无线信道建模的研究方法简介

刘蕾蕾（南京邮电大学电子科学与工程学院 江苏 南京 210003）

0 引言

一切无线通信都是基于电磁波在空间的传播来实现信息传输的。电磁波在自由空间中的传播主要有直射、反射、散射和漫射四种方式，其结果使得到达接收机的接收信号与发送信号相比产生了一些变化。因此无线通信系统的性能会受到无线信道的制约，研究无线信道的传播特性也就成了构建无线通信系统的基础[1]。

1 建模方法的分类

一般来说，可以将建立无线信道传播模型的方法分成两大类：一类是统计测量法，该方法是信道建模的主流方法，可细分为参数化的统计建模方法和基于物理传播的建模方法等。统计测量方法通过在各种典型传播环境中进行的信道测量工作，从大量的测量数据中获取信道的特征表达，从而得到与系统参数以及环境参数有关的经验公式。经验模型的优点在于运算量小，易于仿真和刻画信道特征，但是易受到测试条件的限制，如信号带宽、天线配置与架设及测试环境等，信道与测试设备对测试结果的影响也难以分离。

另一类是是电磁场预测法，这类方法依据电磁波传播理论给出无线信道的确定性模型，目前主要有射线法、时域有限差分法和矩量法等方法。这类建模方法是在己知无线传播环境的具体细节情况下，利用电磁波传播理论或者光学射线理论来分析并预测无线传播环境的。与统计模型不同的是，确定性模型不用需要大量广泛的测量，而是需要指定环境的诸多细节以便对信号的传播做出准确的预测。由于计算量所限，确定模型方法大多应用于室内范围的信道建模。

2 基于测量统计的经验模型

2.1 参数化统计建模方法

参数化统计建模方法将接收信号描述为许多电磁波的迭加，以构建信道衰落的特征。建模中考虑到达空间上一系列点的主波，这些主波包括视距传播的射线和有主要物体反射或散射的射线，将这些射线用幅度、时间、空间三维坐标上的脉冲序列来表示。该方法不依赖与物理传播环境中的散射体分布状况，而是直接对时延扩展、多普勒扩展和角度扩展等参数进行建模。

广义平稳非相关散射(Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering,WSSUS）模型[2]是无线信道研究领域的基础理论模型。它利用具有时变冲激响应的线性滤波器结构描述线性时变随机无线信道。广义平稳非相关散射被认为是能够描述无线信道小尺度衰落的时延扩展与多普勒扩展的最简单的随机过程，故目前关于信道小尺度衰落建模的研究大多数都是基于WSSUS假设。Clarke模型[3]是基于电磁波线性叠加的随机信道模型。在各向同性和接收天线为全向天线的假设下，得到了接收信号包络服从Rayleigh分布这一重要结论。M.J.Gans推导了Clarke模型的多普勒频谱，被称为经典谱。经典的Clarke模型对于满足各向同性假设的情况，能够准确的描述无线信道对信号的影响且易于实现，因此到目前为止它仍然是应用最广泛的信道模型。

2.2 基于物理传播的统计建模方法

统计建模方法中，基于物理传播特征的建模方法通过描述传播环境中存在的散射物体的统计分布，利用电磁波经历反射、绕射和散射时的基本规律构建衰落信道模型。该模型的特征描述与多径传播环境下散射体或者发射体的位置分布状况有关。例如Okumura模型以平坦地形大城市的传播损耗为参考，对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正[4]。

基于物理传播特征的建模方法被广泛的应用在MIMO信道的研究中，主要借助一些重要物理参数描述信道特征与散射分布，其典型参数包括：到达角（AOA）、离开角（AOD）与到达时间（TOA）等。在不同的传播环境中，通常假设在用户端和基站端具有不同的散射体几何分布，常用的几何分布模型包括单环、双环、椭圆和扇形等，多数模型只假设电波传播经过散射体时发生了单反射过程[2][5][6]。

3 基于传播预测的确定模型

3.1 射线法

射线法信道建模是应用最广泛的确定性传播预测方法，它基于光学射线理论，结合一致绕射理论和几何绕射理论，在对传播环境利用几何体建模、并确定表面的电磁参数之后，对传播损耗进行预测，预测结果的精度主要取决于地理环境模型的精度以及表面电磁参数的精度。在假设无线电信号的波长足够小的前提下，将电磁波的传播近似为光学射线的传播，并将电磁波各种无线传播机制简化为发射、衍射和散射等主要机制，利用光学射线理论计算传播损耗。射线法模型能够获得比统计性模型更准确的传播预测，因此有大量的研究人员对此进行了广泛的研究，目前的研究主要集中在地理环境建模以及加速算法等方面。

3.2 时域有限差分法

用射线法建立的信道模型不能正确包括电磁波的绕射传播。时域有限差分法（FDTD）建模的方法利用电磁场传播理论来计算大尺度传播的功率损耗，综合考虑了所有的无线传播机制，因而能够得到最准确的结果，并且能预测宽带参数。它可以同时提供地图中所有区域的场分布，也能给出整个区域的信号覆盖信息。时域有限差分法的优点在于其准确性，但是需要明确的传播环境细节，包括地理特性、建筑物分布、物体表面的电磁特性等大量数据，并且要进行复杂的运算才能得到最终结果。由于FDTD方法需要大量的存储空间和巨大的运算量，它经常结合射线法技术以细化后者的结果。

4 总结

信道建模是一门结合了通信理论、电磁场及随机过程理论的交叉性学科。一个好的信道模型可以在某一个方面拟合真实的信道，为系统设计、仿真、评估提供参考。本文介绍了信道模型的两大分类及四种主要的研究方法。

［1］刘蕾蕾.MIMO/UWB无线信道特性研究与建模[D].2009.

［2］C.Oestges,V.Erceg,A.J.Paulraj.A physical scattering model for MIMO macrocellular broadband wireless channels[J].IEEE J.Select.Area Commun.,2003,21(5):721-729.

［3］H.Clarke.A statistical theory of mobile-radio reception[J].Bell Syst.Tech.Journal,1968,47:957-1000.

［4］Okumura T,Ohmori E,et al.Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile service[J].Review Electrical Communication Laboratory,1968,16(9-10):825-873.

［5］D.S.Shiu,G.J.Foschini,M.J.Gans,et al.Fading correlation and its effect on the capacity of multielement antenna systems[J].IEEE Transa.Wireless Commun.,2000,48(3):502－513.

［6］A.M.Sayeed,Modeling and capacity of realistic spatial MIMO channels[C].in Proc.of Inter.Conf.Acoustics,Speech and Signal Processing,2001,4:2489-2492.