基于Matlab的無線信道仿真近幾年，隨著無線通信業務和新興寬帶移動互聯網接入業務的快速增長，對無線通信系統的優化顯得尤為重要。與有線信道靜態和可預測的典型特點相反，在實際中，由于無線信道動態變化且不可預測，無線通信系統的性能在很大程度上取決于無線信道環境，所以對無線信道的準確理解和仿真對設計一個高性能和高頻譜效率的無線傳輸技術顯得尤其重要。無線信道的一個典型特征是“衰落”，衰落現象大致可分為兩種類型：大尺度衰落和小尺度衰落。其中，大尺度衰落主要在移動設備通過一段較長的距離時體現，它是由信號的損耗（長距離傳播）和大的障礙物（如建筑物、中間地形和植物）形成的陰影所引起的，一般分為路徑損耗和陰影衰落，另一方面，小尺度衰落是指當移動臺在較短距離內移動時，由多條路徑的相消或相長干涉所引起信號電平的快速波動，主要表現為多徑衰落。它們之間的關系如圖1所示。報告中分別對這幾種衰落的常見模型進行了總結和仿真。一、大尺度衰落大尺度衰落是在一個較大的范圍上考察功率的漸變過程，功率的局部中值隨距離變化緩慢。大尺度信道模型主要研究電波傳播在時間、空間、頻率范圍內平均特性。路徑損耗路徑損耗由發射功率的輻射擴散及信道的傳播特性造成，反映在宏觀長距離

上。理論上認為，對于相同收發距離，路徑損耗相同。其定義為有效發射功率和平均接收功率之間的比值。幾種常用的描述大尺度衰落的模型有自由空間模型、對數距離路徑損耗模型、Hata-Okumura模型。1.1.1自由空間模型所謂自由空間是指天線周圍為無限大真空時的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，也不會產生反射或散射，傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達接收天線的地面反射信號場強也可以忽略不計。P (P (4ndf丫1GGtr其中，P為發射功率，P為接收功率，d為發射端與接收端距離，f為載波tr頻率，c為光速取3x108，G為發射端天線增益，G為接收端天線增益。轉換tr成分貝表示：PL(dB)=10lgJ=32.45+20lgd+20lgf-10lgGG

s p trr發射端與接收端均是全向天線，G=G=1，得圖2：tr圖2圖2路徑損耗隨距離、頻率變化曲線對數距離路徑損耗模型與前面提到的自由空間路徑損耗一樣，在其他所有實際環境中，平均接收信號功率隨距d呈對數方式減小。通過引入隨著環境而改變的路徑損耗指數n可以修正自由空間模型，從而構造出一個更為普遍的路徑損耗衰落模型。4」(dB)=i°H10nlg(+)0其中，d0是一個參考距離，在參考距離或者接近參考距離的位置，路徑損耗具有自由空間路徑損耗的特點。如表1所示，路徑函數主要由傳播環境決定，對于不同的傳播系統必須確定合適的參考距離d0，例如，在大覆蓋范圍的蜂窩系統（半徑大于10km的蜂窩系統）中，通常會設置d0為1km，對于小區半徑為1km的宏蜂窩系統或者具有極小半徑的微蜂窩系統，可以分別設置參考距離為100m或1m。環境路徑損耗（n）環境路徑損耗（n）自由空間2建筑物內視距傳輸1.6~1.8市區蜂窩2.7~3.5建筑物內障礙物阻擋4~6市區蜂窩陰影3~5工廠內障礙物阻擋2~3表1路徑損耗指數對數路徑損耗隨距離、路徑損耗指數變化曲線：圖3路徑損耗隨距離、路徑損耗指數變化曲線

Hata-Okumura模型(1)Okumura模型Okumura模型的特點是：以大城市地區準平坦地形的場強中值路徑損耗作為基準，對于不同的傳播環境和地形條件等因素用校正因子加以修正。Okumura模型中大城市地區準平坦地形的中值路徑損耗(dB)由下式給出L=L+A(f,d)-H(h,d)-H(h，f)Mbsm bb mm其中，d為發射端與接收端距離，f為載波頻率，Hh為基站天線高度增益，bH為移動臺天線高度增益。它們與路徑損耗的關系如下：mJS20 305Q70UM?2OQJQO500700IOOU底猾無我也效曲鹿加JS20 305Q70UM?2OQJQO500700IOOU底猾無我也效曲鹿加E圖4路徑損耗與基站天線高度增益的關系秒胡合無純而應JdnjHl工三：Jr-Hfe用駕整,里圖5路徑損耗與移動臺天線高度增益的關系⑵Hata模型Hata模型仍然保留了Okumura模型的風格，以市區傳播損耗為標準，其他地區在此基礎上進行修正。中值路徑損耗的經驗公式為：L:69.55+26.16lg(f)-13.82lg(H)+(44.9-6.55lg(H))義lg(d)-a(h)M b bm其中，a(h)為修正因子，由所在環境決定。Hata模型適用條件：載波頻率m(MHz)f=150-1000MHz；基站高度(m)Hb=30-100m；移動臺高度(m)Hm=1-10m；收發天線距離(小區半徑)(km)d=1-20km。中小城市修正因子:a(h);(1.11lg(f)-0.7)義H-1.56lg(f)-0.8mm大城市且載波頻率f<200MHz時，修正因子：a(h)=8.29(lg(1.54xH))2-1.1

mm大城市且載波頻率f>400MHz時，修正因子：a(h)=3.2(lg(11.75xH))2-4.97

mm郊區修正因子:a(h)=2(lg(f/28))2+5.4m農村修正因子:a(h)=40.98+4.78(lg(f))2-18.33lg(f)m仿真結果如下：

圖6Hata模型中路徑損耗隨距離變化曲線(Hb=60,Hm=1,f=200MHz),,▲…中小城市郊區圖6Hata模型中路徑損耗隨距離變化曲線(Hb=60,Hm=1,f=200MHz),,▲…中小城市郊區一，一農村T-大城市圖7Hata模型中路徑損耗隨距離變化曲線(Hb=60,Hm=1,d=2Km)1.1.4布靈頓模型描述大尺度衰落的一種模型。假設發射天線和移動臺之間的地面是理想平面大地，并且兩者之間的距離遠大于發射天線的高度h或移動臺的高度h，此時的t r路徑損耗公式為：L=120+4010gQ)—2010g(h)—2010g(h)P 10 010t 010r系統設計時一般把接收機高度按典型值 h=1.5m處理，此時路徑損耗公式r為：L=116.5+4010g(d)-2010g(h)p ~10 ~10t1.1.5EgLi模型Egli認為不平坦地區的場強等于平面大地反射公式算出的場強加上一個修正值，該修正值為：G=2010g[40010f\J7式中f為工作頻率，單位為MHz。Egli模型是從大量實測結果中歸納出來的中值預測公式，屬于經驗模型。E=E+2010gf幽土]+2010gf400 10(cd2) 10(f)Egli公式可用于計算不平坦地區的傳播損耗，計算公式如下：

L=88+40logQ)-2010g(h)-2010g(h)+2010g(f)-Ga 修10 °10t 修10r 修10“L為傳播損耗，單位dB；d為距離，單位km;h為發射天線高度，單位ma th為接收天線高度，單位m；f為工作頻率，單位MHz；G為地形修正因r子，單位dB。1.2陰影衰落陰影衰落是指移動臺在運動中通過不同障礙物的陰影時，構成的接收天線處場強中值的變化，從而引起的衰落。實測數據表明陰影衰落服從對數正態分布。對數正態陰影模型是最常用的統計仿真模型，發射和接收功率比值8=P/P，服tr從對數正態分布：1 (1n8-〃)2f(8；〃;5)= .e26285v2n農村(史)陵艱(史)段喉(史)陵眼10080其均值〃取決于路徑損耗和所在區域內建筑物屬性，隨距離增加，障礙物數量會增加，衰減增加，這里〃近似為路徑損耗。標準差5范圍在4dB-13dB之間，代表不同的環境，密集城區、城區、郊區塞取8dB，農村5取7dB，扇區和高速5取4dB。仿真結果如下：農村(史)陵艱(史)段喉(史)陵眼1008060 I I I I I I I I I 60□ 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100圖8不同環境下的陰影衰落波形二、小尺度衰落小尺度衰落是指短期內的衰落，具體指當移動臺移動一個較小距離時，接收信號在短期內的快速波動。當多徑信號以可變相位到達接收天線時會引起干涉（即相位相同的相長干涉，相位不同的相消干涉）。換句話說，來自本地散射體的大量信號的相對相位關系決定了接收信號的電平波動。而且，每一個多徑信號都可能發生變化，而這種變化依賴于移動臺和周圍物體的速度。總之，小尺度衰落由以下因素決定：多徑傳播、移動臺速度、周圍物體的速度和信號的傳輸帶寬。根據不同無線環境，接收信號包絡一般服從幾種典型分布，如瑞利分布、萊斯分布和Nakagami-m分布。這里主要針對服從瑞利分布的多徑信道進行模擬仿真。2.1瑞利信道Jakes模型通過對復正弦波的合成，產生服從給定多普勒譜的瑞利衰落信道。為了使產生的信號幅度近似服從瑞利分布，正弦波的數量必須足夠大。此外，必須對每個正弦波發生器進行加權，以便產生想要的多普勒譜。這就是Jakes模型的主要思想。

h(t)=hi(t)+hQh(t)=hi(t)+hQ(t)fm2cos3cos(w t)No No72sin3N圖9Jakes模型實現2cos3 cos(w2cos3cos(wt) 1 12cos3cos N2sin3cos(wt) 1 12cos3cos(N0 -0圖9介紹了如何實現Jakes模型。假設以均勻方向到達的所有散射分量的射線被近似為N個平面波。定義N0=(N/2-1)/2，其中限定N/2為一個奇數。令0表示第n個平面波的到達角度，取值為0=2nn/N,n=1,2,...,N。如圖9所示，n n0TOC\o"1-5"\h\z將N個頻率為w的復振蕩器的輸出求和(w=w，cos0,n=1,2,...,N，每個振0 n ndn 0蕩器的輸出對應不同的多普勒頻移)，然后與頻率為w,=2nf的復振蕩器的輸出d m相加。在復振蕩器的總和中，實部hI(t)和虛部hQ(t)可以分別表示為：h(t)=2N0(cos3coswt)+*2cos3coswt1、 、 ，nn Ndn=1和h(t)=2N0(sin3coswt)+v'2sin3coswtQ — ，nn 'Ndn=1其中，3為經過多普勒頻移的第n個正弦信號的初始相位，3”為經過最大n N多普勒頻移f的正弦信號的初始相位。初始相位的設置必須使衰落信道的相位m服從均勻分布。例如可以設置初始相位為：3N=03=nn/(N+1),n=1,2,...,N

n0 0EJakes模型的復輸出可以表示為：h(t)=.0 {h(t)+jh(t)}2N+1IQ0 0其中，E.為衰落信道的平均幅度。經過多普勒頻移的正弦信號頻率{?}00 nn=1為：為：攻=攻cos0=2nfcos(2nn/N),n=1,2,...,N

ndnm 0經過多普勒頻移的正弦數N0必須足夠大，以便衰落信道的振幅能夠近似服從瑞利分布。N0=8就足夠大了。可以證明hI()和hQ(t)滿