北邮移动通信课程设计

信息与通信工程学院移动通信课程设计

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一、课程设计目的

1、熟悉信道传播模型的matlab 仿真分析。

2、了解大尺度衰落和信干比与移动台和基站距离的关系。

3、研究扇区化、用户、天线、切换等对路径损耗及载干比的影响。

4、分析多普勒频移对信号衰落的影响，并对沿该路径的多普勒频移进行仿真。

二、课程设计原理、建模设计思路及仿真结果分析

经过分析之后，认为a 、b 两点和5号1号2号在一条直线上，且小区簇中心与ab 连线中心重合。在此设计a 、b 之间距离为8km ，在不考虑站间距的影响是默认设计基站间距d 为2km ，进而可求得a 点到5号基站距离为2km ，b 点到2号基站距离为2km ，则小区半径为3/32km,大于1km ，因而选择传播模型为Okumura-Hata 模型，用来计算路径损耗；同时考虑阴影衰落，本实验仿真选择阴影衰落是服从0平均和标准偏差8dB 的对数正态分布。实验仿真环境选择matlab 环境。

关于路径损耗——Okumura-Hata 模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式，应用频率在150MHz 到1 500MHz 之间，并可扩展3000MHz;适用于小区半径大于1km 的宏蜂窝系统，作用距离从1km 到20km 经扩展可至100km;基站有效天线高度在30m 到200m 之间，移动台有效天线高度在1m 到10m 之间。其中Okumura-Hata 模型路径损耗计算的经验公式为：

terrain cell te te te c p C C d h h h f L ++-+--+=lg )lg 55.69.44()(lg 82.13lg 16.2655.69α

式中，f c （MHz ）为工作频率；h te （m ）为基站天线有效高度，定义为基站天线实际海拔高度与天线传播范围内的平均地面海拔高度之差；h re （m ）为终端有效天线高度，定义为终端天线高出地表的高度；d （km ）：基站天线和终端天线之间的水平距离；α(h re ) 为有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数，其数字与所处的无线环境相关，参见以下公式：

22(1.1lg 0.7)(1.56lg 0.8)(), 8.29(lg1.54) 1.1(), 300MHz,3.2(lg1.75) 4.97(), 300MHz,m m m m f h f dB h h dB f h dB f α---??-≤??->?中、小城市（）=大城市大城市

C cell ：小区类型校正因子，即为：

[]20, 2(lg /28) 5.4(dB), 4.78(lg )18.33lg 40.98(dB), cell C f f f ???=--??---??城市郊区乡村

C terrain ：地形校正因子，地形校正因子反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响，如水域、树木、建筑等。合理的地形校正因子可以通过传播模型的测试和校正得到，也可以由用户指定。本实验中选择了相对简单的中小城市模型，其中的参量选择如下：

())8.0lg 56.1()7.0lg 11.1(---=c re c re f h f h α；同时0=cell C ，0=terrain C ，h_b=50 。

Okumura-Hata 函数表达如下：

function p=Okumura_Hata(f,h_m,d,c_t)

a=(1.1*log10(f)-0.7).*h_m-(1.56*log10(f)-0.8);

h_b=50;

c=0;

p=69.55+26.16*log10(f)-13.82*log10(h_b)-a+(44.9-6.55*log10(h_b ))*log10(d)+c+c_t;

End

其中工作频率 f 、移动台天线h_m 和c_t （即0=terrain C ）需要输入。

关于阴影衰落——本实验仿真选择服从0平均和方差16dB 的对数正态分布的函数。由于大尺度衰落由路径损耗和阴影衰落两部分组成，示例如下

for d1=0:0.005:2

n=normrnd(0,10.^1.6);

r=10.*log(n);

p1=Okumura_Hata(f,h_m,2-d1,c_t)+r; %5号基站服务

plot(d1,p1,'b.');

hold on ;

end ;

其中大尺度衰落变量p1=Okumura_Hata(f,h_m,2-d1,c_t)+r,

其中由以下表达实现r 产生正态随机数，然后和路径损耗相加，描点。

n=normrnd(0,10.^1.6);

r=10.*log(n);

这样从而实现两部分的组合。

关于建模设计思路——经过分析过后，建立模型，设计a 点为起始点坐标为0，b 点坐标为8，单位为km ，d 为ab 直线上从a 出发的距离。

仿真内容1——a到b的大尺度衰落

根据蜂窝理论可知，3

3≤

≤d时1号基站服务，

≤d时，5号基站服务，5

0≤

≤d时2号基站服务，同时又根据仿真计算情况细分成了6个路程段，具体函5≤

8

数表达实现如下：

for d1=0:0.005:2

n=normrnd(0,10.^1.6);

r=10.*log(n);

p1=Okumura_Hata(f,h_m,2-d1,c_t)+r; %5号基站服务

plot(d1,p1,'b.');

hold on;

end;

for d2=2:0.005:3

n=normrnd(0,10.^1.6);

r=10.*log(n);

p2=Okumura_Hata(f,h_m,d2-2,c_t)+r; %5号基站服务

plot(d2,p2,'b.');

hold on;

end;

for d3=3:0.005:4

n=normrnd(0,10.^1.6);

r=10.*log(n);

p3=Okumura_Hata(f,h_m,4-d3,c_t)+r; %1号基站服务

plot(d3,p3,'b.');

hold on;

end;

for d4=4:0.005:5

n=normrnd(0,10.^1.6);

r=10.*log(n);

p4=Okumura_Hata(f,h_m,d4-4,c_t)+r; %1号基站服务

plot(d4,p4,'b.');

hold on;

end;

for d5=5:0.005:6

n=normrnd(0,10.^1.6);

r=10.*log(n);

p5=Okumura_Hata(f,h_m,6-d5,c_t)+r; %2号基站服务

plot(d5,p5,'b.');

hold on;

end;

for d6=6:0.005:8

n=normrnd(0,10.^1.6);

r=10.*log(n);

p6=Okumura_Hata(f,h_m,d6-6,c_t)+r; %2号基站服务

plot(d6,p6,'b.');

hold on;

end;

仿真1结果分析：由图可知，其中损耗极小值出现的位置d=2（5号基站），d=4（1号基站），d=6（2号基站）都是基站附近位置，然后两个基站交接的区域是损耗较大的地方，与理论分析一致。同时观测两个边界a点和b点可知，随着距离基站的距离增大，损耗明显增大，也符合电磁波传播规律。其中下图1为考虑阴影衰落的路径损耗，图2为不考虑阴影衰落的路径损耗。

仿真内容2——S/I-距离的影响

经过分析之后了解S/I 为信干比，及有效信号功率和干扰信号之比，本实验中考虑对应的是邻频的6个小区的干扰，同时为计算简便做近似，认为频率都相同。此模型建立的关键点在于移动台与各个小区基站距离的计算，利用几何知识可得知，此外，为分析简便，只考虑大尺度衰落，即利用仿真1中得到的公式来作为传播损耗L ，从而计算移动台的接收功率r P ，基站功率都相同为t P 。

利用公式r t P P L /=可求得r P 。

从而由公式))/(lg(10/7654321r r r r r r r P P P P P P P I S +++++=可求得S/I-距离的关系。 根据计算情况又分成3段，d1=0:0.005:2；d2=2:0.005:4；d3=4:0.005:8。 具体函数表达实现，第一段d1如下：

for d1=0:0.005:2

n=normrnd(0,10.^1.6);

r=10.*log(n);

a1=2-d1;

b=2;

c=3.^0.5*2;

d_5=a1;

d_4=(a1.^2+b.^2+a1*b).^0.5;

d_6=d_4;

d_3=(a1.^2+c.^2+3.^0.5*a1*c).^0.5;

d_7=d_3;

d_2=6-d1;

d_1=4-d1;

p1=Okumura_Hata(f,h_m,d_1,c_t)+r;

p2=Okumura_Hata(f,h_m,d_2,c_t)+r;

p3=Okumura_Hata(f,h_m,d_3,c_t)+r;

p4=Okumura_Hata(f,h_m,d_4,c_t)+r;

p5=Okumura_Hata(f,h_m,d_5,c_t)+r;

p6=Okumura_Hata(f,h_m,d_6,c_t)+r;

p7=Okumura_Hata(f,h_m,d_7,c_t)+r;

pr1=pt/(10.^(p1/10));

pr2=pt/(10.^(p2/10));

pr3=pt/(10.^(p3/10));

pr4=pt/(10.^(p4/10));

pr5=pt/(10.^(p5/10));

pr6=pt/(10.^(p6/10));

pr7=pt/(10.^(p7/10));

sir=pr1/(pr2+pr3+pr4+pr5+pr6+pr7);

sir_1=10*log(sir);

plot(d1,sir_1,'b.');

hold on;

end;

d2段和d3段大致相同，在此不赘述。

仿真2结果分析，图中的两个极小值点对应的横坐标位置就是相当于5号基站和2号基站的位置，表明在5号基站和2号基站中心位置，干扰最强，S/I也最小；极大值点显然对应的是1号基站的中心位置，此时干扰最小，S/I也最大。分析两个边界可知，当移动台离基站距离都较远时，接收功率都很小，所以SIR也小于极小值。

仿真内容3——扇区化的影响

经过分析可知，一般是每个小区分成3个扇区，由于发射方向不是全方向，所以功率相对更加集中，所以对天线的发射功率需求更低，从而使得载干比得到提升，同频和邻频小区的干扰减弱。关于对路径损耗和阴影衰落影响，只是在小区内部会有不同扇区的切换，若考虑三个扇区天线的发射功率都相等，则不会对路径损耗和阴影衰落不会产生多余的影响。

仿真内容4——对切换和用户数的研究

当移动用户处于通话状态时，如果出现用户从一个小区移动到另一个小区的情况，为了保证通话的连续，系统要将对该MS的连接控制也从一个小区转移到另一个小区，这种将正在处于通话状态的MS移动到新的业务信道上（新的小区）的过程称为“切换”。切换的发生通常要满足以下两个原因中的一个：

①信号的强度或质量下降到由系统规定的一定参数以下，此时移动台被切换到信号强度较强的相邻小区；

②由于某小区业务信道容量全被占用或几乎全被占用，这时移动台被切换到业务信道容量较空闲的相邻小区。

通常情况下，第一种原因引起的切换是由移动台由一个小区转移到另一个小区时发起的，第二种原因引起的切换是由于当前用户数过多，超过了小区的容量，从而上级发起，将移动台的服务小区切换到相邻空闲小区。每个小区有自己的容量。当用户数小于容量时，即基站能给用户同时提供服务，此时不会对通信产生影响；当用户数大于容量时，基站不能满足用户的要求时，就要寻求周边小区为用户提供服务，在周边小区选择一个最佳基站进行服务。

下面就是通过仿真直观的展现何时应该进行切换。

由最初的建模设计，可简化认为移动台由a到b移动过程中，服务基站只可能是5号1号和2号基站，因此此项仿真内容的设计思路就是分别对3个基站服务做出相应的路径损耗图，从而通过对比来表现切换的过程。

下图中左图为自动默认切换的路径损耗图，右图中红色线为服务基站始终为5号基站时的路径损耗图，黄色线为服务基站始终为1号基站时的路径损耗图，蓝色线为服务基站始终为2号基站时的路径损耗图，分析左右图可知，其中交叉点进行应该切换，从而实现最强信号接收，即如左图自动切换所示。

如下两图为仿真结果：

仿真内容5——分析天线高度对路径损耗的影响

本次仿真分析利用Okumura-Hata模型分别讨论移动台天线确定时基站天线高度对损耗的影响以及基站天线高度确定时移动台天线高度对损耗的影响。

本实验设计了两个函数Okumura_Hata和Okumura_Hata2，其中利用Okumura_Hata函数研究对基站天线高度确定时移动台天线高度对损耗的影响——其中Okumura_Hata函数为基站天线高度确定h_b确定为50m，仿真中对移动台天线高度分别取1、5、10m时得到的三个路径损耗曲线图，其中黄色为h_m为1m，蓝色为5m，红色为10m；由图中可知移动台天线高度越高，损耗越小，信号接收强度越大。但是现实中为了便携性又不得不将天线做的较短。

利用Okumura_Hata2函数进行对移动台天线确定时基站天线高度对损耗的影响——移动台天线高度确定为1m，仿真中对基站天线高度分别取50、100、200m，得到三条损耗曲线图，其中黄色为h_b为50m，蓝色为100m，红色为200m；由图分析可知同样是基站天线高度越高，损耗越低，移动台信号接收越好，因此，我们为了获得较低的损耗和较低的基站发射功率，可以将基站天线做的较高，实际中也比较容易实现。

仿真内容6——分析不同站距对路径损耗的影响

本次仿真模型设计过程中，认为ab 之间距离固定，且认为ab 连线中心和小区簇中心重合即，1号基站的中心位于ab 连线的中点，然后采用不同的站间距，这样分别取站间距d 值为1km 、2km 、3km 时路径损耗进行仿真。下图即为仿真结果，其中红色为站间距d=3km 时的损耗图，黄色为d=2km 时的损耗图，蓝色为d=1km 时的损耗图。

由对图中分析可知，在大约3.5到4.5之间三种站间距的损耗相同，原因是设计模型之初认为ab 距离确定，同时小区簇中心与ab 连线中心重合，因此无论站间距为多少，对中间小区附近的影响基本一致。同时，观察图中结果可知，站间距越小则在小区边缘的损耗峰值越小，站间距越大，小区边缘路径损耗峰值越大，可知，在考虑邻频和同频干扰的同时，站间距设计尽可能小从而使得小区边

缘对信号发射功率的需求尽可能小。

仿真内容7——计算沿该路径的多普勒频移 多普勒频移的计算公式为αcos ?=f cv f d ，其中()

22cos h d d ?+=α， 其中站间距设计为2km ，c 为光速，v 为移动台的移动速度，此处设计为60km/h ，f 为工作频率，设计为900MHz ，d 为基站到移动台距离，其中m h b h h __-=?，h_b 设计为50m ，h_m 设计为1m 。其中仿真的关键在于求d ，同样采用分段方法求解，思路与求路径损耗的分段方式大致相同，在此不赘述，工程文件中m 文件有详细解释。

下图即为仿真结果，分析可知，在小区中心基站附近，ɑ角近似为90°，则α

cos近似为0，显然多普勒频移约等于为0 ，在小区边缘附件，ɑ角达到最小，从而多普勒频移的绝对值达到最大值。由图可知，其中多普勒频移有正有负，是因为当移动台远离基站移动时，ɑ角大于90°，α

cos值会小于0 。

三、实验总结

本次课程设计是对移动通信方面的阴影衰落与Okumura-Hata模型路径损耗相结合,并用matlab进行仿真,由于对matlab不熟悉所以费了不少功夫去了解matlab的函数表达和仿真操作,并结合资料和同学的帮助完成了这次实验.我认为这次实验中的小区切换是比较重要的部分,其中移动台到各个基站和小区的信号是仿真比较困难的地方,需要细致的去思考.对于模型尽量简单化和近似化,对于分析天线信号的影响取了一些理解的值进行仿真和建模.基本能够完成实验的要求,但是不足之处还是有很多,以后对于移动通信方面的小区模型、路径损耗、阴影衰落还应该多多关注和学习.

最后,我觉得这个课程设计设置的很好,能够锻炼我们的思维和动手能力,并对通信方面的实际应用进行一些思考,同时让我比较好的掌握了matlab软件,算是一举多得了.