信道建模过程｜大型天线波束拟合技术的原理与设计 - 第 XXVIII 部分
最编程
2024-04-05 15:11:30
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无线信道模型包括大尺度信道参数和小尺度信道参数，3D 信道模型的大尺 度信道已在 3.6 节介绍，3.7 节主要介绍了小尺度信道（快衰落信道）的垂直角 度参数模型。本节将详细介绍衰落信道的整体建模流程，内容上与 3D 信道模 型 3GPP TR36.873 7.3 节和 3GPP TR38.901 的 7.5 节[41]对应。两者在内容上大体相同，前者的目标为6GHz以下的信道建模（记为模型1），后者为0.5～100GHz 的信道建模（记为模型 2）。对于 6GHz 以下的信道建模，两者均可以使用， 在下文的描述中，两者不同的地方均会列出。
3D 信道模型中信道参数的生成过程如图 3.21 所示。图中为下行信道参数 的生成过程，若要建模上行信道，需要将角度参数中发射角和到达角的参数 互换。
（1）以下步骤生成仿真参数 步骤 1：配置仿真环境、网络拓扑、天线阵列参数等。仿真时需要首先配 置仿真场景等参数，需要配置的参数包括：
① 配置信道环境参数，可设置为 UMa、UMi、Indoor Office 或者 RMa； 配置全局坐标系并定义相应角度 θ ， φ 和球坐标向量 ˆ θ ， ˆ φ ；
② 配置基站数、UE 数；
③ 配置每个基站、每个 UE 的 3D 坐标，以及计算每对基站-UE 的 LOS 径 角度［LOS AOD( φ LOS,AOD)，LOS ZOD( θ LOS,ZOD)，LOS AOA( φ LOS,AOA)，LOS ZOA ( θ LOS,ZOA)］；
④ 配置基站、UE 的天线模式，及天线场分量 Frx，Ftx；
⑥ 配置 UE 的移动速度及移动方向，在全局坐标系中定义；
⑦ 配置系统的中心频率 fc。
（2）以下步骤生成大尺度参数
步骤 2：设置传播环境（LOS/NLOS）。根据场景和 LOS 概率，为每个 UE 与基站间的链路配置 LOS/NLOS 属性，若配置为 LOS，说明多径中包含 LOS 径。
按照表 3.3 计算 LOS 概率。在仿真中，可按下述方法确定 LOS/NLOS：
① 按表 3.3 计算 PLOS；
② 在[0,1]区间随机产生一个数 P；
③ 若 P < PLOS，则基站与 UE 之间存在 LOS 径，相反，若 P≥PLOS，则不 存在 LOS 径。
步骤 3：计算路径损耗
按照表 3.4 计算路损。每条信号链路（每组空间多径）计算一次路损。
步骤 4：产生具有相关性的多径分量统计参数，包括多径扩展、角度扩展、 K 因子、阴影衰落因子等。每组多径计算出一组随机的多径分量统计参数 σ DS、 σ ASD、 σ ASA、 σ K、 σ SF、 σ ZSD、 σ ZSA，生成方法如下。
① 根据互相关参数计算互相关矩阵：
互相关矩阵的说明见 3.7.2 节。互相关参数见表 3.6 中 Cross-Correlations 一 栏。设 7 个参数组成向量[DS，ASD，ASA，K，SF，ZSD，ZSA]，则互相关矩 阵 A 表示为。
③ 生成每个基站的互相关参数： 假设随机量 σ 'DS、 σ 'ASD、 σ 'ASA、 σ 'K、 σ 'SF、 σ 'ZSD、 σ 'ZSA服从高斯分布，并
与 σ DS、 σ ASD、 σ ASA、 σ K、 σ SF、 σ ZSD、 σ ZSA有关，通过式（3-37）计算多径分量 统计参数对应的随机量。
其中，
• wn1，…，wn7 为均值为 0、方差为 1 的独立高斯变量；
• 矩阵元素 cij为矩阵 C 中的元素。
④ 生成随机的多径分量统计参数 σ DS、 σ ASD、 σ ASA、 σ K、 σ SF、 σ ZSD、 σ ZSA 附表1 至附表 3 中给出了多径分量统计参数 DS，ASD，ASA，K，SF，ZSD， ZSA 的均值和方差，按照表中数值使用式（3-38）至式（3-44）计算每组多径 对应的随机多径分量统计参数：
（3）以下步骤生成小尺度参数
步骤 5：生成多径时延
计算每组多径的随机时延 τ n，一组多径也称为一个簇，下文中使用簇表示 多径。
① 按式（3-45）计算每个簇的随机时延：
其中，
• σ τ 为步骤 4 输出的 σ DS；
• r τ 为附表 1 至附表 3 中常数时延缩放参数；
• Xn 为在（0，1）内均匀分布的随机数。
② 归一化各簇的随机时延： 各簇时延减去 UE 所有簇时延的小值，再按升序排列，得到终各簇的随机时延。
③ 若包含 LOS 径，需要对式（3-46）计算出的各簇时延乘一个系数来补 偿 LOS 峰值叠加（LOS Peak Addition）对时延分布的影响。系数 D 按式（3-47） 计算：
其中，
• K 因子（Ricean K-factor），取 dB 值，且 K= σ K 由步骤 4 生成。 包含 LOS 径时各簇时延的计算公式为：
注：生成的 LOS n τ
不用于步骤 6 中各簇功率的计算。
步骤 6：生成每个簇的功率 P。
① 计算每个簇的功率：
其中，
• Zn ~ N(0， ξ )中 ξ 取自附表 1、附表 2 或者附表 3，取 dB 值；
② 功率归一化，使所有簇的功率和为 1：
③ 若包含 LOS 径，使用 LOS 径的 K 因子对功率做如下处理，在第一子径 上添加 LOS 功率，并将其他 NLOS 径的功率按式（3-51）处理：
其中，
• KR 为步骤 4 生成的 σ K，取线性值；
④ 计算簇中每个子径的功率，计算公式为：Pn/M，M 为每个簇包含的子 径个数；
⑤ 移除−25dB 的簇：移除与功率大的簇相比功率小 25dB 的簇。
水平角度的生成过程以 AOA 为例，AOD 生成过程相同。
其中，
• Pn 由步骤 6 得出； σ ASA由步骤 4 得出；
• 常数 C 是一个由簇数决定的权值，取自表 3.11。
② 若包含 LOS 径，对权值 C 做如下处理：
其中，
• K 为 Ricean K-factor，取 dB 值，且 K= σ K 由步骤 4 生成。
③ 随机化每个簇的 AOA，见式（3-54）：
其中，
• K 为 Ricean K-factor，取 dB 值，且 K= σ K 由步骤 4 生成。
③ 随机化每个簇的 AOA，见式（3-54）：
其中，
• 随机变量 Xn取自{1，–1}；随机变量 ( ) 22 ASA ~ 0, 7n YN σ ； LOS,AOA ϕ由步骤 1得出。
④ 若包含 LOS 径，将第一簇的角度与 LOS 角度重合，每个簇的 AOA 由 式（3-55）生成：
⑤ 定义各簇中每个子径的 AOA：在每个簇的 AOA 上随机添加各子径的 偏移量，生成每个子径的到达角，见式（3-56）：
其中，
• cAOA是角度扩散常数，在附表 1 至附表 3 中定义；
• α m 是归一化的簇内子径偏移值，由表 3.12 定义：
垂直角度的生成过程以 ZOA 为例，ZOD 的生成过程相同。
① 生成每个簇的 ZOA，垂直维角度服从 Laplacian 分布，按式（3-57）生成：
其中，
• Pn 由步骤 6 得出； σ ZSA由步骤 4 得出；
• 常数 C 是一个由簇数决定的权值，取自表 3.13 或者表 3.14 。
② 若包含 LOS 径，对权值 C 做如下处理：
其中，
• K 为 Ricean K-factor，取 dB 值，且 K= σ K 由步骤 4 生成。
③ 随机化每个簇的 ZOA，见式（3-59）：
垂直角度 ZOD 的生成过程与 ZOA 基本相同，其中以下两个公式需要更改：
① 更改一：在随机化每个簇的 ZOD 时，将式（3-59）替换为式（3-62）：
步骤 8：随机组合水平角度和垂直角度。
在同一簇内（或功率强的两个簇的同一子簇内），随机组合步骤 7 生成 的角度：
① 将生成的水平角度 AOD 与 AOA 随机组合，并将生成的垂直角度 ZOD 与 ZOA 随机组合；
② 将水平发射角 AOD 与垂直发射角 ZOD 随机组合。
步骤 9：生成交叉极化增益。
为每个簇 n 的每个子径 m 生成交叉极化增益（XPR） ,nm κ ，XPR 服从对数 正态分布：
对于功率强的两个簇 n=1、2（强二径），每个簇分为 3 个中径，每个簇 包含的 20 个子径分配到 3 个中径中， 3 个中径对应的时延偏移以及分配规则见 附表 4 或者附表 5。对于强二径中包含的 3 个中径，每个中径分别按式（3-65） 生成对应的时域信道参数。
若包含 LOS 径，需要添加 LOS 径的时域信道，令
按照 计算式（3-65）得到的第 n 个簇的时域信道，则 LOS 径下时域信道参数按式 （3-68）生成，其中 KR 为线性值。
其中，下标为 LOS 的参数为 LOS 径参数，物理含义与其对应的多径参数 含义相同，生成过程也与多径参数的生成过程相同，在此不再赘述。
步骤 12：对每个簇的时域信道添加路损、穿透损耗以及阴影衰落。
3D 信道模型中信道参数的生成过程如图 3.21 所示。图中为下行信道参数 的生成过程，若要建模上行信道，需要将角度参数中发射角和到达角的参数 互换。
（1）以下步骤生成仿真参数 步骤 1：配置仿真环境、网络拓扑、天线阵列参数等。仿真时需要首先配 置仿真场景等参数，需要配置的参数包括：
① 配置信道环境参数，可设置为 UMa、UMi、Indoor Office 或者 RMa； 配置全局坐标系并定义相应角度 θ ， φ 和球坐标向量 ˆ θ ， ˆ φ ；
② 配置基站数、UE 数；
③ 配置每个基站、每个 UE 的 3D 坐标，以及计算每对基站-UE 的 LOS 径 角度［LOS AOD( φ LOS,AOD)，LOS ZOD( θ LOS,ZOD)，LOS AOA( φ LOS,AOA)，LOS ZOA ( θ LOS,ZOA)］；
④ 配置基站、UE 的天线模式，及天线场分量 Frx，Ftx；
⑥ 配置 UE 的移动速度及移动方向，在全局坐标系中定义；
⑦ 配置系统的中心频率 fc。
（2）以下步骤生成大尺度参数
步骤 2：设置传播环境（LOS/NLOS）。根据场景和 LOS 概率，为每个 UE 与基站间的链路配置 LOS/NLOS 属性，若配置为 LOS，说明多径中包含 LOS 径。
按照表 3.3 计算 LOS 概率。在仿真中，可按下述方法确定 LOS/NLOS：
① 按表 3.3 计算 PLOS；
② 在[0,1]区间随机产生一个数 P；
③ 若 P < PLOS，则基站与 UE 之间存在 LOS 径，相反，若 P≥PLOS，则不 存在 LOS 径。
步骤 3：计算路径损耗
按照表 3.4 计算路损。每条信号链路（每组空间多径）计算一次路损。
步骤 4：产生具有相关性的多径分量统计参数，包括多径扩展、角度扩展、 K 因子、阴影衰落因子等。每组多径计算出一组随机的多径分量统计参数 σ DS、 σ ASD、 σ ASA、 σ K、 σ SF、 σ ZSD、 σ ZSA，生成方法如下。
① 根据互相关参数计算互相关矩阵：
互相关矩阵的说明见 3.7.2 节。互相关参数见表 3.6 中 Cross-Correlations 一 栏。设 7 个参数组成向量[DS，ASD，ASA，K，SF，ZSD，ZSA]，则互相关矩 阵 A 表示为。
③ 生成每个基站的互相关参数： 假设随机量 σ 'DS、 σ 'ASD、 σ 'ASA、 σ 'K、 σ 'SF、 σ 'ZSD、 σ 'ZSA服从高斯分布，并
与 σ DS、 σ ASD、 σ ASA、 σ K、 σ SF、 σ ZSD、 σ ZSA有关，通过式（3-37）计算多径分量 统计参数对应的随机量。
其中，
• wn1，…，wn7 为均值为 0、方差为 1 的独立高斯变量；
• 矩阵元素 cij为矩阵 C 中的元素。
④ 生成随机的多径分量统计参数 σ DS、 σ ASD、 σ ASA、 σ K、 σ SF、 σ ZSD、 σ ZSA 附表1 至附表 3 中给出了多径分量统计参数 DS，ASD，ASA，K，SF，ZSD， ZSA 的均值和方差，按照表中数值使用式（3-38）至式（3-44）计算每组多径 对应的随机多径分量统计参数：
（3）以下步骤生成小尺度参数
步骤 5：生成多径时延
计算每组多径的随机时延 τ n，一组多径也称为一个簇，下文中使用簇表示 多径。
① 按式（3-45）计算每个簇的随机时延：
其中，
• σ τ 为步骤 4 输出的 σ DS；
• r τ 为附表 1 至附表 3 中常数时延缩放参数；
• Xn 为在（0，1）内均匀分布的随机数。
② 归一化各簇的随机时延： 各簇时延减去 UE 所有簇时延的小值，再按升序排列，得到终各簇的随机时延。
③ 若包含 LOS 径，需要对式（3-46）计算出的各簇时延乘一个系数来补 偿 LOS 峰值叠加（LOS Peak Addition）对时延分布的影响。系数 D 按式（3-47） 计算：
其中，
• K 因子（Ricean K-factor），取 dB 值，且 K= σ K 由步骤 4 生成。 包含 LOS 径时各簇时延的计算公式为：
注：生成的 LOS n τ
不用于步骤 6 中各簇功率的计算。
步骤 6：生成每个簇的功率 P。
① 计算每个簇的功率：
其中，
• Zn ~ N(0， ξ )中 ξ 取自附表 1、附表 2 或者附表 3，取 dB 值；
② 功率归一化，使所有簇的功率和为 1：
③ 若包含 LOS 径，使用 LOS 径的 K 因子对功率做如下处理，在第一子径 上添加 LOS 功率，并将其他 NLOS 径的功率按式（3-51）处理：
其中，
• KR 为步骤 4 生成的 σ K，取线性值；
④ 计算簇中每个子径的功率，计算公式为：Pn/M，M 为每个簇包含的子 径个数；
⑤ 移除−25dB 的簇：移除与功率大的簇相比功率小 25dB 的簇。
水平角度的生成过程以 AOA 为例，AOD 生成过程相同。
其中，
• Pn 由步骤 6 得出； σ ASA由步骤 4 得出；
• 常数 C 是一个由簇数决定的权值，取自表 3.11。
② 若包含 LOS 径，对权值 C 做如下处理：
其中，
• K 为 Ricean K-factor，取 dB 值，且 K= σ K 由步骤 4 生成。
③ 随机化每个簇的 AOA，见式（3-54）：
其中，
• K 为 Ricean K-factor，取 dB 值，且 K= σ K 由步骤 4 生成。
③ 随机化每个簇的 AOA，见式（3-54）：
其中，
• 随机变量 Xn取自{1，–1}；随机变量 ( ) 22 ASA ~ 0, 7n YN σ ； LOS,AOA ϕ由步骤 1得出。
④ 若包含 LOS 径，将第一簇的角度与 LOS 角度重合，每个簇的 AOA 由 式（3-55）生成：
⑤ 定义各簇中每个子径的 AOA：在每个簇的 AOA 上随机添加各子径的 偏移量，生成每个子径的到达角，见式（3-56）：
其中，
• cAOA是角度扩散常数，在附表 1 至附表 3 中定义；
• α m 是归一化的簇内子径偏移值，由表 3.12 定义：
垂直角度的生成过程以 ZOA 为例，ZOD 的生成过程相同。
① 生成每个簇的 ZOA，垂直维角度服从 Laplacian 分布，按式（3-57）生成：
其中，
• Pn 由步骤 6 得出； σ ZSA由步骤 4 得出；
• 常数 C 是一个由簇数决定的权值，取自表 3.13 或者表 3.14 。
② 若包含 LOS 径，对权值 C 做如下处理：
其中，
• K 为 Ricean K-factor，取 dB 值，且 K= σ K 由步骤 4 生成。
③ 随机化每个簇的 ZOA，见式（3-59）：
垂直角度 ZOD 的生成过程与 ZOA 基本相同，其中以下两个公式需要更改：
① 更改一：在随机化每个簇的 ZOD 时，将式（3-59）替换为式（3-62）：
步骤 8：随机组合水平角度和垂直角度。
在同一簇内（或功率强的两个簇的同一子簇内），随机组合步骤 7 生成 的角度：
① 将生成的水平角度 AOD 与 AOA 随机组合，并将生成的垂直角度 ZOD 与 ZOA 随机组合；
② 将水平发射角 AOD 与垂直发射角 ZOD 随机组合。
步骤 9：生成交叉极化增益。
为每个簇 n 的每个子径 m 生成交叉极化增益（XPR） ,nm κ ，XPR 服从对数 正态分布：
对于功率强的两个簇 n=1、2（强二径），每个簇分为 3 个中径，每个簇 包含的 20 个子径分配到 3 个中径中， 3 个中径对应的时延偏移以及分配规则见 附表 4 或者附表 5。对于强二径中包含的 3 个中径，每个中径分别按式（3-65） 生成对应的时域信道参数。
若包含 LOS 径，需要添加 LOS 径的时域信道，令
按照 计算式（3-65）得到的第 n 个簇的时域信道，则 LOS 径下时域信道参数按式 （3-68）生成，其中 KR 为线性值。
其中，下标为 LOS 的参数为 LOS 径参数，物理含义与其对应的多径参数 含义相同，生成过程也与多径参数的生成过程相同，在此不再赘述。
步骤 12：对每个簇的时域信道添加路损、穿透损耗以及阴影衰落。
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