了仿真给出仿真结果。 关键词：无线信道模型库无线通信系统仿真c + + a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , p e o p l ea r ei n c r e a s i n g l yu r g e n tf o rt h ed e m a n d o i lc o m m u n i c a t i o n ，e x p e c tf o rm o r ea d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i ti so b v i o u s t h a tw ec f l nn o tm a k et h i so u tw i t h o u tm o b i l ec o m m u n i c a t i o n w i r e l e s sc h a n n e li st h e e s s e n t i a lp a r to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h es t u d yo nm o b i l ec h a n n e lb e c o m et h e f u n d a m e n t a lo ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h d u r i n gt h ep r o c e e d i n go ft h i s p r e - r e s e a r c hp r o j e c tw h i c hi s c a l l e dt h es t u d yo nt h er a d i ow a v ep r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i co i ls p e c i f i c a l l ya r e a , w ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e dam o r em a t u r e s i m u l a t i o ns o r w a r en a m e dm o d l i b ，c h a n n e lm o d e l sl i b r a r ym o d u l ei st h ec o r em o d u l e t h i sp a p e ra sa n o t h e rt h e o r e t i c a le f f o r tf i r s t l yi n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p to ft h e m o b i l ew i r e l e s sc h a n n e l ，d e m o n s t r a t et h er e l a t i v ek n o w l e d g eo ft h el a r g e s c a l e p r o p a g a t i o nc h a n n e la n ds m a l l s c a l ef a d i n gc h a n n e lw h i c h a r et h em a i nr e s e a r c ho b j e c t o ft h i sp a p e r , t h e ni n t r o d u c e dt h eo r g a n i z e df r a m eo ft h i ss o f t w a r e ，ar e a s o n a b l e m e t h o di sp r e s e n t e dt oc o n n e c tt h ec o r em o d u l ea n do t h e rs i m u l a t i o nm o d u l e st o g e t h e r t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec h a n n e lm o d e l sl i b r a r yi si n t r o d u c c d ，i n c l u d i n gd a t a s t r u c t u r ed e s i g n ，p r o g r a md e s i g n ，t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h i ss o f t w a r eo nt h ei d e e n v i r o n m e n tb o f l a n dc + + b u i l d e r6 0a n dg a v eas t r a t e g yf o rt h es i m u l a t i o nm o d u l et o c a l lt h ec o n t e n t so ft h el i b r a r y f i n a l l y , a c c o m p l i s h e dam e t h o dt os i m u l a t ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nc + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，w h i c hi sam o d u l es e tc o m p r i s e m o d e l sa n dac a s c a d i n gs i m u l a t i o ns t r u c t u r e ，p r e s e n t e dt h et e s t i n gr e s u l t so ft h e p e r f o r m a n c ei nm u l t i p a t hp r o p a g a t i o nc h a n n e l ，a n dt h er e a s o n a b l ea n a l y s i s o ft h e r e s u l t sw a sg i v e n k e y w o r d s ：w i r e l e s sc h a n n e lm o d e l sl i b r a r y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i m u l a t i o n ，c + + 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：蚤卣耻 日期丑巡卜互址 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期 兰! 1 3 ：主：垦 日期2 嫂 s 至! ! 王 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题的背景和意义 随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。 理想的目标是能在任何时候、在任何地方、与任何人都能及时沟通联系、交流信 息。移动通信系统是实现这种愿望的支撑系统之一。众所周知，移动通信是指通 信的双方或至少有一方处在运动中进行信息传输和交换。而要任意进行移动，有 线通信是完全不可行的，只有通过移动通信。因此移动通信是处于特殊环境 移动环境下的无线电通信。所以，无线信道特性严重影响着移动通信系统的性能。 因而对无线信道研究是移动通信研究的基础。 移动通信的用户由于要进行自由移动，其位置不受束缚。所以必须利用无线 电波进行传输，但与有线传播媒介相比，无线电波的传播特性一般都很差，而且 不同用户的传播信号在传播过程中还会互相干扰。因此建立无线传输系统远比有 线系统复杂。 通常，移动通信中的无线信道的传播模型可分为大尺度传播模型和小尺度传 播模型两类。大尺度模型主要用于描述发射机与接收机( t - r ) 之间长距离( 几 百或几千米) 上的信号强度变化。小尺度模型用于描述短距离( 几个波长) 或短 时间( 秒级) 内接收信号强度的快速变化。但两种模型并不是相互独立的，在同 一个无线信道中，既存在大尺度衰减，也存在小尺度衰落，了解这些信道特性对 于我们要在频谱资源有限的信道上，尽可能高质量、大容量传输有用信息起着指 导性的作用：讨论大尺度传播不仅对分析信道的可用性、选择载波频率以及切换 有重要意义，而且对于移动无线网络的规划也很重要；而讨论小尺度衰落则对传 输技术的选择和数字接收机的设计至关重要。所以，对无线信道的正确仿真是非 常具有实际应用价值的。本文正是从大尺度传播模型和小尺度衰落模型分别出发， 讨论了大尺度传播模型库的研究与实现和小尺度衰落模型的建模与仿真问题。 1 2 无线信道仿真的概述 毫无疑问，目前最为复杂的通信系统当首推无线移动通信系统。它的复杂性 主要来源于无线移动通信信道的复杂性，以及我们对信道了解的肤浅。首先，移 动通信的工作环境十分复杂，电波不仅会随着传播的距离的增加而发生弥散损耗， 并且会受到地形、建筑物的遮蔽而发生“阴影效应 ，而且信号经过多点反射，会 2 无线传播信道模型库的研究与建立 从多条路径到达接收地点，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它 们相互叠加会产生电平快衰落和时延扩展；其次，移动通信常常在快速移动中进 行，这不仅引起多普勒频移，产生随机调频，而且会使得电波传播特性发生快速 的随机起伏。因此，可以认为无线传播环境是一种随时间、环境和其它外部因素 而变化的传播环境。其中移动信道特性中最具有特色的部分就是多径衰落和多普 勒频移。 1 多径效应 在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路 径众多反射波的合成。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叠加，有时同相 叠加而加强，有时反相叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生 衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。移动信道的多径衰落，可 以从空间和时间两个方面来描述【l 】。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。从时间上来看，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。 2 多普勒效应 由于移动台与基站之间的相对运动引起的，或是由信道路径中物体的运动引 起的，引起多普勒频移，从而引起多普勒扩展( 频率色散) ，造成信道的时变特性， 也就是信道出现了时间选择性衰落。时间选择性衰落会造成信号失真，这是由于 发送信号还在传输的过程中，传输信道的特征已经发生了变化。信号尾端时的信 道的特性与信号前端时的信道特性已经发生了变化。信号的失真随着信号的持续 时间的增长而增加。 为了深入理解无线信道小尺度衰落所造成的种种现象，以及认识到移动通信 的传播环境是复杂的干扰环境和移动通信的频谱资源非常有限这一事实，我们充 分意识到了通信系统仿真的必要性。通过仿真我们可以找到对抗多径效应和多普 勒效应的措施，仿真诸如邻道干扰、互调干扰、共道干扰、多址干扰，以及近地 无用强信号压制远地有用弱信号的现象等等，从而找到如何对抗和减少这些有害 干扰的影响，并且通过仿真研究各种新技术和新措施，以压缩信号所占用的频带 宽度和提高频谱利用率，提高移动通信系统的容量。总而言之，如果没有仿真， 那么要进行现代通信系统设计以及了解这些系统内装置的工作情况将是不可能 的。 第一章绪论 一个大型复杂的通信系统要正常工作会涉及到许多方面，各种各样的仿真恰 好可以用来评估系统在这些方面的性能。以移动电话系统为例，最底层为移动电 话与基站天线间的无线链路。由于存在加性噪声、其他移动电话、其他天线和其 他非蜂窝式人为干扰源的干扰，以及射频信号的衰落和多径衰落，使得该链路的 性能变差。系统工程师会采取一些技术来减小这些破坏源的影响。可采用的技术 包括：选择调制技术、实施功率控制、改善接收设备的灵敏度、分集、纠错编码、 交织、均衡、r a k e 解调器设计和去除干扰。解析的评价这些技术的各种组合的 性能常常是困难、不可能的。仿真通常是估计链路性能唯一实用的方法，而不必 实际建造并测试链路。本论文重点讨论无线信道的仿真问题，也会涉及到一些比 如信源、调制解调等的仿真。 1 3 项目来源 本课题是根据国家项目“地域无线信道传播特性研究的需求提出的。具体 要求有研究特定环境下无线通信信道传播特性；对该环境中无线信道进行特定的 测试和理论建模；分析城市、郊区、山地等多种地形中无线信号传播特性；完成 涵盖多种条件的无线通信信道仿真数据库，可以进行多种情况下的软件和或硬件 平台信道模拟；能够根据少量实测信号和简易地形信息进行快速无线信道类型定 位和模型校正；为通信系统的快速部署和网络架构提供支持。因此根据作者本人 的研究成果在此篇论文中将会涉及到以下内容：针对各种地域环境建立适用的无 线通信信道模型，研究无线信道各种传播特性；研究各种地域环境下，符合特定 移动方式时的信道的信号幅度的衰减和衰落分布、电平跨越速率、时延扩展、多 普勒频移等传播特性。研究地域环境下无线移动通信系统多频段( 窄带和宽带) 信道测试及理论建模技术；建立具有较多典型环境下无线通信信道特性的仿真模 型库；以及对现有文献中较少涉及的特殊情况下( 双移动，低天线) 传播特性的 初步探讨。重点放在无线信道仿真模型库的组织和建立上。 1 4 本文主要研究内容 本文研究的主要内容包括：现有大尺度传播模型的分析与比较，经典大尺度 传播模型在特定环境下的修正，大尺度传播模型库的研究与建立，小尺度衰落信 道( 标量信道) 的研究、建模与仿真问题。 以无线通信技术为基础，围绕信道建模与仿真，本文的主要研究内容安排如 下： 第二章主要介绍了大尺度传播模型，其中包括地球表面均匀大气中的电波传 4 无线传播信道模型库的研究与建立 播时产生的各种传播机制以及对现有各种经典大尺度传播模型的整理、分析与比 较，然后讨论了小尺度衰落信道的相关问题。 第三章重点介绍已开发较为成熟的软件，包括该软件的基本框架，重点放在 核心模块信道仿真模型库的组织与建立上，以及其他仿真模块与该核心模块 的合理构成。 第四章介绍了软件中仿真模块的设计与建模，介绍了调用核心信道模型库的 方法，为其它仿真模块的建立提供启示。 第五章给出第四章实现的仿真模块的仿真结果。 第六章为结束语。 第二章无线传播信道的相关概念 第二章无线传播信道的相关概念 无线信号的传播受两大类因素的影响i 大尺度传播损耗；小尺度多径效 应。大尺度传播损耗用于预测接收机与发射机之间长距离下的平均场强变化，小 尺度效应指无线信号在经过短时间或短距离传播后幅度的快速衰落。本章阐述了 无线电波的传播机制，介绍了无线信道的概念和小尺度衰落的相关概念，最后整 理了经典的大尺度传播经验模型。 2 1 无线信道、电波传播的概念 2 1 1 无线信道的定义 在本文中，无线信道指无线通信中发射天线到接收天线之间的电波通路。对 于无线电波而言，从发送端到接收端并没有一个有形的连接，电波的传播路径也 不能只有一条( 多径传播、反射等) 。为了形象的描述发送端与接收端之间的工作， 可以想象两者之间有一个看不见的道路连接，把这条连接道路称为信道。信道有 一定的频带宽度，正如公路有一定的宽度一样【2 】。 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。无线信道不像有线信道 那样固定并且可预见，而是具有很大的随机性，通常难以分析。甚至移动台的速 度都会对信号电平的衰落产牛影响。无线信道的建模历来是移动无线系统设计中 的一个关键问题，又是一个难点。 2 1 2 无线电波的传播方式 无线电波通过多种传输方式从发射天线到接收天线。主要有空间波、对流层 反射波、电离层波和地波p 】。 表面波传播就是电波沿着地球表面到达接收点的传播方式。电波在地球表面 上传播，以绕射方式可以到达视线范围以外。地面对表面波有吸收作用，吸收的 强弱与电波的频率，地面的性质等因素有关。 天波传播就是自发射天线发出的电磁波，在高空被电离层反射回来到达接收 端点的传播方式。电离层对电磁波除了具有反射作用以外，还有吸收能量与引起 信号畸变等作用。其作用强弱与电磁波的频率和电离层的变化有关。 散射传播就是利用大气层对流层和电离层的不均匀性来散射电波，使电波到 6 无线传播信道模型库的研究与建立 达视线以外的地方。对流层在地球上方约1 0 - 1 8 公里处，是异类介质，反射指数 随着高度的增加而减小。 外层空间传播就是无线电在对流层，电离层以外的外层空间中的传播方式。 这中传播方式主要用于卫星或以星际为对象的通信中，以及用于空间飞行器的搜 索、定位、跟踪等。 空间波传播就是电波从发射天线直接传播到接收天线或经过地面反射之后到 达接收点的传播方式。陆地移动通信、个人通信以及寻呼通信等都是以这种方式 传播，因此以下讨论的电波是指空间波。 2 2 地球表面均匀大气中的电波传播的三种传播机制 在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的机制为反射、绕射和散射。当 电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射。当发射机和接收机之间的无线电波 被一个具有明显不规则的表面或尖利的边缘阻挡时，发生绕射。当电磁波在传播 中遇到一些尺寸小于波长的建筑目标物或者每单位的障碍物数目很多时，电磁波 便会发生散射。 2 2 1 反射 当在一种媒介中传播的无线电波入射到另一种媒介表面时，无线电波的部分 能量会反射到第一种媒介，而另一部分能量则被折射到第二种媒介。反射波和折 射波的电场强度通过反射系数r 与原媒介中的入射波联系在一起。反射系数的大 小由波的极化方式、入射角和传播波的频率决定。反射系数定义为反射波场强与 入射波场强的比值。 当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑 物等的墙壁表面。 2 2 2 绕射 绕射使无线电信号绕过地球曲面，能够传播到障碍物的后面。尽管接收机移 动到被遮挡的区域( 阴影区) 越深，接收到的场强衰减就越快，但由于绕射场仍 然存在，所以常常仍有足够的电场强度产生有用的信号。 绕射现象可以用h u y g e n 原理来解释。h u y g e n 原理说的是：波前的所有点都 可以看做是产生二次波的点源，并且这些子波组合在一起，在传播方向上产生一 个新的波前。绕射是二次子波传播到阴影区引起的【4 1 。 第二章无线传播信道的相关概念 当接收机和发射机间的无线路径被尖利的边缘阻挡是发生绕射。由阻挡表面 产生的二次波散布于空间。甚至于阻挡体的背面。当发射机和接收机之间不存在 视距路径时，绕射阻挡体使电磁波产生弯曲。 2 2 3 散射 移动通信环境中的实际接收信号通常总比只用反射和绕射模型预测的接收信 号强，这主要是因为当无线电波入射到一粗糙表面时，由于散射的作用被反射的 能量扩展( 弥散) 到所有的方向，从而在接收端形成了另外的无线电能量。在城 市微小区中，街灯杆和树木等都会将入射的能量散射到所有方向。 当电磁波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非 常巨大时，发生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体如：树 叶、灯柱等。 在实际通信中三种传播机制会综合反映在某些影响通信的障碍物上，如山区 环境，电磁波在其表面会产生反射和散射，而尖而高的山峰则会产生绕射效应。 2 3 移动无线信道中的电波传播特性 陆地移动通信无线信号可以用三种传播机制来表征，这三种传播机制是根据 距离尺度大小来区分的，大尺度的传播机制是用来描述区域均值，它具有幂定律 传播特征，即中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比变化；中尺度的传播 机制描述的是阴影衰落，它是重叠在大尺度长波特性的中值电平上的平均功率变 化，当用分贝表示时，这种变化趋向于正态( 高斯) 分布，通常称为对数正态阴 影；最后，小尺度上信号包络的变化是描述多径衰落的，它通常服从瑞利概率密 度函数，因而也称为瑞利衰落。 2 3 1 大尺度衰落特性 对传播特性的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测，和特定 位置附近场强的变化。对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型， 由于它们描述的是发射机和接收机之间( t - r ) 长距离( 几百米或几千米) 上的 场强变化，所以被称为大尺度传播模型。 大尺度衰落表征了由于移动台经过较大距离的运动而引起的平均接收信号功 率衰减或者路径损耗。大尺度衰落的统计特性给了我们一种将路径损耗的估计值 以距离为因子的函数计算方法，可以由均值路径损耗和对数正态分布的均值来表 无线传播信道模型库的研究与建立 示它。 路径损耗代表的是大尺度衰落的传播特性，它具有幂定律的传播特性，主要 反映自由空间传播损耗与传播中的弥散损耗。在较早的受接收机噪声限制的移动 通信系统( 通常称为噪声受限系统) 中，路径损耗确定了信噪比( s n r ) 和最大 覆盖范围。在频率复用的移动蜂窝通信系统( 通常称为干扰受限系统) 中，路径 损耗确定了同频、邻频的干扰程度，因此也就关系到可以采用什么样的复用方案。 对于移动无线系统，o k u m u r a 对较大范围的天线高度和覆盖区域做了比较早 的路径损耗测试【5 】式( 2 1 ) 。h a m 将o k u m u r a 的数据转换成了参数公式【6 1 ，式 ( 2 2 ) 。对于移动无线系统，平均路径损耗l ，( d ) 是发射机与接收机之间距离d 的方程，它相应于距离d 处以距离瓯处作为参照并遵守如下公式( 2 3 ) 。 匕= 昂棚一1 0 1 0 9 d + q ，( 删 一 ( 2 1 ) l 卢( d 1 经常以分贝表示： 己( d ) ( 招) = 厶( “) ( 扭) + 1 0 n l o g l 纥j 、 一般的，对于大蜂窝区域瓦取为1 公里，微蜂窝取为1 0 0 米，室内信道取为1 米。 l p ( d ) 是在给定的d 值的平均路径损耗( 经过不同的地点) 。幂指数1 1 与频率、天 线高度以及传播环境有关。在自由空间中，n = 2 。在一个电波加强的情况下( 比 如两边有高层建筑物的城市街道) ，n 有可能小于2 ，当存在阻挡物时，n 的值就 比2 大了。在离发射机为以处的参考点的路径损耗为p ( d ) 一般通过测量或者使 用公式( 2 1 ) 计算得出。 公式( 2 2 ) 中表达的路径损耗与距离的比值为一个均值，所以对于描述信号 路径的细节很不详细。即使发射机与接收机之间的距离相同，不同地点的传播环 境大不一样，所以有必要提供变化值的均值。测量表明对于任意的d ，路径损耗 l ，( d ) 是一个遵守对数正态分布的随机变量，和与距离有关的，( d ) 保持一致。 所以，路径损耗p ( d ) 可以表示成z p ( d ) 加上一个随机变量以7 1 ： p ( d ) ( 招) = l s ( 瓯) ( 始) + 1 0 刀l o g 【纥】+ k ( 抬) 以为一个零均值随机变量( 用分贝表示) ，标准方差为盯( 用分贝表示) 。托与 距离和地点有关。对于k 的选择通常是基于测量；一般取值为6 - 1 0 d b 甚至更高。 所以，对于用统计的方法描述任意位置并且任意距离的发射机与接收机之间的路 径损耗，下列参数是必要的： 参考距离瓯，路径损耗指数1 1 ，k 的标准方差。 第二章无线传播信道的相关概念 9 2 3 2 阴影衰落 由前面的论述可知，在几十到几百个波长距离上的信号小尺度变化主要用瑞 利统计描述。由于阴影遮挡、地形变化引起的信号中尺度变化，要采用高斯统计 描述。因为通过起伏地形和高度随机变化的成排建筑物的传播呈现的是慢衰落统 计特性，或小范围内取平均的变化，这就给上一节介绍的路径损耗加上一个随机 变化。 阴影衰落使所预测的路径损耗会产生相当大的变化。由于阴影变化是由基站 和移动台之间大的地形特征，如在宏小区中的建筑物和丘陵以及在微蜂窝中像车 辆这样较小的物体所产生，在宏小区中，障碍物的有效变化尺度一般为几百个波 长，所以阴影的影响在几十个波长内基本上保持不变。如果围绕一条以基站为圆 心的圆形路线( 也就是保持基站的和移动台之间的传播路径长度不变的路线) 上 收集数据时，在正态概率纸上画出的用分贝表示的平均接收功率将是一线性分布， 因而称为对数正态阴影传播机制。 对数正态一阴影传播机制是由于基站发射的信号遇到地形地物等阴影的影响， 在信号到达的时候，已经经历了多次反射或绕射，每次反射或绕射都可以用衰减 来表征，也就是每个单独的信号都有某种程度上衰减的随机变量，因此最后由多 个随机变量叠加后的接收信号值就是对它们取对数后进行相加( 用d b 表示的话) 。 由中心极限理论可知在一般情况下其和的分布则是正态分布，因而显示出高斯统 计。在自然单位中( 也就是不用d b 表示) ，其和对应于对数正态分布。 如果把路径损耗和阴影变化结合起来，在离基站距离d 处的几十个波长间隔 上的平均接收功率给出为公式( 2 - 4 ) ： 如= 昂皿一l o l o g d + q ，( 删。 ( 2 - 4 ) 这里的阴影变化电平q ，( 应该是具有0 d b 均值( l f n = 0 d b ) 的正态分布量， 并与所在位置有关。如果在同样距离d 的另一些位置上测量平均功率的话，虽然 不同的障碍物在起作用，但将会发现画出了类似的高斯( 正态) 信号集合。 2 3 3 小尺度衰落特性 小尺度衰落指的是由于在发射机和接收机之间的空间区域内很小的变化( 小 到半个波长) ，而导致信号幅度和相位较大的变化的现象。小尺度衰落有两种机理， 一种是信号时延扩展，另一种是信道时变特性。时延扩展机理在时域描述成多径 时延散布，在频域中描述为信道相干带宽。时变机理在时域描述成信道相干时间， 1 0 无线传播信道模型库的研究与建立 在频域描述成信道衰落或者多普勒扩展。 对于移动无线系统，因为发射机与接收机之间的相对运动造成传播路径变化， 所以信道是时变的，这些传播特性的变化率决定了信号的衰落速率。小尺度衰落 包含几种衰落模式，一种为r a y l e i g h 衰落，一种为r i c e 衰落。当反射路径很多并 且没有可视路径( l o s ) ，接收信号包络由r a y l e i g h 过程描述。当有一个支配路径 存在时，例如可视传播路径，那么小尺度衰落可以由r i c e 过程描述。当移动台在 较大的区域内随机游走时，接收信号必定经历两种衰落模式：大尺度衰落( 阴影 衰落) 和叠加在其上的小尺度衰落。 影响小尺度衰落的主要因素有多径传播、移动速度、周围物体的移动速度以 及信号的传输带宽。小尺度衰落根据传输信号的带宽、移动速度和不同的传播环 境，可以分为四种不同的衰落类型：非频率选择性( 平坦) 衰落和频率选择性衰 落，快衰落和慢衰落【2 】，如图2 1 所示，其中，b 。为传输信号带宽，e 为信道的 相干带宽，z 为传输码元周期，瓦为信道的相干时间。 信道模型 瓦瓦瓦r o 其它 b w b c 非色散、平坦衰落时间色散、平坦衰频率非选择性信道 落 b w 毽 频率色散、多普勒( 时间和频频率选择性信道 时间一平坦衰落率) 色散 其它时间非选择性或慢时间选择性或快衰 衰落信道落信道 图2 1 小尺度衰落的特性及分类 相干时间和多普勒扩展 相干时间和多普勒扩展是描述信道时间特性方面的重要参数。相干时间r o 是 信道特性没有显著变化的那段持续时间。信道的时间变化在频域中表示为多普勒 扩展，它定义为当单一频率正弦波( 载波未调制) 传输时的频谱宽度。如果在频 率厂值的范围内，多普勒功率谱s ( f 1 不为o ，那么这样的频率范围称为信道的多 普勒扩展风。多普勒扩展定义为多普勒功率谱的宽度，有时也称为频谱展宽或信 道的衰落带宽。由于多普勒功率谱s ( f 1 和时间相关函数g ( a r ) 之间是傅里叶变 换关系，所以多普勒扩展曰n 的倒数是对信道相干时间r o 的度量，也就是r o 1 b o 。 显然，变化慢的信道相干时间大，或者等效为小的多普勒扩展。无论是信道参数r o 还是巩都可以被用来表征衰落的陡度，因此曰n 还代表了信道的衰落速率。 多普勒扩展巩还被认为是多普勒频移厶。因此移动台的运动会引起多普勒 扩展，每一条多径路径的多普勒频移一般都和另一条路径不同。对接收信号的影 第二章无线传播信道的相关概念 响可以看作为发射信号频率的多普勒扩展或频谱扩展，而不是看做一频偏。如果 从基站到移动台接收机只有一条路径的话，那么从基站将观察到与载波频率的简 单偏移结合在一起的零多普勒扩展( 多普勒频移) 。多普勒频率变化和口。有关，a 。 是移动台运动方向相对于来波的角度。 对于以固定速度，运动的移动台，所接收的载波发生的多普勒频移为式( 2 5 ) f o , n 厶c o s a n = 丢c a ) s a n = 詈z c o s 仉 像5 ) 其中，厶。是第1 1 条路径上的平面波的多普勒频移，厶是最大多普勒频移，z 是 载波频率。 如果比特持续时间瓦小于信道相干时间瓦，则信道衰减和相移对于至少一个 比特持续时间内基本上固定不变，在这种情况下，信道呈现慢衰落或准静态。因 此，如果数据速率1 瓦大于衰落速率1 瓦，则信道为慢衰落信道。相反，如果比 特持续时间乃大于信道相干时间r o ，或者说，数据速率1 瓦小于衰落速率l t o ， 则信道为快衰落信道。 时延扩展和相干带宽 多普勒效应在频域上将信号的带宽展宽了。多径效应会在时域上造成信号波 形的展宽。也就是说，当发射机发射一个时间宽度极窄的脉冲信号，由于多径的 影响，信号到达接收端的时延不同，即移动用户接收到为一串脉冲序列。接收信 号的波形比发射信号在时域上展宽了。由于信号波形的展宽是由信道时延引起的， 所以我们称之为时延扩展，又称时延散布。 实际上，由于移动传输环境十分复杂，在不同区域不同时间里所实测的时延 都不尽相同，因而要定量的给出时延扩展的值可以采用统计平均的办法。时延扩 展s 是由反射及散射传播路径引起的现象，表示时延扩展的散布程度。s 越大， 时延扩展越严重；s 越小，时延扩展越轻微。时延扩展引起频率选择性衰落。它 在时延上将信号的波形展宽t ，同时，在频域上规定了相干带宽，相干带宽表示 信道在两个频移处的频率响应保持强相关情况下的最大频率差。在工程应用中， 对于角度调制信号，相干带宽可用下式估算： 曰：上 2 r c s ( 2 6 ) 其中s 为时延扩展。 若相干带宽定义为频率相关函数大于0 9 的某特定带宽则毋近似为： 曰：上 5 0 s ( 2 7 ) 无线传播信道模型库的研究与建立 若定义为频率相关函数大于0 5 ，则相干带宽吃，近似为： 色2 西1 ( 2 8 ) 可见，相干带宽眵与时延扩展s 之间不存在确定的关系，但有一点是肯定的， 相干带宽与时延扩展成反比。 相干带宽表征信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。也就是说，衰落信 号中的两个频率分量，当其频率间隔小于相干带宽时它们是相关的，其衰落具有 一致性；当频率间隔大于相干带宽时，它们的衰落不具有一致性【l 】。相干带宽实 际上是对移动信道传播具有一定带宽信号能力的统计度量。对于某个移动环境， 其时延扩展s 可由大量实测数据经过统计处理计算出来，并可进一步确定这个移 动信道的相干带宽毋，它是移动信道的一个特性。根据信号带宽晟与相干带宽忍 之间的关系不同，由多径时延扩展引起的衰落又分为平坦衰落和时间选择性衰落。 对于数字移动通信系统来说，当码元速率较低，信号带宽远小于信道相干带宽时， 此时的衰落为平坦衰落；反之当码元速率较高，信号带宽大于信道带宽时，此时 的衰落为频率选择性衰落。此时，信号通过信道传输后各个脉冲在时间上相互交 叠，产生波形频率分量的变化不一致的失真并造成码间串扰。为使信号波形不失 真，无码间串扰，必须满足： b s b c ( 2 9 ) 或等效的说码元速率较高，远小于时延扩展的倒数。 2 4 大尺度传播模型综述 在建立传播信道模型库之前，首先要建立系统的数学模型，要正确的对一个 信道模型进行计算机仿真，正确的确定数学模型是关键，模型的正确与否对仿真 起着决定性作用。有许多预测和计算传输损耗的传播模型可以在文献中找到，每 一个模型都被定义在一个特定的环境中。下面我们先对信道仿真模型库所囊括的 各个传播模型进行简要的介绍，毕竟它们是该软件最基础的元素【2 j 。 oo k u m u r a - h a t e 模型 o k u m u r a h a t a 模型是根据测试数据统计分析得到的经验公式，其适用频率范 围是1 5 0 m h z 到1 5 0 0 m h z ，适用于小区半径大于l k m 的宏蜂窝系统，基站有效 天线高度在3 0 m 到2 0 0 m 之间，移动台有效天线高度在l m 到1 0 m 之间。 o k u m u r a h a t a 模型以市区传播损耗为标准，在此基础上对其它地形做了修正。 实测中在基本确定了设备的功率、天线的高度后，可利用o k u m u r a - h a t a 模型 对信号覆盖范围作一个初步的测算。在市区，o k u m r a - h a t a 经验公式如下： 第二章无线传播信道的相关概念 1 3 乙= 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 9 f 一1 3 8 2 1 9 ( h t 。) 一口( k ) + 【4 4 9 6 5 5 1 9 ( h t ) l g d ( 2 一l o ) 式中，厂是载波频率；h 把是发射天线有效高度；h 彤是接收天线有效高度：d 是发射机与接收机之间的距离；a ( h 。) 是移动天线修正因子，其数值取决于环境。 在g s m 系统中，取频率f = 8 7 0 m h z ，式( 2 1 0 ) 可简化为： 乙= 1 4 6 4 5 - 1 3 8 2 ( 吃) 一口( k ) + 4 4 9 - 6 5 5 1 0 9 l o g d 】 ( 2 1 1 ) 对于中小城市有 口( k ) = ( 1 1 l o g f 一0 7 ) k 一( 1 5 6 1 0 9 f 一0 8 ) d b ( 2 - 1 2 ) 对于大城市有 口( 死) = 8 2 9 ( 1 0 9 1 5 4 吃) 2 - 1 1 d b 厂3 0 0 m h z 口( k ) = 3 2 ( 1 0 9 1 1 7 5 h r , ) 2 4 9 7 d bf 3 0 0 m h z 在郊区，o k u m r a h a t a 经验公式修正为 厶= t ( n 肓n ) 一2 1 0 9 ( f 2 8 ) 2 - 5 4 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 在农村，o k u m r a - h a t a 经验公式修正为 厶= l ( - ( f f n ) - 4 7 8 ( 1 0 9 f ) 2 1 8 3 3 1 0 9 f - 4 0 9 8 ( 2 1 6 ) 图2 1 显示了不同地区采用o k u m r a - h a t a 模型计算得到的不同路径损耗值。 1 4 无线传播信道模型库的研究与建立 距离 图2 1o k u m r a h a t a 模型中不同地区的路径损耗 在覆盖距离超过l k m 的情况下，o k u m u r a h a t a 模型和o l ( u m 啪曲线所得的 结果很接近。o k u m u r a - h a t a 模型适用于大区制移动系统，但是不适合覆盖距离不 到l k m 的个人通信系统 oc o s t - 2 3 1h a t a 模型 在不少城市的高密度区，经过小区分裂站距己缩小到数百米。而在基站密集 的地域使用o k u m u r a - h a t a 模型将出现预测值明显偏高的问题。因此， e u r o c o s t ( 科学和技术研究欧洲协会) 组成c o s t - 2 3 1 工作委员会，提出了 o k u m u r a h a t a 的扩展模型，即c o s t - 2 31h a t a 模型。 c o s t - 2 3 1h a t a 模型和o l ( u m 啪h a t a 模型主要的区别在于频率衰减的系数不 同。c o s t - 2 3 1h a t a 模型的频率衰减因子为3 3 9 ，而o k u m u r a h a t a 模型的频率衰 减因子为2 4 1 6 。 c o s t - 2 3 1h a t a 模型适用于下列范围参数： f ：1 5 0 0 m h z 一2 3 0 0 m h z d ：l k m 2 0 k i n h 旭：l m - 1 0 m h 圮：3 0 m - 2 0 0 m 另外，c o s t - 2 3 1h a t a 模型还增加了一个大城市中心衰减因子，大城市中 心地区路径损耗增加3 d b 。 c o s t - 2 3 1h a t a 模型路径损耗的计算公式为 l m ( d ) = 4 6 3 + 3 3 9 1 0 9 f 一1 3 8 2 l o g 九一口( k ) + ( 4 4 9 - 6 5 5 l o g 玩) l o g d + c 0 ( 2 1 7 ) 第二章无线传播信道的相关概念 式中，c m 为大城市中心校正因子。在中等城市和郊区，= 0 d b ，在市中心， = 3 d b 。接收到的场强为： 荆= 1 0 l g e r+ 瓯，棚( ) 一厶( d ) d b m ( 2 1 8 ) 式中，三。p ) 就是式( 3 8 ) 中的厶p ) 。当取定o ) = 1 0 _ 6 w ，= l k m ，f = 1 8 0 0 m h z ，k = 4 0 m ， 。= 3 m 时，可以得到表2 - 2 表2 2 不同距离下的e p ) 取值 d ( b n ) p r ( d ) ( d b m ) 2_ 4 0 3 5 55 4 0 5 1 06 4 5 l 2 07 4 7 7 c o s t - 2 3 1h a t a 模型的使用被限制在大区蜂窝系统中，例如基站天线高度超 过周围的建筑物屋顶的高度，该模型的公式和修正因子不能被用在小区蜂窝中。 c o s t 2 3 1 w i 模型 c o s t2 3 1 w i 模型广泛用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境。它是基 于w a l f i s c h b e r t o n i 模型和i k e g a m i 模型得到的。在使用高基站天线时模型采用理 论的w a l f i s c h b e r t o n i 模型计算多屏绕射损耗；在使用低基站天线时采用测试数 据。该模型也考虑了自由空间损耗、从建筑物顶到街面的损耗以及街道方向的影 响。c o s t2 3 1 w i 模型适用的范围为：8 0 0 m h z 厂2 0 0 0 m h z ，0 0 2 k i n d 5 k m ， 4 m h ，5 0 m 。 c o s t2 3 1 w i 模型分视距传播( l o s ) 和非视距传播( n l o s ) 两种情况计 算路径损耗。对于视距( l o s ) 传播环境，其路径损耗为 l l 傩= 4 2 6 4 + 2 0 l g f + 2 6 1 9 d ( 2 1 9 ) 式中，f 的单位为m h z ，d 的单位为k m 。 非视距( n l o s ) 环境的参数如图2 2 所示： 1 6 无线传播信道模型库的研究与建立 产 _ 一 街面移动台天线 图2 2 c o s t 2 3 1 - w i 模型( 非视距环境) 图中，吃为基站天线高出地面的高度，单位为m ( 4 5 0 m ) ；h m 为移动台天 线高度，单位为m ( 1 3 m ) ；h b 为建筑物屋顶高