一個(gè)簡單的蜂窩無線通信系統(tǒng)建模與仿真

1、1,一個(gè)簡單的蜂窩無線通信系統(tǒng)建模與仿真,戰(zhàn) 文 杰魏 玉 鵬林 初 善,2,主要工作,需求分析系統(tǒng)建模系統(tǒng)仿真結(jié)果分析,3,蜂窩通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),一、需求分析,4,需求分析—問題的引入,需解決的問題： 無線通信鏈路具有惡劣的物理信道特征，比如由于傳播途徑中存在大量的障礙物，會(huì)產(chǎn)生時(shí)變多徑和陰影。 無線蜂窩系統(tǒng)的性能還會(huì)受限于來自其它用戶的干擾，因此，對干擾進(jìn)行準(zhǔn)確的建模就很重要。很難用簡單的解析

2、模型來描述復(fù)雜的信道條件，雖然有幾種模型確實(shí)易于解析求解并與信道實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較相符，不過，即使建立了完美的信道解析模型，在把差錯(cuò)控制編碼、均衡器、分集及網(wǎng)絡(luò)模型等因素都考慮在鏈路中之后，要得出鏈路性能的解析解在絕大多數(shù)情況下仍然是很困難甚至是不可能的。因此，在分析蜂窩通信鏈路的性能時(shí)，常常需要進(jìn)行仿真。,5,跟無線鏈路一樣，對蜂窩無線系統(tǒng)的性能分析使用仿真來建模是很有效的，這是由于在時(shí)間和空間上對大量的隨機(jī)事件進(jìn)行建模非常困難。這些隨

3、機(jī)事件包括用戶的位置、系統(tǒng)中同時(shí)通信的用戶個(gè)數(shù)、傳播條件、每個(gè)用戶的干擾和功率級(jí)的設(shè)置、每個(gè)用戶的話務(wù)量需求等，這些因素共同作用，對系統(tǒng)中一個(gè)典型用戶的總的性能產(chǎn)生影響，蜂窩無線系統(tǒng)指的是，在地理上的服務(wù)區(qū)內(nèi)，移動(dòng)用戶和基站的全體，而不是將一個(gè)用戶連到一個(gè)基站的單個(gè)鏈路。為了設(shè)計(jì)特定的系統(tǒng)級(jí)性能，比如某個(gè)用戶在整個(gè)系統(tǒng)中得到滿意服務(wù)的可能性，就得考慮在覆蓋區(qū)域內(nèi)同時(shí)使用系統(tǒng)的多個(gè)用戶所帶來的復(fù)雜性。因此，需要仿真來考慮多個(gè)用戶對基站和移

4、動(dòng)臺(tái)之間任何一條鏈路所產(chǎn)生的影響。 我們分析一個(gè)簡單的多用戶蜂窩系統(tǒng)，包括一個(gè)典型系統(tǒng)中的天線和傳播的影響。,需求分析—研究的意義,6,復(fù)用距離DN兩個(gè)同頻小區(qū)中心之間的最小距離 （R是小區(qū)的最大半徑）中斷概率,由于射頻傳播影響、用戶移動(dòng)性、話務(wù)量變化與接收信號(hào)電平間關(guān)系復(fù)雜，所以很難對他們采用解析模型，因此主要靠仿真來估計(jì)蜂窩系統(tǒng)的中斷概率，十分靈活。,需求分析—系

5、統(tǒng)的描述,7,二、系統(tǒng)建模,引： 同頻干擾是制約無線通信系統(tǒng)的容量和鏈路質(zhì)量的主要因素之一。在系統(tǒng)容量（大尺度系統(tǒng)問題）和鏈路質(zhì)量（小尺度系統(tǒng)問題）之間作折中時(shí)，他起到舉足輕重的作用。 通常采用系統(tǒng)的中斷概率來分析同頻干擾，對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度。 下面我們討論蜂窩系統(tǒng)的信道模型和扇區(qū)化小區(qū)這兩個(gè)方面，以中斷概率為參考指標(biāo)，來建立待研究系統(tǒng)的仿真模型。,8,在分析蜂窩系統(tǒng)的性能時(shí)，非

6、常重要的一點(diǎn)是精確地建立無線傳播對接收信號(hào)影響的模型，因?yàn)檫@些影響通常是系統(tǒng)性能惡化的主要原因。而接收信號(hào)（有用+干擾）的統(tǒng)計(jì)特性主要牽涉到兩個(gè)重要的傳播效應(yīng)： 小尺度衰落——由局部區(qū)域的多徑造成的 陰影（大尺度衰落）——樹木、建筑物、地形等因素引起本地平均信號(hào)的隨機(jī)衰減造成的。 無線通信系統(tǒng)的本地平均電平可以用對數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量精確地建模。用面積均值和標(biāo)準(zhǔn)差來刻畫。一般的通信系統(tǒng)中，有用信號(hào)、干擾信號(hào)的陰影是性

7、能變差的主要原因，在此我們不考慮小尺度衰落對性能的影響。如果用dBW形式，本地平均信號(hào)電平（用 表示）可以建模為：,信道模型,mx是用dBW表示的區(qū)域平均電平（大尺度傳播路徑損耗），是標(biāo)準(zhǔn)差的零均值正態(tài)隨機(jī)變量，這是大尺度障礙造成的陰影。,9,其中，區(qū)域平均功率mx通常建模為接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間分割距離d、路徑損耗指數(shù) ，發(fā)射功率 ，發(fā)射和接收天線增益 、 的函數(shù)，具體的來說： 式中的常數(shù)K由模型中所

8、有不變的項(xiàng)組成。 和 是信號(hào)發(fā)射端到接收端的發(fā)射俯仰角和方位角， 和 是信號(hào)到達(dá)接收天線的到達(dá)俯仰角和方位角。他們四個(gè)角度取決于以動(dòng)臺(tái)和基站天線的相對位置。,,,,,,,,,,10,為了減少同頻干擾，蜂窩通信系統(tǒng)通常要在基站中使用幾個(gè)扇區(qū)化天線。每個(gè)扇區(qū)化天線在指定的扇區(qū)內(nèi)發(fā)射，而且為每個(gè)扇區(qū)分配小區(qū)全部可用信道中的一部分信道。因此，由于基站天線的定向性，減少了基站或者移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)天線的同頻干擾。 總

9、的同頻干擾 給予接收到的單個(gè)干擾信號(hào)僅受陰影和路徑損耗的影響這一假設(shè)，總的同頻干擾可以建模為單個(gè)干擾信號(hào)的復(fù)合，它們的本地平均功率級(jí)服從于對數(shù)正態(tài)變化。通常假設(shè)每一個(gè)單個(gè)干擾的相移因散射而變化顯著，因而可以假設(shè)相位是隨機(jī)的，在本地區(qū)域作平均時(shí)，信號(hào)是非相干地疊加的。因此，給定位置的總的同頻干擾I可以建模為對數(shù)正態(tài)分布信號(hào)之和，即：,扇區(qū)化小區(qū),,11,中斷概率,,Poutage(SIR0)=Pr[SIR<SIR0]=,

10、=1—,這里，Q（.）是高斯Q函數(shù)。,12,三、系統(tǒng)仿真,13,仿真參數(shù)：,小區(qū)半徑R。 路徑損耗指數(shù)γ。 以分貝為單位的對數(shù)正態(tài)陰影的標(biāo)準(zhǔn)差（σ）。 基站發(fā)射功率級(jí)（PT，BS）。 移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功能級(jí)（PT，MS）。 每個(gè)小區(qū)的扇區(qū)數(shù)。 扇區(qū)化天線的正反向比。 要仿真的瞬時(shí)位置的組數(shù)（M）,14,仿真過程 我們用中斷概率來表示的整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。比較運(yùn)行在以下六個(gè)不同配置情況下蜂窩系統(tǒng)的性

11、能： -簇大小N=4，全向基站天線 -簇大小N=4，120度扇區(qū)化 - 簇大小N=4，60度扇區(qū)化 - 簇大小N=7，全向基站天線 - 簇大小N=7，120度扇區(qū)化 - 簇大小N=7，60度扇區(qū)化 基站扇區(qū)化天線的正反向比為30dB。陰影的標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)為8dB，設(shè)路徑損耗指數(shù)γ=4。仿真1000組瞬時(shí)位置。

12、,Matlab演示,15,四、結(jié)果分析,簇大小固定（N=4）時(shí)觀察扇區(qū)對性能的影響,結(jié)論： 簇大小固定時(shí)，扇區(qū)化減小了SIR低于某一給定閥值的平均中斷概率，即減少了同頻干擾，提高了蜂窩系統(tǒng)的性能。,16,扇區(qū)固定（120度）觀察簇大小對性能的影響,結(jié)論： 扇區(qū)固定時(shí)，簇大小N=7與簇大小N=4相比，系統(tǒng)的鏈路質(zhì)量要好一些。一個(gè)小的簇會(huì)增加系統(tǒng)容量，但同時(shí)增加了每個(gè)用戶的干擾電平，降低了系統(tǒng)性能。,17,各種配