《LTE基礎(chǔ)原理與關(guān)鍵技術(shù)》課件第7章

第7章無(wú)線信道模型7.1概述

7.2常規(guī)測(cè)試信道

7.3SCM信道模型

7.4SCM-A~SCM-D信道模型

7.5SCME信道模型

7.6ITU信道模型

7.7WINNER信道模型

7.1.1信道建模方式

在實(shí)際的移動(dòng)通信中，電波的傳播方式除了直射波和地面反射波以外，還存在傳播路徑中各種障礙物引起的輻射能量的散射、折射和繞射等。接收信號(hào)可以由包絡(luò)特性和相位特性來(lái)描述。

7.1概述由于多徑效應(yīng)，接收信號(hào)的包絡(luò)特性包括慢衰落特性和快衰落特性。慢衰落表示接收信號(hào)的長(zhǎng)期變化，大量的統(tǒng)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，慢衰落近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布?？焖ヂ鋵?duì)應(yīng)于接收信號(hào)在空間的快速擾動(dòng)，是由于正在運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)用戶附近的障礙物對(duì)信號(hào)的散射引起的?？紤]大量路徑引起的散射，接收信號(hào)的包絡(luò)服從瑞利(Rayleigh)分布；若存在視距路徑，由于該路徑信號(hào)的強(qiáng)度往往比其他路徑大得多，則接收信號(hào)的包絡(luò)服從萊斯(Ricean)分布。多天線信道建模方法可分為兩大類:確定性模型和統(tǒng)計(jì)模型，如圖7.1.1所示。

圖7.1.1基本MIMO信道模型分類確定性模型包括基于射線跟蹤方法建立的信道模型和基于利用記錄的場(chǎng)測(cè)脈沖響應(yīng)來(lái)復(fù)現(xiàn)特定環(huán)境下的信道特性，上述方法的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性高，缺點(diǎn)是只適用于特定的傳播環(huán)境。

統(tǒng)計(jì)模型包括基于幾何分布的統(tǒng)計(jì)信道模型、基于抽頭延遲線的參數(shù)化統(tǒng)計(jì)模型和基于相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)模型。

基于幾何分布的統(tǒng)計(jì)信道模型對(duì)鏈路兩端的散射體作隨機(jī)分布的假設(shè)，根據(jù)電磁波的反射、衍射和散射的基本定律，從散射體的分布位置來(lái)導(dǎo)出MIMO信道模型，該統(tǒng)計(jì)模型又稱之為物理模型；參數(shù)化統(tǒng)計(jì)模型把接收信號(hào)看做波的疊加，抽頭延遲線是其通常的實(shí)現(xiàn)方法，每個(gè)抽頭表示一個(gè)徑；基于相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)模型假設(shè)信道系數(shù)為復(fù)高斯分布，其一二階矩完全確定信道的統(tǒng)計(jì)特性。

在這種假設(shè)下，已經(jīng)構(gòu)造出一些基于二階統(tǒng)計(jì)特性的MIMO信道模型。7.1.2瑞利衰落

假設(shè)存在兩徑信號(hào)到達(dá)接收機(jī)，則信道輸出的基帶信號(hào)為

(7.1.1)

在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，可認(rèn)為信道的平坦衰落的包絡(luò)瞬時(shí)不變，即 瞬時(shí)不變，設(shè)為A(t)，則

(7.1.2)

假設(shè)第一徑時(shí)延為0，即τ1(t)＝0；第二徑時(shí)延為τ2(t)，有τ2(t)－τ1(t)＝Δτ，則接收信號(hào)的幅度包絡(luò)為

(7.1.3)

式中， c為電波在自由空間的傳播速度， Δτ是信號(hào)的時(shí)延變化，因此Δτ＝Δd/c。

因此:

若 cos(2πfcΔτ)＝0，則信號(hào)出現(xiàn)深衰落；

若 cos(2πfcΔτ)＝1，則信號(hào)幅度增長(zhǎng)得到最大值；

若 cos(2πfcΔτ)＝0，信號(hào)再次出現(xiàn)深衰落；

……

依此遞推。顯然，多徑信道多個(gè)時(shí)延的不斷變化導(dǎo)致了信號(hào)的快速衰落，每?jī)纱紊钏ヂ涞拈g隔為λ/2，每?jī)纱畏逯档拈g隔也為λ/2。移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)延不斷變化，導(dǎo)致了移動(dòng)信道的信號(hào)快衰落。

接收機(jī)移動(dòng)時(shí)將引起接收信號(hào)出現(xiàn)多普勒頻移的現(xiàn)象，設(shè)多普勒頻移值為

(7.1.4)

那么接收的路徑信號(hào)相位為

(7.1.5)

式中，dv，n是第n路徑入射角為θn時(shí)移動(dòng)臺(tái)以速度v在時(shí)刻t移動(dòng)的距離；d0，n是t時(shí)刻第n路徑信號(hào)從移動(dòng)臺(tái)到基站的距離(d0≥dv，n)。由此可得多普勒頻移和衰落次數(shù)的關(guān)系如下:

(7.1.6)

當(dāng)t＝1s時(shí)，信號(hào)將最快衰落2fm次(理想情況，實(shí)際應(yīng)用中遠(yuǎn)小于2fm)。

對(duì)于發(fā)射的復(fù)信號(hào)，在傳播過(guò)程中，經(jīng)歷了多次反射和散射，多徑信號(hào)的幅值和方向角到達(dá)接收天線是隨機(jī)的且滿足統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，根據(jù)中心極限定理，接收到的復(fù)信號(hào)實(shí)部、虛部相互獨(dú)立并且都是正態(tài)分布的。假設(shè)實(shí)部和虛部的方差相等，均為σ2，均值為0，則聯(lián)合概率密度函數(shù)為

(7.1.7)

轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)系下的分布概率密度函數(shù)為

(7.1.8)式中，r為接收信號(hào)的幅度；θ為接收信號(hào)的相位，θ滿足(0，2π)內(nèi)均勻分布。因此，在(0，2π)內(nèi)對(duì)上式積分，可得接收信號(hào)的幅度概率密度函數(shù)為

(7.1.9)

式中，σ2代表了I、Q兩路接收信號(hào)的平均功率，接收信號(hào)的總功率為2σ2。瑞利分布如圖7.1.2所示。

圖7.1.2瑞利分布7.1.3Jakes模型仿真方法

Jakes模型是實(shí)現(xiàn)瑞利衰落的常用方法，其仿真方法是由N0個(gè)低頻振蕩器產(chǎn)生頻譜 頻率間的相差分布盡可能地接近均勻分布， 為最大多普勒頻移，v為移動(dòng)速度，λ為波長(zhǎng)。振蕩器的數(shù)目越多，則仿真的統(tǒng)計(jì)性能越接近理論情況，但是導(dǎo)致計(jì)算量和復(fù)雜度增加。一般要求N0≥8，實(shí)際中通常取N0＝24。Jakes仿真模型的結(jié)構(gòu)框圖如圖7.1.3所示。

圖7.1.3Jakes仿真模型的結(jié)構(gòu)框圖

xc和xs可表示為

(7.1.10)

圖7.1.3中，y(t)是以ωc為中心的窄帶信號(hào)，具有瑞利衰落特性。自相關(guān)函數(shù)近似為J0(ωmτ)，頻譜為

(7.1.11)

其功率譜密度理論曲線如圖7.1.4所示。相應(yīng)地，天線增益

圖7.1.4瑞利衰落功率譜密度理論曲線

在3GPPTS36.104、36.141等協(xié)議中，針對(duì)不同的測(cè)試用途，定義了不同的LTE基站側(cè)用于測(cè)試的傳播條件。7.2常規(guī)測(cè)試信道7.2.1靜態(tài)傳播條件

用于靜態(tài)性能測(cè)試的傳播模型為加性高斯白噪聲(AdditiveWhiteGaussianNoise，AWGN)環(huán)境，不存在衰落或多徑。7.2.2多徑衰落傳播條件

針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，定義了三種多徑衰落環(huán)境模型:

·EPA:擴(kuò)展的步行A(ExtendedPedestrianA，EPA)模型；

·EVA:擴(kuò)展的車行A(ExtendedVehicularA，EVA)模型；

·ETU:擴(kuò)展的典型市區(qū)(ExtendedTypicalUrban，ETU)模型。其中，所有路徑均滿足典型的多普勒(Doppler)譜，表示為

(7.2.1)

式中，f∈［－fD，fD］，fD為最大多普勒頻率。

EPA、EVA、ETU信道模型的參數(shù)分別如表7.2.1~表7.2.3所示。

表7.2.1EPA信道模型參數(shù)

表7.2.2EVA信道模型參數(shù)

表7.2.3ETU信道模型參數(shù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，采用信道模型多徑參數(shù)與最大多普勒頻率的組合方式定義多徑衰落傳播條件，最大多普勒頻率通常選取為5Hz、70Hz或300Hz，如EPA5Hz、ETU300Hz等。另外，200Hz多普勒頻率指定用于測(cè)試上行時(shí)間調(diào)整的性能需求。7.2.3高速列車條件

對(duì)于高速列車條件包括兩種場(chǎng)景，目的在于測(cè)試兩種非衰落信道:

(1)場(chǎng)景1，空曠場(chǎng)景，基站側(cè)采用接收分集，各天線間的多普勒頻移相同。

(2)場(chǎng)景3:多天線隧道場(chǎng)景。上述兩種場(chǎng)景的多普勒頻移表示為

fs(t)＝fDcosθ(t) (7.2.2)

式中，fs(t)為多普勒頻移；fD為最大多普勒頻率；θ(t)的余弦表示為

(7.2.3)式中，Ds/2表示列車與基站間的初始距離(m)；Dmin表示基站與鐵軌間的距離(m)；v表示車速(m/s)；t表示時(shí)間(s)。

高速列車鐵路的輸入?yún)?shù)如表7.2.4所示，多普勒頻移參見(jiàn)圖7.2.1和圖7.2.2。

表7.2.4高速列車條件參數(shù)圖7.2.1場(chǎng)景1的多普勒頻移圖7.2.2場(chǎng)景3的多普勒頻移7.2.4移動(dòng)傳播條件

移動(dòng)傳播條件的目的在于測(cè)試上行時(shí)間調(diào)整性能，如圖7.2.3所示，其中定時(shí)參考值與第一條路徑之間的時(shí)間差如下式表示:

(7.2.4)

所有路徑之間的時(shí)延相對(duì)值固定，移動(dòng)傳播條件包括兩種場(chǎng)景，對(duì)應(yīng)的參數(shù)如表7.2.5所示。

圖7.2.3移動(dòng)傳播條件

表7.2.5移動(dòng)傳播條件參數(shù)注:場(chǎng)景1中需根據(jù)UE的移動(dòng)速度計(jì)算多普勒頻率；場(chǎng)景2中不考慮多普勒頻移。

7.3.1概述

在3GPPTR25.996協(xié)議中，定義了空間信道模型(SCM)。假設(shè)基站(BS)天線陣列的天線數(shù)為S，移動(dòng)臺(tái)(MS)天線陣列的天線數(shù)為U，空間信道包含的多徑數(shù)為N，每條路徑又包括M條子徑。

圖7.3.1所示為模型中使用的角度參數(shù)。7.3SCM信道模型

圖7.3.1基站和移動(dòng)臺(tái)的角度參數(shù)

ΩBSBS天線陣列的方位，定義為BS陣列法線方向與正北方向(參考方向)的夾角。

θBSBS和MS之間視距路徑LOSAoD方向，以BS陣列法線方向?yàn)閰⒖肌?/p>

δn，AoD第n條路徑相對(duì)于LOSAoDθ0方向的出發(fā)角度AoD(n＝1，2，…，N)。

Δn，m，AoD第n條路徑的第m條子徑相對(duì)于δn，AoD的角度偏移(m＝1，2，…，M)。

θn，m，AoDBS端的第n條路徑的第m條子徑相對(duì)于BS陣列法線方向的絕對(duì)出發(fā)角度AoD。

Ω

MSMS天線陣列的方位，定義為MS陣列法線方向與正北方向(參考方向)的夾角。

θ

MSBS與MS之間視距路徑LOS與MS陣列法線方向的夾角。

δn，AoA第n條路徑相對(duì)于LOSAoAθ0，MS方向的到達(dá)角度AoA。

Δn，m，AoA第n條路徑的第m條子徑相對(duì)于δn，AoA的角度偏移。

θn，m，AoAMS端的第n條路徑的第m條子徑相對(duì)于MS陣列法線方向的絕對(duì)到達(dá)角度。

v

MS的速度矢量。

θvMS相對(duì)于MS陣列法線方向的運(yùn)動(dòng)方向，θv＝arg(v)。7.3.2環(huán)境類型

3GPPTR25.996協(xié)議定義了三種環(huán)境類型:郊區(qū)宏小區(qū)(基站間的距離約為3km)、市區(qū)宏小區(qū)(基站間的距離約為3km)和市區(qū)微小區(qū)(基站間的距離小于1km)。

對(duì)于宏小區(qū)環(huán)境，基站天線架設(shè)高于周圍建筑物的高度；對(duì)于市區(qū)微小區(qū)環(huán)境，基站天線與周圍建筑物的高度相當(dāng)。表7.3.1所示為各類型的環(huán)境參數(shù)。

表7.3.1SCM環(huán)境參數(shù)注:多徑數(shù)N＝6的SCM信道模型不適于帶寬高于5MHz的系統(tǒng)。7.3.2.1郊區(qū)宏小區(qū)和市區(qū)宏小區(qū)

基于修改的COST231Hata市區(qū)傳播模型，宏小區(qū)的路徑損耗表示為

式中，hbs為基站天線高度(m)；hms為移動(dòng)臺(tái)天線高度(m)；fc為載波頻率(MHz)；d為基站與移動(dòng)臺(tái)之間的距離(m)；C為常數(shù)因子(郊區(qū)宏小區(qū)C＝0dB；市區(qū)宏小區(qū)C＝3dB)。

郊區(qū)宏小區(qū)與市區(qū)宏小區(qū)的參數(shù)設(shè)置如表7.3.2所示。

表7.3.2郊區(qū)宏小區(qū)和市區(qū)宏小區(qū)的參數(shù)設(shè)置點(diǎn)到點(diǎn)的陰影衰落SF相關(guān)系數(shù)ζ＝0.5。7.3.2.2市區(qū)微小區(qū)

基于COST231WalfishIkegamiNLOS模型，市區(qū)微小區(qū)NLOS路損的傳播模型參數(shù)設(shè)置如表7.3.3所示。

表7.3.3市區(qū)微小區(qū)NLOS路損的傳播模型參數(shù)基于COST231WalfishIkegami街道模型，市區(qū)微小區(qū)LOS路損的傳播模型參數(shù)設(shè)置如表7.3.4所示。

表7.3.4市區(qū)微小區(qū)LOS路損的傳播模型參數(shù)點(diǎn)到點(diǎn)的陰影衰落SF相關(guān)系數(shù)x＝0.57.3.3單極化無(wú)線信道

單極化無(wú)線信道的生成方式如下:

式中，Pn為第n條路徑的功率；σSF為對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落；M為每條路徑的子徑數(shù)；θn，m，AoD是第n條路徑中第m條子徑的發(fā)射角(AoD)；θn，m，AoA是第n條路徑中第m條子徑的波達(dá)角(AoA)；GBS(θn，m，AoD)是BS天線陣元增益；GMS(θn，m，AoA)是MS天線陣元增益；λ是載波波長(zhǎng)(m)；ds是BS天線陣元與參考陣元的間距(m)；du是MS天線陣元與參考陣元的間距(m)；Φn，m是第n條路徑中第m條子徑的相位；‖v‖是MS速度矢量的幅度；θv是MS速度矢量的角度。7.3.4雙極化無(wú)線信道

雙極化無(wú)線信道的生成方式如下:

式中， 是BS天線復(fù)響應(yīng)的垂直分量；

是BS天線復(fù)響應(yīng)的水平分量；

是MS天線復(fù)響應(yīng)的垂直分量； 是MS天線復(fù)響應(yīng)的水平分量；

是天線增益；rn1是第n條路徑BS垂直方向到MS水平方向與BS垂直方向到MS垂直方向之間的隨機(jī)功率比變量；rn2是第n條路徑BS水平方向到MS垂直方向與BS垂直方向到MS垂直方向之間的隨機(jī)功率比變量；

是基站x分量與移動(dòng)臺(tái)y分量之間第n條路徑中第m條子徑的相位偏移，x、y可為垂直分量或水平分量。

E-UTRA系統(tǒng)的信道模型在3GPP協(xié)議TR25.814中有較為詳細(xì)的說(shuō)明，其主要思想基于SCM信道模型，并在其中采用相關(guān)矩陣模型，具體如下所述。

在表7.4.1中給出四種不同的場(chǎng)景SCM-A～SCM-D。其中SCM-C和SCM-D也可對(duì)應(yīng)具備兩根接收天線的移動(dòng)端，在這種情景中，需要選擇和兩根雙極化天線相關(guān)的信道參數(shù)。7.4SCM-A~SCM-D信道模型

表7.4.1SCM-A~SCM-D場(chǎng)景

E-UTRA系統(tǒng)的信道模型是一個(gè)延遲線模型，需要結(jié)合發(fā)射天線和接收天線間快衰落相關(guān)和功率分布的協(xié)方差矩陣來(lái)描述。其中每條徑的協(xié)方差矩陣Rtap是通過(guò)極化協(xié)方差矩陣Γ和NodeB及UE空間相關(guān)信道A和B的Kronecker乘積得到，并且根據(jù)NodeB和UE的天線增益進(jìn)行加權(quán)，具體如下式所示:

(7.4.1)

其中，ptap為每徑的相關(guān)功率；gNodeB，tap與gUE，tap分別為NodeB和UE的天線增益； 表示Kronecker積。

矩陣Γ具體可以寫成

［NodeB＋45UEvert

NodeB－45UEvert

NodeB＋45UEhor

NodeB－45UEhor］

其中，NodeB＋45UEvert表示從NodeB端＋45°方向到達(dá)UE的垂直極化方向信道參數(shù)。7.4.1SCM-A

表7.4.2為協(xié)議中給出的SCM-A場(chǎng)景下子徑的功率和時(shí)延以及NodeB和UE的相關(guān)天線增益。

表7.4.2SCMA場(chǎng)景下子徑的相關(guān)參數(shù)(郊區(qū)宏小區(qū)，3扇區(qū)，0.5倍波長(zhǎng)間距，手機(jī)，話音)

表7.4.2SCMA場(chǎng)景下子徑的相關(guān)參數(shù)(郊區(qū)宏小區(qū)，3扇區(qū)，0.5倍波長(zhǎng)間距，手機(jī)，話音)表中，每徑的協(xié)方差矩陣計(jì)算公式為

(7.4.2)7.4.2SCM-B

表7.4.3為協(xié)議中給出的SCM-B場(chǎng)景下子徑的功率和時(shí)延以及NodeB和UE的相關(guān)天線增益。

表7.4.3SCM-B場(chǎng)景下子徑的相關(guān)參數(shù)(市區(qū)宏小區(qū)(低擴(kuò)展)，6扇區(qū)，0.5倍波長(zhǎng)間距，手機(jī)，數(shù)據(jù))表7.4.3SCM-B場(chǎng)景下子徑的相關(guān)參數(shù)(市區(qū)宏小區(qū)(低擴(kuò)展)，6扇區(qū)，0.5倍波長(zhǎng)間距，手機(jī)，數(shù)據(jù))表中，每徑的協(xié)方差矩陣計(jì)算公式同式(7.4.2)。7.4.3SCM-C

表7.4.4為協(xié)議中給出的SCM-C場(chǎng)景下子徑的功率和時(shí)延以及NodeB和UE的相關(guān)天線增益。

表7.4.4SCM-C場(chǎng)景下子徑的相關(guān)參數(shù)(市區(qū)宏小區(qū)(高擴(kuò)展)，3扇區(qū)，4倍波長(zhǎng)間距，筆記本電腦)

表7.4.4SCM-C場(chǎng)景下子徑的相關(guān)參數(shù)(市區(qū)宏小區(qū)(高擴(kuò)展)，3扇區(qū)，4倍波長(zhǎng)間距，筆記本電腦)表中，每徑的協(xié)方差矩陣計(jì)算公式同式(7.4.2)。7.4.4SCM-D

表7.4.5為協(xié)議中給出的SCM-D場(chǎng)景下子徑的功率和時(shí)延以及NodeB和UE的相關(guān)天線增益。

表7.4.5SCM-D場(chǎng)景下子徑的相關(guān)參數(shù)

(市區(qū)微小區(qū)，6扇區(qū)，4倍波長(zhǎng)間距，筆記本電腦)

表7.4.5SCM-D場(chǎng)景下子徑的相關(guān)參數(shù)

(市區(qū)微小區(qū)，6扇區(qū)，4倍波長(zhǎng)間距，筆記本電腦)表中，每徑的協(xié)方差矩陣計(jì)算公式同式(7.4.2)。

7.5.1SCME與SCM信道模型主要差異

擴(kuò)展空間信道模型(SCME)是基于SCM信道模型演變而來(lái)的。

SCM信道模型主要應(yīng)用于載波頻段2GHz、系統(tǒng)帶寬5MHz的CDMA系統(tǒng)，不適合LTE通信系統(tǒng)，為此提出了SCME信道模型，主要應(yīng)用于載波頻段2GHz和5GHz、系統(tǒng)帶寬100MHz的通信系統(tǒng)。7.5SCME信道模型對(duì)于SCM信道模型，宏小區(qū)缺少支持LOS的萊斯K因子模型，所有路徑的角度擴(kuò)展、時(shí)延擴(kuò)展分布一致，這無(wú)疑限制了其應(yīng)用的范圍。SCME信道模型中將20條子徑進(jìn)行分組，引入了“中徑”(Mid-Path)的概念，一條中徑包含多條子徑。7.5.2信道模型參數(shù)

SCME信道模型的中徑功率-時(shí)延參數(shù)如表7.5.1所示，中徑的子徑分配和歸一化角度擴(kuò)展參數(shù)如表7.5.2所示。表7.5.1中徑功率-時(shí)延參數(shù)

表7.5.2中徑的子徑分配和歸一化角度擴(kuò)展參數(shù)表中，為中徑角度擴(kuò)展(i為中徑序號(hào))， 為路徑角度擴(kuò)展(n為路徑序號(hào))。7.5.3路損模型

SCME信道模型可應(yīng)用于載波頻段2GHz和5GHz的情況。與2GHz相比，5GHz頻段存在8dB的路損差異，而且由于5GHz頻段將可能應(yīng)用于小覆蓋、高吞吐率服務(wù)，因此更適于采用0.02～5km覆蓋的COST-WI模型，并區(qū)分LOS和NLOS情況，對(duì)應(yīng)的路損模型如表7.5.3所示。

表7.5.3路損模型7.5.4LOS參數(shù)

郊區(qū)宏小區(qū)和市區(qū)宏小區(qū)的LOS徑概率為

(7.5.1)

式中，hBS是BS側(cè)天線高度；hB為樓頂平均高度；dco是截距。

市區(qū)微小區(qū)直視徑概率計(jì)算公式與SCM相同，為

(7.5.2)Ricean分布的K因子為

K＝15.4－5.0lgd (7.5.3)

式中，d是BS到MS的距離，K因子單位為dB。7.5.5抽頭延遲線模型

與SCM模型類似，SCME模型給出了固定各徑功率、時(shí)延、角度的抽頭延遲線模型，用于鏈路級(jí)仿真。表7.5.4為抽頭延遲線參數(shù)。

表7.5.4抽頭延遲線參數(shù)

IMT-Advanced定位為繼LTE之后的未來(lái)通信系統(tǒng)，為了評(píng)估IMT-Advanced通信系統(tǒng)性能，國(guó)際電信同盟(ITU)在ITURM.2135文稿中給出了相應(yīng)的評(píng)估方法以及信道模型，并被3GPPLTETR36.814所借鑒和采納。7.6ITU信道模型

ITU信道模型包括兩類:

(1)采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的通用(Generic)模型，用于評(píng)估各種無(wú)線接入技術(shù)。

(2)采用固定某些參數(shù)的簇延遲線(CDL)模型，CDL模型可認(rèn)為是抽頭延遲線(TDL)模型的空間擴(kuò)展。TDL模型通常定義多徑抽頭的功率、時(shí)延、多普勒頻譜信息；CDL模型定義了多徑的功率、時(shí)延、角度信息，而多普勒頻譜并未明確規(guī)定，CDL模型一般僅用于校準(zhǔn)，而不用于鏈路級(jí)或系統(tǒng)級(jí)的性能評(píng)估。

在ITU信道模型中，簇的概念相當(dāng)于由多條子徑所組成路徑，簇內(nèi)的射線相當(dāng)于子徑。7.6.1應(yīng)用場(chǎng)景與配置參數(shù)

7.6.1.1應(yīng)用場(chǎng)景分類

ITU的基本信道模型共包括五種，應(yīng)用場(chǎng)景分別為室內(nèi)熱點(diǎn)、市區(qū)微小區(qū)、市區(qū)宏小區(qū)、農(nóng)村宏小區(qū)和郊區(qū)宏小區(qū)。7.6.1.2配置參數(shù)

不同場(chǎng)景的基線配置參數(shù)如表7.6.1所示，峰值頻譜效率分析評(píng)估的配置參數(shù)如表7.6.2所示，系統(tǒng)級(jí)仿真的額外參數(shù)如表7.6.3所示，小區(qū)頻譜效率和邊緣用戶頻譜效率評(píng)估的額外參數(shù)如表7.6.4所示，VoIP容量評(píng)估的額外參數(shù)如表7.6.5所示，鏈路級(jí)仿真的額外參數(shù)如表7.6.6所示。

表7.6.1不同場(chǎng)景的基線配置參數(shù)

表7.6.2峰值頻譜效率分析評(píng)估的配置參數(shù)

表7.6.3系統(tǒng)級(jí)仿真的額外參數(shù)

表7.6.4小區(qū)頻譜效率和邊緣用戶頻譜效率評(píng)估的額外參數(shù)

表7.6.5VoIP容量評(píng)估的額外參數(shù)

表7.6.6鏈路級(jí)仿真的額外參數(shù)7.6.2天線特性

7.6.2.1基站天線

如圖7.6.1所示，基站端天線的水平方向圖表示為

(7.6.1)

式中，A(θ)為相對(duì)天線增益(dB)，－180°≤θ≤180°；min［·］表示最小運(yùn)算；θ3dB為3dB波束寬度，通常θ3dB＝70°；Am＝20dB為最大衰減。

圖7.6.1基站天線方向圖基站天線指向定義為天線的主瓣方向(即天線的法線方向)與正東方向的夾角，指向角按順時(shí)針?lè)较蛟黾?，圖7.6.2所示為六邊形小區(qū)中3扇區(qū)的天線指向示意圖。

對(duì)于室內(nèi)場(chǎng)景，基站天線采用全向天線。

圖7.6.2天線指向示意圖7.6.2.2用戶終端天線

用戶終端天線采用全向天線。7.6.3信道建模

圖7.6.3所示為MIMO信道示意圖。圖中，S為發(fā)射天線數(shù)；U為接收天線數(shù)；N為多徑數(shù)；τ為時(shí)延。

對(duì)于第n條路徑而言，

(7.6.2)

圖7.6.3MIMO信道示意圖式中，F(xiàn)tx和Frx分別為發(fā)射端和接收端的天線陣列響應(yīng)矩陣；hn為雙極化傳播信道響應(yīng)矩陣。

對(duì)于第s個(gè)發(fā)射天線、第u個(gè)接收天線、第n條路徑，則

(7.6.3)式中，F(xiàn)rx，u，V和Frx，u，H分別為天線u的垂直場(chǎng)方向圖和水平場(chǎng)方向圖；αn，m，VV和αn，m，VH分別為射線n、m的垂直－垂直、水平－垂直的增益；λ0為載頻波長(zhǎng)；fn，m為AoD單位矢量；φn，m為AoA單位矢量；rtx，s和rrx，u分別為天線s和u的位置矢量；νn，m為射線n、m的多普勒頻率分量。

7.6.4路損模型

ITU不同場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的路損模型如表7.6.7所示。

表7.6.7路損模型匯總表

表7.6.7路損模型匯總表續(xù)表

注:fc的單位為GHz，距離的單位為m。表中:

①斷點(diǎn)距離d'BP＝4h'BSh'UTfc/c，其中，fc為中心頻率(Hz)，c＝3.0×108m/s為自由空間的傳播速度，h'BS和h'UT分別為基站天線和終端天線的有效高度，有

h'BS＝hBS－1.0m

h'UT＝hUT－1.0m

式中，hBS和hUT分別為基站天線和終端天線的實(shí)際高度。

②距離d1和d2的含義如圖7.6.4所示，適用于曼哈頓網(wǎng)格布局中UMi場(chǎng)景的NLOS路損模型。終端運(yùn)動(dòng)的街道與基站所在的LOS街道相互垂直，d1表示基站與垂直街道之間的距離，d2表示終端與LOS街道之間的距離。圖7.6.4d1和d2含義示意圖

③PLb為基本路損；PLB1為UMi室外場(chǎng)景的路損；PLtw為穿透墻面的路損；PLin為室內(nèi)路損；dout為基站到終端位置下一墻面的距離；din為墻面與終端的垂直距離(假設(shè)為0~25m)；θ為至墻面的LOS徑與單位矢量之間的夾角。

④斷點(diǎn)距離dBP＝2πhBShUTfc/c，其中，fc為中心頻率(Hz)，c＝3.0×108m/s為自由空間的傳播速度，hBS和hUT分別為基站天線高度和終端天線高度。

LOS的概率是距離d(單位m)的函數(shù)，如表7.6.8所示。

表7.6.8LOS概率7.6.5通用(Generic)模型

7.6.5.1信道模型參數(shù)

通用信道模型參數(shù)如表7.6.9所示。

表7.6.9通用信道模型參數(shù)續(xù)表

續(xù)表

7.6.5.2時(shí)延參數(shù)

對(duì)于指數(shù)時(shí)延分布，則

(7.6.4)

式中，rτ為時(shí)延分布比例因子；Xn滿足均勻分布；Xn~U(0，1)，簇序號(hào)n＝1，2，…，N。

經(jīng)歸一化處理，減去最小時(shí)延，按降序排列，則時(shí)延為

(7.6.5)

對(duì)于LOS情況，需要額外的比例因子D，以補(bǔ)償LOS峰值對(duì)時(shí)延擴(kuò)展的影響，表示為

D＝0.7705－0.0433K＋0.0002K2＋0.000017K3

式中，K(dB)為萊斯K因子。

LOS修正后的時(shí)延表示為

(7.6.6)7.6.5.3簇功率

對(duì)于指數(shù)時(shí)延分布，則簇功率表示為

(7.6.7)

式中，每簇的陰影項(xiàng)滿足Zn~N(0，ζ)(dB)。

經(jīng)歸一化處理，則

(7.6.8)

簇內(nèi)每條射線的功率為Pn/M，M為每簇內(nèi)的射線數(shù)。7.6.5.4波達(dá)角和發(fā)射角

波達(dá)角AoA和發(fā)射角AoD的生成方式相同。

波達(dá)角AoA可由逆高斯(Gaussian)函數(shù)或逆拉普拉斯(Laplacian)函數(shù)生成，公式分別如下:

(7.6.9a)

(7.6.9b)

式中， 為波達(dá)角標(biāo)準(zhǔn)偏差；C為比例因子，如表7.6.10所示。

表7.6.10比例因子C對(duì)于LOS情況，需要根據(jù)萊斯K因子計(jì)算額外的比例因子，以補(bǔ)償LOS峰值對(duì)角度擴(kuò)展的影響，表示為

CLOS＝C·(1.1035－0.028K－0.002K2＋0.0001K3)

對(duì)于室內(nèi)熱點(diǎn)場(chǎng)景，則

CLOS＝C·(0.9275＋0.0439K－0.0071K2＋0.0002K3)

然后，計(jì)算

jn＝Xnj'n＋Yn＋jLOS

式中，Xn隨機(jī)取兩個(gè)離散值{1，－1}；Yn～N(0，sj/7)；jLOS為L(zhǎng)OS方向。

對(duì)于NLOS情況，則

jn＝(Xnj'n＋Yn)－(X1j'1＋Y1－jLOS)

最后，考慮偏移角度，則簇內(nèi)射線的波達(dá)角計(jì)算表示為

jn，m＝j(luò)n＋cAoAam

式中，cAoA為簇波達(dá)角的角度擴(kuò)展均方差；am為偏移角度，如表7.6.11所示。

表7.6.11單位角度擴(kuò)展均方差條件下簇內(nèi)射線的偏移角度7.6.5.5信道系數(shù)

對(duì)于均勻線陣(ULA)的n－2個(gè)最弱的簇而言，n＝3，4，…，N，信道系數(shù)表示為

(7.6.10)

式中，F(xiàn)rx，u，V和Frx，u，H分別表示天線u的垂直、水平場(chǎng)方向圖；ds和du分別為發(fā)射端和接收端的天線間距；k為交叉極化功率比線性值；l0為載波頻率波長(zhǎng)；若不考慮雙極化，則2×2極化矩陣由exp(jΦn，m)代替，且僅應(yīng)用垂直極化場(chǎng)方向圖。多普勒頻率分量由波達(dá)角、終端的移動(dòng)速度v和移動(dòng)方向qv計(jì)算得到，表示為

(7.6.10)

對(duì)于均勻線陣的兩個(gè)最強(qiáng)的簇而言，n＝1、2，基于三個(gè)固定的時(shí)延偏移0ns，5ns，10ns，簇內(nèi)的射線分別構(gòu)成三個(gè)子簇，即

tn，1＝tn＋0ns

tn，2＝tn＋5ns

tn，3＝tn＋10ns

簇內(nèi)的20條射線映射為子簇的方式參見(jiàn)表7.6.12。

表7.6.12子簇信息對(duì)于LOS情況，定義H'u，s，n＝Hu，s，n，增加一條LOS射線，信道系數(shù)表示為

(7.6.11)

式中，d(·)為沖激函數(shù)；KR為萊斯K因子線性值。對(duì)于非均勻線陣，上述公式需要修正，參見(jiàn)圖7.6.5，天線間距表示為

(7.6.