超短波信道模型的仿真与分析∗

陈柯威 刘宏波 马俊凯

（1.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

（2.海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室 武汉 430033）

1 引言

无线通信技术的研究一直都是现代科研的重点。未来具有远距离、低时延、高可靠性、高信息量特点的外场实验还会不断开展，如舰载超短波通信［1］。将实测设备搬到外场环境中，保证了实验数据的可靠，但增加了实验部署的复杂性，尤其是需要多次测量的试验［2］。

在装备研制的过程中，基于LVC的仿真体系思想，构建半实物仿真平台，为实验设备的测试提供了新思路。其中“L”指“Live Simulation”，人使用实装设备在真实的环境下进行实验测试；“V”指“Vir⁃tual”，是指人在虚拟的环境下使用虚拟的设备；“C”指“Constructive”，模拟的人在模拟的系统中模拟［3～4］。鉴于这个技术，使用实物设备结合信道模拟器组成“硬件在环、人在回路”的半实物仿真平台，将减少实验部署的复杂程度，实现在实验室内搭建实测环境的可能。此信道模拟器可以推广到现有移动通信包括短波、超短波、微波通信设备上。开展信道模拟器关键技术研究，可用于多节点通信装备网络性能快速验证与测试，能够提升装备组网应用能力，具有非常广的推广价值和军事应用前景。

2 信道模拟的研究现状

关于信道模拟器的现状，国外的现有R&S公司的RSC步进衰减器，频率范围很高，衰减精度也很好，但是依赖与其他设备一起搭建信道仿真环境；伊莱比特公司（EB）的EB Propsim FE将测试附件一体化，大大缩短了测试设置时间。但是这些产品售价都很贵，且对出口中国有一定限制。

国内有关信道模拟器的厂商较少，但经过多年研究也有了一些产品，比如成都坤恒顺公司KSW-WNS02无线信道仿真仪；还有北京交通大学自主研制多通道宽带信道仿真仪等。

关于电波的传播模型，在经过大量的实验研究后，发现不同频率的波段有不同的建模方法，如短波的天波和地面波传播，微波的视距传播、对流层散射［5］和大气波导［6］等。按照不同的研究方法，能够把预测模型分为三种。

第一种是在工程计算时，人们趋向于建立一种简单实用的经验计算模型，这种模型是通过大量实测数据统计得出，具有形式简单，在计算大尺度的传播损耗时方便使用，同时又有一定的预测精度等特点。如Okumura-Hata模型［7］在移动通信网络规划上经常使用；Egli模型［8］在丘陵平原地区的使用。但是由于经验模型所需参数过于简单，仅需要天线高度、距离、频率等即可，缺乏地域型参数，可移植性差［9］。

第二种是确定型模型，随着计算机快速发展，这种早期就提出的方法，终于可以使用了。通过对麦克斯韦方程组的推导求解，使用计算机对边缘条件，初始条件等复杂因素的联合计算，此模型能得到更准确的结果。常用的比如几何光学法，PE抛物方程法［10］等，虽然计算的结果会更准确，但是在实际工程中，实时性难以保证，同时计算的复杂程度大，需要的条件参数多等问题也难以解决。

第三种方法是半经验半确定模型，是首先使用确定模型导出公式得出预测结果，再对比实测数据修正，改善预测模型对当地环境的适应性，获得可移植性高，预测结果准确，响应快，精度高等优点。如已有应用Longley-Rice模型［11］编写的程序（ITM）、在小距离较常使用的walfisch-ikegami模型［12］。这种模型是当前研究预测模型的主要方向。

3 信道模型介绍

3.1 自由空间传播损耗模型

自由空间损耗模型是将弗里斯传输方程推导简化得出的。它是在无遮挡、无多径效应的空间中，电磁波以一个不断膨胀的球体自由扩散而产生的损耗，所以在任何形式的情况下都可以使用它来简单预测链路传播的损耗。其路径传播损耗的公式为

3.2 Okumura-Hata模型

Okumura-Hata模型以Okumura测量获得各项数据中值曲线图为前提，因为对照曲线不适合计算机计算，所以由Hata推导出更加方便工程计算使用的传播损耗预测公式。该公式以市区模型公式为基准，通过添加变化值给出了乡村，丘陵等其他地区的修正参数。

城市地区的标准公式为

其中，Lu是城市地区预测损耗，单位为dB；ht为基站发射天线的高度，hr为接收天线的高度，单位为m；a（hr）是和接收天线有关的修正因子；f为预测频率，单位为MHz；d为距离，单位为km。对于不同的环境条件给出不同的a（hr），其表达式为

同时，模型给出了郊区和开阔农村地带的路径损耗公式，如下：

其中，Lsu为郊区传输损耗，单位为dB；Lru为农村地区损耗，单位为dB。

3.3 COST-231 Hata模型

COST-231Hata模型，是在Hata的基础上，通过调整修正了几个参数得到的。计算公式为

其中L为传输损耗，单位为dB；a（hr）和Hata模型相同，C的取值与城市环境有关，当a取大城区时它取3dB，其余取0。这个模型虽然扩展了上限频率，但是距离却从100km缩短到20km。

3.4 COST-231 walfisch-ikegami模型

COST-231 WI一般适用在城市、城镇等多高楼遮挡地区，预测距离0.02km～5km，属于小尺度模型。在传播损耗预测中，此模型分两种情况。

无线链路直线距离中没有遮挡物，即采用视距计算公式：

由于有屋顶或建筑物的遮挡，使用非视距计算，公式为

其中L0取自由空间损耗的计算值公式为（1），Lrts为绕射和散射损耗，公式为

式中w为街道宽度，单位为m；Δhm为建筑物高度hb和天线高度hf之差，单位为m；Lstr为街道方向修正值，公式为

其中α为道路定向；Lmsd为绕射损耗。

式中，db为建筑物的间隔，单位为m；ka、kd、kf分布为传播损耗和距离频率之间的关系：

4 模型研究与仿真

4.1 参数设置与仿真

取自由空间模型做参考，使用各个模式的Hata模型做仿真，相关参数：发射天线100m，接受天线5m，距离1km～100km，发射频率为935MHz。结果如下。

同样使用自由空间模型作为参考，实现COST-231模型的仿真，参数设置为：发射天线100m，接受天线3m，距离0～20km，发射频率为1805MHz。结果如下：

图1 Hata模型

图2 COST-231-Hata模型

实现COST-231 WI模型仿真，相关参数为发射频率935MHz、1805MHz，发射天线20m，接受天线1.5m，建筑物高度15m，街道宽度20m，建筑间距40m，夹角90°，仿真结果如下。

图3 COST-231 WI模型

从Hata模型仿真结果来看，从农村到郊区再到城市地区，损耗依次增加。不论选择什么模式，结果曲线都和自由模型的曲线变化相同，在10km内信号衰减更剧烈，之后衰减的趋势下降，曲线更平缓。

4.2 仿真对比

为确定仿真结果的正确性，采用WRAP软件进行对比。WRAP是一个全面的无线电规划软件，具有多种功能，可有效地支持不同无线电网络的规划。其中有无线链路性能分析功能，计算传输损耗，如图4。

图4 传输损耗界面

下面使用WARP中的Hata模型城市模式计算传输损耗，将结果与Matlab仿真结果对比，并进行比较。

从图5上可以看出，WARP的城市模型和仿真中的中小城市模型基本重合，郊区模型和乡村模型都重合，可以证明仿真正确。

图5 Hata模型对比

如图6所示，除大城市外，其他模式的损耗曲线基本重合，说明仿真正确。在WRAP软件中，这两个模型集合到了一起，说明仿真模型可进一步改进。

图6 COST231-Hata模型损耗对比

如图7所示，取频率1805MHz的曲线和WRAP软件对比，发现非视距模式下差距较大，视距路径损耗和WARP狭窄街道模式损耗重合。

图7 COST-231 WI模型对比

5 结语

本文针对无线通信技术的外场实验中，远距离的重复测试和搭建设备的复杂问题，提出了基于LVC的思想建设信道模拟器；针对信道建模分析了传统电波计算模型的优缺点，介绍了几种传统模型的计算方法，使用Matlab仿真了Okumura-Hata模型、COST-231 Hata模型、COST-231 WI模型，对比WARP软件无线链路计算工具，结果表明仿真算法正确，在COST-231 WI模型中算法会出现误差，基本满足仿真要求，但仍需下一步改进。