（通信与信息系统专业论文）imtadvanced信道模型实现及其编码系统性能研究.pdf

摘要 l p i i i i i i rr l l t irlllrr l lrlllllprrlllrr l l l t r l l l r l l l i y 2 0 6 8 0 0 7 第三代合作伙伴计划( 3 g p p ) 中采用的信道模型为空间信道模型( s p a c e c h a p e lm o d e l , s c m ) 及扩展空间信道模型( e x t e n d e ds c m ，s c m e ) 。在第四代移动 通信系统( 4 g ) 标准一先进国际移动通信( i m t - h d v a n c e d ) q ，采用的信道模型是在 s c m 基础上进行了进一步的修正与扩展得到的。i m t - a d v a n c e d 信道模型，采用几 何射线跟踪法，结合了空间传输特性，充分体现了信道在时间、空间和频率上的 特性。 本论文首先完成了国际电信联盟( i t u ) m 2 1 3 5 标准文件中i m t - a d v a n c c d 空间 信道模型的软件建模，采用c c + + 实现了信道模型中大尺度衰落和小尺度衰落模 型两部分内容的编程设计，并对信道特性进行了仿真分析研究。其次，对 i m t - a d v a n c e d 信道模型在编码系统下的性能进行了研究：针对单径信道情况给出 了简化信道实现方案，在此基础上研究了不同编码方案的系统性能，并采用信道 交织器对性能进行了优化；对于多径信道模型，分别研究了采用时域均衡和正交 频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 结合频域均衡两种方 法的编码系统性能。 关键词：i m t - a d v a n c e d 空间信道模型信道编码均衡 a b s t r a c t t h ec h a n n e lm o d e lu t i l i z e di nt h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ( 3 g p p ) i st h e s p a c ec h a n n e lm o d e l ( s c m ) a n dt h ee x t e n d e ds c m ( s c m e ) a n di nt h e f o u r t h g e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e ms t a n d a r d - i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n - a d v a n c e d ( i m t - a d v a n c e d ) ，t h ec h a n n e lm o d e le m p l o y e di ss t i l ls c m w h i l ew i t hf u r t h e r m o d i f i c a t i o n b ye m p l o y i n gg e o m e t r i cr a yt r a c k i n gm e t h o da n dt a k i n gt h es p a c e t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c si n t oc o n s i d e r a t i o n , t h ei m t - a d v a n c e dc h a n n e lm o d e lc a n r e f l e c ts u f f i c i e n t l yt h ec h a n n e lf e a t u r ei nt h et i m e - ，s p a c e - ，a n df r e q u e n c y - d i m e n s i o n t h i st h e s i sf i r s ta c c o m p l i s h e st h es o r w a r em o d e l i n go ft h ei m t - a d v a n c e dc h a n n e l g i v e ni ni t um 213 5s t a n d a r df i l e t h ei m p l e m e n t a t i o n so fb o t hl a r g es c a l ef a d i n ga n d s m a l ls c a l ef a d i n ga r eg i v e nu s i n gc c + + a n dt h ec h a n n e lc h a r a c t e ri ss t u d i e db y s i m u l a t i o n s t h e n , t h ec o d e ds y s t e mp e r f o r m a n c eo v e rt h ei m t - a d v a n c e dc h a n n e li s r e s e a r c h e d s p e c i f i c a l l y , as i m p l i f i e do n e - t a pc h a n n e ls c h e m ei sp r e s e n t e d ，b a s e do n w h i c ht h ec o d e ds y s t e m sw i t hv a r i o u sc o d i n gs c h e m e sa r es t u d i e d a n do v e rt h e m u l t i - p a t hc h a n n e l , t h ec o d e ds y s t e mi ss t u d i e dw i t ht i m e - d o m a i ne q u a l i z a t i o na n d f r e q u e n c y - d o m a i ne q u a l i z a t i o n , r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ： i m t - a d v a n c e d s p a c ec h a n n e lm o d e l c h a n n e lc o d i n g e q u a l i z a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1无线通信发展演进 自1 8 9 7 年马可尼实现了海上船只的通信后，人们对于无线通信的认识和无线 通信技术的研究便进入了一个崭新的阶段。无线移动通信技术给人类提供了各种 各样的通信平台与通信方式，使人们的交往范围和交流方式呈现出多元化形式， 促进了社会发展。同时随着社会的发展和人们交流方式的多元化，人类对于通信 的需求和要求也逐步增加，因此无线通信也随着社会的进步进入了高速发展时期。 无线通信的最终目标是要实现在任何地方、任何时候可以与任何人可以进行通信。 移动通信自上世纪六七十年代蜂窝概念的提出以来，短短几十年便从第一代 发展到第三代，同时产生了各种各样的技术标准。如第一代移动通信系统( 1 g ) 主要 采用频分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，f d m a ) 技术。第二代移动通信 系统( 2 g ) 出现了欧洲g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 标准的时分多 址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 技术，北美i s 9 5 标准的码分多址( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 技术。2 5 g 是移动通信技术从2 g 迈向第三代移动 通信系统( 3 g ) 的衔接性阶段，期间出现了高速环路交换数据( h i g hs p e e dc i r c u i t s w i t c h e dd a t a , h s c s d ) 、通用无线分组业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 。g p r s ) 和 演进的增强型数据速率( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n , e d g e ) 等技术【1 1 。 发展到第三代移动通信系统，全球移动通信技术呈现出以g s m 为主和以 c d m a 为主的两大趋势。为此i t u 的i m t - 2 0 0 0 标准分为3 g p p 和3 g p p 2 两部分，分别 针对两大发展趋势做3 g 演进标准【2 】，最终给出了w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m 疋三种系统制式实现2 g 到3 g 的平滑过渡，并已投入商用。3 g 系统支持高 速数据的传输，最高传输速率室内可达2 m b p s ，步行场景可达3 8 4 k b p s ，车速场景 可达1 4 4 k b p s 。作为3 g 技术的增强型技术如高速下行分组接k ( h i g hs p e e dd o w n l i n k p a c k e ta c c e s s , h s d p a ) 技术和高速上行分组接入( h i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ， h s u p a ) 技术被称作3 5 g 技术，无线技术的发展进入了后3 g 时代。 3 g p p 在2 0 0 4 年开始了长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n , l t e ) 标准的讨论，一方 面抗衡当前正飞速崛起的全球微波接入互操作，另一方面实现移动通信与宽带接 入技术的结合 2 1 。l t e 标准的目的是制定更适合高速率、低时延、高谱效率的规范 1 3 。l t e 通过在上行链路采用峰均比值较低的单载波频分多址技术、多天线技术、 小区之间干扰抵消技术、低时延的信道帧结构以及单频网络广播技术1 4 等，达到向 下一代通信技术平滑过渡。此外，o f d m 技术和多输入多输出( m u l t i p l ei n p u t 2 i m t - a d v a n c e d 信道模型实现及其编码系统性能研究 m u l t i p l eo u t p u t m i m o ) 技术由于其独特的优势成为b 3 g 4 g 的主流关键技术。 为了适应移动通信国际化、全球化的趋势，需要将更宽带宽、更高数据传输 速率的技术应用到移动网络中。为此，国际电信联盟无线通信标准部门( i t u - r ) 2 0 0 0 年开始了面向下一代国际电信系统技术的征集研究过程，e p l m t - a d v a n c e d 系 统标准框架。为了在下一代宽带移动通信系统中充分利用有限频谱资源，4 g 系统 考虑采用各种先进技术，如：改进的天线技术、调制方案、编码方案、调度算法、 无线资源管理、协作多点方案、新的中继方案和家庭基站部署技术等卧1 7 j 。2 0 0 7 年i t u 世界无线通信会议给出了移动无线通信的频谱目标。2 0 0 8 年i t u - r 发出通函 征集i m t - a d v a n c e d 的无线接入技术( r a d i oa c c e s st e c h n o l o g i e s ，r a t s ) 候选方案。 与此同时，国际规范和标准化组织也着手于i m t - a d v a n c e d 的技术提案。最终批准 提交了两种i m t - a d v a n c e d 的主要框架技术：一种为基于3 g p pl t e - a d v a n c e d 的标准 技术，另一种为基于i e e e8 0 2 1 6 m 的标准技术。2 0 1 0 年l o 月，i t u r 确定了上述两 种提案满足i m t - a d v a n c e d 所有条件，首次被正式确立为4 g 系统，目标是达到世界 范围内的高度通用性，支持高质量移动服务i | 7 卜p 1 。 未来4 g 通信系统的特点和目标主要可概括为：可以以任意方式接入无线网络； 拥有全球标准，能够实现各类网络如3 g 、4 g 、w l a n 、固网以及媒体等之间的无 缝连接；通信业务呈多样性：高数据速率传输，峰值速率要求在低速移动的室内 热点中达到1 0 b p s 、高速移动的室外环境达至l j l 0 0 m b i t s ；高频谱效率；o f d m 技术、 m i m o 技术和智能天线技术仍然为关键技术；高度自治网络，可自适应地与各种外 界复杂环境结合；基于i p 的核心网络【1 0 h 1 3 】。基于此，4 g 系统技术的研究将成为通 信领域的又一个热点。全球无线技术发展演进图如图1 1 所示。 图1 1 全球无线技术演进图 第一章绪论 1 2 1 无线信道简述 1 2无线信道模型及其发展 无线通信的质量主要受无线信道影响与制约，随着无线通信的崛起，无线信 道的研究成为一个重要的研究方向。 无线信道最主要的特点是随机性与复杂性。如图1 2 ，信号在传播过程中遇到 变化的地形地物会发生反射、折射和散射等，使得信号在经过信道时经历不同的 衰减和时延后叠加到一起到达接收端，呈现出随机性的衰落等特性。因而无线信 道的建模也是无线移动通信中的一个难点。 图1 2 无线通信多径传输 信号经过无线信道到达接收端主要表现为两种衰落：大尺度衰落( l a r g es c a l e ， l s ) 和小尺度衰落( l a r g es c a l e ，l s ) 。大尺度衰落主要衡量信号在传输中电磁波平均 场强中值的衰落变化情况，主要用于刻画长距离的信号强度变化，包括路径损耗 和阴影衰落两部分。其中路径损耗主要依赖于系统传播环境、载频、天线高度和 带宽等因素，阴影衰落主要依赖于收发两端的障碍物因素。小尺度衰落是指由于 信号在短距离或短时间范围的传播引起接收端信号的快速变化，主要表现为幅度、 相位与时延上的快速随机变化，也叫做多径衰落。影响小尺度衰落除多径因素， 还有会导致多普勒频移的用户移动速度以及信号的传输带宽等。若信号的传输带 宽大于多径信道带宽，则接收端信号便会产生失真。小尺度衰落往往在信道响应 中体现，信道响应是时变衰落的冲激函数。在r a y l e i g h 衰落信道下，通常将信道 响应建模为一个均值为零的圆对称复高斯随机过程l h 卜【1 6 】。对于无线信道模型的研 究也着重从l s 和s s 衰落特性着手，通过对衰落特性进行描述来仿真研究无线通 信系统的性能。 随着社会的不断发展、城市建筑物的不断崛起、乡村格局的不断变化，同时 无线通信系统自身的发展、用户密度数及业务量的增多，使得无线信道环境也在 日益变化，表现出许多新的特性。因而信道模型需要不断的更新与研究，并且与 4 i m t - a d v a n c e d 信道模型实现及其编码系统性能研究 实际传播特性更为贴近。无线信道始终是无线通信领域中的一个重要研究课题。 1 2 2 无线信道的建模研究与发展动态 信道模型的研究自无线通信实现以来就从未停止，对于各种无线信道模型的 建模方法主要基于两类：统计模型和几何模型【l 丌。统计模型方法是指针对信道传 播特性选择典型情况对信号传输过程进行统计测量，将统计参数得到的统计量拟 合出的相应公式作为信道传播模型；而几何模型是通过研究信号在无线信道的传 输特点，采用几何模拟得到的信道模型【嵋】。 大尺度衰落模型采用了统计模型方法，根据测试实验和研究分析得出，路径 损耗量主要是距离、频率、天线高度以及地域等的函数，其在距离上通过统计呈 现出为距离的对数函数。模型以准平坦地区路径损耗为基础，根据具体传播环境 地理特征等附加修正的校正因子得到，并且针对室内室外有不同的衰落模型。 早期的信道模型主要研究目标是对平均接收功率进行估计，研究接收信号的 包络变化情况，衍生的信道大尺度衰落模型有o k u m u r a - h a t a 模型、l e e s 模型和 c o s t - 2 3 1 模型等。针对更高数据速率和更宽信道带宽的需求，需要对窄带信道模 型进行增强与改善，出现了宽带信道模型，针对大尺度衰落出现了c o s t - 2 0 7 模型 和i t u r 的i m t - 2 0 0 0 信道模型等。阴影衰落主要指由于信号在无线传输中受到建筑 物等影响，在建筑物背影区会产生阴影从而引起的衰落。阴影衰落模型通过对数 正态分布的随机变量来描述，与用户位置和信道传输环境有关【1 5 1 【1 9 】【2 们。 多径传播模型的小尺度衰落理论依据为信号在经过很多个散射体后，根据中 心极限定理，接收信号近似服从复高斯分布。根据有无直视路径情况，包络分别 服从r a y l e i g h 分布( 无视距路径) 和r i c i a n 分布( 有视距路径) ，角度服从均匀分布，对 应的信道称为r a y l e i g h - 言道或r i c i a n 信道。典型的模型有用于描述平坦衰落的c l a r k e 信道模型、j a k e s 模型和z h e n g 模型等，用于描述频率选择性衰落的宽平稳非相关信 道模型等口1 h 2 3 1 。 对于宽带多径信道模型的建模研究【2 3 h 2 们，最普遍采用的是抽头延迟线模型 ( t a p p e dd e l a yl i n e ，t d l ) 。该模型的最简单情况是只有两条路径，无视距路径时也 被称为两径信道模型，在理论分析研究中广为应用：另一种为有视距路径和一条 多径的模型，主要应用于卫星信道等存在视距路径的环境中。 基于几何的信道模型称为带方向性的信道模型( d i r e c t i o n a lc h a n n e lm o d e l , d c m ) 1 2 4 1 ，这种模型根据射线的几何传输特性( 如离开角和到达角特性等) ，按照 一定方法对信道进行描述。一种典型模型是基于抽头延迟线的模型，而本文所研 究的信道模型是基于几何方法实现的簇延迟线( c l u s t e rd c l a yl i n e ，c d l ) 模型。 随着无线移动通信技术的发展，无线通信用户越来越多，所需的通信服务与 第一章绪论 5 质量也与日俱增，有限的各类通信资源就会呈现出日益短缺的趋势，这就促使了 蜂窝网络的分裂，从而进一步增加了无线信道传输的复杂性，因而要求对无线信 道进行相应的建模更新。随着3 g ，b 3 g 以及4 g 技术标准的出现，对于信道模型 的要求与评估要求也不断增加，尤其自3 g 以来出现的多天线m i m o 技术，信道 的研究从单天线扩展到多天线传输。各子信道的特性，子信道之间的相关性以及 信号空间传输特性也成为未来通信信道研究的一个热点与难点。 l t e 中给出了基于几何的三维空间信道模型s c m 和s c m e 【2 7 h 3 们，该类信道 模型除了时延、频率和功率，还考虑信号的空间角度扩展，是基于几何射线方法 建立的针对m i m o 的宽带信道统计模型，其引入了“簇 的概念方法来产生多径 集合。由于在一个“簇 内的射线需要用角度来区分，因而在建模时采用角度坐 标可以更合理地描述m i m o 信道，这样相比于传统信道模型就更为贴近实际，更 为准确。在最初的3 g 系统中，大多数空间信道模型都只在基站端引入了空间方向 信息。而i m t - a d v a n c e d 信道模型在s c m e 基础上给出了更为全面的场景，在模型 上引入了更接近实际信道特性的参量。 1 3论文主要研究工作和内容安排 本论文研究内容源于“新一代宽带无线移动通信网”重大专项课题之一 “i m t - a d v a n c e d 开放性关键技术研究( 信道编码调制和网络编码) 。在 i m t - a d v a n c e d 的标准框架下，主要依据i t u - r 的m 2 1 3 5 文件中关于物理层数据 链路的规范和要求，完成了i m t - a d v a n c e d 空间信道模型的c c + + 软件编程，并对 实现的空间信道模型的进行信道特性研究，以便于各种新型编译码算法技术在该 信道模型下的性能研究。本文的其他内容安排如下： 第二章介绍了m 2 1 3 5 文件中i m t - a d v a n c e d 无线信道不同场景下的信道建模 原理，并与l t e 的s c m 模型进行了比较。同时给出了信道建模的复杂度、准确度 与信道简化程度的关系。 第三章详细给出了i m t - a d v a n c e d 空间信道模型的软件编程设计实现方法。并 对实现的信道大尺度部分研究了其路径损耗部分的衰落特性，对小尺度衰落部分 分别进行了信道包络的统计特性、信道的空时相关性以及信道参数特性仿真研究。 第四章进一步围绕实现的i m t - a d v a n c e d 信道模型分别对单径信道和多径信道 情况下采用不同编码方案进行了性能探索研究。给出了单径信道的简化实现方案， 在此基础上研究了采用不同编码方案的系统性能，并通过采用信道交织器对编码 系统进行了优化。对于多径信道情况，主要研究了时域均衡和采用o f d m 技术结 合频域均衡时的系统性能研究与对比分析。 最后对本论文的研究内容与结果进行总结，给出i m t - a d v a n c e d 信道模型进一 6 i m t - a d v a n e e d 信道模型实现及其编码系统性能研究 步研究的方向。 第二章i m t - a d v a n c e d 信道模型基本原理 7 第二章i m t - a d v a n c e d 信道模型基本原理 本章详细介绍了i m t - a d v a n c e d ( 论文中简称为i m t o a ) 信道模型，包括各种 场景下大尺度衰落和小尺度衰落的产生方法，并给出了该信道具体应用的简化情 况 2 1i m t - a 信道模型概述 i m t - a d v a n c e d 中采用的信道模型为欧洲w i n n e r 信道模型，其原理和3 g p p 中采用的空间信道模型一样，都是基于几何的随机射线叠加得到的，该模型亦称 为双向信道模型，它并不给出散射体的具体位置，而是采用射线跟踪的方式对信 道特性进行描述刻画。 i m t - a d v a n c e d 信道模型属于空间几何建模方法的一种随机建模方案，它是通 过对散射体进行随机建模得到。该信道模型利用一系列的传播参数来描述传播中 的子射线，通过参数逐层实现。并综合考虑大尺度衰落和小尺度衰落两部分，各 部分独立产生，在仿真中根据需要进行相应的应用【3 2 1 。传播参数依赖于传播环境， 因而不同的场景对应有不同的传播模型实现方法。 s c m 信道模型的标准化应用从3 g p p 开始，而为了适应未来通信技术更大带 宽、更高频率和频谱效率的要求，在s c m 基础上衍生出s c m e ，这种基于几何模 式的无线信道模型将传输参数和天线配置分开考虑。i m t - a d v a n c e d 信道模型对 s c m 进行了进一步的扩展与通用化，在建模时充分结合多天线技术和空间传播特 点，具有很强的通用性。i m t - a d v a n c e d 针对多个不同场景进行评估，给出相应的 不同评估信道，以体现不同环境和场景的信道差异性，进而体现了评估信道的真 实性和准确性，基于此，i m t - a d v a n c e d 信道模型要比s c m 内容更丰富更全面。 在应用实现时可根据实际场景传播情况选择相应的参数完成相应的信道模型， i m t - a d v a n c e d 信道模型将成为未来无线移动通信系统信道模型标准的一个热点。 i m t - a d v a n c e d 信道模型实现原理如图2 1 所示。图中，d s 表示时延扩展( d e m y s p r e a d ) ，a s 表示角度扩展( a n g l es p r e a d ) ，l s p 表示大尺度参数( l a r g es c a l e p a r a m e t e r s ) ，s s p 表示小尺度参数( s m a l ls c a l ep a r a m e t e r s ) ，c l a i r 表示信道脉冲响 应( c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ) 。 8 i m t - a d v a n c d 信道模型实现及其编码系统性能研究 图2 1i m t - a d v a n c e d 信道模型 由图2 1 可看出，该信道模型包含两部分：主信道模块( p r i m a r ym o d u l e ，p m ) 和扩展信道模块( e x t e mm o d u l e ，e m ) t 2 9 1 。p m 框架是基于欧洲项目w i n n e ri i 的信 道模型，基本涵盖了i m t - a d v a n c e d 的所有评估场景。e m 可以对候选评估场景以 外的其他情况通过参数修正来进行扩展评估等，体现了该信道模型的通用性。p m 也被称作通用信道模块( g e n e r a lm o d u l e ，g m ) ，可用于系统级和链路级的测试评估， 实现对任意天线数、任意条无线链路配置下的信道实现。 i m t - a d v a n c e d 信道模型采用了“d r o p ”的概念，表示在一个特定时间段的仿 真。整个场景由若干个l s p 的实现共同构成，一组l s p 和s s p 的集合属于一个 d r o p 。系统级的仿真需要连续多个d r o p ，故系统级仿真中信道的实现需要较长时间。 链路级的仿真只需一个d r o p ，即链路级仿真中计算信道所需的参数( 如功率、时 延和射线角度等) 是保持不变的，得到的信道响应仅为时间的函数。 i m t - a d v a n c e d 空间信道模型如图2 2 所示。由图2 2 可以看出，每条路径由若 干个在传输方向上不同的散射体叠加后得到，其相比于传统信道模型多了空间传 输角度等参数，充分利用了空间信息。每条信道包含有多条子路径存在，多条子 径呈现出不同的路径增益、时延以及角度等特性。 第二章i m t - a d v a n c e d 信道模型基本原理 9 簇路径疗 图2 2 中相关参数符号说明如下： q 。s 和q 。艉：基站天线阵列方向角和移动台天线阵列方向角。 艮和：分别表示基站和移动台与二者之间直连线和水平方向的夹角。 瓯一n d 和瓯爿鲥：分别表示基站和移动台两端，第刀条路径相对于基站和移动台 连线的夹角。 a n , m l n d 和。朋月“：分别表示第刀条路径的第m 条散射体的基站发射角的相对， 偏移角和移动台接收角的相对偏移角。 或朋一曲和吃，卅“：分别表示第，l 条路径的第m 条散射体中基站和移动台与水平 方向的夹角，可以看出为见一一o d = + 氏一| o d + 。芦一0 d ，同理对于见，卅叫。 见：表示移动台运动方向与水平方向的夹角。 在i m t - a d v a n c e d 多天线模型下，多径信道响应计算公式应为多维矩阵函数， 其中第5 根发送天线到第”根接收天线的信道响应系数可表示为式( 2 1 ) ： 舻魔艮黜卜口n m i i v 麓磁钯习， e x p 忱2 刀矗1 血瓴，。决x p 缸2 碱1s i i l 瓴。烘x p ( ，2 万朋f ) 式中，为总路径数( 也称为“簇总数) ，刀为路径索引，m 表示每条路径中包 含的散射体数，一般固定为2 0 条；，和r 分别表示接收天线甜在垂直和水、 平极化方向的场强增益，层和最硝分别表示发送天线s 在垂直和水平极化方向 的场强增益；朋和九朋分别表示第，条路径的第m 条子射线对应的离开角度和到 达角度；埘表示第拧条路径的第1 1 1 条子射线方向上的移动速度；t 和屯分别为 发送天线和接收天线相对于基准天线的距离，九表示载波波长。 艺篡 - | 虎e 慨x p ( j o ) 磊朗 p 2 ， 【- 吒。口。月脚j i 丁) e 冲) i u 吆 式( 2 2 ) 矩阵表示天线互极化场强增益，式中四个元素分别表示第刀条路径的第7 个 1 0 i m t = a d v a n c e d 信道模型实现及其编码系统性能研究 散射体在四个不同极化组合( 1 n ，v h ，b y , h h ) ( ，代表垂直极化方向，h 代表水平极化 方向) 下的场强极化因子，o 表示场强极化角度，鬈为互极化功率比。若不考虑 极化，式( 2 2 ) 极化矩阵则转换为标量e x p 咖一) 代替。 对于有l o s 视距路径的传输环境，需多加一条视距路径，再对n l o s 的路径 乘以r i c i a n 比例因子系数即可，具体如式( 2 3 ) ，其中h 。( ，) 为n l o s 下的响应矩 阵。 。 厂广一 。o ) 2 志h ，( ，) + 6 g 一1 冗傩) r | - e , , p h a r o s ) 疋以日栅) jl 0 唧0 ) 恐钯牡， e x p , 2 确1s i l l 娩傩) ) e x p 坛2 纸1s i l l 傩) ) e x p 0 2 万吃傩，) 由路径响应计算公式可以看出，i m t - a d v a n c e d 信道响应包含五部分的计算内 容，如图2 3 所示。 图2 3 信道响应计算部分 i m t - a d v a n c e d 信道模型包含了大尺度衰落和小尺度衰落两部分。大尺度衰落 包括了路径损耗和阴影衰落的计算。而小尺度衰落部分通过信道响应来体现，小 尺度衰落由图2 3 可知包含了五部分的计算内容，在实现时涉及多个参数的选择。 i m t - a d v a n c e d 信道模型的实现首先要完成场景环境的选择和系统仿真参数的 配置( 参数典型配置值见参考文献 2 9 】) ，为信道实现提供框架和参数依据；其次 对已确定好的场景利用相应的小区结构布局计算基站和用户位置，以便大尺度衰 落和小尺度衰落的计算实现；最后根据计算结果进行相应的存储输出操作。 2 2评估场景环境 i m t - a d v a n c e d 中考虑五种评估场景的信道模型，表2 1 分别给出了各个场景 的名称及缩写表示。 第二章i m t - a d v a n c e d 信道模型基本原理 表2 1i m t - a d v a n c e d 评估场景 场景室内城市城市乡村郊区 热点宏蜂窝微蜂窝宏蜂窝宏蜂窝 英文全称i n d o o ru r b a n u r b a nr u r a ls u b u r b a n h o t s p o t m a c r om i c r om a c r om a c r o 英文缩写 i n hu m au m ir m as m a 3 g p p 最初给出的s c m 模型只对三种场景的部分传播情况做评估，而s c m e 是对s c m 中的频率和带宽范围等进行扩展，场景并无扩展。i m t - a d v a n c e d 信道 模型仍然采用3 g p p 中s c m 的实现原理，但是考虑到模型的细化及扩展，对评估 场景、频率范围和带宽范围以及最高传输速率等进行了扩展。 表2 2 给出了3 g p p 3 g p p 2 的s c m 和i m t - a d v a n c e d 的m i m o 空间信道模型 的参数对比。 表2 2i m t - a 与3 g p p ，3 g p p 2 信道参数比较 汴絮 3 g p p 份g p p 2 i m t - a d v a n c e d 参数、弋三 u m a ( n l o s )u m a ( l o s & n l o s ) u m i ( l o s & n l o s )u m i ( l o s & n l o s & o - t o - 1 ) 环境场景 s m a ( n l o s )s m a ( l o s & n l o s ) r m a ( l o s & n l o s ) f r i l l ( l o s & n l o s ) 频率范围 2 g h z2 6 g h z 最大带宽 5 m 时z1 0 0 m 时z 移动速度最高1 2 0 k m h最高3 5 0 k m h a 路径数( n ) 64 - 2 0 每条路径散射体数 2 02 0 b s 角度扩展 5 - 1 9 。6 - 4 2 。 m s 角度扩展6 8 0 3 0 - 7 4 。 时延扩展l7 0 - 6 5 0 n s2 0 - 3 6 5 n s 阴影衰落标准差 4 - 1 0 d b1 1 8 d b l s 参数间的相关性无有 i m t - a d v a n c e d 不同信道场景环境的网络结构不同。室内场景建筑结构规则， 选取格形网络结构，其他场景均采用典型的六边形3 扇区的蜂窝结构，两种结构 布置如图2 4 ( a ) 和2 4 ( b ) 【2 9 】所示。 1 2 i m t - a d v a n c e d 信道模型实现及其编码系统性能研究 ( a ) 六边形蜂窝网状结构 ( b ) 格形小区结构 图2 4i m t - a d v a n c e d 不同场景小区结构图 2 3信道实现原理 i m t - a d v a n c e d 的信道响应的计算实现包含了l s p 、s s p 和信道响应三层参数 的随机实现【2 9 1 。首先l s p 中的阴影衰落、时延和角度扩展等是根据不同的分布函 数随机产生的，其次包含时延、功率、发射角度和接收角度等参数的s s p 是根据 随机的l s p 变量和s s p 分布函数联合产生。信道详细计算流程如图2 5 所示。 黝w ，+ 咒“一“。+ 州8 l 一。坤舻舭r 鼍，嘶4 ”，”二j ”￥y ? ”：翟一“ “一 “懈 誓一。1 i “。鼍 ；“ 一般参数 二，0z 。? 、，7 ； 一“? t i 。7 。”。 鍪 i 设定场景 传输情况i 计算路径损耗 7 计算相关l s 参数! i 目士n ( p l ) p l ( d s , a s 。s f , k ) 嚣 # 鞫甓茹h ( l o f t n l o s ) r 嘲辩嘲黼瓣维崩黼糍辎诒鞘辫 凌务，砖审蠹颤穗辫臻缓鳜城糍旃麓翰艘鹈自渤易，j 扁妒。；缸- 。蘧 镛碱鳓o * 螂撕 ，却砷稽溅峰。矗枯糍旗稿辩班稿鹄馘戮裙巍霭张端翰廿器建 # 铹 i样s参致够一静磐”秽妙”钟7 蠢参数一驴”v 呷。”妒7 7 “” 琵 一4 w 、? t a ；f ai，：? 矗t “* ? _ 玑? 口t ，- 一 ； 器 1 到型，型盎 y b 。 p 一疆 赣移4 l 。p i 警9 嘴，? ? 7 7 j 。7 “曩信遗系数。秘如矽? 7 孳? 鬈孑? r 哳鼍 魏 。赢k 靛，成瑶“p 幻一： 、。- “t o p - ， l， 鬈 d ：三竺竺三斟：三三兰三兰尉：篓：已i 级。强“ 图2 5i m t - a d v a n c e d 信道流程图 由图2 5 可以看出，每个场景由一系列参数描述，包括：路径损耗、角度功率 谱、功率时延谱、簇时延线的抽头数、互极化隔离度( c r o s sp o l a r i z a t i o nr a t i o ，x a r ) 、 时延扩展( d e l a ys p r e a d ，d s ) 、发射角角度扩展( a n g l es p r e a do f d e p a r t u r e ，a s d ) 、接 收角角度扩展( a n g l es p r e a do f a n i v a l ，a s a ) 、阴影衰落( s h a d o wf a c t o r , s f ) 和r i c i a n k 因子( 仅在视距传播环境下使用) 【2 9 1 。其中d s ，a s d ，a s a ，s f ，k 五个参数建 第二章i m t - a d v a n c e d 信道模型基本原理 1 3 模成五维对数正态分布的联合随机向量，构成l s p 。 下面将分别给出大尺度衰落和小尺度衰落两部分的计算实现过程。 2 3 1 大尺度衰落原理步骤 第l 步：确定传输场景环境( l o s ：l i n eo f s i g h t n l o s ：n o nl i n eo f s i g h t ) ， 其中在系统级仿真中要计算l o s 出现的概率，该概率值和收发距离有关，具体概 率计算方法详见文献【2 9 】表a 1 3 。 第2 步：根据场景环境计算路径损耗和阴影衰落。不同场景路径损耗计算公 式不同，各场景环境计算公式见参考文献 2 9 】表a 1 2 。阴影衰落根据场景阴影方 差，采用对数正态分布获得。最后将阴影衰落和路径损耗求其对数和得到大尺度 衰落值附加在接收信号中( 在系统仿真中需要) 。 2 3 2 小尺度衰落原理步骤 小尺度衰落表现为信道响应的变化，信道响应五个部分的计算通过多个参数 来描述的，三层随机性参数的计算实现层次如图2 6 所示。 l s p s s ph 图2 6i m t - a 信道随机参数计算 信道响应三层随机过程具体计算步骤如下： 第一层随机变量l s p 第l 步：根据参数表和相关矩阵产生l s p ，包括时延扩展，角度扩展a s ，r i c i a n 因子k 和阴影衰落。将a s a 和a s d 的均方根限制在1 0 4 。内，= r a i n ( i x , ，1 0 4 ) 。 第二层随机变量s s p 第2 步：采用下式( 2 - 4 ) 计算时延f 。其中以u ( 0 ，1 ) 为( 0 ，1 ) 均匀分布的随机变 量，s o r t 0 函数完成时延的升序排序。 - ： ： ：t n l = 一r , t x , l i l x l = s o r t ( t 。_ 曲( 。”( 2 - 4 ) j ， 在l o s 情况下，需要额外的时延尺度因子对时延进行修正，修正公式为： 。d = o 7 7 0 5 - 0 0 4 3 3 k + 0 0 0 0 2 k 2 + o 0 0 0 0 1 7 k 3 , f = f i d ( 2 5 ) 第3 步：产生路径功率尸，其依赖于时延参数，具体计算如式( 2 6 ) ，其中 乙n ( 0 ，f ) 表示均值为0 的高斯变量，其方差为大尺度参数中阴影衰落方差。 1 4 i m t o a d v a n c e d 信道模型实现及其编码系统性能研究 巧= d l 剥加鲁，只2 南 ( 2 6 ， 第4 步：产生a o a 接收角度9 和a o d 离开角度妒。以a o a 为例，由于功率 角度谱( p o w e r a n g l es p e c t r u m , p a s ) 室内为拉普拉斯分布，室外为高斯分布，故a o a 便建模为高斯的逆或拉普拉斯的逆函数，分别对应下式( 2 - 7 a ) 和( 2 7 b ) ，其中 盯a n a = 1 4 。在l o s 环境下，a o a 的修正因子c 依赖于r i c i a n 因子k ，修正公 式为式( 2 - 8 a ) 和( 2 8 b ) ，分别对应室内和室外两种情况。 驴盈龃粤( 2 - 7 a ) ：一o - , t n ( e i n 舱x 一( p a ) ( 2 7 b ) c 加9 = c 【1 1 0 3 5 - 0 0 2 8 k 一0 0 0 2 k 2 + o 0 0 0 1 k 3 ) ( 2 - 8 a ) c 厶= c ( 0 9 2 7 5 + o 0 4 3 9 k 一0 0 0 71 k 2 + o 0 0 0 2 k 3 ) ( 2 8 b ) 式( 2 9 ) 是在n l o s 传输环境下，需要对a o a 添加一个随机的符号因子 ( 以 + l ，- 1 ) 和一个随机的高斯偏移量( l n 【o ，o r 驴7 ) ) 。对于l o s 传输环 境，需要进行角度修正来加强直射路径强度，如式( 2 1 0 ) 所示。最后口。表示收发两 端射线随机匹配时的偏移角度，如式( 2 1 1 ) 所示。 = 以纯+ 艺+ 9 l o s( 2 - 9 ) 吼= c k 9 。+ 艺) 一( x i 9 1 + y i - - q ，l o s ) ( 2 - 1 0 ) 。= + “口旃( 2 - 1 1 ) a o d 的产生方法和a o a 的类似，这里不再给出。 第5 步：路径子射线的随机耦合，将第4 步计算的纯。和丸。，进行随机配对。 第三层随机变量信道响应 第6 步：为每条路径内的每条射线随机产生四个不同极化方向的初始相位 扣，( i ) m v h ，西 。在l o s 情况下，仅有两个方向的初始相位袖，j 。 初始相位服从u ( 一万，万) 均匀分布。 第7 步：为每条路径计算响应系数。一种方法是本文所采用的公式