無線衰落信道建模仿真軟件設計

文/張如楠 王亞文 朱秋明 陳小敏

隨著現代無線通信不斷發展，5G、物聯網等等技術呼之欲出，信息與通信產業也已經成為我國經濟發展的支柱型產業。而信道作為無線通信系統中的重要一環，無線信道的特性也就受到廣泛關注。當前，隨著無線通信應用場景的不斷拓展，信道所面臨環境越來越復雜，因此無線信道的快速仿真也變得更加重要。

目前，相對簡單高效的信道仿真方法包括濾波法和SoS ( Sum-of-Sinusoids)。由于濾波法需要多次內插，復雜程度高。SoS及其改進方法由于運算量相對小，性能高效并且硬件容易實現而被廣泛使用。

本文簡要介紹了無線信道衰落的系統模型，仿真方法，并簡要說明無線信道模型參數計算方法。基于上述模型，設計Maltab平臺無線信道仿真軟件。該軟件的創新性在于將函數模塊化，通過GUI界面調用各個模塊，軟件操作簡單，方便用戶快速設置場景參數并能直觀觀測仿真結果。

1 信道模型

信號在傳輸過程中會有包括噪聲、路徑損耗、平坦衰落和頻率選擇性衰落的影響。而其中噪聲和路徑損耗一般是已知確定的，平坦衰落可用瑞利、萊斯和Nakagami等模型模擬，頻率選擇性衰落可由多徑平坦衰落相加得到。所以，本文對兩種衰落進行模擬仿真的系統模型如下：

對于平坦衰落，本文采用的仿真模型為SOS仿真模型。該模型可表示為：

其中，N表示不可分辨散射支路數目；cn表示路徑增益；fn表示多普勒頻率；θn表示初始相位，且服從的均勻分布。

對于頻率選擇性衰落，本文采用的仿真模型為離散延遲抽頭模型。該模型第k時刻沖激響應可表示為：

2 模型參數計算

2.1 離散多普勒頻率參數計算

本文SOS仿真模型參數計算方法將采用等面積方法（MΕA）。令確定離散多普勒頻率fn：

（1）將多普勒功率密度S(F)的面積N等分；在fn-1

（2）對于離散多普勒fn的一個顯示計算，引入輔助函數：

圖1：系統框圖

圖2：軟件流程圖

2.2 多徑時延參數計算

3 基于GUI無線信道仿真軟件設計

3.1 軟件設計方案及實現

Matlab軟件具有數值分析、矩陣運算和圖形化處理等強大功能，已被廣泛應用于通信領域的仿真與實驗。用MatlabGUI可視化工具開發的無線信道模擬平臺，利用面向對象的技術，將較復雜的信道模擬與特征參數統計等模塊封裝成對象函數，通過GUI組件編程實現各模塊的調用和鏈接，從而簡化整個系統的仿真模型。

本次研制軟件的仿真實現流程如圖2所示。在系統參數設置模塊中，使用者可自行設置采樣率、移動速度、波長、仿真時間等參數；在信道參數設置模塊中，需要用戶手動設置，分為平坦衰落仿真和頻率選擇模型仿真兩部分。

（1）平坦衰落信道部分可先生成衰落信道，再生成常見功率譜，二者獨立顯示。生成時需要選擇相應類型和輸入重要變量值。

（2）頻率選擇信道部分只需要輸入時延和多徑數，則可在界面右側得出相應時域、頻域圖形，有助于深入研究了解信道特性。

演示平臺見圖3，其主要分為三個模塊，即系統參數設置模塊，平坦衰落信道模塊和頻率選擇信道模塊。該信道仿真軟件支持用戶輸入各種信道參數，以產生需要的信道衰落，比如瑞利衰落、萊斯衰落、Nakagami衰落和陰影衰落等多種衰落形式。同時該系統的各個模塊相互獨立，有利于二次開發。

3.2 軟件測試及結果分析

首先設置系統參數：采樣率f=100Hz，仿真時間T=20ms，移動速度v=1m/s，波長λ=50m。

（1）以平坦衰落信道為例，假設為瑞利信道，設置平坦衰落參數：類型為瑞利，均值Ε=0，方差萊斯因子k=2，多普勒隨機偏移量f=10Hz。設置常見功率譜參數：DPSD=rounded（圓），均值Ε=0，多普勒隨機偏移量f=10Hz。可得如下仿真結果：

如圖4所示，FadingType部分，上圖為瑞利衰落的時域圖形，下圖為該產生衰落信道的概率密度函數。DPSD部分，上圖為Rounded spectrum的時域圖，下圖為仿真功率譜。該軟件將仿真數據和理論數據都在圖上表示出來，通過將各點值與理論值之差相加并求其均值，可得平均誤差為0.008，因此該仿真結果與理論數據吻合較好，驗證了仿真模型的準確性。

（2）測試頻率選擇信道仿真模塊，設置參數如下：

時延=100，徑數=2；時延=100，徑數=6；

圖3：軟件界面

圖4：平坦衰落仿真結果

圖5：頻率選擇信道仿真

分別測試，可得不同徑數的時域和頻域頻率選擇信道圖，見圖5。

經過無線信道軟件仿真，頻域波形表現出信道的頻率選擇特性。通過對比兩幅波形，四個徑的疊加使頻率選擇性更為明顯，這也證明該模擬信道具有良好的頻率選擇性。

4 結語

對于復雜環境下無線信道的測試困難，成本高昂，使得實際測試難以迅速開展。目前，無線信道的理論模型和建模仿真的實現方法都已經成熟，這為無線信道的模擬提供了基礎。本文利用Matlab和GUI工具仿真平坦衰落信道和頻率選擇性衰落，并將信道衰落波形、概率密度函數、功率譜密度等信道特性直觀的顯示。通過計算機模擬測試了解系統中各變量對通信情況的影響，觀察通信情況變化的全過程，模擬現實復雜情景，在無線通信領域有效的降低了系統研制成本，提高了實際通信信道設計中的性能。另外，利用面向對象的編程方法，每個仿真功能都模塊化實現，使得其具有可擴展性，可以不斷完善和擴充，或與其它仿真系統模塊組合，構建更為完整的無線通信仿真系統。