无线信道建模与仿真

题目：无线信道建模与仿真无线信道建模与仿真•无线信道建模与仿真•结论无线信道建模仿真一、自由空间模型仿真及结果分析1.自由空间模型仿真假设无线电波是在完全无阻挡的视距内传播，没有反射、绕射和散射，这种理想的情形叫做自由空间的传播。此模型是用来估测当发射端和接收端之间没有任何障碍物，此时发射端和接收端之间的距离也是最短的。假设收发天线之间的距离为d，发射频率为f，自由空间的损耗可由以下公式计算：（1）其中，d的单位为km；f的单位为MHz，当f=900MHz，f=1800MHz时的仿真图如下：fdPLlog20lg204.32（a）（b）图1自由空间模型仿真图（a）f=900MHz（b）=1800MHz2.仿真结果分析对于自由空间传播模型，我只是假设没有遮挡物，在实际当中，这种情况是不存在的，自由空间的传播是电波传播最基本也是最简单的一种理想情况，这种假设也是为了研究复杂损耗的方便。此次仿真只对f=900MHz和f=1800MHz两个频段进行了仿真。从图中可以看到在0～10km范围内衰减最为严重，10km之后衰减平缓且成上升趋势.从中看出，在距离一定的情况下，影响空间损耗的就是频率了，频率不同，损耗也不同。当距离一定时，f分别取900MHz、1800MHz时损耗的差别为，也就是说在每个点上，f=1800MHz比f=900MHz损耗多了6.02dB，从图中不难看出这种差别是明显的，自由空间模型中传播损耗曲线是对数曲线。因此可以这么说频率越大，在自由空间传播过程中的损耗也就越大。二、Okumura-Hata模型仿真及结果分析1.Okumura-Hata模型仿真Okumura模型是预测城市及周边地区路径损耗时使用最为广泛的模型。它基于测试数据所作的图表,不提供任何的分析解释。工作频率在150MHz到1920MHz之间,并可扩展3000MHz;作用距离从1km到20km经扩展可延伸至100km;基站天线高度在30m到200m之间,经扩展可延伸至1000m;移动台天线高度从1m到10m。Hata模型则根据Okumura图表数据,经曲线拟合得出一组经验公式。它以市区路径传播损耗为基准,在此基础上对其他地区进行修正。实测中在基本确定了设备的功率、天线的高度后，可利用Okumura-Hata模型对信号覆盖范围做一个初步的测算。损耗单位为dB，在市区，Okumura-Hata经验公式如下：（2）其中假设收发天线之间的距离为d(km)，发射频率为f(MHz)，移动台高度Hm（m)，基站高度Hb(m)；a（Hm）为移动天线修正因子。对于中小城市和大城市，Okumura-Hata模型有特殊的移动天线修正因子，对郊区和农村，Okumura-Hata模型又有不同的经验公式。对于中小城市有：（3）对于大城市：（4）对于郊区，Okumura-Hata经验公式如下：（5）在农村，Okumura-Hata经验公式如下：（6）以下就是仿真过程：表1Okumura-Hata模型仿真参数地物类型城区郊区农村基站高度(m)50100100移动台高度(m)1.51.51.5频率(MHz)900(450)900(450)900(450)（a）（b）图2Okumura-Hata模型仿真图(a)f=900MHz(b)f=450MHz2.仿真结果分析从仿真结果中可以看出，中小城市和大城市地形地物基本上差别不大，而移动台高度、频率、基站高度一定的情况下，损耗曲线基本上是重合的;从仿真结果得知，在0～10km范围中损耗急剧上升，10km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，从图中不难看出，在相同的频率下中小城市和大城市的衰减最为严重，郊区次之，农村的衰减最少，这是因为在城市当中造成衰减的因素更多。此外，我也验证了在其他条件不变的情况下，频率越大，衰减也就越大。Okumura-Hata模型适用于大区制移动系统，但是不适合覆盖距离不到1km的个人通信系统，Okumura-Hata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。Okumura-Hata模型的建模不仅为蜂窝移动和陆地无线信道传播损耗的预测提供了方便实用的可视化解决方案,而且解决了在无线信道建模中存在的人机交互性差,对模型进行参数分析、综合计算及全过程演示困难的问题。三、COST-231Hata模型仿真及结果分析1.COST-231Hata模型仿真在不少城市的高密度区，经过小区分裂站距已缩到数百米。而在基站密集的地域是使用Okumura-Hata模型将出现预测值明显偏高的问题，因此，EURO-COST组成COST-231工作委员会，提出了Okumura-Hata模型的扩展模型，即COST-231模型。其适用频率范围是1500～2300MHz，基站有效天线高度在30～200m之间，移动台有效天线高度在1～10m之间，d的范围在1～20km之间。COST-231Hata模型路径损耗的计算公式为：（7）其中假设收发天线之间的距离为d(km)，发射频率为f(MHz)，移动台高度Hm(m)，基站高度Hb(m)；a(Hm)为移动天线修正因子。CM为大城市中心校正因子。在中等城市和郊区，CM＝0dB，在市中心，CM＝3dB。下面就是仿真结果：地物类型城区郊区农村基站高度(m)40100100移动台高度(m)1.51.51.5频率(MHz)180018001800表2COST-231Hata模型仿真参数（a）（b）图3COST-231Hata模型仿真图(a)f=1800MHz(b)f=2299MHz2.仿真结果分析仿真前对仿真条件包括基站高度，移动台高度和仿真频率进行了限定。从图中可以看到，在0～4km范围内，COST-231模型衰减较大，而4km之后，衰减略为平缓且呈上升趋势，整体而言，随着距离的增加，信道的衰减呈上升趋势。衰减最大的是中小城市地区，然后是大城市地区，大城市和中小城市的衰减趋势较为接近，接下来是郊区地区，最后是农村地区，当然随着频率的不同，衰减也有所变化，频率越大，衰减越快。COST-231模型和Okumura-Hata模型主要的区别在于频率衰减系数的不同。COST-231Hata模型的频率衰减因子为33.9，而Okumura-Hata模型的频率衰减因子为24.16。另外，COST-231模型还增加了一个大城市中心衰减因子CM。四、COST231-WI模型仿真及结果分析1.COST231-WI模型仿真COST231-Walfisch-Ikegami模型基于Walfisch-Bertoni模型和Ikegami模型，广泛地用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境，经常在移动通信系统（GSM/PCS/DECT/DCS）的设计中使用。在高基站天线情况下采用理论的Walfisch－Bertoni模型计算多屏绕射损耗，在低基站天线情况下采用测试数据计算损耗。这个模型也考虑了自由空间损耗、从建筑物顶到街面的损耗以及受街道方向影响的损耗。因此，可以计算基站发射天线高于、等于或低于周围建筑物等不同情况的路径损耗。COST231-Walfisch-Ikegami模型使用的有效范围是COST231-WI模型在使用高基站天线时该模型采用理论的Walfisch-Bertoni模型和IkegaCOST231-WI模型分为视距传播(LOS)和非视距传播(NLOS)两种情况计算路径损耗。对于视距(LOS)传播环境，其路径损耗为：（8）其中，d的单位为km；f的单位为MHz。非视距传播(NLOS)适用条件和主要参数如下表：bHhiP基站高度相对直接无线路径的道路方向性频率f(MHz)800~2000(m)4~50移动台高度(m)1~3距离d（km）0.02~5建筑物屋顶高度Hroof(m)道路宽度w(m)建筑物间隔b(m)(度)城区的范围表3非视距传播(NLOS)适用条件和主要参数所用的公式为：（9）式中，L0是自由空间的损耗：（10）Lrts是从屋顶到街道的绕射和散射损耗：（11）其中，（12）Lmsd是多屏绕射损耗：（13）其中，（14）（15）（16）（17）以下就是仿真过程：roofHbHmHhiP建筑物屋顶高度基站高度移动台高度相对直接无线路径的道路方向性道路宽度w(m)20(m)15(m)17(m)1.5(度)90建筑物间隔b(m)40频率f(MHz)900,1800表4非视距传输的参数图4COST231-WI模型仿真图2.仿真结果分析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=900MHz和f=1800MHz的非视距传播模型进行了仿真，对于视距模型只对f=900MHz这个频率进行了仿真。从仿真结果可以得知，对于COST231-WI模型在0～0.5km范围内大幅度衰减，在0.5km之后缓慢衰减切成上升趋势，很明显视距路径损耗要远远小于非视距损耗，这是在相同发射频率下。对于非视距路径损耗在不同发射频率下，也是频率越高，意味着损耗也就越大。.结论无线信道的模型有分为自由空间模型、无线视距模型和经验模型。自由空间模型是最简单的传播模型，在实际中也不存在此模型，研究自由空间模型的目的其实是为研究其他复杂模型做一个铺垫；无线视距模型的提出是由于大气折射使得电磁波的传播是一条曲线，为了计算无线信道的损耗，提出了此模型；经验模型的提出是因为实际环境中的电波传播难以定量描述，系统工程师不必要了解传播理论的具体细节，经验模型从实际测量得来，可用来指导设计，经验模型是用统计的方法推导出来的。下面就是我对几个经验模型的仿真的出来的结论：工作频段作用距离基站天线高度移动台天线高度Okumura-Hata模型150MHz~1920MHz1km~100km30m~200m1m~10mCOST-231Hata模型1500MHz~2300MHz1km~20km30m~200m1m~10mCOST231-WI模型800MHz~2000MHZ0.02km~5km4m~50m1m~3m表5经验模型的比较1.由表5可以看出COST-231Hata模型工作频段较小，Okumura-Hata模型和COST231-WI模型工作频段较大，Okumura-Hata模型和COST-231Hata模型作用距离较长，而COST231-WI模型作用距离较短，Okumura-Hata模型和COST-231Hata模型可以用于宏蜂窝，而COST231-WI模型可以用于微蜂窝，Okumura-Hata模型和COST-231Hata模型基站天线高度和移动台天线高度范围较大，COST231-WI模型范围较小，Okumura-Hata模型和COST-231Hata模型可以用于城市等高建筑群区域，COST231-WI模型用于低建筑群区域。在不少城市的高密度区，经过小区分裂站距已缩到数百米，而在基站密集的地域使用Okumura-Hata模型将出现预测值明显偏高的问题，因此，EURO-COST组成COST-231工作委员会，提出了Okumura-Hata模型的扩展模型，即COST-231模型。2.由第三章的仿真结果可以知道，无论是自由空间传播模型还是经验模型，在其他条件不变的情况下，频率越高，传播过程中的损耗也就越大。3.对于Okumura-Hata模型，中小城市和大城市在移动台高度、频率、基站高度一定的情况下，损耗基本上是相同的，从仿真结果得知，在0～10km范围中损耗急剧上升，10km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，从图中不难看出，在相同的频率下中小城市和大城市的衰减最为严重，郊区次之，农村的衰减最少，Okumura-Hata模型适用于大区制移动系统，但是不适合覆盖距离不到1km的个人通信系统，Okumura-Hata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；对于COST-2