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-231Hata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：fdPLlog20lg204.32(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：functiony=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（dB)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。1．2Okumura-Hata模型Okumura-Hata模型是根据测试数据统计分析得到的经验公式，Okumura-Hata模型以市区传播损耗为标准，在此基础上对其他地形做了修正。实测中在基本确定了设备的功率、天线的高度后，可利用Okumura-Hata模型对信号覆盖范围做一个初步的测算。损耗单位为dB，在市区，Okumura-Hata经验公式如下：dHHaHfLbmbmlg)lg55.69.44()(lg82.13lg16.2655.69其中假设收发天线之间的距离为d(km)，发射频率为f(MHz)，移动台高度mH(m)，基站高度bH(m)；)(mHa为移动天线修正因子。对于中小城市有：)8.0lg56.1()7.0lg11.1()(fHfHamm对于大城市：MHzfHHaMHzfHHammmm30097.4)]75.11[lg(2.3)(3001.1)]54.1[lg(29.8)(22对于郊区，Okumura-Hata经验公式如下：4.5)]28/[lg(2)(2fLLm市区在农村，Okumura-Hata经验公式如下：98.40lg33.18)(lg78.4)(2ffLLm市区所写的函数为wireless_hata_attenuation.m。所用的仿真过程为Simulink_wireless_hata_attenuation.m中，仿真参数为，地物类型城区郊区农村基站高度(m)50100100移动台高度(m)1.51.51.5频率(MHz)900900900仿真结果如下：010203040506070809010080100120140160180200距离(km)损耗（dB)Okumura-Hata模型损耗中小城市f=900MHz,Hm=1.5m,Hb=50m大城市f=900MHz,Hm=1.5m,Hb=50m郊区f=900MHz,Hm=1.5m,Hb=100m农村f=900MHz,Hm=1.5m,Hb=100m但是再利用上述公式计算路径损耗时，必须注意基站天线没有采取空间分集，不能考虑分集增益。另外，用户终端天线的安装位置也会对计算路径损耗有很大影响。表1天线安装不同对Lm的修正天线安装位置修正值/dB室内（非窗户旁）－15窗户旁－3室外0地形对于传输损耗的修正值也很大。对于农村地区的传播环境，主要可以分为丘陵地区和开阔区，其修正值如下表所示。表2地形不同对Lm的修正地形修正值/dB丘陵地区10开阔区25传播环境的衰落有瑞利衰落和正态衰落两种，对应的余量储备如下所示。表3衰落类型不同对Lm的修正衰落类型余量储备/dB瑞利衰落0～8正态衰落6Okumura-Hata模型适用于大区制移动系统，但是不适合覆盖距离不到1km的个人通信系统。1．3COST-231Hata模型在不少城市的高密度区，经过小区分裂站距已缩到数百米。而在基站密集的地域是使用Okumura-Hata模型将出现预测值明显偏高的问题，因此，EURO-COST组成COST-231工作委员会，提出了Okumura-Hata模型的扩展模型，即COST-231模型。其适用频率范围是1500～2300MHz，基站有效天线高度在30～200m之间，移动台有效天线高度在1~10m之间，d的范围在1～20km之间。COST-231Hata模型路径损耗的计算公式为：mbmbmCdHHaHfLlg)lg55.69.44()(lg82.13lg9.333.46其中假设收发天线之间的距离为d(km)，发射频率为f(MHz)，移动台高度mH(m)，基站高度bH(m)；)(mHa为移动天线修正因子。CM为大城市中心校正因子。在中等城市和郊区，CM＝0dB，在市中心，CM＝3dB。函数为wireless_COST231_hata_attenuation.m，所用的仿真过程为Simulink_wireless_COST231_hata_attenuation.m中，仿真参数为：地物类型城区郊区农村基站高度(m)40100100移动台高度(m)1.51.51.5频率(MHz)180018001800仿真结果如下：0246810121416182090100110120130140150160170180190距离(km)损耗（dB)COST231-Hata模型损耗中小城市f=1800MHz,Hm=1.5m,Hb=40m大城市f=1800MHz,Hm=1.5m,Hb=40m郊区f=1800MHz,Hm=1.5m,Hb=100m农村f=1800MHz,Hm=1.5m,Hb=100mCOST-231模型和Okumura-Hata模型主要的区别在于频率衰减系数的不同。COST-231Hata模型的频率衰减因子为33.9，而Okumura-Hata模型的频率衰减因子为24.16。另外，COST-231模型还增加了一个大城市中心衰减因子CM。1．4COST231-WI模型COST231-WI模型在使用高基站天线时该模型采用理论的Walfisch-Bertoni模型和IkegaCOST231-WI模型分为视距传播(LOS)和非视距传播(NLOS)两种情况计算路径损耗。对于视距(LOS)传播环境，其路径损耗为：dfLLOSlg26lg2064.42其中，d的单位为km；f的单位为MHz。非视距传播(NLOS)适用条件和主要参数如下表：表4非视距传播(NLOS)适用条件和主要参数频率f(MHz)800~2000基站高度Hb(m)4~50移动台高度(m)1~3距离d（km）0.02~5建筑物屋顶高度Hroof(m)道路宽度w(m)建筑物间隔b(m)相对直接无线路径的道路方向性Phi(度)城区的范围所用的公式为：msdrtsbLLLL0式中，0L是自由空间的损耗：fdLlg20lg204.320rtsL是从屋顶到街道的绕射和散射损耗：crimbrtsLHHfwL)lg(20lg10lg109.16其中，9055)55(114.00.45535)35(075.05.2350354.010PhiPhiPhiPhiPhiPhiLcrimsdL是多屏绕射损耗：bfkdkkLLfdabshmsdlg1.9lglg其中，roofbroofbroofbbshHHHHHHL0)1lg(185.0)5.0/)((8.0545.0)(8.05454dHHdHHdHHHHHHkroofbroofbroofbroofbroofba且且roofbroofroofbroofbdHHHHHHHk/)(151818，大城市中等城市和郊区)1925/(5.14)1925/(7.04ffkf视距和非视距路径损耗函数分别在wireless_Walfish_Ikegami_LOS_attenuation.m和wireless_Walfish_Ikegami_NLOS_attenuation.m中，视距传输的频率f=900MHz，非视距传输的参数如下表：道路宽度w(m)20建筑物屋顶高度Hroof(m)15基站高度Hb(m)17移动台高度Hm(m)1.5相对直接无线路径的道路方向性Phi(度)90建筑物间隔b(m)40频率f(MHz)900,180000.511.522.533.544.55406080100120140160180距离(km)路径损耗(dB)COST231-WI模型路径损耗视距路径损耗f=900MHz非视距路径损耗f=900MHz非视距路径损耗f=1800MHz2仿真信道2．1高斯白噪声信道：在信号传输的过程中，它会不可避免地受到各种干扰，这些干扰统称为“噪声”。加性高斯白噪声AWGN（AdditiveWhiteGaussianNoise）是最常见地一种噪声，它存在于各种传输媒质中，包括有线传输信道和无线传输信道。这里对BPSK在AWGN信道中的误码率进行了仿真。仿真模型在BPSK_BER1.mdl中，仿真程序在Simulink_BPSK_BER.m中。发信机模型：由贝努利二进制序列产生器产生BPSK的输入信号，0，1概率为0.5，之后进行BPSK调制，将其中M-PSK的一个参数设为2即可。误码率系统仿真模型：信源输出后经过AWGN信道，之后进行BPSK解调，然后计算误码率。系统仿真参数：调制信号采样间隔1/100000，仿真时间10s,即产生1000001个数据，信噪比范围0:10dB。理论BPSK误码率为：)2(SNRQPeMatlab中含有erfc函数，Q函数和erfc函数关系如下：)2/(21)(xerfcxQ编写的Q函数在Qfunct.m中：function[y]=Qfunct(x)y=(1/2)*erfc(x/sqrt(2));仿真文件为Simulink_BPSK_BER.m，仿真结果如下：之所以在9.5和10dB处仿真值与理论值有一定差距，是因为仿真的数据太少。将抽样间隔变的更小或仿真时间变得更长就会和理论值基本一样。01234567891010-610-510-410-310-210-1信噪比（dB)误码率高斯白噪声信道下BPSK误码率仿真仿真误码率理论误码率2．2二进制对称信道：二进制对称信道一般用于对二进制信号的误比特率性能进行仿真。二进制对称信道产生一个二进制噪声序列，在这个序列中，“1”出现的概率就是二进制对称信道的误码率。输入的二进制信号序列与这个二进制噪声序列异或之后，就得到二进制对称信道的输出信号。仿真模型如下，在BSC_BER.mdl中：仿真文件为Simulink_BSC_BER.m，仿真