无线衰落信道建模仿真软件设计

文/张如楠 王亚文 朱秋明 陈小敏

随着现代无线通信不断发展，5G、物联网等等技术呼之欲出，信息与通信产业也已经成为我国经济发展的支柱型产业。而信道作为无线通信系统中的重要一环，无线信道的特性也就受到广泛关注。当前，随着无线通信应用场景的不断拓展，信道所面临环境越来越复杂，因此无线信道的快速仿真也变得更加重要。

目前，相对简单高效的信道仿真方法包括滤波法和SoS ( Sum-of-Sinusoids)。由于滤波法需要多次内插，复杂程度高。SoS及其改进方法由于运算量相对小，性能高效并且硬件容易实现而被广泛使用。

本文简要介绍了无线信道衰落的系统模型，仿真方法，并简要说明无线信道模型参数计算方法。基于上述模型，设计Maltab平台无线信道仿真软件。该软件的创新性在于将函数模块化，通过GUI界面调用各个模块，软件操作简单，方便用户快速设置场景参数并能直观观测仿真结果。

1 信道模型

信号在传输过程中会有包括噪声、路径损耗、平坦衰落和频率选择性衰落的影响。而其中噪声和路径损耗一般是已知确定的，平坦衰落可用瑞利、莱斯和Nakagami等模型模拟，频率选择性衰落可由多径平坦衰落相加得到。所以，本文对两种衰落进行模拟仿真的系统模型如下：

对于平坦衰落，本文采用的仿真模型为SOS仿真模型。该模型可表示为：

其中，N表示不可分辨散射支路数目；cn表示路径增益；fn表示多普勒频率；θn表示初始相位，且服从的均匀分布。

对于频率选择性衰落，本文采用的仿真模型为离散延迟抽头模型。该模型第k时刻冲激响应可表示为：

2 模型参数计算

2.1 离散多普勒频率参数计算

本文SOS仿真模型参数计算方法将采用等面积方法（MΕA）。令确定离散多普勒频率fn：

（1）将多普勒功率密度S(F)的面积N等分；在fn-1

（2）对于离散多普勒fn的一个显示计算，引入辅助函数：

图1：系统框图

图2：软件流程图

2.2 多径时延参数计算

3 基于GUI无线信道仿真软件设计

3.1 软件设计方案及实现

Matlab软件具有数值分析、矩阵运算和图形化处理等强大功能，已被广泛应用于通信领域的仿真与实验。用MatlabGUI可视化工具开发的无线信道模拟平台，利用面向对象的技术，将较复杂的信道模拟与特征参数统计等模块封装成对象函数，通过GUI组件编程实现各模块的调用和链接，从而简化整个系统的仿真模型。

本次研制软件的仿真实现流程如图2所示。在系统参数设置模块中，使用者可自行设置采样率、移动速度、波长、仿真时间等参数；在信道参数设置模块中，需要用户手动设置，分为平坦衰落仿真和频率选择模型仿真两部分。

（1）平坦衰落信道部分可先生成衰落信道，再生成常见功率谱，二者独立显示。生成时需要选择相应类型和输入重要变量值。

（2）频率选择信道部分只需要输入时延和多径数，则可在界面右侧得出相应时域、频域图形，有助于深入研究了解信道特性。

演示平台见图3，其主要分为三个模块，即系统参数设置模块，平坦衰落信道模块和频率选择信道模块。该信道仿真软件支持用户输入各种信道参数，以产生需要的信道衰落，比如瑞利衰落、莱斯衰落、Nakagami衰落和阴影衰落等多种衰落形式。同时该系统的各个模块相互独立，有利于二次开发。

3.2 软件测试及结果分析

首先设置系统参数：采样率f=100Hz，仿真时间T=20ms，移动速度v=1m/s，波长λ=50m。

（1）以平坦衰落信道为例，假设为瑞利信道，设置平坦衰落参数：类型为瑞利，均值Ε=0，方差莱斯因子k=2，多普勒随机偏移量f=10Hz。设置常见功率谱参数：DPSD=rounded（圆），均值Ε=0，多普勒随机偏移量f=10Hz。可得如下仿真结果：

如图4所示，FadingType部分，上图为瑞利衰落的时域图形，下图为该产生衰落信道的概率密度函数。DPSD部分，上图为Rounded spectrum的时域图，下图为仿真功率谱。该软件将仿真数据和理论数据都在图上表示出来，通过将各点值与理论值之差相加并求其均值，可得平均误差为0.008，因此该仿真结果与理论数据吻合较好，验证了仿真模型的准确性。

（2）测试频率选择信道仿真模块，设置参数如下：

时延=100，径数=2；时延=100，径数=6；

图3：软件界面

图4：平坦衰落仿真结果

图5：频率选择信道仿真

分别测试，可得不同径数的时域和频域频率选择信道图，见图5。

经过无线信道软件仿真，频域波形表现出信道的频率选择特性。通过对比两幅波形，四个径的叠加使频率选择性更为明显，这也证明该模拟信道具有良好的频率选择性。

4 结语

对于复杂环境下无线信道的测试困难，成本高昂，使得实际测试难以迅速开展。目前，无线信道的理论模型和建模仿真的实现方法都已经成熟，这为无线信道的模拟提供了基础。本文利用Matlab和GUI工具仿真平坦衰落信道和频率选择性衰落，并将信道衰落波形、概率密度函数、功率谱密度等信道特性直观的显示。通过计算机模拟测试了解系统中各变量对通信情况的影响，观察通信情况变化的全过程，模拟现实复杂情景，在无线通信领域有效的降低了系统研制成本，提高了实际通信信道设计中的性能。另外，利用面向对象的编程方法，每个仿真功能都模块化实现，使得其具有可扩展性，可以不断完善和扩充，或与其它仿真系统模块组合，构建更为完整的无线通信仿真系统。