4G無線通信的模型構建

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【摘要】本文是關于對當前4g移動無線網絡通信的模型進行研究，自2013年我國正式出現4G網絡，在短短不到四年時間里，它以飛快的速度迅速代替3G網絡成功成為我國國民首選網絡，以此對于4G無線通信的研究迅速成為國內各大研究人員的熱門項目，本文基于對無線通信傳輸的必要部分信道與傳播進行建模分析，為實際工程建立無線通信模型提供參考。

【關鍵詞】無線通信；信道傳播；建模

1無線通信建模的方法

電磁波通過漫射、散射、反射以及直射等方式在空間進行傳播，這些方式使得接收到的信號與實際發(fā)出的信號之間存在一定差異，由此引發(fā)了無線通信系統的性能受到了影響和制約，因此，進一步完善無線通信系統，需要首先對無線信道傳播的方式、特點等進行分析探討。在建立無線信道模型時，統計測量法和電磁場預測法是比較常用的兩種方法。前者應用更加廣泛和普遍，基于屋里傳播建模和參數化統計建模是統計測量法的細分建模方式。其主要工作方式是在差異化的傳播環(huán)境中實現信道測量，并由此對數據進行收集、整理和分析，由此得到相應的公式，而這些公式往往與信道環(huán)境參數和信道系統參數有關。這種方式運算量比較小，且容易對信道特征進行刻畫，并且容易仿真，這也是其主要優(yōu)點。但缺點是對測試條件要求較高，天線的配置與架設情況、測試的環(huán)境、設備的精度等都會影響信道測試結果的精準度。相比較統計測量法，時域有限差分法和射線法是電磁場預測法主要方法，其工作方式是以電磁傳播理論和光學射線理論為基礎，得出無線信道確定性模型。其優(yōu)點是對于數據的依賴性比較小，在對環(huán)境的細節(jié)性信息進行把握后就可以非常精準的預測信號傳播。但是這種方式不適合用于空間范圍比較大的信道建模中，室內等空間范圍相對較小的信道建模更適合此種方法。

1.1統計測量法

無線信道會接收到許多不同的信號，參數化統計測量法正式將這些信號進行描述，即為電磁波疊加，然后得出無線信道衰落的特點。信號在傳播過程中會產生主波，如散射射線、視距傳播射線等都屬于主波。在參數化統計建模時，會通過建立一個包括時間、空間和幅度的三維立體坐標對這些主波進行表示。這種建模方式對多普勒擴展、延時擴展以及角度擴展來建模，不對散射體進行考慮。在對無線信道進行研究時，離不開基礎理論模型，而廣義的平穩(wěn)非相關散射模型正是這一基礎。對無線信道小尺度衰落時延擴展、多普勒擴展的描述主要是通過廣義平穩(wěn)非相關散射進行的。當前，學術界在對信道小尺度衰落進行建模時，更多的是以隨機信道模型（即電磁波線性疊加）為基礎的。假設各向同性，且接收天線為全向天線兩個條件同時滿足，則接收信號包絡服從Rayleigh分布結論成立。信號在傳播時會存在一些散射物體，對其的分布情況進行統計和分析，然后結合電磁波在散射、反射以及繞射等方式下形成的規(guī)律對衰落信道模型進行建模，是基于物理傳播特征建模方法的主要方式。不同傳播環(huán)境下產生的散射體不同，且發(fā)射體所處的位置等都會影響此模型的特征描述。以Okumura模型為例，這種模型的主要參考對象是平坦地形大城市過程中所產生的傳播損耗，同時以地形因素、其他傳播環(huán)境等作為校正因子，兩者相結合對此模型加以修正。差異化的傳播環(huán)境下，假設散體的幾何分布情況是不同的。橢圓、扇形、單環(huán)和雙環(huán)等模型是應用比較廣泛的幾何分布模型，其他的幾何分布模型通常只是對信號經過散體時發(fā)生了單反射過程進行了假設。

1.2電磁場預測法

確定性傳播預測法有許多類型，但是最常用的方法是射線法建模，這一方法的理論基礎是光學射線理論，同時與其他理論，如幾何繞射理論以及一致繞射理論進行結合，利用幾何體實現建模，然后通過對電磁參數進行確定，進而預測信號在傳播過程中的損耗。地理環(huán)境模型以及表面電磁參數的精準程度等因素都會對預測結果的準確程度產生影響。如果無線電信號波長足夠小，則發(fā)射和散射就可以作為電磁波的傳播機制，則電磁波傳播也就可以視為光學射線傳播。相比較統計測量模型而言，這種方式更具準確性。利用射線法對信道模型進行建立的方式，無法對電磁波的繞射傳播進行準確的包含，在這種背景下，時域有限差分法的建模方式應運而生，這種方式的預測結果更具精準性，因為其通過對大尺度傳播功率損耗進行計算，對于其他不同類型的傳播方法都進行整體的考慮，不同的場分布、區(qū)域信號信息等都可以由其進行提供。這種方式雖然精準度高，但是計算量較大，且對于傳播環(huán)境的依賴性較高。

2無線通信傳播模型的建立

信道是通信系統最基礎的組成部分，其對于無線通信系統有很大的影響。相比較有限信道而言，無線信道的預測更具不確定性，且難度增加，主要是由于不同的傳播方式、信號傳輸寬帶、隨機性較強、分析難度較大等因素而導致，也正因為此，才導致無線信道的建模具有很大的難度。但同時其在規(guī)劃網絡方面發(fā)揮著很大的作用。所以，接下來對于信道傳播模型再簡單介紹一下。環(huán)境類型、地形以及環(huán)境材料等都會對傳播模型產生影響，在對電波傳輸路徑的損耗進行計算和預估時，需要對地形地貌、建筑物、樹木等環(huán)境的影響加以考慮，由此產生了電波傳播損耗預測模型，這一模型也在進行無線通信工程設計的過程中得到了廣泛使用，通過計算損耗來確定信號可以服務的區(qū)域范圍。LEE傳播模型、Okumura-Hata傳播模型、Wal-fish-Ike2gami模型和COST231-Hata模型較為常用，這其中，Okumura-Hata模型應用最為廣泛。

參考文獻

[1]樊昌信，曹麗娜．通信原理（第六版）．北京：國防工業(yè)出版社，2015，1.

[2]（德）MatthiasPatzold，著，陳偉，譯.移動衰落信道.北京：電子工業(yè)出版社，2016，1.

作者:段鋒 謝江 單位:中國電信股份有限公司新疆分公司