基于漫散射的寬帶無(wú)線信道擴(kuò)展模型

基于漫散射的寬帶無(wú)線信道擴(kuò)展模型

無(wú)線信道模型近年來(lái)，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)入了帶寬和高頻帶技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)定義的IMT-Advanced系統(tǒng)帶寬可達(dá)100MHz,能夠在靜止或游牧?xí)r提供高達(dá)1Gbps的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)率。這使得無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域的研究者們迫切地關(guān)注適合100MHz的寬帶無(wú)線信道與其建模技術(shù)。只有獲取準(zhǔn)確的寬帶信道模型,才能更好地促進(jìn)寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的研發(fā)。信道建模的方法一般分為三大類:一是理想的統(tǒng)計(jì)模型,一般假設(shè)衰落信道是獨(dú)立同分布的復(fù)高斯信道,例如高斯廣義平穩(wěn)非相關(guān)模型和Saleh-Valenzuela統(tǒng)計(jì)模型。二是通過(guò)建立無(wú)線信道中的散射體幾何分布,采用射線跟蹤等方法來(lái)研究建模,如圓環(huán)分布模型、Gesbert的雙Rayleigh矢量信道模型、VonMises角度分布模型、雙環(huán)模型、三環(huán)模型。實(shí)際無(wú)線傳播環(huán)境遠(yuǎn)比模擬建立的散射環(huán)境復(fù)雜。近年來(lái),國(guó)際上越來(lái)越多的研究采用了基于實(shí)測(cè)的信道建模方法。該方法基于對(duì)無(wú)線信道沖激響應(yīng)的時(shí)-頻-空高精度測(cè)量,利用信道沖激響應(yīng)時(shí)延-功率譜等信道的物理特性建立參數(shù)化的信道模型數(shù)學(xué)表達(dá)式,然后采用參數(shù)估計(jì)方法從大量測(cè)量數(shù)據(jù)中提取信道模型參數(shù)。歐洲啟動(dòng)的ISTMETRA項(xiàng)目和ISTSATURN項(xiàng)目是這類方法的典型代表。國(guó)內(nèi)的研究者也十分重視無(wú)線信道研究工作,特別在基于實(shí)測(cè)的信道建模方面,開(kāi)展了IMT-Advanced頻段電波傳播路徑損耗測(cè)量建模、信道多徑特性測(cè)量以及性能分析等無(wú)線信道研究。電磁波信號(hào)主要通過(guò)直射、反射、漫散射傳播到達(dá)接收機(jī)。反射需要有較寬的反射面、合適的入射角,這使得接收到反射波的幾率較小。相對(duì)而言,在散射體較多時(shí),接收到漫散射波的幾率增加。漫散射波的能量可能較小,但其高密度的時(shí)延分布使得在建模時(shí)不能忽略它們的累加能量。一般地,信道沖激響應(yīng)的時(shí)延分辨率與信道帶寬成反比。傳統(tǒng)的窄帶信道沖激響應(yīng)時(shí)延分辨率較低,漫散射波的能量被淹沒(méi)在反射波中。然而寬帶信道沖激響應(yīng)的時(shí)延分辨率比窄帶信道高2～3個(gè)數(shù)量級(jí),漫散射的影響突顯出來(lái)。特別是在散射豐富的環(huán)境下漫散射現(xiàn)象尤為明顯,形成時(shí)延連續(xù)的漫散射能量分布。通過(guò)對(duì)這種漫散射效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量和建模,將可以建立一種高精度的寬帶信道模型。首先在第1節(jié)分析了傳統(tǒng)窄帶信道模型推廣到寬帶信道應(yīng)用的不足。并依據(jù)寬帶信道電波傳播直射、反射與漫散射特性,在傳統(tǒng)窄帶模型的基礎(chǔ)上提出了寬帶信道擴(kuò)展模型;第2節(jié)描述了100MHz寬帶信道的高精度測(cè)量,包括測(cè)試原理、測(cè)量設(shè)備、測(cè)試方法、以及測(cè)試場(chǎng)景;第3節(jié)給出了基于大量測(cè)試數(shù)據(jù)所獲得的100MHz帶寬的寬帶信道沖激響應(yīng),并提取了信道模型參數(shù),包括時(shí)延-功率譜、時(shí)延擴(kuò)展統(tǒng)計(jì)特性、漫散射指數(shù)分布特性參數(shù);通過(guò)實(shí)際測(cè)量結(jié)果與擴(kuò)展模型預(yù)測(cè)結(jié)果的比較分析,驗(yàn)證了寬帶信道擴(kuò)展模型的適用性。最后給出研究結(jié)論。1帶寬通信模型的導(dǎo)出1.1聲nw的組成傳統(tǒng)的實(shí)測(cè)窄帶信道沖激響應(yīng)模型主要是由參數(shù)為θ、時(shí)延τ離散的多徑p(θ,τ)和加性高斯白噪聲nw組成:h=∑τp(θ?τ)+nw(1)h=∑τp(θ?τ)+nw(1)nw是服從正態(tài)分布的零均值高斯白噪聲,nw～N(0,σ2nn2)(2)則信道沖激響應(yīng)h在時(shí)延τ時(shí)刻也是一個(gè)服從正態(tài)分布的過(guò)程:h(τ)～N[p(θ,τ),σ2nn2](3)1.2帶寬通信模型1.2.1傳統(tǒng)信道模型估計(jì)沖激響應(yīng)圖1中曲線描述的是城市熱點(diǎn)地區(qū)100MHz帶寬信道沖激響應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果。其中離散的直線表示采用傳統(tǒng)信道模型估計(jì)的沖激響應(yīng),其中離散的直射徑、反射徑的作用明顯。雖然估計(jì)的離散徑多達(dá)幾十條,仍舊不能描述圖中實(shí)測(cè)信道密集的時(shí)域沖激響應(yīng)能量分布現(xiàn)象。由此可見(jiàn),傳統(tǒng)的信道模型已經(jīng)不足以描述寬帶信道的特性,研究建立新的寬帶信道模型十分必要。1.2.2寬帶無(wú)線信道沖激響應(yīng)nw寬帶信道擴(kuò)展模型需要同時(shí)考慮時(shí)延離散的直射、反射波和高密度時(shí)延的漫散射波疊加的影響。首先,將高密度時(shí)延的漫散射效應(yīng)看作是在時(shí)域時(shí)延連續(xù)的沖激響應(yīng)能量分布。一般情況下,根據(jù)中心極限定理,假設(shè)該能量分布是均值為ψ、方差為σ2dd2的正態(tài)分布過(guò)程:hd(τ)～N[ψ(τ),σ2dd2)](4)式中,連續(xù)能量分布均值ψ起始于時(shí)延τd,隨時(shí)延呈指數(shù)衰減:ψ(τ)=α1·e-βd(τ-τd)τ>τd(5)式中,α1是在時(shí)延τd時(shí)刻漫散射能量值,βd定義為能量衰減系數(shù)。這樣,無(wú)噪聲的寬帶無(wú)線信道沖激響應(yīng)表示為離散多徑p(θ,τ)和連續(xù)能量沖激響應(yīng)hd共同作用的結(jié)果:h(τ)～N[p(θ,τ)+ψ(τ),σ2dd2](6)其均值是離散的直射或反射徑疊加上漫散射連續(xù)能量均值。在實(shí)際測(cè)量中,噪聲nw的影響是無(wú)法避免的。假設(shè)噪聲為加性高斯白噪聲,如式(2),則實(shí)際測(cè)量獲得的寬帶信道沖激響應(yīng)可以用下式表示:h(τ)～N[p(θ,τ)+ψ(τ),σ2dndn2](7)式中,方差σ2dndn2受漫散射連續(xù)能量方差和噪聲共同影響。2測(cè)量通道測(cè)量2.1測(cè)量沖激響應(yīng)時(shí)延假設(shè)t時(shí)刻信道的沖激響應(yīng)是h(t,τ),τ代表了在t時(shí)刻信道的多徑時(shí)延,則接收信號(hào)y(t)和發(fā)送信號(hào)x(t)之間關(guān)系可以表示為y(t)=x(t)?h(t,τ)(8)將式(8)變換到頻域:Y(f)=X(f)·H(f)(9)顯然,如果我們已知發(fā)送信號(hào)x(t),測(cè)得接收信號(hào)y(t),就可以通過(guò)式(10)獲得信道的沖激響應(yīng):h(t?τ)=F?1(Y(f)X(f))(10)h(t?τ)=F-1(Y(f)X(f))(10)受測(cè)量信道的帶寬和測(cè)量?jī)x器的采樣精度的限制,測(cè)量計(jì)算獲得的沖激響應(yīng)時(shí)延τ總是以一定間隔離散化的。離散時(shí)延τi處的沖激響應(yīng)是Δτ=τi-τi-1時(shí)延寬度內(nèi)所有沖激響應(yīng)的復(fù)能量疊加而成。所以測(cè)量獲得的信道沖激響應(yīng)可以表示為h(t?τ)=∑ih(t?τ)=∑i∫τiτi?1a(t?τ)ej?(t?τ)dτ?δ(τ?τi)](11)∫τi-1τia(t?τ)ej?(t?τ)dτ?δ(τ-τi)](11)式中,a(t,τ)和?(t,τ)表示在t時(shí)刻時(shí)延為τ的沖激響應(yīng)的實(shí)際幅度和相位。在寬帶系統(tǒng)中,Δτ遠(yuǎn)小于窄帶系統(tǒng),測(cè)量獲得的信道沖激響應(yīng)時(shí)域精度更高。從寬帶信道沖激響應(yīng)中不僅可以觀察到離散的直射、反射徑,還可以觀察到漫散射引起的高密度時(shí)延能量分布。2.2寬帶無(wú)線通信測(cè)試系統(tǒng)本次寬帶信道測(cè)量采用了高精度寬帶信道測(cè)量?jī)x,其具有測(cè)量帶寬寬、采樣率高、同步精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn),如圖2所示。發(fā)射天線陣列采用兩根定向天線垂直平行放置40層樓頂,高度約120m。接收天線陣列由八個(gè)天線振子組成,固定在測(cè)試車車頂,高度約3m。測(cè)量時(shí),收發(fā)端通過(guò)銣時(shí)鐘精確同步。發(fā)射端周期性發(fā)送100MHz帶寬寬帶測(cè)試信號(hào),接收端通過(guò)高速采集設(shè)備實(shí)時(shí)移動(dòng)采集接收到的信號(hào),并高速存儲(chǔ)以備后續(xù)處理。針對(duì)未來(lái)寬帶無(wú)線通信典型場(chǎng)景,我們選擇地處城市熱點(diǎn)地區(qū)的上海市區(qū)中山公園附近,該地區(qū)高樓林立,交通繁忙,建筑物密集,既有高層寫(xiě)字樓、住宅、輕軌、高架橋,也有植物較多的公園綠地。密集的高層建筑物是電磁波反射、漫散射豐富的原因。測(cè)試環(huán)境包括了視距(LOS)和非視距(NLOS)兩種典型電波傳播環(huán)境。3測(cè)量結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析3.1沖激響應(yīng)-功率譜對(duì)100MHz帶寬信道的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算處理,得到寬帶信道的沖激響應(yīng)。圖3(a)和(b)分別為L(zhǎng)OS場(chǎng)景和NLOS場(chǎng)景下,500次測(cè)量樣本的沖激響應(yīng)時(shí)延-功率譜,時(shí)延分辨寬度Δτ=10ns,移動(dòng)測(cè)量間隔為2ms。圖中橫軸為時(shí)延τ,縱軸為移動(dòng)測(cè)量時(shí)刻t,顏色的深度表示沖激響應(yīng)歸一化能量強(qiáng)度。圖3(c)和(d)分別為圖3(a)和(b)測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)均值。在LOS環(huán)境下可以明顯地觀察到時(shí)延最小且能量最強(qiáng)的直射徑。在信道建模中通常取直射徑到達(dá)的時(shí)延為參考時(shí)延,即τ0=0。在NLOS環(huán)境下,收發(fā)機(jī)之間沒(méi)有直射路徑,不能觀察到明顯的直射徑。這時(shí)通常在信道建模中取時(shí)延最小的到達(dá)信號(hào)的時(shí)延為參考時(shí)延τ0=0。3.2地震波的分析從圖3中的沖激響應(yīng)時(shí)延功率譜也可以觀察到能量總體呈指數(shù)下降的趨勢(shì),這是漫散射波疊加作用的效果。在建筑物密集的城市熱點(diǎn)地區(qū)富散射環(huán)境下,這種現(xiàn)象尤為明顯。如果將直射、反射波的作用效果剝離開(kāi),剩下的漫散射時(shí)延-功率譜由式(7)推導(dǎo)得到h(τ)～N(ψ(τ),σ2dndn2)(12)漫散射連續(xù)能量分布的均值ψ(τ)可由式(5)表示。取τd=τ0=0,采用最小二乘法對(duì)去除離散的直射、反射徑的實(shí)測(cè)沖激響應(yīng)時(shí)延-功率譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析擬合,得到參數(shù)α1以及βd。圖4實(shí)線是實(shí)測(cè)沖激響應(yīng)去除直射和反射徑能量后的結(jié)果,虛線則是漫散射連續(xù)能量均值函數(shù)ψ(τ)的擬合結(jié)果。從圖4實(shí)測(cè)的沖激響應(yīng)中再去除擬合的漫散射連續(xù)能量均值,得到的漫散射殘差與噪聲疊加的動(dòng)態(tài)能量,其分布符合零均值正態(tài)分布,如圖5所示,此結(jié)果驗(yàn)證了式(8)。在兩個(gè)典型路段LOS以及NLOS場(chǎng)景下,對(duì)連續(xù)能量分布的漫散射效應(yīng)模型進(jìn)行能量歸一化參數(shù)提取的結(jié)果如表1所示,其中Rx1～Rx8代表接收天線陣的八個(gè)天線振子單元。從表1可以看出,在LOS和NLOS環(huán)境下,都存在著明顯的漫散射效應(yīng)作用的連續(xù)能量分布。LOS環(huán)境下βd值較小,這是由于LOS環(huán)境下電波傳播受到的損耗較小,漫散射連續(xù)能量的衰減速率相對(duì)NLOS場(chǎng)景較小。對(duì)比α1值可以看出,在1μs時(shí)延內(nèi),漫散射能量在NLOS環(huán)境所占總能量比例大于LOS環(huán)境,約在-30dB內(nèi)?？梢?jiàn)在NLOS環(huán)境下,漫散射對(duì)電波傳播的影響更大,其能量不可忽視。3.3信號(hào)分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)多徑信道的時(shí)間色散特性通?？梢杂善骄郊訒r(shí)延擴(kuò)展、均方根(RMS)時(shí)延擴(kuò)展和最大時(shí)延擴(kuò)展來(lái)定量地描述。傳統(tǒng)RMS時(shí)延僅是描述離散的直射和反射徑的參數(shù)。對(duì)于寬帶實(shí)測(cè)信道沖激響應(yīng),去除連續(xù)能量的均值影響,再進(jìn)行多徑時(shí)延參數(shù)的計(jì)算,可以得到更加精確的離散多徑RMS時(shí)延特性,使得寬帶信道建模更加準(zhǔn)確。圖6中曲線是實(shí)測(cè)沖激響應(yīng)去除連續(xù)能量均值影響的結(jié)果。對(duì)漫散射效應(yīng)形成的時(shí)域上連續(xù)能量分布,采用積分運(yùn)算代替?zhèn)鹘y(tǒng)的求和運(yùn)算同樣可以獲得其時(shí)延特性。在對(duì)RMS時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí),取多次測(cè)量統(tǒng)計(jì)獲得的累計(jì)分布函數(shù)(CDF)曲線中大于90%點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值為最后的統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果。表2中列出了本次測(cè)量中兩個(gè)典型路段的時(shí)延功率統(tǒng)計(jì)參數(shù)值,其中Rx1～Rx8代表接收天線陣的八個(gè)天線振子單元。對(duì)比兩種場(chǎng)景下的離散徑時(shí)延參數(shù):LOS場(chǎng)景下的離散多徑RMS時(shí)延較小。這時(shí)因?yàn)槠潆x散多徑都分布在較短的時(shí)延區(qū)域內(nèi),而NLOS場(chǎng)景的離散多徑經(jīng)歷了多次反射,多徑分布較為分散,故離散多徑RMS時(shí)延較大。兩種場(chǎng)景中,接收天線單元Rx5背對(duì)發(fā)射基站,接收到的反射徑的時(shí)延相對(duì)較大,所以RMS時(shí)延也比同樣場(chǎng)景的面向基站側(cè)的接收天線單元Rx1的RMS時(shí)延大。對(duì)比連續(xù)能量的時(shí)延參數(shù):由于LOS場(chǎng)景中,連續(xù)能量衰減較NLOS場(chǎng)景慢,所以RMS時(shí)延也相對(duì)較大,其值與離散RMS時(shí)延值相當(dāng)。這說(shuō)明在LOS場(chǎng)景中,漫散射效應(yīng)對(duì)時(shí)延參數(shù)的影響不可忽視。4寬帶無(wú)線信道擴(kuò)展模型通過(guò)分析實(shí)測(cè)寬帶無(wú)線信道沖激響應(yīng),我們發(fā)現(xiàn)漫散射現(xiàn)象不容忽視。為此,基于傳統(tǒng)的窄帶多徑信道模型,本文提出了針對(duì)寬帶無(wú)線信道的擴(kuò)展模型。該擴(kuò)展模型通過(guò)增加指數(shù)衰落分布的參數(shù)α1、βd、τd以及σdndn,建模表征漫散射能量分布,從而更加準(zhǔn)確地表達(dá)了寬帶信道的衰落特性。通過(guò)開(kāi)展100MHz寬帶無(wú)線信道測(cè)試,我們提取了寬