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4G无线通信的模型构建

时间:2017-05-17 11:26:36   阅读:95

【摘要】本文是关于对当前4G移动无线网络通信的模型进行研究,自2013年我国正式出现4G网络,在短短不到四年时间里,它以飞快的速度迅速代替3G网络成功成为我国国民首选网络,以此对于4G无线通信的研究迅速成为国内各大研究人员的热门项目,本文基于对无线通信传输的必要部分信道与传播进行建模分析,为实际工程建立无线通信模型提供参考。

【关键词】无线通信;信道传播;建模

1无线通信建模的方法

电磁波通过漫射、散射、反射以及直射等方式在空间进行传播,这些方式使得接收到的信号与实际发出的信号之间存在一定差异,由此引发了无线通信系统的性能受到了影响和制约,因此,进一步完善无线通信系统,需要首先对无线信道传播的方式、特点等进行分析探讨。在建立无线信道模型时,统计测量法和电磁场预测法是比较常用的两种方法。前者应用更加广泛和普遍,基于屋里传播建模和参数化统计建模是统计测量法的细分建模方式。其主要工作方式是在差异化的传播环境中实现信道测量,并由此对数据进行收集、整理和分析,由此得到相应的公式,而这些公式往往与信道环境参数和信道系统参数有关。这种方式运算量比较小,且容易对信道特征进行刻画,并且容易仿真,这也是其主要优点。但缺点是对测试条件要求较高,天线的配置与架设情况、测试的环境、设备的精度等都会影响信道测试结果的精准度。相比较统计测量法,时域有限差分法和射线法是电磁场预测法主要方法,其工作方式是以电磁传播理论和光学射线理论为基础,得出无线信道确定性模型。其优点是对于数据的依赖性比较小,在对环境的细节性信息进行把握后就可以非常精准的预测信号传播。但是这种方式不适合用于空间范围比较大的信道建模中,室内等空间范围相对较小的信道建模更适合此种方法。

1.1统计测量法

无线信道会接收到许多不同的信号,参数化统计测量法正式将这些信号进行描述,即为电磁波叠加,然后得出无线信道衰落的特点。信号在传播过程中会产生主波,如散射射线、视距传播射线等都属于主波。在参数化统计建模时,会通过建立一个包括时间、空间和幅度的三维立体坐标对这些主波进行表示。这种建模方式对多普勒扩展、延时扩展以及角度扩展来建模,不对散射体进行考虑。在对无线信道进行研究时,离不开基础理论模型,而广义的平稳非相关散射模型正是这一基础。对无线信道小尺度衰落时延扩展、多普勒扩展的描述主要是通过广义平稳非相关散射进行的。当前,学术界在对信道小尺度衰落进行建模时,更多的是以随机信道模型(即电磁波线性叠加)为基础的。假设各向同性,且接收天线为全向天线两个条件同时满足,则接收信号包络服从Rayleigh分布结论成立。信号在传播时会存在一些散射物体,对其的分布情况进行统计和分析,然后结合电磁波在散射、反射以及绕射等方式下形成的规律对衰落信道模型进行建模,是基于物理传播特征建模方法的主要方式。不同传播环境下产生的散射体不同,且发射体所处的位置等都会影响此模型的特征描述。以Okumura模型为例,这种模型的主要参考对象是平坦地形大城市过程中所产生的传播损耗,同时以地形因素、其他传播环境等作为校正因子,两者相结合对此模型加以修正。差异化的传播环境下,假设散体的几何分布情况是不同的。椭圆、扇形、单环和双环等模型是应用比较广泛的几何分布模型,其他的几何分布模型通常只是对信号经过散体时发生了单反射过程进行了假设。

1.2电磁场预测法

确定性传播预测法有许多类型,但是最常用的方法是射线法建模,这一方法的理论基础是光学射线理论,同时与其他理论,如几何绕射理论以及一致绕射理论进行结合,利用几何体实现建模,然后通过对电磁参数进行确定,进而预测信号在传播过程中的损耗。地理环境模型以及表面电磁参数的精准程度等因素都会对预测结果的准确程度产生影响。如果无线电信号波长足够小,则发射和散射就可以作为电磁波的传播机制,则电磁波传播也就可以视为光学射线传播。相比较统计测量模型而言,这种方式更具准确性。利用射线法对信道模型进行建立的方式,无法对电磁波的绕射传播进行准确的包含,在这种背景下,时域有限差分法的建模方式应运而生,这种方式的预测结果更具精准性,因为其通过对大尺度传播功率损耗进行计算,对于其他不同类型的传播方法都进行整体的考虑,不同的场分布、区域信号信息等都可以由其进行提供。这种方式虽然精准度高,但是计算量较大,且对于传播环境的依赖性较高。

2无线通信传播模型的建立

信道是通信系统最基础的组成部分,其对于无线通信系统有很大的影响。相比较有限信道而言,无线信道的预测更具不确定性,且难度增加,主要是由于不同的传播方式、信号传输宽带、随机性较强、分析难度较大等因素而导致,也正因为此,才导致无线信道的建模具有很大的难度。但同时其在规划网络方面发挥着很大的作用。所以,接下来对于信道传播模型再简单介绍一下。环境类型、地形以及环境材料等都会对传播模型产生影响,在对电波传输路径的损耗进行计算和预估时,需要对地形地貌、建筑物、树木等环境的影响加以考虑,由此产生了电波传播损耗预测模型,这一模型也在进行无线通信工程设计的过程中得到了广泛使用,通过计算损耗来确定信号可以服务的区域范围。LEE传播模型、Okumura-Hata传播模型、Wal-fish-Ike2gami模型和COST231-Hata模型较为常用,这其中,Okumura-Hata模型应用最为广泛。

参考文献

[1]樊昌信,曹丽娜.通信原理(第六版).北京:国防工业出版社,2015,1.

[2](德)MatthiasPatzold,著,陈伟,译.移动衰落信道.北京:电子工业出版社,2016,1.

作者:段锋 谢江 单位:中国电信股份有限公司新疆分公司

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