超短波信道模型的仿真與分析?

陳柯威 劉宏波 馬俊凱

（1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

（2.海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室 武漢 430033）

1 引言

無線通信技術(shù)的研究一直都是現(xiàn)代科研的重點。未來具有遠(yuǎn)距離、低時延、高可靠性、高信息量特點的外場實驗還會不斷開展，如艦載超短波通信［1］。將實測設(shè)備搬到外場環(huán)境中，保證了實驗數(shù)據(jù)的可靠，但增加了實驗部署的復(fù)雜性，尤其是需要多次測量的試驗［2］。

在裝備研制的過程中，基于LVC的仿真體系思想，構(gòu)建半實物仿真平臺，為實驗設(shè)備的測試提供了新思路。其中“L”指“Live Simulation”，人使用實裝設(shè)備在真實的環(huán)境下進(jìn)行實驗測試；“V”指“Vir?tual”，是指人在虛擬的環(huán)境下使用虛擬的設(shè)備；“C”指“Constructive”，模擬的人在模擬的系統(tǒng)中模擬［3～4］。鑒于這個技術(shù)，使用實物設(shè)備結(jié)合信道模擬器組成“硬件在環(huán)、人在回路”的半實物仿真平臺，將減少實驗部署的復(fù)雜程度，實現(xiàn)在實驗室內(nèi)搭建實測環(huán)境的可能。此信道模擬器可以推廣到現(xiàn)有移動通信包括短波、超短波、微波通信設(shè)備上。開展信道模擬器關(guān)鍵技術(shù)研究，可用于多節(jié)點通信裝備網(wǎng)絡(luò)性能快速驗證與測試，能夠提升裝備組網(wǎng)應(yīng)用能力，具有非常廣的推廣價值和軍事應(yīng)用前景。

2 信道模擬的研究現(xiàn)狀

關(guān)于信道模擬器的現(xiàn)狀，國外的現(xiàn)有R&S公司的RSC步進(jìn)衰減器，頻率范圍很高，衰減精度也很好，但是依賴與其他設(shè)備一起搭建信道仿真環(huán)境；伊萊比特公司（EB）的EB Propsim FE將測試附件一體化，大大縮短了測試設(shè)置時間。但是這些產(chǎn)品售價都很貴，且對出口中國有一定限制。

國內(nèi)有關(guān)信道模擬器的廠商較少，但經(jīng)過多年研究也有了一些產(chǎn)品，比如成都坤恒順公司KSW-WNS02無線信道仿真儀；還有北京交通大學(xué)自主研制多通道寬帶信道仿真儀等。

關(guān)于電波的傳播模型，在經(jīng)過大量的實驗研究后，發(fā)現(xiàn)不同頻率的波段有不同的建模方法，如短波的天波和地面波傳播，微波的視距傳播、對流層散射［5］和大氣波導(dǎo)［6］等。按照不同的研究方法，能夠把預(yù)測模型分為三種。

第一種是在工程計算時，人們趨向于建立一種簡單實用的經(jīng)驗計算模型，這種模型是通過大量實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，具有形式簡單，在計算大尺度的傳播損耗時方便使用，同時又有一定的預(yù)測精度等特點。如Okumura-Hata模型［7］在移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃上經(jīng)常使用；Egli模型［8］在丘陵平原地區(qū)的使用。但是由于經(jīng)驗?zāi)Ｐ退鑵?shù)過于簡單，僅需要天線高度、距離、頻率等即可，缺乏地域型參數(shù)，可移植性差［9］。

第二種是確定型模型，隨著計算機(jī)快速發(fā)展，這種早期就提出的方法，終于可以使用了。通過對麥克斯韋方程組的推導(dǎo)求解，使用計算機(jī)對邊緣條件，初始條件等復(fù)雜因素的聯(lián)合計算，此模型能得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。常用的比如幾何光學(xué)法，PE拋物方程法［10］等，雖然計算的結(jié)果會更準(zhǔn)確，但是在實際工程中，實時性難以保證，同時計算的復(fù)雜程度大，需要的條件參數(shù)多等問題也難以解決。

第三種方法是半經(jīng)驗半確定模型，是首先使用確定模型導(dǎo)出公式得出預(yù)測結(jié)果，再對比實測數(shù)據(jù)修正，改善預(yù)測模型對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的適應(yīng)性，獲得可移植性高，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確，響應(yīng)快，精度高等優(yōu)點。如已有應(yīng)用Longley-Rice模型［11］編寫的程序（ITM）、在小距離較常使用的walfisch-ikegami模型［12］。這種模型是當(dāng)前研究預(yù)測模型的主要方向。

3 信道模型介紹

3.1 自由空間傳播損耗模型

自由空間損耗模型是將弗里斯傳輸方程推導(dǎo)簡化得出的。它是在無遮擋、無多徑效應(yīng)的空間中，電磁波以一個不斷膨脹的球體自由擴(kuò)散而產(chǎn)生的損耗，所以在任何形式的情況下都可以使用它來簡單預(yù)測鏈路傳播的損耗。其路徑傳播損耗的公式為

3.2 Okumura-Hata模型

Okumura-Hata模型以O(shè)kumura測量獲得各項數(shù)據(jù)中值曲線圖為前提，因為對照曲線不適合計算機(jī)計算，所以由Hata推導(dǎo)出更加方便工程計算使用的傳播損耗預(yù)測公式。該公式以市區(qū)模型公式為基準(zhǔn)，通過添加變化值給出了鄉(xiāng)村，丘陵等其他地區(qū)的修正參數(shù)。

城市地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)公式為

其中，Lu是城市地區(qū)預(yù)測損耗，單位為dB；ht為基站發(fā)射天線的高度，hr為接收天線的高度，單位為m；a（hr）是和接收天線有關(guān)的修正因子；f為預(yù)測頻率，單位為MHz；d為距離，單位為km。對于不同的環(huán)境條件給出不同的a（hr），其表達(dá)式為

同時，模型給出了郊區(qū)和開闊農(nóng)村地帶的路徑損耗公式，如下：

其中，Lsu為郊區(qū)傳輸損耗，單位為dB；Lru為農(nóng)村地區(qū)損耗，單位為dB。

3.3 COST-231 Hata模型

COST-231Hata模型，是在Hata的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整修正了幾個參數(shù)得到的。計算公式為

其中L為傳輸損耗，單位為dB；a（hr）和Hata模型相同，C的取值與城市環(huán)境有關(guān)，當(dāng)a取大城區(qū)時它取3dB，其余取0。這個模型雖然擴(kuò)展了上限頻率，但是距離卻從100km縮短到20km。

3.4 COST-231 walfisch-ikegami模型

COST-231 WI一般適用在城市、城鎮(zhèn)等多高樓遮擋地區(qū)，預(yù)測距離0.02km～5km，屬于小尺度模型。在傳播損耗預(yù)測中，此模型分兩種情況。

無線鏈路直線距離中沒有遮擋物，即采用視距計算公式：

由于有屋頂或建筑物的遮擋，使用非視距計算，公式為

其中L0取自由空間損耗的計算值公式為（1），Lrts為繞射和散射損耗，公式為

式中w為街道寬度，單位為m；Δhm為建筑物高度hb和天線高度hf之差，單位為m；Lstr為街道方向修正值，公式為

其中α為道路定向；Lmsd為繞射損耗。

式中，db為建筑物的間隔，單位為m；ka、kd、kf分布為傳播損耗和距離頻率之間的關(guān)系：

4 模型研究與仿真

4.1 參數(shù)設(shè)置與仿真

取自由空間模型做參考，使用各個模式的Hata模型做仿真，相關(guān)參數(shù)：發(fā)射天線100m，接受天線5m，距離1km～100km，發(fā)射頻率為935MHz。結(jié)果如下。

同樣使用自由空間模型作為參考，實現(xiàn)COST-231模型的仿真，參數(shù)設(shè)置為：發(fā)射天線100m，接受天線3m，距離0～20km，發(fā)射頻率為1805MHz。結(jié)果如下：

圖1 Hata模型

圖2 COST-231-Hata模型

實現(xiàn)COST-231 WI模型仿真，相關(guān)參數(shù)為發(fā)射頻率935MHz、1805MHz，發(fā)射天線20m，接受天線1.5m，建筑物高度15m，街道寬度20m，建筑間距40m，夾角90°，仿真結(jié)果如下。

圖3 COST-231 WI模型

從Hata模型仿真結(jié)果來看，從農(nóng)村到郊區(qū)再到城市地區(qū)，損耗依次增加。不論選擇什么模式，結(jié)果曲線都和自由模型的曲線變化相同，在10km內(nèi)信號衰減更劇烈，之后衰減的趨勢下降，曲線更平緩。

4.2 仿真對比

為確定仿真結(jié)果的正確性，采用WRAP軟件進(jìn)行對比。WRAP是一個全面的無線電規(guī)劃軟件，具有多種功能，可有效地支持不同無線電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃。其中有無線鏈路性能分析功能，計算傳輸損耗，如圖4。

圖4 傳輸損耗界面

下面使用WARP中的Hata模型城市模式計算傳輸損耗，將結(jié)果與Matlab仿真結(jié)果對比，并進(jìn)行比較。

從圖5上可以看出，WARP的城市模型和仿真中的中小城市模型基本重合，郊區(qū)模型和鄉(xiāng)村模型都重合，可以證明仿真正確。

圖5 Hata模型對比

如圖6所示，除大城市外，其他模式的損耗曲線基本重合，說明仿真正確。在WRAP軟件中，這兩個模型集合到了一起，說明仿真模型可進(jìn)一步改進(jìn)。

圖6 COST231-Hata模型損耗對比

如圖7所示，取頻率1805MHz的曲線和WRAP軟件對比，發(fā)現(xiàn)非視距模式下差距較大，視距路徑損耗和WARP狹窄街道模式損耗重合。

圖7 COST-231 WI模型對比

5 結(jié)語

本文針對無線通信技術(shù)的外場實驗中，遠(yuǎn)距離的重復(fù)測試和搭建設(shè)備的復(fù)雜問題，提出了基于LVC的思想建設(shè)信道模擬器；針對信道建模分析了傳統(tǒng)電波計算模型的優(yōu)缺點，介紹了幾種傳統(tǒng)模型的計算方法，使用Matlab仿真了Okumura-Hata模型、COST-231 Hata模型、COST-231 WI模型，對比WARP軟件無線鏈路計算工具，結(jié)果表明仿真算法正確，在COST-231 WI模型中算法會出現(xiàn)誤差，基本滿足仿真要求，但仍需下一步改進(jìn)。