多场景无线通信信道模型仿真系统

资 源 简 介

本项目通过MATLAB编程实现了多种主流无线移动通信信道模型的仿真与性能评估。内容涵盖了基础的自由空间路径损耗模型，以及广泛应用于室外宏蜂窝规划的Okumura-Hata模型。针对城市微蜂窝场景，项目详细包含了COST231-WI模型（分为视距LOS与非视距NLOS两种情况）和COST-231 Hata扩展模型。此外，系统还集成了表征多径衰落特性的Rayleigh（瑞利）衰落信道模型，能够模拟复杂环境下的信号幅度波动。通过对不同频率、天线高度、街道宽度及传输距离的参数化配置，该仿真系统能够精确计算并在同一

详 情 说 明

基于MATLAB的多场景无线通信信道模型仿真系统

项目介绍

本项目是一个集成化的无线通信信道仿真工具，旨在通过数学建模与统计仿真的方法，评估不同地理环境下电磁波的传播特性。系统涵盖了从大尺度路径损耗到小尺度多径衰落的完整仿真链路，通过参数化配置实现了对城市、郊区、农村及中微蜂窝场景的精准模拟。该工具能够直观展示信号功率随距离波动的规律，是现代移动通信基站规划、链路预算和覆盖预测的有效仿真平台。

功能特性

• 多模型集成对比：在同一坐标系内直观对比自由空间、Okumura-Hata（城市/郊区/农村）、COST231-Hata、COST231-WI等多种经典传播模型的损耗特征。
• 物理场景精细模拟：支持对基站与移动端天线高度、工作频率、街道宽度、建筑物间距、屋顶高度及波束入射角等精细化参数的调整。
• 大尺度衰落分析：实现了针对宏蜂窝和微蜂窝环境的路径损耗计算，涵盖了视距（LOS）与非视距（NLOS）两种传播条件。
• 小尺度衰落仿真：集成了瑞利（Rayleigh）衰落模型，能够通过统计方法模拟信号包络的随机波动。
• 多维度结果可视化：提供路径损耗曲线对比图、二维区域信号功率分布云图以及衰落概率密度统计图。
• 自动化测试报告：系统运行后自动输出关键频率点及特定距离下的链路预算数值报告。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 在脚本编辑器中设置系统初始参数，如工作频率、天线高度以及需要仿真的地理环境参数。
3. 执行主仿真程序。
4. 观察弹出的可视化界面，分析不同模型在相同传输距离下的损耗差异。
5. 查看命令行窗口输出的实时仿真数据报告，获取定量分析结果。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 硬件环境：具备基本图形渲染能力的常规计算设备（用于展示3D功率分布图）。

功能实现逻辑说明

系统的核心实现流程分为参数定义、路径损耗计算、小尺度衰落模拟以及图形化展示四个阶段：

1. 参数定义阶段：设定仿真频率（如1500MHz）、天线有效高度（基站与移动台）、传输距离序列（0.5km至10km）以及反映城市稠密程度的形态学参数（街道宽、楼高等）。
2. 路径损耗模型计算：

* 自由空间模型：基于Friis定律的简化公式计算参考损耗。 * Okumura-Hata模型：计算移动台高度修正因子，分别应用城市、郊区、农村的修正偏移量。 * COST231-Hata模型：对高频频段（1500-2000MHz）进行扩展，加入大城市中心修正系数。 * COST231 Walfisch-Ikegami模型：基于波传播物理逻辑，计算自由空间损耗、房顶至街道衍射损耗及多屏衍射损耗。

1. 瑞利衰落模拟：利用正交分量法，通过生成两路相互独立的高斯随机过程构造复包络，并提取其幅度特征进行概率分布拟合。
2. 可视化与输出：将多维数据映射为坐标轴曲线与二维热力图。

关键算法与实现细节分析

• 天线高度修正算法：在Hata模型中，利用log10函数对频率和移动端高度进行非线性加权，实现了针对中小城市环境的$a(h_{ms})$修正因子计算。
• W-I模型衍射逻辑：

* 入射角修正：根据电磁波与街道的夹角（$phi$），在0度至90度之间分段应用$L_{ori}$修正函数。 * 非视距合成：综合考虑了自由空间损耗（$L_0$）与多尺度衍射损耗，并设置逻辑阈值保证总损耗不低于自由空间损耗。

• 区域功率场拟合：利用meshgrid函数构建二维平面坐标，并计算每个网格点距离基站的欧几里得距离，进而结合COST231-Hata模型派生出信号强度的空间分布阵列。
• 统计特性验证：为了验证瑞利衰落仿真的准确性，程序同步计算了理论的瑞利概率密度分布曲线（PDF），并与基于10000个采样点的仿真直方图进行拟合对比，确保随机过程模拟的严谨性。
• 边界条件处理：在多屏衍射（$L_{msd}$）计算中，通过条件分支判断基站高度与屋顶高度的相对位置，动态调整斜率因子$k_a$。