IMT-Advanced信道建模探討

李志欣

（華信郵電咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引言

第三代移動通信系統的廣泛部署，極大的豐富了人們對于無線網絡的應用，但隨著智能終端的普及和高速數據業務的發展，用戶對于無線系統傳輸速率、系統容量和網絡性能的要求越來越高[1]。第三代移動通信網絡已逐漸顯露出其局限性，移動通信技術的發展仍將繼續。

IMT-Advanced是IMT-2000的后續演進系統[2]，能夠提供廣泛的電信業務：由移動和固定網絡支持的日益增加的基于包傳輸的先進的移動業務。支持從低到高的移動性的應用和很寬范圍的數據速率，滿足多種用戶環境下用戶和業務的需求。為了推進IMT-Advanced系統的技術研究，ITU提出了相關測試環境和評估場景。

1 測試環境與評估場景

對于IMT-Advanced的性能評估，包括4種測試環境：市區覆蓋測試環境，微小區測試環境，室內測試環境和高速移動測試環境[3]，每種測試環境下又細分為若干個場景。

1.1 室內熱點場景[4]

室內熱點場景為一層建筑。層高6 m，兩側是16個長、寬各15 m的開放式房間， 中間是長120 m和寬20 m的大廳，基站的位置在走廊正中的30 m和90 m位置，如圖1所示。

圖1 室內熱點場景拓撲結構

室內熱點是不同于以往任何信道模型的、新的應用場景。寬帶移動通信業務統計顯示，未來 80%～90%的業務量將發生在室內熱點場景下，因此IMT-Advanced 將重點進行室內場景的優化。

1.2 市區微小區場景

這類場景中，基站和終端天線高度均假設低于周邊建筑物高度。所有天線均處在曼哈頓式街道的網格中。所有基站和終端之間為視距傳輸的街道為主街道（不考慮視距被大型車輛阻礙這種情況），與主街道交叉的街道稱為垂直街道，與主街道平行的街道稱為水平街道，小區形狀由周圍建筑物決定。該場景包括視距和非視距2種場景，非視距傳播發生在拐角處，建筑物之間，或者從拐角到建筑物等情況。

微小區測試環境包括室外和室外向室內2種情況，后一種情況用戶位于室內，基站位于室外。因此微小區測試環境信道模型包括兩部分：室外部分和室外向室內部分。

1.3 市區宏小區場景

這類場景中，終端都被假定在街道上，且基站高度明顯高于周圍建筑物，普遍存在非視距傳輸。街道可以設置成為曼哈頓式網格形狀，或不規則形狀均可。建筑物高度一般高于4層，該場景中假設城市建筑物的高度或密度看成基本一致，分布均勻。網絡的拓撲結構采用的是傳統的3扇區6邊形蜂窩小區，如圖2所示[5]。

圖2 傳統的3扇區6邊形拓撲結構

1.4 農村宏小區場景

這類場景中，建筑物密度比較小，無線傳播的區域非常大（半徑可達10 km），基站天線高度通常在20～70 m之間，遠遠高于周邊建筑物的平均高度，非視距傳輸情況發生的概率較大。若終端位于建筑物或車內時，存在穿透損耗，根據實際測量的經驗值，可以把穿透損耗值建模成一個常數（與頻率相關）。終端的移動速度一般為0～350 km/h。

1.5 郊區宏小區場景（可選場景）

這類場景中，移動臺均位于室外，基站高度遠高于屋頂，支持較大的區域覆蓋。周邊建筑物普遍較低（1-2層），街道不同于城市非常規則的網格狀，室外環境比較空闊，植被適度。

2 系統級信道模型

用于 IMT-Advanced 系統級性能評估的信道建模方法的每個場景由一系列參數描述，包括：路徑損耗模型，角度功率譜和功率時延譜的形狀，簇線性延時（CDL，Clustered Delay Line）抽頭數，互極化隔離度，時延擴展、離開角角度擴展、到達角角度擴展、陰影衰落和萊斯K-因子（僅適用于視距傳播條件）。其中時延擴展、離開角角度擴展、到達角角度擴展、陰影衰落和萊斯K-因子5個參數建模成五維聯合隨機向量，稱為大尺度參數，分別由各自的均值、方差和互相關系數確定。整個場景由若干個大尺度參數的實現共同構成，每一個大尺度參數的實現成為一跳（drop）。在一個drop內根據鏈路級CDL模型產生小尺度衰落。

2.1 大尺度衰落

大尺度衰落包含 2類信道特性，即路徑損耗和陰影衰落[6]，且一般由實際的信道測量得到。IMT-Advanced 路徑損耗模型分成2個部分，即視距模型和非視距模型，有的還可以分成 3個（如市區微小區）。在視距路損模型中，一般還會定義拐點，在拐點前和后，路損和陰影的值是不一樣的。

2.2 小尺度衰落

IMT-Advanced 模型的小尺度衰落建模方法先定義各場景下的時延擴展和角度擴展等各參數，以及參數之間的相關性，再通過基于幾何的建模方法，產生信道系數。

2.3 生成信道系數

IMT-Advanced信道模型的實現過程[7]：首先選擇場景、網絡的拓撲結構（包括基站和終端的位置，相對于參考方向的角度等）、天線的方向圖等，然后基于選擇的參數產生大尺度和小尺度參數，最后產生信道的沖擊響應。

表1 各場景主要參數

3 簡化模型

CDL模型是一般模型的簡化模型[8]，每個簇包含20條子徑，子徑偏移量和功率都是固定的。若某個簇存在主導功率徑，則該簇中包含20+1條子徑，這條主導徑頻偏角為零，出發和到達子徑隨機進行合并。CDL模型固定了時延和角度擴展等參數，簡化了參數和模型復雜度，不能用于候選技術評估，只能用于模型校準和仿真。主要參數如表 1[3]所示，包括路徑數、子徑數、角度參數、直射徑與散射徑功率比、中心頻率、移動臺移動速度。

4 結語

IMT-Advanced信道模型對于4種評估場景下，分別定義了視距和非視距模式，共有8種測試場景。與以往的信道模型相比更加符合實際傳播環境，更加有利于對不同應用場景下系統性能的對比分析。同時，在新一代寬帶移動通信系統中，更加細化的應用場景將得到充分支持。

[1]陳曉敏,朱江. 一種新的 MIMO無線信道建模方法[J]. 通信技術,2007,40（12）:24-25.

[2]謝顯中,雷維嘉. IMT-Advanced標準發展分析[J]. 研究與開發,2010（01）：33-39.

[3]ITU-R M.2135-2008.Guidelines for Evaluation of Radio Interface Tech Nologies for IMT-Advanced[S].

[4]劉光毅,董偉輝,張建華. IMT-Advanced 評估場景及信道模型[J].電信網技術,2009（12）：5-13.

[5]ITU-R M.2134-2008.Requirements Related to Technical Performance for IMT——Advanced Radio Interface[S].

[6]張華安,向宏平,朱禮儀. 移動通信中信道模型的研究及進展[J].通信技術,2002（07）：29-32.

[7]張祖凡,張紅兵. IMT-Advanced系統中的 MIMO技術性能評估[J].重慶郵電大學學報,2010,22（02）：141-142.

[8]沈嘉,索士強,全海洋,等. 3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計[M]. 北京：人民郵電出版社,2008：158-159.