D2D通信關鍵技術(shù)與應用 課件 第二章

2D2D信道建模2.1概述2.3D2D通信信道模型2.2隨機信道模型2.4本章小結(jié)2.1概述

為驗證、優(yōu)化和設計無線通信系統(tǒng)，前期需要對無線信道進行建模。毫米波通信信道模型可分為確定性毫米波模型和隨機性毫米波模型。本章具體描述3GPP標準TR38.901推薦的隨機模型。5G通信系統(tǒng)的3GPP標準化時間表如下圖所示：2.2隨機信道模型

隨機信道模型包括大尺度衰落和小尺度衰落兩部分。什么是大尺度衰落？什么是小尺度衰落？大尺度衰落--當電磁波信號通過一段較長的距離時會產(chǎn)生大尺度衰落，一般是由信道的路徑損耗（關于距離和頻率的函數(shù)）和大的障礙物（如建筑物，中間地形和植被）所形成的陰影引起。小尺度衰落--當電磁波信號在較小的范圍內(nèi)傳輸時，會觀察到其瞬時接收場強的快速波動的一種現(xiàn)象。2.2.1大尺度衰落模型2.2隨機信道模型對于大尺度衰落模型，用戶首先設置應用場景、天線數(shù)量和速度參數(shù)，然后通過下圖流程獲得信道參數(shù)。2.2.1大尺度衰落模型

下面將從典型場景介紹不同的大尺度衰落模型（1）自由空間傳播模型用于預測接收機和發(fā)射機之間為完全無阻擋的視距路徑時接收信號的場強。弗里斯（Friis）公式：

2.2.1大尺度衰落模型路徑損耗：有效發(fā)射功率與接收功率之間的差值。對于沒有任何系統(tǒng)損耗（L=1）的自由空間路徑損耗：當包含天線增益時，路徑損耗：不包括天線增益時，假設天線具有單位增益路徑損耗：2.2.1大尺度衰落模型下面將從典型場景介紹不同的大尺度衰落模型。（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型距離功率斜率：實際的信道環(huán)境中，平均接收信號功率宇自由空間的路徑損耗同樣隨距離d呈對數(shù)方式衰減，引入路徑損耗指數(shù)α，可修正自由空間的路徑損耗模型。

2.2隨機信道模型環(huán)境自由空間2市區(qū)蜂窩無線傳播2.7-3.5存在陰影衰落的市區(qū)蜂窩無線傳播3-5建筑物內(nèi)的視距傳播1.6-1.8有建筑物阻擋4-62.2.1大尺度衰落模型（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型不同環(huán)境下的路徑損耗指數(shù)：2.2隨機信道模型2.2.1大尺度衰落模型（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型

為計算方便，通常對距離功率斜率進行變換，以分貝的形式可表示為：

2.2隨機信道模型2.2.1大尺度衰落模型（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型則上式為對數(shù)距離路徑損耗模型。表示總路徑損耗等于第1米的路徑損耗加上相對于第1米的接收功率的損耗。通常用來表示D2D通信中距離與功率的關系。如果用dB定義1米的路徑損耗為則路徑損耗為

2.2.1大尺度衰落模型（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型陰影衰落（慢衰落）--因為位置不同而導致信號強度變化的現(xiàn)象。因為接收信號受到建筑物等其他物體的阻礙而使得接收信號強度圍繞著平均值波動。

2.2隨機信道模型2.2.1大尺度衰落模型（3）其他路徑損耗模型大蜂窩區(qū)的路徑損耗模型宏蜂窩區(qū)的路徑損耗模型微蜂窩區(qū)的路徑損耗模型室內(nèi)微微蜂窩區(qū)的路徑損耗模型毫微微蜂窩區(qū)的路徑損耗模型2.2隨機信道模型2.2.2小尺度衰落模型小尺度衰落--是指無線電信號在短時間或短距離（若干波長）傳播后其幅度、相位或多徑時延的快速變化。計算和生成小尺度參數(shù)和系數(shù)的過程：2.2隨機信道模型2.2.2小尺度衰落模型對上式升序排序：簇功率：延遲：比例延遲為：2.2隨機信道模型2.2.2小尺度衰落模型對所有簇功率進行歸一化，使所有簇功率之和等于1，即：N是簇的數(shù)量對于LOS條件，向第一個簇中添加額外的鏡面分量，并且簇功率被標準化為：

2.2隨機信道模型2.2.2小尺度衰落模型

導致信號幅度快速波動的兩種效應：多徑衰落和多普勒效應。（1）多徑衰落模型多徑衰落的常見分布是Rayleigh分布，其概率密度函數(shù)：（2）Rayleigh衰落信道的多普勒頻譜模型經(jīng)典多普勒頻譜：2.3D2D通信信道模型D2D通信鏈路信道的物理特征：（1）低天線高度（2）短距離通信（3）終端移動性（4）通信頻率2.3D2D通信信道模型3GPP為了保證D2D研究的標準化，在第73次3GPPTSGRANWGI會議上，給出了D2D評估方法和信道模型標準如下：應用場景室外-室外室外-室內(nèi)室內(nèi)-室內(nèi)路徑損耗WINNERⅡB1場景加上10dB偏移雙帶模型；WINNERB4場景加上10dB偏移雙帶模型；ITU-RInH模型添加ITU-RUMi場景的視距概率陰影衰落8dB對數(shù)正態(tài)分布；假設為獨立同分布，即未進行相關性建?？焖偎ヂ洳捎脤ΨQ的角度（離開角，到達角）擴展分布；修正ITU-RUMi和InH場景模型以適應收發(fā)端的雙移性2.3D2D通信信道模型

從信道建模的角度來看，不同的D2D通信類型將導致不同的通信應用場景，從而可建立不同的D2D信道模型。D2D通信系統(tǒng)2.3D2D通信信道模型

常用的D2D信道模型主要會考慮大尺度路徑損耗和小尺度路徑損耗。

蜂窩小區(qū)內(nèi)子信道上發(fā)射端到接收端的瞬時信道增益可建模為：G為路徑損耗常數(shù)，h和β分別是具有對數(shù)正態(tài)陰影的大尺度衰落和具有指數(shù)分布的小尺度衰落增益。2.3D2D通信信道模型D2D通信信道建模例子:此例子定義的D2D場景分為兩類，即M2M（移動對移動）和F2M（固定對移動），同時將收發(fā)端不等高的傳統(tǒng)F2M場景稱為CF2M（傳統(tǒng)固定對移動）場景。（1）信道測試收發(fā)端均配置全向陣列天線（ODA）天線，測量系統(tǒng)主要參數(shù)如表所示：參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值中心頻率5.25GHzRx天線單元數(shù)18發(fā)射頻率+26dBmTx天線高度1.5m帶寬（空對空）200MHzRx天線高度1.5mTx天線單元數(shù)18極化類型交叉極化2.3D2D通信信道模型測試場景：樓道對樓道、樓道對房間和房間對房間三種，涵蓋LoS（視距）和NLoS（非視距）情形。對于每個場景，信道測量均涵蓋F2M、M2M同向運動以及M2M相向運動三種情形，共采集大約2500個快照的數(shù)據(jù)用于分析和信道參數(shù)提取。測量過程中，小車移動時保持1m/s勻速行駛。收發(fā)端高度為1.5m。2.3D2D通信信道模型（2）D2D信道接受信號幅度分布

設x和y為相互獨立，且服從瑞利分布的隨機變量，則z=xy服從雙瑞利分布，其概率密度函數(shù)PDF如下所示：

2.3D2D通信信道模型考慮單次、二次和多次散射環(huán)境下的多徑傳播效應，接收信號復振幅可表示為：

2.3D2D通信信道模型實驗結(jié)果表明：（1）不同于CF2M信道中LoS和NLoS接收信號幅度分別服從萊斯分布和瑞利分布的普遍結(jié)論。（2）室內(nèi)M2M信道的LoS和NLoS接收信號幅度分別更傾向于服從瑞利-萊斯混合分布和瑞利-雙瑞利混合分布。2.3D2D通信信道模型（3）D2D信道多普勒功率譜

2.3D2D通信信道模型

不失一般性，設=0。那么t時刻到t+時刻信道的自相關函數(shù)有：

式中α和β分別表示水平面和垂直面的AoA（到達角）和分別表示α和β的概率密度函數(shù)。

2.3D2D通信信道模型

2.3D2D通信信道模型2.3D2D通信信道模型

對上式中的自相關函數(shù)進行傅里葉變換可得到對應的功率譜密度函數(shù)：第一類零階貝塞爾函數(shù)假設CF2M場景下P在（0,2π]均勻分布，Rx端使用全向天線，則2D自相關函數(shù)由下式推導得出：2.3D2D通信信道模型2.3D2D通信信道模型

對于上式中2DM2M信道自相關函數(shù)可擴展為：

為求得3D多普勒功率譜表達式，聯(lián)合自相關函數(shù)的求解是必需的，故AoA和AoD的在水平面和垂直面的分布是必要的已知條件。2.4小節(jié)本章對最新的D2D通信信道研究進行了較為全面的綜述，以促