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1、題目：無線信道建模與仿真題目：無線信道建模與仿真無線信道建模與仿真無線信道建模與仿真結(jié)論無線信道建模仿真一、自由空間模型仿真及結(jié)果分析1.自由空間模型仿真 假設(shè)無線電波是在完全無阻擋的視距內(nèi)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。此模型是用來估測當(dāng)發(fā)射端和接收端之間沒有任何障礙物，此時(shí)發(fā)射端和接收端之間的距離也是最短的。假設(shè)收發(fā)天線之間的距離為d，發(fā)射頻率為f，自由空間的損耗可由以下公式計(jì)算：（1）其中，d的單位為km；f的單位為MHz，當(dāng)f=900MHz，f=1800MHz時(shí)的仿真圖如下：（a）（b）圖1 自由空間模型仿真圖（a）f=900MHz（b）=1800MHz2

2、.仿真結(jié)果分析 對于自由空間傳播模型，我只是假設(shè)沒有遮擋物，在實(shí)際當(dāng)中，這種情況是不存在的，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(shè)也是為了研究復(fù)雜損耗的方便。此次仿真只對f=900MHz和f=1800MHz兩個(gè)頻段進(jìn)行了仿真。從圖中可以看到在010km范圍內(nèi)衰減最為嚴(yán)重，10km之后衰減平緩且成上升趨勢.從 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(dāng)距離一定時(shí)，f分別取900MHz、1800MHz時(shí)損耗的差別為 ，也就是說在每個(gè)點(diǎn)上，f=1800MHz比f=900MHz損耗多了6.02dB，從圖中不難看出這種差別是明顯的，自由空間模

3、型中傳播損耗曲線是對數(shù)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。二、二、Okumura-HataOkumura-Hata模型仿真及結(jié)果分析模型仿真及結(jié)果分析 1.Okumura-HataOkumura-Hata模型仿真模型仿真 Okumura 模型是預(yù)測城市及周邊地區(qū)路徑損耗時(shí)使用最為廣泛的模型。它基于測試數(shù)據(jù)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(kuò)展3000MHz;作用距離從1km 到20km 經(jīng)擴(kuò)展可延伸至100km;基站天線高度在30m 到200m 之間,經(jīng)擴(kuò)展可延伸至1000m;移動臺天線高度從1m 到10m。Hata

4、 模型則根據(jù)Okumura 圖表數(shù)據(jù),經(jīng)曲線擬合得出一組經(jīng)驗(yàn)公式。它以市區(qū)路徑傳播損耗為基準(zhǔn),在此基礎(chǔ)上對其他地區(qū)進(jìn)行修正。實(shí)測中在基本確定了設(shè)備的功率、天線的高度后，可利用Okumura-Hata模型對信號覆蓋范圍做一個(gè)初步的測算。損耗單位為dB，在市區(qū)，Okumura-Hata經(jīng)驗(yàn)公式如下：（2）其中假設(shè)收發(fā)天線之間的距離為d(km)，發(fā)射頻率為f(MHz)，移動臺高度 Hm（m)，基站高度Hb(m)；a（Hm）為移動天線修正因子。對于中小城市和大城市，Okumura-Hata模型有特殊的移動天線修正因子，對郊區(qū)和農(nóng)村，Okumura-Hata模型又有不同的經(jīng)驗(yàn)公式。對于中小城市有：（3）

5、對于大城市：（4）對于郊區(qū)，Okumura-Hata經(jīng)驗(yàn)公式如下：（5）在農(nóng)村，Okumura-Hata經(jīng)驗(yàn)公式如下：（6）以下就是仿真過程：表1 Okumura-Hata模型仿真參數(shù)地物類型城區(qū)郊區(qū)農(nóng)村基站高度(m)50100100移動臺高度(m)1.51.51.5頻率(MHz)900(450)900(450)900(450)（a）（b）圖2 Okumura-Hata模型仿真圖(a)f=900MHz (b)f=450MHz2.仿真結(jié)果分析 從仿真結(jié)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(jié)果得知，在010k

6、m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(yán)重，郊區(qū)次之，農(nóng)村的衰減最少，這是因?yàn)樵诔鞘挟?dāng)中造成衰減的因素更多。此外，我也驗(yàn)證了在其他條件不變的情況下，頻率越大，衰減也就越大。Okumura-Hata模型適用于大區(qū)制移動系統(tǒng)，但是不適合覆蓋距離不到1km的個(gè)人通信系統(tǒng)，Okumura-Hata模型基站天線高度高于其周圍屋頂?shù)暮攴涓C系統(tǒng)，因?yàn)樵诤攴涓C中，基站天線都安裝在高于屋頂?shù)奈恢?，傳播路徑損耗主要由移動臺附近的屋頂繞射和散射決定。Okumura-Hata模型的建模不僅為蜂窩

7、移動和陸地?zé)o線信道傳播損耗的預(yù)測提供了方便實(shí)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(jī)交互性差,對模型進(jìn)行參數(shù)分析、綜合計(jì)算及全過程演示困難的問題。三、COST-231 Hata模型仿真及結(jié)果分析1.COST-231 Hata模型仿真 在不少城市的高密度區(qū)，經(jīng)過小區(qū)分裂站距已縮到數(shù)百米。而在基站密集的地域是使用Okumura-Hata模型將出現(xiàn)預(yù)測值明顯偏高的問題，因此，EURO-COST組成COST-231工作委員會，提出了Okumura-Hata模型的擴(kuò)展模型，即COST-231模型。其適用頻率范圍是15002300MHz，基站有效天線高度在30200m之間，移動臺有效天線高

8、度在1 10m之間，d的范圍在120km之間。COST-231 Hata模型路徑損耗的計(jì)算公式為：（7）其中假設(shè)收發(fā)天線之間的距離為d(km)，發(fā)射頻率為f(MHz)，移動臺高度 Hm(m)，基站高度Hb(m)；a(Hm)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(qū)，CM0dB，在市中心，CM3dB。下面就是仿真結(jié)果：地物類型城區(qū)郊區(qū)農(nóng)村基站高度(m)40100100移動臺高度(m)1.51.51.5頻率(MHz)180018001800表2 COST-231 Hata模型仿真參數(shù) （a）（b）圖3 COST-231 Hata模型仿真圖(a)f=1800MHz(b)f=229

9、9MHz2.仿真結(jié)果分析 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(jìn)行了限定。從圖中可以看到，在04km范圍內(nèi)，COST-231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(qū)，然后是大城市地區(qū)，大城市和中小城市的衰減趨勢較為接近，接下來是郊區(qū)地區(qū)，最后是農(nóng)村地區(qū)，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。COST-231模型和Okumura-Hata模型主要的區(qū)別在于頻率衰減系數(shù)的不同。COST-231 Hata模型的頻率衰減因子為33.9，而Okumura-Hata模型的頻率衰減因子為24

10、.16。另外，COST-231模型還增加了一個(gè)大城市中心衰減因子CM。四、COST231-WICOST231-WI模型仿真及結(jié)果分析模型仿真及結(jié)果分析 1.COST231-WI模型仿真 COST 231-Walfisch-Ikegami模型基于Walfisch-Bertoni模型和Ikegami模型，廣泛地用于建筑物高度近似一致的郊區(qū)和城區(qū)環(huán)境，經(jīng)常在移動通信系統(tǒng)（GSM/PCS/DECT/DCS）的設(shè)計(jì)中使用。在高基站天線情況下采用理論的WalfischBertoni模型計(jì)算多屏繞射損耗，在低基站天線情況下采用測試數(shù)據(jù)計(jì)算損耗。這個(gè)模型也考慮了自由空間損耗、從建筑物頂?shù)浇置娴膿p耗以及受街道方

11、向影響的損耗。因此，可以計(jì)算基站發(fā)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 231-Walfisch-Ikegami模型使用的有效范圍是 COST231-WI模型在使用高基站天線時(shí)該模型采用理論的Walfisch-Bertoni模型和IkegaCOST231-WI模型分為視距傳播(LOS)和非視距傳播(NLOS)兩種情況計(jì)算路徑損耗。對于視距(LOS)傳播環(huán)境，其路徑損耗為：（8）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(shù)如下表：基站高度相對直接無線路徑的道路方向性頻率f(MHz)8002000 (m)450移動臺高度(m)13距離d

12、（km）0.025建筑物屋頂高度Hroof(m)道路寬度w(m)建筑物間隔b(m)(度)城區(qū)的范圍表3非視距傳播(NLOS)適用條件和主要參數(shù) 所用的公式為：（9）式中，L0是自由空間的損耗：（10）Lrts是從屋頂?shù)浇值赖睦@射和散射損耗：（11）其中，（12）Lmsd是多屏繞射損耗：（13）其中，（14）（15）（16）（17）以下就是仿真過程：建筑物屋頂高度基站高度移動臺高度相對直接無線路徑的道路方向性道路寬度w(m)20 (m)15 (m)17 (m)1.5 (度)90建筑物間隔b(m)40頻率f(MHz)900,1800表4 非視距傳輸?shù)膮?shù)圖4 COST231-WI模型仿真圖2.仿真

13、結(jié)果分析 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(jìn)行，設(shè)定了非視距傳輸?shù)膮?shù)，分別對f=900MHz和f=1800MHz的非視距傳播模型進(jìn)行了仿真，對于視距模型只對f=900MHz這個(gè)頻率進(jìn)行了仿真。從仿真結(jié)果可以得知，對于COST231-WI模型在00.5km范圍內(nèi)大幅度衰減，在0.5km之后緩慢衰減切成上升趨勢，很明顯視距路徑損耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非視距損耗，這是在相同發(fā)射頻率下。對于非視距路徑損耗在不同發(fā)射頻率下，也是頻率越高，意味著損耗也就越大。.結(jié) 論 無線信道的模型有分為自由空間模型、無線視距模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｗ杂煽臻g模型是最簡單的傳播模型，在實(shí)際中也不存在此模型，研究自由

14、空間模型的目的其實(shí)是為研究其他復(fù)雜模型做一個(gè)鋪墊；無線視距模型的提出是由于大氣折射使得電磁波的傳播是一條曲線，為了計(jì)算無線信道的損耗，提出了此模型；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶岢鍪且驗(yàn)閷?shí)際環(huán)境中的電波傳播難以定量描述，系統(tǒng)工程師不必要了解傳播理論的具體細(xì)節(jié)，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷膶?shí)際測量得來，可用來指導(dǎo)設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪怯媒y(tǒng)計(jì)的方法推導(dǎo)出來的。下面就是我對幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆抡娴某鰜淼慕Y(jié)論：工作頻段作用距離基站天線高度移動臺天線高度Okumura-Hata模型150MHz1920MHz1km 100km30m 200m1m 10mCOST-231 Hata模型1500MHz2300MHz1km20km30m200m1m10mC

15、OST231-WI模型800MHz2000MHZ0.02km5km4m50m1m3m表5 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋容^1.由表5可以看出COST-231 Hata模型工作頻段較小，Okumura-Hata模型和COST231-WI模型工作頻段較大，Okumura-Hata模型和COST-231 Hata模型作用距離較長，而COST231-WI模型作用距離較短，Okumura-Hata模型和COST-231 Hata模型可以用于宏蜂窩，而COST231-WI模型可以用于微蜂窩，Okumura-Hata模型和COST-231 Hata模型基站天線高度和移動臺天線高度范圍較大，COST231-WI模型范圍較小，O

16、kumura-Hata模型和COST-231 Hata模型可以用于城市等高建筑群區(qū)域，COST231-WI模型用于低建筑群區(qū)域。在不少城市的高密度區(qū)，經(jīng)過小區(qū)分裂站距已縮到數(shù)百米，而在基站密集的地域使用Okumura-Hata模型將出現(xiàn)預(yù)測值明顯偏高的問題，因此，EURO-COST組成COST-231工作委員會，提出了Okumura-Hata模型的擴(kuò)展模型，即COST-231模型。2.由第三章的仿真結(jié)果可以知道，無論是自由空間傳播模型還是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在其他條件不變的情況下，頻率越高，傳播過程中的損耗也就越大。3.對于Okumura-Hata模型，中小城市和大城市在移動臺高度、頻率、基站高度一定的

17、情況下，損耗基本上是相同的，從仿真結(jié)果得知，在010km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(yán)重，郊區(qū)次之，農(nóng)村的衰減最少，Okumura-Hata模型適用于大區(qū)制移動系統(tǒng)，但是不適合覆蓋距離不到1km的個(gè)人通信系統(tǒng)，Okumura-Hata模型基站天線高度高于其周圍屋頂?shù)暮攴涓C系統(tǒng)，因?yàn)樵诤攴涓C中，基站天線都安裝在高于屋頂?shù)奈恢?，傳播路徑損耗主要由移動臺附近的屋頂繞射和散射決定；對于COST-231模型，在04km范圍內(nèi)，COST-231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(qū)，然后是大城市地區(qū)，大城市和中小城市的衰減趨勢較為接近，接下來是郊區(qū)地區(qū)，最后是農(nóng)村地區(qū)，COST-231模型和Okumura-Hata模型主要的區(qū)別在于頻率衰減系數(shù)的不同。COST-231 Hata模型的頻率衰減因子為33.9，而Okumura-Hata模型的頻率衰減因子為24.16。另外，COST-231模型還增加了一個(gè)大城市中心衰減因子CM；對于COST231-WI模型，在00.5km范圍內(nèi)大幅度衰減，在0.5km之后緩慢衰減切成上升趨勢，很明顯視距路徑損耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非視距損耗。謝謝各位老師！