李大為

(中國人民解放軍91245部隊，遼寧葫蘆島125000)

0 引言

當(dāng)前，無線通信技術(shù)已經(jīng)普及與應(yīng)用于人類生活的每一個領(lǐng)域。由于無線通信系統(tǒng)的發(fā)射機與接收機之間的傳播路徑復(fù)雜多變，因此其傳播性能受無線信道特性制約最大。近些年來，無線通信技術(shù)迅速發(fā)展，無線移動信道的建模與仿真成為現(xiàn)代數(shù)字移動通信系統(tǒng)的研發(fā)重要內(nèi)容，但無線信道隨機性大，分析困難，同時信號易衰減、容易引入干擾、傳輸質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，無線信道的建模與仿真是移動無線系統(tǒng)設(shè)計中關(guān)鍵點與難點。

1 自由空間模型仿真及結(jié)果分析

1.1 自由空間模型仿真

無線移動通信自由空間傳播是一種理想傳播，是指無線電波在傳播視距中無反射、無繞射以及無散射的完全無阻擋情景，其路徑損耗計算公式如下:

式中，d是收發(fā)天線之間距離，單位為km，f是發(fā)射頻率，單位為 MHz。當(dāng)發(fā)射頻率為 900 MHz與1 800 MHz時仿真圖如圖1所示。

圖1 f=900 MHz時自由空間模型仿真圖

1.2 自由空間模型仿真結(jié)果分析

自由空間傳播模型是無線電波傳播的最簡單的模型，無線電波的損耗只和傳播距離和電波頻率有關(guān)系;在給定信號頻率的時候，只和距離有關(guān)系。從圖1可以看出，傳播信號的衰減幅度在0～10 km距離內(nèi)最大，超過10 km以上時，其衰減變?yōu)槠骄?，同時呈現(xiàn)上升態(tài)勢，有自由空間模型路徑損耗計算公式可得，在距離一定時，頻率是影響空間損耗原因，距離是定值時，發(fā)射頻率為900 MHz、1 800 MHz時損耗的差別是6.02 dB，由此可以得出，在自由空間模型中，其傳播損耗曲線屬于對數(shù)曲線特性，即頻率越大，傳播信號的損耗亦增加。

2 Okumura-Hata模型仿真及仿真結(jié)果分析

2.1 Okumura-Hata模型仿真

無線移動信號如果在城市及周邊地區(qū)傳播，一般通過Okumura-Hata模型進行預(yù)測，其依據(jù)是通過測試數(shù)據(jù)得出的圖表。Okumura-Hata模型傳播信號的工作頻率一般在150～1 920 MHz范圍，也可擴展到3 000 MHz;。距離在1～20 km之間，亦能延伸到100 km，Okumura-Hata經(jīng)驗公式如下:

式中，d為收發(fā)天線之間距離(單位為km)，Hm為移動臺高度(單位為m)，Hb為基站高度(單位為m);a(Hm)為移動天線修正因子。

小城市天線修正因子:

大城市天線修正因子:

郊區(qū)天線修正因子:

農(nóng)村天線修正移因子:

圖2是發(fā)射頻率450 MHz仿真結(jié)果。

圖2 f=450 MHz，Hm=1.5 m時的仿真結(jié)果

2.2 Okumura-Hata模型仿真結(jié)果分析

Okumura-Hata模型是根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立的模型，應(yīng)用較廣泛。從圖2中看出，在0～10 km范圍中損耗急劇上升，10 km之后信道的衰減雖然也是隨著距離的增加也有增大的趨勢，但相比之下，衰減更為平緩;在相同頻率下，大城市的衰減最為嚴重，郊區(qū)次之，農(nóng)村的衰減最少，這是因為其鏈路損耗不僅取決于發(fā)射頻率、傳播距離，還和天線掛高及建筑物密度因子關(guān)系很大，同時，頻率越大，衰減也就越大。這種模型對大區(qū)制移動系統(tǒng)較為適用，對覆蓋距離不到1 km的個人通信系統(tǒng)不適合。其模型基站天線高度高于其周圍屋頂?shù)暮攴涓C系統(tǒng)，因為在宏蜂窩中，基站天線都安裝在高于屋頂?shù)奈恢茫瑐鞑ヂ窂綋p耗主要由移動臺附近的屋頂繞射和散射決定。

3 COST-231 Hata模型仿真及結(jié)果分析

3.1 模型仿真

COST-231模型是Okumura-Hata模型的擴展模型，適用于高密度城市區(qū)域，頻率范圍一般是在1 500～2 300 MHz范圍，COST-231 Hata模型路徑損耗的計算公式為:

式中，CM為大城市中心校正因子。一般在中等城市與郊區(qū)，CM為0 dB;在市中心，CM的值通常取3 dB。在對COST-231 Hata模型仿真前，對非視距傳播(NLOS)適用條件與主要參數(shù)進行了規(guī)定，非視距傳輸參數(shù)進行了設(shè)定，發(fā)射頻率為1 800 MHz與2 299 MHz的仿真圖如圖3和圖4所示。

圖3 f=1 800 MHz，Hm=1.5 m時COST-231 Hata模型圖

圖4 f=2 299 MHz，Hm=1.5 m時COST-231 Hata模型圖

3.2 仿真結(jié)果分析

由圖4可以看出，在4 km距離以內(nèi)，COST-231模型衰減較大，而超過4 km時，信號衰減略趨于平緩并緩慢上升，距離加大則信道衰減上升。頻率與衰減成正比。衰減較大是郊區(qū)，其次是大城市地區(qū)，最后是農(nóng)村地區(qū)。大城市與郊區(qū)的衰減趨勢比較接近，當(dāng)然隨著頻率的不同，衰減也有所變化，頻率越大，衰減越快。

4 COST231-WI模型仿真及結(jié)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區(qū)或者城區(qū)環(huán)境，在移動通信系統(tǒng)(GSM/PCS/DECT/DCS)的設(shè)計中應(yīng)用很廣，其模型有兩類，一是視距傳播，二是非視距傳播，兩種情況計算路徑損耗計算公式分別如下:

式中，Lfs=32.44+20lgf+20lgr，Lfs為自由空間路徑損耗，Lrts為從屋頂?shù)浇置娴难苌浜蜕⑸鋼p耗，Lmsd為多遮蔽物衍射損耗。發(fā)射頻率在900 MHz的仿真如圖5所示。

圖5 COST231-WI模型仿真圖

4.2 仿真結(jié)果分析

COST231-WI模型在仿真之前規(guī)定了非視距傳播(NLOS)適用條件和主要參數(shù)進行，設(shè)定了非視距傳輸?shù)膮?shù)，分別對f=900 MHz和f=1 800 MHz的非視距傳播模型進行了仿真，對于視距模型只對f=900 MHz這個頻率進行了仿真。從圖中仿真結(jié)果可以看出，于COST231-WI模型的特點是在0.5 km距離內(nèi)傳播信號衰減幅度很大，超過0.5 km距離后傳播信號緩慢衰減并上升，非視距損耗要遠遠大于視距路徑損耗。在發(fā)射頻率相同時，非視距路徑損耗在不同發(fā)射頻率下，頻率與損耗成正比。

5 四類仿真結(jié)果對比分析

①自由空間傳播模型是一種理想傳播模型，但無論是哪一種傳播模型，在其他條件一定時，頻率越高，傳播過程中的損耗也就越大。

②COST-231 Hata模型工作頻段相對較小，Okumura-Hata模型與COST231-WI模型工作頻段相對較大，Okumura-Hata模型與COST-231 Hata模型作用距離相對較，Okumura-Hata模型與COST-231 Hata模型基站天線高度和移動臺天線高度范圍相對較大，COST231-WI模型范圍相對較小，COST231-WI模型作用距離相對較短。

③Okumura-Hata模型在相同的頻率下，其傳播信號衰減最為嚴重的是大城市，郊區(qū)次之，農(nóng)村的衰減最少，因此，適用于大區(qū)制移動系統(tǒng)，不適宜覆蓋距離不到1 km的個人通信系統(tǒng);COST-231模型的特點是隨著距離的增加，信道的衰減呈上升趨勢，衰減最大的是大城市地區(qū)，接下來是郊區(qū)地區(qū)，最后是農(nóng)村地區(qū)，同時，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臺與周圍建筑屋頂之間的損耗，適用于城市等高建筑群區(qū)域以及微小區(qū)的實際工程設(shè)計;COST231-WI模型適合頻段為800～2 000 MHz，覆蓋距離:0.02～5 km，對微蜂窩較為適用，可用于低建筑群區(qū)域，目前廣泛用于建筑物高度近似一致的城區(qū)和郊區(qū)環(huán)境。

6 結(jié)束語

無線信道研究是當(dāng)前通信行業(yè)研究的重要內(nèi)容，通過計算機對無線移動信道進行建模與仿真，是近年來隨著計算機技術(shù)的發(fā)展新出現(xiàn)的研究方法，對于現(xiàn)代數(shù)字移動通信系統(tǒng)的研發(fā)具有越來越重要的意義。從以上4類無線移動信道建模與仿真技術(shù)分析可以得出如下結(jié)論:無線信號的頻率是決定路徑損耗的重要因素，同時無線移動模型的選擇要根據(jù)復(fù)雜的移動通信環(huán)境進行系統(tǒng)工程設(shè)計。

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