802.11n室内信道模型研究与验证*

2016-07-01陶小鱼马浩然

通信技术 2016年2期

关键词：接收端时延信道

陶小鱼，马浩然，唐　玲

(重庆金美通信有限责任公司，重庆 400030)

802.11n室内信道模型研究与验证*

陶小鱼，马浩然，唐玲

(重庆金美通信有限责任公司，重庆 400030)

摘要：介绍IEEE 802.11n室内信道(TGn)的模型组成和相关概念，以“簇”结构为基础，使用数学模型分析说明信道的建模流程，依次讨论了该信道模型的大尺度、小尺度衰落以及空间相关特性。以TGn 信道D为例，使用maltab建立信道仿真模型，简单介绍仿真流程，并对生成的信道数据的相关时间、相关带宽、多径以及包络等信道参数进行验证，验证结果与信道参数相符，为后续使用多径信道验证OFDM物理层信号处理算法性能提供基础。

关键词：TGn信道；802.11n；信道仿真；参数验证

0引言

高质量、高速率的数据传输始终是无线局域网(WLAN)发展的瓶颈和动力，802.11n标准的提出标志着无线传输进入新的发展阶段，并迅速成为主流物理层标准。相对于802.11b/a/g标准，802.11n标准提供的最大传输速率从54Mb/s提高到了600Mb/s，吞吐量有了较大的提升，能更好的适应室内高速率业务的需求。

无线信道是无线信号的传输媒体，所有的信息都在这个信道中传输。信道的各项参数直接决定着通信的质量，要想在比较有限的频谱资源上尽可能地高质量、大容量传输有用的信息就要求我们必须十分清楚地了解信道的特性。然后采取相应抗衰落措施，来保证传输质量和传输的容量方面的要求。所以准确认知无线信道是通信系统设计的基础，一个与实际传输环境相符合的信道模型也是研究通信技术所必须的。

2003年IEEE成立TGn工作小组，在大量环境测试数据的基础上，提出了6种室内信道的统计模型(TGn模型)，代表家庭、办公室、展厅等常见的室内环境。

1TGn信道模型

1.1模型描述

TGn模型是基于典型室内环境提出的MIMO信道模型，该模型以包含“簇”的时延结构描述。“簇”的概念为无线空间信道的建模基础，与实际的物理空间中无线信号的传输规律相符。与SISO信道建模不同的是，MIMO信道的各个子信道具有空间相关性，与天线间距，电波入射角(AOA)、离开角(AOD)等空间参数相关，TGn信道模型空间相关性独立建模，与时间、频率相关性独立。本论文重点介绍TGn信道的建模方法与SISO模式下的信道参数验证[1]，6种TGn信道参数与适用环境如表1所示。

表1　TGn信道模型概况

1.2簇结构

无线信道的传输模型中，将造成多径的每个元素(散射体，反射体等)进行分组，同一组里的元素具有不同的时间延迟和功率分布，但是在空间上具有相似的离开角与入射角，把同一组的元素定义为“簇”，如图1所示。一簇内的多径是由发射和接收附近物体的多次反射形成。基于“簇”的模型仿真比较简单，能较准确的模拟室内信道。

图1　信道簇模型

TGn模型中，时延扩展越大，簇越多，同一模型的不同簇具有不同的空间统计特性，这些统计特性包括角度扩展(色散)、空间信号平均到达/离开角度等，通常以角度-功率谱(PAS)来描述，信号通过信道模型中不同的簇，表现为PAS谱上具有一定角度范围的独立谱形。在MIMO系统中，“簇”的定义影响着发端与收端天线阵列之间的空间相关性。

1.3时延模型

时延模型中，根据不同的时延大小区分信道的多径，不同的时延代表不同的可分辨信道路径，信道冲击响应具有如下的形式：

(1)

时间t表明信道响应具有时变性，N代表多径数，ci代表不同多径的功率增益，τi表示信道可分辨路径的时延。该冲击响应等效为一个在固定延迟处的FIR滤波器抽头模型。如图2所示，为一个4抽头延时的信道模型。

图2　信道冲击响应延迟抽头模型

由于信道时变，无法用固定值来描述此多径滤波器的带宽，一般在统计上使用相关带宽来描述不同频率点处的包络相关度，相关带宽越大，表明信道多径滤波器频域衰落越平坦。

TGn模型中，使用离散的延迟-功率谱(DPDP)来描述信道的冲击响应，每个离散的功率值表示信号在该延迟路径上的功率增益，相邻抽头延迟之间的最小间隔为10 ns，所以模型要求输入信号采样率至少为100 MHz。

1.4大尺度衰落模型

路径与阴影衰落描述长距离内(相对信号波长)接收信号强度的变化，属于大尺度衰落。一般情况下,收发天线间距、高度、载波频率以及环境特性等参数会影响大尺度衰落。TGn信道模型定义的路径损耗表达式如下：

Ld≥dBP(d)=LFS(dBP)+3.5·10lg(dBP/d)

(2)

式中，LFS为自由空间损耗，dBP为断点距离，用于判断收发机之间的路径是否含有直射径分量。

电磁波在空间传播过程中,会受到高大建筑物和地形起伏的影响,会造成信号场强的随机变化,引起信号衰减,这种现象称为阴影衰落。TGn信道模型中，阴影衰落服从均值为0的对数正态分布，具体描述为收发距离相同的传播路径上,会有不一样的随机阴影效应,即对数正态阴影。

Xσ～N(0,σ2)(dB)

(3)

所以信道大尺度衰落由如下公式描述

Ld≥dBP(d)=LFS(dBP)+35lg(dBP/d)+Xσ

(4)

由于大尺度衰落与空间环境密切相关，所以不同TGn信道模型具有不同的距离拐点dBP、衰落下降指数以及随机阴影方差。信道大尺度衰落参数如表2所示。

表2　TGn信道大尺度衰落参数

1.5小尺度衰落模型

由于信道空间上短距离变化或时间上短时间变化造成接收信号强度剧烈变化的现象称为信道的小尺度衰落，造成衰落的主要因素为信道的多径效应和信号发送端与接收台之间的相对运动[2]。与大尺度衰落相比，小尺度衰落在距离为波长级的空间范围内可能变化较大。图3为不同衰落尺度的示意图。

图3　TGn信道衰落模型

TGn信道的小尺度建模以不同的时延路径为单位，每条路径的数据独立生成，互不相关[3]，表示信道各条路径的数据可以具有不同的时域、频域、空间特征。子路径的建模流程如图4所示，不同子信道通过相关矩阵进行空间相关耦合。

图4　TGn信道小尺度衰落建模

1.6信道多普勒扩展

在信号发送端与接收端为非视距传输时(NLOS)，接收信号的时域包络服从瑞利分布，且由于相对运动，信号通过各条路径到达接收端的角度(AOA)不同，造成接收端信号的多普勒平移具有一定的范围。鉴于室内信道的空间有限性，多径信号到达接收端的角度范围为[0 360°][4]，导致接收端的多普勒扩展频谱的能量集中在频率中心处(f=0)。大量的实测数据表明，信道的多普勒扩展功率谱具有如下的谱形:

(5)

式中，fd代表最大多普勒频率，A为固定值，定义为满足如下公式对应的值，即A=9，对应频谱10 dB下降值

(6)

为了保证有效的频谱形状，滤波器频率范围设置为[-5fd,5fd]。假设多普勒频率为fd=6 Hz，多普勒频谱如图5所示，频谱下降10 dB处对应频率等于多普勒频率。

图5　TGn信道多普勒扩展仿真结果

1.7MIMO空间相关性

多天线系统中各天线传输数据具有相关性，为了保证独立生成的子信道模型数据空间相关，将生成特定的相关矩阵与子信道数据相乘:

H=[R]·[h]

(7)

式中，R为信道空间相关矩阵，不同路径的相关矩阵相同。在M*N的天线阵列下，具有M*N个子信道，所以相关矩阵R为M*N的方阵。[h]表示独立生成的各个子信道的信道包络数据。以下将讨论如何计算信道的相关矩阵。

由于信道数据通信具有上下行的区别，所以将相关矩阵进一步分解为信号发送端和接收端的相关矩阵的计算:

(8)

式中，Rtx表示信号发送端天线阵列的相关矩阵，当发送端为AP时，表示信道数据下行，反之为上行。Rrx表示信号接收端的天线相关矩阵。⊗表示Kronecker内积。

子信道的空间相关性，不仅与天线的间距有关，还与信号到达天线的角度和功率有关。由于信道多径的特征，信号到达接收端的方向具有一定角度范围，且不同角度接收的功率值不相同，模型中以角度-功率谱(PAS)来表示信号到达角度与功率的统计关系。由“簇”模型的定义可知，TGn信道模型含有多个簇，每一簇的PAS表现为在角度上具有一定范围的独立谱形，这些谱形包括均匀谱、高斯谱以及拉普拉斯谱，如图6所示。

图6　TGn模型PAS谱

TGn模型的PAS谱形为每个簇的PAS谱的加性叠加。模型的相关矩阵计算方法如下：

Rtx=Rr+j·Ri

(9)

式中，PAS表示所有簇叠加后的角度-功率谱，Dij表示发送端天线i与天线j的归一化间距

(10)

由此可知，发送端与接收端的相关矩阵以对角线堆成，且对角线元素恒为1。以拉普拉斯谱形为例，假设同一延迟路径下有两簇，在发射端，假设簇1的最大功率为簇2的两倍，两个簇的离开角AOD分别为90°和-90°，角度范围都是180°，角度扩展为30°。在双天线系统中计算发送端天线相关性与天线间距的关系，并对比只有1个簇的PAS模型与双簇PAS模型的相关性曲线如图7所示，2簇模型的平均空间相关性比1簇模型低。

图7　天线间距与相关系数的关系

由图7可知，天线相关性总体上随着间距增加而减小，且延迟路径下的多簇PAS模型比单簇PAS模型有更小的天线相关性。

2TGn信道仿真模型

2.1概述

TGn多径信道的仿真模型使用TGn信道数据，模拟802.11n协议发端数字信号经过多径及高斯信道后的收端采样信号，对评估收端信号处理方法的效果有重要意义。主要包括插值、多径衰落、AWGN噪声以及抽取4个子模块，如图8所示。

图8　TGn信道仿真模型结构

2.2插值与抽取

由于TGn信道的多径最小分辨时间单元为10 ns，所以要求输入信号与信道数据的采样率为100 MHz；而基于802.11n协议的物理层帧数据的带宽要求为20/40 MHz，所以在模拟TGn多径信道对信号的调制前，需要将输入信号插值到100 MHz采样率，之后再抽取到相应的工作带宽。根据协议，插值和抽取倍数为5/2.5倍。

2.3信道数据与多径衰落

在多径衰落前，需要根据不同的场景，选择对应的TGn信道模型，并设置发端/收端的天线数、载频、距离、相对运动速度等系统参数，生成TGn信道模型数据。信道数据表示一定仿真时间内，信道大尺度、小尺度衰落对于输入信号在采样点处的幅度与相位影响。在仿真时间内，信道数据表示为4维度的矩阵。

H=[H]Nt×Nr×Taps×Np

(11)

式中，Nt表示发送天线数，Nr表示接收天线数，Taps表示当前TGn模型的多径数，Np表示一定时间范围和采样率下信道的采样点数。在SISO系统中，信道矩阵由不同多径时延下具有瑞利(莱斯)包络的一维向量数据组成，如图9所示，SISO信道模型为采样时间与信道时延tap的二维矩阵。

图9　信道数据结构示意

多径衰落使用每个不同的时延(Tap)的信道系数分别与延迟后的输入数据进行相乘后再累加，等效为时域上的时变线性滤波器，每个采样点的数据与相同采样时间的信道的数据相乘，在时间维上一一对应。

3TGn信道模型验证

3.1概述

为了验证TGn信道仿真模型的正确性，将对信道的相关时间、相关带宽、多径以及包络统计特性4个方面进行验证。信道数据选定模型D，其它重要参数设置如表1所示。

表3　信道数据设置参数

3.2相关时间

信道相关时间一般定义为信道包络相关函数值为0.5(归一化)时对应的时间值，慢衰落信道下此值与最大多普勒频率的关系为：

Tc≈1/fd

(12)

在快衰落下的相关时间定义为：

Tc≈9/16πfd

(13)

一般定义更加通用的相关时间为以上两个公式的几何平均：

(14)

该信道的fd=5.833 3 Hz,带入上式可得相关时间为Tc≈0.07 s，根据得到的信道系数包络，计算信道相关函数如图10所示。

图10　信道时间相关曲线

图10中，0.5相关度对应的时间为0.06 s，与理论值大致相等。

3.3相关带宽

由TGn模型D计算出的平均时延与R.M.S时延扩展的数据如表4所示。

表4　信道D平均时延与时延扩展

一般认为信道频谱包络相关度为0.5时的相关带宽与时延RMS扩展的关系为：

(15)

带入数值可得Bc≈4 MHz。对多径衰落对应的滤波器系数进行频域变换，然后做自相关。信道频域自相关曲线如图11所示。

图11　信道频域自相关曲线

从图11中观察得相关度为0.5时对应的频率为4.26 MHz，与理论相关带宽值Bc符合。

3.4信道多径

为了验证信道的多径效应，产生自相关性较强的M序列作为发送信号，在接收端将接收信号与发送信号互相关观察结果如图12所示。

图12　接收信号相关性

图12中可以看出信道对于输入信号的多径调制，且多径功率随着延迟增加而减小。由于各径的延迟相对信号采样率(100 MHz)比较接近，且延迟较大处功率值较小，所以不是所有径都可以分辨。

3.5信道包络特性

TGn信道的每个时延路径独立建模，每条路径的功率与模型DPDP的抽头系数相同。由于经过多径信道后的信号为输入信号的延迟叠加，为了使叠加后的信号平均功率与输入信号相同(信道增益为1)，需要对每个路径的功率抽头系数归一化。归一化后，信道的包络概率直方图如图13所示。

由图13可知仿真生成的信道模型包络PDF概率分布与理想的瑞利分布相符，信道增益约为1，为归一化信道。

图13　信道包络PDF

4结语

首先对802.11n室内信道模型概念做简单介绍，以数学模型和图表的方式说明模型的建模过程以及模型结构，介绍信道模型部分参数的物理意义，并与通用信道模型做了简单对比，从理论角度比较全面解析该信道的物理特征。然后使用matlab对TGn信道D建立仿真模型，对生成的信道数据的参数进行仿真验证，结果证明仿真模型参数正确。初步建立信道参数验证方法，为使用信道模型进行收发数据仿真提供参考。

参考文献：

[1]Erceg V.TGn Channel Models[DB/OL],IEEE 802.11 document 03/940r4,May 2004 .

[2]Agilent .Agilent MIMO Channel Modeling and Emulation Test Challenges[DB/OL],January 22,2010.

[3]杨大成.移动传播环境[M].北京:机械工业出版社出版,2003:210-230.YANG Da-cheng.Mobile Communication Environment[M] Beijing: Machinery Industry Press,2003：210-230.

[4]刘晶,熊春林,魏急波.多径衰落信道下的OFDM时频联合同步算法[J].通信技术,2015,48(04):386-391.

LIU Jing,XIONG Chun-lin,WEI Ji-bo.Timing-and-Frequency Synchronization Algorithm for OFDM Systems in Multipath Fading Channels[J].Communications Technology,2015,48(04):386-391.

Research and Verification of 802.11n Indoor Channel Modeling

TAO Xiao-yu,MA Hao-ran,TANG Ling

(Chongqing Jinmei Communication Co.，Ltd.，Chongqing 400030,China)

Abstract：Firstly the components and concepts of TGn channel model are described,and based on cluster structure,the channel modeling process is described with mathematical method,including large scale and small scale fading,spatial correlation characteristics.Simulation model is established with Matlab and a brief introduction of the simulation process is given in the paper.In addition,the verifications on correlation time,bandwidth,multipath and envelope of the channel are done,and the verification results and channel parameters are well-matched,and these would provide a foundation for later research on the performance of OFDM physical-layer signal processing algorithm under multiple channel.

Key words：TGn channel model; 802.11n; channel simulation; parameter verification

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.006

* 收稿日期：2015-09-08；修回日期：2015-12-14Received date:2015-09-08；Revised date：2015-12-14

中图分类号：TN929.5

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2016)02-0147-06

作者简介：