（应用数学专业论文）基于wm算子的无线电信号传播模型的识别.pdf

i i i ii iii i i ii ii i ii iiiii y 1 7 5 0 4 2 1 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用内容和致谢的地方外 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果 也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 搿渊制锄撕张洲焘穸 学位论文作者签名 套威荭 指导教师签名 日期 训 7 删沙知 西华大学硕士学位论文 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 无线信 道特性的优劣程度严重影响着移动通信系统的性能 因而对无线信道模型的研究日益受 到人们的重视 传播模型是移动通信网络规划的基础 传播模型的准确与否直接关系到 移动网络小区规划的合理性 随着我国移动通信网络的飞速发展 各移动网络运营商越 来越重视传播模型与当地环境的匹配程度 移动通信的无线传播环境复杂 差异性大 必须通过实际的传播模型测试才能得到真实反映无线传播特性的传播模型 这点对于具 有多业务特性的3 g 系统而言尤为重要 本文从无线电信号传播特征出发 根据数学期望 方差和加权平均算子 w m 算子 的理论 主要论述了以下四个方面的内容 详细的分析了无线电信号的特征和无线电信号空中传播的衰减规律 并对无线电 信号时间特征 频谱特征 传播特征 调制特征四个方面进行了详细的综述 此外 详 细介绍了无线电信号的信道特征和信号在空中传播所引起的衰减 多径效应和多普勒效 应会引起多个新号在接收端的叠加 从而使信号幅度急剧变化引起衰落 论述了无线电信号传播模型的种类以及各种模型之间的关系 并详细分析了 c o s t 2 3 1h a t a 模型和c o s t 2 3 1 w a l f i s h i k e g a m i 模型 目前的传播模型都是基于无线信 号在空中的传播得出的经验模型 基本都是o k u m u r a h a t a 模型的衍化 c o s t 2 3 1h a m 模型是在o k u m u r a h a t a 模型不能完全适用现代无线电通讯的要求的前提下做了修正 使之符合现代无线电通信的需求 c o s t 2 3 1 w aifis h ik e g a mi 模型是欧洲科学和技术研 究委员会 e u r o c o s t 在w a ifis h b e r t o ni 市区环境测量结果的基础上修正系数得到 的无线电信号传播模型 论述了数学期望 方差和加权平均算子 w m 算子 的定义和性质 在此数学背景 的基础上提出无线电信号传播模型的新的识别方法 首先对给定区域进行一个全划分得到若干个小扇区 达到由 粗 到 细 的过度 并在专家经验的基础上给出测试区域可能的传播模型 其次在每个小扇区根据所给传播模型进行仿真实验测算出场强 利用场强测试仪器 在每个区域测试实际场强 然后根据实验场强和实际场强的差值 在相关数学知识的基 础上给出了每个小扇区的模型辨别的数学表达式 最后根据每个小扇区的无线电信号传播模型进一步综合得出整个区域的无线电信 号传播模型 基于w m 算子的无线电信号传播模型的识别 根据西华大学附近区域无线电信号传播特征 通过具体实验验证所提出方法是正 效的 得结果对实际工作都具有指导意义 键词 无线电信号 衰落模型 传播模型 数学期望 方差 平均算子 h 西华大学硕士学位论文 a b s t r a c t w 油t h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y c o m m u n i c a t i o n sn e e d si si n c r e a s i n g l yu r g e n t c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i e sh a v eas e r i o u s i m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo fm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w i r e l e s sc h a r m e lm o d e lr e s e a r c hh a sb e e np a i da t t e n t i o nt ob y p e o p l e t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kp l a n n i n gb a s e do na c c u r a t ep r o p a g a t i o n m o d e l t h er e a s o n a b l ep r o p a g a t i o ni sc o r r e l a t e dt ot h em o b i l en e t w o r kc e l lp l a n n i n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s t h em o b i l en e t w o r k o p e r a t o r sh a v ea 1 1i n c r e a s i n ge m p h a s i so nc o m m u n i c a t i o nm o d e la n dt h em a t c h i n g d e g r e eo ft h el o c a le n v i r o n m e n t m o b i l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n ti s c o m p l e x b i gd i f f e r e n c e t h r o u g ht h ea c t u a lm o d e lt e s t s w ec a ng e tan i c e p r o p a g a t i o nm o d e lb a s e do n r a d i op r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h i sc h a r a c t e r i s t i cf o ra m u l t i s e r v i c e3 gs y s t e mi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r g i v e nt h er a d i os i g n a lp r o p a g a t i o nm o d e l a n db a s e do nt h e c r e d i b i l i t yt h e o r y m a i n l yd i s c u s s e st h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s a n a l y z er a d i os i g n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dr a d i os i g n a la t t e n u a t i o nr u l e a n d r e v i e wt i m i n gc h a r a c t e r i s t i c s s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c s p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s m o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr a d i os i g n a l i na d d i t i o n i n t r o d u c er a d i os i g n a lc h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c sa n ds i g n a lt r a n s m i s s i o ni nt h ea i rc a u s e db yt h ed e c a y m u l t i p a t he f f e c t s a n dt h ed o p p l e re f f e c tw i l lc a u s ean u m b e ro fs i g n a lo v e r l a ya tt h er e c e i v i n gt e r m i n a l s ot h a ts i g n a la t t e n u a t i o nc a u s e db y r a p i dc h a n g e si ns i g n a la m p l i t u d e d i s c u s s e st h et y p e so fr a d i os i g n a lp r o p a g a t i o nm o d e la n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ev a r i o u s m o d e l s a n d a n a l y z et h ec o s t 2 31 h a t am o d e la n d c o s t 2 31 w a l f i s h i k e g a m im o d e l c u r r e n tw i r e l e s ss i g n a lt r a n s m i s s i o ni nt h ea i r e m p i r i c a l m o d e ld e r i v e df r o m o k u m u r a h a t am o d e l c o s t 2 31h a t am o d e li s o k u m u r a h a t am o d e ld o e sn o tf u l l ya p p l yt h er e q u i r e m e n t so ft h em o d e mr a d i o c o m m u n i c a t i o n u n d e rt h ep r e m i s ew a sa m e n d e dt oc o n f o r mt ot h en e e d so fm o d e r n r a d i oc o m m u n i c a t i o n s c o s t 2 31 w a l f i s h i k e g a m im o d e li st h ee u r o p e a ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g yr e s e a r c hc o u n c i l e u r o c o s t i nw a l f i s h b e r t o n iu r b a ne n v i r o n m e n t b a s e do nt h em e a s u r e m e n tr e s u l t so b t a i n e dc o r r e c t i o nf a c t o rm o d e lo fu r b a nr a d i o s i g n a lp r o p a g a t i o n d i s c u s s e st h ed e f i n i t i o na n dn a t u r eo ft h em a t h e m a t i c a le x p e c t a t i o n v a r i a n c e a n dt h ew e i g h t e da v e r a g eo p e r a t o r w mo p e r a t o r p r o p s e dt h en e wi d e n t i f i c a t i o n m e t h o du n d e rt h em a t h e m a t i c a lb a c k g r o u n do fr a d i os i g n a lp r o p a g a t i o nm o d e l f i r s t d i v i d e dag i v e nr e g i o ni n t os e v e r a ls m a l ls e c t o r w i d e r e a c h i n gf r o mt h e r o u g h t o f i n e a n dg i v e nt h ep o s s i b l es p r e a do fm o d e lt e s ta r e ab a s e do nt h e e x p e r i e n c eo fe x p e r t s i i i i v 西华大学硕士学位论文 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 目录 1 1绪论 3 1 1 基于w m 算子的无线电信号传播模型的识别的背景和意义 3 1 1 1 研究背景 3 1 2 2 研究意义 4 1 2 本论文的研究内容 5 2 无线电信号的特性 6 2 1无线电信号的特性 6 2 1 1时间特性 6 2 1 2 频谱特性 6 2 1 3 传播特性 7 2 1 4 调制特性 一8 2 2 无线信道的概述 8 2 2 1多径效应 8 2 2 2 多普勒效应 9 2 3 无线信号在空中传播的衰减 1 0 2 3 1快衰落 1 1 2 3 2 慢衰落 1 2 2 3 3路径损耗 1 3 3目前主要传播模型的建立与分析 1 4 3 1自由空间传播模型 1 4 3 2 地球平面传播模型 1 4 3 3 e g l i 模型 1 5 3 4o k u m u r a 模型 1 6 3 5 h a t a 模型 17 3 6 c o s t 2 3 1h a t a 模型 1 8 3 7c o s t 2 31 w a l f i s h i k e g a m i 模型 2 0 3 8 主要传播模型相互之间的关系 2 0 基于w m 算子的无线电信号传播模型的识别 相关数学理论知识 2 2 4 1 数学期望 2 2 4 2 方差 2 2 4 3 加权平均算子 w m 算子 2 3 4 3 1 有序加权平均算子 o w a 算子 2 3 4 3 2 加权的有序加权平均算子 w o w a 算子 2 4 4 3 3广义的加权平均算子 g o w a 算子 2 5 基于w m 算子的无线电信号传播模型的预测和分析 2 6 5 1 基于w m 算子的无线电信号传播模型预测步骤 2 6 5 2 预测方法的补释 一2 7 5 3 具体实例 2 8 5 3 1区域分割 2 8 5 3 2 测试点的选取 2 9 5 3 3实际场强测量结果 3 0 5 3 4 用软件t e m sc e l lp l a n n e r 做仿真实验 3 0 论 3 7 考文献 3 8 读硕士学位期间发表学术论文情况 4 0 谢 z 1 1 2 西华大学硕士学位论文 绪论 随着无线通信的大规模普及 无线电信号的传输质量也越来越受人们的重视 因此 对无线电信号传播模型的研究也已成为人们关注的课题 1 从七十年代开始 国内外就电磁波传播预测的研究工作就广泛的展开了 并建立了 大量的预测传播模型 根据这些模型使用的覆盖范围 可以分为大区模型 宏蜂窝模型 小区模型和微区模型 微蜂窝模型 宏蜂窝模型最常用的是o k u m u r a h a t a 模型 c o s t 2 3 1 h a t a 模型 c o s t 2 3 l w a l f i s c h i g k a m i 模型等 9 1 0 但这些模型都有自己的一 些缺陷 且不是特别适合我国的实际情况 如o k u m u r a h a t a 模型主要是由在日本东京 测试的数据而得到的经验模型 目前国内外传播模型的研究可以分为两类 一类是基于 无线电传播的理论分析方法 一类是建立在大量测试数据和经验公式基础上的实测统计 方法 其趋势从o k u m u r a h a t a 模型等适用于宏蜂窝的经验模型向适用于微蜂窝移动网 络结构的射线跟踪模型演进 并在无线通信应用需求推动之下不断发展变化 从预测技 术的特征看 以往国内外移动通信系统无线信号场强研究的思路都是通过正演的方式 建立在传播模型研究的基础上 依赖于三维数字化地图 或者预测精度偏低 或者运算 耗时过长 或者投入太大 结果对于无线通信系统场强覆盖的研究在我国开展的并不好 实际上 如何确定在不确定性理论的前提下的无线传播模型已经成为许多理论分析和现 场实测的课题 并已经得出许多有关其特性的结果 其中有些给出精确的数学描述 另 一些则给出统计模型 然而由于无线电通信的复杂性 仍有许多问题没有解决 1 1基于w m 算子的无线电信号传播模型的识别的背景和意义 1 1 1 研究背景 随着第三代移动通信技术的兴起 3 g 第三代移动通信技术 的商用已经日渐紧迫 并且与第二代移动通信网络相比 3 g 系统的网络规划设计更加复杂 l 卜1 3 若研究移动 通信系统 必须首先对无线信道传播模型做出分析 因为它是移动通信系统规划和优化 的基础 直接关系到通信系统能力的有效发挥及无线网络的质量 移动通信系统中无线 信道的传播主要受到地形和建筑物 内外界干扰和多普勒效应等因素的影响 具有较大 的随机特性 因此 严格的理论分析很难实现 在实际应用中 往往需要对自然环境进 行近似和简化 针对不同的无线传播环境分析出不同的传播模型 传播模型是描述无线电波在介质中传播特性的数学模型 它用于无线通信系统的规 划设计 用于仿真时提供较精确的覆盖预测 从而有助于无线网络的规划 部署和扩容 基于w m 算子的无线电信号传播模型的识别 传播模型的研究可分为两类 一类是基于无线电传播理论的理论分析方法 一类是建立 在大量测试数据和经验公式基础上的实测统计方法 在无线通信系统中 由于移动台不 断运动 传播信道不仅受到多普勒效应的影响 而且还受地形 地物的影响 另外移动 系统本身的干扰和外界干扰也不能忽视 基于移动通信系统的上述特性 严格的理论分 析很难实现 往往需对传播环境进行近似 简化 从而使得理论模型误差较大 因此在 考虑无线电信号传播中不确定性理论的基础上研究传播模型更具有实际意义 通过分析 与计算等手段对传播模型的参数进行修正 最终得出最能反映当地无线传播环境的基于 大量测量数据的统计传播模型 从而提高分析的准确性 无线网络越来越复杂 借助于规划软件 可对基站信号覆盖做出预测 在基站信号 覆盖预测的基础上 进行站点选择 容量规划 频率规划 网络优化等 若基站信号覆 盖预测不准 所做的一切规划将因误差太大 而失去实际意义 规划软件也起不到很好 的作用 要对基站信号覆盖做出较为准确的预测 首先必须要有一个准确的传播模型 目前一些传播模型其参数都是在特定的环境条件下通过测试而得出的经验值 若环境条 件发生明显变化 这些模型的准确性就大打折扣 因此 应该根据每个城市特定的地理 环境 在相关理论知识的基础上 校正出能够准确描述该城市电磁波传播特性的信号传 播模型 1 1 2 研究意义 无线信道是制约无线电传播系统的最关键因素 所有的无线电传播系统的设计仿真 过程中都无法回避它的存在 在无线电传播系统中 由于实际传播环境中存在各种各样 影响电波传播的物体 使得电波的传播既有直射 绕射和衍射 又有反射 这就造成电 波传播的多样性和复杂性 也增大了对电波传播研究的难度 基于无线电传播的上述特 性 严格的理论分析很难实现 因此 在无线通信中 传播模型的优劣直接影响其网络 规划的效果 采用合适的传播模型或校正过的传播模型 可以提高覆盖预测的准确度 可以针对特定市场的具体传播环境 设计合理的无线网络建设方案 从而达到提高网络 质量 充分利用系统资源 提高运营商效益的目的 传播模型的现实意义在于指导移动 通信系统无线网络的规划和运行维护 传播模型的准确与否关系到网络规划是否合理 网络质量是否满足用户要求 运营商是否以比较经济合理的投资获取较大的收益 如 在蜂窝移动通信系统中经常出现的掉话 网络忙 无线信号覆盖以及通话质量差等现象 它们在很大程度上与网络规划初期确定的传播模型不合理有关 因而对运营商来说为了 提高用户满意度 不能不特别关注无线电信号传播模型识别问题 目前无线信号传播模型的研究无论从数学模型 理论分析还是从实际应用都取得了 很大的发展 很多无线电通讯设备公司也根据传播模型和原理都推出了自己的实际应用 4 西华大学硕士学位论文 的数学模型 如爱立信9 9 9 9 模型 对无线信号的传播也从最初的自由空间模型发展 到目前比较新的射线追踪传播模型 传播模型是移动通信网络规划的基础 传播模型的准确与否直接关系到移动网络小 区规划的合理性 随着我国移动通信网络的飞速发展 各移动网络运营商越来越重视传 播模型与当地环境的匹配程度 移动通信的无线传播环境复杂 差异性大 必须通过实 际的传播模型测试 才能得到真实反映无线传播特性的传播模型 这点对于具有多业务 特性的3 g 系统而言尤为重要 因此 本文的研究具有很重要的实际意义 1 2 本论文的研究内容 第一章绪论 主要介绍了基于w m 算子的无线电信号传播模型的背景和意义 第二章详细的分析了无线电信号的特征和无线电信号空中传播的衰减规律 第三章介绍了无线信号传播的各种模型以及无线电信号传播模型之间的关系 指出各 种传播模型的优缺点和适用范围及衍生结果 重点分析了c o s t 2 3 1h a t a 模型和 c o s t 2 31 w a l f i s h i k e g a m i 模型 第四章论述了数学期望 方差和加权平均算子 w m 算子 的定义 在其定义的基础上进 一步给出了相关的性质 第五章从数学期望 方差和加权平均算子 w m 算子 的计算公式出发 给出每个抽象量 在具体环境中的实际意义 和具体环境中数学期望和方差的计算方法 并进一 步给出无线电信号传播模型的新的识别方法 第六章并根据西华大学附近区域无线电信号传播特征 在测得实际信号场强的基础上 利用仿真实验验证所提出方法的可行性 基于w m 算子的无线电信号传播模型的识别 2无线电信号的特性和信道衰减 2 1 无线电信号的特性 在高频电路中 我们要处理的无线电信号主要有三种 基带 消息 信号 高频 载波信号和已调信号 2 1 1 时间特性 1 信号的描述 一个无线电信号 可以将它表示为电压或电流的时间函数 通常用 时域波形或数学表达式来描述 2 时间特性的概念 无线电信号的时间特性就是信号随时间变化快慢的特性 信号 的时间特性要求传输该信号的电路的时间特性 如时间常数 与之相适应 2 1 2 频谱特性 频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分 它们分别反映信号中各个频率分量的振幅 和相位的分布情况 对于较复杂的信号 如话音信号 图像信号等 用频谱分析法表示较为方便 信 口 丐 幅 度 0 信 t n 可 振 幅 0 图1 1 信号分解 f ig 1 1 s i g n a ld e c o m p o s i t i o n 图1 2 频谱图 f i g 1 2s p e c t r u mp l o t 6 西华大学硕士学位论文 对于周期性信号 可以表示为许多离散的频率分量 各分量间成谐频关系 例如 图1 2 即为图1 1 所示信号的频谱图 对于非周期性信号 可以用傅里叶变换的方法分 解为连续谱 信号为连续谱的积分 任何信号都会占据一定的带宽 从频谱特性上看 带宽就是信号能量主要部分 一般 为9 0 以上 所占据的频率范围或频带宽度 2 1 3 传播特性 传播特性 是指无线电信号的传播方式 传播距离 传播特点等 无线电信号的 传播特性主要根据其所处的频段或波段来区分 目前有关信号传播分类方面的研究取得 了很大的发展 1 4 d7 1 电磁波从发射天线辐射出去后能量会扩散 接收机只能收到其中极小的一部分 而 且在传播过程中 电波的能量会被地面 建筑物或高空的电离层吸收或反射 或者在大 气层中产生折射或散射等现象 从而造成到达接收机时的强度大大衰减 根据无线电波 在传播过程所发生的现象 电波的传播方式主要有直射 视距 传播 绕射 地波 传播 折射和反射 天波 传播及散射传播等 如图1 3 所示 决定传播方式和传播 特点的关键因素是无线电信号的频率 射线 电离层 距地面6 0 6 0 0 k m 7 p 印 图1 3 无线电波的主要传播方式 a 直射传播 b 地波传播 c 天波传播 d 散射传播 f i g 1 3w i r e l e s sw a v e t r a n s m i s s i o nw a y s a s t r a i g h tt r a n s m i s s i n b g r o u n dw a v ep r o p a g a t i o n c s k yw a v ep r o p a g a t i o n d s c a r e rp r o p a g a t i o n 基于w m 算子的无线电信号传播模型的识别 2 1 4 调制特性 无线电传播一般都要采用高频 射频 的另一个原因就是高频适于天线辐射和无线 传播 只有当天线的尺寸到可以与信号波长相比拟时 天线的辐射效率才会较高 从而 以较小的信号功率传播较远的距离 接收天线也才能有效地接收信号 所谓调制 就是用调制信号去控制高频载波的参数 使载波信号的某一个或几个参 数 振幅 频率或相位 按照调制信号的规律变化 根据载波受调制参数的不同 调制分为三种基本方式 它们是振幅调制 调幅 频 率调制 调频 相位调制 调相 分别用a m f m p m 表示 还可以有组合调制 方式 2 2 无线信道的概述 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 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 2 2 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 西华大学硕士学位论文 图1 4 多径效应示意图 f i g 1 4m u l t i p l ep a t h se f f i c a c y 移动信道的多径衰落 可以从空间和时间两个方面来描 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 2 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 9 基于w m 算子的无线电信号传播模型的识别 图1 5 多普勒效应示意图 f i g 1 5d o p p l e re f f e c t 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 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 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 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 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 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 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 的工作情况将是不可能的 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 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 2 3 无线信号在空中传播的衰减 无线信号在空中传播的的衰落情况如下图1 4 1 0 图1 6 无线信号在空中传播的衰落 f i g 1 6w i r e l e s ss i g n a ls k yf a d i n g 2 3 1 快衰落 快衰落的数学特征体现为瑞利分布 快衰落主要是由于信号被多路反射后叠加所 致 在建筑物密集的市区 由于基站和接受端之间有较多建筑物而比较明显 同一信号 经不同反射后被手机接收并叠加 由于信号经不同反射导致相位发生变化 经叠加后信 号强度发生变化 见图1 5 图1 6 图1 7 快衰落图示 f i g 1 7f a s tf a d i n g 基于w m 算子的无线电信号传播模型的识别 图1 8 快衰落波形 f i g 1 8f a s tf a d i n gw a v e f o r m 2 3 2 慢衰落 慢衰落的数学特征体现为指数分布 见图1 7 由于基站和手机间障碍物的阻挡 在 距离一定范围的半径内 信号强度是呈多样性并遵循指数分布的 图1 9 慢衰落形成原理 f i g 1 9s l o wf a d i n g 1 2 西华大学硕士学位论文 2 3 3 路径损耗 路径损耗 距离产生的损耗是影响无线信号强度的第3 方面 不同地形对无线信号 有不同的衰减损耗 这导致了无线信号在空中传播的最大损耗 1 9 2 1 1 基于w m 算子的无线电信号传播模型的识别 3目前主要传播模型的建立与分析 目前传播模型中基本都是由最初的o k u m u r a h a m 模型衍生出来的 是基于标准模 型进行修正 建立的传播模型 1 3 幻 目前常见的传播模型主要有 1 自由空间模型 2 地球平面传播模型 3 e g l i 模型 4 o k u m u r a 模型 5 h a m 模型 6 c o s t 2 3 1 模型 7 c o s t 2 3 1 w ai fis h i k e g a m i 模型 下面主要对各传播模型的算法 原理和公式进行说 明 3 1自由空间传播模型 自由空间传播模型川是假设无线信号在自由空间中传播 没有介质产生的衰减 这 样信号的强度只与信号的波长和两点的距离有关 该模型最初是在卫星传输中提出了 也可以用在地面的传播中 o 2 0 l o g 竿 这里 0 路径损耗 d 距离 米 a 波长 米 a 7 c c 是无线信号在自由空间 的传播速度等于光速 厂是无线信号的频率 3 2 地球平面传播模型 由于自由空间传播模型是理想状态下的模型 所以有必要引入地球平面传播模型 见图2 1 在自由空间传播模型基础上进行修正 幻 图3 1 地球平面传播模型 f i g 3 1g l o b ep l a n ep r o p a g a t i o nm o d e l 1 4 西华大学硕士学位论文 在地球表面传播的信号由3 部分组成 直射信号 反射信号和表面波 在无线电通 信频段 表面波可以忽略 但反射信号不能被忽略 当 k 站高和无线电台高度 远小于旯d 波长 距离 时 路径损耗厶 扭 如下 1 4 z b k 2 0 l o g 靠 如果将厶 代入公式 则 厶 4 0 1 0 9 d 一2 0 1 0 9 h h m 地球平面传播模型适用与信号发射和接收端之间没有明显的障碍物阻挡 同时距离 d 不能太长 如果太长则需要引入地球曲率进行修正 3 3 e gi i 模型 考虑到地形的影响 在地球平面模型上对地形的影响进行修正 得到e g l i 模型 1 钔 厶 4 0 1 0 9 d 2 0 1 0 g h b h m 2 0 l o g j 6 0 厂频率的单位为m i i z 该模型工作在频率大于4 0 m h z 的不规则地形条件下 当然 该模型只是一个对不规则地形的简单修正 并没有区分不同的地形 刀锋衍射 见图2 2 对于无线信号在真实环境的传播 我们需要考虑不同的障碍物 比如山丘 树木 一个单独物体产生的衰减可以按照刀锋衍射来进行估算 我们引入菲 涅耳参数矿 1 h h 土 k 0 d 1d 2 图3 2 刀锋衍射图示 f i g 3 2b l a d ed i f f r a c t i o n 距 测 得 谓 以 规 它 们的种类及状态以不同方式影响接收场强 实际上 若为了寻找传播特性 把所有各个 区域的这种障碍物分成微群 这对实际应用并无帮助 因为它只会使找出所给定区域的 移动无线电场强变得更困难 相反 可按密度和阻挡程度将所调查的地面障碍物分成以 下三类 1 开阔区 在传播路径上没有高大的树木或建筑物等障碍物的开阔地带 以及前方3 0 0 4 0 0 m 以内为没有任何阻挡的小片场地 如农田 广场等均属开阔区 2 郊区 它包括村庄或两边有稀疏树木和建筑物的公路 即在移动台附近有些障碍物 但并 不太密集的地方 3 市区 指高楼矗立的城市 或者拥挤着大建筑群 以及房屋密集 大树茂盛的大村庄 西华大学硕士学位论文 频奉i l l l t z 图3 3o k u m u r a 模型在准平滑地域上的中值损耗曲线 f i g 3 3o k u m u r am o d e lm e a nl o s sc u r v eo ns l i pr e g i o i l 运用o k u m u r a 模型进行传播损耗预测的步骤如下 1 运用图2 3 所示的中值损耗曲线获得相关频率 都市环境下准平坦地域的场强传 播损耗预测值 2 如果基站天线高度不是2 0 0 米 对第一步所得结果增加合适的基站天线修正因 子进行校正 3 如果接收天线高度不是3 米 对上一步所得结果增加合适的接收天线修正因子 进行校正 4 用1 3 步所得预测结果在地形图上画出场强等值线 5 对地形图上每一个方位角 根据地形和环境的实际情况增加地形和环境修正因 子 其中 第2 3 5 步的修正均是通过图或者表格查询 3 5h a t a 模型 尽管o k u m u r a 传播预测模型被广泛的接受 但是实际运用起来却很不方便 因为该 模型采用曲线和图表来描述损耗中值 而不是参数方程 因此 o k u m u r a 传播预测方法 基于w m 算子的无线电信号传播模型的识别 适合计算机处理 在 u r a 模型的基础上得出经验公式引入h a m 模型蚴 可以 到计算中去 h a t a 模型为 厶 6 9 5 5 2 6 1 6 1 0 9 f 一1 3 8 2 1 0 9 h b 一口 k 4 4 9 6 5 5 1 0 9 h b l o g d h a m 模型工作条件如下 1 1 5 0 厂 1 5 0 0 m h z 2 1 d 2 0 k m 3 3 0 2 0 0 m 4 1 k 1 0 m 口 k 是引入的一个接收天线高度的校正参数 k 等于1 5 mi 对a h m 等于o d b 个中小城市 口 k 1 1 l o g f 一0 7 k 1 5 6 l o g f 0 8 在大城市 地 1 3 8 2 2 9 1 0 9 1 0 1 1 9 1 7 5 5 4 栌h 4 1 9 7 10 篇麓 上面的公式都是对市区路径损耗的计算 对郊区和开阔地我们用下面的公式修正 郊区 墨 2 1 g 去 2 5 4 l b s u b u r b a n 厶 u r b a n 一k 开阔地 j q 47 8 1 g 厂 2 1 8 3 3 1 g f 4 0 9 4 l 6 o p e n 厶 u r b a n 一q o k u m u r a h a t a 模型作为基础模型在工业界有很多软件采用 目前大部分仿真软件的 都是基于o k u m u r a h a m 模型 3 6c o s t 2 3 1h a t a 模型 在不少城市的高密度区 经过小区分裂站距已缩d 至j j 数百米 而在基站密集的地域 使用o k u m u r a h a m 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 2 8 1 西华大学硕士学位论文 c o s t 2 3 1h a t a 模型和o k u m u r a 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 lh 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 m h e l m 一1 0 m h t c 3 0 m 一2 0 0 m 另外 c o s t 一2 3 1h a t a 模型还增加了一个大城市中心衰减因子巳 大城市中心地 区路径损耗增加3 d b 一 c o s t 2 3 1 h a t a 模型路径损耗的计算公式为 厶 4 6 3 3 3 9 1 0 9 f 一1 3 8 2 l o g 玩一口 h e 4 4 9 6 5 5 1 0 9 h e l o g d c 0 式中 为大城市中心校正因子 一f o d b 中等城市 郊区中心和中等树木密度 乙m2 13 如大型城市 接收到的场强 单位 d b m 为 g d 1 0 e d 阿 p l m 嘲 d 耐 一厶 d 式中 当取定e 1 0 6 w l k m f 1 8 0 0 m h z k 4 0 m k 3 m 时 可以e d 的取值为下表3 1 表3 1 不同距离下p d 的取值 t a b 3 1v a l u e su n d e rd i f f e r e n td i s t a n c e d 单位k m e d 2 4 0 3 5 5 5 4 0 5 1 0 6 4 5 1 2 0 7 4 7 7 1 9 基于w m 算子的无线电信号传播模型的识别 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 3 7c o s t 2 3 1 w alfis h ik e g a mi 模型 c o s t 2 3 1 w alfis h lk e g a mi 模型是欧洲科学和技术研究委员会 e u r o c o s t 乖u 用 w a l f is h b e r t o n i 的工作和l k e g a m i 的工作 即根据w a i f is h b e r t o n i 的市区环境的计 算结果并结合了l k e g a m i 的处理街道走向的修正系数综合得到的心制 可以用在宏蜂窝和 微蜂窝中 具体适用范围是 1 载频8 0 0 m h z 2 0 0 0 m h z 2 基站天线高度4 m 5 0 m 3 移动台接收天线高度l m 3 m 4 接收天线距离基站天线距离0 0 2 k i n 5 k m c o s t 2 3 1 w a l f i s h i k e g a m i 模型的应用分两种情况 视距传播 l o s 和非视距传 n l o s 存在视距传播路径时损耗为 l 4 2 6 2 6 1 9 d 2 0 1 9 f 其中正为载频 m h z d 为发送天线和接收天线的距离汹 没有视距传播路径时损耗为 l l m l 出 l 岫t 其中乞为 自由空间损耗 k 为 最后的屋顶到街道的绕射和散射损耗 k 为 多重屏前向绕射损耗 它们均有计算公式见文献 3 8 主要传播模型相互之间的关系 目前的传播模型都是基于无线信号在空中的传播得出的经验模型 基本都是 o k u m u r a h a t a 模型的衍化 首先假设无线信号在开放的自由空间中传播 不考虑地形 介质等外界因素影响 得出了自由空间传播模型 自由空间模型适合大尺度的的开放空间 在自由空间模型中引入地球曲率的影响 就有了地球平面传播模型 引入地形的影响 在地球平面模型上对地形的影响进行修正 得到e g l i 模型 o k u m u r a 模型是一个完全的经验模型 是通过在东京地区大量的测量得到的路径损 耗和距离 频率 天线高度之间的关系 o k u m u r a 是经验的模型 没有算法公式 不适 合计算 在o k u m u r a 模型的基础上得出经验公式引入h a t a 模型 可以应用到计算中去 西华大学硕士学