D2D通信關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用 課件 第二章

2D2D信道建模2.1概述2.3D2D通信信道模型2.2隨機(jī)信道模型2.4本章小結(jié)2.1概述

為驗(yàn)證、優(yōu)化和設(shè)計無線通信系統(tǒng)，前期需要對無線信道進(jìn)行建模。毫米波通信信道模型可分為確定性毫米波模型和隨機(jī)性毫米波模型。本章具體描述3GPP標(biāo)準(zhǔn)TR38.901推薦的隨機(jī)模型。5G通信系統(tǒng)的3GPP標(biāo)準(zhǔn)化時間表如下圖所示：2.2隨機(jī)信道模型

隨機(jī)信道模型包括大尺度衰落和小尺度衰落兩部分。什么是大尺度衰落？什么是小尺度衰落？大尺度衰落--當(dāng)電磁波信號通過一段較長的距離時會產(chǎn)生大尺度衰落，一般是由信道的路徑損耗（關(guān)于距離和頻率的函數(shù)）和大的障礙物（如建筑物，中間地形和植被）所形成的陰影引起。小尺度衰落--當(dāng)電磁波信號在較小的范圍內(nèi)傳輸時，會觀察到其瞬時接收場強(qiáng)的快速波動的一種現(xiàn)象。2.2.1大尺度衰落模型2.2隨機(jī)信道模型對于大尺度衰落模型，用戶首先設(shè)置應(yīng)用場景、天線數(shù)量和速度參數(shù)，然后通過下圖流程獲得信道參數(shù)。2.2.1大尺度衰落模型

下面將從典型場景介紹不同的大尺度衰落模型（1）自由空間傳播模型用于預(yù)測接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間為完全無阻擋的視距路徑時接收信號的場強(qiáng)。弗里斯（Friis）公式：

2.2.1大尺度衰落模型路徑損耗：有效發(fā)射功率與接收功率之間的差值。對于沒有任何系統(tǒng)損耗（L=1）的自由空間路徑損耗：當(dāng)包含天線增益時，路徑損耗：不包括天線增益時，假設(shè)天線具有單位增益路徑損耗：2.2.1大尺度衰落模型下面將從典型場景介紹不同的大尺度衰落模型。（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型距離功率斜率：實(shí)際的信道環(huán)境中，平均接收信號功率宇自由空間的路徑損耗同樣隨距離d呈對數(shù)方式衰減，引入路徑損耗指數(shù)α，可修正自由空間的路徑損耗模型。

2.2隨機(jī)信道模型環(huán)境自由空間2市區(qū)蜂窩無線傳播2.7-3.5存在陰影衰落的市區(qū)蜂窩無線傳播3-5建筑物內(nèi)的視距傳播1.6-1.8有建筑物阻擋4-62.2.1大尺度衰落模型（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型不同環(huán)境下的路徑損耗指數(shù)：2.2隨機(jī)信道模型2.2.1大尺度衰落模型（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型

為計算方便，通常對距離功率斜率進(jìn)行變換，以分貝的形式可表示為：

2.2隨機(jī)信道模型2.2.1大尺度衰落模型（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型則上式為對數(shù)距離路徑損耗模型。表示總路徑損耗等于第1米的路徑損耗加上相對于第1米的接收功率的損耗。通常用來表示D2D通信中距離與功率的關(guān)系。如果用dB定義1米的路徑損耗為則路徑損耗為

2.2.1大尺度衰落模型（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型陰影衰落（慢衰落）--因?yàn)槲恢貌煌鴮?dǎo)致信號強(qiáng)度變化的現(xiàn)象。因?yàn)榻邮招盘柺艿浇ㄖ锏绕渌矬w的阻礙而使得接收信號強(qiáng)度圍繞著平均值波動。

2.2隨機(jī)信道模型2.2.1大尺度衰落模型（3）其他路徑損耗模型大蜂窩區(qū)的路徑損耗模型宏蜂窩區(qū)的路徑損耗模型微蜂窩區(qū)的路徑損耗模型室內(nèi)微微蜂窩區(qū)的路徑損耗模型毫微微蜂窩區(qū)的路徑損耗模型2.2隨機(jī)信道模型2.2.2小尺度衰落模型小尺度衰落--是指無線電信號在短時間或短距離（若干波長）傳播后其幅度、相位或多徑時延的快速變化。計算和生成小尺度參數(shù)和系數(shù)的過程：2.2隨機(jī)信道模型2.2.2小尺度衰落模型對上式升序排序：簇功率：延遲：比例延遲為：2.2隨機(jī)信道模型2.2.2小尺度衰落模型對所有簇功率進(jìn)行歸一化，使所有簇功率之和等于1，即：N是簇的數(shù)量對于LOS條件，向第一個簇中添加額外的鏡面分量，并且簇功率被標(biāo)準(zhǔn)化為：

2.2隨機(jī)信道模型2.2.2小尺度衰落模型

導(dǎo)致信號幅度快速波動的兩種效應(yīng)：多徑衰落和多普勒效應(yīng)。（1）多徑衰落模型多徑衰落的常見分布是Rayleigh分布，其概率密度函數(shù)：（2）Rayleigh衰落信道的多普勒頻譜模型經(jīng)典多普勒頻譜：2.3D2D通信信道模型D2D通信鏈路信道的物理特征：（1）低天線高度（2）短距離通信（3）終端移動性（4）通信頻率2.3D2D通信信道模型3GPP為了保證D2D研究的標(biāo)準(zhǔn)化，在第73次3GPPTSGRANWGI會議上，給出了D2D評估方法和信道模型標(biāo)準(zhǔn)如下：應(yīng)用場景室外-室外室外-室內(nèi)室內(nèi)-室內(nèi)路徑損耗WINNERⅡB1場景加上10dB偏移雙帶模型；WINNERB4場景加上10dB偏移雙帶模型；ITU-RInH模型添加ITU-RUMi場景的視距概率陰影衰落8dB對數(shù)正態(tài)分布；假設(shè)為獨(dú)立同分布，即未進(jìn)行相關(guān)性建?？焖偎ヂ洳捎脤ΨQ的角度（離開角，到達(dá)角）擴(kuò)展分布；修正ITU-RUMi和InH場景模型以適應(yīng)收發(fā)端的雙移性2.3D2D通信信道模型

從信道建模的角度來看，不同的D2D通信類型將導(dǎo)致不同的通信應(yīng)用場景，從而可建立不同的D2D信道模型。D2D通信系統(tǒng)2.3D2D通信信道模型

常用的D2D信道模型主要會考慮大尺度路徑損耗和小尺度路徑損耗。

蜂窩小區(qū)內(nèi)子信道上發(fā)射端到接收端的瞬時信道增益可建模為：G為路徑損耗常數(shù)，h和β分別是具有對數(shù)正態(tài)陰影的大尺度衰落和具有指數(shù)分布的小尺度衰落增益。2.3D2D通信信道模型D2D通信信道建模例子:此例子定義的D2D場景分為兩類，即M2M（移動對移動）和F2M（固定對移動），同時將收發(fā)端不等高的傳統(tǒng)F2M場景稱為CF2M（傳統(tǒng)固定對移動）場景。（1）信道測試收發(fā)端均配置全向陣列天線（ODA）天線，測量系統(tǒng)主要參數(shù)如表所示：參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值中心頻率5.25GHzRx天線單元數(shù)18發(fā)射頻率+26dBmTx天線高度1.5m帶寬（空對空）200MHzRx天線高度1.5mTx天線單元數(shù)18極化類型交叉極化2.3D2D通信信道模型測試場景：樓道對樓道、樓道對房間和房間對房間三種，涵蓋LoS（視距）和NLoS（非視距）情形。對于每個場景，信道測量均涵蓋F2M、M2M同向運(yùn)動以及M2M相向運(yùn)動三種情形，共采集大約2500個快照的數(shù)據(jù)用于分析和信道參數(shù)提取。測量過程中，小車移動時保持1m/s勻速行駛。收發(fā)端高度為1.5m。2.3D2D通信信道模型（2）D2D信道接受信號幅度分布

設(shè)x和y為相互獨(dú)立，且服從瑞利分布的隨機(jī)變量，則z=xy服從雙瑞利分布，其概率密度函數(shù)PDF如下所示：

2.3D2D通信信道模型考慮單次、二次和多次散射環(huán)境下的多徑傳播效應(yīng)，接收信號復(fù)振幅可表示為：

2.3D2D通信信道模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）不同于CF2M信道中LoS和NLoS接收信號幅度分別服從萊斯分布和瑞利分布的普遍結(jié)論。（2）室內(nèi)M2M信道的LoS和NLoS接收信號幅度分別更傾向于服從瑞利-萊斯混合分布和瑞利-雙瑞利混合分布。2.3D2D通信信道模型（3）D2D信道多普勒功率譜

2.3D2D通信信道模型

不失一般性，設(shè)=0。那么t時刻到t+時刻信道的自相關(guān)函數(shù)有：

式中α和β分別表示水平面和垂直面的AoA（到達(dá)角）和分別表示α和β的概率密度函數(shù)。

2.3D2D通信信道模型

2.3D2D通信信道模型2.3D2D通信信道模型

對上式中的自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換可得到對應(yīng)的功率譜密度函數(shù)：第一類零階貝塞爾函數(shù)假設(shè)CF2M場景下P在（0,2π]均勻分布，Rx端使用全向天線，則2D自相關(guān)函數(shù)由下式推導(dǎo)得出：2.3D2D通信信道模型2.3D2D通信信道模型

對于上式中2DM2M信道自相關(guān)函數(shù)可擴(kuò)展為：

為求得3D多普勒功率譜表達(dá)式，聯(lián)合自相關(guān)函數(shù)的求解是必需的，故AoA和AoD的在水平面和垂直面的分布是必要的已知條件。2.4小節(jié)本章對最新的D2D通信信道研究進(jìn)行了較為全面的綜述，以促