浅谈4G 无线通信的模型构建
摘要:本文是关于对当前4G 移动无线网络通信的模型进行研究，自2013年我国正式出现4G 网络，在短短不到四年时间里，它以飞快的速度迅速代替3G 网络成功成为我国国民首选网络，以此对于4G 无线通信的研究迅速成为国内各大研究人员的热门项目，本文基于对无线通信传输的必要部分信道与传播进行建模分析，为无线通信的实际生产实践过程提供些许依据。
关键词：无线通信 信道传播 建模
一、国内4G 无线通信的发展
2013年12月，工业和信息化部发出公告，正式允许国内三大通信运营商使用第四代移动通信技术牌照，4G 网络在国内的出现标示着我国无线通信技术在世界通信之林占据一席之地。因此，基于无线通信的研究变得愈发火热，我国4G 网络建设到目前为止已经达到高潮。本文基于构建无线通信的基础模型及其方法进行了简单介绍。
二、无线通信建模的方法
电磁波在空间的传播实现了无线通信的信息传输。电磁波的传播方式主要包括直射、反射、散射和漫射四种，电磁波传播方式的不稳定直接导致了信号在由发送机发出以后到达接收机以前发生了改变。电磁波传播的路径也就是信道直接影响着无线系统的特征性能， 基于此建立的无线系统也不得不把研究无线信道的传播特性提到最前面的日程上来。
无线通信发展至今，前人总结的建立无线信道模型的方法从基本依据来分有两大类 ：1、统计测量法，目前国内通信建模工程师们使用最多的方法，根据性质进行细分的话还可以分为参数化统计建模和基于物理传播建模。统计测量法是通过选择不同的传播环境进行实验，通过实验来测量信道进而得到大量的测试数据，再根据分析大量数据后所得的一些明显信道特征，通过仿真模拟调试得出信道与系统参数、环境参数的经验公式。该方法优于其他方法处在于它所需的运算量极小、容易进行仿真和刻画信道特征。但是缺点也很大，使用条件比较苛刻，受环境影响极大。2、电磁场预测法，此方法是基于电磁波的传播理论建立的，根据传播理论中的实例结合实际要求给出无线信道的确定性模型。它还可以分为射线法和时域有限差分法。该类方法要求具体已知使用环境的所有细节特征，通过电磁波传播理论或者光学射线理论对无线传播的使用环境进行估计预测。与统计模型不同它不需要大量的数据支撑，只需要详细的环境信息就能对信号的传播特性做出精确预测。由于它对环境条件要求较细所以目前多数在室内以及一些小范围内区域使用。
（一）统计测量法
（1）参数化统计建模法
参数化统计建模法就是将大量的电磁波汇于一处，基于此来推测出信道的衰减特征，将视距传播射线、有主要物体反射（散射）射线这些一系列到达空间的主波用空间、时间和幅度三维坐标的脉冲序列进行显示。它的优点在于不用考虑三色提在传播环境中的分布，直接对时延、多普勒、角度扩展建模。
无线信道研究领域的基础理论模型包括广义平稳非相关散射模型。它描述线性时变随机无线信道是在利用了时变冲激响应的线性滤波器结构的基础上完成的，因此，被称为描述无线信道小尺度衰落时延扩展、多普勒扩展的最简单随机过程模型。目前为止国内关于信道小尺度衰落建模的研究都是基于电磁波线性叠加随机信道模型建立的。在各向同性接收天线假设为全向天线的前提下得出接收信号总是包络服从于Rayleigh 分布的。
（2）基于物理传播特征建模法
基于物理传播特征建模法是通过利用电磁波反射、绕射、散射时的基本规律对传播环境中存在的散射物体进行统计分布构建出衰落信道模型。该模型在描述特征特性时与多径传播环境下散射体、发射体的位置分布状况息息相关。例如:构建Okumura 模型就是以平坦地形大城市的传播损耗作为参考依据，修正了其他传播环境、地形条件等校正因子。在不同的环境中，通常假设用户端和基站端具有不同散射体的几何分布模型。其中包括单环、双环、椭圆和扇形等，但是多数模型在假设电波传播经过散射体时只发生了单反射过程。
（二）电磁场预测法
（1）射线法建模
基于光学射线理论结合一致绕射理论、几何绕射理论的射线法建模是应用最广泛的确定性传播预测方法。它在传播环境中利用几何模型进行建模，通过确定电磁参数来预测传播损耗。预测结果的精确度取决于地理环境模型的精度和表面电磁参数的精度。假设无线电信号波长足够小，可近似的将电磁波看作光学射线传播，并将电磁波的传播特性全部简化为光学传播特性。利用光学射线理论来计算传播损耗。由于射线法的精度更高，因此国内大批研究员在对它进行研究开发，目前主要应用于地理环境建模以及加速算法等方面 。
（2）时域有限差分建模法
时域有限差分建模法是以电磁场的传播理论为基准综合考虑所有无线传播机制以后再进行大尺度传播功率损耗计算的，所以所得计算结果精度很高。它不仅能够提供地图中所有
地区内场的分布还可以调用整个区域信号覆盖的信息。通过已知传播环境的细节特性加之大量复杂的运算时域有限差分法可以做到准确预测传播损耗。
三、无线通信传播模型的建立
信道是无线通信系统的基础。信道的好坏很大程度上可以直接影响系统的性能。电磁波在无线信道中传播时会受到反射、绕射、散射、多径的传播、移动台速度和信号传输带宽等因素的影响, 加上测量时具有很大的随机性，并且无线信道不是固定的, 所以分析难度很大。也是因为以上原因无线信道的建模一直被公认为无线通信系统研究中的难点重点。信道在无线系统中占据很重的地位这一点毋庸置疑，其中信道的传播特性在研究信道以及规划无线系统时又有着举足轻重的作用。接下来对信道的传播模型再简单介绍一下。
构建传播模型时首先需要考虑地形、环境类型以及环境材料等因素。电磁波传播时不能避免的要途径不规则的山区，估计路径损耗时考虑特定地区的地形地貌这是自然而然能够想到的。特定地形包括曲线形状、多山区地形、树木、建筑物以及其他遮挡物等因素。在实际设计无线移动通信系统的工程时, 常常通过构建电磁波传播损耗预测模型来计算无线路径的传播损耗，进而确定无线蜂窝小区的服务覆盖区。常用的电波传播损耗预测模型包括
Okumura-Hata 传播模型、COST231-Hata 模型、Walfish-Ike2gami 模型和LEE 传播模型等。在此我着重讨论目前较为普遍采用的Okumura-Hata 传播模型。
根据测试数据统计分析得出的Okumura-Hata 模型，其应用频率在150MHz~1500MHz之间，适用于小区半径大于1 km的宏蜂窝系统，基站有效的天线高度在30 m~200 m之间，移动台有效天线高度在1 m~10 m之间。Okumura-Hata 模型路径损耗计算的经验公式为：
式中，d 为收发天线之间的距离，km ；
f 为工作频率，MHz ；
hb 为基站天线有效高度，m ；
α(hm）为移动台天线高度校正因子；
hm 为移动台天线高度（m ）。
α(hm)由下式计算：
此公式适用范围为：
150MHz ≤f ≤1920MHz 、30m ≤hb ≤200m 、1m ≤hm ≤10m 、1km ≤d ≤20km ，准平滑地形。
四、结束语
构建无线通信模型，估计、预测模型的实际适用特性是我们进行无线通信的初心。4G 网络的普及预示着无线网络发展的巨大潜力，未来的无线通信世界仅仅依靠单纯的预测估计是远远不够的。因此，学习、开发、创新新技术，寻找适合我国无线通信的中国特色无线通信技术任重道远。
参考文献
[1]樊昌信，曹丽娜．通信原理（第六版）．北京：国防工业出版社，2015.1.
[2]（德）Matthias Patzold著，陈伟译。移动衰落信道。北京：电子工业出版社，2016.1
[3]蔡跃明（等）现代移动通信。北京：电子工业出版社，2015
[4]（西）Mischa Dohler,(澳)Yong hui Li著，孙卓，赵慧，彭岳星译。协同通信：物理层、信 道模型和系统实现。北京：机械工业出版社，2015
[5]韦刚，季飞，傅娟。通信系统建模与仿真（电子类）
[6]杨大成等，移动传播环境理论基础、分析方法和建模技术。北京：机械工业出版社，2015
[7]扈罗全，无线电波传播的随机建模与应用。华中电子科技大学出版社，
2016
浅谈4G 无线通信的模型构建
摘要:本文是关于对当前4G 移动无线网络通信的模型进行研究，自2013年我国正式出现4G 网络，在短短不到四年时间里，它以飞快的速度迅速代替3G 网络成功成为我国国民首选网络，以此对于4G 无线通信的研究迅速成为国内各大研究人员的热门项目，本文基于对无线通信传输的必要部分信道与传播进行建模分析，为无线通信的实际生产实践过程提供些许依据。
关键词：无线通信 信道传播 建模
一、国内4G 无线通信的发展
2013年12月，工业和信息化部发出公告，正式允许国内三大通信运营商使用第四代移动通信技术牌照，4G 网络在国内的出现标示着我国无线通信技术在世界通信之林占据一席之地。因此，基于无线通信的研究变得愈发火热，我国4G 网络建设到目前为止已经达到高潮。本文基于构建无线通信的基础模型及其方法进行了简单介绍。
二、无线通信建模的方法
电磁波在空间的传播实现了无线通信的信息传输。电磁波的传播方式主要包括直射、反射、散射和漫射四种，电磁波传播方式的不稳定直接导致了信号在由发送机发出以后到达接收机以前发生了改变。电磁波传播的路径也就是信道直接影响着无线系统的特征性能， 基于此建立的无线系统也不得不把研究无线信道的传播特性提到最前面的日程上来。
无线通信发展至今，前人总结的建立无线信道模型的方法从基本依据来分有两大类 ：1、统计测量法，目前国内通信建模工程师们使用最多的方法，根据性质进行细分的话还可以分为参数化统计建模和基于物理传播建模。统计测量法是通过选择不同的传播环境进行实验，通过实验来测量信道进而得到大量的测试数据，再根据分析大量数据后所得的一些明显信道特征，通过仿真模拟调试得出信道与系统参数、环境参数的经验公式。该方法优于其他方法处在于它所需的运算量极小、容易进行仿真和刻画信道特征。但是缺点也很大，使用条件比较苛刻，受环境影响极大。2、电磁场预测法，此方法是基于电磁波的传播理论建立的，根据传播理论中的实例结合实际要求给出无线信道的确定性模型。它还可以分为射线法和时域有限差分法。该类方法要求具体已知使用环境的所有细节特征，通过电磁波传播理论或者光学射线理论对无线传播的使用环境进行估计预测。与统计模型不同它不需要大量的数据支撑，只需要详细的环境信息就能对信号的传播特性做出精确预测。由于它对环境条件要求较细所以目前多数在室内以及一些小范围内区域使用。
（一）统计测量法
（1）参数化统计建模法
参数化统计建模法就是将大量的电磁波汇于一处，基于此来推测出信道的衰减特征，将视距传播射线、有主要物体反射（散射）射线这些一系列到达空间的主波用空间、时间和幅度三维坐标的脉冲序列进行显示。它的优点在于不用考虑三色提在传播环境中的分布，直接对时延、多普勒、角度扩展建模。
无线信道研究领域的基础理论模型包括广义平稳非相关散射模型。它描述线性时变随机无线信道是在利用了时变冲激响应的线性滤波器结构的基础上完成的，因此，被称为描述无线信道小尺度衰落时延扩展、多普勒扩展的最简单随机过程模型。目前为止国内关于信道小尺度衰落建模的研究都是基于电磁波线性叠加随机信道模型建立的。在各向同性接收天线假设为全向天线的前提下得出接收信号总是包络服从于Rayleigh 分布的。
（2）基于物理传播特征建模法
基于物理传播特征建模法是通过利用电磁波反射、绕射、散射时的基本规律对传播环境中存在的散射物体进行统计分布构建出衰落信道模型。该模型在描述特征特性时与多径传播环境下散射体、发射体的位置分布状况息息相关。例如:构建Okumura 模型就是以平坦地形大城市的传播损耗作为参考依据，修正了其他传播环境、地形条件等校正因子。在不同的环境中，通常假设用户端和基站端具有不同散射体的几何分布模型。其中包括单环、双环、椭圆和扇形等，但是多数模型在假设电波传播经过散射体时只发生了单反射过程。
（二）电磁场预测法
（1）射线法建模
基于光学射线理论结合一致绕射理论、几何绕射理论的射线法建模是应用最广泛的确定性传播预测方法。它在传播环境中利用几何模型进行建模，通过确定电磁参数来预测传播损耗。预测结果的精确度取决于地理环境模型的精度和表面电磁参数的精度。假设无线电信号波长足够小，可近似的将电磁波看作光学射线传播，并将电磁波的传播特性全部简化为光学传播特性。利用光学射线理论来计算传播损耗。由于射线法的精度更高，因此国内大批研究员在对它进行研究开发，目前主要应用于地理环境建模以及加速算法等方面 。
（2）时域有限差分建模法
时域有限差分建模法是以电磁场的传播理论为基准综合考虑所有无线传播机制以后再进行大尺度传播功率损耗计算的，所以所得计算结果精度很高。它不仅能够提供地图中所有
地区内场的分布还可以调用整个区域信号覆盖的信息。通过已知传播环境的细节特性加之大量复杂的运算时域有限差分法可以做到准确预测传播损耗。
三、无线通信传播模型的建立
信道是无线通信系统的基础。信道的好坏很大程度上可以直接影响系统的性能。电磁波在无线信道中传播时会受到反射、绕射、散射、多径的传播、移动台速度和信号传输带宽等因素的影响, 加上测量时具有很大的随机性，并且无线信道不是固定的, 所以分析难度很大。也是因为以上原因无线信道的建模一直被公认为无线通信系统研究中的难点重点。信道在无线系统中占据很重的地位这一点毋庸置疑，其中信道的传播特性在研究信道以及规划无线系统时又有着举足轻重的作用。接下来对信道的传播模型再简单介绍一下。
构建传播模型时首先需要考虑地形、环境类型以及环境材料等因素。电磁波传播时不能避免的要途径不规则的山区，估计路径损耗时考虑特定地区的地形地貌这是自然而然能够想到的。特定地形包括曲线形状、多山区地形、树木、建筑物以及其他遮挡物等因素。在实际设计无线移动通信系统的工程时, 常常通过构建电磁波传播损耗预测模型来计算无线路径的传播损耗，进而确定无线蜂窝小区的服务覆盖区。常用的电波传播损耗预测模型包括
Okumura-Hata 传播模型、COST231-Hata 模型、Walfish-Ike2gami 模型和LEE 传播模型等。在此我着重讨论目前较为普遍采用的Okumura-Hata 传播模型。
根据测试数据统计分析得出的Okumura-Hata 模型，其应用频率在150MHz~1500MHz之间，适用于小区半径大于1 km的宏蜂窝系统，基站有效的天线高度在30 m~200 m之间，移动台有效天线高度在1 m~10 m之间。Okumura-Hata 模型路径损耗计算的经验公式为：
式中，d 为收发天线之间的距离，km ；
f 为工作频率，MHz ；
hb 为基站天线有效高度，m ；
α(hm）为移动台天线高度校正因子；
hm 为移动台天线高度（m ）。
α(hm)由下式计算：
此公式适用范围为：
150MHz ≤f ≤1920MHz 、30m ≤hb ≤200m 、1m ≤hm ≤10m 、1km ≤d ≤20km ，准平滑地形。
四、结束语
构建无线通信模型，估计、预测模型的实际适用特性是我们进行无线通信的初心。4G 网络的普及预示着无线网络发展的巨大潜力，未来的无线通信世界仅仅依靠单纯的预测估计是远远不够的。因此，学习、开发、创新新技术，寻找适合我国无线通信的中国特色无线通信技术任重道远。
参考文献
[1]樊昌信，曹丽娜．通信原理（第六版）．北京：国防工业出版社，2015.1.
[2]（德）Matthias Patzold著，陈伟译。移动衰落信道。北京：电子工业出版社，2016.1
[3]蔡跃明（等）现代移动通信。北京：电子工业出版社，2015
[4]（西）Mischa Dohler,(澳)Yong hui Li著，孙卓，赵慧，彭岳星译。协同通信：物理层、信 道模型和系统实现。北京：机械工业出版社，2015
[5]韦刚，季飞，傅娟。通信系统建模与仿真（电子类）
[6]杨大成等，移动传播环境理论基础、分析方法和建模技术。北京：机械工业出版社，2015
[7]扈罗全，无线电波传播的随机建模与应用。华中电子科技大学出版社，
2016