蜂窝无线系统建模与仿真分析
2011-08-08田永毅
田永毅
(陕西工业职业技术学院电气工程学院,陕西 咸阳 712000)
1.引言
当今大多数无线通信系统都是建立在蜂窝无线电概念之上的。无线蜂窝系统的性能不仅受限于无线通信链路恶劣的物理信道特性,还会受限于来自其他用户的干扰。
为了设计特定的系统级性能,就要考虑在覆盖区域内同时使用系统的多个用户的位置、系统中同时通信的用户个数、传播条件、每个用户的干扰和功率级的设置、每个用户的话务量需求等因素对基站和移动台之间任何一条链路所产生的影响[1,2]。而普通的解析模型很难描述如此复杂的信道条件,更难得到链路性能的解析解。
本文旨在考虑射频传播特性、用户移动性、话务量变化与接收信号电平间的关系的基础之上,建立一种蜂窝通信系统仿真模型,为系统级性能设计提供测试平台。
2.系统描述
蜂窝系统为获得较高的容量在小区间进行频率复用,从而导致同频干扰。对于六边形小区模型,两个同频小区中心之间的最小距离(最小复用距离)DN为:
式(1)中,R为是小区的最大半径。
在一个指定小区中接收到的总的同频干扰是所有同频小区发送出的同频干扰信号的总和,且第一层的同频小区对被测小区的干扰影响最大。
同频干扰是制约无线通信系统的容量和链路质量的主要因素之一。为了获得高容量,一般通过减小蜂窝系统簇(区群)的大小N,来缩短信道复用距离。然而减少簇大小又增加了同频干扰,降低了链路质量。
同频干扰的影响可以用通信链路的信干比(SIR)来估计。由于无线传播影响、用户移动性以及话务量的变化,有用信号功率与干扰信号功率是随机变量,故SIR也是随机变量。因此,通常采用系统的中断概率P(在特定场合下,SIR低于给定阈值SIR的概率)来量度同频干扰对系统性能影响的严重程度[3]。即:
式(2)中 Q(.)是高斯 Q 函数。
3.蜂窝通信系统建模
下面讨论蜂窝系统的信道模型和扇区化小区这两个方面,以中断概率为参考指标,来建立蜂窝通信系统的仿真模型。
3.1 信道模型
在分析蜂窝系统的性能时,非常重要的一点是精确地建立无线传播对接收信号影响的模型,因为这些影响通常是系统性能恶化的主要原因。而接收信号的统计特性主要牵涉到两个传播效应:由局部区域的多径造成的小尺度衰落;由树木、建筑物、地形等因素引起本地平均信号的随机衰减造成的阴影(大尺度衰落)。
一般的通信系统设计与仿真中,必须同时考虑小尺度衰落和有用信号、干扰信号的阴影。但由于空间分集、扩频、编码与交织技术已被广泛应用于抵消小尺度衰落的影响,故,在此只考虑阴影与路径损耗对性能的影响。
无线通信系统的本地平均信号电平可以用对数正态随机变量精确地建模。用分贝表示时,本地平均信号电平服从正态分布,用面积均值和标准差来刻画[4,5]。采用分贝形式,本地平均信号功率(用ρ表示)可以表示为:
式(3)中,mx是用dBW表示的区域平均功率(大尺度传播路径损耗),χ是标准差的零均值正态随机变量(大尺度障碍造成的阴影)。
而区域平均功率mx通常建模为接收机与发射机之间分割距离d、路径损耗指数γ,发射功率PT,发射和接收天线增益GR、GT的函数,即:
式(4)中的常数K由模型中所有不变的项组成;θT和φT是信号发射端到接收端的发射俯仰角和方位角;θR和φR是信号到达接收天线的到达俯仰角和方位角。这四个角度取决于移动台和基站天线的相对位置。
3.2 小区的扇区化
为了减少同频干扰,蜂窝通信系统通常要在基站中使用几个扇区化天线。每个扇区化天线在指定的扇区内发射,而且为每个扇区分配小区全部可用信道中的一部分信道。因此,由于基站天线的定向性,减少了基站或者移动台接收机天线的同频干扰。
3.3 总的同频干扰
给予接收到的单个干扰信号仅受阴影和路径损耗的影响这一假设,总的同频干扰可以建模为单个干扰信号的复合,它们的本地平均功率级服从于对数正态变化。通常假设每一个单个干扰的相移因散射而变化显著,因而可以假设相位是随机的,在本地区域作平均时,信号是非相干地叠加的。因此,给定位置的总的同频干扰I可以建模为对数正态分布信号之和,即:
4.系统仿真
4.1 仿真流程
蜂窝系统中SIR与中断概率的仿真流程如图1所示。
图1 蜂窝系统仿真流程图
4.2 仿真参数
小区半径R=1000;路径损耗指数γ=4;分贝为单位的对数正态阴影的标准差(σ)=8dB;每个小区的扇区数:0度、120度、360度;基站扇区化天线的正反向比=30dB;要仿真的瞬时位置的组数(M)=1000;同频小区数量=6。
4.3 仿真结果与分析
以中断概率为参考指标,六种不同配置情况下蜂窝系统的性能如图2所示。
由图2可见,簇大小固定时,扇区化减小了SIR低于某一给定阀值的平均中断概率,即减少了同频干扰,提高了蜂窝系统的性能。扇区固定时,一个小的簇会增加系统容量,但同时增加了每个用户的干扰电平,降低了系统性能。
图2 不同配置下蜂窝系统链路中断概率比较图
5.结束语
本文研究并建立了一种蜂窝无线通信系统仿真模型。该建模方法具有普遍意义,可以进行扩展,以包括蜂窝系统的其它特征。通过性能的仿真验证了,蜂窝系统的簇大小、阻塞率、扇区数、平均信干比等设计参数,都会影响蜂窝无限通信系统的质量,并且他们相互关联,经常需要针对系统性能要求进行折中。
[1]胡智娟,张华清.移动通信技术实用教程[M].北京:国防工业出版社,2005.
[2]杨大成.移动传播环境理论基础、分析方法和建模技术[M].北京:机械工业出版社,2003.
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