移动通信仿真实验

移动通信仿真实验报告

一、实验目的

通过仿真，加深对移动通信中电波传播的路径损耗和阴影衰落的理解；

通过仿真，掌握蜂窝网中频率复用、同频干扰等基本概念，加深对载波干扰比的理解；

二、实验原理

1.无线信道的衰落

无线信道的衰落通常分为大尺度衰落和小尺度衰落。

大尺度衰落是由移动通信信道路径上的固定障碍物（建筑物、山丘、树林等）的阴影引起的，衰减特性一般服从d?n律，其中n称为路径损耗指数，平均信号衰落和关于平均衰落的变化具有对数正态分布的特征。大尺度衰落主要影响到无线区的覆盖区域。

小尺度衰落由移动台运动和地点的变化而产生，主要特征是多径。多径产生时间扩散，引起符号间码间干扰；运动产生多普勒频移，引起信号随机调频。多径衰落严重影响信号传输质量，并且不可避免，只能采用抗衰落技术减少其影响。

1)阴影衰落

在无线信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其它物体对电波的遮挡。在测量过程中，不同位置遇到的建筑物遮挡情况不同，因此接收功率也不同，这样就会观察到衰落现象。由于这种原因造成的衰落也叫“阴影效应”或“阴影衰落”。在阴影衰落的情况下，移动台被建筑物所遮挡，它收到的信号是各种绕射，反射，散射波的合成。所以，在距基站距离相同的地方，由于阴影效应的不同，它们收到的信号功率有可能相差很大，理论和测试表明，阴影衰落一般表示为电波传播距离r的m次幂与表示阴影损耗的正态对数分量的乘积。移动用户和基站

间距离为r时，传播路径损耗和阴影衰落可以表示为

l r,ξ=r m×10ξ10

式中，ξ是由于阴影产生的对数损耗（单位为dB），ξ~N(0,σ)。当用dB表示时，上式变为

10lg l r,ξ=10m lg r+ξ

式中m称为路径损耗指数，实验数据表明m=4,σ=8 dB是合理的。

2)传播路径损耗

传播路径损耗：用于测量发射机与接收机之间信号的平均衰落，即定义为有效发射功率和平均接收功率之间的dB 差值，根据理论和测试的传播模型，无论室内或室外信道，平均接收信号功率随距离对数衰减，这种模型已被广泛地采用。对任意的传播距离，平均路径损耗表示式为：

L p d dB=L p d0+10n lg(d d0 )

即平均接收功率为：

P r d dBm=P t?L p d0?10n lg(d d0 )

其中，n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度；d0为近地参考距离；d为发射机与接收机之间的距离。横杠表示给定值d的所有可能路径损耗的综合平均。n值取决于特定的传播环境。决定路径损耗大小的首要因素是距离，此外，它还与接收点的电波传播条件密切相关。为此，我们引进路径损耗中值的概念。人们根据不同的地形地貌条件，归纳总结出各种电波传播模型。常见的电波传播模型有Okumura-Hata模型、COST-231 Hata模型、CCIR模型、LEE模型以及COST-231 Walfisch-Ikegami(COST-231 WI)模型。

Hata模型是广泛使用的一种中值路径损耗预测的传播模型，适用于宏蜂窝（小区半径大于1km）的路径损耗预测。根据应用频率的不同，Hata模型又分为：

(1)Okumura-Hata模型，适用频率范围为150~1 500MHz，主要用于900MHz；

(2)COST-231 Hata模型，是COST-231工作委员会提出的将频率扩展到2GHz

的Hata模型扩展版本。

仿真中选择了Okumura-Hata模型，在此仅介绍该模型，其他模型可参考相关书籍。

3)Okumura-Hata模型

Okumura-Hata模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式，应用频率在150~1 500MHz之间，适用于小区半径大于1km的宏蜂窝系统，基站有效天线高度在30m~200m之间，移动台有效天线高度在1m~10m之间。

Okumura-Hata模型路径损耗计算的经验公式为：

L p=69.55+26.16lg f c?13.82lg?te?α?re+44.9?6.55lg?te lg d+C cell+C terrain 式中，f c为工作频率（单位MHz）；h te为基站天线有效高度（单位m）；h re为移动台有效天线高度（单位m）；d为基站天线和移动台天线间的水平距离（单位

km ）；α h re 为有效天线修正因子：

α ?re = 1.11lg f c ?0.7 ?re ? 1.56lg f c ?0.8 中小城市

8.29 lg 1.54?re 2?1.1 f c ≤300MHz 3.2 lg 11.75?re 2?4.97 f c ≥300MHz

大城市、郊区、乡村 C cell 为小区类型校正因子：

C cell

= 0 城市?2 lg f c 2?5.4 郊区?4.78 lg f c 2?18.33lg f c ?40.98 乡村 C terrain 为地形校正因子。

2. 蜂窝系统的载波干扰比

1) 下行链路载波干扰比

图1 N=7的小区簇

由于蜂窝小区的频率复用，造成了同频干扰问题，如图1所示。在第一层干扰小区中，每个小区被六个同频干扰小区包围。下行链路的载波干扰比是指同频小区基站的发射信号对移动台的干扰。假设移动台处于中央的小区内，位置如图所示，则移动台收到的干扰信号为：

I = I i 6

i =1

其中I i 为第i 个干扰小区的信号功率（单位mW ），可根据前述的传播路径损耗计算得到：

I i =100.1?(P ti ?L p (d i ))

式中，P ti 表示第i 个干扰小区基站的发射功率（单位dBm ），d i 表示第i

个干扰

小区基站与移动台的距离，L p(d i)表示第i个干扰小区基站到移动台的路径损耗。

移动台接收的有用信号功率（单位dBm）为：

S=P t?L p(d)

式中，P t为服务基站发射功率（单位dBm），L p(d)为服务基站到移动台的路径损耗。则移动台接收载波干扰比可表示为：

SIR_DOWN=S?10lg I

其中，S,I单位均为dBm。

2)上行链路载波干扰比

上行链路的载波干扰比是指同频干扰小区移动台的发射信号对服务基站的干扰。假设各同频小区的移动台均位于小区中心，则各干扰移动台与服务基站距离相等，均为3NR，服务基站接收的的干扰信号为

I=I i

6

i=1=100.1?(P ti?L p(d i))

6

i=1

=6?100.1?(P ti?L p(3NR))

式中P ti表示第i个干扰移动台的发射功率（单位dBm），L p(3NR)表示干扰移动台到服务基站的路径损耗。

服务基站接收的有效信号为

S=P t?L p(d)

式中，P t为移动台发射功率（单位dBm），L p(d)为服务基站到移动台的路径损耗。则服务基站接收载波干扰比可表示为：

SIR_UP=S?10lg I

三、实验内容

图2 7个基站的基站簇

完成以下仿真，并输出结果：

1.沿a到b点的大尺度衰落（路径损耗+阴影衰落），画出曲线图（横坐标为距

离，纵坐标为衰落（dB））。

2.假设移动台的服务基站是1号基站，画出S/I-距离曲线图。

3.考虑上行传输，画出基站接收载干比S/I-距离曲线

四、建模设计

1.大尺度衰落

仿真选用的传播模型为Okumura-Hata模型，小区类型选择城市，工作频率为900MHz，地形校正因子不考虑，基站天线有效高度为40m，移动台天线有效高度为2m，阴影衰落方差为8dB，频率复用因子N为7，小区半径为3km，则站距d为33km。则传播路径损耗为：

L p=69.55+26.16lg f c?13.82lg?te?α?re+44.9?6.55lg?te lg d

其中α?re=3.2lg11.75?re2?4.97.

则大尺度衰落（路径损耗+阴影衰落）为：

Largescale Fading=L p+ξ

式中，ξ~N(0,8)。

2.下行链路载波干扰比SIR_DOWN

如上图建立坐标系，移动台服务基站为原点，根据有关结论，频率复用距离D=3NR，本实验中，取N=7，则D=21R。在图中标出的三角形中，由正弦定理可得：

D sin

3=

3R

解得：

θ0=arcsin

21则其余五个同频小区中心的极角为

θi=θ0+π

i i=0,1,…,5

将极坐标转化为直角坐标，得到各同频小区中心的直角坐标

x i,y i=(D cosθi,D sinθi)

当移动台沿x轴运动时，设其坐标为(x,0)，可计算移动台到各同频小区的距离为

d i=x?x i2+y

i

2

假设基站发射功率相同，均为43dBm，则移动台收到的干扰信号功率为

I i=43?L p d i

总的干扰信号功率为

I=10lg100.1I i

5

i=0

移动台接收的服务基站的信号功率为

S=43?L p x

则载波干扰比为

5

SIR_DOWN=S?I=43?L p x?10lg100.1(43?L p(d i))

i=0

3.上行链路的载波干扰比SIR_UP

五、仿真结果

1.大尺度衰落

图4 大尺度衰落(路径损耗+阴影衰落)仿真结果

2.下行链路载波干扰比

图5 载波干扰比仿真结果