基于无线移动信道建模与仿真技术探究

李大为

(中国人民解放军91245部队，辽宁葫芦岛125000)

0 引言

当前，无线通信技术已经普及与应用于人类生活的每一个领域。由于无线通信系统的发射机与接收机之间的传播路径复杂多变，因此其传播性能受无线信道特性制约最大。近些年来，无线通信技术迅速发展，无线移动信道的建模与仿真成为现代数字移动通信系统的研发重要内容，但无线信道随机性大，分析困难，同时信号易衰减、容易引入干扰、传输质量不稳定。因此，无线信道的建模与仿真是移动无线系统设计中关键点与难点。

1 自由空间模型仿真及结果分析

1.1 自由空间模型仿真

无线移动通信自由空间传播是一种理想传播，是指无线电波在传播视距中无反射、无绕射以及无散射的完全无阻挡情景，其路径损耗计算公式如下:

式中，d是收发天线之间距离，单位为km，f是发射频率，单位为 MHz。当发射频率为 900 MHz与1 800 MHz时仿真图如图1所示。

图1 f=900 MHz时自由空间模型仿真图

1.2 自由空间模型仿真结果分析

自由空间传播模型是无线电波传播的最简单的模型，无线电波的损耗只和传播距离和电波频率有关系;在给定信号频率的时候，只和距离有关系。从图1可以看出，传播信号的衰减幅度在0～10 km距离内最大，超过10 km以上时，其衰减变为平缓，同时呈现上升态势，有自由空间模型路径损耗计算公式可得，在距离一定时，频率是影响空间损耗原因，距离是定值时，发射频率为900 MHz、1 800 MHz时损耗的差别是6.02 dB，由此可以得出，在自由空间模型中，其传播损耗曲线属于对数曲线特性，即频率越大，传播信号的损耗亦增加。

2 Okumura-Hata模型仿真及仿真结果分析

2.1 Okumura-Hata模型仿真

无线移动信号如果在城市及周边地区传播，一般通过Okumura-Hata模型进行预测，其依据是通过测试数据得出的图表。Okumura-Hata模型传播信号的工作频率一般在150～1 920 MHz范围，也可扩展到3 000 MHz;。距离在1～20 km之间，亦能延伸到100 km，Okumura-Hata经验公式如下:

式中，d为收发天线之间距离(单位为km)，Hm为移动台高度(单位为m)，Hb为基站高度(单位为m);a(Hm)为移动天线修正因子。

小城市天线修正因子:

大城市天线修正因子:

郊区天线修正因子:

农村天线修正移因子:

图2是发射频率450 MHz仿真结果。

图2 f=450 MHz，Hm=1.5 m时的仿真结果

2.2 Okumura-Hata模型仿真结果分析

Okumura-Hata模型是根据实测数据建立的模型，应用较广泛。从图2中看出，在0～10 km范围中损耗急剧上升，10 km之后信道的衰减虽然也是随着距离的增加也有增大的趋势，但相比之下，衰减更为平缓;在相同频率下，大城市的衰减最为严重，郊区次之，农村的衰减最少，这是因为其链路损耗不仅取决于发射频率、传播距离，还和天线挂高及建筑物密度因子关系很大，同时，频率越大，衰减也就越大。这种模型对大区制移动系统较为适用，对覆盖距离不到1 km的个人通信系统不适合。其模型基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统，因为在宏蜂窝中，基站天线都安装在高于屋顶的位置，传播路径损耗主要由移动台附近的屋顶绕射和散射决定。

3 COST-231 Hata模型仿真及结果分析

3.1 模型仿真

COST-231模型是Okumura-Hata模型的扩展模型，适用于高密度城市区域，频率范围一般是在1 500～2 300 MHz范围，COST-231 Hata模型路径损耗的计算公式为:

式中，CM为大城市中心校正因子。一般在中等城市与郊区，CM为0 dB;在市中心，CM的值通常取3 dB。在对COST-231 Hata模型仿真前，对非视距传播(NLOS)适用条件与主要参数进行了规定，非视距传输参数进行了设定，发射频率为1 800 MHz与2 299 MHz的仿真图如图3和图4所示。

图3 f=1 800 MHz，Hm=1.5 m时COST-231 Hata模型图

图4 f=2 299 MHz，Hm=1.5 m时COST-231 Hata模型图

3.2 仿真结果分析

由图4可以看出，在4 km距离以内，COST-231模型衰减较大，而超过4 km时，信号衰减略趋于平缓并缓慢上升，距离加大则信道衰减上升。频率与衰减成正比。衰减较大是郊区，其次是大城市地区，最后是农村地区。大城市与郊区的衰减趋势比较接近，当然随着频率的不同，衰减也有所变化，频率越大，衰减越快。

4 COST231-WI模型仿真及结果分析

4.1 模型仿真

COST231-WI模型大量用于建筑物高度近似一致的郊区或者城区环境，在移动通信系统(GSM/PCS/DECT/DCS)的设计中应用很广，其模型有两类，一是视距传播，二是非视距传播，两种情况计算路径损耗计算公式分别如下:

式中，Lfs=32.44+20lgf+20lgr，Lfs为自由空间路径损耗，Lrts为从屋顶到街面的衍射和散射损耗，Lmsd为多遮蔽物衍射损耗。发射频率在900 MHz的仿真如图5所示。

图5 COST231-WI模型仿真图

4.2 仿真结果分析

COST231-WI模型在仿真之前规定了非视距传播(NLOS)适用条件和主要参数进行，设定了非视距传输的参数，分别对f=900 MHz和f=1 800 MHz的非视距传播模型进行了仿真，对于视距模型只对f=900 MHz这个频率进行了仿真。从图中仿真结果可以看出，于COST231-WI模型的特点是在0.5 km距离内传播信号衰减幅度很大，超过0.5 km距离后传播信号缓慢衰减并上升，非视距损耗要远远大于视距路径损耗。在发射频率相同时，非视距路径损耗在不同发射频率下，频率与损耗成正比。

5 四类仿真结果对比分析

①自由空间传播模型是一种理想传播模型，但无论是哪一种传播模型，在其他条件一定时，频率越高，传播过程中的损耗也就越大。

②COST-231 Hata模型工作频段相对较小，Okumura-Hata模型与COST231-WI模型工作频段相对较大，Okumura-Hata模型与COST-231 Hata模型作用距离相对较，Okumura-Hata模型与COST-231 Hata模型基站天线高度和移动台天线高度范围相对较大，COST231-WI模型范围相对较小，COST231-WI模型作用距离相对较短。

③Okumura-Hata模型在相同的频率下，其传播信号衰减最为严重的是大城市，郊区次之，农村的衰减最少，因此，适用于大区制移动系统，不适宜覆盖距离不到1 km的个人通信系统;COST-231模型的特点是随着距离的增加，信道的衰减呈上升趋势，衰减最大的是大城市地区，接下来是郊区地区，最后是农村地区，同时，这种模型考虑到了自由空间损耗、沿传播路径的绕射损耗以及移动台与周围建筑屋顶之间的损耗，适用于城市等高建筑群区域以及微小区的实际工程设计;COST231-WI模型适合频段为800～2 000 MHz，覆盖距离:0.02～5 km，对微蜂窝较为适用，可用于低建筑群区域，目前广泛用于建筑物高度近似一致的城区和郊区环境。

6 结束语

无线信道研究是当前通信行业研究的重要内容，通过计算机对无线移动信道进行建模与仿真，是近年来随着计算机技术的发展新出现的研究方法，对于现代数字移动通信系统的研发具有越来越重要的意义。从以上4类无线移动信道建模与仿真技术分析可以得出如下结论:无线信号的频率是决定路径损耗的重要因素，同时无线移动模型的选择要根据复杂的移动通信环境进行系统工程设计。

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