无线传播信道模型理论
5G无线传播信道模型分析
的各个方面 ；二是为终端用户提供所需服务的关键技术。
2.1 信道建模需求
建模方法的主要挑战在于需要支持更高的频率和更大的带
宽，同时支持更大的天线阵列。其中，大带宽和大天线阵列尺寸
带来了在时延和空域范畴更精细的信道模型分辨率的需求。本文
总结了主要的 5G 信道模型需求，如表 1 所示 [3] ：
表1 5G信道模型需求
以上所总结的 5G 信道模型需求都是基于通用的 5G 假设和场 景情形，目前现有的模型大多无法满足全部的 5G 传播需求。 2.2 传播场景
持大规模天线阵列，愿景之一是“万物互联”，任何人或物无论何时何地都
方向扩展，用于支持 3D 模型 ；九是支持针对高频技术的镜面散 能够获取和分享信息数据，因此，就需要考虑更广泛的传播场
目前，大多数文献都是研究的随机过程下的信道模型，而且 对整个信道建模需要考虑的因素和流程未作详细介绍。因此，本 文针对以上不足，详细的介绍了 5G 信道建模的需求、挑战、传 播场景，并简要介绍了 METIS 信道模型，对 5G 规划甚至更长远 的网络规划都有一定的指导性建议。
2 建模需求与场景
无线信道建模需求需要从两方面因素考虑 ：一是环境到用户
格的需求。因此本文针对以上问题，首先分析了 5G 信道的建模需求、传播场景及面临的难题，并对一种能较好的满足 5G 需求的
MTTIS 信道模型进行了研究。
关键词 ：5G 信道模型 ；建模需求 ；传播场景 ；METIS 信道
doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.10.040
类别 场景 频谱 天线
系统
需求 大范围的传播环境 频率范围从1GHz以下到100GHz；支持500MHz以上的超大系统带宽 支持非常大的天线阵列 小小区的大规模参数的空间一致性，移动小区，D2D，M2M，V2V，MUMIMO等；双端移动性；移动性环境
无线信号工作面传播定律及信道模型
无线信号工作面传播定律及信道模型作者：赵端丁恩杰俞啸来源：《电脑知识与技术》2013年第12期摘要：工作面环境是由三面金属挡板，一面煤壁组成的异质封闭空间。
与有线通信相比，无线通信在工作面内有着无法比拟的优越性。
该文提出了采煤工作面射线传播定律，给出了在异质空间环境中多径信号多次反射后能量计算的具体方法，并以此为基础建立了工作面内冲激响应的信道模型。
该文最后，利用计算机仿真了工作面内冲激响应和不同的载频的不同的时延特性，并深入分析了其中原因。
关键词：无线通信；异质封闭空间；工作面射线传播定律；冲激响应；时延中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）12-2788-04随着国家的煤矿安全生产安全要求的不断提高，大量的先进监测设备安装到煤矿井下，特别是无线设备在井下的应用，极大增强了井下的安全监测水平。
但煤矿工作面的无线通信环境与普通巷道不同，工作面存在大量的金属设备，如：采煤机、刮板运输机、液压支架等，此外，还有大量的工作人员，加之工作面的通信介质不是单一的岩壁还存在煤壁和金属支柱，因此，通信环境是一个复杂的密闭异质空间。
此外，随着煤层的开采，金属液压支架要随时推进，即通信空间也要随之变化，所以工作面的通信环境还是一个移动的空间。
研究无线信号在煤矿工作面的传输特性对无线监控系统在工作面的成功应有有着重要的意义。
目前，研究封闭空间无线传输的方法主要有两种：波导法，这种方法可以应用在多种形状的封闭空间，它利用波导理论能很好的研究无线电波在封闭空间面的衰减，但是研究多径传播却无能为力；射线跟踪法。
到目前为止，对于射线跟踪法的应用大部分集中在矩形的封闭空间，代表性的研究成果是帐篷定律[1-3]，它很好的解决了无线电波在隧道内传输的问题。
但是在工作面内，大量排列有序的液压支柱的存在，阻挡了部分射线的传播，使得帐篷定律再适应工作面传输环境，为了解决这个问题，我们在帐篷定律的基础上提出了工作面射线传播定律。
无线通信基础知识
折射
电磁波在传播时，遇到墙体等障碍物，就会穿过障碍物继续传播，这种现象就称为折射，电磁波的折射和光线 在透明物体中的折射有很强的类似性。如图2.4所示：
2.2.2 无线电磁波的衰落和分集技术
• 无线信号从天线到用户之间的信道衰落，按 照衰落特性的不同，可以分为慢衰落和快衰 落两种。
11
慢衰落
由地形和障碍物阻挡而造成的阴影效应，致使接收到的信号强度下降，信号强度随地理环境的改变而缓慢变化，这 种衰落称为慢衰落，又称为阴影衰落。慢衰落的场强中值服从对数正态分布，且与位置和地点相关，衰落的速度取 决于移动台的速度，它反映了传播在空间距离的接收信号电平值的变化趋势。
CONTENTS 无线通信基础知识
第二章
传输介质 无线传播理论 无线信道简介 信道复用 扩频通信技术 无线通信系统重要概念 我国无线电业务频率划分
02 无线通信基础知识 1. 传输介质 核桃AI
2.1 传输介质
• 传输介质是连接通信设备，为通信设备 之间提供信息传输的物理通道；是信息 传输的实际载体。有线通信与无线通信 中的信号传输，都是电磁波在不同介质 中的传播过程，在这一过程中对电磁波 频谱的使用从根本上决定了通信过程的 信息传输能力。
无线自组织网络技术
无线自组织网络是一种特殊的无线移动网 络。一般由一组具有自主能力的无线终端相 互协作形成的一种独立于固定基础设施、采 用分布式管理的多跳网络；网络中所有节点 的地位都是平等的，无需任何预设的基础设 施和任何中心控制节点；网络中的节点具有 普通移动终端的功能；节点间可通过空中接
8.1.1 移动Adhoc网络MAC协议
图8.3 冲突情形1
8.1.1 移动Adhoc网络MAC协议
1）隐藏终端与暴露终端问题
无线通信网络中的无线信道建模技术
无线通信网络中的无线信道建模技术无线通信网络的发展使得人们可以在不受时间和空间限制的情况下进行信息交流。
而这种无线通信的关键则是通过无线信道来传输数据。
无线信道的建模技术对于设计和优化无线通信系统至关重要。
本文将探讨无线通信网络中的无线信道建模技术的原理和应用。
一、无线信道建模技术的概念和分类无线信道建模技术是指通过数学模型来描述无线信道的传输特性，以便更好地理解和预测信道行为。
根据不同的建模方法和应用场景，无线信道建模技术可分为以下几类：1. 统计建模：统计建模方法基于实际信道测量数据进行分析和建模，通过统计学方法来描述信道的统计特性，如信号功率、幅度衰减、时延等。
常用的统计建模方法包括概率密度函数、自相关函数和功率谱密度等。
2. 几何建模：几何建模方法基于物理几何学原理来描述无线信道中的传播路径和障碍物对信号传输的影响。
几何建模可以分为确定性几何建模和随机几何建模两种类型。
确定性几何建模假设信道中存在具有确定位置和形状的障碍物，通过几何学方法来分析信号的反射、绕射和散射等现象，进而建立信号传输模型。
几何建模方法可以分为射线追踪法、物理光学法和几何光学法等。
随机几何建模假设无线信道中的障碍物是随机分布的，通过概率图谱模型、泊松点过程等方法来描述信道的随机性质。
3. 仿真建模：仿真建模方法通过计算机模拟信道传输过程来得到信道传输特性。
仿真建模可以是基于物理模型的仿真，也可以是基于统计模型的仿真。
常用的仿真建模工具有MATLAB、NS-3等。
二、无线信道建模技术的应用无线通信网络中的无线信道建模技术在许多应用场景中起着重要作用。
以下将介绍几个典型的应用案例：1. 传输性能评估：无线信道建模技术可以用于评估无线通信系统的传输性能，包括信号质量、信号功率、误码率等指标。
通过建立准确的信道模型，可以预测系统在不同环境条件下的性能表现，并进一步优化系统设计。
2. 链路预测：无线信道建模技术可以用于链路预测，即根据当前的信道状态预测未来一段时间的信道变化。
信道模拟器标准
信道模拟器标准因不同的应用场景和需求而异。
以下是一些常见的信道模拟器标准和模型：
1. ITU-R模型：ITU-R模型是一种用于模拟无线通信信道的标准，包括无线电波传播、多径干扰、频域衰落等特性。
该模型适用于不同的无线通信系统，如2G、3G和4G等。
2. IEEE 802.11n模型：IEEE 802.11n模型是一种用于模拟WiFi信道的标准。
该模型考虑了多径干扰、频域衰落、多普勒频移等特性，适用于评估WiFi系统的性能。
3. 3GPP模型：3GPP模型是一种用于模拟移动通信信道的标准，包括LTE、5G等移动通信系统。
该模型考虑了多种传播场景和信道特性，如多径干扰、阴影衰落、频域衰落等。
4. Okumura模型：Okumura模型是一种用于模拟无线电波传播损耗的模型，适用于预测不同频率和地形条件下的信号损耗。
该模型考虑了多种传播场景和地形条件，如城市、郊区、高山区等。
5. Hata模型：Hata模型是一种用于模拟移动通信信道损耗的模型，适用于预测不同频率和地形条件下的信号损耗。
该模型考虑了多种地形条件和建筑物分布情况，如城市、郊区、公园等。
6. COST207模型：COST207模型是一种用于模拟无线电波传播损耗的模型，适用于预测不同频率和地形条件下的信号损耗。
该模型考虑了多种传播场景和地形条件，如城市、郊区、山区等。
7. WINNER+模型：WINNER+模型是一种用于模拟5G信道的标准，考虑了多种传播场景和信道特性，如多径干扰、阴影衰落、频域衰落等，
适用于评估5G系统的性能。
无线通信中的快时变信道建模
hl [ n]
M 1 m0
blmBm [n],
l 0,..., L 1
（1.3）
Bm 是 式中 blm 是第 l 个路径第 m 个基系数， 在一定时间周期 T 内不随时间 n 变化， 第 m 个基函数矢量，变量是时间 n ，通过上式，把时变量 hl [ n] 转化为一定时间周 期 T 内非时变量 blm 和另一时变量 Bm [ n] 的表达式，即在 T 内估计一次 blm 即可实 现对快时变信道参数 hl [ n] 的估算。式（1.3）代入式（1.2） ，可得到整个信息传输 的模型表示：
符号说明符号含义采样点数多径信道的路径数条信道的冲激响应基扩展模型中基函数向量个bem基系数kriging模型中相关性参数jakes模型中第l个路径的时延时间的功率jakes模型中为第l个时延分量加性高斯白噪声输入信号的估计值信道参数的估计值问题一41问题分析利用信道的部分测试数据估计信道的参数可以有效减少信道测试数据的采样频率提高信道测试的效率
参赛密码 （由组委会填写）
第 十 一 届 华 为杯 全国研 究生 数学建 模竞赛
学
校
参赛队号
队员姓名
参赛密码 （由组委会填写）
第十一届华为杯全国研究生数学建模竞赛
题 目
无线通信中的快时变信道建模
摘
要：
移动通信网络连接环境复杂多变，由多径效应和多普勒频移所带来的信号小 尺度衰落，导致无线通信中的信号的幅值、相位和频率都发生急剧变化，给无线 通信中的快时变信道建模带来更高的要求和挑战。 对于问题一信道估计模型，首先采用复指数基扩展模型(CE-BEM)对信道测试 数据进行拟合。通过仿真分析可知 CE-BEM 模型为取得一定估计精度所需的基函 数阶次较高，因此其在降低采样频率(减少实测数据)，提高估计精度等方面性能欠 佳。其次，为克服 CE-BEM 模型的缺点，将工程中广泛应用的 Kriging 模型引入 到信道估计中，建立了 Kriging 信道估计模型，其能显著提高局部拟合精度。在保 证模型 NMSE 达到 10e-5 量级的条件下，可以将运动速度 180Km/h 的信道测试参 数采样频率由 200KHz 降为 2KHz。最后，分析了不同估计模型的算法复杂度，并 引入分段估计的思想使算法复杂度下降一个量级，同时将信道估计周期由 0.1s 降 为 0.01s，更适于快时变信道参数估计。 问题二分析了运动速度为 90Km/h，270Km/h，450Km/h 时多普勒效应对问题 一中所建的 Kriging 信道估计模型的准确度以及所需采样频率的影响。 通过分析可 得如下结论：a) 在相同采样频率条件下，模型的 NMSE 随着运动速度的增大而增 大；b) 在同一速度下，模型的 NMSE 随着采样频率的增大而减小；c) 在保证模 型 NMSE<10e-5 的条件下，不同速度 90Km/h、180km/h、270Km/h、450Km/h 所 需最小采样频率分别为 1KHz、2KHz、3KHz、5KHZ。
无线信道仿真
无线信道仿真无线信道是移动通信的传输媒体，所有的信息都在这个信道中传输。
信道性能的好坏直接决定着人们通信的质量，因此要想在有限的频谱资源上尽可能地高质量、大容量传输有用的信息就要求我们必须十分清楚地了解信道的特性。
然后根据信道地特性采取一系列的抗干扰和抗衰落措施，来保证传输质量和传输容量方面的要求。
电磁波在空间传播时，信号的强度会受到各种因素的影响而产生衰减，通常用路径损耗的概念来衡量衰减的大小。
路径损耗是移动通信系统规划设计的一个重要依据，特别是对覆盖、干扰、切换等性能影响很大。
本文主要研究了宏小区室外传播模型，并对经验模型Okumura-Hata 模型、COST-231 Hata 模型以及COST231-WI 模型进行了具体地分析和说明，对其中的算法Matlab 中写出了相应的函数并作出了Matlab 仿真。
在实际仿真中经常要用到一些无线信道模型，本文主要对高斯白噪声信道、二进制信道、瑞利衰落信道以及伦琴衰落信道进行了分析和仿真，这里用到的是Matlab 中自带的Simulink 模块，进行了BPSK ，BFSK 的误比特率性能的仿真。
最后对802.16规范中建议使用的SUI 信道模型进行了仿真。
1路径损耗1．1 自由空间模型：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。
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：f d P L log 20lg 204.32++= (dB)其中，d 的单位为km ；f 的单位为MHz 。
对应于文件中的wireless_free_space_attenuation.m 文件：function y=wireless_free_space_attenuation(d,f) y=32.4+20*log(d)/log(10)+20*log(f)/log(10);当f=900MHz 时的仿真图如下：f=900;d=0.1:0.1:100;y=wireless_free_space_attenuation(d,f); plot(d,y);0102030405060708090100708090100110120130140距离(km)损耗（d B )自由空间损耗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。
瑞利信道Jakes模型推导
03
结果一
Jakes模型能够描述信道 的多径特性，提供信道冲 激响应和频率响应的数学 表达式。
结果二
Jakes模型适用于描述具 有瑞利分布特性的多径信 道，尤其适用于移动通信 环境。
结果三
Jakes模型为信道仿真和 系统性能评估提供了理论 依据，有助于优化通信系 统的设计和参数配置。
04
Jakes模型的应用与限制
2
对于一些简单的无线信道环境，瑞利信道模型可 能足够准确描述信号的衰减特性。
3
对于具有多径传播特性的复杂无线信道环境， Jakes模型可能更加适合。
感谢观看
THANKS
05
瑞利信道与Jakes模型的关
系
瑞利信道与Jakes模型的联系
瑞利信道和Jakes模型都是描述无线信道特性的 数学模型，用于模拟和分析无线信号在传播过 程中的衰减、多径效应等特性。
瑞利信道模型假设信号在传播过程中经历了大 量的独立、同分布的随机衰减，适用于描述平 坦衰落信道。
Jakes模型则基于瑞利信道模型，进一步考虑了 多径效应和信号的相干性，适用于描述具有多 径传播特性的无线信道。
瑞利信道Jakes模型 推导
• 瑞利信道简介 • Jakes模型的基本原理 • Jakes模型的推导过程 • Jakes模型的应用与限制 • 瑞利信道与Jakes模型的关系
目录
01
瑞利信道简介
定义与特性
定义
瑞利信道是一种描述无线电波在传播 过程中由于多径效应而产生的随机波 动和衰减的模型。
特性
为无线通信系统的设计和优化提供了重要的理论依据。
Jakes模型适用于描述具有快速波动特性的信号，如调频信号，
03
对于其他类型的信号可能需要其他模型进行描述。
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-1.00
13.00 5.00 -2.90 -2.50 -2.50 0
Dense urban
High Building
5
16
无线传播模型
应用环境 最低接收功率 备注：手机接收电平=天线口功率-路 径传播损耗 大楼室内 -70dBm 手 机 灵 敏 度 -102dBm ， 快 衰 落 保 护 3dB ， 慢 衰 落 保 护 7dB ， 穿 透 损 耗 16dB，干扰保护2dB，环境噪声2dB 小卧车内，或市 -80dBm 手 机 灵 敏 度 -102dBm ， 快 衰 落 保 护
街道墙壁有铝的支架比没有铝的支架产生更大的衰减。 只在天花板加隔离的建筑物比天花板和内部划软件模型（一）
Ploss=K1+K2lgd+K3(Hms)+K4lg(Hms)+K5lg(Heff)+K6lg(Heff)lg(d)+K7+Kclutter
K参数 参考值
区一般建筑物一
层室内 室外 -90dBm
3dB ， 慢 衰 落 保 护 5dB ， 穿 透 损 耗
10dB，干扰保护2dB，环境噪声2dB 手 机 灵 敏 度 -102dBm ， 快 衰 落 保 护
3dB，慢衰落保护5dB，干扰保护2dB
，环境噪声2dB
模型校正
• 目的：通过连续波（CW）测试，校正传播模型参数，增加 无线覆盖预测的准确性。即将连续波测试结果与预测结果 相比较，调整模型中的K参数，使模型符合实际地理环境。 • 采样符合李氏定律：40波长，采样50个样点 • 校正方法：最小方差法
构（钢、玻璃、砖等）、楼层高度、建筑物相对于基站的走向、窗户区所占 的百分比等的函数。由于变量的复杂性，建筑物的损耗只能在周围环境的基 础上统计预测。我们可以有以下一些结论
位于市区的建筑平均穿透损耗大于郊区和偏远区。 有窗户区域的损耗一般小于没有窗户区域的损耗。
建筑物内开阔地的损耗小于有走廊的墙壁区域的损耗。
模型校正
——站点选取
•
服务区内具有代表性的传播环境，如 密集城区、一般城区、郊区等，分别 选取测试点 • 站址的选择原则是要使它能覆盖足够 多的地物类型（电子地图提供） • 对每一种人为环境，最好有三个或三 个以上的测试站点，以尽可能消除位 置因素
模型校正
• 基站系统 -发射天线 -馈线 -高功放 -高频信号源 • 测试系统 -GPS -测试软件 -便携机 -测试接收机
——测试设备
模型校正
——天馈数据确定
采用全向天线 记录天线高度、增益、基站发射功率
模型校正
考虑点
——测试路线确定
不同距离不同方向的测试数据 某个距离至少4～5个测试数据以消除位置影响 尽可能经过各种地物 尽量避免高速公路 车速上限：Vmax=0.8λ/Tsample
螺旋测试路径
模型校正
数字化地图的数据
无线传播模型
Okumura(奥村)/Hata模型 Lp=69.55 + 26.16logf - 13.82loghb +(44.9 -65.5loghb)logd - a(hm)
hb：基站天线高度；hm：移动台天线高度 对中等城市或大城市： A(hm)=(1.1logf - 0.7)hm - (1.56logf - 0.8) 对于郊区： Lps = Lp - 2[log(f/28)]2-5.4 对于开阔地：Lpo = Lp - 4.78[log(f)]2+18.33 logf - 40.94
在实际无线传播环境中，还应考虑各种地物地貌的影响，规划软件ASSET正
是考虑到这一点，对传播模型进行了改进，考虑了现实环境中各种地物地貌
对电波传播的影响，从而更好的保证了覆盖预测结果的准确性。根据这些K 参数，可以计算出传播损耗中值。但是由于环境的复杂性，还要进行适当的
修正。当蜂窝移动通信系统用于室内时要考虑建筑损耗。建筑损耗是墙壁结
无线传播模型
华为规划软件模型（二）
Clutter衰耗值 Inland Water Wetland Open Areas 参考值 -3.00 -3.00 -2.00
Rangeland
Forest Industrial&Commercial Areas Village Parallel_Low_Buildings Suburban Urban
Pathloss： K1： K2： K3、K4： K5、K6： K7： Kclutter： d： Hms、Heff：
146/900M Urban,154/1800M Urban K1 路径损耗(dB) 与频率相关的常数 K2 44.90 距离衰减常数 K3 -2.88 移动台天线高度修正系数 K4 0.00 基站天线高度修正系数 K5 -13.82 绕射修正系数 K6 -6.55 地物衰减修正系数 基站与移动台之间的距离(km) K7 -0.70 移动台天线和基站天线的有效高度(m)
无线传播模型
传播模型用于预测地形、障碍物及人为环 境对电波传播中路径损耗的影响。
GSM常用传播模型
传播模型是移动通信网小区规划的基础。模型的价值就是保证了精度，同时节省了人力、 费用和时间。 在规划某一区域的蜂窝系统之前，选择信号覆盖区的蜂窝站址使其互不干扰，是 一个重 要的任务。利用高精度的预期方法并通过计算机计算，通过比较和评估计算机输出的所有 方案的性能，我们就能够很容易地筛选出最佳蜂窝站址配置方案。 因此，可以说传播模型的准确与否关系到小区规划是否合理，运营商是否以比较经济合理 的投资满足了用户的需求
无线传播模型
常见传播模型
Okumura(奥村)/Hata模型
适用于900M宏蜂窝预测 COST231-Hata模型 适用于1800M宏蜂窝预测 COST231 Walfish-Ikegami模型 适用于900M和1800M的微蜂窝 规划软件ASSET的传播模型 适用于900M和1800M的宏蜂窝
数字高程模型DEM 地物覆盖模型DOM
——数字地图
线状地物模型LDM
建筑物矢量模型BDM
数字化地图的精度
城区宏蜂窝20M精度 微蜂窝预测选5M精度
郊区农村50M/100M精度