第2章 大规模天线理论
第 3 章
大规模天线无线信道建模
本章主要对大规模天线无线信道建模进行分析和介绍。大规模天 线波束赋形技术对于未来低频段和高频段无线移动通信系统都 是不可或缺的关键技术，用于高层楼宇覆盖、室外宏覆盖、热点覆盖 和无线回传等场景，起到提升频谱效率、扩展覆盖等作用。对这些场 景进行抽象概括，得到了信道建模的场景，分别为 UMa（Urban Macro）、 UMi（Urban Micro）、RMa（Rural Macro）和 Indoor Office 场景。本章重点探讨了引入垂直维度后的三维信道建模，包括大尺度建模和小 尺度建模，并在最后给出了信道建模的完整流程。
| 3.1 概 述 |
多天线技术作为4G和 5G 系统物理层的基本构成之一，主要可以分为空间复用、传输分集和波束赋形 3 种方式。它可以充分利用空间特性，通过在发送 端和接收端使用多根天线进行数据的发送和接收，对于提高数据传输的峰值速率、扩展覆盖、抑制干扰、增加系统容量、提升系统吞吐量都发挥着重要作用。
传统的 MIMO 传输方案受限于传统的基站（BS，Base Station）天线架构， 一般只能在一个维度内（通常是水平维度）实现对信号空间分布特性的控制， 无法充分利用空间信道中垂直维度的*度，未能充分挖掘出 MIMO 技术对于 改善移动通信系统整体效率与性能及最终用户体验的潜能。天线设计架构的演 进以及有源天线技术的实用化发展，直接推动着多天线技术向着更高维度发展， 为进一步提升系统性能提供了更多可能。
为满足 5G 对高速数据传输率和大容量的需求，需要寻找更大传输带宽的 频谱资源和研究高频谱效率的传输技术。高频段是潜在提供更大传输带宽的频 谱资源，最大传输带宽可达到 1GHz 以上。高频段的信号传播有区别于现有的 蜂窝传输频段（主要在 6GHz 以下）的特点。
（1）波长短，适用于大规模天线波束赋形技术。高频段的波长较短，如 30GHz 的频段，其波长为 10mm。波长短使得天线的尺寸变小，从而在有限的天线面 积内可排列更多的天线。以 30GHz 频段为例，当天线间距为 0.5 波长时，具 有 8×8 矩阵 64 根天线的天线面积为 4cm×4cm，与传统的天线相比，尺寸变 得较小。因此，在高频段通信中通常在发送端和接收端都使用大规模的天线阵 列来提升性能。
（2）衰落大、覆盖小，自适应波束赋形技术是关键技术。高频段由于频段 高、波长短，其在视距环境（LOS）和非视距环境（NLOS ）下都存在信号衰 减大的问题。对于 LOS 环境，由于更高的频率和更大的大气损耗等，在相同的 发射功率时，通常要比低频段的衰减大 20dB 以上。对于 NLOS 环境，由于高 频段的波长短，其反射和散射性能要比低频段性能更差，相对于低频段的 NLOS 信号，信号衰减更大。为了满足蜂窝系统的覆盖需求，提升信号传输距离，在 发送和接收端都需要采用自适应波束赋形技术，通过大规模天线阵列提供的波 束赋形增益提升高频段信号的传输质量和覆盖距离。
未来无线移动通信系统，无论是工作在 6GHz 以下的传统蜂窝网络频段， 还是工作在 6～100GHz 的高频段，基于大规模天线阵列的多天线技术都是不可 或缺的关键技术。本章主要探讨对移动通信系统中的大规模天线波束赋形技术 进行验证、优化和设计所需的无线信道建模。本章 3.2 节和 3.3 节介绍大规模 天线技术的部署场景以及信道建模场景，作为信道建模的基础；3.4 节和 3.5 节 介绍坐标系模型和天线模型；3.6 节和 3.7 节分别讨论大尺度和小尺度信道建模 的方法以及相关参数；3.8 节介绍信道建模的完整流程。