WiMAX系统电波传播特性与通道统计特性软体模拟平台开发
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WiMAX系统电波传播特性与通道统计特性软体模拟平台开发
林丁丙,林信标,陈隽铠,林瀚禹,谢镇远,吴崇玮
国立台北科技大学 电脑与通讯研究所
dblin@ntut.edu.tw
计划编号:NSC 95-2218-E-027-017
(一) 中,英文摘要及关键词
在无线通讯系统当中,通道的效应是决定系统效能一个非常重要的因素,如衰落效应,
路径损耗等效应,会大大地影响通讯品质好坏,因此如何快速且正确地掌握通道状态是当
前最重要的课题之一,所以需要一套简便的软体模拟平台,去模拟在无线通讯环境中通道
地各种状态,而本计画以各种通道特性为基础,发展出一套软体模组,其中包括了路径损
失模型(Path Loss Model),快速衰落效应(Fast Fading Effect),遮蔽效应(Shadowing Effect)
等,本子计画在第一年度完成WiMAX 802.16d电波传播特性与通道统计特性之平台,其功
能需要有路径损耗模型,遮蔽效应,频率选择性衰落通道,相加性白色高斯杂讯的理论与
模型地建立.
关键字:路径损失;遮蔽效应;快速衰落效应;相加性白色高斯杂讯.
In the wireless communication system, the channel effect plays an important role to
determine the system performance. Such as fading effect and path loss effect, it can greatly affect
the quality of communication. For this reason, how to rapidly and accurately get channel state is
the one of most important topics. Therefore, the convenient software simulation platform which
can simulate channel state in communication system is necessary. This subproject base on all
kinds of channel characteristics including path loss model,fast fading effect,shadowing, to
develop software simulation platform. In the first year, this subproject research the complete
theories and built up the models of electric wave propagation loss model,frequency selective
fading channel and additive white Gaussian noise channel for WiMAX 802.16d system.
Keywords: path loss; shadowing; fast fading; additive white Gaussian noise.
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1 简介
WiMAX通讯系统的设计需要考量其提供服务地区的通道情形,因此我们需要一个准
确的模型来预估无线通道的各种特性,因此对於传播通道的模型化是分析的重要工作,目
前有些学者是采用射线追踪(ray tracing)的模式,然而以电磁波理论所发展出来的实体电磁
传播模型(physical EM propagation models),计算将会十分繁琐而且相当耗时不易应用,在
工程的角度较不实用.因此,简单的统计模型(statistical propagation models)[1]将会是模拟
WiMAX通讯系统效能的较佳选择.目前的电波传播统计模式的研究中,某些是从实际测
量的讯号中推演出适合该地区的经验公式(empirical models),此方法虽然直接简便,但会有
地域性的限制而无法得到适用於整体性的统计模型.其中因为电波传播造成路径损失,遮
蔽效应,而快速衰落可分成时间选择性衰落与频率选择性衰落通道,如何合理的找出最佳
的模型,并且满足规格中的要求将会是重要的关键.
2 系统架构
本计划所探讨的模拟平台,其系统架构最主要可以分成下列四大块:路径损失,遮蔽
效应,快速衰落与相加性白色高斯杂讯,我们依照大区域(Large scale)衰落与小区域(Small
scale)衰落不同的特性画出流程图,大区域衰落最主要的效应为路径损失与遮蔽效应,而小
区域衰落效应为快速衰落,当距离,高度与载波频率决定后,可以透过路径损失与遮蔽效
应模拟出基地站台与手持装置间损失多少能量,但是讯号除了讯号损失外还会有不同路径
时间延迟的问题,因此这两个区块的功能可以分开处理.以传输端模拟的讯号而言都是固
定传送能量,因此我们会计算出路径损失讯号与背景杂讯的差值,再把相对的杂讯加在传
送讯号上,在模拟的过程是先对传送讯号做相乘性的快速衰落,再把相对大小的热杂讯加
入,其系统设计流程图为图 1所示
3
图 1,系统设计流程图.
2.1. 路径损失模型
路径损失模型最主要是描述电波在空间中传播因为距离与频率所造成的能量损失,因
此地形与地物会对此项造成不同程度的影响,於是在本文中以两种路径损失模型分别针对
都市与郊区去模拟路径损失.
2.1.1. 都市路径损失模型
都市路径损失模型本文是采用ECC-33[1]模型,其适用的条件为中大型都市,因此我们
将路径损失模型写成下式
fsbmbrPL A A G G=+ (1)
其中fsA为自由空间损失,bmA为基本介质路径损失,bG为基地站台参数,rG为终端机端高
度增益参数.其个别参数定义如下述所示
()()10 1092.4 20log 20logfsAdf=+ + (2)
() () ()2
10 10 1020.41 9.83log 7.894log 9.56 logbmAdff=+ + + (3)
() (){}2
10 10log 200 13.958 5.8 logbbGh d =+
(4)
4
如果是中型都市的环境要加上(5)式参数
()()10 1042.57 13.7 log log 0.585rGfhr=+ (5)
在此f为频率(GHz),d为基地站台与终端机的距离(km),bh为基地站台高度(m),rh为终
端机高度(m).
2.1.2. 郊区路径损失模型
郊区路径损失模型本文是采用SUI模型,其适用的条件为(1)细胞(cell)半径小於10公里
(会依照地形有所调整).(2) 接收天线将会靠窗或是装设在屋顶(离地约2到10公尺).(3) 基
地站台天线高度15到40公尺.(4) 高覆盖率(80到90%).
因此我们将路径损失模型写成下式[2]
()10 0 010 log PL A d d d dγ=+ > (6)
在此A为()10 020log 4dπλ(λ为波长,单位为公尺),γ为路径损失指数且
()bbabh chγ= +,bh为基地站台高度介於10到80公尺,0d为100公尺,而a,b,c为三个
常数,那参数会与所处的环境有关系,可从表 1得知:
表 1,环境参数.
模型参数
地形A
(树木密度:中高,山丘
地形)
地形B
(介於地形A与地形C之
间)
地形C
(树木密度:低,平坦地
形)
a 4.6 4 3.6
b 0.0075 0.0065 0.005
c 12.6 17.1 20
接收天线高度与频率之间的关系会因为操作频率与天线高度要作一点调整,主要原因
是因为原本的模型是操作在2GHz当天线高度为2公尺时,而调整的部份可以表示成下式:
modilfied f hPL PL PL PL=++ (7)
其中fPL为频率校正的部份[3][4],hPL为高度校正的部份[5].
5
2.2. 遮蔽效应
讯号除了距离造成的讯号损失外,讯号会也会受到建筑物或是树木或其大型物体的干
扰,会产生绕射或是散射的现象,把这些现象归类成遮蔽效应,我们可以将其表示成平均
值(mean)为0,标准差介於8.2dB与10.6dB之间[2]的高斯分布,因此我们将式子(1)与式子(7)
修改成下式
33
mod
ECC
ilfiedSUI
PL PL s
PL PL s
=+
=+
(8)
其中s为遮蔽效应.
2.3. 快速衰落效应
以802.11d固定式无线宽频存取的环境,其因为讯号频宽比通道频宽大上许多,讯号会
因为多路径延迟时间过长会产生频率选择性衰落,讯号本身会受到很严重的衰落外,甚至
会影响相邻的讯号.本文所采用的通道模型为步阶延迟模型(Tapped delay line;TDL),其通
道可表示成下式
() ()()
1
0
,
L
gain i
i
ht h i tτδτ
=
= ∑ (9)
其中()
gain
hi为第i个延迟时间的衰落参数.其()
gain
hi可以表示成下式
()()__*()gain pdp Rayleigh re Rayleigh imhi hih jh=+ (10)
其中_Rayleigh reh与_Rayleigh imh为平均数为0且变异数为0.5的高斯随机程序,()pdphi表示通道的功
率延迟路径(Power Delay Profile;PDP),其PDP的大小如表 2所示.
表 2,PDP分布.
延迟路径 1 2 3
正规能量 0.7 0.2 0.1
2.4. 相加性白色高斯杂讯
其相加性白色高斯杂讯最主要是因为背景热杂讯所造成的,杂讯的大小最主要是因为
讯号频宽的大小有关系,所以杂讯能量可以表示成下式
0*dNBWN= (11)
其BW为讯号频宽,dN为背景杂讯密度.其杂讯分布为平均数为0且变异数为02N的高斯
6
随机分布.
3 模拟结果
3.1. 路径损失模拟结果
路径损失选择参数为:频率2.5GHz,基地站台高度15公尺,终端机高度为5公尺,传送
与接收的距离当作变数,画出理论线与实际模拟曲线,误差范围小於0.1%,可观察图 2其
模拟与实际十分接近.
10
-1
10
0
10
1
-180
-175
-170
-165
-160
-155
simulation
theory
图 2,路径损失效应.
3.2. 遮蔽效应模拟结果
遮蔽效应选择参数为:环境变异数为8dB,平均为0的高斯随机程序,画出PDF理论线
与实际模拟统计PDF曲线,其均方误差小於0.1%,可观察图 3其模拟与实际十分接近.
-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
Simulation
Theory
图 3,遮蔽效应PDF.
7
3.3. 快速衰落效应模拟结果
快速衰落效应选择参数为:PDP为三个路径,正规功率分布为0.7,0.2与0.1,其衰落变
化随著时间呈现瑞利(Rayleigh)分布,其理论图与模拟误差小於0.1%,也可观察图 4至图 7.
00.511.522.533. 54
0
0. 1
0. 2
0. 3
0. 4
0. 5
0. 6
0. 7
0. 8
0. 9
1
delay domain
amp res pons e
图 4,快速衰落时域模型.
050100150200250
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
frequenc y
frequenc y res ponse
fading
图 5,快速衰落频域模型.
00.511.522.533.54
0
1
2
3
4
5
6
x 10
-3
Amplitude
probability
Simulation
Theory
图 6,快速衰落统计特性 PDF.
00.511.522.533.544.5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Amplitude
probability
CDF
Simulation
Theory
图 7,快速衰落统计特性 CDF.
3.4. 相加性白色高斯杂讯模拟结果
相加性白色高斯杂讯选择参数为:平均值为0且变异数为0.25的高斯随机程序,因为杂
讯与时间没有关联性,我们也验证其自相关函数(Autocorrelation Function;ACF),两者模
拟图与理论均十分接近,误差也都在0.1%之下,可观察图图 8至图 11.
8
-2-1. 5-1-0.500.511.52
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0. 01
0.012
0.014
Simulation
Theory
图 8,相加性白色高斯杂讯 PDF.
050100150200250300
0
0. 1
0. 2
0. 3
0. 4
0. 5
0. 6
0. 7
0. 8
0. 9
1
CDF
Simulation
Th e o ry
图 9,相加性白色高斯杂讯 CDF.
050100150200250300350400450500
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
tau domain
amp
ACF
Simulation
Theory
图 10,相加性白色高斯杂讯 ACF.
50100150200250
0
0. 2
0. 4
0. 6
0. 8
1
1. 2
1. 4
1. 6
1. 8
2
frequency response
amp
PSD
Simulation
Theory
图 11,相加性白色高斯杂讯 PSD.
4 结论
WiMAX系统为下一代通讯系统的指标,本计划模拟一个无线通道的模拟环境,使
系统可以针对WiMAX通道做快速的模拟,在路径损失,遮蔽效应,快速衰落与相加性
白色高斯杂讯均采用合适之模型,WiMAX在载波频率与适用环境都不同於WCDMA的系
统,因此我们引进SUI模型与ECC-33模型分别模拟都会与郊区,利用TDL模拟频率选择
性通道,高斯随机程序模拟杂讯与遮蔽效应,此系统可与实际系统环境相符合,有助於
效能之分析.
致谢
本研究计画承蒙国家科学委员会( National Science Council )之经费补助,计画编号为
NSC 95-2218-E-027-017.
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参考文献
[1] Electronic Communication Committee (ECC) within the European Conference of Postal and
Telecommunications Administration (CEPT), "The analysis of the coexistence of FWA cells in the 3.4 - 3.8
GHz band," tech. rep., ECC Report 33, May 2003.
[2] V. Erceg et. al, "An empirically based path loss model for wireless channels in suburban environments," IEEE
JSAC, vol. 17, no. 7, July 1999, pp. 1205-1211.
[3] T.-S. Chu and L.J. Greenstein, "A quantification of link budget differences between the cellular and PCS
bands," IEEE Trans. Veh. Technol, vol. 48, no. 1, January 1999, pp. 60-65.
[4] W.C. Jakes and D.O. Reudink, "Comparison of mobile radio transmission at UHF and X-band," IEEE Trans.
Veh. Technol, vol. VT-16, pp. 10-13, Oct. 1967.
[5] K.V. S. Hari, K.P. Sheikh, and C. Bushue, "Interim channel models for G2 MMDS fixed wireless
applications," IEEE 802.16.3c-00/49r2.
计画成果自评
本研究计画中,研究许多相关的文章,如果仿效3G WCDMA的系统,其环境,操作
频率与移动速度与WiMAX系统会有差距,於是我们选择较适合的模型,对於应用价值方
面,WiMAX业者可以利用此平台做效能分析,基地站台规划,使得业者能快速建立起
WiMAX行动网路.
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