CN1805312A - 蜂窝无线通信系统中的一种无线环境的仿真方法 - Google Patents

Abstract

蜂窝无线通信系统中的一种无线环境的仿真方法，首先计算路径损耗系数；然后计算阴影衰落系数；再计算多径衰落系数和计算广义信干噪比；最后根据广义信干噪比、调制和编码方式查找误码率表，得到当前时隙的误码率；根据推衍规则得到系统的误帧率，从而给出系统性能。本发明的仿真方法能够更客观、精确地反映出系统的性能和技术特点，所产生的积极效果对新一代蜂窝无线通信系统的各项技术特点有一个更为严密的评估。

Description

蜂窝无线通信系统中的一种无线环境的仿真方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信系统的优化设计方法，特别涉及蜂窝无线通信系统中一种无线环境的仿真方法。

背景技术

：对于无线通信系统的空中接口级的系统性能仿真，目的在于评估系统对频率和功率等资源的调度能力。现有的系统级仿真中无线环境的仿真方法通常是在物理层链路性能测试结果的基础上，采用参数化计算代替数据实际传输的仿真方法，亦即提供一系列的仿真时间点上，物理信道上承载的各无线帧当前时隙的某些特定参数；测试系统利用这些参数，进行无线物理信道的仿真计算，获得当前时隙接收机应当得到的接收功率，然后根据SINR(信干噪比)以及对应的无线环境在链路级输出的仿真结果中查找到此时对应的BER(误码率)，进而得到空中接口技术的系统级性能。常用的通信仿真软件opnet就采用了这种系统级仿真中的无线环境仿真方法，对无线通信系统进行建模和仿真。

但是，现有的这种仿真方法在对新一代蜂窝无线通信系统的性能进行评估时，该系统所采用的多载波、ofdm(正交频分复用)、动态自适应子载波分配、AMC(自适应调制编码)等技术对系统性能的影响都无法体现，原因在于现有的方法无法区分多径环境对同一信号不同子载波上功率的影响。

发明内容

本发明的目的是根据新一代蜂窝无线通信系统的技术特点，对现有的无线通信系统系统级仿真中无线环境的仿真方法进行改进，提出一种增加多径衰落的无线环境的仿真方法，该方法能很好地体现该系统所采用的多载波、ofdm、AMC、分布式天线等技术在实际无线通信环境中的性能。

为实现上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

蜂窝无线通信系统中的一种无线环境的仿真方法，包括下述步骤：

a)首先计算路径损耗系数；

路径损耗是指电波在空间传播所产生的损耗，该类损耗是由与电磁波的弥散传播特性引起。在无线移动通信系统设计中，通常采用电波传播损耗预测模型计算无线路径的传播损耗，进而确定无线蜂窝小区的服务覆盖区。采用COST 231-Hata模型作为路径损耗的预测模型，路径损耗系数为：

$L=46.3+33.9\mathrm{lo}{g}_{10}\left(\frac{f}{\mathrm{MHz}}\right)-13.82\mathrm{lo}{g}_{10}\left(\frac{h_{\mathrm{AP}}}{m}\right)-a\left(\frac{h_{\mathrm{MT}}}{m}\right)+[44.9-6.55\left(\frac{h_{\mathrm{AP}}}{m}\right)]\mathrm{lo}{g}_{10}\left(\frac{d}{\mathrm{km}}\right)-31---\left(1\right)$

其中f为载波频率，a是有效移动天线因子，h_AP为AP(接入点)的高度，h_MT为MT(移动终端)的高度，d为AP和MT之间的距离。

b)然后计算阴影衰落系数；

阴影衰落指接收信号的场强中值随着地区位置改变出现的缓慢改变。电磁波在传播路径上遇到障碍物阻挡产生电磁场阴影。移动终端通过不同电磁场阴影时就会引起接收信号场强中值的变化。场强中值变化的幅值、速率取决于地形、载波频率、移动终端的速度等。统计结果表明，阴影衰落可以用对数正态分布描述，综合考虑不同位置阴影衰落之间的相关性，其数学模型可以用ARMA(1，1)模型表示：

$S_n=\mathrm{\ρ}{S}_{n-1}+\sqrt{1-{\mathrm{\ρ}}^2}{a}_x---\left(2\right)$

其中，S_n为当前点的阴影衰落值，S_n-1为上一点的阴影衰落值，a_x为与S_n-1独立、符合对数正态分布的随机变量，其均值、阴影标准方差根据仿真模型要求确定。ρ为S_n和S_n-1的相关系数，它是一个与两点间距离有关的函数，可以表示为：

$\mathrm{\ρ}=e^{-\frac{\mathrm{\Δx}}{d_{\mathrm{cor}}}\ln 2}---\left(3\right)$

其中，Δx为两点间距离，d_cor为相关距离。

c)再计算多径衰落系数；

由于实际无线传播环境中分布着各种障碍物、阻挡体，电磁波会产生反射、绕射和散射的传播特性，因此发射信号通常经过不同的路径到达接收端，形成多径传播效应。多径传播效应会导致信号的时延扩展，在时域上引起信号的弥散，频域上导致信号呈现频率选择性衰落特性。另外由于移动终端在传播路径上的运动，接收信号产生多普勒扩展，在频域上引起信号的弥散，时域上导致信号呈现时间选择性衰落特性。为描述移动无线信道上述特性，通常将信道建模为具有时变单位脉冲响应的线性滤波器；并假设在很短的持续时间内，信道的单位脉冲响应不发生变化，那么多径信道的脉冲响应可以表示为：

$h\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\exp (-{\mathrm{j\θ}}_i)\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_i)---\left(4\right)$

其中h_i、τ_i和θ_i分别表示第i径的幅值、时延和相位。

对(4)式做傅立叶变换得：

$H\left(w\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\exp (-{\mathrm{j\θ}}_i)\exp \left(\mathrm{jw}{\mathrm{\τ}}_i\right)---\left(5\right)$

其中h_i、τ_i和θ_i分别表示第i径的幅值、时延和相位。

将移动终端使用的子载波中心频率代入(5)式即可得出子载波多径衰落系数。该方法主要利用了子信道的平坦衰落特性。如果子信道呈现频率选择性衰落特性，可以在子载波频率范围内均匀取出一组频率，分别代入(5)式计算出多个衰落系数并求平均，计算的结果作为子载波多径衰落系数。

d)计算广义信干噪比：

首先计算接收功率，将MT(移动终端)发给每个天线组的信号与路径损耗系数、阴影衰落系数以及多径衰落系数相乘，得到该时隙该天线组的接收信号功率

               P_r＝P_i×L_k×S×D_k                         (8)其中，P_r为接收功率，P_t为发射功率，L_k为第k个子载波的路径损耗系数，S为阴影衰落系数，D_k为该子载波的多径衰落系数。干扰信号的接收功率与目标信号的接收功率都用(8)式计算。

然后计算热噪声功率：

                  P＝G_sysFkT₀B                           (9)其中，G_sys是接收机各级的总增益，k为波尔兹曼常数，T₀是环境室温，B为测量器件的等效带宽，F为噪声系数，

得到上述结果后，由下式：

$\mathrm{SINR}\left(i\right)=\frac{P_r}{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{rk}}+P}---\left(10\right)$

计算当前时隙当前子载波在第i个天线组的广义信干噪比，其中P_r为目标信号接收功率，P_rk为第k个干扰信号的接收功率，P为热噪声功率。应用最大比合并，得到该时隙的广义信干噪比为：

$\mathrm{SINR}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SINR}\left(i\right)---\left(11\right)$

e)最后根据广义信干噪比、调制和编码方式查找误码率表，得到当前时隙的误码率，根据推衍规则得到系统的误帧率，从而给出系统性能。所说的推衍规则详见名称为“空中接口测试平台误码率到误帧率的推衍方法”(申请号：200510124591.4)的专利申请。

与现有技术的仿真方法相比，本发明根据新一代蜂窝移动通信系统所采用的多载波、ofdm(正交频分复用)、动态自适应子载波分配、AMC(自适应编码调制)、分布式天线等技术，针对不同子载波衰落系数不同的特点，在传统的只考虑路径损耗和阴影衰落的系统级仿真基础上，增加了多径衰落的仿真并计算出无线信道多径衰落对信道冲激响应的影响因子，利用DFT将其变换到频域，计算出每一个子载波的衰落系数，将其分别与对应的子载波上的信号功率(发射功率与路径损耗和阴影衰落的乘积)相乘，得到每一个子载波上信号的接收功率；其次考虑在分布式天线系统中，处于不同位置的MT将与不同的天线组进行通信，将各个天线组上得到的信干噪比进行最大比合并，即可得到该MT在该时隙的信干噪比，通过查找误码率曲线表得到本时隙的误码率性能。其作用是体现了无线通信环境中多径衰落和分布式天线对系统性能的影响，尤其是在采用了多载波、动态自适应载波分配、分布式天线等技术的新一代蜂窝无线通信系统中，这种仿真方法能够更客观、精确地反映出系统的性能和技术特点，所产生的积极效果是可以对新一代蜂窝无线通信系统的各项技术特点有一个更为严密的评估。

附图说明

图1是本发明在蜂窝无线通信系统中的无线环境仿真方法的整体计算流程。

图2是根据COST231Hata路径损耗模型和阴影衰落计算出的衰落幅度。

图3是传统的单径衰落仿真器的结构图。

图4是多径衰落仿真器结构图，方框内的部分即为图3中的单径衰落仿真器。

图5是多普勒滤波器的单位脉冲响应。

图6是多普勒滤波器的频谱图。

图7是多径衰落信道对信号幅度的影响。

图8是单个子载波的衰落幅度。

图9是分布式天线的子小区分布图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述：

蜂窝无线通信系统中的一种无线环境的仿真方法，包括下述步骤：

a)首先计算路径损耗，根据COST 231-Hata模型，路径损耗系数为：

$L=46.3+33.9\mathrm{lo}{g}_{10}\left(\frac{f}{\mathrm{MHz}}\right)-13.82\mathrm{lo}{g}_{10}\left(\frac{h_{\mathrm{AP}}}{m}\right)-a\left(\frac{h_{\mathrm{AP}}}{m}\right)+[44.9-6.55\left(\frac{h_{\mathrm{AP}}}{m}\right)]\mathrm{lo}{g}_{10}\left(\frac{d}{\mathrm{km}}\right)-31---\left(1\right)$

其中f为载波频率，a是有效移动天线因子，h_AP为AP的高度，h_MT为MT的高度，d为AP和MT之间的距离。

对于TDD(时分复用)上行链路的情况，载波频率为3.5GHz，带宽为40MHz，系统中共有2048个子载波。除去预留子载波，系统一般占用1500个子载波，占用带宽为35MHz.。第k个子载波的载波频率f_k为：

$f_k=3.48\×{10}^9+\frac{40\×{10}^6}{2048}\×k\left(\mathrm{Hz}\right)$

$a\left(h_{\mathrm{MT}}\right)=(1.11\mathrm{lo}{g}_{10}^f-0.7)h_{\mathrm{MT}}-(1.56\mathrm{lo}{g}_{10}^f-0.8)$

设AP的高度h_AP＝30m，MT的高度h_MT＝1.5m，第k个子载波的路径损耗系数为：

$L_k=46.3+33.9\mathrm{lo}{g}_{10}^{\left(f_k\right)}-13.82\mathrm{lo}{g}_{10}^{\left(h_{\mathrm{AP}}\right)}$

$-[(1.11\mathrm{lo}{g}_{10}^f-0.7)h_{\mathrm{MT}}-(1.56\mathrm{lo}{g}_{10}^f-0.8)]h_{\mathrm{AP}}$

$+[44.9-6.55h_{\mathrm{AP}}]{\log }_{10}^d-31$

b)接下来计算阴影衰落。统计结果表明，阴影衰落可以用对数正态分布描述，综合考虑不同位置阴影衰落之间的相关性，其数学模型可以用ARMA(1，1)模型表示：

$S_n={\mathrm{\ρS}}_{n-1}+\sqrt{1-{\mathrm{\ρ}}^2}{a}_x---\left(2\right)$

其中，S_n为当前点的阴影衰落值，S_n-1为上一点的阴影衰落值，a_x为与S_n-1独立，符合对数正态分布的随机变量，其均值、方差(阴影标准方差)根据仿真模型要求确定。ρ为S_n和S_n-1的相关系数，它是一个与两点间距离有关的函数，可以表示为：

$\mathrm{\ρ}=e^{-\frac{\mathrm{\Δx}}{d_{\mathrm{cor}}}\ln 2}---\left(3\right)$

其中，Δx为两点间距离，d_cor为相关距离。在车辆环境下，d_cor＝20m。在对用户移动离散化时，应使两个位置之间的距离，即Δx小于相关距离。阴影衰落标准方差设定为8dB，离散化距离设定为1.5m，发射信号功率设定为1mw，图2给出路径损耗与阴影衰落的仿真结果。

c)再计算多径衰落系数。

如何获取各径时变的信道衰落系数，成为多径衰落仿真的关键问题。多径衰落系数是将多个独立的单径信道加权得到的，如图3所示，单径信道的实现是利用成形滤波器的方法。其中多普勒滤波器H(f)由h₁(t)，h_Q(t)的功率谱密度函数决定。COST207模型是ETSI提出一个普遍适用的多径信道模型。该信道模型的多径功率延迟分布(Profile)满足以下表达式；

$p\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{a}{1-e^{-\mathrm{\&alpha;}{\mathrm{\&tau;}}_{\max }}}\&CenterDot;e^{-\mathrm{\&alpha;\&tau;}}& 0\&le;\mathrm{\&tau;}\&le;{\mathrm{\&tau;}}_{\max }\\ 0& \mathrm{\&tau;}<0,\mathrm{\&tau;}>{\mathrm{\&tau;}}_{\max }\end{array}\right.,\mathrm{\&alpha;}=\frac{3\ln \left(10\right)}{{\mathrm{\&tau;}}_{\max }}---\left(6\right)$

式中τ为时延。各径的功率谱密度满足Jake模型(classic谱)，如下式所示：

$S\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{{\mathrm{\&pi;f}}_d\sqrt{1-{\left(\frac{f}{f_d}\right)}^2}}& \left|f\right|<f_d\\ 0& \left|f\right|\&GreaterEqual;f_d\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中τ为路径时延，τ_max为最大路径时延，f_d为最大多普勒频移。

在本实例中，采用COST207六径模型，如图4所示，将6个图3中得到的衰落系数值按照表1中的系数加权相加，即可得到多径衰落系数为：

$h\left(r\right)=\underset{i=0}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_i\exp (-j{\mathrm{\&theta;}}_i)$

其中h_i、τ_i和θ_i分别表示第i径的幅值、时延和相位。h_i即为利用Rayleigh平坦衰落模块实现的功率谱符合Jakes模型功率谱谱形，幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布的随机变量、其参数如表1所示：

                    表1COST207六径模型

	相对迟延(ns)	平均功率(dB)	多普勒谱
				第1径	0	0	Class
第2径	2000	-6	Class
				第3径	4000	-12	Class
第4径	6000	-18	Class
				第5径	8000	-24	Class
第6径	10000	-30	Class

图5、6分别是仿真得到的COST207六径衰落模型单位脉冲响应和频谱图，图7给出了仿真得到的多径衰落系数。

得到(7)式所表示的脉冲响应后，对其进行1024(子载波数)点的DFT(离散傅立叶变换)运算，得到1024个衰落系数，也就对应于1024个子载波上信号幅度的衰落大小，设第k个子载波上的信号多径衰落幅度为D_k，则：

$D_k=\underset{r=1}{\overset{6}{\mathrm{\&Sigma;}}}h\left(r\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{1024}\mathrm{nk}}$

d)计算本MT在本时隙的广义信干噪比

在分布式天线系统中，每小区有四套天线(阵)，上行最多为4发8收，下行最多为8发4收。各收发对之间的多径衰落模型一致，产生过程完全独立。小区被划分为9个子小区，天线(阵)位于第2、4、6、8子小区，如图9所示。移动台处于小区中各位置时，AP(接入点)启用的天线(阵)如表2

        表2AP启用的天线

MT所处子小区号	与MT通信的AP天线(阵)
		1	2、4
2	2
		3	2、6
4	4
		5	2、4、6、8
6	6
		7	4、8
8	8
		9	6、8

首先计算接收功率：将MT(移动终端)发给每个天线组的信号与路径损耗系数、阴影衰落系数以及多径衰落系数相乘，得到该时隙该天线组的接收信号功率

                P_r＝P_t×L_k×S×D_k                       (8)其中，P_r为接收功率，P_t为发射功率，L_k为第k个子载波的路径损耗系数，S为阴影衰落系数，D_k为该子载波的多径衰落系数。图8所示的是仿真得到的一个子载波的衰落幅度。干扰信号的接收功率与目标信号的接收功率都用(8)式计算。

然后计算热噪声功率：

                 P＝G_sysFkT₀B                           (9)

其中，G_sys是接收机各级的总增益。k为波尔兹曼常数，T₀是环境室温，B为测量器件的等效带宽，F为噪声系数，

得到上述结果后，由下式：

$\mathrm{SINR}\left(i\right)=\frac{P_r}{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{rk}}+P}---\left(10\right)$

计算当前时隙当前子载波在第i个天线组的广义信干噪比，其中P_r为目标信号接收功率，P_rk为第k个干扰信号的接收功率，P为热噪声功率。应用最大比合并，得到该时隙的广义信干噪比为：

$\mathrm{SINR}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{SINR}\left(i\right)---\left(11\right)$

e)最后根据广义信干噪比、调制和编码方式查找通过链路测试所测得的误码率表，得到当前时隙的误码率，根据推衍规则得到系统的误帧率，从而给出系统性能。

Claims (4)

1.蜂窝无线通信系统中的一种无线环境的仿真方法，其特征是，包括下述步骤：

a)首先计算路径损耗系数，采用COST 231-Hata模型作为路径损耗的预测模型，路径损耗系数为：

$L=46.3+33.9\mathrm{lo}{g}_{10}\left(\frac{f}{\mathrm{MHz}}\right)-13.82{\log }_{10}\left(\frac{h_{\mathrm{AP}}}{m}\right)-a\left(\frac{h_{\mathrm{MT}}}{m}\right)+[44.9-6.55\left(\frac{h_{\mathrm{AP}}}{m}\right)]{\log }_{10}\left(\frac{d}{\mathrm{km}}\right)-31---\left(1\right)$

其中f为载波频率，a是有效移动天线因子，h_AP为接入点(AP)的高度，h_MT为移动终端(MT)的高度，d为(AP)和(MT)之间的距离；

b)然后计算阴影衰落系数，阴影衰落用对数正态分布描述，综合考虑不同位置阴影衰落之间的相关性，其数学模型用ARMA(1，1)模型表示：

$S_n={\mathrm{\&rho;S}}_{n-1}+\sqrt{1-{\mathrm{\&rho;}}^2}{a}_x---\left(2\right)$

其中，S_n为当前点的阴影衰落值，S_n-1为上一点的阴影衰落值，a_x为与S_n-1独立、符合对数正态分布的随机变量，其均值、阴影标准方差根据仿真模型要求确定，ρ为S_n和S_n-1的相关系数，它是一个与两点间距离有关的函数，表达式为：

$\mathrm{\&rho;}=e^{-\frac{\mathrm{\&Delta;x}}{d_{\mathrm{cor}}}\ln 2}---\left(3\right)$

其中，Δx为两点间距离，d_cor为相关距离；

c)再计算多径衰落系数，将信道建模为具有时变单位脉冲响应的线性滤波器，并假设在很短的持续时间内，信道的单位脉冲响应不发生变化，那么多径信道的脉冲响应可以表示为：

$h\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_i\exp (-j{\mathrm{\&theta;}}_i)\mathrm{\&delta;}(t-{\mathrm{\&tau;}}_i)---\left(4\right)$

其中h_i、τ_i和θ_i分别表示第i径的幅值、时延和相位；对(4)式做傅立叶变换得：

$H\left(w\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_i\exp (-j{\mathrm{\&theta;}}_i)\exp \left({\mathrm{jw\&tau;}}_i\right)---\left(5\right)$

其中h_i、τ_i、θ_i分别表示第i径的幅值、时延和相位；将移动终端使用的子载波中心频率代入(5)式即可得出子载波多径衰落系数；

d)计算广义信干噪比，由下式：

$\mathrm{SINR}\left(i\right)=\frac{P_r}{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{rk}}+P}---\left(10\right)$

计算当前时隙当前子载波在第i个天线组的广义信干噪比，其中P_r为目标信号接收功率，P_rk为第k个干扰信号的接收功率，P为热噪声功率。应用最大比合并，得到该时隙的广义信干噪比为：

$\mathrm{SINR}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{SINR}\left(n\right)---\left(11\right)$

e)最后根据广义信干噪比、调制和编码方式查找误码率表，得到当前时隙的误码率，根据推衍规则得到系统的误帧率，从而给出系统性能。

2.根据权利要求1所述的蜂窝无线通信系统中的一种无线环境的仿真方法，其特征是，在计算多径衰落系数时，如果子信道呈现频率选择性衰落特性，可以在子载波频率范围内均匀取出一组频率，分别代入(5)式计算出多个衰落系数并求平均，计算的结果作为子载波多径衰落系数。

3.根据权利要求1所述的蜂窝无线通信系统中的一种无线环境的仿真方法，其特征是，步骤d)中的接收功率为：

P_r＝P_t×L_k×S×D_k              (8)

其中，P_r为接收功率，P_t为发射功率，L_k为第k个子载波的路径损耗系数，S为阴影衰落系数，D_k为该子载波的多径衰落系数，干扰信号的接收功率与目标信号的接收功率都用(8)式计算；

4.根据权利要求1所述的蜂窝无线通信系统中的一种无线环境的仿真方法，其特征是，步骤d)中的热噪声功率为：

P＝G_sysFkT₀B                 (9)

其中，G_sys是接收机各级的总增益，k为波尔兹曼常数，T₀是环境室温，B为测量器件的等效带宽，F为噪声系数。

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