【文章內(nèi)容簡介】 快速得到整個(gè)區(qū)域的場強(qiáng)值，而不必如傳統(tǒng)算法一樣認(rèn)為細(xì)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(gè)接收位置（測試點(diǎn)）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(gè)測試點(diǎn)的場強(qiáng)，將同一測試點(diǎn)處到達(dá)的所有路徑的場強(qiáng)做相干疊加，得到每一個(gè)測試點(diǎn)處總的接收場強(qiáng)。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(jìn)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(yùn)算速度快，在目前的工程實(shí)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(shí)測兩方面都有研究在進(jìn)行，且取得了一定的研究成果，但目前還沒有公認(rèn)的具有普遍意義的模型。 在現(xiàn)代高速移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，往往需要為各種各樣的無線移動(dòng)信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展和衰落效應(yīng)進(jìn)行仿真建模。國際公認(rèn)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(jī)性，環(huán)境微小的變化都能引起接收信號很大的波動(dòng)。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(dòng)環(huán)境中受到的時(shí)延擴(kuò)展和衰落影響各不相同，但他們都是時(shí)變的多徑傳輸信道，都可以用具有時(shí)變沖激響應(yīng)的線性濾波器描述。在很多文獻(xiàn)中，廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射被公認(rèn)為是能夠顯示時(shí)延擴(kuò)展和多普勒擴(kuò)展的最簡單的隨機(jī)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(shí)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(dòng)通信的傳輸媒介，所有的信息都在這個(gè)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(shí)效性，進(jìn)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(rèn)知無線電這樣的通過協(xié)商利用授權(quán)網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間、空閑頻段的無線通信網(wǎng)絡(luò)，首先就需要實(shí)時(shí)檢測授權(quán)網(wǎng)絡(luò)用戶當(dāng)前未使用的頻譜空洞，通過頻譜分析，估計(jì)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(dá)到的通信容量和 QoS。 即使對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(dāng)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(jìn)行判斷。更何況就認(rèn)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(jìn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)室里研究移動(dòng)無線信道普遍使用的是無線信道仿真模型，這比實(shí)物試驗(yàn)更能節(jié)省費(fèi)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(jìn)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(shí)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(rèn)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(rèn)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(qiáng)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(jìn)而提出非授權(quán)網(wǎng) 絡(luò)用戶智接入和退出的機(jī)制以及接入和退出閾值的判斷和計(jì)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(shí)同時(shí)考慮了大尺度衰落和小尺度衰落。 第 2 章移動(dòng)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(jī)與接收機(jī)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(jī)性的。與此同時(shí)，移動(dòng)臺相對于發(fā)射臺移動(dòng)的方向和速度，以及在傳播路徑上障礙物發(fā)生的移動(dòng)， 都會對接收信號產(chǎn)生重大的影響。因此，可以認(rèn)為無線信道是一種隨時(shí)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(dòng)傳播環(huán)境的多徑傳輸而引起的衰落。在幾個(gè)波長的空間域或秒 級的時(shí)間域上，接收信號場強(qiáng)的瞬時(shí)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(dòng)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(jī) 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(jī)和接收機(jī)之間的長距離（幾百或上千米）上的信號強(qiáng)度變化；小尺度衰落用于描述短距離（幾個(gè)波長）或短時(shí)間（秒級）內(nèi)接收信號強(qiáng)度的變化，小尺度衰落有兩種機(jī)理：多普勒擴(kuò)展和多徑時(shí)延擴(kuò)展。 在一個(gè)無線信道中，同時(shí)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(jī)的設(shè)計(jì)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(shí)，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(jī)和發(fā)射機(jī)之間是完全無阻擋的視距路徑時(shí)接收信號的場強(qiáng)。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(jī) 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(jī)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(jī)獲得的在最大天線增益方向上的最大發(fā)射功率。 實(shí)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(shí)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(dāng)包括天線增益時(shí)，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(dāng)不包括天線增益時(shí)，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(dāng) d 為發(fā)射天線遠(yuǎn)場值 Pr 時(shí)適用。天線的遠(yuǎn)場或Fraunhofer 區(qū)定義為超過遠(yuǎn)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(yuǎn)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(diǎn)。當(dāng) dd0時(shí)，接收功率 Pr 與 d0的 0()rPd 相關(guān)。可由式（ ） 預(yù)測或由測量的平均值得到。參考距離必須選擇在遠(yuǎn)場區(qū)，即 0 fdd? ，同時(shí) d0 小于移動(dòng)通信系統(tǒng)中所有的實(shí)現(xiàn)距離。這樣，使用式（ ），當(dāng)距離大于d0 時(shí)，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(dòng)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(gè)數(shù)量級的變化。因?yàn)榻邮针娖降膭?dòng)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(shí)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(jì)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(jī)和接收機(jī)之間的空間域或時(shí)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(jī)理：多普勒擴(kuò)展和多徑時(shí)延擴(kuò)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(jī)發(fā)出的信號經(jīng)由兩個(gè)或多個(gè)路徑傳播，因?yàn)榉瓷?、折射等的存在，而?dǎo)致信號在各路徑傳遞的長度不同，從而以微小的時(shí)間差到達(dá)接收機(jī)，產(chǎn)生信號相互疊加。時(shí)間不同相位就不同，有時(shí)同相疊加而加強(qiáng)，有時(shí)反相疊加而減弱。 小尺度衰落的兩種 機(jī)理 多普勒擴(kuò)展 當(dāng)移動(dòng)臺以恒定速率 v 在長度 d 的路徑上運(yùn)動(dòng)時(shí)收到來自遠(yuǎn)端發(fā)射機(jī) S 的信號，如圖 22 所示。無線電波從 S 出發(fā)，在 A 點(diǎn)與 B 點(diǎn)處分別被移動(dòng)臺接收時(shí)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(dòng)臺從 A 移動(dòng)到 B 所需的時(shí)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(yuǎn)，我們可以近似認(rèn)為 A、 B 兩處的入射角相當(dāng)。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(kuò)展 多徑時(shí)延擴(kuò)展 在多徑傳播條件下，當(dāng)發(fā)送端發(fā)射一個(gè)脈沖寬度為 T 的脈沖信號時(shí)，由于信號沿各個(gè)長度不同的路徑到達(dá)接收天線的時(shí)間不一，而且傳播路徑又隨移動(dòng)臺以及散射障礙物的運(yùn)動(dòng)而變化，因而移動(dòng)臺所接收的信號是許多不