第3章
大规模天线无线信道建模
3.5 天线模型
| 3.6 大尺度信道建模 |
大尺度信道模型对于预测距发射端一定距离处接收端的场强变化具有重 要的参考作用。信道的大尺度衰落一般表现为路径损耗、穿透损耗和阴影衰落。 在*空间中，路径损耗仅与传输信号的载波频率、传输距离以及收发天线的 增益相关。而在实际的无线信道环境中，由于环境散射体对无线信号的反射、 绕射以及散射作用，其路径损耗模型会有所不同。本节将介绍 3D 信道模型中 不同传输场景的大尺度衰落模型，包括路损计算、穿透损耗、直射径概率、阴 影衰落等。
3.6.1 3D 距离的定义
3D 信道模型中，不同信道参数的距离相关性各不相同：
① 采用 3D 距离计算的参数：有些参数，如路损，同时与水平距离和垂直 距离相关，需要使用 3D 距离计算；
② 采用 2D 距离计算的参数：有些参数，如 UMi 场景下室外用户的 LOS 概率，只与水平距离相关，需要使用 2D 距离计算。
本小节介绍 3D 信道模型中 UE 距离的定义，包括 2D 距离、3D 距离，以 及 2D/3D 距离中室内/室外距离的定义。具体如图 3.11 和图 3.12 所示。
图 3.11 和图 3.12 中，hBS表示基站高度，hUT表示 UE 高度。3D 信道模型 中 UE 与基站间各距离参数定义为：
① 对于室外用户
a．2D 距离为 UE 到基站的水平距离，用 d2D表示；
b．3D 距离为 UE 到基站的实际距离，用 d3D表示，根据式（3-25） 计算。
② 对于室内用户
a．2D 室外距离为 UE 到基站的水平室外距离，用 d2D-out表示；
b．2D 室内距离为 UE 到基站的水平室内距离，用 d2D-in表示；
c．3D 室外距离为 UE 到基站的实际室外距离，用 d3D-out表示，根据式（3-26） 计算。
d．3D室内距离为UE到基站的实际室内距离， 用 d3D-in表示，根据式 （3-27） 计算。
综上所述，当 UE 与基站的高度（hBS、hUT）及相对位置（d2D、d2D-out、d2D-in） 已知时，根据以上距离公式可以计算出其他距离参数（d3D-out、d3D-in、d3D）。 进一步地，这些距离参数可以用于计算 UE 与基站间无线信道的大尺度参数及 小尺度参数。
3.6.2 LOS 概率的定义
在无线蜂窝系统中，尤其是在城区场景中，当 UE 与基站距离较近且没有 建筑物遮挡时，UE 与基站间的传播路径中可能包含直接视距路径（也称为直 射径，LOS）；而其他传播路径由于经过建筑物的绕射及反射损耗，定义为非 直射（NLOS）路径。图 3.13 和图 3.14 分别给出了 UMi 场景和 UMa 场景下 LOS/NLOS 路径示意图。
由图 3.13 和图 3.14 可知，有些 UE 与基站间可能没有 LOS 路径，只存在 NLOS 路径。在信道建模过程中，通常使用 LOS 概率来建模 UE 与基站间传播 路径中是否包含 LOS 路径。LOS 概率为一个统计参数，表示 UE 与基站间存在 LOS 路径的概率，与 UE 到基站的距离和场景有关。
本节介绍 3D 信道模型中用户 LOS 概率的定义。观察图 3.13 和图 3.14 可知， 在 UMi 场景中，由于基站低于周围建筑物，只有当 UE 与基站之间没有阻碍物时 才存在 LOS 路径，也只有基站周围建筑中的 UE 才存在 LOS 路径，如图 3.13 所 示，基站周围的建筑（楼 1）中的 UE 传输路径包括 LOS 径，而与基站之间相隔 了一座建筑的楼 2 中的 UE 传输路径则只有 NLOS 路径。相反的，在 UMa 场景中 基站高于周围建筑物，距离基站较远的高层用户的空间多径也有可能包括 LOS 路 径[33-34]，如图 3.14 所示，虽然楼 2 与基站之间有建筑阻碍，但由于基站高于建筑 物，导致楼 2 中只有底层用户受到遮挡，而高层用户与基站间没有阻碍物，这部 分用户的空间多径中可能包括 LOS 路径。所以，UMa 场景的 LOS 概率既要考虑 基站周围的 LOS 路径用户，又要考虑距离基站较远的高层 LOS 路径用户。
3D 信道模型的 LOS 概率公式是在 ITU 信道基础上拓展得到的。由于 ITU 信道 中 LOS 概率考虑的场景与 UMi 场景相同，只对“基站低于周围建筑”的场景建模， 所以 3D 信道模型中 UMi 场景的 LOS 概率公式沿用 ITU 信道中 LOS 概率公式的定 义。又由于 UMa 场景中需要考虑高层用户的 LOS 概率，所以 UMa 场景的 LOS 概 率公式需要在 ITU 信道 LOS 概率公式的基础上添加与 UE 高度相关的高度因子。
具体分析 UMa 场景中 LOS 路径用户和 NLOS 路径用户的分布情况，如图 3.15 所示，将 LOS 路径用户分为类型 1 和类型 2 两类，类型 1 LOS 用户表示基 站周围建筑中的用户，类型 2 LOS 用户表示距离较远的高层用户。由于 ITU 信 道的 LOS 概率公式仅建模了类型 1 LOS 用户，3D 信道中需要对类型 2 LOS 用户 进行建模并添加到 LOS 概率公式中。根据前文分析可知，类型 2 LOS 用户的 LOS 概率与 UE 高度相关，假设用 C(d,hUT)表示类型 2 LOS 用户与类型 1 LOS 用户的 LOS 概率之比，得到 UMa 场景 LOS 概率公式，如式（3-28）所示。
根据射线跟踪（Ray-tracing）的仿真结果，UMa 和 UMi 场景下 LOS 概率 与 UE 距离、UE 高度的关系如图 3.16 所示[33]。图中不同深浅的曲线代表不同 高度的 UE，深色曲线为 ITU 信道 LOS 概率曲线。
由图 3.16 可知：
① 在 UMa 场景下，LOS 概率与 UE 的高度和距离均相关，且高度较高的 UE 在距离较大时与 ITU 信道规定的 LOS 概率相差较大，需要对 ITU 信道的 LOS 概率公式进行修正，在公式中添加 UE 高度相关性。
② 在 UMi 场景下，不同高度 UE 的 LOS 概率曲线走势相同，说明 UMi 场景下 LOS 概率与 UE 高度无关，且其他曲线与 ITU 信道曲线重合，也说明 UMi 场景下 LOS 概率公式可沿用 ITU 信道的计算公式。
以上仿真结果与前文分析的结论一致。根据上述结论，在 ITU 信道基础上 拓展得到 3D 信道模型的 LOS 概率公式如表 3.3 所示。
表 3.3 说明如下：
① UMi 场景的计算公式沿用 ITU 信道的公式；
② UMa 场景的计算公式在 ITU 信道的基础上根据实测和仿真数据做了修 正，增加了 UE 高度相关性因子［1+C(d2D，hUT)］，对于距离大于 18m、高度 在[13m，23m]范围内的用户增加 LOS 概率；
③ 在 UMi 场景和 UMa 场景中，室外用户与室内用户使用同样的 LOS 概率公式，室内用户的用户距离使用 2D 室外距离。