PAGE265G信道模型仿真設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u193695G信道模型仿真設計案例 193801.1信道建模流程 1186651.2參數(shù)建模 2158511.2.1通用參數(shù)生成 2110441.2.2信道系數(shù)生成 7270551.35G新特性模型傳播 868121.3.1空間一致性 811771.3.2氧氣損耗 9186871.3.3阻塞 91.1信道建模流程基于現(xiàn)有的信道建模研究成果，我們可以利用時間簇和空間波瓣實現(xiàn)5G毫米波信道的建模，使用時間簇可以表示出在相近時間內(nèi)從各個方向到達的任意多徑分量，使用空間波瓣表示在相近角度域中具有不同時延的多徑分量，其建模主要流程如下圖所示：圖1.1信道建模流程圖[7]1.2參數(shù)建模1.2.1通用參數(shù)生成（1）信道沖擊響應參照3GPP模型和WINNER模型，我們使用簇的概念描述空間信道模型（SpatialChannelModel,SCM），它同時考慮了多徑的時延、方向和天線方向圖。規(guī)定每條主路徑含多條子徑，假設子徑時延固定，每一條子徑將由同一發(fā)射信號經(jīng)過不同時延到達接收端。同時，基于散射體的統(tǒng)計特性將簇分為任意條子徑，按照強度依次賦予不同的時延。這樣就可將收發(fā)端全向信道沖擊響應模型描述為： （3-1）為了方便，我們將信道響應系數(shù)矩陣已三維能量角度譜的形式表示，通過對信道系數(shù)矩陣模的平方在時域上積分就可以得到功率分布指標： （3-2）其中，表示絕對信號傳輸時間，表示離開角，表示到達角，和分別表示時間簇和簇內(nèi)子徑的個數(shù)，、、分別表示第個時間簇內(nèi)的第個子徑的幅度、相位和傳輸時延，、則表示對應子徑的離開角和到達角。（2）信道場景選擇為了方便研究，用表示收發(fā)端之間的距離，當時為LOS場景，當為NLOS場景。服從均勻分布，且可在場景范圍內(nèi)隨機生成，也可以將其設定為固定數(shù)值。計算路徑損耗根據(jù)場景生成接收端全向功率，為接受端功率，則路徑損耗模型為： （3-3） （3-4） （3-5）其中，=1m，為波長，為不同情況下的路徑指數(shù)（PLE），為均值為0，方差為的高斯隨機變量，它們在不同環(huán)境下取值如下表1.1所示：表1.1場景參數(shù)28GHz73GHzLOS2.01.62.05.2NLOS1.49.71.37.6（4）設置接收端時間簇數(shù)目和發(fā)射角與到達角的空間波瓣數(shù)目假設接收端時間簇數(shù)目為且服從1～6上的均勻分布，即,發(fā)射角與到達角的空間波瓣數(shù)目分別用、表示，滿足泊松分布: （3-6） （3-7）其中，和分別為離開角度域和到達角域上突出波瓣的平均數(shù)目，在不同頻段場景下的取值如圖1.2所示，為空間波瓣允許的最大數(shù)目。最大時間簇數(shù)目在選擇離散均勻分布[1,6]內(nèi)隨機生成。因為簇內(nèi)子徑在近似時間內(nèi)以不同角度達到，在波瓣域內(nèi)以相同角度的不同時間內(nèi)到達，所以空間波瓣數(shù)和時間簇數(shù)可以彼此相互獨立分別生成。（5）設置每個時間簇內(nèi)子徑（SP）數(shù)目在實測中可以通過尖峰檢測算法觀察子徑數(shù)目，在本文中，我們將每個時間簇內(nèi)的子徑數(shù)目設置為1～30內(nèi)的均勻分布，即。設置簇內(nèi)徑時延為避免信道模型頻帶之間產(chǎn)生交疊，反映簇內(nèi)時延間隔隨簇時延的增加而增加，將發(fā)送端PN序列的基帶帶寬設置為=400MHz，則簇內(nèi)徑時延為： （3-8）其中，在0～內(nèi)服從均勻分布，即。（7）設置簇間時延簇內(nèi)時延因子由以下公式生成： （3-9） （3-10）其中，表示實驗因子，服從參數(shù)為的指數(shù)分布，即，函數(shù)可以將時延因子升序排列，但在不同頻段的取值是不同的，具體數(shù)值由圖1.2所示。因為時間簇間隔是由具體的場景環(huán)境決定的，在這里我們把它設置為不小于25ns,以此區(qū)分不同的時間簇。（8）設置時間簇功率類比3GPP、WINNER信道模型中的方法，我們將時間簇的功率在時延上的分布擬合為指數(shù)分布，則時間簇功率的計算為： （3-11） （3-12）其中，是第一個時間簇的平均功率，是功率的衰減常數(shù)，是滿足均值為0，方差為的正態(tài)分布，即，的取值如下圖1.2所示，在確保簇功率歸一求和的情況下可求出接收端的全向接收功率。設置簇內(nèi)子徑功率通過實際環(huán)境中的測量發(fā)現(xiàn)，簇內(nèi)子徑功率隨簇內(nèi)子徑時延表示出指數(shù)衰落，當空間和時間的分辨率達到一定程度時，也會隨簇內(nèi)時延表現(xiàn)出指數(shù)衰減。 （3-13） （3-14）其中，是第一條簇內(nèi)子徑的平均功率，表示時間衰減因子，是滿足均值為0，方差為的正態(tài)分布，在不同頻段的取值如圖1.2所示，在保證簇內(nèi)各子徑功率歸一求和后，可以計算簇功率。設置子徑相位用以往的信道模型進行參考，為了在保證準確性的同時滿足頻段的普適性，可以認為子徑的相位獨立與頻率和時延的變化，在不同散射環(huán)境中各條子徑之間互不影響，這里我們將子徑相位設置為0～2之間均勻分布的隨機變量，即,其中，，。（11）恢復簇內(nèi)子徑絕對時延為收發(fā)端之間的距離，可用其恢復簇內(nèi)子徑絕對時延： （3-15）其中，，，為光在自由空間的傳播速度。（12）設置3D空間波瓣發(fā)射角與到達角的水平角度均值為同時避免上下限的波瓣交疊，設置AOA、AOD的水平角度均值服從均勻分布，即： （3-16） （3-17）（13）設置3D空間波瓣發(fā)射角與到達角的垂直角度均值同樣地，這里的AOA、AOD的水平角度均值服從均勻分布，即。其中，位于水平面的上方為正，位于水平面的下方為負，分布的均值和方差在不同的頻段取值不同，如圖1.2所示：（14）設置各個子徑分量的離開角和到達角采用中置配合擴展值的方式分別從水平、垂直兩個維度考慮離開角（，）和到達角（，）： （3-18）其中，， （3-19）其中，每一多徑簇都可分配到一個獨立的波瓣補充子徑角度偏移，滿足一定的經(jīng)驗分布。和3GPP中使用均勻生成徑離開角，0均值高斯分布生成徑到達角、WINNER中使用功率譜包絡滿足0均值高斯分布的方式不同，這里使用了拉普拉斯分布，更加契合跨頻段的模型生成[1]。圖1.2模型參數(shù)參考1.2.2信道系數(shù)生成信道系數(shù)表示仿真信道最終的輸出，首先需要隨機生成多徑簇內(nèi)的各子徑傳播射線的初始相位（，，，），都滿足均勻分布，即,其中，（，，，）為四種極化組合方式。假設基站的發(fā)射天線數(shù)目為S,移動臺的接收天線數(shù)目為U,發(fā)射陣元s與接收陣元的第n個簇的信道內(nèi)，信道系數(shù)值為U與S的復矩陣： （3-20）其中，為電磁波波長，是多徑簇的功率，是簇內(nèi)子徑數(shù)目，、表示天線陣元u在對應方向的增益，、則表示天線陣元s在對應方向上的增益，、分別表示接收天線陣元u和發(fā)射天線陣元s的位置坐標向量，表示移動臺的移動速度，、分別表示到達角和離開角的球面單位向量。最終，信道中的沖擊響應的生成還需要考慮路徑損耗和陰影衰落： （3-21）其中，PL表示路徑損耗（PathLoss,PL）,SF表示陰影衰落（ShadowFading）,均由大尺度參數(shù)生成。相比小尺度參數(shù)，大尺度參數(shù)的研究已經(jīng)相對成熟，這里，我們可以參考WINNER中的建模思路，使用2D網(wǎng)格濾波器算法生成，詳細可參考WINNERⅡ[11]。1.35G新特性模型傳播1.3.1空間一致性由于5G信號的特殊性，考慮空間一致特性的信道模型更加能夠與實際信道實現(xiàn)擬合。參考5G信道建模標準ITUM.2412，可以用以下方法進行：首先，將簇的時延表示為： （3-22） （3-23） （3-24）其中，表示光速，表示移動臺的運動矢量，表示初始時延，表示發(fā)射天線與接收天線之間的3D歐氏距離。隨后，可以得出球面單位矢量為： （3-25）其中，、分別表示簇在水平維度上的到達角和在俯仰維度上的到達角。那么，快衰落模型的時延則可生成為： （3-26）1.3.2氧氣損耗在原有的簇相應基礎上，簇n在中心頻率處對附加損耗的建模為： （3-27）其中，表示光速，表示發(fā)射天線與接收天線之間的3D歐氏距離，表示與頻率有關的氧氣損耗，表示第n個簇的時延，在LOS場景下為0，其他場景下為最小延遲。1.3.3阻塞阻塞模型有兩種類型，分別為：動態(tài)的阻塞模型和靜態(tài)的阻塞模型。一般來說，動態(tài)模型運用于人體阻塞和車輛的移動過程中，使用隨機獲取的方法建立具有高效率的模型。而在靜態(tài)模型中，則采用幾何法對固定阻塞建模，只適用于特定場景或準確的建模情況。本文主要對靜態(tài)阻塞進行建模。首先，需要在固定的場景中設置確定數(shù)目的障礙物，假設數(shù)目為k（距離障礙物越遠阻塞的影響越小，所以在研究過程中為了方便，我們只考慮k個距離發(fā)射端或接受端靠近的障礙物），并逐個獲取他們的高度（）、寬度（）以及位置坐標（、、）。然后，各個障礙物對簇的衰減可通過刀刃衍射模型進行建模: （3-28）、、、表示障礙物的四個邊緣的刀刃衍射： （3-29）其中，為信號的波長，表示接收端與障礙物四個角之間的距離，表示發(fā)射端與障礙物四個角之間的距離。如圖1.3、圖1.4所示，側(cè)視平面垂直于水平面，俯視圖垂直于側(cè)視圖。每個簇圍繞中心旋轉(zhuǎn)可以使