基于陣列天線的微蜂窩信道建模與仿真

基于陣列天線的微蜂窩信道建模與仿真

無線信號網(wǎng)絡(luò)的特性移動無線通信模型在驗(yàn)證分析、研發(fā)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)工程規(guī)劃方面發(fā)揮著重要作用。移動通信理論和技術(shù)研究已成為移動通信理論和工程研究的熱點(diǎn)。其中,歐洲科學(xué)與技術(shù)研究合作組長期致力于無線信道模型的理論研究工作,分別以COST207,231,259和273,命名、建立了一系列針對不同無線傳播環(huán)境的信道特征描述,極大的豐富了移動無線信道的研究內(nèi)容。隨著以第三代移動通信系統(tǒng)為代表的未來新型移動通信系統(tǒng)的發(fā)展,陣列天線技術(shù)已作為其標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分,因此傳統(tǒng)的單輸入單輸出結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)化為具有多輸入多輸出(Multi-InputMulti-Output,MIMO)結(jié)構(gòu)的新型系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)提供高速高質(zhì)量信息傳輸?shù)念A(yù)期目標(biāo),無疑首先應(yīng)對無線傳播信道特性進(jìn)行深入地研究,并進(jìn)而研究特定信道環(huán)境中的陣列輸出響應(yīng),構(gòu)建合理的陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),選擇穩(wěn)健的陣列信號處理技術(shù),以期實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與無線傳播信道之間的最佳耦合。為此本文將在對MIMO信道研究工作進(jìn)展進(jìn)行簡要介紹的基礎(chǔ)上,從多徑色散信道的特性分析出發(fā),提出一種局域散射體空間球形分布和時間演化泊松分布的幾何信道結(jié)構(gòu),應(yīng)用電磁散射理論和電波傳播原理建立基于陣列天線的微蜂窩多輸入多輸出信道等效的物理信道模型,對刻畫信道特性的一些重要特征函數(shù)進(jìn)行較為系統(tǒng)地分析和研究,以期為未來新型移動通信系統(tǒng)的研發(fā)提供有益的參考。1雙重散射的信號模型室外微蜂窩區(qū)域的電波傳播特性可簡單地概括為視線(Line-of-SightLOS)傳播和非視線(Non-Line-of-SightNLOS)傳播兩大類。根據(jù)空間波傳播的菲涅耳區(qū)概念,其中前者表示電波傳播環(huán)境符合自由空間中的傳播條件,后者則表示電波收發(fā)之間第一菲涅耳區(qū)被嚴(yán)重遮擋的傳播場景。對于室外微蜂窩區(qū)域,特別是城市微區(qū),移動臺和基站臺之間存在大量的散射團(tuán)簇,每一散射團(tuán)簇又包含大量的獨(dú)立散射體,因此,是LOS和NLOS傳播并存的場景。圖1所示為移動臺和基站臺之間電磁波通過散射體相互作用的傳播情景。此時發(fā)送陣元j和接收陣元i之間信道的時變基帶復(fù)沖擊響應(yīng)可表示為:式中,ωb為系統(tǒng)帶寬,τq=(|rmjsq|+|rsqbi|)/c為散射傳輸時延,c為自由空間電磁波傳播速度,γ為路徑損耗因子,Gr(Gt)、分別表示接收(發(fā)射)陣元的方向性函數(shù)和場強(qiáng)方向矢量,Ns為散射體數(shù)目,為散射作用張量。文獻(xiàn)的研究表明,可表示為,A表示散射場幅度,ρ刻畫散射場的形狀和旁瓣寬度,對多數(shù)散射體可表示為:散射場的極化特性由Sp描述為:式(2)、(3)中,a為與散射體尺寸有關(guān)的參數(shù),ki和ks為歸一化的入射和散射場波矢量,是滿足菲涅爾定律的反射方向矢量,。R1、R2為反射系數(shù)。當(dāng)滿足bω<<2π/?τ時,?τ為時延擴(kuò)展,則可得到式(1)的窄帶近似表示為:文獻(xiàn)從電波傳播的物理機(jī)理出發(fā),將傳播過程分解為自由空間傳播、鏡面反射、繞射、導(dǎo)波傳播等一系列形式,并進(jìn)一步討論了在移動臺和基站臺附近均存在局域散射體時,雙重散射的信道傳遞函數(shù)表示式,構(gòu)造了基于電波傳播結(jié)構(gòu)特性的信道模型。上述處理技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn),特別是將Ns視為與時間無關(guān)的常數(shù),雖然使得相關(guān)的研究得以簡化,但對于深入分析MIMO系統(tǒng)的性能是不夠全面的。為此,本文擬將Ns作為由泊松分布所描述的隨機(jī)變量,并對遠(yuǎn)離移動臺和基站臺的遠(yuǎn)端散射體和其附近的局域散射體作統(tǒng)一處理,即基于微蜂窩電波傳播環(huán)境,將它們統(tǒng)一描述為具有某種隨機(jī)空間分布的散射體簇,從而獲得hij(τ,t)時空特性的完整描述。為突出主要特性,可忽略散射團(tuán)簇之間的相互作用,即如文獻(xiàn)一樣,僅考慮單次散射傳播過程。同時,當(dāng)Ns=0時,表示電波的LOS傳播路徑。由此可得:式(5)中,LOS路徑分量HijLOS為:2微蜂窩mimo信道的模擬2.1信道場景化設(shè)計(jì)(1)確定散射物概率分布函數(shù),選擇Ns、R和D的值,確定信道場景大小。(2)設(shè)定基臺和移動臺陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),確定陣元方向性函數(shù)和極化特性。(3)確定散射特性參數(shù)a,A,n的分布函數(shù),由式(5)合成Hij(τ,t)。2.2信號的空間相關(guān)性如圖2所示,設(shè)散射體分布于半徑為R,包含移動臺和基臺在內(nèi)的球形區(qū)域內(nèi),則各散射體的空間位置可表示為:式(7)中,設(shè)散射體簇半徑R為R∈U[0.05D,1.25D]的均勻分布,角度θ,φ滿足θ∈U[0,π),φ∈U[0,2π)。對每一散射體,其散射特性假設(shè)如下:式(8)表明散射體表面法向等概率指向空間各個方向,而散射體尺寸參數(shù)的選擇可以導(dǎo)致較大的旁瓣分布,表明能量來自較多的散射體,因而可以更好地模擬散射團(tuán)簇的散射作用。散射振幅則模擬為零均值,方差為1的復(fù)高斯分布。對于反射系數(shù)R1、R2,均可表示為R=Γejα的形式,其中,?！蔝,α∈U[0,2π)。最后,由于移動臺的運(yùn)動,導(dǎo)致小區(qū)內(nèi)散射體數(shù)目的隨機(jī)性變化由泊松分布描述為:式(9)中,i=0,1,2,…,λ為平均散射體數(shù)目。現(xiàn)通過分析陣元接收功率隨時間的演化以及多普勒譜分布,不同陣元接收信號之間的空間相關(guān)性以研究信道的空-時特性。MIMO信道的空間相關(guān)性定義為:其中,n1、n2、m1、m2分別表示基臺和移動臺的第n、m個陣元。圖3為基臺和移動臺均為沿z向排列的偶極子陣元時,基臺陣元接收功率隨時間的變化關(guān)系。由于散射體之間的相互作用及移動臺的運(yùn)動性,導(dǎo)致接收信號表現(xiàn)出明顯的衰落特性,這即是移動通信中通常所謂的信號的多徑衰落效應(yīng)。圖4為載波頻率fc=5GHz,移動臺運(yùn)動速率為2m/s時,信道的多普勒譜。根據(jù)物理學(xué)原理知對應(yīng)的最大多普勒頻率為33.3Hz。仿真結(jié)果很好的體現(xiàn)了這一基本原理的要求。同時,由于空間散射體分布的非均勻性,導(dǎo)致信道多普勒譜的快速變化,而非傳統(tǒng)的均勻散射體分布假設(shè)下的U型分布。圖5a、b分別描述了基臺和移動臺陣元之間的空間相關(guān)性。由此看出:(1)信道兩端的空間相關(guān)性隨著基臺和移動臺陣元間距的變化具有相似的規(guī)律性,因而對信道兩端是對稱的,這與我們關(guān)于微蜂窩模型的基本假設(shè)是完全一致的;(2)隨著陣元間距的增加,信道兩端的空間相關(guān)性減小,這與關(guān)于空間分集的基本思想是吻合的;(3)與文獻(xiàn)、的理論分析結(jié)果相似,信道兩端的空間相關(guān)性是近似獨(dú)立的,因此信道的總體空間相關(guān)矩陣可以近似的由基臺和移動臺陣列自相關(guān)矩陣的克羅內(nèi)克積得到。但與相關(guān)文獻(xiàn)相比,由于本文所建模型無需對DOA和DOD等信道參數(shù)分布規(guī)律進(jìn)行假設(shè),因而模型具有簡潔高效性。3微發(fā)酵信號模型仿真分析本文從多徑色散信道的特性分析出發(fā),采用電磁散射理論和電波傳播原理建立了基于陣列天線的微蜂窩多輸入多輸出物理信道模型,對刻畫信道特性的一些重要性能參數(shù),