無線通信系統(tǒng)的建模與仿真

在通信系統(tǒng)中，信道占據(jù)著極其重要的地位。根據(jù)傳輸媒質(zhì),可將信道分成有線信道和無線信道兩種。無線信道直接決定著無線通信系統(tǒng)的性能。實(shí)際中,電磁波常常會(huì)在無線信道中遭到散射、反射、移動(dòng)臺的速度、信號的傳輸帶寬等諸多因素的影響,因此,相較于有線信道,無線信道缺乏其的固定性和易于預(yù)測性,存在著很大的隨意性和分析困難性。所以,在無線通信系統(tǒng)研究工作中,無線信道的建模一直都是其永恒主題。1.無線電波的傳播通信網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)過程中,從頻段的明確、頻率的分配、無線電波的覆蓋范圍、計(jì)算機(jī)通信概率、系統(tǒng)間的電磁干擾到無線設(shè)備參數(shù)的明確均應(yīng)借助于對電波傳播特性的研究與據(jù)此實(shí)施的場強(qiáng)預(yù)測。無線電波的傳播方式具體有:直達(dá)波或自由空間波;地波或表面波;對流層反射波、電離層波蜂窩系統(tǒng)的無線傳播利用了第二種地波或表面波傳播方式。主要的傳播途徑是反射、繞射、散射。2.無線通信微波通信模型2.1心理發(fā)射天線遠(yuǎn)場的位置關(guān)于自由空間中距發(fā)射機(jī)d位置處天線的接收功率,主要采用Friis公式列出:上述公式中,P1代表的是發(fā)射功率,Pr(d)代表的是接收功率,是T-R距離的函數(shù),G1代表的是發(fā)射天線增益;Gr代表的是接收天線增益;d主要是T-R間距離,單位:米;L代表的是和傳播不相關(guān)的系統(tǒng)損耗因子;λ代表波長,單位:米。綜合損耗L(L≥1)一般是因?yàn)閭鬏斁€衰減、濾波損耗以及天線損耗,L=1代表著系統(tǒng)硬件中不存在損耗情況。從上述公式中可以看出,接收機(jī)功率主要隨著T-R距離的平方而衰減,也就是接收功率衰減和距離間的關(guān)系是20dB/10倍程。Friis自由空間模型在d位置時(shí),其發(fā)射天線遠(yuǎn)場值中使用最為理想。將天線的遠(yuǎn)場規(guī)定為超出遠(yuǎn)場距離df的區(qū)域,df和發(fā)射天線截面的最大線性尺寸與載波波長息息相關(guān)。將Fraunhofer距離規(guī)定為:df=2D2/λ,D代表的是天線的最大物理線性尺寸。對于尺度較大的傳播模型應(yīng)將近距離d0當(dāng)做接收功率的參考點(diǎn)。2.2walfish模型為了對微小區(qū)域及宏小區(qū)域的傳播損耗予以準(zhǔn)確的預(yù)測,在實(shí)際的預(yù)測過程中,一個(gè)非常重要的模型為WalgishIkega-mi模型,它主要是由Walfish和Ikegami二人共同提出的。Walfish和Ikegami提出了WalgishIkega-mi模型。此模型還可稱之為WIM模型,其在一些高樓林立地區(qū)的小到中型蜂窩的半確定模型中比較適用,具體的使用費(fèi)范圍是頻率f在800到2000MHz間,基站天線具體高度h在4到50m間,移動(dòng)臺天線具體高度hm在1到3m間,距離d為0.02到5km。下圖是Walgish-Ikegami模型示意圖:2.3天線高度及距離根據(jù)工程設(shè)計(jì)的具體情況,本文只對基站天線高于建筑物平均高度的情況予以了考慮。同時(shí),出于對PLmsd因子平臺的簡化考慮,應(yīng)在街道中央設(shè)置移動(dòng)臺,同時(shí),合理選取f=950MHz,要求天線高度應(yīng)為h=30m,移動(dòng)臺高度應(yīng)為hm=1.5m,街道寬度應(yīng)為w=10m。下圖中主要是建筑物間的距離db=20m一定的情況下,各建筑物高度下的電波傳播模型損耗隨距離的變化曲線。通過仿真看到,在建筑物間距離一定的情況下,電波傳播路徑損耗主要是在建筑物高度的增加下而有所增大,并且,電波傳播模型損耗還會(huì)在距離的增加下而有所增大。2.4中間山阻隔下的los路徑配置像一些佇立在地形起伏的城市區(qū)域中,如果靠近移動(dòng)用戶的屋頂在基站天線的LOS路徑內(nèi),那么,將會(huì)把局部地面坡度考慮進(jìn)去。如果中間山阻擋LOS路徑,那么,就必須對它們的衍射效應(yīng)予以充分考慮。當(dāng)超過山有一定距離時(shí),可通過形邊緣或者以簡化的刃形邊緣對其衍射進(jìn)行計(jì)算。如果屋頂在基站的視距范圍內(nèi),那么,路徑損耗就由自由空間損耗、歸因于前面建筑物到達(dá)用戶之前最后一個(gè)屋頂上的場損耗與一直到街面用戶的屋頂場衍射相關(guān)的損耗共同組合而形成。2.5林下路徑損耗的距離指數(shù)樹葉與樹枝的存在一定程度上衰減了UHF與微波信號,在樹林里,樹對直射波的衰減發(fā)揮著和建筑物基本一樣的作用,可求得在樹林中路徑損耗的距離指數(shù)為n=4,這與在平坦地面上方傳播中所求得的結(jié)果相一致。衰減主要由頻率和樹叢的實(shí)際類型而決定,比如,樹的大小、葉子的角度分布、樹枝的分布等。筆者從在一個(gè)梨園里實(shí)施的11.2GHz測量結(jié)果中提取出的直至20米距離上的特定衰減值看到如果樹葉上有樹葉,那么,此衰減值是adB=2.0dB/m,沒有樹葉的,adB=1.7dB/m。3.使維護(hù)者面臨新的任務(wù)綜上所述可知,通信系統(tǒng)中的無線電波傳播模型和預(yù)測是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)性工程,尤其是隨著我國CDMA系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用,使得運(yùn)營維護(hù)者面臨各種新的內(nèi)容與新的任務(wù)。CDMA具有和GSM系統(tǒng)不一樣的特性。因?yàn)樵贑DMA系統(tǒng)中,人們除了要時(shí)刻觀察信號的強(qiáng)度外,還必須注重因諸多因素