劉蕾蕾（南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 南京 210003）

0 引言

一切無線通信都是基于電磁波在空間的傳播來實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)?。電磁波在自由空間中的傳播主要有直射、反射、散射和漫射四種方式，其結(jié)果使得到達(dá)接收機(jī)的接收信號與發(fā)送信號相比產(chǎn)生了一些變化。因此無線通信系統(tǒng)的性能會受到無線信道的制約，研究無線信道的傳播特性也就成了構(gòu)建無線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)[1]。

1 建模方法的分類

一般來說，可以將建立無線信道傳播模型的方法分成兩大類：一類是統(tǒng)計(jì)測量法，該方法是信道建模的主流方法，可細(xì)分為參數(shù)化的統(tǒng)計(jì)建模方法和基于物理傳播的建模方法等。統(tǒng)計(jì)測量方法通過在各種典型傳播環(huán)境中進(jìn)行的信道測量工作，從大量的測量數(shù)據(jù)中獲取信道的特征表達(dá)，從而得到與系統(tǒng)參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)點(diǎn)在于運(yùn)算量小，易于仿真和刻畫信道特征，但是易受到測試條件的限制，如信號帶寬、天線配置與架設(shè)及測試環(huán)境等，信道與測試設(shè)備對測試結(jié)果的影響也難以分離。

另一類是是電磁場預(yù)測法，這類方法依據(jù)電磁波傳播理論給出無線信道的確定性模型，目前主要有射線法、時(shí)域有限差分法和矩量法等方法。這類建模方法是在己知無線傳播環(huán)境的具體細(xì)節(jié)情況下，利用電磁波傳播理論或者光學(xué)射線理論來分析并預(yù)測無線傳播環(huán)境的。與統(tǒng)計(jì)模型不同的是，確定性模型不用需要大量廣泛的測量，而是需要指定環(huán)境的諸多細(xì)節(jié)以便對信號的傳播做出準(zhǔn)確的預(yù)測。由于計(jì)算量所限，確定模型方法大多應(yīng)用于室內(nèi)范圍的信道建模。

2 基于測量統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 參數(shù)化統(tǒng)計(jì)建模方法

參數(shù)化統(tǒng)計(jì)建模方法將接收信號描述為許多電磁波的迭加，以構(gòu)建信道衰落的特征。建模中考慮到達(dá)空間上一系列點(diǎn)的主波，這些主波包括視距傳播的射線和有主要物體反射或散射的射線，將這些射線用幅度、時(shí)間、空間三維坐標(biāo)上的脈沖序列來表示。該方法不依賴與物理傳播環(huán)境中的散射體分布狀況，而是直接對時(shí)延擴(kuò)展、多普勒擴(kuò)展和角度擴(kuò)展等參數(shù)進(jìn)行建模。

廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射(Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering,WSSUS）模型[2]是無線信道研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論模型。它利用具有時(shí)變沖激響應(yīng)的線性濾波器結(jié)構(gòu)描述線性時(shí)變隨機(jī)無線信道。廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射被認(rèn)為是能夠描述無線信道小尺度衰落的時(shí)延擴(kuò)展與多普勒擴(kuò)展的最簡單的隨機(jī)過程，故目前關(guān)于信道小尺度衰落建模的研究大多數(shù)都是基于WSSUS假設(shè)。Clarke模型[3]是基于電磁波線性疊加的隨機(jī)信道模型。在各向同性和接收天線為全向天線的假設(shè)下，得到了接收信號包絡(luò)服從Rayleigh分布這一重要結(jié)論。M.J.Gans推導(dǎo)了Clarke模型的多普勒頻譜，被稱為經(jīng)典譜。經(jīng)典的Clarke模型對于滿足各向同性假設(shè)的情況，能夠準(zhǔn)確的描述無線信道對信號的影響且易于實(shí)現(xiàn)，因此到目前為止它仍然是應(yīng)用最廣泛的信道模型。

2.2 基于物理傳播的統(tǒng)計(jì)建模方法

統(tǒng)計(jì)建模方法中，基于物理傳播特征的建模方法通過描述傳播環(huán)境中存在的散射物體的統(tǒng)計(jì)分布，利用電磁波經(jīng)歷反射、繞射和散射時(shí)的基本規(guī)律構(gòu)建衰落信道模型。該模型的特征描述與多徑傳播環(huán)境下散射體或者發(fā)射體的位置分布狀況有關(guān)。例如Okumura模型以平坦地形大城市的傳播損耗為參考，對其他傳播環(huán)境和地形條件等因素分別以校正因子的形式進(jìn)行修正[4]。

基于物理傳播特征的建模方法被廣泛的應(yīng)用在MIMO信道的研究中，主要借助一些重要物理參數(shù)描述信道特征與散射分布，其典型參數(shù)包括：到達(dá)角（AOA）、離開角（AOD）與到達(dá)時(shí)間（TOA）等。在不同的傳播環(huán)境中，通常假設(shè)在用戶端和基站端具有不同的散射體幾何分布，常用的幾何分布模型包括單環(huán)、雙環(huán)、橢圓和扇形等，多數(shù)模型只假設(shè)電波傳播經(jīng)過散射體時(shí)發(fā)生了單反射過程[2][5][6]。

3 基于傳播預(yù)測的確定模型

3.1 射線法

射線法信道建模是應(yīng)用最廣泛的確定性傳播預(yù)測方法，它基于光學(xué)射線理論，結(jié)合一致繞射理論和幾何繞射理論，在對傳播環(huán)境利用幾何體建模、并確定表面的電磁參數(shù)之后，對傳播損耗進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果的精度主要取決于地理環(huán)境模型的精度以及表面電磁參數(shù)的精度。在假設(shè)無線電信號的波長足夠小的前提下，將電磁波的傳播近似為光學(xué)射線的傳播，并將電磁波各種無線傳播機(jī)制簡化為發(fā)射、衍射和散射等主要機(jī)制，利用光學(xué)射線理論計(jì)算傳播損耗。射線法模型能夠獲得比統(tǒng)計(jì)性模型更準(zhǔn)確的傳播預(yù)測，因此有大量的研究人員對此進(jìn)行了廣泛的研究，目前的研究主要集中在地理環(huán)境建模以及加速算法等方面。

3.2 時(shí)域有限差分法

用射線法建立的信道模型不能正確包括電磁波的繞射傳播。時(shí)域有限差分法（FDTD）建模的方法利用電磁場傳播理論來計(jì)算大尺度傳播的功率損耗，綜合考慮了所有的無線傳播機(jī)制，因而能夠得到最準(zhǔn)確的結(jié)果，并且能預(yù)測寬帶參數(shù)。它可以同時(shí)提供地圖中所有區(qū)域的場分布，也能給出整個(gè)區(qū)域的信號覆蓋信息。時(shí)域有限差分法的優(yōu)點(diǎn)在于其準(zhǔn)確性，但是需要明確的傳播環(huán)境細(xì)節(jié)，包括地理特性、建筑物分布、物體表面的電磁特性等大量數(shù)據(jù)，并且要進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算才能得到最終結(jié)果。由于FDTD方法需要大量的存儲空間和巨大的運(yùn)算量，它經(jīng)常結(jié)合射線法技術(shù)以細(xì)化后者的結(jié)果。

4 總結(jié)

信道建模是一門結(jié)合了通信理論、電磁場及隨機(jī)過程理論的交叉性學(xué)科。一個(gè)好的信道模型可以在某一個(gè)方面擬合真實(shí)的信道，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、評估提供參考。本文介紹了信道模型的兩大分類及四種主要的研究方法。

［1］劉蕾蕾.MIMO/UWB無線信道特性研究與建模[D].2009.

［2］C.Oestges,V.Erceg,A.J.Paulraj.A physical scattering model for MIMO macrocellular broadband wireless channels[J].IEEE J.Select.Area Commun.,2003,21(5):721-729.

［3］H.Clarke.A statistical theory of mobile-radio reception[J].Bell Syst.Tech.Journal,1968,47:957-1000.

［4］Okumura T,Ohmori E,et al.Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile service[J].Review Electrical Communication Laboratory,1968,16(9-10):825-873.

［5］D.S.Shiu,G.J.Foschini,M.J.Gans,et al.Fading correlation and its effect on the capacity of multielement antenna systems[J].IEEE Transa.Wireless Commun.,2000,48(3):502－513.

［6］A.M.Sayeed,Modeling and capacity of realistic spatial MIMO channels[C].in Proc.of Inter.Conf.Acoustics,Speech and Signal Processing,2001,4:2489-2492.