第3章
大规模天线无线信道建模
| 3.6 大尺度信道建模 |
| 3.7 小尺度信道建模 |
小尺度衰落是指无线电信号在短时间或短距离（若干波长）传播后其幅度、 相位或多径时延的快速变化。这种衰落是由于同一传输信号沿不同的路径传播， 由不同时刻（或相位）到达接收机的信号互相叠加所引起的，这些不同路径到 达的信号称为多径信号，接收机的信号强度取决于多径信号的强度、相对到达 时延以及传输信号的带宽。小尺度信道建模主要考虑时间色散参数、频率色散 参数以及空间色散参数的建模。本节主要讨论对大规模天线传输性能有直接影 响的角度色散参数的建模。
3.7.1 垂直角度参数模型
由于 3D 波束赋形及大规模天线波束赋形技术需要综合考虑三维空间内的 信道空间特性，尤其是评估 UE 专属赋形方案或垂直维度扇区化方案需要建模 垂直维度信道，所以 3D 信道建模的一个重点在于将考虑水平维度信道的 2D 信 道扩展为同时包括水平维度和垂直维度信道分布的 3D 信道，增加建模用户的 垂直分布和垂直角度分布。3D 信道模型中水平角度沿用 ITU 信道中的定义， 垂直角度是借鉴了 ITU 信道中水平角度的生成过程、WINNER+信道中垂直角 度参数的定义、并根据业界各公司在 3D 信道场景下的实测数据综合得到的。 本节讨论与垂直角度相关的参数模型。
首先介绍水平角度和垂直角度的定义，如图 3.17 所示，假设水平面为 XOY 平 面，垂直方向为 z 轴方向，则水平角度定义为空间多径方向在 XOY 平面上的投影 与 x 轴正方向的夹角，垂直角度定义为空间多径方向与坐标系 z 轴正方向的夹角。 在图 3.17 中，若 raym,n为空间多径的方向，则对应的水平角度为 ϕ ，垂直角度为 θ 。
3D 信道模型中，一条传输路径对应 4 个角度，包括水平发射角、水平到达角、垂直发射角、垂直到达角，具体定义如下：
• 水平发射角（AOD，Azimuth of Departure）：空间信道多径与发射端水 平方向的夹角；
• 水平到达角（AOA，Azimuth of Arrival）：空间信道多径与接收端水平 方向的夹角；
• 垂直发射角（ZOD，Zenith of Departure）：空间信道多径与发射端垂直 方向的夹角；
• 垂直到达角（ZOA，Zenith of Arrival）：空间信道多径与接收端垂直方 向的夹角。
图 3.18 直观地表示了 UMa 和 UMi 场景中传输路径的垂直角度的定义。
本节介绍 3D 信道模型中垂直角度的定义以及由于引入垂直角度而需要改 动的信道参数，包括垂直角度的多径分量统计互相关矩阵、垂直角度扩展参数 的定义以及垂直角度的生成过程。
此外，关于垂直角度的定义，有一点需要提醒读者注意：除了上面提到的使 用 ZOD/ZOA 定义垂直角度外，还有一种垂直角度的定义方法：使用 EOD/EOA （Elevation of Departure/ Elevation of Arrival）定义。两种定义都可以表示垂直角 度，区别在于参考坐标不同，ZOD/ZOA 表示 z 轴正方向到多径方向的夹角，而 EOD/EOA 表示水平面到多径方向的夹角，如图 3.19 所示的 θ 参数。
介绍 EOD/EOA 定义的原因在于，在制定 3D 信道模型的初期，涉及垂直角度的定义一般是使用 EOD/EOA 的定义方法，后期因为提出了坐标系以及坐标系间转 换的概念，为了统一信道模型中角度的表示方法，将使用 EOD/EOA 定义的垂直角 度改变为使用 ZOD/ZOA 定义的垂直角度。本书中统一使用 ZOD/ZOA 定义的垂直 角度，但参考文献多是使用 EOD/EOA 定义的垂直角度，需要留意两者的区别。
3.7.2 多径分量统计互相关矩阵的定义
在采用基于几何的随机信道建模方法（GBSM，Geometry Based Stochastic Modeling）对 3D 信道进行建模的过程中，需要利用射线跟踪的方法对仿真场景 内的所有散射多径分量的特性进行统计建模，从而计算出信道的冲激响应。用 于描述多径分量的统计特性的参数包括时延扩展参数（DS， Delay Spread）、 LOS 增益参数（K 因子）、阴影衰落参数（SF，Shadow Fading）及角度扩展参 数（AS，Angular Spread）4 组参数。多径分量统计互相关矩阵是由以上每两个 参数互相关系数所组成的矩阵，若描述信道的多径分量需 N 个参数，则多径分 量统计互相关矩阵为 N×N 的对称正定矩阵。
多径分量统计互相关矩阵具有以下性质：
•相关矩阵是正定矩阵；
• 相关矩阵对角线上元素为 1。
在 2D 信道建模中，角度扩展参数仅包括水平维两个扩展参数（ASD/ASA， Azimuth Spread of Departure Angle/ Azimuth Spread of Arrival Angle），即 2D 信 道*有 5 个参数（DS/ASD/ASA/K/SF），互相关矩阵为 5×5 的正定矩阵，如 图 3.20（a）所示。由于 3D 信道对垂直维角度进行建模，所以信道的角度扩展 参数除了水平角度扩展参数外，还应包括垂直维角度 ZOD/ZOA 的角度扩展参数 ZSD/ZSA，即 3D 信道需 7 个参数（DS/ASD/ASA/K/SF/ZSD/ZSA）来描述多径 分量的统计特性。多径分量统计互相关矩阵为 7×7 的正定对称矩阵，如图 3.20 （b）所示。矩阵中 7 个参数的顺序是不固定的，可以是任意顺序；矩阵中 ρ DS-ZSD 和 ρ ZSD-DS意义相同，均表示参数 DS 与 ZSD 的互相关系数，其他参数意义以此 类推；矩阵中对角线上的 1 表示同一个参数的自相关系数为 1。
3D信道的多径分量统计互相关矩阵是在WINNER+信道模型中2D信道互相 关矩阵的基础上扩展得到的。对于图 3.20（b）中互相关系数的定义，根据实测 数据以及 Ray-tracing 仿真结果，出现了不同的互相关矩阵方案。由于互相关矩 阵由实测数据经过统计得到，没有理论依据可以判断哪个方案更接近实际 3D 信 道，所以 3GPP 在 WINNER+信道模型的基础上，综合各公司的实测结果[37]，进 行正定性修正后得到了终版本 3D 信道的多径分量统计互相关矩阵，如表 3.9所示，表中数据摘自 TR36.873 和 TR38.901[41]。代表每两个多径分量统计参数的 互相关系数，可按照图 3.20（b）的顺序构成互相关矩阵。在 UMi、UMa 和 RMa 场景下，互相关系数是按照 LOS、NLOS 和 O2I 三种情况分开定义的。