理论教育 COST 273行动中的多普勒等式与莱斯衰落的模拟方法

COST 273行动中的多普勒等式与莱斯衰落的模拟方法

时间:2023-06-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:正如以下列出的,一些COST 273行动的参与者带着这些目地完成了仿真发展的模型。除了假设均匀3D频谱用于DoA的仿真模式外,假设平面波只从赤道平面冲击。可以把依照多普勒等式变换的恒定幅度和相位的确定性成员加入到链路增益来仿真有着特定莱斯因子的莱斯衰落。多MT可以是活动的,且当移动经过传播环境时,通过它们接收和发射的信号相继地进行仿真。Mascaraa首先仿真了射线,每个有着特定的延迟来自TX阵列的DoD以及在RX阵列的DoA。

COST 273行动中的多普勒等式与莱斯衰落的模拟方法

在理想的环境下,无线传播现象可以准确地测量,分析建模,并用于评估发展的技术和系统的性能。然而,事实上,准确测量和分析的能力通常并不是有效的。因此,为了允许原型的重复测试,许多系统工程团体对发展基于信道模型的仿真过程感兴趣,一些模型可以标准化并用于比较和估计在工业范围基础上的不同技术。正如以下列出的,一些COST 273行动的参与者带着这些目地完成了仿真发展的模型。

Kunnari(见参考文献[Kunn02])记述了一个软件包的升级,该软件包可用于小范围衰落的仿真,此衰落是发生在一个OFDM MIMO系统的不同子带上TX和RX天线对间的多PLk上。可以同时产生的衰落信道增益数是LMN,其中L是自带数量,M是TX天线的数量,而N是RX天线的数量。对应于每个PLk的用户特定时间和频率相关特性,以及在不同PLk衰落特性间的用户特定自相关性,可以产生瑞利衰落或者莱斯衰落瞬时封装衰落分布。这个软件也可以产生用于在抽头延迟线性模型中的MPG衰落的时变抽头加权,此模型用于一个频率选择性衰落信道的脉冲响应。

除了假设均匀3D频谱用于DoA的仿真模式外,假设平面波只从赤道平面冲击。假设多普勒频移/扩展只影响载频,以及无线波传播经过TX信号带宽的时间。假设RX和TX阵列的天线元是确定的,且没有电磁耦合。假设MPC的复杂度是由独立同分布高斯分布随机实现的,且它们的相位在[0,2π]间均匀分布,也假设了高斯WSS衰落特性和非相关散射。

通过假设功率扩展函数pvϕtϕrτ)是独立于多普勒特性的,加上了类型Ⅲ的随机变化的相关性,因此pvϕtϕrτ)=pvpϕtϕrτ),其中v代表多普勒频移ϕtϕr分别代表DoD和DoA,而τ代表延迟。也假设相应的时间和空间谱相关性可以描述为一个产品。通过采用白噪声产生多普勒特性和由此造成的瞬时自相关,以过滤均匀频谱或者由Clarke提出的著名的衰落谱。空时谱自相关被赋予到高斯增益中用于在空间和频率上相分离的PLk,这种分离是通过它们作为多元正态随机矢量z的成员的表达来实现的,z=Ax+μ,其中x是零均值且单位变量的多元独立同正态分布,∑=HHH是一个协方差矩阵,通过频率和空间协方差矩阵(分别是∑F和∑S)的Krone-cker乘积进行估计,而μ是均值。∑F的一个估计是从经过傅里叶变换的一个衰减PDP得到的。矩阵∑S是作为类型Ⅳ随机变量的MLk TX和RX空间协方差矩阵的乘积获得的,该随机变量是根据在文献中记述的结果指定的。可以把依照多普勒等式变换的恒定幅度和相位的确定性成员加入到链路增益来仿真有着特定莱斯因子的莱斯衰落。仿真得出的结果CDF显示在引用的技术文献,表现了与预期模型分布的极好一致性。

Ferreira等人(见参考文献[FeMC01])记述了用于链路级仿真的一个宽带定向信道模型(Wideband Direction Channel Model,WDCM)的实现,以评估用于UMTS蜂窝中减轻MAI的技术的性能。虽然考虑的传播环境通过几何考虑有了强有力地定义,但是下列的理论传播模型会是一个统计的模型,只可以用于UMTS微蜂窝和宏蜂窝的仿真。空间传播环境包括随机导向IO组的一个均匀分布,这些IO的位置根据一个2D高斯PDF在一个水平面上均匀分布。每个IO分配了一个反射系数,且幅度从[0,1]均匀分布中选择,而相位从最小值和最大值由对应于一个特定MT速率的最大多普勒频移给出的均匀分布中选择,此速率在667μs的持续时间内仿真步骤倍乘。假设单相互影响和镜面反射。只有在每个MT-BS周围的CrR内的IO是活动的。多MT可以是活动的,且当移动经过传播环境时,通过它们接收和发射的信号相继地进行仿真。

一个称为Mascaraa的用于MIMO链路级仿真的软件包由Conrat和Pajusco在参考文献[CoPa03]中记述。在这个包里的主要调制依照一个特定的信道模型来仿真射线,产生一个信道脉冲响应,影响一个采用的产生的脉冲响应的信号卷积,且仿真移动性。

Mascaraa首先仿真了射线,每个有着特定的延迟来自TX阵列的DoD以及在RX阵列的DoA。使用Polar符号,且在一个RX天线的范围内通过下列矩阵来表现

式中,GθθGθϕGϕθGϕϕ是完全描述每个阵列的增益和极化性质的复杂的增益值。

使用一组有着常量幅度、极化以及延迟特性的射线,在一系列WSS间隔的每个建模信道,在这些间隔的每个里信道的动态方面通过只冲击射线的相位来建模。

这组射线可以通过4种不同方式中的一个产生。第一个是假设一个抽头延迟线性模型用于信道脉冲响应。则有大约50个射线在模型的每个抽头进行分配。分配的到达角度或者是按照Clark的模型在方位面上有一个均匀分布,或者在到达在3D的均匀角度来造成一个平面衰落频谱。在这一模型中,只有Gθθ是非零的,相关幅度由抽头延迟线性模型定义。BS处的射线方向没有定义,虽然基于参考文献[Paju98]中消息建议仰角和方位角可以分配用于MIMO仿真。

第二个方法是通过基于准确已知环境以及链路终端位置的基础下的射线追踪。第三个方法是使用基于几何的随机信道模型(Geometry-based Stochastic Channel Model,GSCM)用于定义射线源,比如IO的集群。最后,射线可以根据一个定向抽头延迟线性模型产生,在这一模型中,和每个抽头的衰落有关的多普勒频谱是和可以指定与BS或者MT的功率角度分布相关的。极化建模通过随机指定选定的值和每个射线相关的复杂信道增益来完成,对于所有对应特定抽头的射线,此增益既可以是不同的也可以是相同的。

对于MLk,在时刻k,第m个TX天线元和第n个RX天线元之间的脉冲响应hmnk)的近似值可以根据下列产生(www.daowen.com)

式中,978-7-111-35072-9-Chapter06-22.jpga是射线幅度,φn是在TX阵列的第m个天线元的空间相位偏移(对应于射线的相位中心),φm是在RX阵列的第n个元的空间相位偏移,x是MT在间隔的开始时位置的位移,α是从在MT的DoA和MT的轨道推导出来的;Ts是仿真时钟间隔而starti)是假设每个WSS间隔在仿真开始时的随机相位,Ts=1/Fs

函数gt)是整个带宽为Fs/2的升余弦滤波器的脉冲响应。本文记述了gt)的综合的细节考虑,射线延迟的准确性,信道脉冲响应大小最优化,以及幅度和延迟标准化。Mascaraa的脉冲响应产生过程需要的处理时间少于其他方法,在这些方法中抽头增益随着独立同分布复杂变量而产生。报告中在1.4GHz处理器的奔腾Ⅳ个人电脑上仿真一个2.2GHz的,移动速度为10m/s及信号带宽为5MHz的10min长传输场景需要的时间为4900s。

Morosi等人记述了软件实现和基于COST 259 WDCM(见参考文献[MAHS05b])的宏蜂窝和微蜂窝UMTS移动信道的仿真器的评估。仿真器使用的上行链路模型详细描述在参考文献[MTRF02]中。在确定地详述集群在感兴趣的无线环境中的位置后,使用一个统计的建模方法。BS接收到的信号建模成多个波的叠加,每个波都有着自己的DoA(φi)、传播距离(di)、平均功率Pi)、延迟(τi)、一相应的反射系数(αiejϕl)和来自MT的DoD(γi)。假设能量在对应通过集群的传播的离散时间延迟间隙到达BS,且从第n个集群接收到的信号表示如下:

式中,978-7-111-35072-9-Chapter06-24.jpg是在BS天线的指导矢量;Qcn是和第n个集群有关的抽头数量;PLW是第n个集群模型中的第j个抽头相关的路径损耗(包括阴影);PDPτj)是和第n个集群相关联的PDP在延迟j的功率;PAPl是在第n个集群第l个DoA的功率方位轮廓相关的因子;PEPl是在第n个集群第l个DoA的功率上升轮廓相关的因子;v是MT的速度;l是在延迟τj贡献给能量的IO的数量。

通过定义与BS(见参考文献[3GPP01])和类型Ⅳ(空间)变量相关的自相关矩阵

从第n个集群接收到的信号可以更简洁地写为

其中Sj选择为R=SSH,快速衰落通过引入978-7-111-35072-9-Chapter06-27.jpg,有着单位方差的独立复杂高斯实体的列矢量得以说明。因此,每个和特定天线成员接收到的信号有关联的集群内的每个抽头都经历了快速衰落过程,且自相关矩阵S源于BS的阵列几何,和延迟τj的能量的DoA,以及依照COST 259要求的相应PAPPEP中。

参考文献[HaRe04],[HaLe03]中记述了室内无线信道的建模的不同几何方式。不同于许多基于几何的信道模型,记述的模型不取决于IO的一个特定分布。取而代之的是,其显示可知和信道上变量相关联的基础统计参数,在只取决于环境的几何上是很稳健的。因此,为了估计这些参数,并不要求对环境的认识像例如对建立射线追踪仿真那样的准确。也可以看出,几何信道特性需要的关键参数是计划的无线系统将在其中运行的领域内的体积和表面区域。

基于前述的概念,发展了一个用于频率选择性空间变化的瑞利SISO室内无线信道的充分分析模型。其输入参数是载波频率、天线特性和路径损失指数,一个用于IO的平均反射系数,计划用于TX和RX终端的空间分布,它们距离彼此的最小距离,以及这两终端将处的领域的大小。记述的分析关系的输出是一个瞬时RMS延迟扩展的上限值和平均值以及描述大范围空间变化的对数正态分布的方差。这种变化的分布也提供了用于小范围空间变量的统计特性的足够信息。记述的模型通过比较分析结果和仿真结果以及在2~60GHz范围内频率的测量(见参考文献[HaLe03])来进行验证。

在转到考虑硬件衰落信道仿真器之前,应该注意Lienard和Degauque(见参考文献[LiDe04b])的研究工作,他们将一个有趣的调查研究引入到用于仿真和测试MIMO系统的搅拌混响模式会议室中(Modes Stirred Reverberation Chamber,MSRC)。这样的会议室有金属墙,且在它们的激发下,联合各种传播模型,使用一个天线可以产生大电磁区域。可以使用一个金属桨用于模式激发,这样对于每个桨的位置,有不同的模式持续。如果使用天线来捕捉传播通过会议室的能量,模式激发桨的每个位置导致RX和TX天线之间PLk的不同转移函数,包括所有传播模式的影响。通过已知会议室的Q,这种PLk的SNR可以得到调整。因此,通过激发,可以轻易地实现不同链路在事先确定的平均SNR下的仿真。然而,最开始为EMC测试发展的MSRC,会导致在会议室内电磁区域的均匀空间分布,这是在它们最初的应用下期望得到的特性,但是也禁止了实际MIMO场景的建立,在该场景里空间领域相关性通常在TX和RX天线是不同的。为了允许TX和RX天线的不同领域分布,可以使用两个MSRC,它们之间使用波导耦合。

参考文献[LiDe04b]报告的实验包括两个尺寸为2.24m×2.92m×2.0m的MSRC,通过尺寸为20cm×20cm的大型波导或者一个WR187波导进行耦合,其中WR187波导中TE01模式在一个从3.95~5.85GHz的操作带宽间激发。在实验开始前,会议室被刻画为有约17000的Q因子,且当宽带喇叭形天线用于发射和接收时,导致了一个有着在连续延迟间隔内宽范围功率起伏且平均功率斜度为15dB/ms的PDP。模型激发桨的100个不同位置的瞬时RMS延迟扩展的平均值确定为200ns。最初的测量标志也涉及到TX天线类型Ⅳ变量的空间相关性的估计,在一个会议室使用一个固定贴片天线而在另一个使用第二个贴片天线,以2mm每步进行移动。在每一步之后,对信道转移函数矩阵使用一个配置用于传输的网络分析仪,针对100个模型激发器的不同位置进行测量。结果相关函数从单位值到超过45mm距离约0.25呈几乎线性增长。在上述引用的文章中也记述了MIMO实验。

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