5G毫米波信道模型研究与仿真

2016年软件2016,Vol.37,No.10第37卷第10期COMPUTERENGINEERING&SOFTWARE国际IT传媒品牌作者简介:杨晨，男，(1993)，研究生，主要研究方向：无线通信；韦再雪，女，(1976)，硕士生导师，主要研究方向：无线通信；杨大成，男，(1989)，博士生导师，主要研究方向：无线通信。5G毫米波信道模型研究与仿真杨晨，韦再雪，杨大成(北京邮电大学无线理论与技术研究室北京100876)摘要:随着5G通信系统的发展，对于无线信道的频率覆盖和宽带传输能力提出了更高的要求[1,2]。本文基于对纽约大学公布的曼哈顿地区室外实测数据的分析[3,4]，总结数据的统计特性，提出一种空间波瓣联合时间簇建模方法，应用于建立频率覆盖500MHz~100GHz，传输带宽可达到800MHz，并且支持多天线阵列的三维毫米波信道冲激响应模型。模型在跨频段下增加空气湿度，气压，植被等可选的环境因子的影响。然后详细阐述模型建立具体步骤和参数生成方式。最后根据仿真条件得到相应的路径损耗，功率时延谱，角度功率谱及均方时延扩展和角度扩展等结果。为了保证信道模型的准确性和可靠性，对仿真结果从均方时延扩展和角度扩展两个方面进行定性分析和定量校准，为以后对于5G信道特性更加深入的研究打下基础。关键词:信道模型；5G；100GHz；800MHz；毫米波；冲激响应中图分类号:TN92文献标识码:ADOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2016.10.022本文著录格式：杨晨，韦再雪，杨大成.5G毫米波信道模型研究与仿真[J].软件，2016，37（10）：98104ResearchandSimulationof5GMillimeterWaveChannelModelYANGChen,WEIZai-xue,YANGDa-cheng(BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China)【Abstract】:Withthedevelopmentof5Gcommunicationsystem,thewirelesschannelfrequencycoverageandbroadbandtransmissioncapacityputforwardhigherrequirements[1,2].BasedontheanalysisofoutdoormeasureddatainManhattan[3,4]publishedbyNewYorkUniversity,thispapersummarizesthestatisticalcharacteristicsofthedata,andproposesaspatiallobejointtimeclustermodelingmethod,whichcanbeappliedtoestablishthefrequencycoverageof500MHz-100GHz,thetransmissionbandwidthcanreach800MHz,andsupportsa3-DMIMOchannelimpulsere-sponsemodelformultipleantennaarrays.Themodeladdstheinfluenceofenvironmentalfactorssuchasairhumidity,airpressure,vegetationandsoon,andthenelaboratesthestepsofconcretemodelbuildingandparametergeneration.Finally,thecorrespondingpathloss,powerdelayspectrum,angularpowerspectrumandRMSdelayspreadsandtheangularspreadsareobtainedaccordingtothesimulationconditions.Inordertoensuretheaccuracyandreliabilityofthechannelmodel,thesimulationresultsarequalitativelyanalyzedandcalibratedquantitativelyfromboththeRMSdelayspreadsandtheangularspreads.Thiswilllaythefoundationformorein-depthstudyof5Gchannelcharacteristics【Keywords】:Channelmodel;5G;100GHz;800MHz;Millimeter-wave;Impulseresponse0引言无线信道作为无线通信系统的基础，对通信系统的标准制定，无线系统的设计和天线设备及网络布局的选择，以及业界通信算法的开发等都具有重要的意义。随着5G通信系统下500MHz-100GHz频率覆盖和800MHz通信带宽的需求[5][6]，需要建立尽可能逼近实际传播环境的准确的信道模型。此前常用的信道模型主要有3GPP和WINNERII模型，COST2100模型，METIS模型以及Kronecker模型等等，其中3GPP和WINNERII模型是一种基于几何的随机信道模型[7]，假设远场条件下将电磁波看做平面波推进到达接收端，并将散射体以簇的形式分组并参数化[8]，其中每个簇的参数都可以通过特定场景的参数统计特性得到，昀终通过簇的叠加生成昀终的信道矩阵。COST系列模型[9]支持部分超宽带的特殊场景，可以对散射体位置进行提取建模，以及增加簇的生命周期等定义，目前还需要大杨晨等：5G毫米波信道模型研究与仿真99《软件》杂志欢迎推荐投稿：[e-mail]量实测对模型进行佐证。METIS模型[10]属于基于地理位置的随机方法信道的建模，利用射线追踪获得丰富场景信息从而结合统计特性得到尺度参数。Kronecker模型利用收发天线两端的协方差矩阵进行Kronecker乘积然后再进行SVD分解获得信道整体相关矩阵[11]，可以用于MIMO信道在超高频和微波频带下对信号的传输准确性和可靠性等研究。以上各个模型多适用于2-6GHz频段信道特性研究，为了实现毫米波频段覆盖，需要重新建立3D宽带信道模型。本文基于已有的统计信道模型作进一步分析，结合已知场景结构和天线布置提出适应毫米波频段的信道建模流程。文中第二部分对硬件配置和场景测量过程和方法进行简单描述，并且利用时间簇和空间波瓣方法建模描述空时传输特性，得到信道冲激响应矩阵，并考虑空气湿度降水量等因素影响，给出建模流程。流程具体参数的生成方法分步列出，确定各个所需参数范围。第三部分给出相同条件下将信道模型输出和实际测量数据进行对比的结果，得出相关结论，从而证明模型的可靠性，可以用于支持5G场景下信道各个指标的预测和仿真。本文第四部分是全文的总结。1信道冲激响应模型和建模方法1.1信道测量过程信道模型是无线通信系统设计和通信算法技术评估的基础，因此准确的对信道进行建模至关重要。为了真实模拟信号传输过程，总结信道特性，需要对典型场景进行大量实测以获得有效数据支持，使结果更加可靠。对28GHz和73GHz频段信道测量的研究由纽约大学无线研究中心在纽约曼哈顿街区进行，收发端间距为31m到425m，测量采用昀新滑动相关信道测量仪器和高度定向的圆角天线来恢复离开角和到达角的统计特性。天线部分的半功率波束带宽角度在一定范围内连续可调，从而控制水平和垂直维度接收信号的功率强度，利用射线追踪恢复信号传输过程，然后设定20dB阈值控制信号强度，以此来获得许多组时延功率谱和角度功率谱的实测数据并用于分析。文献[12,13]中给出了设备参数设置和天线布置，并对测量活动进行了详细描述。1.2冲激响应模型建模采用时间簇和空间波瓣方法构建毫米波信道。其中一个时间簇代表一组在相近时间内以任意角度到达的多径分量，一个空间波瓣代表一组在相近角度域内以不同时延到达的多径分量[14]。在之前的模型中对这种概念也有所涉及，3GPP模型中一条径被看做是以不同时间到达的发射信号的复制，同时规定每条主径包含20条子径，子径时延是被固定的。在WINNER模型中定义簇的概念[15]，基于散射体的统计特性将簇分为20条子径，同时将簇中的昀强和次强簇分为三组分别赋予5ns，10ns，15ns的时延[16]。在COST2100模型中一条多径时延是由基站端，链路内和移动接收端三部分的扩散时延组合得到。结合以上模型经验，收发端全向信道冲激响应模型可以被描述为：,,,11,,(,,)()()()nmnMNjmnmnnmmnmnhtaet为了方便分析和观察一般情况下我们利用功率分布作为指标，由信道响应系数矩阵可以得到三维角度能量谱的表达形式，将信道系数矩阵模的平方在时域上进行积分得到：202,,,11(,)(,,)()()nMNmnmnmnnmPhtdta其中t代表绝对信号传输时间，(,)TX和(,)RX为离开与到达角在水平和垂直两个维度的向量，N和nM为时间簇和簇内子径的个数，,mna为第n个时间簇内第m条子径的幅度，,mn和,mn为对应的相位和传输时延，,mn为对应子径水平或垂直离开角，,mn为水平或垂直到达角。1.3信道建模流程将设计思路总结后流程如图1所示.（1）以下是信道参数具体生成步骤：生成收发端间距d，30-60m视作LOS场景，60-200m视作NLOS场景minmax~(,)dUdd其中minmaxminmax30,60,60,200,dmdmLOSdmdmNLOS其中距离服从均匀分布，上下限在视距和非视距情况下定义不同，为了方便仿真研究，收发间距可以设为范围内随机生成，也可以设定确切数值。（2）根据场景类型生成接收端全向功率rP。()()rtPdPPLd0104()()10logdPLdPLdn第37卷第10期软件100《软件》杂志欢迎推荐投稿：[e-mail]选取场景，网络结构和天线参数配置传输场景（LOS/NLOS）计算路损计算接收端总功率生成簇功率和簇内子径功率生成簇内和簇间时延生成簇内子径数目生成时间簇和空间波瓣数目生成子径相位生成离开和到达角水平和垂直角度均值生成子径角度扩展分量生成信道系数添加植被，空气湿度，气压等环境影响添加路损和阴影衰落效应图1信道建模流程图Fig.1ChannelModelingProcessDiagram00104()20logdPLd其中tP为发送端功率，0d=1m，为载波波长，n不同情况下的路损指数（PLE），在视距情况下统一采用2n来模拟自由空间的传输，不随毫米波频率的变化对接收功率的统计特性产生影响。为服从0均值对数正态分布的随机变量，方差随频段取值不同，如表1所示：表1场景参数设置Tab.1SceneParameterssetting频率场景(n，)LOS（2.0，3.6）28GHzNLOS（3.4，9.7）LOS（2.0，5.2）73GHzNLOS（3.3，7.6）（3）生成接收端时间簇数目N和AOD与AOA所在的空间波瓣数目,AODAOALL簇数目N服从1~6的均匀分布：~[1,6]NDU空间波瓣数目利用泊松分布获得：max~min,max1,()AODAODLLPossionmax~min,max1,()AOAAOALLPossion簇数目N服从1~6的均匀分布，其中max5L为空间波瓣允许昀大数目，AOD和AOA为离开与到达角度域上突出波瓣的平均数目，不同频段场景下取值不同，详见表2。在28GHz的NLOS场景下，观察到昀大时间簇数