11班+09210310+07号+葛安盟+移动通信仿真实验报告.docx
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11班+09210310+07号+葛安盟+移动通信仿真实验报告
移动通信仿真实验报告
学院：
信息与通信工程学院
班级：
2009211111班
姓名：
葛安盟
学号：
09210310
班内序号：
07
目录
一、实验目的————————————————2
二、实验原理————————————————2
2.1概述——————————————————————2
2.2大尺度路径损耗——————————————————2
2.3常用的电波传播模型————————————————3
2.3.1自由空间模型————————————————————3
2.3.2布灵顿模型————————————————————3
2.3.3Egli模型——————————————————————4
2.3.4Okumura--Hata模型——————————————————4
2.4阴影衰落————————————————————5
2.5多普勒效应———————————————————6
2.6蜂窝移动通信系——————————————————6
三、实验内容————————————————7
四、建模设计————————————————7
五、源代码—————————————————10
5.1大尺度衰落、信干比S/I、多普勒效应仿真代码————————10
5.2探究天线高度对路径损耗影响仿真代码——————————12
六、仿真结果————————————————13
6.1大尺度衰落——距离曲线———————————————13
6.2信干比——距离曲线————————————————14
6.3多普勒频移——距离曲线———————————————14
6.4不同天线高度对路径损耗的影响—————————————14
七、结果分析————————————————15
7.1大尺度衰落——距离曲线———————————————15
7.2信干比——距离曲线————————————————15
7.3多普勒频移——距离曲线———————————————15
7.4不同天线高度对路径损耗的影响—————————————16
八、心得体会————————————————16
一、实验目的
1、掌握移动通信的一般仿真方法；
2、进一步理解移动通信中的一些基本概念，如路径损耗、阴影衰落、信干比、多普勒效应等等；
3、熟悉路径损耗、阴影衰落、信干比等基本概念在简单蜂窝通信系统的表现形式。
二、实验原理
2.1概述
无线通信系统有发射机、发射天线、无线信道、接收机、接收天线所组成。
对于接收者，只有处在发射信号的覆盖区域内，才能保证接收机正常接收信号，此时，电波场强大于等于接收机的灵敏度。
因此，基站的覆盖区的大小，是无限工程师所关心的。
决定覆盖区的大小的主要因素有：
发射功率、馈线及接头损耗、天线增益、天线架设高度、路径损耗、衰落、接收机高度、人体效应、接收机灵敏度、建筑物的穿透损耗、同波、同频干扰。
图1移动通信系统模型
2.2大尺度路径损耗
在移动通信系统中，路径损耗是影响通信质量的一个重要因素。
大尺度平均路径损耗：
用于测量发射机与接收机之间信号的平均衰落，即定义为有效发射功率和平均接收功率之间的（dB）差值，根据理论和测试的传播模型，无论室内还是室外信道，平均接收信号功率随距离对数衰减，这种模型已被广泛使用。
对于任意的传播距离，大尺度平均路径损耗表示为：
（n依赖于具体的传输环境）
即平均接收功率为：
其中，n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度；d0为近地参考距离；d为发射机与接收机（T-R）之间的距离。
公式中的横岗表示给定值d的所有可能路径损耗的综合平均。
坐标为对数—对数时，平均路径损耗或平均接收功率可表示为斜率10ndB/10倍程的直线。
n值依赖于特定的传播环境。
例如在自由空间，n为2，当有阻挡物时，n比2大。
决定路径损耗大小的首要因素是距离，此外，它还与接收点的电波传播条件密切相关。
为此，我们引进路径损耗中值的概念。
中值是使实测数据中一半大于它而另一半小于它的一个数值（对于正态分布中值就是均值）。
人们根据不同的地形地貌条件，归纳总结出各种电波传输模型。
下边介绍几种常用的描述大尺度衰落的模型。
2.3常用的电波传播模型
2.3.1自由空间模型
自由空间模型假定发射天线和接收台都处在自由空间。
我们所说的自由空间一是指真空，二是指发射天线与接收台之间不存在任何可能影响电波传播的物体，电波是以直射线的方式到达移动台的。
自由空间模型计算路径损耗的公式是：
其中
是以
为单位的路径损耗，d是以公里为单位的移动台和基站之间的距离，f是以MHz为单位的移动工作频点或工作频段的频率。
空气的特性近似为真空，因此当发射天线和接收天线距离地面都比较高时，可以近似使用自由空间模型来估计路径损耗。
2.3.2布灵顿模型
布灵顿模型假设发射天线和移动台之间是理想平面大地，并且两者之间的距离d远大于发射天线的高度ht或移动台的高度hr。
布灵顿模型的出发角度是接收信号来自于电波的直射和一次反射，也被叫做“平面大地模型”。
该模型的路径损耗公式为：
单位：
d（km）ht（m）hr（m）Lp（dB）
系统设计时一般把接收机高度按典型值hr=1.5m处理，这时的路径损耗计算公式为：
按自由空间模型计算时，距离增加一倍时对应的路径损耗增加6dB，按布灵顿模型计算时，距离增加一倍时对应的路径损耗要增加12dB。
2.3.3EgLi模型
前述的2个模型都是基于理论计算分析得出的计算公式。
EgLi模型则是从大量实测结果中归纳出来的中值预测模型，属于经验模型。
其路径损耗公式为：
单位：
d（km）ht（m）hr（m）f（MHz）G（dB）Lp（dB）
其中G是地下修复因子，G反映了地形因素对路径损耗的影响。
EgLi模型认为路径损耗同接收点的地形起伏程度
有关，地形起伏越大，则路径损耗也越大。
当
用米来测量时，可按下式近似的估计地形的影响：
若将移动台的典型高度值hr=1.5m，代入EgLi模型则有：
2.3.4Hata-Okumura模型
该模型也是依据实测数据建立的模型，属于经验模型。
当hr=1.5m时，按此模型计算的路径损耗为：
市区：
开阔地：
单位：
d（km）ht（m）f（MHz）Lp（dB）
一般情况下，开阔地的路径损耗要比市区小。
2.4阴影衰落
在无线信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其他物体对电波的遮挡。
在测量过程中，不同测量位置遇到的建筑物遮挡情况不同，因此接收功率不同，这样就会观察到衰落现象，由于这种原因造成的衰落也叫“阴影衰落”或“阴影效应”。
在阴影衰落的情况下，移动台被建筑物遮挡，它收到的信号是各种绕射、反射、散射波的合成。
所以，在距基站距离相同的地方，由于阴影效应的不同，它们收到的信号功率有可能相差很大，理论和测试表明，对任意的d值，特定位置的接收功率为随机对数正态分布即：
其中，
为均值为0的高斯分布随机变量，单位为
，标准差为
，单位也是
。
对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同T-R距离时，不同的随机阴影效应。
这样利用高斯分布可以方便地分析阴影的随机效应。
正态分布的概率密度函数是:
应用于阴影衰落时，上式的x表示某一次测量得到的接收功率，m表示以
表示的接收功率的均值或中值，
表示接收功率的标准差，单位为
。
阴影衰落的标准差同地形、建筑物类型、建筑物密度有关，在市区的150MHz频段其典型值是5
.
除了阴影衰落外，大气变化也会导致慢衰落。
比如一天中的白天、夜晚，一年中的春夏秋冬，天晴时、下雨时，即使在同一地点上，也会观察到路径损耗的变化。
但在测量的无线信道中，大气变化造成的影响要比阴影效应小的多。
表1列出了阴影衰落分布的标准差，其中的
是阴影效应的标准差。
（dB）
频率（MHZ）
准平坦地形
不规则地形
（米）
城市
郊区
50
150
300
150
3.5~5.5
4~7
9
11
13
450
6
7.5
11
15
18
900
6.5
8
14
18
21
表1阴影衰落分布的标准差
2.5多普勒效应
当移动体在X轴上以速度v移动时会引起多普勒频率漂移，此时，多普勒效应引起的多普勒频移可表示为：
式中，v为移动速度；λ为工作波长，
为入射波与移动台移动方向之间的夹角；
=
为最大多普勒频移。
由上式可以看出，多普勒频移与移动台运动的速度以及运动方向和无线电波入射方向的夹角有关。
若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（接收信号频率上升）；反之若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（接收信号频率下降）。
信号经过不同方向的传播，其多径分量造成借手机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。
2.6蜂窝移动通信系统
蜂窝系统也叫“小区制”系统。
是将所有要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在1~10km左右。
在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。
并可通过小区分裂进一步提高系统容量。
这种系统由移动业务交换中心（MSC）、基站（BS）设备及移动台（MS）（用户设备）以及交换中心至基站的传输线组成，如下图所示。
目前在我国运行的900MHz第一代移动通信系统（TACS）模拟系统和第二代移动通信系统（GSM）数字系统都属于这一类。
就是说移动台的移动交换中心与公共的电话交换网（就是我们平时所说的电话网PSTN）之间相连，移动交换中心负责连接基站之间的通信，通话过程中，移动台（比如手机）与所属基站建立联系，由基站再与移动交换中心连接，最后接入到公共电话网。
典型的蜂窝移动通信系统如下图所示：
图2蜂窝系统模型
三、实验内容
假设：
如图所示，
●7个基站的基站簇；
●基站发射功率相同；
●基站相对位置相同，均为d；
●有一移动台从a点移动到b点。
可自行设定或选择：
●传播模型；
●阴影衰落参数（方差）；
●站距d的值；
●编程语言环境。
完成以下仿真，并输出结果：
●沿a到b点的大尺度衰落（路径损耗+阴影衰落），画出曲线图（横坐标为距离，纵坐标为衰落（dB））。
●假设移动台的服务基站是1号基站，画出S/I-距离曲线图。
加分选项：
●扇区化
●上行传输
●切换
●用户数
●计算沿该路径的多普勒频移
●考虑天线的影响
●考虑物理层技术（调制and/or扩频and/or编码等）
●考虑不同站距的影响
●……
四、建模设计
首先，我们假设此系统为CDMA1X系统，经查阅资料，此系统的下行工作频带为825MHz——849MHz，为了处理方便，我们假设工作频率f=850MHz，其次，我设定的情景为郊区环境，故设定站距d=4KM，由于CDMA系统的基站发射功率相比于其他几种制式来说是比较低的，故假设基站发射功率pt=10W，而基站天线以及移动台天线的高度分别设置为ht=30m和hr=2m。
当考虑到需要加入阴影衰落时，经查阅资料，阴影衰落的标准差一般为8，故仿真中设为sigma=8，进一步我假设移动台是以5m/s的速度由a点运动至b点，亦即18公里/时，以上参数设置可总结为下表：
相关参数
工作频率
站距
基站天线高度
移动台天线高度
基站发射功率
阴影衰落标准差
移动台速度
具体数值
850MHz
d=4KM
30m
2m
10W
8
5m/s（18公里/时）
表2相关参数的设置情况
有了以上的参数设置，进一步我又建立了一个直角坐标系，如下图所示：
图3对蜂窝小区建模
以小区1的中心为坐标原点，a至b的方向为X轴正方向，同时，我又设置了一个距离向量D1，表示的是移动台从a点至b点的过程中与小区1中心的距离和相对位置，当移动台在小区1中心的左侧时，D1中相应元素值为负；当移动台在小区1中心的右侧时，D1中相应元素值为正。
具体仿真中，由于站距d设置为4KM（为方便仿真，假设a点至小区5中心的距离以及b点至小区2中心的距离都为4KM），所以令D1=-8：
0.05:
8，共321个元素，需要注意的是，当D1中存在0元素时，由于后面计算路径损耗时需要对距离取对数，所以会出现结果为无穷大的情况，故使用语句D1（:
161）=[]将D1中的0元素“抠掉”。
下面该考虑的问题是如何选取适当的模型来计算路径损耗，根据假设的情景及参数，我最终选择了比较常用的Okumura—Hata模型，只计算路径损耗是不够的，还必须考虑到阴影衰落，本仿真中，阴影衰落服从均值为0，标准差为8的对数正态分布，所以在MATLAB中，我用normrnd函数产生了一个服从正态分布的随机数向量zeta，其中包含320个随机数，具体语句为：
zeta=normrnd（0,sigma,1,320），然后将zeta叠加到之前计算出的路径损耗中作为大尺度衰落。
然后，再来考虑信干比S/I。
在CDMA系统中，各个小区使用的都是同一频段，这就难免会产生同频干扰，在本模型中，N=7的小区簇中，服务基站在小区1中，那么其它6个基站产生的信号则可以看作是干扰信号，具体做法就是首先计算出移动台收到的1号基站的信号强度，如果以DB形式表示的话，那么接收信号强度=发送信号强度—大尺度衰落，同理，可以计算出移动台接收到的其它6个基站的信号强度，并将其相加，作为总的干扰信号强度，只不过需要注意的是，计算路径损耗时的距离向量需要做适当的改变，可见下表：
小区
距离向量
小区2
D2=D1-d
小区3
D3=sqrt（D1.^2+d^2-2*D1*d*cos（pi/3））
小区4
D4=sqrt（D1.^2+d^2-2*D1*d*cos（2*pi/3））
小区5
D5=D1+d
小区6
D6=sqrt（D1.^2+d^2-2*D1*d*cos（2*pi/3））
小区7
D7=sqrt（D1.^2+d^2-2*D1*d*cos（pi/3））
表3相应小区的距离向量改变情况
注：
小区3、4、6、7的距离向量与D1的关系是用余弦定理计算而得的。
最后，将上面计算出的有用信号的强度S与总的干扰强度I相比，即可得到信干比S/I。
紧接着，我又对移动台从a运动至b的多普勒频移做了仿真，多普勒频移的公式如下：
其中，移动台速度v我设置的是5m/s，波长λ可根据工作频率850MHz用公式
计算而得，重点的是如何计算入射波与移动台移动方向之间的夹角
，如下图所示：
Ht=30m
аа
vv
hr=2m
hr=2m
图4多普勒效应原理图
由上图可知，可分两种情况考虑：
当
为锐角时，
；当
为钝角时，
。
另外，我还探究了基站天线的高度对路径损耗的影响，具体做法是将基站天线高度ht分别设置为10m、20m、30m、40m、50m、60m，观察路径损耗的仿真结果。
五、源代码
5.1大尺度衰落、信干比S/I、多普勒效应仿真代码
f=850;%工作频率为850MHz（假设为CDMA1X蜂窝系统）
v=5;%假设移动台的速度是5m/s,亦即18公里/时
lambda=（3*10^8）/（850*10^6）;%工作波长
ht=30;%发射天线高度为30米
hr=2;%接收天线高度为2米
delta_h=ht-hr;
pt=10;%每个基站的发射功率设为10瓦
Pt=10*log10（pt）;%将发射功率以DbW的形式表示
sigma=8;%阴影衰落标准差为8dB
d=4;%假设站距为4千米（郊区环境）
D1=-8:
0.05:
8;
D1（:
161）=[];%将D1中的0元素去掉，以防计算结果出现无穷大的情况
alpha=3.2*（log10（11.75*hr））^2-4.97;%有效天线修正因子
Lp1=69.55+26.16*log10（f）-13.82*log10（ht）-alpha+（44.9-6.55*log10（ht））*log10（D1）;%选取Okumura-Hata模型计算小区1路径损耗
zeta=normrnd（0,sigma,1,320）;%阴影衰落
L1=Lp1+zeta;%大尺度衰落=路径损耗+阴影衰落
figure
（1）;
plot（D1,L1）;%画出大尺度衰落--距离曲线
title（'大尺度衰落--距离曲线'）;
xlabel（'距离（KM）'）;
ylabel（'大尺度衰落（DB）'）;
holdon;
plot（D1,Lp1,'r'）;%均值
legend（'大尺度衰落（路径损耗+阴影衰落）','均值（路径损耗）'）;
holdoff;
grid;
%%%%%%计算S/I%%%%%%
zeta=normrnd（0,sigma,1,320）;%阴影衰落
S=Pt-Lp1;%有用信号的功率（DbW）
s=Pt-L1;%有用信号的功率（DbW）（考虑了阴影衰落）
D5=D1+d;
Lp5=69.55+26.16*log10（f）-13.82*log10（ht）-alpha+（44.9-6.55*log10（ht））*log10（D5）;%选取Okumura-Hata模型计算小区5的路径损耗
L5=Lp5+zeta;%大尺度衰落=路径损耗+阴影衰落
I5=Pt-Lp5;%由小区5带来的干扰
i5=Pt-L5;%由小区5带来的干扰（考虑了阴影衰落）
D2=D1-d;
Lp2=69.55+26.16*log10（f）-13.82*log10（ht）-alpha+（44.9-6.55*log10（ht））*log10（D2）;%选取Okumura-Hata模型计算小区2的路径损耗
L2=Lp2+zeta;%大尺度衰落=路径损耗+阴影衰落
I2=Pt-Lp2;%由小区2带来的干扰
i2=Pt-L2;%由小区2带来的干扰（考虑了阴影衰落）
D4=sqrt（D1.^2+d^2-2*D1*d*cos（2*pi/3））;
Lp4=69.55+26.16*log10（f）-13.82*log10（ht）-alpha+（44.9-6.55*log10（ht））*log10（D4）;%选取Okumura-Hata模型计算小区4的路径损耗
L4=Lp4+zeta;%大尺度衰落=路径损耗+阴影衰落
I4=Pt-Lp4;%由小区4带来的干扰
i4=Pt-L4;%由小区4带来的干扰（考虑了阴影衰落）
D6=sqrt（D1.^2+d^2-2*D1*d*cos（2*pi/3））;
Lp6=69.55+26.16*log10（f）-13.82*log10（ht）-alpha+（44.9-6.55*log10（ht））*log10（D6）;%选取Okumura-Hata模型计算小区6的路径损耗
L6=Lp6+zeta;%大尺度衰落=路径损耗+阴影衰落
I6=Pt-Lp6;%由小区6带来的干扰
i6=Pt-L6;%由小区6带来的干扰（考虑了阴影衰落）
D3=sqrt（D1.^2+d^2-2*D1*d*cos（pi/3））;
Lp3=69.55+26.16*log10（f）-13.82*log10（ht）-alpha+（44.9-6.55*log10（ht））*log10（D3）;%选取Okumura-Hata模型计算小区3的路径损耗
L3=Lp3+zeta;%大尺度衰落=路径损耗+阴影衰落
I3=Pt-Lp3;%由小区3带来的干扰
i3=Pt-L3;%由小区3带来的干扰（考虑了阴影衰落）
D7=sqrt（D1.^2+d^2-2*D1*d*cos（pi/3））;
Lp7=69.55+26.16*log10（f）-13.82*log10（ht）-alpha+（44.9-6.55*log10（ht））*log10（D7）;%选取Okumura-Hata模型计算小区7的路径损耗
L7=Lp7+zeta;%大尺度衰落=路径损耗+阴影衰落
I7=Pt-Lp7;%由小区7带来的干扰
i7=Pt-L7;%由小区7带来的干扰（考虑了阴影衰落）
SS=10.^（0.1*S）;
II=10.^（0.1*I2）+10.^（0.1*I3）+10.^（0.1*I4）+10.^（0.1*I5）+10.^（0.1*I6）+10.^（0.1*I7）;%6个小区总的干扰
SS_II=SS./II;
S_I=10*log10（SS_II）;
ss=10.^（0.1*s）;
ii=10.^（0.1*i2）+10.^（0.1*i3）+10.^（0.1*i4）+10.^（0.1*i5）+10.^（0.1*i6）+10.^（0.1*i7）;%6个小区总的干扰
ss_ii=ss./ii;
s_i=10*log10（ss_ii）;
figure
（2）;
plot（D1,s_i）;
title（'信干比--距离曲线'）;
xlabel（'距离（KM）'）;
ylabel（'信干比（DB）'）;
holdon;
plot（D1,S_I,'r'）;%均值
legend（'信干比（路径损耗+阴影衰落）','均值（仅考虑路径损耗）'）;
holdoff;
grid;
%%%%%%计算多普勒频移%%%%%%
alpha=linspace（0,0,320）;%初始化行向量alpha
forcount=1:
320
ifD1（1,count）<0
alpha（1,count）=atan（-delta_h/D1（count））;
else
alpha（1,count）=pi-atan（delta_h/D1（count））;
end
end
delta_f=v*cos（alpha）/lambda;
figure（3）;
plot（D1,delta_f）;
title（'多普勒频移--距离曲线'）;
xlabel（'距离（KM）'）;
ylabel（'多普勒频移（Hz）'）;
grid;
5.2探究天线高度对路径损耗影响仿真代码
f=850;%工作频率为850MHz（假设为CDMA1X蜂窝系统）
v=5;%假设移动台的速度是5m/s,亦即18公里/时
lambda=（3*10^8）/（850*10^6）;%工作波长
hr=2;%接收天线高度为2米
pt=10;%每个基站的发射功率设为10瓦
Pt=10*log10（pt）;
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