无线网络仿真技术

传播模型理论

经验传播模型

Okumura-Hata：是无线通信领域非常经典的经验传播模型，根据大量实测数据建立经验公式

路径损耗主要由以下决定

频率
基站高度
用户终端高度
距离
城市 / 郊区 / 农村

城市环境的经典 Hata 公式可以写成

$$ L_u=69.55+26.16\log_{10}(f)-13.82\log_{10}(h_b)-a(h_m)+[44.9-6.55\log_{10}(h_b)]\log_{10}(d) $$

参数	意思
$f$	无线信号频率
$h_b$	基站天线高度
$h_m$	手机/移动台天线高度
$d$	基站到用户的距离
$a(h_m)$	移动台高度修正
$L$	最终路径损耗

Hata 首先建立一个城市 Urban 基准模型

然后通过修正得到：

Urban：城市
Suburban：郊区
Open Area：开阔地区

但这只能是经验模型，无法根据地形修正

COST-231 Hata：Hata 模型向更高蜂窝频段扩展的经典版本

$$ L_u=46.3+33.9\log_{10}(f)-13.82\log_{10}(h_b)-a(h_m)+[44.9-6.55\log_{10}(h_b)]\log_{10}(d)+C_m $$

保留 Hata 的整体结构，把它扩展到更高的蜂窝频率范围，并增加城市类型等修正

修正后的路损公式：

$$ L_{\mathrm{path}} = L_u - a(h_m) + C_m $$

在 COST-231 Hata 模型中，中小城市常用

$$ a(H_m)=\left(1.1\log_{10}f-0.7\right)H_m-\left(1.56\log_{10}f-0.8\right) $$

$C_m$ 是主要修正的值，根据不同场景使用不同的值

蜂窝标准模型

3GPP TR 38.901 覆盖 0.5–100 GHz 的信道建模

缩写	全称	含义
RMa	Rural Macro	农村宏站
UMa	Urban Macro	城市宏站
UMi	Urban Micro	城市微站
InH	Indoor Hotspot	室内热点

3GPP 的目的就是让不同研究者在评估现代蜂窝物理层技术时使用统一、可比较的信道模型框架

射线追踪传播模型

射线追踪明确涉及建筑遮挡、反射、散射、穿透建筑和多径传播等机制

在真实城市种，基站到手机可能存在很多条路径，Ray Tracing 的核心工作，就是把这些可能的传播路径找出来，然后分别计算

主要做以下几类追踪：

Direct Path：直射，LOS[Line of Sight，视距传播]，没有障碍物遮挡，通常信号最强
Reflection：反射，即使手机看不到基站仍然可能通过旁边建筑的反射收到信号
Diffraction：衍射，即使中间有建筑物或者山将信号遮挡，但无线电波可以绕到障碍物后面。频率越高，波长越短，衍射能力就越弱

$$ \nu=h\sqrt{\frac{2}{\lambda}\left(\frac{1}{d_1}+\frac{1}{d_2}\right)} $$
$h$ 是障碍物相对 LOS 直线的高度
Fresnel–Kirchhoff 单刀刃绕射损耗

$$ J(\nu)=6.9+20\log_{10}\left[\sqrt{(\nu-0.1)^2+1}+\nu-0.1\right] $$
在刀刃恰好位于 LOS，也就是 $\nu = 0$ 时也有一部分损失，可以用以下条件判断是否产生衍射附加损失
$$ \boxed{\nu\le -0.78} \rightarrow \boxed{h\le -0.55r_1} $$
工程上保守使用
$$ \boxed{h\le -0.6r_1} $$
如果想要充分考虑，需要先计算 LOS，然后判断该位置的建筑高度 $h$ 是否超过 LOS
$$ \boxed{r_1=\sqrt{\frac{\lambda d_1d_2}{d_1+d_2}}} $$
$r_1$ 是第一菲涅耳区半径，如果建筑有很多个栅格，需要利用最大的建筑高度计算
Transmission：穿透，手机在室内，需要穿过墙、窗，但会有不同的额外损耗
Scattering：散射，墙不是平滑的，会发生漫反射

手机接收到的不是一条波，而是多个波的叠加，不同波之间有时延(导致相位差)、强度差，不同波的叠加可能会发生相长干涉和相消干涉

传播模型校正

通过 CW(连续波测试) 和 DT(路测) 测试用于传播模型校正

	CW	DT
全称	Continuous Wave	Drive Test
发射源	专门测试发射机	真实基站
信号	单一连续波	LTE/5G真实信号
发射功率	通常严格已知	受实际配置影响
网络负载影响	基本没有	有
干扰影响	可控/较小	有
调度影响	没有	有
传播模型校准	非常适合	可以，但更复杂
网络优化	不主要做	非常适合

经验模型默认使用最小二乘校正

射线追踪模型默认使用粒子群校正算法

使用 RMSE 进行评价

无线网络仿真

网元建模

SCS：子载波间隔
SC：子载波
RB：资源块

在 5G NR中：

$$ \Delta f = 15\times 2^\mu\ \text{kHz} $$

其中 $\mu$ 是 numerology 参数：

$\mu$	SCS	1 RB 带宽
0	15 kHz	180kHz
1	30 kHz	360kHz
2	60 kHz	720kHz
3	120 kHz	1.44 MHz

一个 RB 固定有 12 个子载波，所以一个 RB 在频域上的宽度

$$ B_{\text{RB}}=12\Delta f $$

若系统共配置 $N_{\mathrm{RB}}$ 个 RB，则所有 RB 对应的频域带宽为

$$ B_{\text{occupied}}=N_{\text{RB}}\times12\times\Delta f $$

需要注意：

$$ B_{\mathrm{occupied}}\neq B_{\mathrm{channel}} $$

其中 $B_{\mathrm{channel}}$ 为配置的信道带宽，这是因为信道带宽两侧还需要预留一定的保护带

例如：

$$ B_{\mathrm{channel}}=100\text{ MHz}\quad \Delta f=30\text{ kHz} $$

对应 $N_{\mathrm{RB}}=273$ 因此实际占用带宽为

$$ 273\times12\times30\text{ kHz}=98.28\text{ MHz} $$

NR-ARFCN（NR Absolute Radio Frequency Channel Number） 用一个整数编号表示 NR 的射频参考频率位置

NR-ARFCN 与频率之间的换算关系为

$$ F_{\mathrm{REF}}=F_{\mathrm{REF-Offs}}+\Delta F_{\mathrm{Global}}\left(N_{\mathrm{REF}}-N_{\mathrm{REF-Offs}}\right) $$

其中：

$N_{\mathrm{REF}}$：NR-ARFCN
$F_{\mathrm{REF}}$：NR-ARFCN 对应的射频参考频率，通常接近/等于载波中心频率
$\Delta F_{\mathrm{Global}}$：全局频率栅格步长
$F_{\mathrm{REF-Offs}}$：参考频率偏移
$N_{\mathrm{REF-Offs}}$：NR-ARFCN 编号偏移

在传播建模、覆盖仿真或射线追踪中，通常可以将该射频参考频率作为载波中心频率

频率范围	NR-ARFCN 范围	ARFCN 步进($\Delta F_{\text{Global}}$)
0 ～ 3000 MHz	0 ～ 599999	5 kHz
3000 ～ 24250.08 MHz	600000 ～ 2016666	15 kHz
24250.08 ～ 100000 MHz	2016667 ～ 3279165	60 kHz

这套全局栅格是 3GPP 标准定义的

因此可以通过 NR-ARFCN 得到仿真所使用的载波频率

进而得到信道的最低频率和最高频率

$$ f_{low}=F_{\mathrm{REF}}-\frac{B_{\mathrm{channel}}}{2}\\ f_{high}=F_{\mathrm{REF}}+\frac{B_{\mathrm{channel}}}{2} $$

                 Channel Bandwidth
            <------------------------->
           
        f_low           f_c          f_high
          │              │              │
          ▼              ▼              ▼
──────────┼──────────────┼──────────────┼──────────► f
                         │
                       F_REF

             <------ B_occupied ------>

先由 3GPP 规定的频率映射关系得到 $F_{\mathrm{REF}}$ 再计算最低频率和最高频率，才进入子载波计算