CN110113774A - 一种超短波无线电台的信道建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短波无线电台的信道建模方法，用于移动台与移动台之间的超短波无线通信系统，所述移动台的收发天线高度为1‑10米，所述方法包括如下步骤：(1)计算信道的大尺度衰落；其中，利用引入修正因子的Okumura‑Hata模型计算路径损耗；(2)计算小尺度衰落；(3)将上述大尺度衰落、小尺度衰落相加获得无线通信信道的总衰落。本发明能够适应城市、郊区等多种区域场景的，并且建模过程计算量小，能够实现快速建模，为军事地面指挥、应急救援等特殊场合的移动台之间的无线通信系统设计提供了准确的数值计算依据。

Description

一种超短波无线电台的信道建模方法

技术领域

本发明属于无线通信信道建模技术领域，具体涉及一种超短波无线电台的信道建模方法。

背景技术

随着通信业务的迅猛发展，无线超短波通信技术受到广泛关注。超短波(UltrashortWave)包括甚高频(VHF)和特高频(UHF)两个频段，常用频率在30～900MHz，大量民用与军用无线电设备均工作在这一频率区间。超短波无线电台已经得到大量的实际应用，使无线通信具有移动性、多样性、实时性，在工程实际中，为了更好地研究通信系统，需要一个适用于超短波无线电台的信道建模方式。

已知在进行无线信道建模时，常用的路径损耗模型如Okumura-Hata模型等。Okumura-Hata模型是一个基于Okumura模型的数据的经验公式，适用的频率范围为150～1500MHz，主要应用于900MHz。该模型适用于点对点和广播通信，涵盖了1-10米的移动台天线高度、30-200米的基站天线高度，甚至可以延伸至1000米以及1-20公里的链路距离。

然而，尽管该模型提供的数据较齐全，应用较广泛，但对于一些移动台与移动台之间的通信，例如对讲机、车载台之间的通信，由于收发天线的高度都处于1～10米的范围，现有的Okumura-Hata模型无法提供有效参考。此外，针对信道的小尺度衰落，最常考虑的因素是多径时延拓展的影响，但目前在超短波频段的信道模型中还未见到多径时延拓展这个统计量的有关分布函数及其参数模型。

发明内容

为了解决当前信道建模方法中存在的问题，本发明提供了一种适用于超短波无线电台的信道建模方法，用于为移动台与移动台之间的超短波无线通信系统设计提供依据。

本发明提供的技术方案为：

一种超短波无线电台的信道建模方法，用于移动台与移动台之间的超短波无线通信系统，所述移动台的收发天线高度h_B为1-10米，所述方法包括如下步骤：

(1)计算信道的大尺度衰落；其中，利用引入修正因子α的Okumura-Hata模型计算路径损耗L_U：

式中，C_H为受频率影响的移动台天线高度修正系数，为移动台天线修正系数，其中1<α<5；

(2)计算小尺度衰落；

(3)将上述大尺度衰落、小尺度衰落相加获得无线通信信道的总衰落。

进一步地，采用如下步骤计算小尺度衰落：

步骤1、计算功率时延分布；

步骤2、确定时延拓展的概率密度分布曲线；

步骤3、获取多径中每条径的相对时延；

步骤4、基于均方根时延拓展τ_RMS以及每条径的相对时延，根据功率实验分布函数和均方根时延拓展公式计算不同径的相对功率。

进一步地，所述步骤2中，通过使用对数正态分布来拟合时延拓展的概率密度函数。

进一步地，所述步骤2中，通过以下公式计算时延中值τ_med,DSD和标准差σ_DSD：

其中，f_c是载波频率，单位是MHz，A_τ和A_σ是环境独立的偏移量，B_σ是决定曲线斜率的环境因素。

进一步地，所述步骤2中，在获得时延拓展的概率密度分布后，均方根时延拓展τ_RMS为总概率在95％位置处对应的横坐标值。

进一步地，所述步骤3中，通过实测获得每条径的相对时延。

采用本发明的方法进行超短波无线电台的信道建模，能够适应城市、郊区等多种区域场景，并且建模过程计算量小，能够实现快速建模。本发明建立了超短波频段信道模型中关于多径时延拓展这个统计量的有关分布函数及其参数模型，为军事地面指挥、应急救援等特殊场合的移动台之间的无线通信系统设计提供了准确的数值计算依据。

附图说明

图1为根据本发明的时延拓展分布模型的计算流程图；

图2为时延拓展的实际分布和对数正态分布图；

图3为根据本发明的超短波无线电台的信道建模工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

无线通信信号在从发射机发出到被接收机接收的无线通信信道中传输时会产生两种衰落，即由于移动台与基站或移动台空间上的距离以及无线电波传播过程中受到建筑物阻挡导致的大尺度衰落，以及小尺度衰落，包括由移动台与基站或移动台的相对运动造成多普勒频移引起的时间选择性衰落和由多径引起的频率选择性衰落。由于移动台之间的相对运动速度较低，因此引起小尺度衰落的因素主要是由多径引起的频率选择性衰落。

(1)大尺度衰落

现有Okumura-Hata模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式，以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。当移动台的高度为典型值为h_m＝1.5m时，按Hata-Okumura模型计算路径损耗的公式为：

L_urb＝69.55+26.16lgf－13.82lgh_b－α(h_m)+(44.9－6.55lgh_b)lgd (1)

其中，f为工作频率(MHz)，h_b为基站天线有效高度(m)，h_m为移动台天线有效高度(m)，d为移动台与基站之间的距离(km)，α(h_m)为移动台天线高度因子。

在收、发信机之间距离和工作频率不变的情况下，通过采用架高天线的方法可以有效改善接收信号的质量。例如，如果将收、发任意一方的天线加高1倍，理论上可使接收到的信号信噪比提高约6dB。反之，收发任何一方天线降低，路径损耗就会增大。

因此，对于地面指挥等移动台之间的无线通信来说，由于收发天线的高度都处于1～10米的范围，因此现有的Okumura-Hata模型无法准确描述真实损耗。为此，本发明对Okumura-Hata模型进行了改进。

具体而言，本发明引入修正因子α重新定义h_B，获得的“扩展Okumura-Hata模型”的路径损耗可以表示为：

其中，L_U为路径损失，单位(dB)；C_H为受频率影响的移动台天线高度修正系数；为受α影响的移动台天线修正系数；d为基站和移动台之间的距离，单位(Km)；

所述修正因子α是根据实测得到，其中，1<α<5。实验发现，通过引入该修正因子α，使得改进后的Okumura-Hata模型能够适应天线高度均在1-10米的移动台之间的超短波无线通信。

(2)小尺度衰落

由于多径效应的影响，入射波具有不同的传输时延。接收端接收到的信号变化迅速，信号幅度和相位都随机分布，很可能接收到衰落的信号，信号幅度大幅度降低。同时，由于多径到达时间不同，接收端接收到的信号不仅包括希望接收的信号，还包括各种时延信号。时延拓展会引起码间串扰，严重影响通信质量。

时延拓展可定义为最后一个可分辨的多径信号到第一个多径信号的时间差值。用于描述时延拓展的参数主要有平均附加时延和均方根时延。本发明提出的时延拓展分布模型获取步骤如下：

步骤1、计算功率时延分布；

本发明通过以下公式(3)计算功率时延分布：

P_h(τ)＝A_h(τ,0)＝A_h(τ) (3)

式中，其中A_h(τ，△t)是时变冲激响应h(τ,t)的自相关函数。

则平均时延为：

均方根时延拓展τ_RMS为：

步骤2、确定时延拓展的概率密度分布曲线；

通过测量可以知道，时延拓展的经验分布遵循对数正态分布，这一特征可以在图1所示的结果中观察到。从中可以看出，对数正态分布和实际的时延拓展概率密度有着相同的趋势，因此可以通过使用对数正态分布来拟合时延拓展的概率密度函数，或者说时延拓展服从对数正态分布。因此，时延拓展的概率密度函数为：

根据式(6)可以发现，如果已知均值和方差，则可以得到概率密度分布曲线。而根据经验分布，标准差σ_DSD和时延中值τ_med和载波频率的关系几乎遵循一条直线。因此本发明提出了一个一阶的基本多项式进行拟合，对于时延中值的计算，将斜率设置为常数。则由频率决定的时延中值τ_med,DSD和标准差σ_DSD分别为：

其中，f_c是载波频率，单位是MHz，A_τ和A_σ是环境独立的偏移量，B_σ是决定曲线斜率的环境因素。对于城市环境，使用最小二乘法将曲线拟合到测量结果，表1中给出了相关数值。利用这些相关数值可以拟合得到σ_DSD、τ_med与载波频率f_c的线性关系。本领域技术人员可以理解，不同环境下相关数值也是不同的。

表1城市场景的时延拓展分布模型中参数的结果

Environment	A<sub>τ</sub>	A<sub>σ</sub>	B<sub>σ</sub>
				Urban	0.82	1.01	0.0039

本发明根据图1，在计算得到时延拓展的概率密度分布后，总的概率大约在95％的位置处对应的横坐标的值即为均方根时延拓展τ_RMS。

步骤3、获取多径中每条径的相对时延；

本发明中，通过实测得到每条径的相对时延。

步骤4、基于均方根时延拓展τ_RMS以及每条径的相对时延，根据前述公式(3)和公式(5)计算不同径的相对功率，结果如表2所示。

表2小尺度衰落实测值

表2中每条径的相对时延均是实测得到的，相对功率和时延拓展根据本发明的时延拓展模型得到。上述数据与本发明所建模型的结果能够完美拟合。

如图2所示，根据上述方法获得的大尺度衰落和小尺度衰落，将二者相加即获得无线通信信道的总衰落。

以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种超短波无线电台的信道建模方法，用于移动台与移动台之间的超短波无线通信系统，所述移动台的收发天线高度h_B为1-10米，所述方法包括如下步骤：

(1)计算信道的大尺度衰落；其中，利用引入修正因子α的Okumura-Hata模型计算路径损耗L_U：

式中，C_H为受频率影响的移动台天线高度修正系数，为移动台天线修正系数，其中1<α<5；

(2)计算小尺度衰落；

(3)将上述大尺度衰落、小尺度衰落相加获得无线通信信道的总衰落。

2.根据权利要求1所述的超短波无线电台的信道建模方法，其特征在于：采用如下步骤计算小尺度衰落：

步骤1、计算功率时延分布；

步骤2、确定时延拓展的概率密度分布曲线；

步骤3、获取多径中每条径的相对时延；

步骤4、基于均方根时延拓展τ_RMS以及每条径的相对时延，根据功率实验分布函数和均方根时延拓展公式计算不同径的相对功率。

3.根据权利要求2所述的超短波无线电台的信道建模方法，其特征在于：所述步骤2中，通过使用对数正态分布来拟合时延拓展的概率密度函数。

4.根据权利要求2所述的超短波无线电台的信道建模方法，其特征在于：所述步骤2中，通过以下公式计算时延中值τ_med,DSD和标准差σ_DSD：

其中，f_c是载波频率，单位是MHz，A_τ和A_σ是环境独立的偏移量，B_σ是决定曲线斜率的环境因素。

5.根据权利要求2所述的超短波无线电台的信道建模方法，其特征在于：所述步骤2中，在获得时延拓展的概率密度分布后，均方根时延拓展τ_RMS为总概率在95％位置处对应的横坐标值。

6.根据权利要求2所述的超短波无线电台的信道建模方法，其特征在于：所述步骤3中，通过实测获得每条径的相对时延。