移动通信信道模型的归纳

移动通信信道模型归纳报告13信息XXXXXXX摘要移动通信中，无线电波传播特性非常复杂，在传播过程中信号收到各种干扰。对无线通信信道的建模研究可以在理论上抑制部分干扰，因此信道模型的研究作为推动整个移动通信发展的关键技术之一，国内外都对它做了大量的研究，并得到了一些成果。本文将对现有的移动通信信道模型进行分类，并举例对典型的移动通信信道模型进行详细介绍。关键词：移动通信，信道模型1.简介移动通信的迅猛发展使移动信道无线电波传播预测成为移动通信领域的研究热点。移动信道与其它信道相比是稳定性最差的一种，由于电波在移动信道中传输时在时域和空域上都会有较大随机性的波动和起伏，要对其进行控制和测量都比较困难，且实地设站检测费用极高。如果能建噪声立一些模型，通过数值计算就可以较好地预知信道特性，那它们将比实地测量方法更可取。近年来国内外都有不少相关论文发表，建立了一些较实用的电波传播预测模型，本文根据已有的研究成果进行归纳展示。移动通信信道是多径衰落信道，数字信号在信道中传输时，容易发生突发性误码和严重的码间串扰。对于多径衰落的信道，根据不同的标准有不同的分类方法。根据尺度不同，可以分为大尺度模型（数米范围内的均值）和小尺度模型（在波长范围内的测量值）。根据环境特征不同，可分为室内、室外、陆地、海洋、空间等等。根据应用区域不同，可分为宏蜂窝（2km）、微蜂窝（500m）、微微蜂窝。根据建模方式可分为统计性模型(经验模型)、半经验或半确定性模型和确定性模型[1]。统计性模型(经验模型)是根据大量的测量结果统计分析后得出的图表和公式,不需要相关环境的详细信息。确定性模型是对具体的现场环境直接应用电磁理论计算的方法。半经验或半确定性模型是基于把确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的等式,有时为改善它们和实验结果的一致性，则根据实验结果对等式进行修正[2]。本文将以建模方式为分类标准，从原理、特点、用途等方面剖析不同信道模型的特点。2.经验模型2.1Okumura-Hata由于使用Okumura模型，需要查找其给出的各种曲线，不利于计算机预测。Hata模型是在Okumura大量测试数据的基础上用公式拟合得到的，叫做Okumura-Hata模型。Hata-Okumuram模型是根据实测数据建立的模型，该模型提供的数据较齐全，应用较广泛，适用于VHF和UHF频段。该模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。为了简化，Okumura-Hata模型做了三点假设：作为两个全向天线之间的传播损耗处理；作为准平滑地形而不是不规则地形处理；以城市市区的传播损耗公式作为标准，其他地区采用校正公式进行修正。2.1.1适用范围频率范围f：150-1500MHz；基站天线有效高度hb：30-200m；移动台天线有效高度hm：1-10m；移动台与基站之间的距离d：1-20km。2.1.2Hata-Okumura模型路径损耗公式当移动台的高度为典型值为hr=1.5m时，按Hata-Okumura模型计算路径损耗的公式为：Lb=69.55+26.16lgf－13.82lghb－α(hm)+（44.9－6.55lghb）lgd[3]公式1Lb：市区准平滑地形电波传播损耗中值（dB）a(hm)：移动台天线高度修正因子需要说明的是，基站天线有效高度计算有多种方法，如：基站周围5~10公里的范围内的地面海拔高度的平均；基站周围5~10公里的范围内的地面海拔高度的地形拟合线；等等；不同的计算方法一方面与所使用的传播模型有关，另外也与计算精度要求有关。a(ℎ𝑚)={(1.1𝑙𝑔𝑓−0.7)ℎ𝑚−(1.56𝑙𝑔𝑓−0.8)中小城市8.29𝑙𝑔2(1.54ℎ𝑚)−1.1大城市，f≪200MHz3.2𝑙𝑔2(11.75ℎ𝑚)−4.97大城市，f≫400MHz0ℎ=1.5公式22.2COST231-Hata欧洲研究委员会（陆地移动无线电发展）COST231传播模型小组建议，根据Okumura-Hata模型，利用一些修正项使频率覆盖范围从1500MHz扩展到2000MHz，所得到的传播模型表达式称为COST231-Hata模型。2.2.1适用范围使用频段f：1500~2000MHz；基站天线有效高度hb为30~200m；移动台天线高度hm为1~10m；通信距离为1~20km。2.2.2传播损耗中值公式与Okumura-Hata模型一样，COST231-Hata模型也是以Okumura等人的测试结果作为根据。它通过对较高频段的Okumura传播曲线进行分析，得到的公式。基本传播损耗中值公式：L=46.3+33.9lgf−13.82lgℎ𝑏−𝑎(ℎ𝑚)+(44.9−6.55𝑙𝑔ℎ𝑏)𝑙𝑔𝑑+𝐶𝑚公式3基站天线有效高度计算：设基站天线离地面的高度为hs，基站地面的海拔高度为hg，移动台天线离地面的高度为hm，移动台所在位置的地面海拔高度为hmg。则基站天线的有效高度hb=hs+hg-hmg，移动台天线的有效高度为hm。a(hm)——移动台天线高度修正因子。Cm——城市修正因子：𝐶𝑚={0𝑑𝐵数目密度适中的中等城市和郊区的中心3𝑑𝐵大城市中心公式4其他各种修正因子同Okumura-Hata模型。2.3Lee[4]2.3.1原理假设N个散射体均匀分布在半径为R的圆上，并有一个散射体在移动台和基站中间，则离散AOA为：公式5从离散AOA表达式可以看出，任意两个阵元间信号的相关表达式为：公式6其中d是元素间的距离，𝜃0的计算方法如图1：图1LEE模型图示2.3.2优点模型中的主要参数易于根据测量值调整；路径损耗预测算法简单，计算速度快。2.3.3LEE宏蜂窝模型无阻挡情况下：Pr=𝑃𝑟1−𝛾𝑙𝑜𝑔𝑟𝑟0+𝜕0+20𝑙𝑜𝑔ℎ1ℎ−𝑛𝑙𝑜𝑔𝑓𝑓0公式7有阻挡的情况下：Pr=𝑃𝑟1−𝛾𝑙𝑜𝑔𝑟𝑟0+𝜕0+L(𝜈)−𝑛𝑙𝑜𝑔𝑓𝑓0公式8ℎ1：天线有效高度；ℎ：天线实际高度。2.3.4LEE微蜂窝模型小区路径预测损耗公式：L(𝑑𝐵)=L𝑖𝑜𝑠(𝑑𝐴,ℎ𝑡)+𝐿𝐵公式9L𝑖𝑜𝑠(𝑑𝐴,ℎ𝑡)是天线基站有效高度。3.半经验模型3.1Walfisch-Ikegami3.1.1适用范围考虑屋顶和建筑物高度的影响，适合高楼林立地区的中到大型蜂窝移动网络的确定。频率f：800-2000MHz；路径长度：0.2-5km；基地天线高度：4-50m；移动台天线高度：1-3m。3.1.2两种情况视距传播情况，路径损耗：L𝑏=42.6+26𝑙𝑔𝑑+20𝑙𝑔𝑓公式10非视距传播情况，路径损耗：L=𝐿0+𝐿1+𝐿2公式11其中：𝐿0：自由空间损耗；𝐿1：有屋顶沿最近的衍射引起的衰落损耗𝐿2：沿屋顶的多重衍射（除最近的衍射）L1=−16.9−10𝑙𝑜𝑔𝑤+10𝑙𝑜𝑔𝑓+20log(ℎ𝑅−ℎ𝑚)+𝐿11𝜙公式12𝐿2=𝐿21+𝑘𝑎+𝑘𝑑𝑙𝑜𝑔𝑑+𝑘𝑓𝑙𝑜𝑔𝑓−9𝑙𝑜𝑔𝑏公式13参数含义：w-接收机所在的街道宽度（m）ℎ𝑅-建筑物的平均高度（m）ℎ𝑚-接收天线的高度𝜙-街区轴线与连接发射机与接收机天线的夹角𝑏-相邻行建筑物中心距离𝑑-基站与移动台之间的水平距离（km）4.其他模型模型特点离散均匀分布模型[5]N个散射体到达角度AOA均匀分布用离散AOA模型计算不同接收天线的相关系数相关系数下降趋势比Lee模型快高斯广义平稳不相关散射模型[6]N个散射体在空间分成d簇，其中每一簇的不同散射体造成的时延对于带宽而言不可分辨提供了一个分析阵列协方差矩阵的方法时变矢量信道模型[7-8]假设离开移动区域的信号能量为瑞利衰落角度扩展值由主要反射物决定同时提供了瑞利衰落和空间的相关性信息典型城区[6]为GSM，DCS1800和PCS1900设计的仿真模型移动台周围半径为1米的区域内随机分布120个散射体时域的衰落特性与GSM05.05的定义类似5.总结本文根据信道模型建立的方式对主流的信道模型进行了原理，特点和用途方面的总结，由于篇幅关系还不够完善，欢迎后继学者继续完善。对于信道模型的未来发展，近年来由于信道频域弥散、时域弥散以及空时域弥散概念的提出,特别是采用空间分集技术的智能天线、宽带技术、和多输入多输出系统(MI2MO)的引入,除了常规的如路径损耗和延迟扩展等参数外,还需明确信号的空间传播特性、散射体的空间分布、接收天线上多径分量来波方向角度分布等信息,所以信道模型必然朝着空时域、空频域信道模型方向发展,以便利用智能天线和MIMO系统提高移动通信系统的容量,促进移动通信系统的快速发展。6.参考文献[1]蒋泽，顾朝志，无线信道模型综述，重庆工学院学报，No.82005，63-67.[2]张华安，向宏平，朱礼仪，移动通信中信道模型的研究及进展，通信技术，No.92002，29-32.[3]宋卫星，潘和，过宝宝等等，移动无线信道中Hata模型的仿真分析，大众科技，No.12011，21，31.[4]W.C.Y.Lee.MobileCommunicationsEngineering:NewYork,McGrawHillPublications,1982[5]D.Aszetly.OnAntennaArraysinMobileCommunicationSystems:FastFadingandGSMBaseStationReceiverAlgorithms.:Ph.D.Dissertation,RoyalInstituteofTechnology,Mar.1996line-of-sightmultipathradiochannels”inVTC'96.1996,pp.844-848[6]P.Zetterberg,P.L.Espensen,andP.Mogensen.“Propagation,BeamsteeringandUplinkCombiningAlgorithmsforCellularSystems”.ACTSMobileCommunicationsSummit,Granada,Spain,Nov.,1996[7]G.G.RaleighandA.Paulraj.“TimeVaryingVectorChannelEstimationforAdaptiveSpatialEqualization”.Proc.ofIEEEGlobecom.1995:pp218-224[8]TechniquesandApplications(ISSSTA'96),Mainz,1996:pp.102-106.