基于漫散射的宽带无线信道扩展模型

基于漫散射的宽带无线信道扩展模型

无线信道模型近年来，第四代移动通信系统进入了带宽和高频带技术的发展趋势。国际电信联盟(ITU)定义的IMT-Advanced系统带宽可达100MHz,能够在静止或游牧时提供高达1Gbps的无线传输数据率。这使得无线通信技术领域的研究者们迫切地关注适合100MHz的宽带无线信道与其建模技术。只有获取准确的宽带信道模型,才能更好地促进宽带无线通信系统的研发。信道建模的方法一般分为三大类:一是理想的统计模型,一般假设衰落信道是独立同分布的复高斯信道,例如高斯广义平稳非相关模型和Saleh-Valenzuela统计模型。二是通过建立无线信道中的散射体几何分布,采用射线跟踪等方法来研究建模,如圆环分布模型、Gesbert的双Rayleigh矢量信道模型、VonMises角度分布模型、双环模型、三环模型。实际无线传播环境远比模拟建立的散射环境复杂。近年来,国际上越来越多的研究采用了基于实测的信道建模方法。该方法基于对无线信道冲激响应的时-频-空高精度测量,利用信道冲激响应时延-功率谱等信道的物理特性建立参数化的信道模型数学表达式,然后采用参数估计方法从大量测量数据中提取信道模型参数。欧洲启动的ISTMETRA项目和ISTSATURN项目是这类方法的典型代表。国内的研究者也十分重视无线信道研究工作,特别在基于实测的信道建模方面,开展了IMT-Advanced频段电波传播路径损耗测量建模、信道多径特性测量以及性能分析等无线信道研究。电磁波信号主要通过直射、反射、漫散射传播到达接收机。反射需要有较宽的反射面、合适的入射角,这使得接收到反射波的几率较小。相对而言,在散射体较多时,接收到漫散射波的几率增加。漫散射波的能量可能较小,但其高密度的时延分布使得在建模时不能忽略它们的累加能量。一般地,信道冲激响应的时延分辨率与信道带宽成反比。传统的窄带信道冲激响应时延分辨率较低,漫散射波的能量被淹没在反射波中。然而宽带信道冲激响应的时延分辨率比窄带信道高2～3个数量级,漫散射的影响突显出来。特别是在散射丰富的环境下漫散射现象尤为明显,形成时延连续的漫散射能量分布。通过对这种漫散射效应进行测量和建模,将可以建立一种高精度的宽带信道模型。首先在第1节分析了传统窄带信道模型推广到宽带信道应用的不足。并依据宽带信道电波传播直射、反射与漫散射特性,在传统窄带模型的基础上提出了宽带信道扩展模型;第2节描述了100MHz宽带信道的高精度测量,包括测试原理、测量设备、测试方法、以及测试场景;第3节给出了基于大量测试数据所获得的100MHz带宽的宽带信道冲激响应,并提取了信道模型参数,包括时延-功率谱、时延扩展统计特性、漫散射指数分布特性参数;通过实际测量结果与扩展模型预测结果的比较分析,验证了宽带信道扩展模型的适用性。最后给出研究结论。1带宽通信模型的导出1.1声nw的组成传统的实测窄带信道冲激响应模型主要是由参数为θ、时延τ离散的多径p(θ,τ)和加性高斯白噪声nw组成:h=∑τp(θ‚τ)+nw(1)h=∑τp(θ‚τ)+nw(1)nw是服从正态分布的零均值高斯白噪声,nw～N(0,σ2nn2)(2)则信道冲激响应h在时延τ时刻也是一个服从正态分布的过程:h(τ)～N[p(θ,τ),σ2nn2](3)1.2带宽通信模型1.2.1传统信道模型估计冲激响应图1中曲线描述的是城市热点地区100MHz带宽信道冲激响应实测结果。其中离散的直线表示采用传统信道模型估计的冲激响应,其中离散的直射径、反射径的作用明显。虽然估计的离散径多达几十条,仍旧不能描述图中实测信道密集的时域冲激响应能量分布现象。由此可见,传统的信道模型已经不足以描述宽带信道的特性,研究建立新的宽带信道模型十分必要。1.2.2宽带无线信道冲激响应nw宽带信道扩展模型需要同时考虑时延离散的直射、反射波和高密度时延的漫散射波叠加的影响。首先,将高密度时延的漫散射效应看作是在时域时延连续的冲激响应能量分布。一般情况下,根据中心极限定理,假设该能量分布是均值为ψ、方差为σ2dd2的正态分布过程:hd(τ)～N[ψ(τ),σ2dd2)](4)式中,连续能量分布均值ψ起始于时延τd,随时延呈指数衰减:ψ(τ)=α1·e-βd(τ-τd)τ>τd(5)式中,α1是在时延τd时刻漫散射能量值,βd定义为能量衰减系数。这样,无噪声的宽带无线信道冲激响应表示为离散多径p(θ,τ)和连续能量冲激响应hd共同作用的结果:h(τ)～N[p(θ,τ)+ψ(τ),σ2dd2](6)其均值是离散的直射或反射径叠加上漫散射连续能量均值。在实际测量中,噪声nw的影响是无法避免的。假设噪声为加性高斯白噪声,如式(2),则实际测量获得的宽带信道冲激响应可以用下式表示:h(τ)～N[p(θ,τ)+ψ(τ),σ2dndn2](7)式中,方差σ2dndn2受漫散射连续能量方差和噪声共同影响。2测量通道测量2.1测量冲激响应时延假设t时刻信道的冲激响应是h(t,τ),τ代表了在t时刻信道的多径时延,则接收信号y(t)和发送信号x(t)之间关系可以表示为y(t)=x(t)⨂h(t,τ)(8)将式(8)变换到频域:Y(f)=X(f)·H(f)(9)显然,如果我们已知发送信号x(t),测得接收信号y(t),就可以通过式(10)获得信道的冲激响应:h(t‚τ)=F−1(Y(f)X(f))(10)h(t‚τ)=F-1(Y(f)X(f))(10)受测量信道的带宽和测量仪器的采样精度的限制,测量计算获得的冲激响应时延τ总是以一定间隔离散化的。离散时延τi处的冲激响应是Δτ=τi-τi-1时延宽度内所有冲激响应的复能量叠加而成。所以测量获得的信道冲激响应可以表示为h(t‚τ)=∑ih(t‚τ)=∑i∫τiτi−1a(t‚τ)ejϕ(t‚τ)dτ⋅δ(τ−τi)](11)∫τi-1τia(t‚τ)ejϕ(t‚τ)dτ⋅δ(τ-τi)](11)式中,a(t,τ)和ϕ(t,τ)表示在t时刻时延为τ的冲激响应的实际幅度和相位。在宽带系统中,Δτ远小于窄带系统,测量获得的信道冲激响应时域精度更高。从宽带信道冲激响应中不仅可以观察到离散的直射、反射径,还可以观察到漫散射引起的高密度时延能量分布。2.2宽带无线通信测试系统本次宽带信道测量采用了高精度宽带信道测量仪,其具有测量带宽宽、采样率高、同步精准等优点,如图2所示。发射天线阵列采用两根定向天线垂直平行放置40层楼顶,高度约120m。接收天线阵列由八个天线振子组成,固定在测试车车顶,高度约3m。测量时,收发端通过铷时钟精确同步。发射端周期性发送100MHz带宽宽带测试信号,接收端通过高速采集设备实时移动采集接收到的信号,并高速存储以备后续处理。针对未来宽带无线通信典型场景,我们选择地处城市热点地区的上海市区中山公园附近,该地区高楼林立,交通繁忙,建筑物密集,既有高层写字楼、住宅、轻轨、高架桥,也有植物较多的公园绿地。密集的高层建筑物是电磁波反射、漫散射丰富的原因。测试环境包括了视距(LOS)和非视距(NLOS)两种典型电波传播环境。3测量结果和统计分析3.1冲激响应-功率谱对100MHz带宽信道的观测数据进行相关运算处理,得到宽带信道的冲激响应。图3(a)和(b)分别为LOS场景和NLOS场景下,500次测量样本的冲激响应时延-功率谱,时延分辨宽度Δτ=10ns,移动测量间隔为2ms。图中横轴为时延τ,纵轴为移动测量时刻t,颜色的深度表示冲激响应归一化能量强度。图3(c)和(d)分别为图3(a)和(b)测量结果统计均值。在LOS环境下可以明显地观察到时延最小且能量最强的直射径。在信道建模中通常取直射径到达的时延为参考时延,即τ0=0。在NLOS环境下,收发机之间没有直射路径,不能观察到明显的直射径。这时通常在信道建模中取时延最小的到达信号的时延为参考时延τ0=0。3.2地震波的分析从图3中的冲激响应时延功率谱也可以观察到能量总体呈指数下降的趋势,这是漫散射波叠加作用的效果。在建筑物密集的城市热点地区富散射环境下,这种现象尤为明显。如果将直射、反射波的作用效果剥离开,剩下的漫散射时延-功率谱由式(7)推导得到h(τ)～N(ψ(τ),σ2dndn2)(12)漫散射连续能量分布的均值ψ(τ)可由式(5)表示。取τd=τ0=0,采用最小二乘法对去除离散的直射、反射径的实测冲激响应时延-功率谱进行统计分析拟合,得到参数α1以及βd。图4实线是实测冲激响应去除直射和反射径能量后的结果,虚线则是漫散射连续能量均值函数ψ(τ)的拟合结果。从图4实测的冲激响应中再去除拟合的漫散射连续能量均值,得到的漫散射残差与噪声叠加的动态能量,其分布符合零均值正态分布,如图5所示,此结果验证了式(8)。在两个典型路段LOS以及NLOS场景下,对连续能量分布的漫散射效应模型进行能量归一化参数提取的结果如表1所示,其中Rx1～Rx8代表接收天线阵的八个天线振子单元。从表1可以看出,在LOS和NLOS环境下,都存在着明显的漫散射效应作用的连续能量分布。LOS环境下βd值较小,这是由于LOS环境下电波传播受到的损耗较小,漫散射连续能量的衰减速率相对NLOS场景较小。对比α1值可以看出,在1μs时延内,漫散射能量在NLOS环境所占总能量比例大于LOS环境,约在-30dB内。可见在NLOS环境下,漫散射对电波传播的影响更大,其能量不可忽视。3.3信号分析和数据统计多径信道的时间色散特性通常可以由平均附加时延扩展、均方根(RMS)时延扩展和最大时延扩展来定量地描述。传统RMS时延仅是描述离散的直射和反射径的参数。对于宽带实测信道冲激响应,去除连续能量的均值影响,再进行多径时延参数的计算,可以得到更加精确的离散多径RMS时延特性,使得宽带信道建模更加准确。图6中曲线是实测冲激响应去除连续能量均值影响的结果。对漫散射效应形成的时域上连续能量分布,采用积分运算代替传统的求和运算同样可以获得其时延特性。在对RMS时延进行统计分析时,取多次测量统计获得的累计分布函数(CDF)曲线中大于90%点对应的值为最后的统计测量结果。表2中列出了本次测量中两个典型路段的时延功率统计参数值,其中Rx1～Rx8代表接收天线阵的八个天线振子单元。对比两种场景下的离散径时延参数:LOS场景下的离散多径RMS时延较小。这时因为其离散多径都分布在较短的时延区域内,而NLOS场景的离散多径经历了多次反射,多径分布较为分散,故离散多径RMS时延较大。两种场景中,接收天线单元Rx5背对发射基站,接收到的反射径的时延相对较大,所以RMS时延也比同样场景的面向基站侧的接收天线单元Rx1的RMS时延大。对比连续能量的时延参数:由于LOS场景中,连续能量衰减较NLOS场景慢,所以RMS时延也相对较大,其值与离散RMS时延值相当。这说明在LOS场景中,漫散射效应对时延参数的影响不可忽视。4宽带无线信道扩展模型通过分析实测宽带无线信道冲激响应,我们发现漫散射现象不容忽视。为此,基于传统的窄带多径信道模型,本文提出了针对宽带无线信道的扩展模型。该扩展模型通过增加指数衰落分布的参数α1、βd、τd以及σdndn,建模表征漫散射能量分布,从而更加准确地表达了宽带信道的衰落特性。通过开展100MHz宽带无线信道测试,我们提取了宽