第3章
大规模天线无线信道建模
| 3.6 大尺度信道建模 |
| 3.7 小尺度信道建模 |
小尺度衰落是指无线电信号在短时间或短距离(若干波长)传播后其幅度、 相位或多径时延的快速变化。这种衰落是由于同一传输信号沿不同的路径传播, 由不同时刻(或相位)到达接收机的信号互相叠加所引起的,这些不同路径到 达的信号称为多径信号,接收机的信号强度取决于多径信号的强度、相对到达 时延以及传输信号的带宽。小尺度信道建模主要考虑时间色散参数、频率色散 参数以及空间色散参数的建模。本节主要讨论对大规模天线传输性能有直接影 响的角度色散参数的建模。
3.7.1 垂直角度参数模型
由于 3D 波束赋形及大规模天线波束赋形技术需要综合考虑三维空间内的 信道空间特性,尤其是评估 UE 专属赋形方案或垂直维度扇区化方案需要建模 垂直维度信道,所以 3D 信道建模的一个重点在于将考虑水平维度信道的 2D 信 道扩展为同时包括水平维度和垂直维度信道分布的 3D 信道,增加建模用户的 垂直分布和垂直角度分布。3D 信道模型中水平角度沿用 ITU 信道中的定义, 垂直角度是借鉴了 ITU 信道中水平角度的生成过程、WINNER+信道中垂直角 度参数的定义、并根据业界各公司在 3D 信道场景下的实测数据综合得到的。 本节讨论与垂直角度相关的参数模型。
首先介绍水平角度和垂直角度的定义,如图 3.17 所示,假设水平面为 XOY 平 面,垂直方向为 z 轴方向,则水平角度定义为空间多径方向在 XOY 平面上的投影 与 x 轴正方向的夹角,垂直角度定义为空间多径方向与坐标系 z 轴正方向的夹角。 在图 3.17 中,若 raym,n为空间多径的方向,则对应的水平角度为 ϕ ,垂直角度为 θ 。
3D 信道模型中,一条传输路径对应 4 个角度,包括水平发射角、水平到达角、垂直发射角、垂直到达角,具体定义如下:
• 水平发射角(AOD,Azimuth of Departure):空间信道多径与发射端水 平方向的夹角;
• 水平到达角(AOA,Azimuth of Arrival):空间信道多径与接收端水平 方向的夹角;
• 垂直发射角(ZOD,Zenith of Departure):空间信道多径与发射端垂直 方向的夹角;
• 垂直到达角(ZOA,Zenith of Arrival):空间信道多径与接收端垂直方 向的夹角。
图 3.18 直观地表示了 UMa 和 UMi 场景中传输路径的垂直角度的定义。
本节介绍 3D 信道模型中垂直角度的定义以及由于引入垂直角度而需要改 动的信道参数,包括垂直角度的多径分量统计互相关矩阵、垂直角度扩展参数 的定义以及垂直角度的生成过程。
此外,关于垂直角度的定义,有一点需要提醒读者注意:除了上面提到的使 用 ZOD/ZOA 定义垂直角度外,还有一种垂直角度的定义方法:使用 EOD/EOA (Elevation of Departure/ Elevation of Arrival)定义。两种定义都可以表示垂直角 度,区别在于参考坐标不同,ZOD/ZOA 表示 z 轴正方向到多径方向的夹角,而 EOD/EOA 表示水平面到多径方向的夹角,如图 3.19 所示的 θ 参数。
介绍 EOD/EOA 定义的原因在于,在制定 3D 信道模型的初期,涉及垂直角度的定义一般是使用 EOD/EOA 的定义方法,后期因为提出了坐标系以及坐标系间转 换的概念,为了统一信道模型中角度的表示方法,将使用 EOD/EOA 定义的垂直角 度改变为使用 ZOD/ZOA 定义的垂直角度。本书中统一使用 ZOD/ZOA 定义的垂直 角度,但参考文献多是使用 EOD/EOA 定义的垂直角度,需要留意两者的区别。
3.7.2 多径分量统计互相关矩阵的定义
在采用基于几何的随机信道建模方法(GBSM,Geometry Based Stochastic Modeling)对 3D 信道进行建模的过程中,需要利用射线跟踪的方法对仿真场景 内的所有散射多径分量的特性进行统计建模,从而计算出信道的冲激响应。用 于描述多径分量的统计特性的参数包括时延扩展参数(DS, Delay Spread)、 LOS 增益参数(K 因子)、阴影衰落参数(SF,Shadow Fading)及角度扩展参 数(AS,Angular Spread)4 组参数。多径分量统计互相关矩阵是由以上每两个 参数互相关系数所组成的矩阵,若描述信道的多径分量需 N 个参数,则多径分 量统计互相关矩阵为 N×N 的对称正定矩阵。
多径分量统计互相关矩阵具有以下性质:
•相关矩阵是正定矩阵;
• 相关矩阵对角线上元素为 1。
在 2D 信道建模中,角度扩展参数仅包括水平维两个扩展参数(ASD/ASA, Azimuth Spread of Departure Angle/ Azimuth Spread of Arrival Angle),即 2D 信 道中共有 5 个参数(DS/ASD/ASA/K/SF),互相关矩阵为 5×5 的正定矩阵,如 图 3.20(a)所示。由于 3D 信道对垂直维角度进行建模,所以信道的角度扩展 参数除了水平角度扩展参数外,还应包括垂直维角度 ZOD/ZOA 的角度扩展参数 ZSD/ZSA,即 3D 信道需 7 个参数(DS/ASD/ASA/K/SF/ZSD/ZSA)来描述多径 分量的统计特性。多径分量统计互相关矩阵为 7×7 的正定对称矩阵,如图 3.20 (b)所示。矩阵中 7 个参数的顺序是不固定的,可以是任意顺序;矩阵中 ρ DS-ZSD 和 ρ ZSD-DS意义相同,均表示参数 DS 与 ZSD 的互相关系数,其他参数意义以此 类推;矩阵中对角线上的 1 表示同一个参数的自相关系数为 1。
3D信道的多径分量统计互相关矩阵是在WINNER+信道模型中2D信道互相 关矩阵的基础上扩展得到的。对于图 3.20(b)中互相关系数的定义,根据实测 数据以及 Ray-tracing 仿真结果,出现了不同的互相关矩阵方案。由于互相关矩 阵由实测数据经过统计得到,没有理论依据可以判断哪个方案更接近实际 3D 信 道,所以 3GPP 在 WINNER+信道模型的基础上,综合各公司的实测结果[37],进 行正定性修正后得到了终版本 3D 信道的多径分量统计互相关矩阵,如表 3.9所示,表中数据摘自 TR36.873 和 TR38.901[41]。代表每两个多径分量统计参数的 互相关系数,可按照图 3.20(b)的顺序构成互相关矩阵。在 UMi、UMa 和 RMa 场景下,互相关系数是按照 LOS、NLOS 和 O2I 三种情况分开定义的。