基于Matlab的无线信道仿真

基于Matlab的无线信道仿真

近几年，随着无线通信业务和新兴宽带移动互联网接入业务的快速增长，对无线通信系统的优化显得尤为重要。与有线信道静态和可预测的典型特点相反，在实际中，由于无线信道动态变化且不可预测，无线通信系统的性能在很大程度上取决于无线信道环境，所以对无线信道的准确理解和仿真对设计一个高性能和高频谱效率的无线传输技术显得尤其重要。

无线信道的一个典型特征是“衰落”，衰落现象大致可分为两种类型：大尺度衰落和小尺度衰落。其中，大尺度衰落主要在移动设备通过一段较长的距离时体现，它是由信号的损耗（长距离传播）和大的障碍物（如建筑物、中间地形和植物）形成的阴影所引起的，一般分为路径损耗和阴影衰落，另一方面，小尺度衰落是指当移动台在较短距离内移动时，由多条路径的相消或相长干涉所引起信号电平的快速波动，主要表现为多径衰落。它们之间的关系如图1所示。报告中分别对这几种衰落的常见模型进行了总结和仿真。

图1 各种衰落之间的关系

一、大尺度衰落

大尺度衰落是在一个较大的范围上考察功率的渐变过程，功率的局部中值随距离变化缓慢。大尺度信道模型主要研究电波传播在时间、空间、频率范围内平均特性。

1.1 路径损耗

路径损耗由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造成，反映在宏观长距离

上。理论上认为，对于相同收发距离，路径损耗相同。其定义为有效发射功率和平均接收功率之间的比值。几种常用的描述大尺度衰落的模型有自由空间模型、对数距离路径损耗模型、Hata-Okumura 模型。

1.1.1自由空间模型

所谓自由空间是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计。

自由空间模型中路径损耗计算公式：

r

t r t s G G c df πP P L 142

⎪⎭⎫ ⎝⎛== 其中，t P 为发射功率，r P 为接收功率，d 为发射端与接收端距离，f 为载波频率，c 为光速取8103⨯，t G 为发射端天线增益，r G 为接收端天线增益。转换成分贝表示：

r t r t s G G f d P P L lg 10lg 20lg 2045.32lg 10dB -++==）（ 发射端与接收端均是全向天线，1==r t G G ，得图2：

图2 路径损耗随距离、频率变化曲线

1.1.2 对数距离路径损耗模型

与前面提到的自由空间路径损耗一样，在其他所有实际环境中，平均接收信号功率随距d 呈对数方式减小。通过引入随着环境而改变的路径损耗指数n 可以修正自由空间模型，从而构造出一个更为普遍的路径损耗衰落模型。

)lg(10)(dB 00log _d d n d L L s s +=）（

其中，0d 是一个参考距离，在参考距离或者接近参考距离的位置，路径损耗具有自由空间路径损耗的特点。如表1所示，路径函数主要由传播环境决定，对于不同的传播系统必须确定合适的参考距离0d ，例如，在大覆盖范围的蜂窝系统（半径大于10km 的蜂窝系统）中，通常会设置0d 为1km ，对于小区半径为1km 的宏蜂窝系统或者具有极小半径的微蜂窝系统，可以分别设置参考距离为100m 或1m 。

环境

路径损耗（n ） 环境 路径损耗（n ） 自由空间

2 建筑物内视距传输 1.6~1.8 市区蜂窝

2.7~

3.5 建筑物内障碍物阻挡 4~6 市区蜂窝阴影 3~5 工厂内障碍物阻挡 2~3

表1 路径损耗指数

对数路径损耗随距离、路径损耗指数变化曲线：

图3 路径损耗随距离、路径损耗指数变化曲线

1.1.3 Hata-Okumura 模型

(1) Okumura 模型

Okumura 模型的特点是：以大城市地区准平坦地形的场强中值路径损耗作为基准，对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。Okumura 模型中大城市地区准平坦地形的中值路径损耗（dB ）由下式给出

),(),(),(f h H d h H d f A L L m m b b m bs M --+=

其中，d 为发射端与接收端距离，f 为载波频率，b H 为基站天线高度增益，m H 为移动台天线高度增益。它们与路径损耗的关系如下：

图4 路径损耗与基站天线高度增益的关系

图5 路径损耗与移动台天线高度增益的关系

（2）Hata 模型

Hata 模型仍然保留了Okumura 模型的风格，以市区传播损耗为标准，其他地区在此基础上进行修正。中值路径损耗的经验公式为：

)(-)lg())6.55lg(-(44.9)13.82lg(-)26.16lg(69.55m b b M h a d H H f L ⨯++=

其中，)(m h a 为修正因子，由所在环境决定。Hata 模型适用条件：载波频率(MHz)f=150-1000MHz ；基站高度(m)Hb=30-100m ；移动台高度(m)Hm=1-10m ；收发天线距离(小区半径)(km)d=1-20km 。

中小城市修正因子：

8.0)lg(56.1)7.0)lg(11.1()(--⨯-=f H f h a m m

大城市且载波频率MHz f 200<时，修正因子：

1.1))54.1(lg(29.8)(2-⨯=m m H h a

大城市且载波频率MHz f 400>时，修正因子：

97.4))75.11(lg(2.3)(2-⨯=m m H h a

郊区修正因子：

4.5))28/(lg(2)(2+=f h a m

农村修正因子：

)lg(33.18))(lg(78.498.40)(2f f h a m -+=

仿真结果如下：