无线衰落信道建模仿真软件设计

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
图 1：系统框图
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： 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，
值 E=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 E=0，多普勒随
机偏移量 f=10Hz。可得如下仿真结果：
（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。
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。
引入辅助函数：
（6） 在对于多普勒功率谱密度的情形中，即
，以如下形式表示 ：
2.2 多径时延参数计算
（8）
每个独立自相关的归一化随机过程第 k 时
刻的值为 多径时延为 径的信道衰落因子为
；第 k 时刻 L 个随机 ；第 k 时刻直射路
：
（10） 其中， 为直射径的路径增益， 为多
普勒频移， 表示初始相位。通过以下方法
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（MEA）。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<f ≤ fn 的 频 率 范 围 内，S(F) 的 面 积
等于
，即对于所有的
有：
（5） （2）对于离散多普勒 fn 的一个显示计算，
（3） 其中 L 为可分辨多径数目， 为利用采 样周期归一化后时变的各径时延， 为不同
簇径信号的随机复衰落。
因此无线信道的快速仿真也变得更加重要。
2 模型参数计算
目前，相对简单高效的信道仿真方法包
图 2：软件流程图
如果 的反函数（以 表示）存在，那么
对于所有 给出：
，离散多普勒频率 fn 如下
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。
• Software Development 软件开发
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
摘
本 文 采 用 SOS 方 法 和 延 迟
抽头模型对坦衰落信道和频率选 要 择 信 道 进 行 建 模 和 仿 真。 基 于
Matlab GUI 搭建用于多种情况下
快 速 模 拟 无 线 信 道 的 软 件 平 台，
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，
可得第 k 时刻各径时延 ：
（1）获得随机矢量
;
且随机均匀分布；
（2）
，
。
3 基于GUI无线信道仿真软件设计
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由大学生创新创业训练计划支持，项目号为 2018CX00422。
3.2 软件测试及结果分析
图 3：软件界面 图 4：平坦衰落仿真结果
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
Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程 • 59
• 软件开发 Software Development
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。
（1） 式中 s(t)，r(t) 表示发送信号和接收信号； 表示信道时变复合衰落，包括阴影衰落和 多径衰落因素；n(t) 表示等效的信道噪声，通 常设为高斯白噪声。系统框图如图 1 所示。 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：
（2） 其中，N 表示不可分辨散射支路数目；cn
该 平 台 实 现 了 用 户 参 数 设 置、 信
道产生和信道特性输出等图形化
直 观 显 示 的 功 能。 经 测 试 比 对，
该 软 件 输 出 的 概 率 密 度 函 数、 多
普勒功率谱等信道统计参数与理
论 值 基 本 吻 合， 平 均 误 差 值 近 似
为 0.8%。
【关键词】无线衰落信道 仿真软件 GUI