畢業設計-無線信道建模與仿真說明書-資料下載頁

【導讀】無線信道模型分為自由空間模型、無線視距模型和經驗模型，本文首先研究了。模型、COST-231Hata模型以及COST231-WI模型進行了比較，并將其用Matlab軟件仿真，對仿真結果進行了分析。

　　

【正文】 移動通信的傳輸媒體，所有的信息都在這個信道中傳輸。信道性能的 好壞直接決定著人們通信的質量，因此要想在有限的頻譜資源上盡可能地高質量、大容量傳輸有用的信息就要求我們必須十分清楚地了解信道的特性。然后根據信道地特性采取一系列的抗干擾和抗衰落措施，來保證傳輸質量和傳輸容量方面的要求。 電磁波在空間傳播時，信號的強度會受到各種因素的影響而產生衰減，通常用路徑損耗的概念來衡量衰減的大小 ，這也是研究無線信道建模最主要的特性 。路徑損耗是移動通信系統規劃設計的一個重要依據，特別是對覆蓋、干擾、切換等性能影響很大。本 章 主要研究了幾種常用的無線信道 傳播模型，對 自由空間模型、 經驗模型 OkumuraHata模型、 COST231 Hata模型以及 COST231WI 模型進行了具體地分析和說明， 并將其進行 Matlab 仿真和仿真結果的分析 。 Matlab 軟件介紹 MATLAB是一種科學計算機軟件，主要使用于矩陣運算及控制和信息處理領域的分析設計，它使用方便，輸入簡潔，運算高效，內容豐富，并且很容易用戶自行擴展。 MATLAB 是“矩陣實驗室”（ MATrix LABoratoy）的縮寫，它是一種以矩陣運算為基礎的交互式程序語言 ,專門針對科學，工程計算及繪圖的需求。與其他計算機語言相比，其特 點是簡潔和智能化。適應科技專業人員的思維方式和書寫習慣，使得編程和調試效率大大提高。它用解釋方式工作，鍵入程序立即得出結果，人機交互性能好，深得科技人員喜愛。特別是它可適用多種平臺，并且，隨計算機硬軟件的更新及時升級。它大大提高了課程教學，解題作業，分析研究的效率。學習掌握 MATLAB，也可以說是在科學計算工具上與國際接軌。 MATLAB 語言比較好學，因為它只有數據類型，一種標準的輸入輸出語句，不用“指針”，不用編譯，比其他語言少了少了很多內容。 路徑損耗 模型 仿真及結果分析 自由空間模型 仿 真 及結果分析 假設無線電波是在完全無阻擋的視距內傳播，沒有反射、繞射和散射，這種理想的情形叫做自由空間的傳播。假設收發天線之間的距離為 d，發射頻率為 f，自由空間的損耗可由以下公式計算： fdP L lo ??? (dB) （ 31） 31 其 中， d 的單位為 km； f的單位為 MHz。 對應于文件中的 文件： 當 f=900MHz， f=1800MHz 時的仿真圖如下： （ a） （ b） 圖 31 自由空間模型仿真圖 （ a） f=900MHz （ b） =1800MHz 結果分析 對于自由空間傳播模型，我只是假設沒有遮擋物，在實際當中，這種情況是不存在 的，32 自由空間的傳播是電波傳播最基本也是最簡單的一種理想情況，這種假設也是為了研究復雜損耗的方便 。 此次仿真只對 f=900MHz 和 f=1800MHz 兩個頻段進行了仿真。 從圖中可以看到在0~10km 范圍內衰減最為嚴重， 10km 之后衰減平緩且成上升趨勢 .從 式 31 中看出，在距離一定的情況下，影響空間損耗的就是頻率了，頻率不同，損耗也不同。當 距離一 定時， f 分別取 900MHZ、 1800MHZ 時損耗的差別為 ，也就是說在每個點上， f=1800MHz 比 f=900MHz損耗多了 ，從圖中不難看出這種差別是明顯的， 自由空間模型中傳播損耗曲線是對數曲線 。 因此可以這么說頻率越大，在自由空間傳播過程中的損耗也就越大 。 經驗模型 仿真及結果分析 OkumuraHata 模型 仿真及結果分析 1. OkumuraHata 模型仿真 Okumura 模型是預測城市及周邊地區路徑損耗時使用最為廣泛的模型。它基于測試數據所作的圖表 , 不提供 任何的分析解釋。工作頻率在 150MHz到 1920MHz之間 , 并可擴展 3000MHz。 作用距離從 1km 到 20km 經擴展可延伸至 100km。 基站天線高度在 30m 到 200m 之間 , 經擴展可延伸至 1000m。移動臺天線高度從 1m 到 10m。 Hata 模型則根據 Okumura 圖表數據 , 經曲線擬合得出一組經驗公式。它以市區路徑傳播損耗為基準 , 在此基礎上對其他地區進行修正。 實測中在基本確定了設備的功率、天線的高度后，可利用 OkumuraHata 模型對信號覆蓋范圍做一個初步的測算。損耗單位為 dB，在 市區， OkumuraHata 經驗公式如下： dHHaHfL bmbm lg)()( ??????? （ 32） 其中假設收發天線之間的距離為 d(km)，發射頻率為 f(MHz)，移動臺高度 mH (m)， 基站高度bH (m)； )( mHa 為移動天線修正因子。 對于中小城市有： )()()( ???? fHfHa mm （ 33） 對于大城市： M H zfHHa M H zfHHa mm mm )][l g ()( )][l g ()( 22??? ??? （ 34） 對于郊區， OkumuraHata 經驗公式如下： )]28/[ l g (2)( 2 ??? fLL m 市區 （ 3 ） 在農村， OkumuraHata 經驗公式如下： )( l )( 2 ???? ffLL m 市區 （ 36） 所寫的函數為 。 所 用 的 仿 真 過 程 為 Simulink_wire 33 中，仿真參數為， 表 31 OkumuraHata模型仿真參數 地物類型 城區 郊區 農村 基站高度 (m) 50 100 100 移動臺高度 (m) 頻率 (MHz) 900(450) 900(450) 900(450) 仿真結果如下： （ a） （ b） 圖 32 OkumuraHata模型仿真圖 (a)f=900MHz (b)f=450NHz 結果分析 從仿真結果中可以看出，中小城市和大城市地形地物基本上差 別不大，而移動臺高度、頻率、基站高度一定的情況 下，損耗曲線基本上是重合的 。從仿真結果得知， 在 0~10km范圍中損耗急劇上升， 10km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，從圖中不難看出，在相同的頻率下中小城市和大城市的衰減最為嚴重，郊區次之，農村的衰減最少，這是因為在城市當中 造成衰減的因素更多 。此外，我也驗證了在其他條件不變的情況下，頻率越大，衰減也就越大。 OkumuraHata模型適用于大區制移動系統，34 但是不適合覆蓋距離不到 1km的個人通信系統 ， OkumuraHata模型基站天 線高度高于其周圍屋頂的宏蜂窩系統 ，因為在宏蜂窩中，基站天線都安裝在高于屋頂的位置，傳播路徑損耗主要由移動臺附近的屋頂繞射和散射決定。 OkumuraHata模型的建模 不僅為蜂窩移動和陸地無線信道傳播損耗的預測提供了方便實用的可視化解決方案 , 而且解決了在無線信道建模中存在的人機交互性差 , 對模型進行參數分析、綜合計算及全過程演示困難的問題。 但是再利用上述公式計算路徑損耗時，必須注意基站天線沒有采取空間分集，不能考慮分集增益。另外，用戶終端天線的安裝位置也會對計算路徑損耗有很大影響。 表 32 天線安裝不同對 Lm的修正 天線安裝位置 修正 值 /dB 室內（非窗戶旁） － 15 窗戶旁 － 3 室外 0 地形對于傳輸損耗的修正值也很大。對于農村地區的傳播環境，主要可以分為丘陵地區和開闊區，其修正值如下表所示。 表 33 地形不同對 Lm的修正 地形 修正值 /dB 丘陵地區 10 開闊區 25 傳播環境的衰落有瑞利衰落和正態衰落兩種，對應的余量儲備如下所示。 表 34 衰落類型不同對 Lm的修正 衰落類型 余量儲備 /dB 瑞利衰落 0～ 8 正態衰落 6 COST231 Hata 模型 仿真及結果分析 1. COST231 Hata 模型仿真 在不少城市的高密度區，經過小區分裂站距已縮到數百米。而在基站密集的地域是使用OkumuraHata 模型將出現預測值明顯偏高的問題，因此， EUROCOST 組成 COST231 工作委員會，提出了 OkumuraHata 模型的擴展模型，即 COST231 模型。其適用頻率范圍是 1500～2300MHz，基站有效天線高度在 30～ 200m 之間，移動臺有效天線高度在 1~10m 之間， d 的范圍在 1～ 20km 之間。 COST231 Hata 模型路徑損耗的計算公式為： mbmbm CdHHaHfL ???????? lg)()( ( 37) 其中假設收發天線之間的距離為 d(km)，發射頻率為 f(MHz)，移動臺高度 mH (m)， 基站高度bH (m)； )( mHa 為移動天線修正因子。 CM 為大城市中心校正因子。在中等城市和郊區， CM＝ 0dB，在市中心， CM＝ 3dB。 35 函數為 ，所用的仿真過程為 Simulink_ wire 中，仿真參數為 ： 表 35 COST231 Hata模型仿真參數 地物類型 城區 郊區 農村 基站高度 (m) 40 100 100 移動臺高度 (m) 頻率 (MHz) 1800 1800 1800 仿真結果如下： (a) (b) 圖 33 COST231 Hata模型仿真圖 (a)f=1800MHz (b)f=2299MHz 仿真前對仿真條件包括基站高度，移動臺高度和仿真頻率進行了限定。 從圖中可以看到，在 0~4km 范圍內 ， COST231 模型 衰減較大，而 4km 之后，衰減略為平緩且呈上升趨勢，整體而言，隨著距離的增加，信道的衰減呈上升趨勢。衰減最大的是中小城市地區，然后是大城市地區，大城市和中小城市的衰減趨勢較為接近，接下來是郊區地區，最后是農村地區，當然隨著頻率的不同，衰減也有所變化，頻率越大，衰減越快。 COST231 模型和 OkumuraHata模型主要的區別在于頻率衰減系數的不同。 COST231 Hata 模型的頻率衰減因子為 ，而OkumuraHata 模型的頻率衰減因子為 。另外， COST231模型還增加了一個大城市中心36 衰減因子 CM。 COST231WI 模型 仿真及結果分析 1. COST231WI模型仿真 COST 231WalfischIkegami 模型基于 WalfischBertoni 模型和 Ikegami 模型，廣泛地用于建筑物高度近似一致的郊區和城區環境，經常在移動通信系統（ GSM/PCS/DECT/DCS）的設計中使用。在高基站天線情況下采用理論的 Walfisch－ Bertoni 模型計算多屏繞射損耗，在低基站天線情況下采用測試數據計算損耗 。這個模型也考慮了自由空間損耗、從建筑物頂到街面的損耗以及受街道方向影響的損耗。因此，可以計算基站發射天線高于、等于或低于周圍建筑物等不同情況的路徑損耗。 COST 231WalfischIkegami 模型使用的有效范圍是M H zfM H z 2 0 0 0800 ?? ， mhm B 504 ?? ， mhm m 31 ?? ， kmdkm ?? 。 COST231WI 模型在使用高基站天線時該模型采用理論的 WalfischBertoni 模型 和IkegaCOST231WI 模型分為視距傳播 (LOS)和非視距傳播 (NLOS)兩種情況計算路徑損耗。對于視距 (LOS)傳播環境，其路徑損耗為： dfL L O S ??? （ 38） 其中， d 的單位為 km； f的單位為 MHz。 非視距傳播 (NLOS)適用條件和主要參數如下表： 表 36 非視距傳播 (NLOS)適用條件和主要參數 頻率 f(MHz) 800~2021 基站高度 bH (m) 4~50 移動臺高 度 (m) 1~3 距離 d（ km） ~5 建筑物屋頂高度 Hroof(m) 道路寬度 w(m) 建筑物間隔 b(m) 相對直接無線路徑的道路方向性 hiP (度 ) 城區的范圍 所用的公式為： msdrtsb LLLL ??? 0 （ 39） 式中， 0L 是自由空間的損耗 ： fdL ??? （ 310） rtsL 是從屋頂到街道的繞射和散射損耗 ： c r imbr ts LHHfwL ??????? )l g ( （ 311） 37 其中， ???????????????????????9055)55(5535)35(P h iP h iP h iP h iP h iP h iL c r i （ 312） msdL 是多屏繞射損耗： bfkdkkLL fdab s hms d ????? （ 313） 其中， ??? ? ?????r oofbr