作者：朱春华　姚金魁　杨铁军

来源：《无线互联科技》2015年第16期

        摘要：通过信道建模以预测电波传播特性是构建无线通信的基础。文章简要介绍了统计性和半确定性建模方法，较为详细的论述了确定性建模方法，并概述了各方法的主要分类，列举了各类型中经典的信道模型，最后指出了3种方法的优缺点。

        关键词：无线通信；信道建模；研究方法

        无线通信数据信息主要是以无线电波为载体通过无线信道来传输的，由于无线信道所在环境复杂多变，这就导致电波会以不同的传输方式（直射、反射、散射等）到达接收点，从而使接收信号与发射信号并不相同。因此，只有精确预测无线信号的电波传播特性，例如路径损耗（path loss）和延迟扩展（phase delay），才能为无线网络提供合理设计、部署和管理策略。无线信道模型是对无线信道的一个抽象描述，它能够很好的反映实际环境中信号的传输规律，为无线网络的规划优化、无线系统的设计、测试和定型提供重要的参考依据，已经成为近年来研究的热点。

        截至目前，对无线信道的研究已取得了巨大的成果。通过总结可以得出，无线信道建模的方法可以分为3种，即统计性建模方法、确定性建模方法以及半确定性建模方法。

        1.统计性建模方法

        统计性建模方法也称为参数建模法，主要依赖于信道测量，是基于无线信道的各种统计特性建立的信道模型。该方法通过对某一区域进行实际测量，从大量的实测数据中归纳出信道各种重要的统计特性，来得到无线传播的经验公式，并以此运用到实际传播环境中其他建筑材料结构相似的区域。

        统计性建模方法可细分为参数化的实际统计建模方法和基于物理传播的理论建模方法。参数化统计建模方法将接收信号视为许多电磁波的迭加，以构建信道衰落的特征。将通过直射、反射和散射等方式传播的射线用幅度、时间、空间三维坐标上的脉冲序列来表示，直接对时延扩展、多普勒扩展和角度扩展等参数进行建模。这类模型有广义平稳非相关散射（WSSUS）模型和Clarke模型。基于物理传播的理论建模方法通过描述传播环境中存在的散射体的统计分布，利用电磁波传播的基本规律构建衰落信道模型。该方法主要应用在MIMO信道的研究中，主要借助一些重要物理参数如到达角（AOA）、离开角（AOD）与到达时间（TOA）等描述信道特征与散射分布。

        根据无线信道测量的侧重点和所采取的方法的不同，统计性建模又可以分为信道冲激响应建模和随机信道建模。信道冲激响应建模侧重于无线信道多径衰落，建立的模型多为抽头延迟线模型。这类模型包括S-V模型、SIRCIM模型、△-K模型等，分别适用于不同类型的环境。随机信道建模法多用于窄带通信系统的建模，主要是预测一个大范围内的信号强度变化规律或概率密度函数。这类模型主要有目前比较成熟的瑞利衰落模型、莱斯衰落模型以及对数正态衰落模型、Suzuki模型、Clarke模型，将莱斯模型和对数正态衰落模型进行组合的莱斯对数正态模型等。

        2.确定性建模方法

        确定性建模方法是利用传播环境的具体地理和形态信息，依据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模型。该方法要求得到非常详细的信道环境信息，如地理特征、建筑结构、位置和材料特性等，环境描述的精度越高，确定性模型越接近实际传播情况。与统计性建模的主要区别是确定性建模不需要进行大量的实测，只需传播环境的详细信息就可对信号的传播做出较为精准的预测。由于计算量的，确定模型方法大多应用于如室内等较小范围的信道建模。常用的确定性建模方法包括射线跟踪法和时域有限差分法（FDTD）。

        2.1射线跟踪法

        射线跟踪方法最早出现在20世纪80年代初，常用于近似估算高频电磁场。它的基本原理是几何光学（Geometric Optic），认为电磁波的能量可以通过直径无限小的射线向外辐射。但由于在几何光学中，只考虑直射、反射和折射射线，而无绕射射线，因此引入几何绕射理论GTD（Geometric Theory of Diffraction）和一致性绕射理论UTD（Uniform Theory of Diffraction）来补充。

        射线跟踪法的基本思想是：将发射点视为点源，其发射的电磁波作为向各个方向传播的射线，跟踪每条射线，考虑所有通过直射、反射、散射等传播方式到达接收机的射线，将这些射线的场强矢量叠加，就可得到接收点处的信号强度、相位、方向等信息，从而实现传播预测。

        射线跟踪法将射线的跟踪分为3个部分：射线发射、射线跟踪和射线接收。因此该方法一般分3步进行：

        （1）以发射天线为原点确定发射角构造射线集；（2）对发射射线集的每根射线进行跟踪，记录每条射线的传播路径，当射线场强小于接收场强阈值或射线反射次数大于规定值时停止追踪；（3）把所有到达接收点的射线场强矢量叠加即可得到总的接收场强。

        实际应用中，射线跟踪技术主要包括镜像法、射线发射以及射线管的射线跟踪技术。一般对于复杂度不是太高的环境多采用镜像法来确定射线的传播路径。

        射线跟踪法有正向和反向2种算法。两者的主要区别是正向射线跟踪算法是由源点出发，而反向射线跟踪算法的思想是由接收端场点出发。正向射线跟踪算法的优势在于快速有效、方法简单易实现；反向射线跟踪算法的优势在于精确度高。在实际中一般多采用正向射线跟踪算法。

        2.2时域有限差分法

        时域有限差分法（FDTD）算法是K.s.Yee于1966年提出的，经过多年的研究，FDTD在电磁兼容分析、微波电路的时域分析、天线福射特性等问题上取得了丰硕的成果，是目前应用较为广泛的计算电磁方法。其基本思想是将麦克斯韦电磁方程在时域内用二阶的差分方程描述，这样就能够用差分迭代的方法来求解电磁波的传播问题。差分格式、解的稳定性、吸收边界条件是FDTD算法的3大要素。FDTD算法采用基于差分原理的差分方程的形式，以差分方程组的解来代替原来电磁场偏微分方程组的解，要使代替有意义，离散后差分方程组的解必须是收敛和稳定的，只要能够给出求解问题的合适的边界条件，就可以用FDTD分析求出包含时间变量的电磁问题中的解。

        由于FDTD是在Maxwell方程组的基础上进行分析，因此能够充分描述电磁波的传播特性，精度较高，但该方法需要详尽的传播环境细节，未知量较多，求解算法较复杂，从而会消耗较多的计算资源。该方法通常用于小尺寸的问题。

        由于FDTD方法需要大量的存储空间来保持对区域内所有物体的分辨率，因而通常与射线跟踪法混合，基本思想是用射线追踪法处理较大范围的区域，而用FDTD处理那些用射线追踪法精度不高且靠近具有复杂材料特性的小范围区域。

        虽然确定性建模方法算法复杂，消耗资源较大，但随着电子设备的不断更新换代，计算机的计算能力及速度得到大幅度提升，处理高强度算法己不再是难题，因此，鉴于其高精度优势，该方法成为当前电波传播领域主要的研究方向。

        3.半确定性建模方法

        半确定性建模方法介于统计性建模和确定性建模之间，融合了两者的优点，复杂性低，而且能较好符合于实际环境，对大多数的无线信道模型能够进行准确的计算。是基于把确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的公式中，有时为改善它们的精度，使其保持和实验结果的一致性，需根据实验结果对公式进行适当的修正。半确定性建模方法主要有随机几何建模方法和相关矩阵法。

        随机几何建模方法是对确定性模型中的射线追踪法的一种简化，其不需要信道环境的详细参数。该类模型主要有COST259模型，IMT Advanced模型，以及SCM/SCME模型、WINNER信道模型等。

        相关矩阵法体现了空间信道之间的相关性，利用实际测量的数据或信道统计信息得到空间信道的路径时延、出入射角等参数，然后由这些参数推出信道空间相关矩阵。利用相关矩阵法建立的信道模型有Kronecker模型，VCR模型和weichselberg模型、3GPPLTE信道模型和IEEE802.11n信道模型等。

        4.结语

        好的信道模型对于准确预测无线电波的传播特性，无线通信系统的架构及其重要。本文介绍了目前比较成熟已得到广泛应用的3种信道建模方法，指明了各方法的优势及弊端。在具体实际应用中，应综合考虑具体的环境、条件以及要求有针对性的选择最有效的方法，使所建模型在满足需求的前提下最大节约成本。当然，随着研究的进一步深入，必定会出现更为高效的建模方法，充分发挥低复杂性和高精度的优势，为无线通信系统的设计和规划提供更为科学的依据。下载本文