LTE基础原理与关键技术第7章无线信道模型.pptx

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第7章无线信道模型,第7章无线信道模型,概述常规测试信道SCM信道模型SCM-ASCM-D信道模型SCME信道模型ITU信道模型WINNER信道模型,1,第7章无线信道模型,7.1.1信道建模方式在实际的移动通信中7，.电1波概的传播述方式除了直射波和地面反射波以外，还存在传播路径中各种障碍物引起的辐射能量的散射、折射和绕射等。

接收信号可以由包络特性和相位特性来描述。

1,第7章无线信道模型由于多径效应，接收信号的包络特性包括慢衰落特性和快衰落特性。

慢衰落表示接收信号的长期变化，大量的统计测试数据表明，慢衰落近似服从对数正态分布。

快衰落对应于接收信号在空间的快速扰动，是由于正在运动的移动用户附近的障碍物对信号的散射引起的。

考虑大量路径引起的散射，接收信号的包络服从瑞利（Rayleigh）分布；若存在视距路径，由于该路径信号的强度往往比其他路径大得多，则接收信号的包络服从莱斯（Ricean）分布。

多天线信道建模方法可分为两大类:

确定性模型和统计模型，如图7.1.1所示。

1,第7章无线信道模型,图7.1.1基本MIMO信道模型分类,1,第7章无线信道模型,确定性模型包括基于射线跟踪方法建立的信道模型和基于利用记录的场测脉冲响应来复现特定环境下的信道特性，上述方法的优点是准确性高，缺点是只适用于特定的传播环境。

统计模型包括基于几何分布的统计信道模型、基于抽头延迟线的参数化统计模型和基于相关性的统计模型。

基于几何分布的统计信道模型对链路两端的散射体作随机分布的假设，根据电磁波的反射、衍射和散射的基本定律，从散射体的分布位置来导出MIMO信道模型，该统计模型又称之为物理模型；参数化统计模型把接收信号看做波的叠加，抽头延迟线是其通常的实现方法，每个抽头表示一个径；,1,第7章无线信道模型,基于相关性的统计模型假设信道系数为复高斯分布，其一二阶矩完全确定信道的统计特性。

在这种假设下，已经构造出一些基于二阶统计特性的MIMO信道模型。

1,第7章无线信道模型,7.1.2瑞利衰落,假设存在两径信号到达接收机，则信道输出的基带信号为,（7.1.1）,1,第7章无线信道模型,在一定的时间范围内，可认为信道的平坦衰落的包络瞬时,（7.1设第一径时延为0，即1（t）0；第二径时延为2（t），有2,.2）（t）,不变，即瞬时不变，设为A（t），则假1（t），则接收信号的幅度包络为,（7.1.3）,1,第7章无线信道模型,式中，,c为电波在自由空间的传播速度，,是信号的时延变化，因,此因此d:

/c。

若若,cos（2fc）0，则信号出现深衰落；cos（2fc）1，则信号幅度增长得到最大值；cos（2fc）0，信号再次出现深衰落；,若依,此递推。

1,第7章无线信道模型,显然，多径信道多个时延的不断变化导致了信号的快速衰落，每两次深衰落的间隔为/2，每两次峰值的间隔也为/2。

移动台运动时，时延不断变化，导致了移动信道的信号快衰落。

接收机移动时将引起接收信号出现多普勒频移的现象，设,多普勒频移值为（7.1.4）,1,第7章无线信道模型,那么接收的路径信号相位为,（7.1.5）,式中，dv，n是第n路径入射角为n时移动台以速度v在时刻t移动的距离；d0，n是t时刻第n路径信号从移动台到基站的距离（d0dv，n）。

1,第7章无线信道模型,由此可得多普勒频移和衰落次数的关系如下:

（7.1.6）当t1s时，信号将最快衰落2fm次（理想情况，实际应用中远小于2fm）。

对于发射的复信号，在传播过程中，经历了多次反射和散射，多径信号的幅值和方向角到达接收天线是随机的且满足统计独立，根据中心极限定理，接收到的复信号实部、虚部相互独立并且都是正态分布的。

1,第7章无线信道模型,假设实部和虚部的方差相等，均为2，均值为0，则联合概率密度函数为,（7.1.7）,转换为极坐,标系下的分布概率密度函数为,（7.1.8）,1,第7章无线信道模型,式中，r为接收信号的幅度；为接收信号的相位，满足（0，2）内均匀分布。

因此，在（0，2）内对上式积分，可得接收信号的幅度概率密度函数为,（7.1.9）式中，接收信号的总功率为2,2代表了I、Q两路接收信号的平均功率2。

瑞利分布如图7.1.2所示。

1,第7章无线信道模型,图7.1.2瑞利分布,1,第7章无线信道模型,7.1.3Jakes模型仿真方法,频,Jakes模型是实现瑞利衰落的常用方法，其仿真方法是由N0个低频振荡器产生频谱率间的相差分布尽可能地接近均匀分布，为最大多普勒频移，v为移动速度，为波长。

振荡器的数目越多，则仿真的统计性能越接近理论情况，但是导致计算量和复杂度增加。

一般要求N08，实际中通常取N024。

Jakes仿真模型的结构框图如图7.1.3所示。

1,第7章无线信道模型,图7.1.3Jakes仿真模型的结构框图,1,第7章无线信道模型,xc和xs可表示为,图7.性。

自,1.3中，y（t）是以c为中心的窄带信号，具有瑞利相关函数近似为J0（m），频谱为,（7.1.10）衰落特（7.1.11）,1,第7章无线信道模型,其功率谱密度理论曲线如图7.1.4所示。

相应地，天线增益,1,第7章无线信道模型,图7.1.4瑞利衰落功率谱密度理论曲线,1,第7章无线信道模型,在3GPPTS36.104、36.141等协议中，针对不同的测试用途，,定义了不同的LTE基站侧用于测试的传播条件。

7.2常规测试信道,1,第7章无线信道模型,7.2.1静态传播条件用于静态性能测试的传播模型为加性高斯白噪声（AdditiveWhiteGaussianNoise，AWGN）环境，不存在衰落或多径。

1,第7章无线信道模型,7.2.2多径衰落传播条件,针对不同应用场景，定义了三种多径衰落环境模型:

EPA:

扩展的步行A（ExtendedPedestrianA，EPA）模型；EVA:

扩展的车行A（ExtendedVehicularA，EVA）模型；ETU:

扩展的典型市区（ExtendedTypicalUrban，ETU）模型。

其中，所有路径均满足典型的多普勒（Doppler）谱，表示为（7.2.1）,1,第7章无线信道模型,式中，ffD，fD，fD为最大多普勒频率。

EPA、EVA、ETU信道模型的参数分别如表7.2.1表7.2.3所示。

1,第7章无线信道模型,表7.2.1EPA信道模型参数,1,第7章无线信道模型,表7.2.2EVA信道模型参数,1,第7章无线信道模型,表7.2.3ETU信道模型参数,1,第7章无线信道模型,实际应用时，采用信道模型多径参数与最大多普勒频率的组合方式定义多径衰落传播条件，最大多普勒频率通常选取为5Hz、70Hz或300Hz，如EPA5Hz、ETU300Hz等。

另外，,200Hz多普勒频率指定用于测试上行时间调整的性能需求。

1,第7章无线信道模型,7.2.3高速列车条件,对于高速列车条件包括两种场景，目的在于测试两种非衰落信道:

场景1，空旷场景，基站侧采用接收分集，各天线间的多普勒频移相同。

场景3:

多天线隧道场景。

1,第7章无线信道模型,上述两种场景的多普勒频移表示为,fs（t）fDcos（t）,（7.2.2）,式中，fs（t）为多普勒频移；fD为最大多普勒频率；（t）的余弦表示为）,（7.2.3,1,第7章无线信道模型,式中，Ds/2表示列车与基站间的初始距离（m）；Dmin表示基站与铁轨间的距离（m）；v表示车速（m/s）；t表示时间（s）。

高速列车铁路的输入参数如表7.2.4所示，多普勒频移参见图7.2.1和图7.2.2。

1,第7章无线信道模型,表7.2.4高速列车条件参数,1,第7章无线信道模型,图7.2.1场景1的多普勒频移,1,第7章无线信道模型,图7.2.2场景3的多普勒频移,1,第7章无线信道模型,7.2.4移动传播条件,移动传播条件的目的在于测试上行时间调整性能，如图7.2.3所示，其中定时参考值与第一条路径之间的时间差如下式表示:

（7.2.4）所有路径之间的时延相对值固定，移动传播条件包括两种场景，对应的参数如表7.2.5所示。

1,第7章无线信道模型,图7.2.3移动传播条件,1,第7章无线信道模型,表7.2.5移动传播条件参数,注:

场景1中需根据UE的移动速度计算多普勒频率；场景2中不考虑多普勒频移。

1,第7章无线信道模型,7.3.1概述,在3GPPTR25.996协议中，定义了空间信道模型（SCM）。

假设基站（BS）天线阵列的天线数为S，移动台（MS）天线阵列的天线数为U，空间信道包含的多径数为N，每条路径又包括M条子径。

图7.3.1所示为模型中使用的角度参数。

7.3SCM信道模型,1,第7章无线信道模型,图7.3.1基站和移动台的角度参数,1,第7章无线信道模型,BSBS天线阵列的方位，定义为BS阵列法线方向与正北方向（参考方向）的夹角。

BSBS和MS之间视距路径LOSAoD方向，以BS阵列法线方向为参考。

n，AoD第n条路径相对于LOSAoD0方向的出发角度AoD（n1，2，N）。

n，m，AoD第n条路径的第m条子径相对于n，AoD的角度偏移（m1，2，M）。

n，m，AoDBS端的第n条路径的第m条子径相对于BS阵列法线方向的绝对出发角度AoD。

1,第7章无线信道模型,MS,1,MS天线阵列的方位，定义为MS阵列法线方向与正,北方向（参考方向）的夹角。

MSBS与MS之间视距路径LOS与MS阵列法线方向的夹角。

n，AoA第n条路径相对于LOSAoA0，MS方向的到达角度AoA。

n，m，AoA第n条路径的第m条子径相对于n，AoA的角度偏移。

n，m，AoAMS端的第n条路径的第m条子径相对于MS阵列法线方向的绝对到达角度。

vMS的速度矢量。

vMS相对于MS阵列法线方向的运动方向，varg（v）。

第7章无线信道模型,7.3.2环境类型,3GPPTR25.996协议定义了三种环境类型:

郊区宏小区（基站间的距离约为3km）、市区宏小区（基站间的距离约为3km）和市区微小区（基站间的距离小于1km）。

对于宏小区环境，基站天线架设高于周围建筑物的高度；对于市区微小区环境，基站天线与周围建筑物的高度相当。

表7.3.1所示为各类型的环境参数。

1,第7章无线信道模型表7.3.1SCM环境参数,注:

多径数N6高于5MHz的,1,第7章无线信道模型,7.3.2.1郊区宏小区和市区宏小区基于修改的COST231Hata市区传播模型，宏小区的路径损耗表示为,中，hbs为基站天线高度（m）；hms为移动台天线高度（m）；fc为,式载波频率（MHz）；d为基站与移动台之间的距离（m）；C为常数因子（郊区宏小区C0dB；市区宏小区C3dB）。

郊区宏小区与市区宏小区的参数设置如表7.3.2所示。

1,第7章无线信道模型,表7.3.2郊区宏小区和市区宏小区的参数设置,点到点的阴影衰落SF相关系数0.5。

1,第7章无线信道模型,7.3.2.2市区微小区,基于COST231WalfishIkegamiNLOS模型，市区微小区NLOS路损的传播模型参数设置如表7.3.3所示。

1,第7章无线信道模型表7.3.3市区微小区NLOS路损的传播模型参数,1,第7章无线信道模型基于COST231WalfishIkegami街道模型，市区微小区LOS路损的传播模型参数设置如表7.3.4所示。

1,第7章无线信道模型表7.3.4市区微小区LOS路损的传播模型参数,点到点的阴影衰落SF相关系数x0.5,1,第7章无线信道模型,7.3.3单极化无线信道,单极化无线信道的生成方式如下:

式中，Pn为第n条路径的功率；SF为对数正态阴影衰落；M为每条路径的子径