一个简单的蜂窝无线通信系统建模与仿真课件

一个简单的蜂窝无线通信系统建模与仿真战文杰魏玉鹏林初善1一个简单的蜂窝无线通信系统建模与仿真战文杰1主要工作需求分析系统建模系统仿真结果分析2主要工作需求分析2蜂窝通信系统的基本结构一、需求分析3蜂窝通信系统的基本结构一、需求分析3需求分析—问题的引入

需解决的问题：无线通信链路具有恶劣的物理信道特征，比如由于传播途径中存在大量的障碍物，会产生时变多径和阴影。无线蜂窝系统的性能还会受限于来自其它用户的干扰，因此，对干扰进行准确的建模就很重要。很难用简单的解析模型来描述复杂的信道条件，虽然有几种模型确实易于解析求解并与信道实测数据进行比较相符，不过，即使建立了完美的信道解析模型，在把差错控制编码、均衡器、分集及网络模型等因素都考虑在链路中之后，要得出链路性能的解析解在绝大多数情况下仍然是很困难甚至是不可能的。因此，在分析蜂窝通信链路的性能时，常常需要进行仿真。4需求分析—问题的引入需解决的问题：4跟无线链路一样，对蜂窝无线系统的性能分析使用仿真来建模是很有效的，这是由于在时间和空间上对大量的随机事件进行建模非常困难。这些随机事件包括用户的位置、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，这些因素共同作用，对系统中一个典型用户的总的性能产生影响，蜂窝无线系统指的是，在地理上的服务区内，移动用户和基站的全体，而不是将一个用户连到一个基站的单个链路。为了设计特定的系统级性能，比如某个用户在整个系统中得到满意服务的可能性，就得考虑在覆盖区域内同时使用系统的多个用户所带来的复杂性。因此，需要仿真来考虑多个用户对基站和移动台之间任何一条链路所产生的影响。

我们分析一个简单的多用户蜂窝系统，包括一个典型系统中的天线和传播的影响。需求分析—研究的意义5跟无线链路一样，对蜂窝无线系统的复用距离DN两个同频小区中心之间的最小距离（R是小区的最大半径）中断概率由于射频传播影响、用户移动性、话务量变化与接收信号电平间关系复杂，所以很难对他们采用解析模型，因此主要靠仿真来估计蜂窝系统的中断概率，十分灵活。需求分析—系统的描述6由于射频传播影响、用户移动性、话务量变化与接二、系统建模引：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。在系统容量（大尺度系统问题）和链路质量（小尺度系统问题）之间作折中时，他起到举足轻重的作用。通常采用系统的中断概率来分析同频干扰，对系统性能产生影响的严重程度。下面我们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，来建立待研究系统的仿真模型。7二、系统建模引：7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（有用+干扰）的统计特性主要牵涉到两个重要的传播效应：小尺度衰落——由局部区域的多径造成的阴影（大尺度衰落）——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。无线通信系统的本地平均电平可以用对数正态随机变量精确地建模。用面积均值和标准差来刻画。一般的通信系统中，有用信号、干扰信号的阴影是性能变差的主要原因，在此我们不考虑小尺度衰落对性能的影响。如果用dBW形式，本地平均信号电平（用表示）可以建模为：信道模型mx是用dBW表示的区域平均电平（大尺度传播路径损耗），是标准差的零均值正态随机变量，这是大尺度障碍造成的阴影。

8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其中，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，发射功率，发射和接收天线增益、的函数，具体的来说：式中的常数K由模型中所有不变的项组成。和是信号发射端到接收端的发射俯仰角和方位角，和是信号到达接收天线的到达俯仰角和方位角。他们四个角度取决于以动台和基站天线的相对位置。9其中，区域平均功率mx通常建模为接收机与发射为了减少同频干扰，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。

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：扇区化小区10为了减少同频干扰，蜂窝通信系统通常要在基站中使用中断概率Poutage(SIR0)=Pr[SIR<SIR0]==1—这里，Q（.）是高斯Q函数。

11中断概率Poutage(SIR0)=Pr[SIR<SIR0]三、系统仿真12三、系统仿真12

仿真参数：

小区半径R。路径损耗指数γ。以分贝为单位的对数正态阴影的标准差（σ）。基站发射功率级（PT，BS）。移动台发射功能级（PT，MS）。每个小区的扇区数。扇区化天线的正反向比。要仿真的瞬时位置的组数（M）13仿真参数：小区半径R。13仿真过程我们用中断概率来表示的整个通信系统的性能。比较运行在以下六个不同配置情况下蜂窝系统的性能：-簇大小N=4，全向基站天线

-簇大小N=4，120度扇区化

-簇大小N=4，60度扇区化

-簇大小N=7，全向基站天线

-簇大小N=7，120度扇区化

-簇大小N=7，60度扇区化基站扇区化天线的正反向比为30dB。阴影的标准差设为8dB，设路径损耗指数γ=4。仿真1000组瞬时位置。Matlab演示14仿真过程Matlab演示14四、结果分析簇大小固定（N=4）时观察扇区对性能的影响结论：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。15四、结果分析簇大小固定（N=4）时观察扇区对性能的影响结论：扇区固定（120度）观察簇大小对性能的影响结论：

扇区固定时，簇大小N=7与簇大小N=4相比，系统的链路质量要好一些。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。16扇区固定（120度）观察簇大小对性能的影响结论：16各种配置下前向链路的平均中断概率（总图）17各种配置下前向链路的平均中断概率（总图）17扩展蜂窝系统