三維空間域多徑信道模型的AOA和TOA特性分析*

史書明，姚穎莉，周　杰

（1.常州工學(xué)院，計算機信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213003；2.南京信息工程大學(xué)，氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044）

三維空間域多徑信道模型的AOA和TOA特性分析*

史書明1，姚穎莉2，周杰2

（1.常州工學(xué)院，計算機信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213003；2.南京信息工程大學(xué)，氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044）

在三維空間域提出了一個幾何模型，其散射橢圓半球體的中心在移動臺（MS），基站（BS）被置于散射球體外部。該模型可以在方位角和仰角平面同時描述多徑波的到達角度和到達時延，據(jù)此推導(dǎo)出電磁信號分別在MS和BS端關(guān)于到達角度的聯(lián)合、邊緣概率密度函數(shù)封閉式表達式。除此之外還推導(dǎo)出到達時延的聯(lián)合概率密度函數(shù)的封閉式表達式。該三維模型適用于低MS天線和高BS天線且重要散射體分布在移動臺附近的室外宏蜂窩通信環(huán)境。此外還對數(shù)值仿真實驗獲得的理論數(shù)據(jù)進行分析比較，進一步驗證信道參數(shù)估計結(jié)果符合理論和經(jīng)驗。

到達角度；幾何散射模型；概率密度；到達時延；多徑波

0　引言

近年來，為滿足人們對無線通信不斷增長的容量需求，通信系統(tǒng)的空時參量越來越受到人們廣泛關(guān)注?？臻g信道模型描述了多徑分量的到達角度和到達時延的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，在設(shè)置天線陣列的無線通信系統(tǒng)的性能評估方面作用顯著。所有現(xiàn)存的幾何模型基本上都是二維的，如離散均勻模型[1-2]、橢圓散射模型[3]、圓形散射模型（CSM）[4]、高斯散射密度模型[5]、高斯 AOA 模型[6]等，上述模型均認(rèn)為信號傳輸發(fā)生在連接發(fā)射和接收天線頂端的一個平面上，僅推導(dǎo)和計算在水平面內(nèi)的空時信道參數(shù)。一些學(xué)者相繼提出了許多關(guān)于無線電信道的時間和空間特性的幾何模型，但大多在空間角度的研究上存在明顯的不足。針對宏小區(qū)環(huán)境下的移動無線通信問題，本文提出了一個三維空間域多徑信道幾何模型。重點研究模型的空時參量，給出電磁信號分別在移動臺和基站的聯(lián)合、邊緣概率密度函數(shù)封閉式表達式以及傳輸路徑時延的封閉式表達式。此外還同時在方位角和仰角平面描述多徑波的到達角度和到達時延，允許在上述兩平面內(nèi)獨立控制其角度擴展，并在此基礎(chǔ)上分析影響其時延特性的部分因素。

1　系統(tǒng)模型相關(guān)理論

本文提出的三維模型其主要散射體均勻地分布在MS附近，如圖1所示。圖中，a＜D，b≤a，從BS到MS的直達路徑長度可表示為 dLOS。本文中的橢球體可被下式定義：

圖1　球體內(nèi)MS為中心的散射體均勻分布模型

2　系統(tǒng)的三維空間特性AOA

2.1電磁信號在MS端的到達角度

方位角的邊緣概率密度函數(shù)可通過對其聯(lián)合概率密度函數(shù)的變量依次積分獲得。同理可得仰角的邊緣概率密度函數(shù)。利用雅可比變換可得MS處聯(lián)合概率密度，對其rm進行積分，可得：

對上式的 βm進行積分并通過 t＝sinβm變量代換得方位角在（0，2π）內(nèi)均勻分布，且與 BS天線的高度無關(guān)。對式(2)中的φm進行積分即可獲得關(guān)于仰角的概率密度函數(shù)：

從上式可以看出，仰角βm的概率密度函數(shù)的圖形形狀僅與橢球體b/a的比率有關(guān)。從式(2)和式(3)可見，MS的仰角與方位角是統(tǒng)計獨立的。

2.2電磁信號在BS端的到達角度

利用雅可比轉(zhuǎn)換式，可得BS處的聯(lián)合概率密度函數(shù)。對其rb的所有可能取值進行積分，可得其關(guān)于角度的邊緣概率密度函數(shù)：

其中，rb1和 rb2是從 BS端角度為(φb，βb)處引的一條直線與半橢球體的交點。

圖2示出了半橢球體與φb確定的平面的交點構(gòu)成的半橢圓Sφ的幾何形狀。橢圓的中心、徑向長度均如圖所注。sinφmax＝a/D，與 BS的天線高度無關(guān)。綜上，概率密度函數(shù) p(φb)表達式為：

圖2　參數(shù)Sφ計算模型圖

從上式可見BS處方位角概率密度函數(shù)與軸長b無關(guān)。

3　系統(tǒng)的時延特性TOA

τ為傳輸時延，計算可得rm為：

TOA/AOA的聯(lián)合概率密度函數(shù)表達式為：

其中 rm在式(6)中已給出，利用雅可比變換并帶入式(7)中即可得到TOA/AOA的聯(lián)合概率密度函數(shù)，其公式如下：

相似地，在BS的對應(yīng)角的聯(lián)合概率密度函數(shù)也可得到，其中V＝2πa2b/3。利用積分依次可得BS端到達時延的相應(yīng)聯(lián)合概率密度函數(shù)式如下：

同理可得MS端的方位角、仰角到達時延聯(lián)合概率密度函數(shù)。對上述兩式中任一公式的相應(yīng)角進行積分即可獲得到達時延邊緣概率密度函數(shù)，即：

4　數(shù)值結(jié)果與分析

仿真實驗的結(jié)果將在此部分進行分析。圖3描述的為不同b/a取值情況下仰角βm對應(yīng)的概率密度函數(shù)的三維圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)b/a較大時，在豎直平面上的切平面較大，從而多徑信號AOA的概率密度相對較大。從圖中還可發(fā)現(xiàn)移動臺BS端的發(fā)射信號基本在小角度（βm為零度）或者 b/a參數(shù)值較大處，而在大角度（βm為直角）時其概率密度較小，幾乎為零。所有曲線中最常發(fā)生的角在βm=0處，此時3D模型轉(zhuǎn)化為2D模型，無論 b/a數(shù)值如何變化，其切平面都相同，故俯仰平面AOA概率密度值相等為零。研究比較發(fā)現(xiàn)：本文提出的模型，其基站處方位角的概率密度函數(shù)(見式(5))不同于散射半徑為a的二維CSM模型的PCSM(φb)。

圖4描述的是本文提出的半橢球模型和CSM模型在方位角平面對應(yīng)不同D值的概率密度樣值函數(shù)分布情況。正是由于深度和高度的綜合作用，與CSM相比，本文提出的橢球模型的離軸散射體才會與其不同。

圖3　MS終端的聯(lián)合概率密度分布

圖4　BS基站方位角概率密度分布

圖5、圖6分別描述了關(guān)于方位角以及仰角的TOA聯(lián)合概率密度函數(shù)的幾何分布情況。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，由于空間分布關(guān)于豎直平面對稱（見圖1），使得TOA聯(lián)合概率分布波形被挖掉時延不存在的兩片區(qū)域，左右處于對稱狀態(tài)，故其圖形結(jié)果在-Φm～Φm之間對稱分布。移動臺接收信號基本在小角度（Φm=0）處，而在角度增大至180°時其概率密度分布相當(dāng)小，且其關(guān)于方位角的TOA概率函數(shù)值在Φm=0處到達峰值。由圖6的波形分布可知，a/D不斷增加，關(guān)于仰角的TOA聯(lián)合概率密度函數(shù)值不斷衰弱，當(dāng)傳輸時延超過最大傳輸時延即超過散射區(qū)域，其概率密度為零；當(dāng)俯仰平面的角度 βm不斷增大時，遠(yuǎn)離MS端的散射體逐漸增多，電磁信號的反射和折射概率相對較大，故導(dǎo)致關(guān)于仰角的TOA概率密度不斷減小[9]。如果令式（8）中的 βm和 Ht值均為零，則可由本模型推導(dǎo)出文獻3中提出的一個二維模型。

圖5　方位角—時延邊緣概率密度分布

圖6　仰角—時延邊緣概率密度分布

5　結(jié)語

針對室外宏蜂窩環(huán)境等因素造成的多徑信道衰落，本文提出的 3D模型的幾何參數(shù)有：橢球體的軸長 a、b，基站天線的高度Ht，負(fù)責(zé)發(fā)送的基站與負(fù)責(zé)接收的移動臺之間的水平距離D。揭示了此模型下BS和MS端在水平面和俯仰面上各信道參數(shù)的變化特征。在移動臺處，方位角的多徑波均勻分布，仰角的多徑波分布僅與a和b有關(guān)。在基站處，方位角的概率密度函數(shù)與單一變量 a/D密切相關(guān)，而仰角的概率密度函數(shù)不僅與 a/D有關(guān)，還與b/D和Ht/D有關(guān)。對于時延特性，其概率密度函數(shù)也與a/D有密切關(guān)系。當(dāng)存在的散射體與發(fā)射機和接收機部分的距離不斷增加，傳播時延會相應(yīng)的延長。本文提出的模型在宏蜂窩環(huán)境中非常有用，基于本文對散射區(qū)域水平與垂直方向的角度擴展，使用平面天線陣列對無線電通信系統(tǒng)進行性能分析的精度會越來越高。而這些性能分析又能夠在進一步提高通信系統(tǒng)流數(shù)據(jù)速率方面加以使用。

[1]LEE W C.Mobile communications engineering[M].New York：McGraw-Hill Professional，1982.

[2]SUZUKI H.A statistical model for urban radio propagation[J]. Communications，IEEE Transactions on，1977，25(7)：673-680.

[3]ERTEL R B，REED J H.Angle and time of arrival statistics for circular and elliptical scattering models[J].Selected Areas in Communications，IEEE Journal on，1999，17(11)：1829-1840.

[4]PETRUS P，REED J H，RAPPAPORT T S.Geometrically based environments[C].Global Telecommunications Conference，1996.GLOBECOM′96.′Communications：The Key to Global Prosperity.IEEE，1996(2)：1197-1201.

[5]JANASWAMY R.Angle and time of arrival statistics for the Gaussian scatter density model[J].Wireless Communications，IEEE Transactions on，2002，1(3)：488-497.

[6]NAWAZ S J，KHAN N M，PATWARY M N，et al.Effect of directional antenna on the Doppler spectrum in 3-D mobile radio propagation environment[J].Vehicular Technology，, IEEE Transactions on，2011，60(7)：2895-2903.

[7]ZHOU J，CAO Z G，HISAKAZU K.Asymmetric geometricalbased statistical channel model and its multiple-input and multiple-output capacity[J].IET Communications，2014，8(1)：1-10.

Analysis of the AOA and TOA properties of the 3D spheroid model

Shi Shuming1，Yao Yingli2，Zhou Jie2
(1.School of Computer Information and Engineering,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002，China；2.Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing，Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044，China)

A three-dimensional(3D)geometric model is presented with a mobile station(MS)located at the center of a 3D scattering semi-spheroid and a base station(BS)located outside of the semi-spheroid.The presented model can describe simultaneously angle of arrival and time of arrival of multipath waves in the azimuth and elevation planes.Closed-form expressions for joint and marginal probability density functions(pdfs)of the angle of arrival are provided as seen from the mobile station and base station are derived.Furthermore,closed-form expressions for joint pdfs of the time of arrival observed at the MS and the BS in correspondence with azimuth and elevation angles are derived.The model is suitable in a macro-cellular environment with a low MS and an elevated base station antenna,where significant scatterers are distributed about the former.Moreover,the obtained theoretical results with some 3D scattering models are compared further to validate the rationality of the proposed model.

angle of arrival；geometric scattering model；probability density；time of arrival；multipath wave

TN911.6

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.027

國家自然科學(xué)基金面上項目(61372128，61021062)；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項目(14KJA510001)；中國博士后基金(010986678)

2015-04-10)

史書明（1979-），女，講師，主要研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)。

姚穎莉（1991-），女，碩士研究生，主要研究方向：移動通信理論及信號處理方法與技術(shù)。

周杰（1964-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：移動通信理論、無線傳感網(wǎng)和無線接入網(wǎng)等。

中文引用格式：史書明，姚穎莉，周杰.三維空間域多徑信道模型的 AOA和 TOA特性分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41 (10)：100-102，106.

英文引用格式：Shi Shuming，Yao Yingli，Zhou Jie.Analysis of the AOA and TOA properties of the 3D spheroid model[J]. Application of Electronic Technique，2015，41(10)：100-102，106.