基于IEEE802.20信道模型的仿真分析

田 怡

（武漢工程大學 電氣信息學院，湖北 武漢 430073）

0 引言

IEEE802.20作為第四代移動通信標準的協議提案之一，MIMO為其物理層核心技術，因此，基于IEEE802.20的信道模型是基于MIMO信道的建模過程，對MIMO無線衰落信道模型的研究是進行MIMO信道容量研究、評估各種空時信號處理算法的首要問題。對MIMO信道進行建模離不開對無線信道衰落特性的分析，只有在充分理解了無線信道的各種衰落特性之后，才能更進一步，找到用于描述MIMO衰落信道的合適的數學模型。

1 基于IEEE802.20的信道模型

現用散射模型來描述信道特性。散射模型假定了散射物的特定統計分布，利用這種特定統計分布，通過仿真散射物間的相互作用平面波的方向產生信道模型。該模型需要大量參數。IEEE802.20的物理信道采用MIMO+OFDM的信道模式，從分析基站和移動臺的空間參數入手，從而建立從基站到移動臺的下行鏈路仿真模型。

移動臺的接收信號由發送信號的N個多徑時延副本疊加而成。由功率，時延，角度參數定義，多徑由信道PDP(Power Delay Profile)定義，隨機選擇信道產生程序。每一徑由M個子徑組成，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天線側射方向的夾角，θMS為直視徑與MS天線側射方向的夾角，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 δn,AOD的角度偏移，?n,m,AOA為第n條主徑的m條子徑相對 δn,AOA的角度偏移，θn,m,AOD為第n條主徑的m條子徑的絕對離開角，θn,m,AOA為第n的條主徑的m條子徑的絕對到達角，φm,n為第n條主徑第m條子徑的相位，注意：角測量順時針方向，假設為負值。

圖1 IEEE8020.20的信道模型－基站和移動臺的角度參數信道模型

2 仿真的處理流程

根據MIMO信道結構，在計算機上仿真MIMO信道模型。在初始階段，首先需要對所仿真的MIMO無線信道的仿真環境進行選擇。隨后選擇發射端和接收端的天線陣列結構。再輸入相應的信道參數，包括多普勒功率譜、PAS、AOA、AOD、AS等，根據通信的方向(上行或下行)分別計算MIMO信道收發兩端的空間相關矩陣，并得到MIMO信道矩陣，再根據參數值進行設定。最后，由上面的計算結果，得到MIMO信道矩陣h[1]，下面將具體講解這些參數值的設置。

3 基于IEEE802.20的信道模型的參數設置

3.1 MIMO信道環境

對于系統級仿真，快速衰落導致每路徑將演變的時間，雖然大部分參數包括角度傳播，傳播延遲，對數正態陰影衰落，移動臺的位置都保持不變。下面的做系統級模型的一般假設[2]：

① 對于上行鏈路和下行鏈路到達角 AOA/離開角 AOD的值是一致的；

② 對于FDD系統，上下行鏈路間的子路徑隨機相位是不相關的；

③ 為了簡化模型，假設不同移動臺間的陰影衰落不相關；

④ 角度擴展AS、時延擴展DS、陰影衰落因子SF，是根據信道環境而定的相關參數。子路徑的相位在扇區間是隨機的。

⑤ 空間信道模型適用于不同的天線配置；

⑥ 總發送功率一樣，不論是單天線情況的發送功率還是多天線情況；

⑦ 信道系統的產生假設線性陣列，也能用于其他天線配置，可根據需要修改；

⑧ 宏小區路徑損耗使用基于修改的COST231-Hata[3]傳播模型；

⑨ 微小區路徑損耗使用COST231-WI[4]城市傳播模型。

根據文獻[3]角度偏移表格所示的數值，選定產生的標準偏差為2°、5°、35°。他們等于單徑功率對子徑角度擴展功率的加權值。在參數設置過程中，不特別說明，均以城市宏小區為例。

① 宏小區路徑損耗是根據修改后的COST231Hata市區傳播模型[5]：

PL單位為dB,hbs為基站天線高度單位是米， hms為移動臺天線高度單位是米， fc為載波頻率單位是兆赫，d為基站和移動臺之間的距離單位是米，C為一個常數因子(C=0 dB對應郊區宏小區和C=3 dB對應于城市宏小區）設置這些參數為hbs=32 m,hms=1.5 m,fc=1900 MHz，路徑損耗和城市及郊區的宏小區環境，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 站點到站點的SF相關；

④ 假定布局為六扇區結構。

3.2 SCM(Spatial Channel Model)參數的產生

（1）宏小區信道參數產生[7]

對于給定的情景和一組參數，實現對每個信道道模型的參數，如多徑時延，功率，以及這部分用程序產生的子徑AOD和AOA，城市和郊區宏小區環境的模型參數。

（2）產生SCM(Spatial Channel Model)系數[8]

根據前文所給出的參數，來產生相應的信道系數，對于S個元素的基站陣列和U個元素的天線陣列，信道系數是對于振幅為U×S矩陣的N條路徑。

Pn為每條路徑的隨機平均功率；σSF為對數正態陰影衰落,適用于大量參數到 N路徑某一下降；M為單徑包含的子徑數目； 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)為每個基站陣列的天線增益； GMS( θn,m,AoA)為每個移動臺陣列的天線增益；J的平方根為-1；K為載波數量； ds為基站天線陣列距離，s為第s個天線，參考天線s=1,d1=0； du為移動臺天線陣列距離，s為第s個天線，參考天線s=1,d1=0；Φn,m為m徑第n子徑相位；v為移動臺速度矢量；θv為移動臺角度速度矢量。

3.3 IEEE802.20的信道建模仿真結果和性能分析

根據以上闡述的信道仿真方法，設定基站端PAS為拉普拉斯分布，AS為10°，AOD為20°；移動臺端PAS為拉普拉斯分布，AS為30°，AOA為67.5°。并設定載頻為2.15 GHz，移動臺的速度為120 km/h。小區選取典型的城市宏小區。發射天線和接收天線均為1的情況下，運用Matlab編寫仿真程序，得到頻域的仿真結果，并進行歸一化處理。得到的多普勒曲線和理論分析基本一致，如圖2所示。同樣，分析時域的仿真結果，得到信道的時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信道的時域衰落特性曲線

從上面的仿真結果可以看出，仿真得到的頻域和時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取地描述 IEEE802.20的信道特性。

4 結語

本章在得到的 IEEE802.20的信道模型基礎上，進行了具體的參數設置，依據圖1的仿真流程，得到了相應的MIMO信道矩陣，并運用Matlab軟件進行了仿真分析，從仿真結果可以看出，仿真得到的頻域和時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標準分析[J].通信技術,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.寬帶無線接入技術IEEE802.20介紹[J].通信技術,2007,40(11)：161-163.

[7] 董楠,張盛.對IEEE 802.16e OFDMA下行鏈路信道估計方法的仿真研究[J].通信技術,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.