无线信道建模中IMT―A信道模型的优化方式

【摘要】本文主要介绍了TD-LTE无线信道建模中需要考虑的因素中关于如何优化IMT-A信道模型使其符合TD-LTE测试的需求。在目前TD-LTE信道建模的方法中，由于大多数模型都在简化条件下得出，并不能全面的反映TD-LTE信道的空时衰落特性。那么如何构建能够较为全面地反映TD-LTE信道特性的有效、低复杂度的TD-LTE信道模型显然成为了一个新问题。

IMT-Advanced 评估的传播模型将被用于候选技术的性能仿真，验证候选技术达到要求的性能指标。性能仿真需要完成物理层和MAC层的系统级和链路级仿真。除此而外，多用户仿真也需要完成。上述仿真需要在多种场景下完成。因此，有必要对传播模型进行简化，从而减少仿真所需要的时间。我们提出了一些对现有模型的简化方法。首先针对每个场景的模型包括两个主要部分：

路径损耗模型

产生信道冲激响应的模型。

主要简化的事信道冲击响应的模型。

信道冲激响应的产生基于一系列的参数：

时延信息（时延扩展的统计信息，例如时延扩展的概率分布）；

信道包络的多径衰落特性（例如多普勒谱，莱斯衰落或瑞利衰落），莱斯因子等；

AoA和AoD的分布（发射和接收端的角度扩展）；

XPR；

发射和接收端的天线阵列；

移动台移动速度；

阴影衰落；

物理结构，高度等。

上述各种参数使用包含一系列随机变量的解析式进行描述，某些随机变量之间是相关的。因此仿真过程中涉及到的随机变量数量较多，通过对信道模型进行了仿真，计算并评估了一些指标（各态历经容量，中断容量，特征值，分集指标）对信道的影响。

A时延扩展：

我们研究表明信噪比为0dB时，5%中断容量的相对误差低于2%。最小和最大相对误差分别为0.01% （D1 LOS）和1.53% （D1 NLOS）。结果表明中断容量对时延扩展的分布不敏感。然而，较大的均方根时延扩展值会降低信道的相干带宽，从而影响频率选择性。

B角度扩展，时延扩展和阴影衰落之间的互相关性：

测量结果表明，并非所有的LSP建都存在相关。因此，去除部分LSP间的相关性是可能的，例如，ASA和ASD，SF和ASA，SF和ASD等。为了研究去除相关性对信道模型的影响，我们去除所有LSP 间的相关性。信噪比为0dB 时，5%中断容量的相对误差低于1%。最小和最大相对误差分别为0.04% （B1 LOS 和D1 LOS） 和1.15% （D1 NLOS）。结果表明引入时延扩展，角度扩展和阴影衰落的相关性不会影响中断容量。尽管从信道建模的角度来看保留相关性是非常重要的，但是从简化评估仿真的角度来看去除相关性有助于降低仿真的复杂度。

C簇的数量：

信道模型仿真的计算复杂度可以分为三类：a）产生信道系数的复杂度；b）描述信道模型需要的变量数量；c）仿真的复杂度。其中b）和c）都正比于时延抽头数。因此，减少簇的数量可以有效降低计算复杂度。为此，需要研究减少簇的数量对信道模型的影响。这种简化基于某些簇的平均功率远低于最大簇平均功率的事实。考虑一个有N个簇的场景，第n个簇的平均功率为Pn（单位为dB）。对于一个给定的功率阈值Pth（单位为dB）， 如果该簇的功率低于阈值，则将该簇裁剪，减少的簇的数量是一个随机变量

其中I（A）是事件A的示性函数，即

将裁剪后簇的数量和裁剪前簇的数量的比定义为归一化计算时间（NCT），

当裁剪阈值Pth为=0dB时，只有最大功率的簇保留。此时NCT最小，Tnom（0）=1/N； 当Pth趋于无穷时，没有簇被裁减，因此NCT收敛到一。NCT表征了通过裁剪较低功率簇后能够获得的计算复杂度改善。对于所有的场景，仿真了106个drop。表明对在NLOS条件NCT收敛到1的速度比在LOS条件下快。这是由于两种条件在莱斯K因子上的差异造成的。若Pth=25dB，在LOS条件下计算量可以降低约10% 到 30%；若Pth=15dB，在NLOS条件下计算量甚至可以降低40%到50%。

裁剪簇的一个直接后果是引起均方根（RMS）时延扩展的偏差。对于一个给定的drop和给定的阈值Pth，分别用和表示裁剪前后的RMS 时延扩展。RMS 时延扩展的平均相对误差作为裁剪阈值的函数可以表示为

仿真表明阈值越大相对误差变得越小。特别地，当Pth= 25 dB时，对于“B1 LOS”和“C1 LOS”外的所有场景，都小于5%。

信噪比为0dB时，如果设置15dB的动态范围，5%中断容量的相对误差低于2%。最小和最大相对误差分别为0.08% （D1 LOS）和1.69% （C1 LOS）。结果表明功率较低的簇不会影响中断容量。

D XPR的值：

研究表明信噪比为0dB时，5%中断容量的相对误差低于1%。最小和最大相对误差分别为0.05% （C1 NLOS）和1.01% （A2 NLOS）。结果表明XPR的改变几乎不会影响中断容量。

总之，信噪比为0dB时，5%中断容量的相对误差低于2%。最小和最大相对误差分别为0.11% （C1 NLOS） 和1.65% （C2 NLOS）。该结果是在固定时延扩展，固定XPR 值，限制簇平均功率动态范围，去除时延扩展，角度扩展，阴影衰落相关性的条件下得到的。结果表明溢出概率对这些修改都不敏感。基于上面的说明，建议考虑对IMT-A模型进行如下几方面的优化：

将时延扩展设置为一个确定性参数，并将其值固定为各场景的时延扩展的均值；

去除角度扩展，时延扩展和阴影衰落之间的相关性（小于0.3设置为0）；

当某簇的平均功率低于-25dB时删除该簇；

XPR固定为均值。

参考文献

[1]潘德胜.硕士学位论文：基于相关矩阵的MIMO信道的建模与仿真.南京邮电大学，2010.

[2]鲍欣欣.硕士学位论文：MIMO无线信道建模与仿真研究.西安电子科技大学，2009.

[3]肖海林.博士学位论文.新一代无线通信系统中的MIMO信道建模与信道估计，电子科技大学，2009.

[4]张华炜.硕士学位论文.无线MIMO信道建模与信道容量研究，西安电子科技大学，2009.

[5]周炯等.通信原理.第三版.北京邮电大学出版社，2011.

[6]伊莱比特.无线信道仿真仪使用手册，2012.