网络技术
《电信网技术》年月第,期口
多天线无线信道仿真与建模方
法
杜加懂林辉摘要多入多出技术由于可以提高频谱利用率系统容量和通信质量而被和系统所采用选择合适的信道仿真模型对于刚试技术在系统中的性能也就越来越重要本文介绍了信道各种仿真与建模方
法
关键词信道模
型
引言新一代移动通信风将可以提供高达灯甚至更高的数据传输速率支持的业务从语
音到多媒体包括实时的流媒体业务数据传输速率可以根据这些业务的需要而动态调整但是又要求所
花费用尽可能的低这就需要提高频谱利用率在有限的频谱上实现通信的高速率大容量和高质量技术充分开发了无线信道的空间特性可以在不增加频谱资源和发射功率的情况下大幅度地提高
频带利用率系统容量和业务的可靠性现在技术已经被的高速下行分组接人技术无线局域网和无线城域网标准所采用任何无线通信系统的标准都需要指定一个信道模型作为性能评估和比较的基础而该模型必须充分体现出目标应用信道的各种特性由于技术优势是建立在空间特性的利用上所以的信道模型必须充分模拟信道的各种空间特性信道模型的发展在早期信道模型研究中为简化分析通常假设天线阵列周围存在大量散射物且天线元间距大于半波长不同天线的信道衰落是不相关的在仿真中通常利用中的信道来模拟信杜加恤北京交通大学现代通信研究所研究生在读林辉信息产业部电信研究院通信标准研究所助理工程师道各个信道是独立产生相互之间独立即相关系数为零随着信道研究的发展和趋于成熟人们发现随着信道相关性逐渐增强信道的容量将急剧下降当信道存在相关性时早期部分将技术研究成果应用于无线通信系统中时性能将急剧降低甚至于不能正常工作而在现实环境中具有相关性或相关性强的信道环境又大量存在所以在信道的研究中要考虑建立接近实际信道环境的信道模型下面简要介绍在以及系统中采用的信道模型在中提出的信道模型是为载频带宽系统设计的它是基于散射随机假设建立的信道模型基本原理是利用通过统计得到的信道特性如时延扩展角度扩展等来得到信道
系数并通过在公式中引人天线间距得到信道之间的相关性主要定义了种场景即市郊宏小区市区宏小区和市区微小区在中采用的也是这种信道模型只不过实现方法从原来的基于几何统计法简化成为相关矩阵法在未来系统中所采用的信道模型是信道模型的扩展扩展保持简便性和向后
兼容性即信道模型要能够向后兼容这
样就保持了模型的一致性和可比性信道扩展是因为在系统中带宽扩大到一所需要的抽样频率也大大提高每条链路能分辨的延迟数目也随之增大模型条延迟路径不再满足系统的需要在欧盟仆项目中采用的是信口道模型它的原理以及建模方法同一样采用的是射线叠加法它利用信道的统计特性在移动台和基站周围撒散射体组来模拟实际电磁波的反射折射等从而实现对实际信道的模拟在丹佛举行的第次会议上讨论并通过了由爱立信诺基亚和西门子联合提交的关于吐信道模型此信道模型是从矶江信道模型发展而来只是对于应用场景进行了重新的定义以及各个场景的参数做了相应的改动其基本的建模方法并没有发生变化采用的是基于几何统计建模方法在未来信道的建模中在静态考虑各个信道之间的相关性的基础上还会引人移动台以及散射体移动对信道的影响也就是所说的动态信道建模随着移动台和散射物体的移动接收和发射角度即和会时时发生变化信道的角度功率谱的改变会使信道之间的相关性发生相应地改变动态建模就是要跟踪这种变化从而更加精确地模拟实际环境中信道仿真模型建立方法以信道模型主要分类即统计性模型经验模型确定性模型和半确定性模型统计性模型统计性模型是基于信道各种统计特性建立的信道模型在实际传播环境中存在着大量具有相同或相似传播特性的小区对这些小区进行实际测量归纳出信道各种重要的统计特性如时延扩展角度扩展等及信道参数的概率密度分布利用这些统计信息建立适用范围较广的空间信道模型典型方法如基于试验测量的冲激响应法这是一种完全随机的方法统计性模型的优点在于模型的复杂度较低具有一定的通用性缺点是和实际的信道有较大偏差这是因为模型的各种参数是用各自统计特性随机生成随机生成的参数和实际测量的参数可能会有比较大的差别这类模型主要有李氏模型离散均匀分布模型高斯广义稳态非相关散射模型等确定性模型随着移动用户和移动业务的增加微蜂窝微微蜂窝系统得到广泛应用这些系统的小区半径大大减小小区间的统计相似性消失从而使传统的统计模
型失效因此必须建立有效的精确的电波传播预测
模型来分析这些系统内电波传播特性确定性模型就是为了满足这种需求建立起来的确定性模型是基于实际环境测量建立的信道模型它要求得到信道环境的详细信息如建筑物和自然界物体石头树木等精确的位置大小以及分布等确定性模型的基本思想就是如果传播环境的详细信息可以得到那么无线传播就可以看成一个确定过程它可以确定空间任一点的各种空时特性这类信
道模型主要用于小区规划确定性模型实现方法主要有射线跟踪技术几何绕射和一致性劈绕射理论的方法以及时域有限差分法目前运用最为广泛的是基于几何光学和一致性几何绕射理论的射线跟踪技术射线跟踪的基本思想是将发射点视为点源其发射的电磁波作为向各个方向传输的射线对每条射线进行跟踪在遇
到阻碍物时按反射折射或绕射来进行场强计算在接收点将到达该点的各条射线合并从而实现传播预测射线跟踪可以得到每条路径的幅度时间延迟和到达角以预测信号电平时域色散和信道冲激响应随之一系列参数如功率延迟谱均方根延迟扩展和相关带宽等就可确定射线追踪技术还能够结合天线的
辐射图分别考虑辐射图对每条射线的影响射线追踪法虽然能很精确地模拟出空间信道但是它需要对特定的环境生成电子地图然后对每个位
置计算无线电传播特征建立数据库供仿真程序调
用这就会造成沉重的计算负担并且实际中难于获得详细的地形和建筑的数据库从而使射线追踪法实现困难
射线追踪法主要有镜像法射线发射的射线追踪技术和射线管的射线跟踪技术等
半确定性模型由于统计性模型误差较大而确定性模型复杂性较高实现较为困难等原因出现了介于两种模型之间的半确定性模型半确定性模型是综合上述两种模型优
点发展起来的一种低复杂性又能较好符合于实际环境的一种信道模型半确定性模型的实现主要有两种方法即基于几何统计的信道实现方法和相关矩阵法网络技术《电信网技术》年,月第期口基于几何统计法基于几何统计法是对确定性模型中的射线追踪法的一种简化它不需要详细知道信道环境和对特定
的环境生成电子地图它根据一定的统计特性在基站和移动台周围随机散布散射体组对于每一个散射
体
组中散射体要符合测量统计出来特定角度延迟功率
谱每个散射体组对应信道模型中的一条路径而组中散射体反射散射和绕射到接收端的射线就组成路径中的各条子路径用射线跟踪法来确定每
条射线的角度时延等信道参数在接收端将这些射线迭加起来就得到了信道冲激响应迭加公式如下仍艺艺几‘‘截‘一不一截夕一。一
、
是第条路径中第条子路径的路
径损耗和相位是第‘条路径时延是第条
子路径相对于中心延迟的时延偏转。为第
路径角度扩展是第条子路径相对于中心角度。的角度偏转
基于几何统计法的优点通过增加还是移出直射路径可以很方便地在
和之间切换
考虑了时延扩展角度扩展和正态阴影衰落的相互关系包括各自内部的关系模型受到载频和几何结构的限制很少并且可
以根据信道参数的变化做出及时改变
通过固定信道参数可以简化模型也容易产生信道相关矩阵向信道相关矩阵法过渡基于几何统计法的缺点由于大量随机参数的存在需要大量仿真来获得足够和准确的统计特性模型是基于片段的它不能对信道特性动态变
化的信道进行建模
基于几何统计法的信道模型有信道模
型
信道模型信道模型相关矩阵法相关矩阵法体现了空间信道之间的相关性它利用实际测量的数据或信道统计信息得到空间信道的各种参数路径时延出入射角等然后由这些参数推出信道空间相关矩阵假设的实际信道矩阵为那么信道间相关矩阵为“表示矩阵转置如果通过得到引入模型的相关性矩阵而根据矩阵论相关知识可以得到二将该矩阵乘以独立衰落随机变量组成的列矢量得到模型信道氏护明那么该信道的相关阵为垃二二猛韶孺其中表示单位阵从该等式上可以看出就相关性意义上与是等价的由上面推导也可以看出相关矩阵法建立的信道模型育断尺好地体现出信道相关胜建立信道的相关矩阵主要有两种方式即功率相关矩阵法和信道协方差矩阵法相关矩阵法的优点模型可以更加紧凑地表示因为许多影响信道的变量被信道相关矩阵包含只留下少量变量需要考虑由于相关矩阵已经包含了许多的影响信道因素在计算相关矩阵之前这些因素已经确定只有少量变量如阴影衰落小尺度衰落等需要在每次实现的过程中随机产生信道相关矩阵在模型中只需计算一次有效减少了计算量相关矩阵法缺点必须为每种天线结构构造出相关矩阵因为天线结构不同相关矩阵也不同和信道矩阵相差较大没法平滑过渡时间相关性和空间相关性相独立两者之间共同的统计特性没有保留大范围参数像时延扩展角度扩展等随时间变化这在模型中难于表现因为这些参数在模型中包含在信道相关矩阵中并没有表现出来所以改变比较困难相关矩阵法模型主要有信道模型和信道模型在实际的仿真评估中除了那些对于空间角度特别敏感的技术相关矩阵法产生的信道模型能满足大多数技术的需求对技术性能也能做出较好的评估结束语本文主要介绍了模型建模方法并说明了
各种方法的优缺点和各种方法在各个标准组织中的
使用情况由于自身的优势在未来的移动通信系统必然起到越来越重要的作用选择合适的信道模