基于面阵的三维空间信道模型

孟庆民 刘传顺 王磊 郑宝玉

(1.南京邮电大学信号处理与传输研究院,南京 210003; 2.东南大学 移动通信国家重点实验室,南京210096)



基于面阵的三维空间信道模型

孟庆民1,2刘传顺1王磊1,2郑宝玉1

(1.南京邮电大学信号处理与传输研究院,南京 210003; 2.东南大学 移动通信国家重点实验室,南京210096)

5G宽带无线系统需要满足极高频谱效率性能需求,全维多输入多输出 (Full-dimension Multiple Input Multiple Output, FD-MIMO) 传输技术已成为该系统的潜在的物理层技术之一．3GPP 25.996技术规范涉及了二维(Two-Dimensional, 2D)双极化空间信道模型(Spatial Channel Model, SCM),它主要考虑了MIMO系统水平维度的方位角度功率谱,未考虑垂直维度的仰角功率谱．基于几何统计的2D SCM模型和极化MIMO信道模型,研究了基站端采用均匀面阵的三维空间信道模型(Three-Dimensional SCM, 3D SCM),该信道模型将便于评估FD-MIMO设计的性能．基于计算机模拟,在含有直达径和反射分量的传播环境下,对比了线阵和面阵配置,研究了角度扩展和交叉极化鉴别率对互信息的影响．最后,研究了基站下倾角对小区覆盖的影响．

全维MIMO;双极化;3D SCM;面阵;互信息

引 言

近年来,三维空间信道模型(Three-Dimensional Spatial Channel Model, 3D SCM)和双极化空间信道模型(Dual Polarization SCM)正引起学术界和工业界的关注[1],Nam Young-Han基于3D SCM研究了下一代蜂窝系统中“全维多输入多输出传输技术(Full-dimension Multiple Input Multiple Output, FD-MIMO)”[2],即一种大规模MIMO技术．基站端采用双极化天线阵列可以减少一半空间,使用均匀面阵(Uniform Planar Array, UPA)可以进一步节省天线的排列空间,这将便于大规模MIMO的配置;而均匀线阵(Uniform Linear Array, ULA)需要占用更大尺寸的水平空间．目前,许多文献已经研究了采用极化天线阵列的二维空间信道模型(Two-Dimensional SCM, 2D SCM)和3D SCM[1-3]．3GPP/3GPP2的25.996技术规范定义了采用交叉极化天线的2D SCM[3],该模型考虑了水平维度的角度功率谱,未考虑垂直维的角度功率谱．当垂直维度功率谱较显著时,仅考虑水平方位角谱会使分析结果产生偏差．

SHAFI在2006年就提出了一种考虑垂直维度上角度功率谱的3D SCM数学信道模型[4],它适合室外-室内场景的建模．尽管很多文献讨论了ULA配置下的信道建模,但是关于UPA配置下的三维空间模型的文献尚不多．Hong研究了基于面阵的双极化MIMO信道模型[5],但是该工作仅考虑小尺度衰落中反射分量,未考虑直达径(Line of Sight, LOS)分量．ZHANG展示了3D SCM的现场测试结果并且特别研究了三维空间信道的仰角特征[6]．Halbauer和LI分别研究了垂直维的波束成型方案[7-8]．杨雪等研究了水平维角度扩展和俯仰角扩展等对信道容量的影响[9]．相关的文献分别研究了MIMO容量、三维MIMO特征参数估计和双极化MIMO设计等[10-12]．除文献[1]所研究的3D MIMO模型外,WINNER项目还特别研究了WINNER II模型[13-14]．Bishwarup和ZHANG的工作分别展现了最新3GPP三维空间信道建模和测试进展[15-16]．

文章研究问题是基站端采用UPA时的3D SCM建模,研究方法基于计算机模拟．对已有的采用UPA配置的信道模型增加了直达径分量的几何参数,特别对比了ULA和UPA配置的互信息性能,以在垂直维仰角等参数下更好地评估FD-MIMO的性能,其次,还研究了角度扩展、交叉极化鉴别率和垂直维基站下倾角等的影响．所研究的3D SCM模型,将有助于更好地表述FD-MIMO信道特征和评估高级MIMO技术方案的性能．

1 一种双极化3D信道模型

1.1 采用UPA的3D信道模型

图1 基站端的采用UPA阵列的几何结构

(1)

(2)

(3)

(4)

vn,m为第n个路径簇中第m个子信道的多普勒频移,

sinφvcosθn,m,AOAsinφn,m,AOA)，

(5)

v为速度矢量,λ0为载波波长．

sin(θLOS,AOD)))×exp(j2πvn,1t).

(6)

对同时含有直达径和反射分量的信道,当莱斯系数为K时,忽略时间t,三维信道衰落系数为

(7)

1.2 采用ULA的3D信道模型

基站端采用基本ULA的几何结构与图1的几何类似,天线阵列排列在x轴,即采用ULA的MIMO系统为UPA情况的特例,其他几何参数与上述三维面阵中的定义相同．

2 城市传播场景和系统参数

2.1 城市传播场景

除了小尺度衰落,实际城市传播场景还涉及路径损耗和阴影效应．这里仿真环境为城市微小区,采用了COST 231 Walfish-Ikegami 移动通信模型[3]．图2为一种密集组网的小蜂窝(small cell)场景,线性部署的2个相邻小区之间的距离为300 m,300 m×300 m覆盖区域被划分为10个30 m长的子覆盖区域．

图2 一种城市微小区覆盖场景

图2所研究的小区含有三个地理区域1、2、3,它们的边界离基站的距离分别为150、120、90 m,将评估边界处的互信息性能．基站天线数和移动台天线数分别为nBS和nMS．对于下行发射端信号矢量x,其接收端信号矢量y为

(8)

式中:Pt、L和n分别为基站传输功率、路径损耗和加性高斯白噪声;当包含直达径时,二维nMS×nBS下行信道矩阵H被表示为Hn={h(iu,is),n}．在收、发分离距离为d/km时,路径损耗L为

NLOS: 10lgL=34.53+38lgd；

LOS: 10lgL=30.18+26lgd.

(9)

2.2 系统参数

点到点的3D MIMO系统容量取决于天线结构和多个空间参数,如角度扩展(Angular Spread, AS)、交叉极化鉴别率和时延扩展等几何统计参数．TR 25.996给出服从对数高斯分布角度扩展值定义[3]为

σAS=10(εASx+μAS),x～η(0,1).

(10)

仿真将模拟AS为8°和15°等两种情况．在AS取8°时,εAS=0.81,μAS=0.34．在AS取15°时,εAS=1.18,μAS=0.21．

以dB表示的交叉极化鉴别率为

XPD=A+B·η(0,1).

(11)

式中:A=0.34×(平均相对路径功率+C;B=5.5．仿真将模拟C=7.2和C=10两种情况．水平维度的方位角(到达角和分离角)参数与TR 25.996定义相同[3],其他系统仿真参数如表1所示．

表1 系统仿真参数

在图2中,假设基站和移动台是在同一个水平方向,基站和移动台水平维度的、LOS分量的分离角和到达角都是0°．天线间隔都为半波长,即天线排列呈现一种有限物理空间的方式．式(8)中Hn为按照表1定义的nMS×nBS随机矩阵．这里的计算机仿真未考虑通用时延扩展参数并且仅考虑单径情况,以便于在平均信噪比RSN下评估下行平均互信息(bit/s/Hz)[17],即

(12)

3 模拟仿真结果与分析

3.1 ULA和UPA互信息对比

ULA配置时的3D MIMO,其基站天线数量为4,沿x轴排列．UPA配置时基站天线数量为4,其x轴和z轴天线数量都为2,即天线配置为2×2面阵．移动台为天线数为4的ULA．角度扩展参数为8°,XPD中变量C=7.2．仿真结果如图3所示,在高信噪区,UPA配置的系统互信息下降接近2 bit/s/Hz．因此,在互信息度量上,ULA优于UPA．

图3 ULA和UPA互信息对比

3.2 UPA下不同AS的互信息对比

基站为2×2面阵配置,移动台为天线数为4的ULA．角度扩展为8°或15°,XPD中变量C=7.2．仿真结果如图4所示,在高信噪比下,AS取15°相对于AS取8°,前者互信息性能有约2 bit/s/Hz的提高．这说明UPA配置对角度扩展变化比较敏感,这也验证了文献[5]的相关结论．

图4 不同AS的互信息对比

3.3 UPA下不同C值的互信息对比

天线配置与3.2节类似．AS取8°,XPD中变量分别为C=7.2和C=10．如图5,C=7.2相对于C=10,高信噪比下互信息有1 bit/s/Hz的提高．

图5 XPD中不同C值的互信息对比

3.4 UPA下不同收发天线数的互信息对比

基站天线为4或32配置．2×2面阵时的x轴和z轴的天线数量都为2．8×4面阵为一种大规模MIMO部署,这里x轴的天线数量为8,z轴的天线数量为4．采用ULA的接收机的天线数量为4或32．AS取8°,XPD中变量C=7.2．如图6所示,对单用户情况,提高天线数一个数量级可使得系统频谱效率性能提升一个数量级．

图6 不同收发天线数的互信息对比

3.5 基于UPA的不同下倾角的互信息对比

在此将考虑路径损耗的影响．基站天线为2×2面阵．移动台为天线数为4的ULA．角度扩展为8°,XPD中变量C=7.2．在基站端垂直维的天线下倾角为7°或15°时,对图2的3个地理区域边缘用户的互信息性能进行评估．仿真结果如图7所示,对于下倾

图7 不同下倾角下3个小区域用户互信息对比

角为15°时,靠近基站端的地理区域3比下倾角为7°的速率高．对于靠近小区边界的区域1和2,下倾角为7°的互信息比下倾角为15°的互信息高．因此,提高基站下倾角可以提高小区内部用户的互信息,减少下倾角将会提高小区边缘用户的互信息．但是,小的下倾角(如这里下倾角参数7°)也可能增大对临近同频率小区的干扰．

4 结 论

研究双极化阵列3D SCM信道模型有利于5G高容量和覆盖的蜂窝系统的设计．采用UPA的3D SCM相对于采用ULA的SCM,前者的互信息性能有所下降,但会显著减少基站天线所占的物理空间,前者更易为大规模MIMO系统实现提供一种可能的结构．文章详细研究了基于UPA的3D SCM模型,并在同时含有直达径和反射分量的信道场景下,评估小蜂窝下行平均互信息性能．除考虑角度扩展、收发天线数和交叉极化鉴别率等参数影响外,文章还研究了在UPA下,如何改变垂直维度的基站下倾角,来提高小区边缘区域的覆盖．

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Three dimensional spatial channel model based on planar arrays

MENG Qingmin1,2LIU Chuanshun1WANG Lei1,2ZHENG Baoyu1

(1.InstituteofSignalProcessingandTransmissionNanjingUniversityofPosts&Telecommunications,Nanjing210003,China; 2.NationalMobileCommunicationsResearchLaboratory,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

The 5G broadband wireless systems need to meet the performance requirements of the extremely high spectral efficiency and the full-dimension multiple input multiple output (FD-MIMO) technology has become one of the potential physical layer technologies in such systems. The 3GPP 25.996 technical specification relates to the two-dimensional (2D) dual polarization spatial channel model (SCM), which only considers the azimuth angle power spectrum of the horizontal dimension; the vertical dimension's elevation angle spectrum is not considered. Referring to the geometry statistics based 2D SCMs and the polarized MIMO channel models, this paper investigates the three-dimensional spatial channel model (3D SCM) which utilizes the uniform planar array antennas at the base station, and the studied channel model will be helpful to evalu-ate the performance of the FD-MIMO designs. Then, by using computer simulation, the comparison between the linear array configuration and the planar one is performed, and the effects of angular spread and cross-polarization discrimination on the mutual information are studied, where the propagation channels comprise both the Line of Sight component and the reflection components. In the final, the effect of the base-station downtilt on the cell coverage is investigated.

FD-MIMO; dual polarization; 3D SCM; plane array; mutual information

10.13443/j.cjors.2014110601

2014-11-06

国家自然科学基金(61372122, 61271240， 61501253和61201164)； 东南大学移动通信国家重点实验室开放基金(2011D05)

TN011.91

A

1005-0388(2015)05-0821-06

孟庆民 (1965-),男,江苏人,副教授,博士,研究方向为新一代宽带无线通信中的全双工MIMO和三维MIMO理论与技术.

刘传顺 (1990-),男,安徽人,硕士研究生,研究方向为三维MIMO建模和波束成型设计．

王磊 (1977-),男,黑龙江人，副教授,硕士生导师,主要研究方向为无线通信与信号处理、智能信号处理等．

郑宝玉 (1945-),男,福建人，教授,博士生导师,主要研究方向为无线通信与信号处理、智能信号处理、量子信息处理等．

孟庆民, 刘传顺, 王磊, 等. 基于面阵的三维空间信道模型[J]. 电波科学学报,2015,30(5):821-826.

MENG Qingmin, LIU Chuanshun, WANG Lei, et al. Three dimensional spatial channel model based on planar arrays [J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(5):821-826. (in Chinese). doi: 10.13443/j.cjors.2014110601

联系人： 孟庆民 E-mail: mengqm@njupt.edu.cn