【文章內(nèi)容簡介】 快速得到整個區(qū)域的場強值，而不必如傳統(tǒng)算法一樣認為細分總場值為直射、繞射、反射等，較為簡單易行。比較成熟的基于 RayTracing 模型的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件有 WinProp，它根據(jù) 3D 地圖上的建筑物特征和分布找出發(fā)射源到每個接收位置（測試點）光線的所有傳播路徑，然后根據(jù)菲涅耳等式和幾何繞射理論 /一致性繞射理論 (GTD/UTD)等來確定反射和繞射損耗等，這樣相應(yīng)得到每條路徑到每個測試點的場強，將同一測試點處到達的所有路徑的場強做相干疊加，得到每一個測試點處總的接收場強。與常用的基于修正的 COST231 模型的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件相比，能夠充分考慮建筑物的特征和分布對無線信號的影響，因此根據(jù)射線跟蹤模型的預(yù)測結(jié)果可以精確地進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃并有效地控制干擾。然而射線跟蹤法的預(yù)測精度對高精度的 3D 數(shù)字化地圖的依賴非常大。相反，COST231 模型對建筑物數(shù)據(jù)的精度要求就比較低，運算速度快，在目前的工程實際中得到廣泛應(yīng)用。目前基于 COST231 模型的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件中知名度比較高的是 AIRCOM 公司的 ASSET。 至于微微小區(qū)中的無線電電波傳播的預(yù)測，在理論和實測兩方面都有研究在進行，且取得了一定的研究成果，但目前還沒有公認的具有普遍意義的模型。 在現(xiàn)代高速移動通信系統(tǒng)的設(shè)計中，往往需要為各種各樣的無線移動信道的多徑時延擴展和衰落效應(yīng)進行仿真建模。國際公認的傳播預(yù)測模型并不能適用于所有無線通信環(huán)境，尤其是在微微小區(qū)中，傳播路徑更加復(fù)雜，從簡單的視距傳 播到復(fù)雜的具有各種各樣障礙物的反射、折射和散射路徑，無線信道的傳播特性具有極大的隨機性，環(huán)境微小的變化都能引起接收信號很大的波動。因此，非 常有必要從普遍意義上研究無線信道的仿真技術(shù)。研究表明，雖然無線信號在各種不同移動環(huán)境中受到的時延擴展和衰落影響各不相同，但他們都是時變的多徑傳輸信道，都可以用具有時變沖激響應(yīng)的線性濾波器描述。在很多文獻中，廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射被公認為是能夠顯示時延擴展和多普勒擴展的最簡單的隨機過程。業(yè)已證明，高斯廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射模型與許多實際的無線信道相吻合。 無線信道仿真的意義 無線信道是移動通信的傳輸媒介，所有的信息都在這個信道中傳輸。信道性能的優(yōu)劣直接決定著信息傳送的正確率和時效性，進而決定著人們的通信質(zhì)量。因 此，要想在有限的頻譜資源上盡可能高質(zhì)量、大容量傳輸有用信息，就要求我們必須十分清楚地了解信道的特性，然后根據(jù)信道的特性采取一系列的抗干擾和抗衰落技術(shù)來保證傳輸質(zhì)量和傳輸容量方面的要求。而對于象認知無線電這樣的通過協(xié)商利用授權(quán)網(wǎng)絡(luò)空閑時間、空閑頻段的無線通信網(wǎng)絡(luò)，首先就需要實時檢測授權(quán)網(wǎng)絡(luò)用戶當前未使用的頻譜空洞，通過頻譜分析，估計相應(yīng)的參數(shù)，并根據(jù)非授權(quán)用戶的需求判斷可用的頻段和可以達到的通信容量和 QoS。 即使對認知無線電網(wǎng)絡(luò)進行簡化：假設(shè)授權(quán)和非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)為同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、工作于同一頻段、覆蓋范圍重疊、且均為多用 戶環(huán)境、使用碼分多址區(qū)分不同用戶。對于授權(quán)網(wǎng)絡(luò)當前的使用狀況仍需非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)完全通過空中接收、分析授權(quán)網(wǎng)絡(luò)與其用戶間的上、下行信號進行判斷。更何況就認知無線電的設(shè)想而言，它應(yīng)該解決異構(gòu)的多種制式的無線網(wǎng)絡(luò)的共存問題， CR 網(wǎng)能夠在全頻段的頻譜范圍內(nèi)快速捕獲頻譜空洞，進而重新配置網(wǎng)絡(luò)資源、工作模式和參數(shù)?？v向要打破傳統(tǒng)的分層概念，采用跨層新協(xié)議，橫向要打破靜態(tài)頻譜分割方法，不僅動態(tài)接入，而且還要自適應(yīng)地改變頻段，改變制式、改變參數(shù)，甚至改變網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這就對非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)如何通過無線信道獲得授權(quán)網(wǎng)絡(luò)信息的能力提出更高的 要求。 目前，在實驗室里研究移動無線信道普遍使用的是無線信道仿真模型，這比實物試驗更能節(jié)省費用，并且信道仿真模型復(fù)用性高，可以利用其對系統(tǒng)性能進行測試、分析和評估。因此，無線信道仿真模型的研究有著重要的理論和實際意義。業(yè)界對無線信道仿真模型的研究由來已久，但多數(shù)只考慮了小尺度衰落，但對于認知無線電的研究來說，不單單需要解決小尺度衰落對數(shù)字傳輸技術(shù)的影響，最基礎(chǔ)的是要解決認知無線電在空中接口上對信息的感知，并且要根據(jù)感知的信號強度判斷非授權(quán)用戶的接入是否會對授權(quán)網(wǎng)絡(luò)用戶造成干擾以及干擾的程度，進而提出非授權(quán)網(wǎng) 絡(luò)用戶智接入和退出的機制以及接入和退出閾值的判斷和計算，這勢必要涉及到大尺度衰落。所以本課題在研究無線信道仿真建模時同時考慮了大尺度衰落和小尺度衰落。 第 2 章移動信道傳播特性 無線傳播環(huán)境是影響無線通信系統(tǒng)的基本要素。發(fā)射機與接收機之間的無線傳播路徑非常復(fù)雜，從簡單的視距傳播，到遭遇各種復(fù)雜的地物（建筑物、山坡、植被、水域等等）所引起的反射、繞射和散射傳播等。無線信道不像有線信道那樣固定并且可以預(yù)見，而是極具隨機性的。與此同時，移動臺相對于發(fā)射臺移動的方向和速度，以及在傳播路徑上障礙物發(fā)生的移動， 都會對接收信號產(chǎn)生重大的影響。因此，可以認為無線信道是一種隨時間、環(huán)境和其他外部因素而變化的通信通路。 無線信道對傳輸信號的作用有三類： 多徑衰落，由于移動傳播環(huán)境的多徑傳輸而引起的衰落。在幾個波長的空間域或秒 級的時間域上，接收信號場強的瞬時值呈現(xiàn)快速變化的特征，其衰落特性 服從瑞利分布或者萊斯分布。 陰影衰落，由于傳播環(huán)境的地形起伏以及建筑物等障礙物對電磁波遮蔽所引起的衰落。在數(shù)百波長的區(qū)間內(nèi)，信號的短區(qū)間中值出現(xiàn)緩慢的變動的特征，其衰落特性服從對數(shù)正態(tài)分布。 自由空間傳播損耗，表現(xiàn)為隨著發(fā)射機 距離的改變而成指數(shù)衰減的特征。 通常，我們將多徑衰落歸為小尺度（ SmallScale）衰落，將陰影衰落和自由空間傳播損耗歸為大尺度（ LargeScale）衰落。 大尺度傳播模型主要用于描述發(fā)射機和接收機之間的長距離（幾百或上千米）上的信號強度變化；小尺度衰落用于描述短距離（幾個波長）或短時間（秒級）內(nèi)接收信號強度的變化，小尺度衰落有兩種機理：多普勒擴展和多徑時延擴展。 在一個無線信道中，同時存在著大尺度衰落和小尺度衰落。一般而言，大尺度衰落對分析信道的可用性、選擇載波頻率以及小區(qū)切換有重要意義，是無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃所主要關(guān)注的；小尺度衰落則對傳輸技術(shù)的選擇和數(shù)字接收機的設(shè)計具有重要的參考意義。 圖 21 顯示了衰落信道的分類。 圖 21 衰落信道分類 大尺度衰落 在無線通信系統(tǒng)中，電磁波通常在非規(guī)則、非單一的環(huán)境中傳播。在估算信道損耗時，既需要考慮在傳播方向上的地形地貌，也需要考慮建筑物、樹木及其他遮擋物。比較經(jīng)典的模型有 LongleyRice 模型、 Durkin 模型、 Okumura 模型、Hata 模型、 Walfisch 和 Bertoni 模型等等。本課題所涉及到的是自由空間傳播模型和 COST231Hata 模 型。 自由空間傳播模型 自由空間傳播模型用于預(yù)測接收機和發(fā)射機之間是完全無阻擋的視距路徑時接收信號的場強。衛(wèi)星通信系統(tǒng)和微波視距無線鏈路是典型的自由空間傳播。與大多數(shù)大尺度無線電波傳播模型類似，自由空間模型預(yù)測接收功率的衰減為TR 距離的函數(shù)（冪函數(shù)）。自由空間中距發(fā)射機 d 處天線的接收功率由 Friis 公式給出： （ ） 其中 , Pt(d)為發(fā)射功率 ， Pt(d)為接收功率，為 TR 距離的函數(shù)； Gt 是發(fā)射天線增益； Gr 是接收天線增益 ； d 是 TR 間距離，單位為 m， L 是與傳 播無關(guān)的系統(tǒng)損耗因子（ L 1）， λ 為波長，單位為 m。天線增益與它的有效截面 Ae 相關(guān)，即 24 eAG ??? 24 eAG ??? （ ） 有效截面 Ae與天線的物理尺寸相關(guān)， λ 則與載頻相關(guān) 2cccf ?? ??? 2cccf ?? ??? （ ） 其中， f 為載頻，單位是 Hz； c? 為載頻，單位是 rad/s。c 為光速，單位是m/s。 Pt和 Pr必須具有相同的單位， Gt和 Gr為無量綱的量。綜合損耗 L（ L 1）通常歸因于傳輸線衰減、濾波損耗和天線損耗， L=1 則表明系統(tǒng)硬件中無損耗。 由式（ ）的自由空間公式可知，接收機功率隨 TR 距離的平方而衰減，即接收功率衰減與距離的關(guān)系為 20dB/十倍程。 各方向具有相同單位增益的理想全向天線，通常作為無線通信系統(tǒng)的參考天線。有效全向發(fā)射功率（ EIRP）定義為 EIRP=PtGt（ ） 表示與全向天線相比，可由發(fā)射機獲得的在最大天線增益方向上的最大發(fā)射功率。 實際上用有效發(fā)射（ ERP）代替 EIRP 來表示與半波偶極子天線相比的最大 發(fā)射功率。由于偶極子天線具有 的增益（比全向天線高 ），因此對于同一傳輸系統(tǒng)， ERP 比 EIRP 低 。實際上，天線增益是以 dBi（與全向天線相比的 dB 增益）為單位或以 dBd(與半波偶極子天線相比的 dB 增益 )為單位的。 路徑損耗表示信號衰減，單位為 dB 的正值，定義為有效發(fā)射功率和接收功率之間的差值，可以包括也可以不包 括天線增益。當包括天線增益時，自由空間路徑損耗為 222( ) 1 0 l g 1 0 l o g ( 4 )t r trP G GP L d B o Pd ????? ? ? ????（ ） 當不包括天線增益時，假設(shè)天線具有單位增益。其路徑損耗為 222( ) 1 0 l g 1 0 l o g ( 4 )trPP L d B o Pd ????? ? ? ???? （ ） Friss 自由空間模型僅當 d 為發(fā)射天線遠場值 Pr 時適用。天線的遠場或Fraunhofer 區(qū)定義為超過遠場距離 df 的地區(qū)，與發(fā)射天線截面的最大線性尺寸和載波波長有關(guān)。 Fraunhofer 距離為 22f Dd ?? （ ） 其中， D 為天線的最大物理線性尺寸。此外對于遠場地區(qū)， df 必須滿足 000 ()( ) 1 0 l o g 2 0 l o g0 . 0 0 1rr P d dp d d B m Wd? ? ? ??? ????? ? ? ?fdD () 和 fd ? （ ） 顯而易見，式（ ）不包括 d=0 的情況。為此，大尺度傳播模型使用近似距離 d0 作為接收功率的參考點。當 dd0時，接收功率 Pr 與 d0的 0()rPd 相關(guān)?？捎墒剑?） 預(yù)測或由測量的平均值得到。參考距離必須選擇在遠場區(qū)，即 0 fdd? ，同時 d0 小于移動通信系統(tǒng)中所有的實現(xiàn)距離。這樣，使用式（ ），當距離大于d0 時，自由空間中的接收功率為 200( ) ( )rr dP d P d d??? ???? 0 fd d d?? （ ） 在移動無心通信系統(tǒng)中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn) Pr 在幾平方公里的典型覆蓋區(qū)內(nèi)要發(fā)生幾個數(shù)量級的變化。因為接收電平的動態(tài)范圍非常大，經(jīng)常以 dBm 或 dBW 為單位來表示接收電平 。式（ ）可以表示成以 dBm 或 dBW 為單位，只要公示兩邊均乘以 10。例如，如果 Pr 的單位為 dBm，接收功率為 00()( ) 1 0 l o g 2 0 l o g0 . 0 0 1rr P d dp d d B m Wd? ? ? ??? ????? ? ? ? 0 fd d d?? （ ） 其中， 0()rpd 的單位為 W。 在實際使用低增益天線的 1~2GHz 地區(qū)的系統(tǒng)中，參考距離在室內(nèi)環(huán)境的典型取值為 1m，室外環(huán)境取值為 100m 或 1km，這樣式（ ）和式（ ）中的分子為 10 的倍數(shù)。這樣以 dB 為單位的路徑損耗的 計算會很容易。 小尺度衰落 小尺度衰落類型 : 所謂 小尺度衰落是描述發(fā)射機和接收機之間的空間域或時間域的極小變所化導(dǎo) 致的信號的幅度和相位的較大變化。小尺度衰落有兩種機理：多普勒擴展和多徑時延擴展 。 衰落和多徑 無線信道的多徑性導(dǎo)致小尺度衰落的產(chǎn)生。多徑性是指由發(fā)射機發(fā)出的信號經(jīng)由兩個或多個路徑傳播，因為反射、折射等的存在，而導(dǎo)致信號在各路徑傳遞的長度不同，從而以微小的時間差到達接收機，產(chǎn)生信號相互疊加。時間不同相位就不同，有時同相疊加而加強，有時反相疊加而減弱。 小尺度衰落的兩種 機理 多普勒擴展 當移動臺以恒定速率 v 在長度 d 的路徑上運動時收到來自遠端發(fā)射機 S 的信號，如圖 22 所示。無線電波從 S 出發(fā)，在 A 點與 B 點處分別被移動臺接收時所走過的路徑為 SA 和 SB，路程差為 c os c osi i ix d v t??? ? ? ?。這里 t? 是移動臺從 A 移動到 B 所需的時間； i? 是 A 和 B 處的接收信號入射角，由于發(fā)射源 S的距離很遠，我們可以近似認為 A、 B 兩處的入射角相當。所以，由于路程差所造成的 信號相位變化為： 22 c o s id v t???????? ? ? () 由此可推導(dǎo)出頻率變化值，即多普勒頻移 df 為： c o s c o s2d i m ivfft? ?????? ? ?? () 式中，m vf ??與入射角無關(guān)，是 df 的最大值。 mf 稱為最大多普勒頻移。 圖 22 多普勒擴展 多徑時延擴展 在多徑傳播條件下，當發(fā)送端發(fā)射一個脈沖寬度為 T 的脈沖信號時，由于信號沿各個長度不同的路徑到達接收天線的時間不一，而且傳播路徑又隨移動臺以及散射障礙物的運動而變化，因而移動臺所接收的信號是許多不