李 萌，孫恩昌，張延華

(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100124)

0 引 言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)成為了最為復(fù)雜的通信方式之一。無線通信系統(tǒng)的工作環(huán)境復(fù)雜，信號從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的過程需要借助無線信道來完成。信道是連接發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的媒介，是電磁波傳播所經(jīng)過的路徑。無線信道并不像有線信道那樣是可見的，它與有線信道的區(qū)別在于有線信道是按照固定的路徑進(jìn)行傳播，而無線信道是多徑傳播，也就是從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)存在著許多條路徑，傳播環(huán)境也比較復(fù)雜。

信號的傳輸過程會存在著各種不同的相互作用體，如山丘、樹木、墻壁等，從而發(fā)生“陰影效應(yīng)”。同時，信號傳輸過程中的多點反射會產(chǎn)生電平快衰落和時延擴(kuò)展;由于信號傳播經(jīng)過了多徑效應(yīng)的影響，簡單的接收機(jī)無法辨別不同的多徑分量，而只是簡單的將他們疊加起來，所以導(dǎo)致分量之間相互干涉。

根據(jù)實際情況建立合適的信道模型，對研究無線通信系統(tǒng)的特征和性能具有重要的意義。通過對常用的典型信道模型進(jìn)行回顧、總結(jié)與展望，歸納出幾種典型信道模型的適用范圍、信道特點和相關(guān)計算公式等，并通過不同模型之間的參數(shù)對比，總結(jié)出不同信道模型的特點和性能，為不同環(huán)境選用合適的信道模型提供參考。

1 無線通信信道模型的基本內(nèi)容

信號經(jīng)過不同長度的路徑到達(dá)接收端，使得接收信號脈沖寬度擴(kuò)展的現(xiàn)象，稱為時延擴(kuò)展。多徑信道時延擴(kuò)展等于最先到達(dá)信號分量和最后到達(dá)信號分量之間時間延遲。如果這種時延擴(kuò)展的大小和信號帶寬的數(shù)值相比很小，那么接收信號在時間上的擴(kuò)展也比較小。然而當(dāng)它相對于信號帶寬的倒數(shù)值比較大時，接收信號的時域波形就會被明顯展寬，這有可能造成嚴(yán)重的信號失真［1］。

多徑信道另一個特征是其時變性。時變性來源于發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的運(yùn)動或者信道媒介的相對運(yùn)動，這種運(yùn)動使傳送路徑中形成多徑傳播的那些反射點的位置隨時間變化。

目前已經(jīng)建立了許多多徑模型，用以說明移動信道的觀測統(tǒng)計特性。下面就幾種典型的信道模型進(jìn)行回顧與總結(jié)。

2 幾種常用的無線通信信道模型

2.1 Okumura-Hata 模型［1］

該模型是國際公認(rèn)的大區(qū)制和宏小區(qū)制模型，預(yù)測和測試的路徑損耗偏差為10 ～14 dB。在城區(qū)環(huán)境的預(yù)測和模擬信號強(qiáng)度最廣泛、使用最多的路徑損耗模型是Okumura-Hata 模型。這個模型的有效使用范圍是頻率在500 ～1500 Hz，接收端距離基站大于100 m，基站的天線高度要大于30 m。此模型估計的最大頻率能達(dá)到2000 Hz。通過許多實驗發(fā)現(xiàn)，該模型不適合天線高度過低的基站。同時，此模型在丘陵、樹木繁茂的地區(qū)也不適用。

2.1.1 平坦地形大城市地區(qū)中值路徑損耗［1］

Okumura 模型中平坦地形大城市地區(qū)的中值路徑損耗(dB)公式為

式中，Lbs為自由空間路徑損耗

Am(f，d)為大城市地區(qū)當(dāng)基站天線高度hb=200 m，移動臺天線高度hm=3 m 時相對于自由空間的中值損耗;Hb(hb，d)為基站天線高度增益因子(dB)，即實際天線高度相對于標(biāo)準(zhǔn)天線高度hb=200 m 的增益，為距離的函數(shù);Hm(hm，f)為移動臺天線高度增益因子(dB)，即實際移動臺天線高度相對于標(biāo)準(zhǔn)天線高度hm=3 m 的增益，它是頻率的函數(shù)。

2.1.2 其他環(huán)境或不規(guī)則地形的中值路徑損耗［2］

以上述環(huán)境作為研究基礎(chǔ)，對不同的傳播環(huán)境和其他不確定的環(huán)境所導(dǎo)致的各種因素，用修正因子進(jìn)行修正，就可得到不規(guī)則地形和不同環(huán)境的中值路徑損耗，用下式表示

式中，ks為郊區(qū)修正因子;kh為丘陵地形修正因子;kA為斜坡地形修正因子;kis為水陸混合傳播路徑修正因子。

2.2 COST 信道模型［3，4］

歐洲科學(xué)和技術(shù)合作組(COST)研究了對于頻率為2 GHz 的擴(kuò)展Hata 模型，并定義如下

式中，在中小城市或者郊區(qū)環(huán)境下，CM為0 dB;而在大城市，CM為3 dB;其余參數(shù)都與之前設(shè)置相同。這種模型僅限于下列參數(shù)范圍［3］

載波頻率/GHz 1.5 ～2

基站天線高度/m 30 ～300

移動天線高度/m 1 ～10

距離d/km 1 ～20

COST231-Hata 模型為大型或小型宏單元設(shè)計，例如，基站天線高度高于相鄰基站的屋頂［5］。

除了COST231-Hata 模型，歐洲科學(xué)和技術(shù)合作組還加入城市環(huán)境特點的視距(LOS)和非視距(NLOS)的情況。對于LOS，路徑損耗為

式中，d≥0.02 km;載波頻率fc的單位是Hz［6］。

對于NLOS 的情況，路徑損耗包括三個方面:自由空間的路徑損耗L0，沿傳播路徑的信號多頻疊加損耗Lmsd，以及屋檐邊緣信號衍射損耗Lrts(屋頂?shù)浇值赖难苌浜蜕⑸鋼p耗)

空間的路徑損耗為

衍射損耗Lrts為

式中，w 為街道寬度，單位是m;Δhm是建筑物高度hroof和hm之差［7，8］。

街道的方向是由實際的校正因子Lori決定［2］

近期，亞洲水泥、中國建材代表重回山水水泥董事會，山水集團(tuán)也順利解決了工商登記、公章接管等問題。山水水泥連續(xù)發(fā)行可轉(zhuǎn)股債券累計5億多美元，對企業(yè)金融風(fēng)險化解起到了積極的影響。如果這部分債券全部轉(zhuǎn)化為股權(quán)，所有認(rèn)購人將持有16.33%山水水泥股份，天瑞集團(tuán)持有的股份將會由28.16%稀釋至23.56%，失去在股東大會上對特別決議案的一票否決權(quán)。天瑞集團(tuán)隨后以公平及公正為由，分別向開曼法院、香港法院提交了山水水泥清盤呈請。

多頻疊加損耗Lmsd表示為

式中，b 為兩個建筑物之間的距離;

路徑損耗取決于給定參數(shù)的頻率Kd和距離Kf

該模型的有效范圍為［4］

載波頻率fc/MHz 800 ～2000

基站天線高度hb/m 4 ～50

移動天線高度hm/m 1 ～3

距離d/m 0.02 ～5

該模型假設(shè)曼哈頓街道網(wǎng)格(街道呈直角相接)，建筑物高度基本恒定，地勢平坦，該模型不包括街道峽谷效應(yīng)產(chǎn)生的導(dǎo)波，被磁場所影響［9，10］。

2.3 平坦衰落的Clarke 模型［11］

Clarke 建立了一種統(tǒng)計模型，其移動臺接收信號場強(qiáng)的統(tǒng)計特性基于散射。該模型假設(shè)有一臺具有垂直極化天線的固定發(fā)射機(jī)。入射到移動臺天線的電磁場由N 個平面波組成，這些平面波具有任意載頻相位、入射方位角及相等的平均幅度。其中，相等的平均幅度的基礎(chǔ)在于不存在視距鏈路，到達(dá)接收機(jī)的散射分量經(jīng)小尺度距離傳播后，經(jīng)歷了相似的衰減［1，9］。

例如，一輛以速度v 沿x 方向運(yùn)動的汽車接收到入射平面波。根據(jù)運(yùn)動方向，選擇在xoy 平面進(jìn)行入射角度測量。由于接收機(jī)的運(yùn)動，每個波經(jīng)歷了多普勒頻移并同一時間到達(dá)接收機(jī)。也就是說，假設(shè)任何平面波(平坦衰落條件下)都沒有附加時延。對第n 個以角度αn到達(dá)x 軸的入射波，多普勒頻移為

式中，λ 為入射波的波長［12］。

到達(dá)移動臺的垂直極化平面波存在E 和H 場強(qiáng)分量，分別表示為

式中，E0是本地平均電場(假設(shè)為恒定值)的實際幅度值;Cn是不同電波幅度的實數(shù)隨機(jī)變量;η 是自由空間的固有阻抗(377);fc是載波頻率。第n 個到達(dá)分量的隨機(jī)相位θn為θn=2πfnt+Φn［13，14］。

對E 和H 場的幅度進(jìn)行歸一化后，可得Cn的平均值，并由下式確定

由于多普勒頻移與載波頻率相比很小，因而三種場分量可建模為窄帶隨機(jī)過程。若N 足夠大，三個分量Ez、Hx和Hy可以近似看作高斯隨機(jī)變量。假設(shè)相位角在(0，2π)間隔內(nèi)有均勻的概率密度函數(shù)，由萊斯分析可知，E 場可用同相和正交分量表示

式中，

(未完待續(xù))