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1、第44卷第9期2016年9月华南理工大学学报(自然科学版)Joumal of Soum Cllina UIliVersit)r of Technology(Na附al Science Edidon)V0144 No9September 2016基于三维空间域的宏小区移动通信正向文章编号：1000-565x(2016)09008106周杰12姚颖莉1 罗宏1 朱伟娜1 菊池久和2(1南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏南京210044；2日本国立新泻大学工学部电气电子工学科，日本新泻9502181)摘要：针对均匀分布的三维(3D)散射簇移动通信环境，提出了3D空间域的统计信道
2、模型；在指向性天线覆盖下的宏小区通信环境中，用该模型来估计多径衰落信道的重要空时信道参数，推导了多径衰落信道正向信道链路的到达角与到达时延的概率密度函数、由移动台(MS)移动产生的多普勒频移(Ds)，分析了空间信道参数及其定向天线主瓣宽度对信道模型的影响假设MS端散射体分布为高斯分布和指数分布时，该模型更适于描述特殊的移动通信环境数值仿真结果表明，该模型的信道参数估计符合理论及实际的通信环境，弥补了现有三维散射簇统计信道模型的局限性关键词：统计信道模型；到达角；到达时延；多普勒频移；多径衰落中图分类号：TN911 doi：103969iissn1000565x201609012移动通信的本质是
3、利用无线通信进行信息的有效传输，其系统性能主要受无线信道特性的制约因此，构建能够准确而有效描述无线传输系统中多径效应的信道模型，对移动通信系统而言至关重要五o，同时也是分析信道空时特性的前提条件由于信道的复杂性和时变性，建立准确的确定性信道模型较为困难，因此一般采用统计模型人们相继提出了不同的统计信道模型，并假设不同的散射体分布或空间几何分布，用于对室内、外环境中的信道多径效应进行仿真分析其中只经历一次反射的散射模型应用最为广泛旧J1|文献34分别提出了通用的空间分布圆模型和椭圆模型文献56提出了一个散射体中心在移动台(MS)处，基站(Bs)与MS均置于圆内的圆模型来仿真室内通信环境文献7基于
4、散射体均匀分布的假设提出了空心圆环模型但以上模型的研究与分析都只停留在二维平面上，虽然描述简单、容易且适用于仿真特定的环境，但二维(2D)模型不能很好地描述竖直平面的波达信号变化情况，且不适合建立在移动台天线接近或低于周围建筑物的小区或城市环境中散射波可通过从建筑物的顶部向下衍射到达街道的方式进行传输，在这种无线通信环境下，三维(3D)模型比2D模型描述得更加精确，可以将BS及MS端的波达信号细化为水平面以及垂直面的空间角域因此，文献8提出了一种基站处设置指向性天线且适用于宏小区的三维统计模型文献9提出了一种在室内外无线环境下的三维椭球模型，但仅对水平及竖直面内的到达角(AOA)进行研究，缺乏
5、对到达时延(TOA)及多普勒效应(DS)的研究，不能客观和详尽地描述物理信道文献1011基于传输理论的假设提出了一种新型的三维空间域模型，但该模型仅适用于室外的宏蜂窝通信环境，且在MS、BS端均只考虑全收稿日期：20151211$基金项目：国家自然科学基金面上项目(61372128，61471153)；江苏省高校自然科学研究重大项目(14A5 10001)Fo呻dation ite删：Supportedby the General Program of the National Natural Science Foundation of China(61372128，61471 153)作者简
6、介：周杰(1964一)，男，教授，博士生导师，主要从事移动通信理论、无线传感网和无线接入网研究Email：zhoujie45hotmailcom万方数据82 华南理工大学学报(自然科学版) 第44卷向天线阵列的影响在文献10一11的基础上，文中将BS设计为指向性天线阵列，将Ms附近的散射体衰减限定在二维水平面内，以使模型能更好地适应特定的宏小区城市与农村无线通信环境针对宏小区移动通信系统，文中提出了基于散射簇的三维统计信道模型，其MS处散射体仅分布在二维圆模型内；推导了衰落信道正向链路的概率密度分布，分析了频率变化导致的Ds概率密度函数及其特征函数1 3D散射簇统计信道模型文中提出的适用于宏蜂
7、窝无线通信环境的3D散射簇统计信道模型如图l所示其中MS与BS间的水平距离为D，MS周围的散射体均匀分布且被限制在半径为尺的圆形区域(cM)内，BS处使用主瓣宽度为2d的定向天线，且与Ms的水平高度差为矗图中仅标注一个散射体，但实际上可认为有许多散射体分布于CM内指向性天线分割散射体区域，会使散射区域形成非对称的信道模型，如图2所示图1 3D散射簇统计信道模型Fig1 Statistical channel lnodel of 3 D scallering cluster广一面1、图2 信道模型的二维俯视图Fig2 2D top view of channel model方向由于移动台不断微型
8、化，对天线使用的限制也更大在信道建模的发展过程中，已经形成了传输建模的一系列假设n2J 4|这些假设适用于没有大型障碍物(如山脉、高大建筑物等)存在的宏蜂窝无线电环境中为简化研究与分析，除了上述常规信道假设外，文中还做了如下假设：每个散射体均为全方位反射，且独立于其他散射体，并只经历一次反射；MS远离散射区域的边界，且忽略相邻小区的干扰；MS和Bs间的每条传输路径只与一个散射体有关为推导Ms端多普勒谱的频移特性，设定Bs端使用主瓣宽度为2a的指向性天线文中不考虑所有的天线极化的影响11 正向信道链路的AOA分布函数对于如图1所示的正向链路，模型的所有散射体仅分布在水平面内的圆模型中，这表示虽然
9、BS的发射信号来自一个三维空间中，但所有输入到MS端的信号最终都分布在水平面上的圆模型内从图1中可以发现，当Bs处使用主瓣宽度为2 0f的单位增益定向天线时，MS处多径分量AOA的概率密度函数一定不会是常数F。(妒)是图1中所述定向天线在散射圆盘上分割出的各散射区域的总面积函数指向性天线形成的所有散射圆盘覆盖区域的面积计算式为A=2【f1 R2d妒+e磊ii_d妒+eR2d妒(1)将面积分为等腰三角形和扇形两部分区域来求解，计算更为简便，式(1)可简化为A=2Dsin仅7砰一驴sin2仪+譬(7c+妒l一92) (2)式中，9，和妒：的角度范围如图2所示，91=cos叫(Dsin2aR+cos
10、以1) (3)妒2=cos“(Dsin2“Rcoso】) (4)l-1一si氘到达角的概率密度函数无(妒)是累积分布函数F。(妒)的导数由于散射圆盘被定向天线覆盖，非覆盖小区的面积与Ms端AOA的概率成比例，如图1、2所示，故F。(妒)为J砰(42+3)_1d妒，妒o，妒，且妒仍，丁c(妒)=rI J(42+3)_14d驴，妒妒l，仍(5)， 、 R2(22+3)-。， 驴o，妒1，妒驴2，丁c，妒2 i(22+3)一。， 妒妒。，妒2(6)万方数据第9期 周杰等：基于三维空间域的宏小区移动通信正向链路信道参数估计 832=Dsina尺2一D2sin2a，3=2R2(7c+9l一妒2)，4=D
11、2tan2d(sin妒+cos9tand)一212 正向信道链路的TOA分布函数如图1所示的三维散射簇模型，定义散射体点到移动台的距离为f。，到基站的距离为f。已知散射体在三维空间信道模型内均匀分布，则散射体分布函数为纸玑)=r广1嚣k叫(7)pc zm，妒，2器l。：。i。，。：。，：篚旦上导巫塑=舞 (8)兀尺2 7cR2、7动台之间的最短距离为直达视距，即d洒=D2+2，f。=R+而可丽】c (10)zb(f。，妒)=z：+d：os一2f。dLoscos妒 (11)“)=菇高 (12)加，9)：备黑I甜一以 (14)烈乃训2而k善篙 u4加，：整罢竽，其中，壳1=c2f2+dios，后2
12、=cf，昆3=dL0s，尼4=c(c2f 2一d：os)(4嘏2)2 多普勒频移概率密度分布在3D空间域移动通信环境中，MS的移动特性会使接收端信号产生频谱扩展，扩展程度主要是由多普勒频移特性来描述入射信号到达角与DS之间的关系用五来表示，即五=矾sinpcos(9一妒。)c (17)式中：f为没有多普勒频移时的信号频率；可为相对移动的速度；p和妒分别为波达信号的仰角与方位角，它们相互独立坑c0是最大多普勒频移，记为厶；在x吖水平面内，Ms在距离)，轴角度为妒。的方向上以速度秽移动为简单起见，将多普勒频移定义为1。=。，m。yF=sin臼cos(妒一9。) (18)如上所述，文中的信道模型是由
13、基于单反射的宏蜂窝2D统计模型扩展而来的简易3D空间域散射模型根据以上提出的假设，所有散射体均匀分布在MS周围水平面内的一个圆模型中，因此所有到达MS端的人射信号满足：水平面内sin口=l，竖直面内边缘概率密度函数(届。)=0利用随机变量变换的基本理论可容易求解正向信道链路Ds分布的概率密度函数厶。(鼻)，即s(五)2荟八妒)f毒l，。 (1 9)z=1 l d妒l式中，m是妒0，2丌)内方程(19)的解的个数如果I冉l厶，可得到两个实数值的解，即9。：=妒。I cos_(五饥)l (20)利用式(17)一(20)，简单计算后可得s坼)项吼+I cos。1(五饥)1)+堑j竺燮，川L(21)厶
14、1一(再饥)2天线的所有波达信号都有一个相等的平均强度时，从式(21)可以得到一个相等的信号功率谱密度(PsD)，此时散射信道的反向链路DS分布便可由数值计算得到3数值计算结果与分析针对文中研究的三维空间域统计信道模型，文中通过数值计算和仿真给出了指向性天线或特殊宏小区环境下到达角度空间参数等的影响情况为不失万方数据华南理工大学学报(自然科学版) 第44卷一般性，文中定量给出该模型的D=100m，R=60m当d=30。时信道参数尺佃对正向信道链路水平面内概率密度分布的三维影响如图3所示其中定向天线波束宽度仅必须满足aarcsin(肜D)，否则此部分的研究无意义从图中可知：其AOA概率密度分布在
15、妒=妒，与驴=p：点出现非连续性特征，且在(妒。，妒：)范围内烨方向上的切平面曲线先减小后增加，使得其AOA概率密度也以同样的趋势变化；在(o，9。)、(9：，兀)范围内，切平面无变化，其概率密度为与R正相关的常数当MS端的散射体空间分布在一个半椭球体内时，文中的3D模型即转化为Janaswamv叫模型2015，、3 10O5OOD图3正向信道链路在水平面内的三维分布(D=100m)Fig3 3 D distribution of forward channel link in horizontalplane(D=100m)正向信道链路方位角与时延的联合概率密度分布如图4所示从图4(a)可知，
16、全向天线下联合概率密度的分布极大值主要集中在最小时延r。j。和较小方位角驴的区域，在妒(0，丌)范围内，联合概率密度不断减小，且在最大角妒=兀处达到最小值这是因为在妒=丌处，传输路径最长，传输时延较大，如图1所示在(dm。c，R+撕F五万iFc)范围内不断增大时延时，戈切平面上局部极大值对应的曲线缓慢下降并趋于极限，而同一切平面上局部极小值对应的曲线缓慢增加并趋于极限值，且局部极大值减小的速率小于极小值增加的速率在没有定向天线的情况下，概率分布呈对称性，故在妒(一兀，0)范围内方位角的TOA概率密度分布情况与图4(a)所示的曲线对称从网4(b)可知，定向天线的存在使(0，兀)范围内MS端的AO
17、ATOA概率密度分布被挖掉角度不存在的部分，也使(0，2 7c)范围内的AOATOA概率密度分布呈非完全对称特征定向天线的波束宽度必须满足理arcsin(RD)，波束宽度越小，有效散射体相对越少，使图4(b)中被挖掉的区域越多厂丁_一一一一8一 i”1 。一 一。键(a)a：180。衫膝、8i。一7 r ，i警ll，三6r；i当5 P i量“、p，t(b)d=300图4正向信道链路的AOATOA联合概率密度分布Fig4 AOATOA joint probability density distribution of fo卜ward channel 1ink方位角边界路径的最大传输时延分布如图5
18、所示，从图中可知，在(0，2丌)范围内，当定向天线竖直方向的角度确定时，随着其夹角的减小，传输路径受天线限制的范围增加，传输时延相对减小随着天线高度的增加，竖直方向上的切平面不断增大(从图l可见)，使得方位角的最大传输时延分布相对减小J，歹，。、，?，一。 、o7_ _， |、一一。 薹一。幔，髟鬃愁。瀑万方数据第9期 周杰等：基于三维空间域的宏小区移动通信正向链路信道参数估计 85上述仿真结果与Nawaz模型5的f研究结果相符合，进一步验证了接收端电磁信号传输时延分布仿真结果的正确性，适用于三维无线通信环境下的时延特性理论分析空间参数RD及D对TOA边缘概率密度分布的影响如图6所示从图中可知
19、：在时延r从d。c逐渐增大到【R+屑瓦再可c的过程中，ToA分布呈递减趋势；增大MS端cM散射体分布区域的半径尺，传输路径相对延长，使TOA边缘概率密度分布在时延确定的竖直线上相对增加在已知的情况下，TOA边缘概率密度在(dm。c，R+“F五再iFlc)内的分布范围可确定随着天线高度的增加，模型在竖直面上切平面的有效散射面积相对较大，使得条件概率密度向时延r增大方向的水平移动越多，指向性天线的作用范围也越大若此时增大比值RD，TOA概率密度的分布只会在r值确定的垂线上竖直移动此结果与Mohammad模型l归。的结论相符合，证实了模型传输的准确性和有效性r1，_一 60 65 70 75 8O
20、85fhs图6 TOA的边缘概率密度函数分布Fig6 Marginal pmbability density functiondistribution of TOA空间参数尺D及定向天线波束宽度“对正向信道链路多普勒频移概率密度分布的影响见图7从图中可知：当9。，=90。，即MS的移动方向垂直于直达路径时，由于定向天线的波束宽度在并面内对称，使得MS端多普勒频移的概率密度关于频率O点左右对称分布；随着肜D的减小以及“值的增加，其概率密度分布趋于C1arke U型经典模型，且在厂F=100Hz时，MS端多普勒频移的概率密度值达到最大；伴随着信道参数RD的增大，散射体的增多使得反射与折射概率增大，
21、故正向链路的多普勒功率也逐渐增大，这与图3中正向链路的分析结果相符，更好地验证了本模型信道参数估计结果的合理性l一 一loo 一60 20 20 60 100Hz图7正向信道链路多普勒频移的概率密度分布(D=100 m，丘：100 Hz，妒。=90。)Fig7 Doppler shift probability density distribution for foI、vardchannel link(D=100m，L=100Hz，妒。=90。)4 结论针对指向性天线、宏小区通信环境造成的空间衰落信道，文中提出了一种基于散射簇的3D统计信道模型，该模型Bs端的发射信号来自一个三维空间，但输入到
22、Ms端的所有信号却仅仅分布在水平面上的圆模型中，本模型弥补了设置定向天线的现有室外3D信道建模研究的不足；推导了多径衰落信道下正向信道链路的AOATOA概率密度函数、多普勒频移的概率密度函数，分析了空间信道参数尺D、矗D及定向天线主瓣宽度对信道模型的影响数值仿真结果表明，该模型的信道参数估计符合理论与实际的通信环境，扩展了空间统计信道模型的研究和应用，为分析无线传输系统的空间参数及多普勒效应提供了更为灵活的模型参考参考文献：1 JAKEs wMicmwave mob订e communjcationsMNewYork：WileyIEEE Press，19742 DAMNJANOVIc A，MON
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32、 of Infomation Science and 7Iechn0109y，Nanjing 210(m，Jiangsu，China；2Depanment of Electronic and E1ectIical En舀neering，Niigata UniVersity，Niigata 950-2181，Japan)Abstract：In view of the unifom distribution of the mobile communication environment with 3 D scattering clusters，a statistical channel model
33、 for 3 D spatial domain is constmcted in this paper In the macro-cell communication envimnment covered bv directional antennas，the constmcted model is used to estimate the parameterS of the space-time channel in the multipath fading channel，and the probability density functions(PDFs)of the ande of a
34、rriVal(AOA)and the time of arrival(TOA)are derived for the forward channel link in the multipath fading channelInaddition，the Doppler shift(DS)caused by the movement of mobile stations(MSs)is aIso derived，and the innu-ences of both the spatial channel parameters and the main lobe width of directiona
35、l antennas on the constructedmodel are analyzed When the scanering objects around MSs are assumed as the Gaussian and exponential densitymodels，the constmcted model is more suitable to describe special mobile communication envimnments The numerical simulation results show that the channel parameters
36、 estimated by using the proposed model are consistentwith the theoretical and actual communication environments，which makes up for the limitations of the existing sta-tistical channel models of three-dimensional scattering clustersKey words：statistical channel model；ande of a而val；time of痂val；Doppler shift；multipath fading万方数据