D2D通信关键技术与应用 课件 第二章

2D2D信道建模2.1概述2.3D2D通信信道模型2.2随机信道模型2.4本章小结2.1概述

为验证、优化和设计无线通信系统，前期需要对无线信道进行建模。毫米波通信信道模型可分为确定性毫米波模型和随机性毫米波模型。本章具体描述3GPP标准TR38.901推荐的随机模型。5G通信系统的3GPP标准化时间表如下图所示：2.2随机信道模型

随机信道模型包括大尺度衰落和小尺度衰落两部分。什么是大尺度衰落？什么是小尺度衰落？大尺度衰落--当电磁波信号通过一段较长的距离时会产生大尺度衰落，一般是由信道的路径损耗（关于距离和频率的函数）和大的障碍物（如建筑物，中间地形和植被）所形成的阴影引起。小尺度衰落--当电磁波信号在较小的范围内传输时，会观察到其瞬时接收场强的快速波动的一种现象。2.2.1大尺度衰落模型2.2随机信道模型对于大尺度衰落模型，用户首先设置应用场景、天线数量和速度参数，然后通过下图流程获得信道参数。2.2.1大尺度衰落模型

下面将从典型场景介绍不同的大尺度衰落模型（1）自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间为完全无阻挡的视距路径时接收信号的场强。弗里斯（Friis）公式：

2.2.1大尺度衰落模型路径损耗：有效发射功率与接收功率之间的差值。对于没有任何系统损耗（L=1）的自由空间路径损耗：当包含天线增益时，路径损耗：不包括天线增益时，假设天线具有单位增益路径损耗：2.2.1大尺度衰落模型下面将从典型场景介绍不同的大尺度衰落模型。（2）对数距离路径损耗与对数正态阴影衰落模型距离功率斜率：实际的信道环境中，平均接收信号功率宇自由空间的路径损耗同样随距离d呈对数方式衰减，引入路径损耗指数α，可修正自由空间的路径损耗模型。

2.2随机信道模型环境自由空间2市区蜂窝无线传播2.7-3.5存在阴影衰落的市区蜂窝无线传播3-5建筑物内的视距传播1.6-1.8有建筑物阻挡4-62.2.1大尺度衰落模型（2）对数距离路径损耗与对数正态阴影衰落模型不同环境下的路径损耗指数：2.2随机信道模型2.2.1大尺度衰落模型（2）对数距离路径损耗与对数正态阴影衰落模型

为计算方便，通常对距离功率斜率进行变换，以分贝的形式可表示为：

2.2随机信道模型2.2.1大尺度衰落模型（2）对数距离路径损耗与对数正态阴影衰落模型则上式为对数距离路径损耗模型。表示总路径损耗等于第1米的路径损耗加上相对于第1米的接收功率的损耗。通常用来表示D2D通信中距离与功率的关系。如果用dB定义1米的路径损耗为则路径损耗为

2.2.1大尺度衰落模型（2）对数距离路径损耗与对数正态阴影衰落模型阴影衰落（慢衰落）--因为位置不同而导致信号强度变化的现象。因为接收信号受到建筑物等其他物体的阻碍而使得接收信号强度围绕着平均值波动。

2.2随机信道模型2.2.1大尺度衰落模型（3）其他路径损耗模型大蜂窝区的路径损耗模型宏蜂窝区的路径损耗模型微蜂窝区的路径损耗模型室内微微蜂窝区的路径损耗模型毫微微蜂窝区的路径损耗模型2.2随机信道模型2.2.2小尺度衰落模型小尺度衰落--是指无线电信号在短时间或短距离（若干波长）传播后其幅度、相位或多径时延的快速变化。计算和生成小尺度参数和系数的过程：2.2随机信道模型2.2.2小尺度衰落模型对上式升序排序：簇功率：延迟：比例延迟为：2.2随机信道模型2.2.2小尺度衰落模型对所有簇功率进行归一化，使所有簇功率之和等于1，即：N是簇的数量对于LOS条件，向第一个簇中添加额外的镜面分量，并且簇功率被标准化为：

2.2随机信道模型2.2.2小尺度衰落模型

导致信号幅度快速波动的两种效应：多径衰落和多普勒效应。（1）多径衰落模型多径衰落的常见分布是Rayleigh分布，其概率密度函数：（2）Rayleigh衰落信道的多普勒频谱模型经典多普勒频谱：2.3D2D通信信道模型D2D通信链路信道的物理特征：（1）低天线高度（2）短距离通信（3）终端移动性（4）通信频率2.3D2D通信信道模型3GPP为了保证D2D研究的标准化，在第73次3GPPTSGRANWGI会议上，给出了D2D评估方法和信道模型标准如下：应用场景室外-室外室外-室内室内-室内路径损耗WINNERⅡB1场景加上10dB偏移双带模型；WINNERB4场景加上10dB偏移双带模型；ITU-RInH模型添加ITU-RUMi场景的视距概率阴影衰落8dB对数正态分布；假设为独立同分布，即未进行相关性建模快速衰落采用对称的角度（离开角，到达角）扩展分布；修正ITU-RUMi和InH场景模型以适应收发端的双移性2.3D2D通信信道模型

从信道建模的角度来看，不同的D2D通信类型将导致不同的通信应用场景，从而可建立不同的D2D信道模型。D2D通信系统2.3D2D通信信道模型

常用的D2D信道模型主要会考虑大尺度路径损耗和小尺度路径损耗。

蜂窝小区内子信道上发射端到接收端的瞬时信道增益可建模为：G为路径损耗常数，h和β分别是具有对数正态阴影的大尺度衰落和具有指数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:此例子定义的D2D场景分为两类，即M2M（移动对移动）和F2M（固定对移动），同时将收发端不等高的传统F2M场景称为CF2M（传统固定对移动）场景。（1）信道测试收发端均配置全向阵列天线（ODA）天线，测量系统主要参数如表所示：参数数值参数数值中心频率5.25GHzRx天线单元数18发射频率+26dBmTx天线高度1.5m带宽（空对空）200MHzRx天线高度1.5mTx天线单元数18极化类型交叉极化2.3D2D通信信道模型测试场景：楼道对楼道、楼道对房间和房间对房间三种，涵盖LoS（视距）和NLoS（非视距）情形。对于每个场景，信道测量均涵盖F2M、M2M同向运动以及M2M相向运动三种情形，共采集大约2500个快照的数据用于分析和信道参数提取。测量过程中，小车移动时保持1m/s匀速行驶。收发端高度为1.5m。2.3D2D通信信道模型（2）D2D信道接受信号幅度分布

设x和y为相互独立，且服从瑞利分布的随机变量，则z=xy服从双瑞利分布，其概率密度函数PDF如下所示：

2.3D2D通信信道模型考虑单次、二次和多次散射环境下的多径传播效应，接收信号复振幅可表示为：

2.3D2D通信信道模型实验结果表明：（1）不同于CF2M信道中LoS和NLoS接收信号幅度分别服从莱斯分布和瑞利分布的普遍结论。（2）室内M2M信道的LoS和NLoS接收信号幅度分别更倾向于服从瑞利-莱斯混合分布和瑞利-双瑞利混合分布。2.3D2D通信信道模型（3）D2D信道多普勒功率谱

2.3D2D通信信道模型

不失一般性，设=0。那么t时刻到t+时刻信道的自相关函数有：

式中α和β分别表示水平面和垂直面的AoA（到达角）和分别表示α和β的概率密度函数。

2.3D2D通信信道模型

2.3D2D通信信道模型2.3D2D通信信道模型

对上式中的自相关函数进行傅里叶变换可得到对应的功率谱密度函数：第一类零阶贝塞尔函数假设CF2M场景下P在（0,2π]均匀分布，Rx端使用全向天线，则2D自相关函数由下式推导得出：2.3D2D通信信道模型2.3D2D通信信道模型

对于上式中2DM2M信道自相关函数可扩展为：

为求得3D多普勒功率谱表达式，联合自相关函数的求解是必需的，故AoA和AoD的在水平面和垂直面的分布是必要的已知条件。2.4小节本章对最新的D2D通信信道研究进行了较为全面的综述，以促