（通信与信息系统专业论文）无线信道测量与建模中实测数据拟合的研究.pdf

摘要 本文研究的内容是国家重大专项新一代宽带无线移动通信网中的课题： 电波测量与信道建模技术研究的一部分。研究的重点是无线信道的测量与建模， 并针对实际测量得到的数据的拟合以及如何根据结果对测量和建模的过程进行 有效的优化这一问题做了深入的讨论。在文中简要介绍了w 小烈e r 2 信道模型和 协同m i m o 信道模型。首先给出了w i n n e r 2 模型中的1 3 个场景和场景中参数 的统计分布信息，还说明了w i n n e l 也信道模型的建模方法和有关参数。接着介 绍了协同m i m o 系统的实现方案c o 脚技术、固定中继技术和移动中继技术， 并阐述了相应的传播场景。并将协同 m o 信道模型与现有的点到点m i m o 信 道模型的优缺点进行比较，讨论在协同m i m o 信道情况下，如何对现有模型进 行调整。然后对s a g e 算法的传播环境模型、算法原理和实现方法做了简要的说 明并验证s a g e 算法估计出的结果的准确性。最后利用m a t l a b 平台，结合路径 损耗和时延扩展的实际测量数据，对它们进行拟合，并分别分析和比较各个拟合 的结果。在拟合时注意选取了不同的拟合模型，可以保证拟合结果的一般性。得 出了样本容量小的样本也同样可以反映全体数据的分布的参数特征。即可以通过 减少信道测量的数据量也能比较准确地得到信道的统计特性。最后根据这些结 果，说明了可以有效降低信道测量和仿真复杂度和开销的方法。 关键词：信道测量信道模型拟合s a g e 算法 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sp a r to ft h en a t i o n a lm a j o rp r o j e c t s ：n e wg 勃埘a t i o no f b r o a d t ) a n d 、聃r e l e 鼹m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，蛐b j e c t ： r a d i 0c h a n n e l m e a s w e m e n t s 锄dm o d e l l i i l g m y托s e a r c h f 0 c u s 懿o nt h ew h l e s sc l l a 舳e l m e a s u r e m e n ta n dm o d e u i n g ，u s i n gm e 嬲u r e m e n td a t at 0o b t a i nt h ep a t r a m e t e r sb yt h e f m i n ga n dh o w t 00 p t i 埘【i z et h em e a s u r e m e n ta n dm o d e l l i n gp r o c e s se 矮b c t i v e l yb 弱e d o nt h e 丘n 吨r e s u h s i nt h ea n i c l e ，am e f 缸r o d u c t i o n 删e r 2c h 】皿e lm o d e la n d c o o p e r a t i v cm i m oc h a n n e lm o d e l f i i 吼，a ut h e 13s c 胁a r i o s 蛆dt h es t a t i s t i c a l d 硫i b u t i o no fp 心衄e t e r si nw i n n e i 也c h a 衄e lm o d e l i ss h o w 玛b u ta l s og i v e st h c 删e r 2c h 砌1 e l m o d e u i n gm e t h o d s a n dp 撇m e t 粥1 1 1 髓硫m d u c e dt h e c o o p e r a l i v em i m os y s t e mi m p l 哪e n t a t i 0 璐：c o m pt e c h n o l o g x 丘) 【e d 托l a y 粕d m o b i l er e l a yt e c h i 的1 0 9 xa n dd e s c r i b e dt h ee n v i m m e n t so ft h ec o n - e s p o n d i n g 朗谢o s ac o m p a r i s o nw a sm a d eb e t 、e c o o p e r a t i v em i m oc h a 珊圮lm o d e la n d t h ec x i s t i n gp 0 硫t 0p o i n tm i m oc h a 衄e lm o d e it 0 豳c u s st h ea d v a m a g e sa n d 啦a d v a m a g e s ，a n dh o wt 0a d 如s tt h ce x i s t i n gm o d e l i tc 舳b eu s 。di nt h e c 0 0 p e r a l i v ec o n d i t i o n t h e nm a d ea b r i e fd e s c r i p t i o na b o u tt h es a g ea i g o r i t h m s s p l r e a d 即v i r o m n e n t ，t h ea 培o m h mp r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o na n dc h e c kt h e a c 伽m yo ft h ee s t i m a t i o n 麟u n su s 咄s a g ea 培o r i t h m u n i m a t e l y ，触e dt h e m e 嬲u r e m e n td a t ac o m b i n e dp a t h1 0 s sa n dd e l a ys p r c a dm o d e lw i t hm a t l a b ，锄de a c h o ft h e 丘n i l l gr e s u h sw 勰a 眦l y z c da n dc o m p a r e d n ec o n c l u s i o ni sw ec 锄a c h j e v e t h ed i s 硎| t m t i o n 缸dt h ec h a r a c t e r so f 也ep 盯锄e t e r sw i t has m a u c rs e to fs 锄叩l e n m e 肌st h a tt h es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h ec h a 皿e lc 蚰b ed e s c 曲e d 姗t e l yb y as i i n p l i z c ds 注eo f t h ed a t as c t f i i l a l l xt h e s er e 鲫n si l l u s n a t et h a tw ec 眦e 毹c t i v e l y r c d u c et h ec o m p l e x i t yo fm s u r e m e n t 锄ds i m u l a t i o nm e t h o d sa n de x p e n s 髂 k e yw o r d s ：c h a n n e lm e a s i l r e m e n t ，c h a 衄e lm o d e l f i t t i i l g ，t h es a g ea l g o r i t h m 第一章绪论 1 1 国内外发展现状 第一章绪论 1 1 1m i m o 无线通信技术的研究现状和应用概况 m i m o 无线通信是一个全新的、富有挑战性的研究领域。m i m o 系统即在发 送端和接收端均存在多个天线的系统，通常称为多入多出( m u l _ t j l ) l e i n p u t 舢l l t i p l e o u q ) u t ) 系统。m i m o 系统可通过复用来提高数据速掣1 1 ，同时也可通过 分集来提高性能，系统中的发送天线和接收天线都可以进行分集，可以较大地提 高天线的增益。信息论预示了m i m o 无线系统具有潜在的巨大的信道容量，是 香农信道容量公式在多天线系统中的推广应用。其信道容量突破了传统的单输入 单输出信道容量的瓶颈。与目前已实现的信道容量相比，有望提高几个数量级【2 】。 因此m i m o 无线通信技术会在3 g 甚至b 3 g 的移动通信系统中有着广阔的应用 前景。目前，m i m o 技术已经成为无线通信的研究热点之一【3 】。但是在实际应用 中是可以获得这个容量的全部还是部分以及为此需要付出多大的代价等，都是值 得深入、仔细地研究的。因此，目前全世界有许多学术机构i 大公司都存在对 m i m o 技术展开更加深入的研究，推动着这项技术日益朝实用化方向发展。目前 m i m o 无线通信技术已经从理论研究、实验验证逐步走向商用化。 1 1 2 课题的研究现状 自从 m o 无线通信技术取得开创性的工作以来，目前在蜂窝无线通信、固 定接入系统方面都提出了各种实验性的m i m o 系统，在无线局域网方面，已经 制定了许多相关标准，而且已经有相应的产品。在蜂窝移动通信中，目前还没有 商用化的m i m o 产品。尽管已在这方面取得了较大的进展，得距离m i m 0 技术 大规模投入商用的时间点，专家估计还需要几年，其原因是由于还有许多实际问 题需要解决，其中最为重要的一个方面就是m i m o 无线通信信道模型的建立。 m i m o 无线系统的性能，在很大程度上与所处环境接收到的多径信号的有关，特 别受到各条路径之间的相关度( c o 仃e l a t i o n ) 、时延扩展( d e l a ys p e a d ) 和角度扩 展( a n g l es p e a d ) 的影响，所以，和掌握室内和室外环境中的m i m o 无线信道的 特性，对实现潜在的巨大的信道容量、取得预期的性能、选择合适的系统结构和 设计优良的信号处理算法是至关重要的1 4 1 。为此除了进行一些必要的实际测量 1 第一章绪论 外，必须建立合适的信道模型，用于预测系统的性能和评估算法的优劣【5 】。为适 应无线信道的时变特性，不仅要建立m i m o 无线信道的静态模型，还要建立特 定的动态模型，因为提出新的和更具体的信道模型，可以用于分析现有的传输算 法是影响系统性能，同时为了适应这些更具体的模型的要求，是否能提出一些新 的算法。传统的无线系统的传播模型早己成为的标准，但虽然目前在国际上已经 有众多组织提出了m i m o 信道模型标准，不过为目前为止，i t u 还没有制定相 应的m i m o 无线信道模型标准。另外，适合中国城乡特殊地貌的信道模型还一 直是个空白。 1 1 3m i m o 无线通信技术的研究方向和发展趋势 自从贝尔实验室的研究人员发现m i m o 无线系统蕴涵着巨大的信道容量以 来，世界上有许多学术机构、大公司不惜投入大量的从略和物力对此展开了许多 的研究。经过几年和不懈努力，无论是在学术上，还是在商业应用领域，都已经 取得了许多举世瞩目的成绩，而且这一趋势有增无减。日前仍然有若干学术机构 和公司针对这一研究领域，对m i m o 无线通信，相关技术展开更深入的研究， 使这项技术日趋成熟，并不断朝着实用化方向发展。 一般来说，m i m o 无线系统性能的优劣在很大程度上取决于发射信号和接 收处理算法的合理设计，而一种性能优异的算法的提出和有效实现与实际的通信 环境密切相关，因此在信道模型方面进行二些细致的研究工作是十分必要的【6 1 。 在m i m o 系统的研究中往往要把实际的测量数据转变成易处理的数学公式，以 便于根据实际的传播环境，对m i m o 实现算法的性能做出有效的估计和判断， 这些公式还可以用于分析所选择的天线拓扑结构对传播参数对实际信道容量的 影响，从而以一种最佳途径去修改原来的系统设计方案【_ 7 1 。另外，在研究m i m o 系统的具体实现方案时，常常需要对真实信道的状态信息进行合理的估计，而所 估计的效果右精度，将直接影响系统的真实性能。 m i m o 无线信道的未来研究方向大体在以下几个方面： 1 、在信道模型方面，目前所建立的信道模型只适用于基站和移动台之间的 信道，即一方静止，另一方移动，如果双方都移动，就必须对其加以改进。依据 已经建立的住址平台，只要在预留的两个外部数据输入通道上，外加实测的多普 勒数据。另外，适应无线传播信道的时变特性，信道模型中应当考虑信道的动态 特性，引入信道跟踪机制。随着对无线通信环境认识的不断深入，m i m o 信道模 型将逐渐趋于完善，认知无线电对此将发挥至关重要的作用。 2 、在信道容量方面，是不是还存在其它一些因素制约着实际信道容量的提 高。目前考虑的m l m o 系统，收发两端大多使用的是直线型天线阵，如果收发 第一章绪论 两端使用的是平面型天线阵或者其他排列的天线阵，信道容量的计算问题。还有 多用户的m i m o 信道容量计算问题，以及进一步提高信道容量的空间分集方法 等。 3 、在信道估计方面，均方根是信道状态信息( c s i ) 获取和有效利用问题。 如何准确地获取信道的状态信息并且及时地反馈给发射机是m i m o 系统设计中 一个值得深入研究的课题。另外，如果由于信道的快速衰落，在信道的时间内， 无法进行信道估计时，而又不想使用“盲”技术，是否还存在其他的解决方法。 4 、在实现算法方面，主要是要解决接收机的复杂性问题，在具体实现m i m o 的容量时，有时不得不在性能和复杂性之间进行取舍和折中【引。如何把握这取舍 和折中的度，是一个值得深入探讨的问题，这往往需要具体问题具体分析，有时 可能牵涉到整个通信系统，需要进行系统级的算法仿真等。 m i m o 无线通信技术的未来发展趋势主要表现如下： l 、对于单用户的情形，由于传输的数据都来自于单个用户，为实现更加有 效的接收，在发送端可以进行更加智能化的信号设计，根据信道的特征和系统的 要求，可以采用多种方式充分利用多根天线。与此同时，m i m o 技术还将与一些 高效编码和或调制技术紧密结合，如l d p c ( 低密度校验码) 、o f d m 、c d m a 等技术，进一步提高系统的传输性能，如传输速率、频谱利用率或系统可靠性等。 2 、对于网络环境，充分利用多用户、多天线、多载波和多时隙等设计参数， 并有效运用功率分配的控制技术，寻找有效实现发送和接收的最优算法，使系统 的综合性能指标达到最佳，同时降低系统设计的复杂性。另一方面，根据系统的 总体性能，如系统的服务质量( q o s ) ，包括吞吐量、时延等，并围绕网络的多层 协议模型，在物理层优先采用m i m o 技术的前提下，对其他层进行跨层优化设 计。 3 、随着m m o 技术日趋成熟，并且不断朝实用化方向迈进，国际上很多研 究机构积极推动 m o 技术的标准化进程，相关的通用技术标准将相继颁布， 如m i m o 无线信道的标准模型以及有效实现发送的接收的标准算法等，总之 m i m o 技术的应用将更加规范化。 4 、由于未来的通信设备要求体积小，重量轻，因此实现m i m o 技术的一些 成熟算法将以专用芯片的形式出现。随着大规模和超大规模集成电路设计工艺水 平的不断提高，专用芯片的功能将会越来越完善，性价比将逐步趋向合理化。 5 、随着m i m o 实用化进程步伐的加快，这项技术将在实际通信系统中得到 广泛地应用。研究和设计人员将要面对的一个首要问题就是：如何采用m i m o 技术的新设备与以往未采用这项技术的设备互联互通? 未来的m i m o 通信机可 能是双模式或多模式的，为此需要研究制式的兼容性和系统的集成设计问题。 第一章绪论 1 2 课题研究的必要性和意义 进入2 0 0 0 年以来，随着第三代移动通信技术的逐步成熟，有关第四代( f 0 u n h g e r a t i o l l 4 g ) 移动通信的研究开发也开始起步。2 0 0 3 年，欧盟将后三代( b e y o n d 删g e 朐r a t i o 玛b 3 g ) 技术研究列入“第六框架研究计划”。日本和韩国也于2 0 0 2 年分别启动了面向b 3 g 的研究计划。国际上一些著名公司和研究机构也在紧锣 密鼓地开展4 g 超前研究工作，以日本都科摩( d o c o m o ) 公司、美国摩托罗拉 ( m o t o r o l a ) 公司和德国西门子( s i e m e 璐) 公司等为代表的一批企业相继开始研 制面向第四代移动通信( 4 g ) 的无线传输试验系统【9 】【1 0 】。与此同时，在我国，面 向第四代移动通信系统研究的未来移动通信研究计划( f u l u l 辽) 被正式列入国 家八六三“十五”研究计划，于2 0 0 2 年正式启动。根据i t u 的规划，w r c 0 7 已为4 g 移动通信系统指定了频谱，2 0 l o 年左右完成4 g 标准化制定，2 0 1 2 年后， 4 g 移动通信系统逐步具备商用化能力。2 0 0 5 年1 0 月，i t u 将4 g 系统正式命名 为i m t - a d v 强c c d 。i m t - a d v a n c c d 移动通信系统为实现高数据速率、高频谱效率 和高功率辐射效率等，采用无线m i m o 传输技术。而m i m o 系统的实际容量与 电波传播的实际特性密切相关。在实际的无线传输环境中，信道测量数据对于 m i m o 信道建模和容量分析等至关重要。而且，对于采用m i m o 传输技术的移 动通信系统的研发、部署、优化、以及系统性能分析等，信道测量结果、建模和 系统容量的精确估计都将起到基础性与先导性的作用。 2 0 0 7 年世界无线电通信大会( 眦0 7 ) 以通过一份旨在满足全球射频频谱 需求的国际协议。将经全球协调的以下频谱确定用于国际移动通信( i m t ) ：l 、 4 5 0 4 7 0 z 频段，2 、第2 区和第3 区9 个国家的6 9 8 8 6 2m h z 频段，3 、第 l 区和第3 区国家的7 9 0 8 6 2m h z 频段，4 、2 3 2 4g h z 频段，5 、3 4 3 6g h z 频段( 未进行全球划分，但得到许多国家认可) 。4 g 移动通信系统在概念和技术 上力求取得创新和突破，从而使无线移动通信的容量和速率有十倍甚至百倍的提 高。 为满足未来需求，4 g 移动通信系统必须能够满足以下技术要求：支持全i p 高速分组数据传输，峰值数据速率高速移动时要求超过l o o m b s ，静止或游牧系 统要求超过l g b s ；支持高的终端移动性，移动速度高达每小时几百公里；支持 高的传输质量，数据业务的误码率低于1 0 。6 ；提供高的频谱利用率，最高要求每 赫兹超过1 0 比特秒；提供高的功率效率，发射功率降低1 0 d b 以上；有效地支 持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动态范围的变化。 当前，频谱资源日趋紧张，采用多天线发送和多天线接收的多入多出( m i m o ) 无线传输技术，充分挖掘利用空间资源，可以最大限度地提高频谱利用率和功率 4 第一章绪论 效率。m i m o 与宽带传输技术已经成为4 g 移动通信系统的核心技术支撑手段。 目前，我国的f u t u r e 计划已经形成了以广义多载波( g e m r a l 讫e dm u n i c a r r i g m c ) 正交频分复用( o t h o r g o m lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u h i p l e x i i l g ，o f d m ) 、环 境自适应的m i m o 传输( u m i m o ) 、双迭代t l 】f b 0 接收、交织多址接入( i n t e r l e a v e d i v i s i o nm u h i p l ea e s s ，i d m a ) 等为技术框架的频分双工( f 暂e q u e n c yd i v i s i o n d u p l e kf d d ) 和时分双工( 耽n ed i v i s i o nd u p l t d d ) 两套方案，并研制出了 分布式蜂窝移动通信无线网络试验系统。 2 0 0 8 年8 月，国家正式启动了重大专项“新一代宽带无线移动通信网的 研究工作。该重大专项的目的是：1 ) 研制新一代公众蜂窝移动通信系统和低成 本广泛覆盖的宽带无线接入系统，重点突破无线网络与应用技术，使频谱资源利 用率提高l o 3 0 倍，每户建网成本降低到现有系统的l 1 0 左右；2 ) 开发适用于 数字家庭、环境监测、国防建设等众多领域的短距离无线互联系统与传感器网络， 满足不同用户以无线方式获取宽带多媒体服务的需求。3 ) 2 0 l o 年前后，建成面 向未来发展的全环境覆盖、全业务综合应用示范区；4 ) 到2 0 2 0 年，使我国成为 以自主技术支撑为主的无线移动通信产业强国。 根据新一代宽带移动通信网理论和技术方面的国内外研究进展与我国 f u n 瓜e 计划研究的成果，要达到i m t a d v a n c e d 系统的技术需求如g b s 的传输 速率、频谱利用率每赫兹超过1 0 比特秒和发射功率降低l o d b 以上等，宽带无 线移动通信的带宽将达到l o o 姗z ，而且，m i m o 传输技术必将成为关键技术手 段之一。 近年来的信息论研究表明，在富含多径的无线环境中，相比传统的单入单 出( s i i 培l e i n p u t 粕ds i n g l e o u t p u t ，s i s o ) 系统，m i m o 系统可获得更高的系统 容量和更好的链路可靠性【l l 】。但是，m i m o 系统的实际容量增益与电波传播的 实际特性密切相关。在富含多径的传输场景中，根据天线数目，m i m o 信道可以 被制造出很多个相互独立的子信道，然而，一个全相关的m i m 0 信道只能被制 造出一个如此的子信道。近年来，m i m o 信道的衰落相关特性在理论上已得到广 泛研究。但是，这些研究结论都是基于现成的空时信道模型假设。这些结论都需 要实验来进行验证。在实际的信道环境中，大量的测量数据对于m i m o 信道建 模和容量分析至关重要。而且，对于无线m i m o 系统的设计、采用m i m o 传输 技术的移动通信系统建网与优化、以及系统性能分析等，m i m o 信道测量结果和 系统容量的精确估计都将起到基础性与先导性的作用。 目前，商用的m i m o 信道测晕设备和已报道的测量结果依然存在很大局限 性，主要体现在以下几个方面：一是大部分的m i m o 信道测量带宽低于1 0 0 m h z ： 二是测量场景以室内测量为主，公开报道的室外测量结果较少：三是商用m i m o 第一章绪论 信道测量仪都采用时分复用同步( t i i i l e d i v i s i o nm u h i p l e x e ds w “c h i n g ，t d m s ) 方案，易受相位噪声影响，m i m o 信道低秩时的测量结果误差大，并且难以支持 高频点高车速多通道测量；四是现有m i m o 信道测量设备难于满足项目要求的 2 1 5 g h z 多频段、1 0 0 m h z 带宽和分布式小区等；五是国内m i m o 信道测量系 统还是空白，国外设备价格极其昂贵，如芬兰e l e k t m b i ta g 公司的p r o p s o u n d 以及德国m e d a vg m b h 公司的r u s k 系列，这些仪器所能提供的高带宽与高 速测量能力有限，简单配置的价格都接近5 0 0 万人民币套。由此可见，我国急 需研发满足本课题要求的 m o 信道测量系统，进行大规模实地测量，建立符 合我国城乡分布和建筑形态特点的m i m o 信道模型。 鉴于电波测量和信道建模在该重大专项的系统研发、无线资源管理、链路仿 真、系统仿真、性能分析和网络规划、管理与优化等方面起到基础性与先导性作 用，非常有必要尽快开展这方面的研究。亟需尽快形成完全拥有自主知识产权、 覆盖2 1 5 g h z 的多频点m i m o 信道测量系统，并通过大规模实测和参数提取， 建立相应的信道模型，为我国新一代宽带无线移动通信网的快速发展奠定坚实基 础。 1 3 本文的研究内容和章节安排 本文的研究是根据国家科技重大课题电波测量与信道建模技术研究( 编 号：2 0 0 9 z x 0 3 0 0 7 0 0 3 ) 中天津大学所承担的：基于信道测量数据进行仿真和建 模，并在保证模型准确性的前提下最大可能地降低复杂度而进行的。主要包含以 下几个方面：首先在第二章中介绍在国内外应用非常广泛的信道模型 w 小n e r 2 信道模型，介绍模型中使用到的各个参数，以及结合本文研究的课题 对这些参数进行分析。由于w i n n e l 也模型中并没有考虑天线间的协同问题，但 随着无线通信技术的不断发展，协同天线技术已经成为无线通信中不可忽视的问 题。因此，在第三章中，结合m i m o 技术，阐述了m i m o 协同信道的特性；还 一并给出了协同m i m o 信道的模型。最后还讨论了协同技术对本文研究课题的 影响。通过第二章和第三章的讨论，我们已经充分了解了无线信道模型，那么在 第四章中，就如何从模型中提取相应的参数进行了讨论。在本文中，采用的是空 间交换期望值最大( s a g e ，s p a c e a n e n l a t i i 培g 锄e 豫l 沱c de ma l g o r i t h m ) 算法， 简称s a g e 算法。在第四章中会详细地说明s a g e 算法的原理和迭代计算步骤。 信道测量可以分为数据拟合和参数提取两个方面，本文着重研究的问题是数据拟 合。所以，在第五章中，首先介绍数据拟合的统计学知识。然后再根据实际测量 的数据，给出拟合曲线。并对拟合曲线的结果进行分析，从仿真建模的角度，对 6 第一章绪论 路径损耗数据的测量提出可以降低复杂度的建议。最后，在第六章中总结全文， 并提出课题今后的研究方向。 7 第二章w 孙n 陋r 2 无线信道模型 第二章w 小e r 2 无线信道模型 w 仆e r 2 信道模型适用于本地区域( l a ) 、城市区域( m a ) 和广域( w a ) 无线通信系统的链路级和系统级仿真。w i n n e l 也模型是在w i n n e r l 模型的基 础上演进而来的。删e l 匕模型覆盖了室内办公室、大型室内大厅、室内一室 外、城市微小区、恶劣城市微小区、室外一室内、静态中继、城市宏小区、郊区 宏小区、乡村宏小区和乡村移动网络等1 3 个传播场景。 2 1w 仆n e r 2 信道模型综述 常用的w i n n e r 2 模型采用的是基于几何的随机信道建模方法，这种方法允 许建立任意的双向的有向传播信道模型。信道模型是天线相关的，也就是说，可 以使用不同的天线布局，不同的阵元式样。信道参数是由从信道测量得到的结果 中提取的统计分布随机决定的。例如，这些分布可以用来定义时延扩展、角度扩 展、阴影衰落和互极化率。在每个信道快拍中，信道参数都可以从这些分布中通 过计算而得到。信道生成是通过考量具有不同信道参数，如延时、功率、到达角 和离开角等的簇的特征，并把它们综合起来而得到的。虽然各个场景不同，但都 使用同一种信道建模方法，只是使用不同的参数而已。在后文中后给出详细的参 数分布表格。 w i n n e r 2 信道模型的最显著的特点就是其参数化，对于室内和室外环境都 使用同一种建模方法。w 仆n e i 也信道模型可以用于无线系统的链路级和系统级 的性能评价，也用于可以比较不同的算法、技术和产品。这些模型不仅仅应用于 删e r 2 系统，其它的工作频率在2 至6 g h z 范围内，带宽最大可达1 0 0 m h z 的无线通信系统都可以应用。w 小n e r 2 模型还支持多天线技术、多极化技术、 多用户技术、多小区技术和多跳网络技术。 2 2w 仆附e r 2 信道模型中的传播场景 由于删e r 2 信道模型中共有1 3 个传播场景，由于篇幅所限，不一一介 绍，只用表格的方式做一个归纳。其中b 5 c 和b 5 d 中的低高度和高高度分别指 低于屋顶的高度和高于屋顶的高度。 8 第二章w 扑硝e r 2 无线信道模型 9 第二章w 仆限e r 2 无线信道模型 需要说明的几点问题： 1 、以上场景只涉及了几种典型情况，不可能覆盖所有可能的传播环境和条 件。例如：起伏而多山的乡村环境就没有被纳入。同样的，天线的高度也没有覆 盖所有可能的取值。 2 、对传播环境的两点详细说明：首先，大多数场景中发射机和接收机都是 任意摆放的。因此，位置参数就只剩下发射机和接收机之间的距离，这种模型被 称谓非栅格模型( n - 矿i d b 够e d 瑚d e l ) 。其次，其它的场景属于栅格模型 ( 伊i d b a s e di m d e l ) 。这意味着在这些场景中，发射机和接收机的布局是可以放 置于栅格之中的。这里的栅格指的是街道或者办公室隔间等等。a l 、a 2 、b l 、 b 2 、b 4 场景属于栅格模型，其余的场景属于非栅格模型。 基于以上的考虑可以将场景的数目控制在一个比较合理的范围内，而又不失 一般性。另外在栅格模型的场景中我们可以比传统场景更加精确地进行仿真1 1 2 】。 2 3 信道建模方法 如上文所述，删e r 2 模型采用的是基于几何的随机信道建模方法。m i m o 信道的传输矩阵如下： _ h 。( f ；力= 风( f ；f ) ( 2 一1 ) n 暑i 传输矩阵是由天线阵列响应矩阵( a n t e i m 埘a yr e s p o 璐el m t r i c e s ) 为发射机的 第二章w 啪l 匕无线信道模型 天线阵列响应矩阵，巳为接收机的天线阵列响应矩阵。而第刀簇的信道响应矩阵 h 。如下式所示： h 。( f ；力= f 巳( 伊) 吃o ；f ，妒，驴) 巳r ( 咖d 妒 第刀簇的发射天线阵元s 到接收天线阵元“之间的信道矩阵为： = 敬涮 芝篡幢捌 e ) 叩( ，2 砜叫( 驴。，“) ) e x p ( 歹2 砜。1 ( 妒。朋，蕊。) ) e x p ( 2 矾。f ) 艿( f 一吒。) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中，巴和巴一，分别是接收天线阵元“的水平极化分量和垂直极化分量； 朋胛、朋，哪、 胛和，朋分别是射线珂，m 的水平一水平、垂直一水平、 水平一垂直和垂直一垂直互极化的复增益；凡是载频波长：瓦，表示离开角单位 向量，识。表示到达角单位向量；，。，和厂口分别是阵元和的位置向量；。是 射线刀，聊的组成多普勒频率分量。如果所要建模的信道是动态的，那么上面所提 到的小尺度参数都是时变的，即都是f 的函数【13 1 。 2 3 1w 刷n e r 2 信道模型 w i n n e r 信道模型是一个系统级的模型。在固定的场景和天线布局中，它可 以描述任意数量的单一或多链路的传播环境。其最大的特点在于采用统一的数学 模型而使用不同的参数集。删e r 模型是一个随机模型，它的随机性体现在 以下三个方面。首先：大尺度( l s ) 参数如阴影衰落、时延和角度扩展是从分 布函数表格中随机挑选的。其次，小尺度参数功率、到达方向和离开方向也是在 分布函数表格中随机挑选的。第三，下一时刻的大尺度参数也是随机的。所以， 模型的几何框架就是确定的，可以自由变化的只有散射体的初始相位值，这个值 也是随机的。通过随机选取不同的初始相位，就可以产生不同的模型。如果系统 的初始相位值也是确定的，那么这个模型的全部信息也都确定下来了。 下面将要列出删e r 2 信道模型中将要用到的参数。这些参数分布相关的 具体值将在后面以表格的方式给出，见表2 2 。 第一组参数被称作大尺度( l s ) 参数。因为它们都是作用在信道段这样一 个比较长的距离之上的，大约在几十个波长长度。所谓信道段，表示的是信道的 第二章w i 旺r 2 无线信道模型 一个准静态时段。在这个时间段里，参数的概率分布变化的不明显，移动台的所 有的大尺度参数基本上可以被视为是常量。为了在物理上可实现，信道段实际上 是一个与距离相关的量。这个距离的远近和传播环境是的关系的，最大可达数米。 辅助参数： 大尺度参数： l 、延迟分布的比例参数 l 、时延扩展和分布 三：囊喾华曩率比 2 、离开角扩展和分布 4 、各簇离开角扩展 3 、到达角扩展和分布5 、各簇离开角扩展 4 、竺妻衰篓差 雩：美簧茎萋数的自相关 5 、莱斯k 因子 8 、矢芪麦参聂酮孟箱莫 9 、每簇的射线数 其中大尺度参数的前三个参数是用来确定时延我角度分布的参数。在w i n n e r 信道模型中，假设参数是不依赖于距离的，虽然这个假设有时是不准确的，但它 可以大大地使模型简化。一般情况下考虑的到达角和离开角是二维的，也就是说 只考虑方位角。在实际的室内和室外测量情况下，可以从方位角和高度角两个方 面来考虑，即可以使用三维角度来进行建模。 2 3 2 信道建模过程 在删e r 2 模型中，建模过程被分成三个阶段，如图2 1 所示。第一阶段 首先要定义传播场景，选择测量的环境，确定天线高度，移动性等等。还需要已 知信道的通用模型，以便确定需要测量的参数都有哪些。信道建模的第二阶段集 中在数据处理上。对于不同的参数，要使用不同的分析方法。数据预处理的输出 可能是一组冲击响应、路径损耗数据或者多维传播的提取参数。对经过预处理的 数据再进行统计分析，就可以得到参数的概率分布函数。第三阶段包括所有仿真 需要的信息。首先可以根据概率分布函数生成参数，再通过这些参数生成m i m o 传输矩阵和天线信息。可以使用综合射线的方法来生成传输矩阵。所生成的冲击 响应会在仿真中用到。 2 3 3 网络布局 可以对删e r 2m i m o 系统模型进行仿真和测试，这意味着同时进行多个 链路的仿真。系统级的仿真包括多个基站、多个中继站和多个移动终端。链路级 的仿真是针对某一特定链路的，系统级的仿真包括多条链路。这两个级别的仿真 都可以分信道段来进行。 1 2 第二章w i n n e r 2 无线信道模型 图2 1信道建模过程 下面的图2 2 是某一链路模型示意图， 带有黑点的圆圈代表一个簇产生的散射体， 所用到的参数也在图中表示出来了。 各个场景的簇的个数不同。 图2 2链路模型图 在空间信道模型中，单个链路和性能是由两个站之间的空间位置产生的多径 因子的小尺度参数决定的。因此，只要其中一个站是移动的，它的位置就可以确 定一条链路。更复杂的网络技术还包括多跳链路和协同中继【1 4 】( 关于协同m i m o 系统的相关内容将在后面进行阐述) 。大尺度参数在生成小尺度信道参数时是用 来作为控制参数的。在分析一个移动台的多个位置或者同时存在多个移动台时， 系统级的仿真就必需一个多链路的模型。可以发现，不同的移动台在同一空间位 置时它们的大尺度参数是相同的。在多链路模型中，常常需要建立参考坐标系来 描述移动台的位置和移动情况。这样，网络布局可以完整地捕述指定系统阵元的 相对位置，并用矢量来描述阵元的运动情况。通常，散射体的位置是未知的，但 第二章w d 玳e r 2 无线信道模型 是那些距离比较远的散射体可以被当作移动台放置在同一坐标系中。在多链路模 型仿真中，参数的空间相关性是十分重要的。为了可以在系统级建立链路之间的 相关性，系统的大尺度参数在生成时就被赋于了一定的相关特性。 前面提到过信道段( c 1 1 a r m e ls e g m e n t ) 的概念，如果把段的长度取o 极限， 我们就可以得到点( d r o p ) 。在一个点中，除了射线的相位之外，所有的参数都 是定值。可以说，点是去除了由于移动台位置变化而引起的误差的信道段的抽象 表示。在仿真中，点的持续时间可以自由选择，因为连续的仿真不需要考虑相关 性。其缺点是在信道条件很多的情况下，难以进行仿真。但是，基于点的仿真依 然是w i n n e r 2 模型中的主要方法。在删e l 也模型中，在不同的信道段之间， 传播参数是随时间变化的。在多段建模中可以选择两种方案：点模型或者时间演 进模型。时间演进模型是通过在多个信道段间平滑过渡完成信道的演进，也有两 种方法可以使用。一种是基本的时间演进法，由于方法简单而被广泛使用；另一 种则使用马尔可夫过程，被看作是更高级的算法，但需要使用尚未确定的参数。 2 4 信道模型和参数提取 2 4 1 环境因素 不同的传播环境会产生不同的信道特性。w 1 n n e r 模型使用的是在不同环 境下信道测量所得到的空间和时间传播参数来建模的，而不是对环境直接参数化 ( 如以街道的宽度、建筑物的平均高度为参数) 。这些获取信道特性时所处的环 境就被称为场景。对于第个不同的场景，分析实测数据就可以得到这个场景下特 定的参数。然后，再使用同一个通用模型来对所有的场景建模，只是使用信道参 数不同的值而已。 通常，即使是同一个场景，l o s 情况和n l o s 情况也会对信道参数的值产 生很明显的影响。因此，大多数w i 她r 场景的l o s 情况和n l o s 情况必需加 以区分。为了准确的描述信道模型，就有必要说明l o s 情况和n l o s 情况之间 过渡的问题。因此在模型中，l o s 概率是依赖于距离的。 2 4 2 频率因素 在w 仆附e r 中的路径损耗表达式1 5 】【1 6 1 中，我们可以发现它是依赖于频率的。 w 仆附e r 模型中定义的所有场景对支持在频段2 到6 g h z 范围内的这种依赖于 频率的路径损耗模型。而观察w i n n e r 信道模型参数中的时延扩展、角度扩展 和k 因子则没的没有表现出明显的频率依赖性【17 1 。因此，这些参数只表现出了 1 4 第二章w 啪l 匕无线信道模型 场景依赖性。 如果系统建模采用时分复用( t i m e d i v i s i o n d u p l e x ，t d d ) ，那么对于上行 链路和下行链路都使用相同的参数。而如果系统建模采用频分复用 ( f r e q u e n c y d i v i s i o n - d u p l e x ，f d d ) ，那么由于上行链路和下行链路散射体相位 的随机性，它们则必需分开独立进行建模。 在本章最后，给出信道系数生成的框图( 图2 3 ) 和信道参数统计特性的表 格，如表2 2 所示。 通用参数 布局和天线参数r |篇l o s 伽o s ) 广_ if 1 异聆任狈耗h ( d s 、a s 、s f 、k ) l 。成言| | h 生成簇功率h 生掣塑和l i 进行射线的生成互极 随机耦合 化功率比 小尺度参数 - 应用于路径损 初相位r 叫王厩1 商】直系取p耗和阴影衰落 系数生成 2 5 本章小结 图2 3信道系数生成图 本章简要介绍了目前国际上使用十分广泛的信道模型哪心附e l 也信道模 型。其主要特点是模型的参数化，即同样的模型只要使用不同的参数就可以描述 不同的传播环境。删e l 也模型还根据不同的传播环境，定义了不同的场景。 本章介绍了这些场景的分类还以列表的形式给出了不同场景中参数的统计分布 信息。最后还说明了w n 烈e r 2 信道模型的建模方法和有关参数。 第二章w m n e r 2 无线信道模型 表2 2信道参数统计特性表 a l 2 1 c s c 佃 b lb ，c ic !d ld a l o sk 1 o sn l o s l o s n l 口，sl o sn l o sl o sm l o sn l 0 s l o sn l o sl o s ? 3 9 踟研甲_ d p 匀 f 74 ： 7 哟 7 7l ： 75 3 74 1 7d 7 i ： 7 3 9 6 3 7 7 7 4 46 2 、 l 犍f 【l p o ；5 ，o ：o1 9o ：!ol ：0 1 2ol ，o 卯o3 30 5 303 1o5 7o 艟o2 o3 2 。 o dl ”i d “s d )口l6 4i7 3i ：6o l 1 91 ：2i0 5o7 lo 如i0 9 3o7 3o 粥& 7 b ；f ! 】) ，ro3 lo ：30 1 6o3 7o2 ioi so2 2oi ：o3 6o ”o ：2o ：lo 彤o3 l o s 即一“s 由i 6 5i6 9l 二5l 柏l5 5l5 8i 7l sl6 5l717 2i ：ol5 2 l - 5 i o 譬ndo ：6oi o 2 o 2 0o o2 ， o io ：o oj o0 1 9ol ol ao2 7n ： s h 如- 6 由瞳( s n i 删 ，473，4i6 。i5 i6 l 盥 7 n k a9n 2k 9n 7n a7n 7 k 6 c 协( 玎【卿 ，r 6n n a6k 3k a 7 n a 3n a6：6 t s d 、d 5070lo4o5o ：一o ，_ 0l0 二o30 4o4oio40 1 t “j d so0o )o 0 00 4一o oo lo70 3o6o 二ol o ： 1 l ，、蟑_ 05旬