無(wú)線信道建模與仿真說(shuō)明書(shū)

1、摘摘 要要 移動(dòng)通信最近幾年得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線信道的研究也成了當(dāng)前通信行業(yè) 的主題，特別是對(duì)無(wú)線信道的建模與仿真也受到了許多學(xué)者的關(guān)注,在這個(gè)領(lǐng)域的研究也取 得了很大成果。無(wú)線信道模型分為自由空間模型、無(wú)線視距模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停疚氖紫妊芯?了無(wú)線信道模型的特點(diǎn)，建立了無(wú)線信道的的模型，對(duì)自由空間模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Okumura- Hata 模型、COST-231 Hata 模型以及 COST231-WI 模型進(jìn)行了比較，并將其用 Matlab 軟件仿 真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：無(wú)線信道、Hata 模型、COST231-WI 模型 Abstract Mobile c

2、ommunication several years obtained the development recently which progresses by leaps and bounds, The people have also become the current correspondence profession subject to the wireless channel research. Specially has also received many scholars attention to the wireless channel modeling and simu

3、lation, Has also yielded the very big result in this domain research. Wireless channel model is divided into free space model, the wireless line of sight and empirical model, this paper studied the characteristics of wireless channel model is established radio channel model, on the free space model

4、and empirical model Okumura-Hata model, COST-231 Hata model and COST231-WI model were compared, using Matlab software to simulate, the simulation results are analyzed. Keywords: Wireless channel, Hata model, COST231-WI model 目目 錄錄 第一章 緒論.4 1.1 無(wú)線通信的發(fā)展和建模仿真的發(fā)展?fàn)顩r.4 1.1.1 無(wú)線通信的發(fā)展.4 1.1.2 信道建模仿真技術(shù)的發(fā)展概況.

5、4 1.2 本文研究的內(nèi)容.5 第二章 無(wú)線信道的概念和無(wú)線信道的模型.6 2.1 無(wú)線信道的概念.6 2.1.1 無(wú)線信道的定義.6 2.1.2 無(wú)線信道的特點(diǎn).6 2.2 無(wú)線信道的模型.15 2.2.1 自由空間傳播模型.15 2.2.2 無(wú)線視距傳播模型.17 2.2.3 無(wú)線信道經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?19 第三章 無(wú)線信道建模仿真及結(jié)果分析.30 3.1 Matlab 軟件介紹.30 3.2 路徑損耗模型仿真及結(jié)果分析.30 3.2.1 自由空間模型仿真及結(jié)果分析.30 3.3 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头抡婕敖Y(jié)果分析.32 3.3.1 Okumura-Hata 模型仿真及結(jié)果分析.32 3.3.3 COST-2

6、31 Hata 模型仿真及結(jié)果分析.34 3.3.5 COST231-WI 模型仿真及結(jié)果分析.36 結(jié) 論.39 參 考 文 獻(xiàn).41 附 錄.42 中英文翻譯.42 Matlab 程序.49 致 謝.54 第一章第一章 緒論緒論 1.1 無(wú)線通信的發(fā)展和建模仿真的發(fā)展?fàn)顩r 1.1.1 無(wú)線通信的發(fā)展 無(wú)線通信的開(kāi)端可以追溯到公元 1901 年，當(dāng)年的 12 月 12 日，意大利科學(xué)家列莫馬 可尼實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)歷史上首次無(wú)線電通信。基于發(fā)明無(wú)線電報(bào)及其對(duì)無(wú)線通信的發(fā)展所作出的 貢獻(xiàn)，1909 年 35 歲的馬可尼榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)， ，而我們通常認(rèn)為的現(xiàn)代數(shù)字通信的 開(kāi)端是以 1924 年奈奎

7、斯特(Nyquist)的工作為標(biāo)志的。當(dāng)時(shí)，他研究并解決了在信道帶寬給 定的前提下，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的無(wú)碼間干擾傳輸最高速率的問(wèn)題。1948 年，香農(nóng)(C.E.Shannon) 在前人研究成果的基礎(chǔ)上發(fā)表了那篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文(A Mathematical Theory of Communication)。該文建立了信息傳輸?shù)臄?shù)學(xué)基礎(chǔ)，同時(shí)提出了通信系統(tǒng)無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)臉O限 信息速率。該文中的一個(gè)著名公式為: )1log( WNo p WC sbit / （1-1） 其中，C 是信道容量，P 是發(fā)射信號(hào)的平均功率，W 是信道的帶寬，是白噪聲的單邊功率 0 N 譜密度。二十世紀(jì)六、七十年代美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出了

8、蜂窩網(wǎng)的概念。二十世紀(jì)七十年代適 于無(wú)線通信的高可靠、小型化的晶體射頻硬件也發(fā)明了。這兩者，一個(gè)是理論，一個(gè)是硬件， 極大地推動(dòng)了無(wú)線通信的發(fā)展。從此，無(wú)線通信進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的時(shí)期。十幾年間，移動(dòng)用 戶(hù)的迅猛增長(zhǎng)，既極大推動(dòng)了無(wú)線通信的蓬勃發(fā)展，又證明著無(wú)線通信對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展和 人們生活水平提高的巨大推動(dòng)作用。在當(dāng)前的無(wú)線寬帶通信領(lǐng)域中，MIMO 和 OFDM，這兩項(xiàng) 技術(shù)特別引人注目.MIMO 是英文 Multiple-Input Multiple-Output 的簡(jiǎn)稱(chēng)，也就是多輸入 多輸出，它被認(rèn)為是“現(xiàn)代通信中最重要的技術(shù)突破之一” 。 “任何人在任何地點(diǎn)、任何時(shí) 候同任何其他人進(jìn)行任

9、何類(lèi)型的通信”是人類(lèi)通信的最高目標(biāo)，這一宏偉而美好的理想正吸 引著全世界的通信人為之不懈奮斗。 1.1.2 信道建模仿真技術(shù)的發(fā)展概況 移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能主要受到無(wú)線信道特性的制約。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的傳播路徑一 般分布有復(fù)雜的地形地物，其信道往往是非固定的和不可預(yù)見(jiàn)的。具有復(fù)雜時(shí)變的電波傳播 特性，因而造成了信道分析和傳播預(yù)測(cè)的困難。隨著通信系統(tǒng)的日趨復(fù)雜化，無(wú)線信道的建 模和仿真對(duì)于現(xiàn)代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的研發(fā)具有越來(lái)越重要的意義。隨著移動(dòng)通信用戶(hù)的增 多，劃分給移動(dòng)通信的頻帶卻沒(méi)有改變，為了更有效地利用頻帶以支持更多的用戶(hù)，移動(dòng)通 信中蜂窩的覆蓋半徑越來(lái)越小，經(jīng)歷了由大區(qū)制到宏小區(qū)、微小區(qū)

10、以及微微小區(qū)的演變。未 來(lái)的個(gè)人通信系統(tǒng)，基站天線差不多是街燈的高度，傳播距離在 1km 以?xún)?nèi)。按照蜂窩覆蓋半 徑的大小，現(xiàn)代無(wú)線移動(dòng)通信大致可分為宏小區(qū)、微小區(qū)和微微小區(qū)等幾種頻率復(fù)用方式。 目前，大區(qū)制、宏小區(qū)和微小區(qū)己有公認(rèn)的具有普遍意義的信道模型。對(duì)大區(qū)制和宏小區(qū) (R20km)內(nèi)的電波傳播，常根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式，再根據(jù)實(shí)測(cè)進(jìn)行修正。國(guó) 際公認(rèn)的大區(qū)制和宏小區(qū)模型是 0kumura-Hata 模型，它是一組基于測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)圖表擬 合的、具有計(jì)算不同區(qū)域傳播路徑損耗中值的經(jīng)驗(yàn)公式，它以市區(qū)路徑傳播損耗為基準(zhǔn)。在 此基礎(chǔ)上對(duì)其他地區(qū)進(jìn)行修正。由于它的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，

11、己被廣泛應(yīng)用于大區(qū) 制和宏蜂窩的無(wú)線覆蓋設(shè)計(jì)中，目前這方面的工作主要集中為無(wú)線信道建模與仿真技術(shù)的必 然發(fā)展趨勢(shì)。 1.2 本文研究的內(nèi)容 隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信已與我們的日常生活密不可分，它滲透到我們生活 的各個(gè)部分，對(duì)無(wú)線信道的研究也就成了當(dāng)前通信方面研究的主要內(nèi)容，無(wú)線信道衰落的仿 真也就成了研究的主要課題。 本文主要研究的是無(wú)線信道建模和仿真，第一章概論介紹了無(wú)線通信的發(fā)展歷史及本文 的研究?jī)?nèi)容，第二章闡述了無(wú)線信道的基本概念和無(wú)線信道的模型，第三章主要是對(duì)無(wú)線信 道建模仿真和仿真結(jié)果的分析，然后就是對(duì)本次研究?jī)?nèi)容的總結(jié)。 第二章第二章 無(wú)線信道的概念和無(wú)線信道的模型無(wú)線信道

12、的概念和無(wú)線信道的模型 2.1 無(wú)線信道的概念 2.1.1 無(wú)線信道的定義 無(wú)線信道指無(wú)線通信中發(fā)射天線到接收天線之間的電波通路。對(duì)于無(wú)線電波而言，從發(fā) 送端到接收端并沒(méi)有一個(gè)有形的連接，電波的傳播路徑也有可能不只一條(多徑傳播、反射 等)。為了形象地描述發(fā)送端與接收端之間的工作，我們想象兩者之間有一個(gè)看不見(jiàn)的道路 銜接，把這條銜接通路稱(chēng)為信道。信道有一定的頻帶寬度，正如公路有一定的寬度一樣。無(wú) 線通信系統(tǒng)的性能主要受到移動(dòng)無(wú)線信道的制約。無(wú)線信道不像有線信道那樣固定并可預(yù)見(jiàn)， 而是具有很大的隨機(jī)性，通常難于分析。甚至移動(dòng)臺(tái)的速度都會(huì)對(duì)信號(hào)電平的衰落產(chǎn)生影響。 無(wú)線信道的建模歷來(lái)是移動(dòng)無(wú)線系統(tǒng)

13、設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，也是一個(gè)難點(diǎn)。 2.1.2 無(wú)線信道的特點(diǎn) （1）傳播路徑與信號(hào)衰落 在 VHF、 UHF 移動(dòng)信道中， 電波傳播方式除了直射波和地面反射波之外， 還需要考慮 傳播路徑中各種障礙物所引起的散射波。 圖 2-1 移動(dòng)信道的傳播路徑 直射波的傳播距離為 d, 地面反射波的傳播距離為 1 d ， 散射波的傳播距離為 2 d 。 移 動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)由上述三種電波的矢量合成。為分析簡(jiǎn)便，假設(shè)反射系數(shù) R=-1(鏡面反 射)，則合成場(chǎng)強(qiáng) E 為 )ee1 ( 21 2 j 2 2 j 10 dd EE （2-1 ） 式中， 0 E 是直射波場(chǎng)強(qiáng)，是工作波長(zhǎng)， 1 和 2 分別是地

14、面反射波和散射波相對(duì)于直射波 的衰減系數(shù)， 而 ddd 11 ddd 22 （2-2） 圖 2-2 典型信號(hào)的衰落特性 （2）多徑效應(yīng)與瑞利衰落 在陸地移動(dòng)通信中，移動(dòng)臺(tái)往往受到各種障礙物和其它移動(dòng)體的影響，以致到達(dá)移動(dòng)臺(tái) 的信號(hào)是來(lái)自不同傳播路徑的信號(hào)之和。 圖 2-3 移動(dòng)臺(tái) N 條接收路徑信號(hào) 假設(shè)基站發(fā)射的信號(hào)為 （2-3）)(exp)( 0000 tjatS 式中， 0 為載波角頻率， 0 為載波初相。 經(jīng)反射(或散射)到達(dá)接收天線的第 i 個(gè)信號(hào)為 )(tSi ， 其振幅為 i a , 相移為 i 。 假設(shè) )(tSi 與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角為 i , 其多普勒頻移值為 （2-

15、4） imii ff coscos 式中，為車(chē)速，為波長(zhǎng)， m f 為 i =0時(shí)的最大多普勒頻移， 因此 )(tSi 可寫(xiě)成 （2-5）)(exp)cos 2 (exp)( 00 jtjatS iiii 假設(shè) N 個(gè)信號(hào)的幅值和到達(dá)接收天線的方位角是隨機(jī)的且滿足統(tǒng)計(jì)獨(dú)立， 則接收信號(hào)為 （2-6） N i i tstS 1 )()( 令 , , iii t cos 2 N i N i iii xax 11 cos N i N i iii yay 11 sin 則 S(t)可寫(xiě)成 S(t) = (x+jy) )( jexp 00 （2-7） 由于 x 和 y 都是獨(dú)立隨機(jī)變量之和，因而根據(jù)概率

16、的中心極限定理，大量獨(dú)立隨機(jī)變量 之和的分布趨向正態(tài)分布，即有概率密度函數(shù)為 2 2 2 2 2 2 2 1 )( 2 1 )( y x y y x x eyp exp （2-8） 式中， x 、 y 分別為隨機(jī)變量 x 和 y 的標(biāo)準(zhǔn)偏差。x、 y 在區(qū)間 dx、dy 上的取值概率分別 為 p(x)dx、 p(y)dy，由于它們相互獨(dú)立，所以在面積 dxdy 中的取值概率為 p(x,y)dxdy = p(x)dxp(y)dy （2-9） 式中，p(x, y)為隨機(jī)變量 x 和 y 的聯(lián)合概率密度函數(shù)。 假設(shè) 222 yx ，且 p(x)和 p(y)均值為零，則 2 22 2 2 e 2 1

17、),( yx yxp （2-10） 通常，二維分布的概率密度函數(shù)使用極坐標(biāo)系(r, )表示比較方便。此時(shí)，接收天線處的 信號(hào)振幅為 r, 相位為，對(duì)應(yīng)于直角坐標(biāo)系為 x y yxr arctan 222 （2-11） 在面積中的取值概率為 ddr p(r,)drd = p(x,y)dxdy （2-12） 得聯(lián)合概率密度函數(shù)為 a r rp r 2 2 2 2 e 2 ) 0 , ( （2-13） 對(duì)積分，可求得包絡(luò)概率密度函數(shù) p(r)為 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 ee 2 1 )( rr r drrp （2-14） 同理，對(duì) r 積分可求得相位概率密度函數(shù) p()為 2 1 2

18、 1 )( 2 2 2 0 2 drrep r （2-15） 由式(2 - 14)不難得出瑞利衰落信號(hào)的如下一些特征： 253 . 1 2 )()( 0 drrrprEm （2-16） 均方值 2 0 22 2d )()( rrprrE （2-17） 瑞利分布的概率密度函數(shù) p(r)與 r 的關(guān)系如圖 2-4 所示 圖 2-4 瑞利分布的概率密度 當(dāng) r= 時(shí)，p(r)為最大值，表示 r 在 值出現(xiàn)的可能性最大。由式(2-14)不難求得 ) 2 1 exp( 1 )( p （2-18） 當(dāng)r= 2ln2 1.177時(shí)， 有 2 1 )( 77 . 1 0 drrp （2-19） 信號(hào)包絡(luò)低于

19、的概率為 39 . 0 e1d)( 0 2 1 rrp （2-20） 同理，信號(hào)包絡(luò) r 低于某一指定值的概率為 k k k rrp 0 2 2 e1d)( （2-21） 圖 2-5 瑞利衰落的累積分布 （3）慢衰落和衰落儲(chǔ)備 在移動(dòng)信道中，由大量統(tǒng)計(jì)測(cè)試表明：信號(hào)電平發(fā)生快衰落的同時(shí)，其局部中值電平還 隨地點(diǎn)、時(shí)間以及移動(dòng)臺(tái)速度作比較平緩的變化，其衰落周期以秒級(jí)計(jì)，稱(chēng)作慢衰落或長(zhǎng)期 衰落。慢衰落近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。所謂對(duì)數(shù)正態(tài)分布，是指以分貝數(shù)表示的信號(hào)電平為 正態(tài)分布。 此外，還有一種隨時(shí)間變化的慢衰落，它也服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。這是由于大氣折射率的 平緩變化，使得同一地點(diǎn)處所收到的信號(hào)中值

20、電平隨時(shí)間作慢變化，這種因氣象條件造成的 慢衰落其變化速度更緩慢(其衰落周期常以小時(shí)甚至天為量級(jí)計(jì))，因此常可忽略不計(jì)。 圖 2-6 信號(hào)慢衰落的特性曲線 （a）市區(qū) （b）郊區(qū) 為研究慢衰落的規(guī)律， 通常把同一類(lèi)地形、 地物中的某一段距離(12km)作為樣本區(qū) 間， 每隔 20m(小區(qū)間)左右觀察信號(hào)電平的中值變動(dòng)，以統(tǒng)計(jì)分析信號(hào)在各小區(qū)間的累積 分布和標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖 2-6(a)和(b)分別畫(huà)出了市區(qū)和郊區(qū)的慢衰落分布曲線。繪制兩種曲線 所用的條件是：圖 2-6(a)中，基站天線高度為 220m, 移動(dòng)臺(tái)天線高度為 3m; 圖 2-6(b)中， 基站天線高度為 60m, 移動(dòng)臺(tái)天線高度為 3

21、m。由圖可知，不管是市區(qū)還是郊區(qū)，慢衰落均接 近虛線所示的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。標(biāo)準(zhǔn)偏差 取決于地形、地物和工作頻率等因素，郊區(qū)比市 區(qū)大， 也隨工作頻率升高而增大，如圖 2-7。 圖 2-7 慢衰落中值標(biāo)準(zhǔn)偏差 圖 2-7 示出了可通率 T 分別為 90%、 95%和 99%的三組曲線，根據(jù)地形、地物、工作頻 率和可通率要求，由此圖可查得必須的衰落儲(chǔ)備量。例如:f=450MHz，市區(qū)工作，要求 T=99%， 則由圖可查得此時(shí)必須的衰落儲(chǔ)備約為 22.5dB。 圖 2-8 衰落儲(chǔ)備量 （4）多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬 1）多徑時(shí)散 多徑效應(yīng)在時(shí)域上將造成數(shù)字信號(hào)波形的展寬，為了說(shuō)明它對(duì)移動(dòng)通信的影響，首先看

22、一個(gè)簡(jiǎn)單的例子(參見(jiàn)圖 2-9)。 圖 2-9 多徑失散實(shí)例 假設(shè)基站發(fā)射一個(gè)極短的脈沖信號(hào) )()( 0 tatSi ，經(jīng)過(guò)多徑信道后，移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)呈 現(xiàn)為一串脈沖，結(jié)果使脈沖寬度被展寬了。這種因多徑傳播造成信號(hào)時(shí)間擴(kuò)散的現(xiàn)象，稱(chēng)為 多徑時(shí)散。 必須指出，多徑性質(zhì)是隨時(shí)間而變化的。如果進(jìn)行多次發(fā)送脈沖試驗(yàn)，則接收到的脈沖 序列是變化的（即便是地點(diǎn)不變） ，如圖 2-10 所示。它包括脈沖數(shù)目 N 的變化、脈沖大小 的變化及脈沖延時(shí)差的變化。 圖 2-10 時(shí)變多徑信道相應(yīng)示例 （a）N=3 （b）N=4 （c）N=5 一般情況下，接收到的信號(hào)為 N 個(gè)不同路徑傳來(lái)的信號(hào)之和，即 )()(

23、1 0 ttSatS i N i ii （2-22） 式中，是第 i 條路徑的衰減系數(shù)；為第 i 條路徑的相對(duì)延時(shí)差。 i a)(tti 圖 2-11 多徑時(shí)延信號(hào)強(qiáng)度 表 2-1 多徑時(shí)散參數(shù)典型值 參數(shù)市區(qū)郊區(qū) 平均時(shí)延s/ 對(duì)應(yīng)路徑距離差/m 1.52.5 450750 0.12.0 30600 時(shí)延擴(kuò)展s/1.03.00.22.0 最大時(shí)延s/ max 5.0123.07.0 2）相關(guān)帶寬 從頻域觀點(diǎn)而言，多徑時(shí)散現(xiàn)象將導(dǎo)致頻率選擇性衰落，即信道對(duì)不同頻率成分有不同 的響應(yīng)。若信號(hào)帶寬過(guò)大，就會(huì)引起嚴(yán)重的失真。為了說(shuō)明這一問(wèn)題，先討論兩條射線的情 況，即如圖 2-12 所示的雙射線信道

24、。為分析簡(jiǎn)便，不計(jì)信道的固定衰減，用“1”表示第 一條射線，信號(hào)為 )(tSi ; 用“2”表示另一條射線，其信號(hào)為，這里 r 為一比例 )( )( tj i etrS 常數(shù)。于是，接收信號(hào)為兩者之和， 即 )e1)()( )(j 0 t i rtStS （2-23） 圖 2-12 所示的雙射線信道等效網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為 )( 0 1 )( )( ),( tj i e re tS tS tH （2-24） 信道的幅頻特性為 )(sin)(cos1),(tjrtrtA （2-25） 由上式可知，當(dāng) (t)=2n 時(shí)(n 為整數(shù))，雙徑信號(hào)同相疊加，信號(hào)出現(xiàn)峰點(diǎn)；而當(dāng) (t)=(2n+1) 時(shí)，雙徑

25、信號(hào)反相相消，信號(hào)出現(xiàn)谷點(diǎn)。根據(jù)式 2-24 畫(huà)出的幅頻特性如 圖 2-12 所示。 圖 2-12 雙射線信道等效網(wǎng)絡(luò) 由圖可見(jiàn)，其相鄰兩個(gè)谷點(diǎn)的相位差為 =(t) = 2 )( 1 2 )( 2 t B t c （2-26） 由此可見(jiàn)，兩相鄰場(chǎng)強(qiáng)為最小值的頻率間隔是與相對(duì)多徑時(shí)延差 (t)成反比的，通常 稱(chēng)為多徑時(shí)散的相關(guān)帶寬。若所傳輸?shù)男盘?hào)帶寬較寬，以至與可比擬時(shí)，則所傳輸?shù)?c B c B 信號(hào)將產(chǎn)生明顯的畸變。 實(shí)際上，移動(dòng)信道中的傳播路徑通常不止兩條，而是多條，且由于移動(dòng)臺(tái)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 相對(duì)多徑時(shí)延差 (t)也是隨時(shí)間而變化的，因而合成信號(hào)振幅的谷點(diǎn)和峰點(diǎn)在頻率軸上的 位置也將隨時(shí)

26、間而變化，使信道的傳遞函數(shù)呈現(xiàn)復(fù)雜情況，這就很難準(zhǔn)確地分析相關(guān)帶寬的 大小。工程上，對(duì)于角度調(diào)制信號(hào)，相關(guān)帶寬可按下式估算： 2 1 c B （2-27） 式中， 為時(shí)延擴(kuò)展。 2.2 無(wú)線信道的模型 各類(lèi)信號(hào)從發(fā)射端送出之后，在到達(dá)接收端之前所經(jīng)過(guò)的路徑，我們統(tǒng)稱(chēng)為信道。通道 對(duì)傳送信號(hào)所產(chǎn)生的影響，是各類(lèi)通信系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵考量。其中，如果傳送的 是無(wú)線電信號(hào)，電磁波傳播所經(jīng)過(guò)的路徑，我們特別稱(chēng)為無(wú)線信道。無(wú)線信道可能是很簡(jiǎn)單 的直線傳播，也可能會(huì)被許多不同的因素所干擾，例如信號(hào)經(jīng)過(guò)建筑物、山丘等反射所產(chǎn)生 的多徑效應(yīng)，多徑效應(yīng)會(huì)造成信號(hào)放大或衰減，最大和最小可以相差 30 到 4

27、0dB；此外，發(fā) 射端和接收端的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，多普勒效應(yīng)會(huì)使通道的特性隨著時(shí)間 而改變，增加了信號(hào)品質(zhì)的不確定性。對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)而言，因?yàn)閭鞑ヂ窂降亩鄻有耘c時(shí)變 性，無(wú)線信道的特性便在接收機(jī)的設(shè)計(jì)中，扮演者關(guān)鍵的角色。 2.2.1 自由空間傳播模型 無(wú)線電自發(fā)射端送出后，在空間中呈現(xiàn)發(fā)散的特性向四面八方傳播出去，情況就像一個(gè) 不斷膨脹的球體，基于能量守恒的原理，無(wú)論半徑為多少，整個(gè)球體表面積所散布的能量必 須守恒，而球體的表面積是與距離的平方成正比，這也就是為何在真空中，接收功率和傳播 距離平方成反比的緣故。此模型是用來(lái)估測(cè)當(dāng)發(fā)射端和接收端之間沒(méi)有任何障礙物，此時(shí)發(fā) 射端和

28、接收端之間的距離也是最短的?；旧希谶@種傳播模式底下，接收機(jī)所接收到的信 號(hào)強(qiáng)度和距離的平方成反比，這也是依球面積和能量守恒定律所得來(lái)的結(jié)果。 由電磁場(chǎng)理論可知，若各向同性天線的輻射功率為 T P 瓦，則距輻射源 d m 出的電場(chǎng)強(qiáng) 度有效值 0 E 為 d P E T 30 0 （V/m） （2-28） 磁場(chǎng)強(qiáng)度有效值 0 H 為 d P H T 120 30 0 (A/m) （2-29） 單位面積上的電波功率密度 S 為 2 4 d P S T （ 2 /mW ） （2-30） 若用發(fā)射天線增益為 T G 的方向性天線取代各向同性天線，則上述公式應(yīng)該寫(xiě)為 d GP E TT 30 0 （

29、V/m） d GP H TT 120 30 0 (A/m) 2 4 d GP S TT ( 2 /mW ) （2-31） 接收天線獲取的電波功率等于該點(diǎn)的電波功率密度乘以接收天線的有效面積，即 RR SAP （2-32） 式中， R A 為接收天線的有效面積，它與接收天線增益 R G 滿足下列關(guān)系： RR GA 4 2 （2-33） 式中，為各向同性天線的有效面積， 4 2 由式 2-31 至式 2-33 可得 2 ) 4 ( d GGPP RTTR （2-34） 當(dāng)收、發(fā)天線增益為 0dB，即當(dāng) 1 RT GG 時(shí)，接收天線上獲得的功率為 2 4 d PP TR （2-35） 由上式可見(jiàn)，自

30、由空間傳播損耗 fs L 可定義為 2 4 d P P L R T fs （2-36） 以 dB 計(jì)，得 )( 4 lg20)( 4 lg10)( 2 dB d dB d dBLfs （2-37） 或 (dB) = 32.44+20lg d(km)+20lg f(MHz) （2-38） fs L 式中，d 的單位為 km，頻率單位以 MHz 計(jì)。 2.2.2 無(wú)線視距傳播模型 1.無(wú)線視距 由于大氣的存在引起電磁波的折射，電磁波的傳播路徑并非直線，而是一條向地球彎曲 的弧線，曲率約為地球半徑的 4 倍。 圖 2-13 無(wú)線視距傳播示意圖 對(duì)于理想平滑地面，無(wú)線視距路徑距離為： )(17)( 3

31、 4 2 3 4 3 4 22 mhkmd h rr h r d aLS aaLS （2-39） 無(wú)線電波傳輸距離比直視視距更遠(yuǎn)。 2.地形對(duì)無(wú)線視距的影響 假設(shè)：不規(guī)則地形的平均起伏高度差為 h 天線有效高度為天線高于地形平均海拔的高度，則無(wú)線視距路徑距離的統(tǒng)計(jì)均值為： ae h mhh LSLI ae edd 5 ,max/07 . 0 （2-40） 不規(guī)則地形使無(wú)線視距減小。 表 2-2 地形對(duì)的影響h 地形描述 h（m） 水面或非常平滑地面05 平滑地面520 輕微起伏地形2040 起伏地形4080 丘陵地形80150 山地地形150300 崎嶇山地300700 極其崎嶇山地700 3

32、.無(wú)線視距兩徑模型 無(wú)線視距傳播路徑：直達(dá)波、地面反射波 圖 2-14 無(wú)線視距兩徑模傳播示意圖 電波路徑差： d hh rr RT 2 12 （2-41） 路徑差形成的相位差： d hh RT 4 （2-42） 當(dāng)相位差 時(shí)，路徑損耗呈現(xiàn)周期擺動(dòng)形態(tài)。 當(dāng)相位差4hThR/ 時(shí)，對(duì)于平滑地面有如下近似： 22 4 2 4 dd hh G RT LOS （2-43） 22 4 2 4 dd hh G RT LOS （2-44） 當(dāng)距離遠(yuǎn)大于第一菲涅耳半徑時(shí)，兩徑無(wú)線視距損耗變得與頻率無(wú)關(guān)。 隨著地面反射系數(shù)減小，由反射引起的衰減因子也減小，視距路徑損耗將逐漸減小并變的與 頻率有關(guān)，但目前尚沒(méi)有

33、精確的定量描述。 實(shí)際的兩徑損耗特性如圖 2-15 所示： 圖 2-15 兩徑損耗特性 4.超越障礙的衍射傳播模型; 無(wú)線電波可以通過(guò)衍射進(jìn)入障礙物阻擋的陰影區(qū)，但會(huì)形成衍射損耗，與障礙物高度、距離、 頻率等有關(guān)。 圖 2-16 超越障礙的衍射傳播示意圖 根據(jù)經(jīng)典光學(xué)衍射理論，有障礙時(shí)陰影區(qū)的衍射損耗約為： （2-45） lg2095.12 27 . 1 11 . 9 02 . 6 )( 2 A （2-46） rTd d d H 2 圖 2-17 障礙衍射損耗 2.2.3 無(wú)線信道經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?1.哈特模型（Hata Model） 在市區(qū)的中值路徑損耗的標(biāo)準(zhǔn)公式為(CCIR 采納的建議) （2-4

34、7）dhhahfdBLurban bbbc lg)lg55 . 6 9 . 44()(lg82.13lg16.2655.69)( 式中：是在 1501500MHz 內(nèi)的工作頻率；是基站發(fā)射機(jī)的有效天線高度（單位為 m，適 c f b h 用范圍 30200 m） ，其定義為天線相對(duì)海平面高度減去距離從 3 km 到 15 km 之間的平均 ts h 地面高度; 是移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)的有效天線高度（單位為 m， 適用范圍 110 m）; d 是收 ga h re h 發(fā)天線之間的距離（單位為 km， 適用范圍 110km） ；a()是移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)的有效天線高 re h 度的修正因子。 對(duì)于小城市到中等

35、城市，a()的表達(dá)式為 re h a()=(1.1lgfc-0.7)hre-(1.56lgfc-0.8)dB （2-48） re h 對(duì)于大城市, a()的表達(dá)式為 re h a()=8.29(lg1.54)2-1.1dB， fc300 MHz (2-49) re h re h a()=3.2(lg11.754)2-4.97dB， fc300 MHz (2-50) re h re h 為了得到郊區(qū)的路徑損耗，式（2-49）可以修正為 Lsuburban(dB)=Lurban-2lg(/28) (2- c f 51) 對(duì)于開(kāi)闊的農(nóng)村地帶的路徑損耗，式（2-49）可以修正為 Lrural(dB)=

36、Lurban-4.78(lg)2+18.33lg-40.94 (2-52) c f c f 2. COST-231WalfishIkegami 模型 歐洲研究委員會(huì) COST-231 在 Walfish 和 Ikegami 分別提出的模型的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù) 據(jù)加以完善而提出了 COST-231WalfishIkegami 模型。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(dòng)臺(tái)與周?chē)ㄖ蓓斨g的損耗。COST-231 模型已被用于微 小區(qū)的實(shí)際工程設(shè)計(jì)。 該模型中的主要參數(shù)有： 建筑物高度 hroof(m)； 道路寬度 w(m)； 建筑物的間隔 b(m)； 相對(duì)于直達(dá)無(wú)線電路徑的

37、道路方位 。 這些參數(shù)的定義見(jiàn)圖 2-18 圖 2-18 COST-231 模型參數(shù)定義 該模型適用的范圍： 頻率 f： 8002000 MHz； 距離 d： 0.025 km； 基站天線高度 hb： 450m； 移動(dòng)臺(tái)天線高度 hm： 13 m。 1) 可視傳播路徑損耗 可視傳播路徑損耗的計(jì)算公式為 (2-53)fdLblg20lg26 6 . 42 式中損耗以 dB 計(jì)算，距離 d 以 km 計(jì)算，頻率 f 以 MHz 計(jì)算。(下面公式中的參量單位與 b L 該式相同) 2) 非可視傳播路徑損耗 非可視傳播路徑損耗的計(jì)算公式為 （2- msdrtsb LLLL 0 54） 式中，L0是自由

38、空間傳播損耗；Lrts是屋頂至街道的繞射及散射損耗；Lmsd是多重屏障的繞 射損耗。 (1) 自由空間傳播損耗的計(jì)算公式為 （2-fdLlg20lg20 4 . 32 0 55） (2) 屋頂至街道的繞射及散射損耗(基于 Ikegami 模型)的計(jì)算公式為 00 lg20lg10lg10 9 . 16 rts mrooforim rts L hhLhf L (2-56) 式中：為街道寬度(m)；為建筑物高度與移動(dòng)臺(tái)天線高度之差(m)； mroofm hhh roof h m h 是考慮到街道方向的實(shí)驗(yàn)修正值，且 ori L )55(114 . 0 0 . 4 )35(075 . 0 5 . 2

39、 354 . 0 10 ori L (2-57) 式中的是入射電波與街道走向之間的夾角。 (3) 多重屏障的繞射損耗(基于 Walfish 模型)的計(jì)算公式為 00 lg9lglg msd fdabsh msd L bfKdKKL L (2-58) 式中，b 為沿傳播路徑建筑物之間的距離(m)；和表示由于基站天線高度降低而增加 bsh L a K 的路徑損耗；和為與距離 d 和頻率 f 相關(guān)的修正因子，與傳播環(huán)境有關(guān)。以上參 d K f K msd L 數(shù)的值如下： 0 )1lg(18 b bsh h L (2-59) (2-60) 5 . 0 8 . 054 8 . 054 54 d h h

40、K b b kmdhh mhh hh roofb roofb roofb 5 . 0 k5 . 0d 且 且 (2-61) roof b d h h K 518 18 roofb roofb hh hh (2-62) ，用于大城市中心 心中等密度樹(shù)木的郊區(qū)中，用于中等城市及具有 1 925 5 . 14 1 925 7 . 04 f f K f 以上式中的和分別為基站天線和建筑物屋頂?shù)母叨?m)，為兩者之差： b h roof h b h roofbb hhh （2-63） 3) f=1800MHz 的傳輸損耗 在同一條件下，f=1800MHz 的傳輸損耗可用 900MHz 的損耗值求出，即：

41、 （2-64） dBLL10 9001800 一般來(lái)說(shuō)，用 COST-231 模型作微蜂房覆蓋區(qū)預(yù)測(cè)時(shí)，需要詳細(xì)的街道及建筑物的數(shù)據(jù),不 宜采用統(tǒng)計(jì)近似值 但在缺乏周?chē)ㄖ镌敿?xì)數(shù)據(jù)時(shí)，COST-231 推薦使用下述缺省值： b=2050m； w=b/2; =3（樓層數(shù)）+ ， roof h 平頂 斜頂 0 3 =90。 應(yīng)該說(shuō)明，當(dāng)基站天線高度與其附近的屋頂高度大致在同一水平時(shí)，其高度差的微小變化將 引起路徑損耗的急劇變化，此時(shí)采用 COST-231 模型進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)誤差較大。此外，當(dāng)天線 高度遠(yuǎn)小于屋頂高度時(shí)，誤差也較大。 對(duì) COST-231/Walfish/Ikegami 模型在某城市

42、的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值作比較，平均誤差在3 dB 的范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 57 dB。 假定 f=880MHz，=1.5m， =30m， =30m，平頂建筑， =90， m h b h roof h w=15m，則 COST-231/Walfish/Ikegami 模型和 Hata 模型的比較如圖 2-19 所示。從圖中 可以看出，Hata 模型給出的路徑損耗要低 1316 dB。 圖 2-19 COST-231/Walfish/Ikegami 模型和 Hata 模型的比較 3. 室內(nèi)(辦公室)測(cè)試環(huán)境路徑損耗模型 室內(nèi)(辦公室)路徑損耗的基礎(chǔ)是 COST-231 模型，定義如下： f b n n w

43、iwicfs LnLkLLL 1 2 （2-65） 式中：發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的自由空間損耗； fs L 固定損耗； c L 被穿透的 i 類(lèi)墻的數(shù)量； wi k n被穿透樓層數(shù)量； i 類(lèi)墻的損耗； wi L 相鄰層之間的損耗； f L b經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。 表 2-3 對(duì)損耗分類(lèi)的加權(quán)平均 損耗類(lèi)型說(shuō)明因子/dB f L 典型的樓層結(jié)構(gòu)（即辦公室） 空心墻磚； 加鋼筋的混凝土； 18.3 厚度=0) ka=54; kd=18; elseif d=0.5 Lbsh=0; ka=54-0.8*(Hb-Hroof); kd=18-15*(Hb-Hroof)/Hroof; else Lbsh=0; ka=5

44、4-0.8*(Hb-Hroof)*(d/0.5); kd=18-15*(Hb-Hroof)/Hroof; end if Model=1 kf=-4+0.7*(f/925-1); elseif Model=2 kf=-4+1.5*(f/925-1); end Lmsd=Lbsh+ka+kf*log(f)/log(10)+kd*log(d)/log(10)-9.1*log(b)/log(10);%多屏繞射損 耗 if Lrts+Lmsd=0 y=L0; else y=L0+Lrts+Lmsd; end Simulink_wireless_Walfish_Ikegami_attenuation.m

45、文件 clc; clear all; f=900; d=0.02:0.01:5; y=wireless_Walfish_Ikegami_LOS_attenuation(900,d); d1=0.02:0.01:5; Model=1; Hm=1.5; Hb=17; w=20; b=40; Phi=90; Hroof=15; f1=900; f2=1800; y1=wireless_Walfish_Ikegami_NLOS_attenuation(Model,f1,d1,Hm,Hb,Hroof,w,b,Phi); y2=wireless_Walfish_Ikegami_NLOS_attenuation(Model,f2,d1,Hm,Hb,Hroof,w,b,Phi); plot(d,y,-.c,d1,y1,-r,d1,y2,-k); xlabel(距離(km) ylabel(路徑損耗(dB) title(COST231-WI