基于IEEE802.20信道模型的仿真分析

田 怡

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430073）

0 引言

IEEE802.20作為第四代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議提案之一，MIMO為其物理層核心技術(shù)，因此，基于IEEE802.20的信道模型是基于MIMO信道的建模過(guò)程，對(duì)MIMO無(wú)線衰落信道模型的研究是進(jìn)行MIMO信道容量研究、評(píng)估各種空時(shí)信號(hào)處理算法的首要問(wèn)題。對(duì)MIMO信道進(jìn)行建模離不開(kāi)對(duì)無(wú)線信道衰落特性的分析，只有在充分理解了無(wú)線信道的各種衰落特性之后，才能更進(jìn)一步，找到用于描述MIMO衰落信道的合適的數(shù)學(xué)模型。

1 基于IEEE802.20的信道模型

現(xiàn)用散射模型來(lái)描述信道特性。散射模型假定了散射物的特定統(tǒng)計(jì)分布，利用這種特定統(tǒng)計(jì)分布，通過(guò)仿真散射物間的相互作用平面波的方向產(chǎn)生信道模型。該模型需要大量參數(shù)。IEEE802.20的物理信道采用MIMO+OFDM的信道模式，從分析基站和移動(dòng)臺(tái)的空間參數(shù)入手，從而建立從基站到移動(dòng)臺(tái)的下行鏈路仿真模型。

移動(dòng)臺(tái)的接收信號(hào)由發(fā)送信號(hào)的N個(gè)多徑時(shí)延副本疊加而成。由功率，時(shí)延，角度參數(shù)定義，多徑由信道PDP(Power Delay Profile)定義，隨機(jī)選擇信道產(chǎn)生程序。每一徑由M個(gè)子徑組成，由此給出了 IEEE802.20的信道模型，如圖 1所示。

ΩBS為BS天線陣列方向，ΩMS為MS天線陣列方向BS，θBS為直視徑與BS天線側(cè)射方向的夾角，θMS為直視徑與MS天線側(cè)射方向的夾角，δn,AOD為第n條主徑的AOD與直視徑的夾角，δn,AOA為第n條主徑的AOA與直視徑的夾角，?n,m,AOD為第n條主徑的m條子徑相對(duì) δn,AOD的角度偏移，?n,m,AOA為第n條主徑的m條子徑相對(duì) δn,AOA的角度偏移，θn,m,AOD為第n條主徑的m條子徑的絕對(duì)離開(kāi)角，θn,m,AOA為第n的條主徑的m條子徑的絕對(duì)到達(dá)角，φm,n為第n條主徑第m條子徑的相位，注意：角測(cè)量順時(shí)針?lè)较?，假設(shè)為負(fù)值。

圖1 IEEE8020.20的信道模型－基站和移動(dòng)臺(tái)的角度參數(shù)信道模型

2 仿真的處理流程

根據(jù)MIMO信道結(jié)構(gòu)，在計(jì)算機(jī)上仿真MIMO信道模型。在初始階段，首先需要對(duì)所仿真的MIMO無(wú)線信道的仿真環(huán)境進(jìn)行選擇。隨后選擇發(fā)射端和接收端的天線陣列結(jié)構(gòu)。再輸入相應(yīng)的信道參數(shù)，包括多普勒功率譜、PAS、AOA、AOD、AS等，根據(jù)通信的方向(上行或下行)分別計(jì)算MIMO信道收發(fā)兩端的空間相關(guān)矩陣，并得到MIMO信道矩陣，再根據(jù)參數(shù)值進(jìn)行設(shè)定。最后，由上面的計(jì)算結(jié)果，得到MIMO信道矩陣h[1]，下面將具體講解這些參數(shù)值的設(shè)置。

3 基于IEEE802.20的信道模型的參數(shù)設(shè)置

3.1 MIMO信道環(huán)境

對(duì)于系統(tǒng)級(jí)仿真，快速衰落導(dǎo)致每路徑將演變的時(shí)間，雖然大部分參數(shù)包括角度傳播，傳播延遲，對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落，移動(dòng)臺(tái)的位置都保持不變。下面的做系統(tǒng)級(jí)模型的一般假設(shè)[2]：

① 對(duì)于上行鏈路和下行鏈路到達(dá)角 AOA/離開(kāi)角 AOD的值是一致的；

② 對(duì)于FDD系統(tǒng)，上下行鏈路間的子路徑隨機(jī)相位是不相關(guān)的；

③ 為了簡(jiǎn)化模型，假設(shè)不同移動(dòng)臺(tái)間的陰影衰落不相關(guān)；

④ 角度擴(kuò)展AS、時(shí)延擴(kuò)展DS、陰影衰落因子SF，是根據(jù)信道環(huán)境而定的相關(guān)參數(shù)。子路徑的相位在扇區(qū)間是隨機(jī)的。

⑤ 空間信道模型適用于不同的天線配置；

⑥ 總發(fā)送功率一樣，不論是單天線情況的發(fā)送功率還是多天線情況；

⑦ 信道系統(tǒng)的產(chǎn)生假設(shè)線性陣列，也能用于其他天線配置，可根據(jù)需要修改；

⑧ 宏小區(qū)路徑損耗使用基于修改的COST231-Hata[3]傳播模型；

⑨ 微小區(qū)路徑損耗使用COST231-WI[4]城市傳播模型。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]角度偏移表格所示的數(shù)值，選定產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2°、5°、35°。他們等于單徑功率對(duì)子徑角度擴(kuò)展功率的加權(quán)值。在參數(shù)設(shè)置過(guò)程中，不特別說(shuō)明，均以城市宏小區(qū)為例。

① 宏小區(qū)路徑損耗是根據(jù)修改后的COST231Hata市區(qū)傳播模型[5]：

PL單位為dB,hbs為基站天線高度單位是米， hms為移動(dòng)臺(tái)天線高度單位是米， fc為載波頻率單位是兆赫，d為基站和移動(dòng)臺(tái)之間的距離單位是米，C為一個(gè)常數(shù)因子(C=0 dB對(duì)應(yīng)郊區(qū)宏小區(qū)和C=3 dB對(duì)應(yīng)于城市宏小區(qū)）設(shè)置這些參數(shù)為hbs=32 m,hms=1.5 m,fc=1900 MHz，路徑損耗和城市及郊區(qū)的宏小區(qū)環(huán)境，分別為 PL = 3 1.5 + 3 5log10(d )和PL = 3 4.5 + 3 5log10(d )[6]。距離d需要至少35米；

② 基站天線模式和鏈路層相同；

③ 站點(diǎn)到站點(diǎn)的SF相關(guān)；

④ 假定布局為六扇區(qū)結(jié)構(gòu)。

3.2 SCM(Spatial Channel Model)參數(shù)的產(chǎn)生

（1）宏小區(qū)信道參數(shù)產(chǎn)生[7]

對(duì)于給定的情景和一組參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)信道道模型的參數(shù)，如多徑時(shí)延，功率，以及這部分用程序產(chǎn)生的子徑AOD和AOA，城市和郊區(qū)宏小區(qū)環(huán)境的模型參數(shù)。

（2）產(chǎn)生SCM(Spatial Channel Model)系數(shù)[8]

根據(jù)前文所給出的參數(shù)，來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的信道系數(shù)，對(duì)于S個(gè)元素的基站陣列和U個(gè)元素的天線陣列，信道系數(shù)是對(duì)于振幅為U×S矩陣的N條路徑。

Pn為每條路徑的隨機(jī)平均功率；σSF為對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落,適用于大量參數(shù)到 N路徑某一下降；M為單徑包含的子徑數(shù)目； θn,m,AoD為n徑中的第m徑的AOD； θn,m,AoA。

為n徑中的第m徑的AOA；GBS( θn,m,AoD)為每個(gè)基站陣列的天線增益； GMS( θn,m,AoA)為每個(gè)移動(dòng)臺(tái)陣列的天線增益；J的平方根為-1；K為載波數(shù)量； ds為基站天線陣列距離，s為第s個(gè)天線，參考天線s=1,d1=0； du為移動(dòng)臺(tái)天線陣列距離，s為第s個(gè)天線，參考天線s=1,d1=0；Φn,m為m徑第n子徑相位；v為移動(dòng)臺(tái)速度矢量；θv為移動(dòng)臺(tái)角度速度矢量。

3.3 IEEE802.20的信道建模仿真結(jié)果和性能分析

根據(jù)以上闡述的信道仿真方法，設(shè)定基站端PAS為拉普拉斯分布，AS為10°，AOD為20°；移動(dòng)臺(tái)端PAS為拉普拉斯分布，AS為30°，AOA為67.5°。并設(shè)定載頻為2.15 GHz，移動(dòng)臺(tái)的速度為120 km/h。小區(qū)選取典型的城市宏小區(qū)。發(fā)射天線和接收天線均為1的情況下，運(yùn)用Matlab編寫(xiě)仿真程序，得到頻域的仿真結(jié)果，并進(jìn)行歸一化處理。得到的多普勒曲線和理論分析基本一致，如圖2所示。同樣，分析時(shí)域的仿真結(jié)果，得到信道的時(shí)域衰落特性曲線與理論值基本吻合，如圖 3所示。

圖2 IEEE802.20信道的多普勒譜示意圖

圖3 IEEE802.20信道的時(shí)域衰落特性曲線

從上面的仿真結(jié)果可以看出，仿真得到的頻域和時(shí)域特性能夠很好的與理論值保持一致，這意味著利用給出的信道模型和仿真方法能夠準(zhǔn)取地描述 IEEE802.20的信道特性。

4 結(jié)語(yǔ)

本章在得到的 IEEE802.20的信道模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行了具體的參數(shù)設(shè)置，依據(jù)圖1的仿真流程，得到了相應(yīng)的MIMO信道矩陣，并運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行了仿真分析，從仿真結(jié)果可以看出，仿真得到的頻域和時(shí)域特性能夠很好的與理論值保持一致，從而意味著利用所給出的信道模型和仿真方法能夠準(zhǔn)取地描述IEEE802.20的信道特性。

[1] IEEE 802.20-03/48.Channel Models and Performance Implications for OFDM-based MBWA[S].USA： IEEE,2003.

[2] 周先軍,周丹.IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)分析[J].通信技術(shù),2009,42(07)：262-264.

[3] IEEE P802.20?/D4.1m.Draft Standard for Local and Metropolitan Area Networks-Standard Air Interface for Mobile Broadband Wireless Access Systems Supporting Vehicular Mobility-Physical and Media Access Control Layer Specificatio[S].USA：IEEE,2008.

[4] IEEE P802.16e/D8.Draft IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16：Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems Amendment for Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands[S]. USA： IEEE,2005.

[5] IEEE 802.20-03/70.Channel Models for IEEE 802.20 MBWA System Simulations[S]. USA：IEEE,2003.

[6] 何鑫,唐宏.寬帶無(wú)線接入技術(shù)IEEE802.20介紹[J].通信技術(shù),2007,40(11)：161-163.

[7] 董楠,張盛.對(duì)IEEE 802.16e OFDMA下行鏈路信道估計(jì)方法的仿真研究[J].通信技術(shù),2009,42(06)：82-84,88.

[8] IEEE C802.20-03/92.Channel Models for IEEE 802.20 MBWA System Simulations-Rev 03[S]. USA： IEEE,2003.