毫米波信道学习记录
毫米波信道學(xué)習(xí)記錄
寫在前
在初次接觸毫米波信道的學(xué)習(xí)過(guò)程中,看到了知乎作者 “@張馬也” 以及CSDN作者 “B417科研筆記” 的學(xué)習(xí)筆記,獲益匪淺。為了便于個(gè)人學(xué)習(xí),遂整理如下筆記,僅搬運(yùn)和分享他們的學(xué)習(xí)成果,也會(huì)添加一些個(gè)人理解,僅做記錄和分享,再次感謝你們作為科研工作者的分享與交流。
原鏈接:
https://www.cnblogs.com/MayeZhang/p/12374196.html
https://blog.csdn.net/weixin_39274659/article/details/104434934
MIMO信道回顧
MIMO無(wú)線信道的數(shù)學(xué)模型中,hi,jh_{i,j}hi,j? 是發(fā)射端第 iii 根天線和接收端第 jjj 根天線的復(fù)信道增益,該增益來(lái)源于多條射線的疊加,每條射線是經(jīng)過(guò)多條不同的路徑到達(dá)接收機(jī)的 hi,j=∑iaiejθth_{i,j} = \sum_i a^i e^{j \theta_t}hi,j?=i∑?aiejθt? 信道增益的模 ∣hi,j∣|h_{i,j}|∣hi,j?∣ 服從瑞利分布,如果除了大量的散射體還有一個(gè)很強(qiáng)的直射LoS路徑,則信道增益的模 |hi,j| 服從萊斯分布。
- 注意:hi,jh_{i,j}hi,j? 是發(fā)射端第 iii 根天線和接收端第 jjj 根天線之間的子信道,也是由一堆不同的路徑疊加而成的,而不是僅指一條路徑!
- 對(duì)于低頻情況下,可以直接假設(shè)每一個(gè)子信道 hi,jh_{i,j}hi,j? 服從瑞利 或 萊斯分布。
毫米波信道
毫米波信道中一般有2-4個(gè)多徑,時(shí)延擴(kuò)展很小,k因子很大,從而可以簡(jiǎn)化為單徑信道模型。時(shí)延擴(kuò)展很小說(shuō)明傳輸距離較近(也可以解釋徑的數(shù)量較少)、K因子很大說(shuō)明是LOS場(chǎng)景,LOS場(chǎng)景下通信以LOS徑進(jìn)行通信,LOS徑占了90%甚至95%~98%的功率。雖然有其他一些徑的存在,但是功率太小不可能進(jìn)行通信。不過(guò)如果是論文中嚴(yán)謹(jǐn)一些,建議采用TR 38.901中的信道模型,目前全球通信公司預(yù)研基本都用的該模型,具有代表性。from this link
其他毫米波信道建議采用:3GPP TR 38.901
毫米波相關(guān)論文最常使用的毫米波信道模型都是基于Saleh-Valenzuela模型,包含一堆方位角、俯仰角之類。毫米波繞射能力差,路徑稀疏,信道模型具有豐富的幾何特征。
以下引用作者原話:
毫米波信道與低頻信道不同,由于毫米波基本沿直線傳播,繞射能力差,其信道的散射路徑較少,往往遠(yuǎn)少于發(fā)射和接收天線的數(shù)量,因此其信道模型具有豐富的幾何特征。而低頻信道由于散射路徑豐富,往往建模成隨機(jī)信道比如瑞利分布,因此并不包含通信環(huán)境的信息。
均勻線性陣列(Uniform Linear Array, ULA)
2D MIMO 通信系統(tǒng)發(fā)射天線是線性天線,它形成的波束較寬,只有水平維度的方向,沒有垂直維度的方向。這樣每條子徑包含發(fā)射端的出發(fā)角 AoD(Angle of Departure),接收端的到達(dá)角 AoA(Angle of Arrival)以及 時(shí)延 三個(gè)特征變量。
均勻平面陣列(Uniform Planar Array, UPA)
3D MIMO 通信系統(tǒng)一般在基站端配備大規(guī)模的均勻平面天線陣列 。3D MIMO 通信系統(tǒng)基站端配備的天線元件多,且相對(duì)于 2D MIMO 通信系統(tǒng)新增加了垂直方向的天線自由度,即系統(tǒng)可以同時(shí)在水平維和垂直維上靈活精確調(diào)整波束方向,這樣發(fā)射端可以形成更窄、更精確的波束,具有很高的指向性。 此時(shí)描述子徑的應(yīng)該是 離開和到達(dá)的方位角 (azimuth angle),仰角 (elevation angle)。
毫米波信道模型
發(fā)射端和接收端均為 ULA
考慮簡(jiǎn)單模型,沒有 cluster,假設(shè)只有 LLL 條散射路徑。
經(jīng)典的 Saleh-Valenzuela (S-V) 信道模型,假設(shè)發(fā)射天線有 NtN_tNt? 根,接收天線有 NrN_rNr? 根,則 LLL 條散射路徑的歸一化窄帶毫米波信道可以表示為:
H=NtNrL∑?=1Lα?ar(v?)atH(??)H = \sqrt{\frac{N_tN_r}{L}} \sum_{\ell =1}^L \alpha_{\ell} \mathbf{a}_{r}(v_{\ell}) \mathbf{a}_{t}^H(\phi_{\ell})H=LNt?Nr????=1∑L?α??ar?(v??)atH?(???)
- α?\alpha_{\ell}α?? 代表第 ?\ell? 條路徑的衰落系數(shù),一般建模為高斯分布。
- v?v_{\ell}v?? 和 ??\phi_{\ell}??? 分別是第 ?\ell? 條路徑的到達(dá)角 AoA 和出發(fā)角 AoD,一般簡(jiǎn)化假設(shè)在 [?π2,π2][- \frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}][?2π?,2π?] 內(nèi)均勻分布, 可以根據(jù)參考文獻(xiàn)決定范圍。
- a(θ)\mathbf{a}(\theta)a(θ) 是天線陣列的方向矢量(steering vector),又稱為 array response,當(dāng)天線為 N 維 ULA 時(shí),歸一化的方向矢量表達(dá)式為
aULA(θ)=1N[1,ej2πλdsin?(θ),?,ej2πλd(N?1)sin?(θ)]T\mathbf{a}_{ULA}(\theta) = \frac{1}{\sqrt{N}}[1, e^{j\frac{2\pi}{\lambda}d\sin(\theta)},\cdots, e^{j\frac{2\pi}{\lambda}d(N-1)\sin(\theta)}]^TaULA?(θ)=N?1?[1,ejλ2π?dsin(θ),?,ejλ2π?d(N?1)sin(θ)]T ar(v?)\mathbf{a}_{r}(v_{\ell})ar?(v??) 表示的是第 ?\ell? 徑接收端的方向矢量,是 Nr×1N_r \times 1Nr?×1 維的向量; atH(??)\mathbf{a}_{t}^H(\phi_{\ell})atH?(???) 表示第 ?\ell? 徑的發(fā)射端的方向矢量,是 Nt×1N_t \times 1Nt?×1 維的向量; ar(v?)atH(??)\mathbf{a}_{r}(v_{\ell}) \mathbf{a}_{t}^H(\phi_{\ell})ar?(v??)atH?(???) 是 Nr×NtN_r \times N_tNr?×Nt? 維的矩陣; 把這些所有 LLL 條路徑相加,也就是我們的信道矩陣。
MIMO信道收發(fā)端都是 ULA天線陣列的時(shí)候,steering vector如上所示,但對(duì)于 MISO (SIMO) 模型,接收端(發(fā)射端)只有一個(gè)天線的話應(yīng)該就不用考慮接收端(發(fā)射端)的方向矢量了。
發(fā)射端和接收端均為 UPA
假設(shè)有 NclN_{cl}Ncl? 個(gè)散射簇,每個(gè)散射簇中包含 NrayN_{ray}Nray? 條傳播路徑。窄帶毫米波信道表示為:H=NtNrNclNray∑i=1Ncl∑?=1Nrayαi?ar(?i?r,θi?r)atH(?i?t,θi?t)H = \sqrt{\frac{N_tN_r}{N_{cl}N_{ray}}} \sum_{i=1}^{N_{cl}} \sum_{\ell =1}^{N_{ray}} \alpha_{i\ell} \mathbf{a}_{r}(\phi^r_{i\ell}, \theta^r_{i\ell}) \mathbf{a}_{t}^H(\phi^t_{i\ell}, \theta^t_{i\ell})H=Ncl?Nray?Nt?Nr???i=1∑Ncl???=1∑Nray??αi??ar?(?i?r?,θi?r?)atH?(?i?t?,θi?t?)
- αi?\alpha_{i\ell}αi?? 代表第 $i $個(gè)散射簇中第 ?\ell? 條路徑的衰落系數(shù)。
- ?i?r,θi?r\phi^r_{i\ell}, \theta^r_{i\ell}?i?r?,θi?r? 代表接收端的方向角和俯仰角。ar(?i?r,θi?r)\mathbf{a}_{r}(\phi^r_{i\ell}, \theta^r_{i\ell})ar?(?i?r?,θi?r?) 表示方向角和俯仰角在接收端的歸一化天線陣列響應(yīng)向量。
- atH(?i?t,θi?t)\mathbf{a}_{t}^H(\phi^t_{i\ell}, \theta^t_{i\ell})atH?(?i?t?,θi?t?) 代表發(fā)射端的方向角和俯仰角,atH(?i?t,θi?t)\mathbf{a}_{t}^H(\phi^t_{i\ell}, \theta^t_{i\ell})atH?(?i?t?,θi?t?) 表示方向角和俯仰角在發(fā)射端的歸一化天線陣列響應(yīng)向量。
- 針對(duì)該圖 UPA放置在 X-Z 平面上的情形,發(fā)射端 UPA天線陣列的歸一化響應(yīng)向量可以表示為:
aULA(?,θ)=1N[1,?,ej2πλd[msin?(?)sin?(θ)+ncos?(θ)],?,ej2πλd[(Nx?1)sin?(?)sin?(θ)+(Nz?1)cos?(θ)]]T\mathbf{a}_{ULA}(\phi, \theta) = \sqrt{\frac{1}{N}}[1 ,\cdots, e^{j\frac{2\pi}{\lambda}d[m\sin(\phi)\sin(\theta)+n\cos(\theta)]},\cdots, \\ e^{j\frac{2\pi}{\lambda}d[(N_x-1)\sin(\phi)\sin(\theta)+(N_z-1)\cos(\theta)]}]^TaULA?(?,θ)=N1??[1,?,ejλ2π?d[msin(?)sin(θ)+ncos(θ)],?,ejλ2π?d[(Nx??1)sin(?)sin(θ)+(Nz??1)cos(θ)]]T
NNN 為均勻平面陣列的天線元素個(gè)數(shù),x 軸和 z 軸上分別有 NxN_xNx? 和 NzN_zNz? 個(gè)天線元素,ddd 是天線間隔。該表達(dá)式還可以寫為克羅內(nèi)克積的形式,更簡(jiǎn)潔。
注意,該公式的 ?\phi? 表示的即為圖中表示的 TX 端的俯仰角。針對(duì)UPA來(lái)說(shuō),steering vector 和俯仰角的關(guān)系取決于UPA的在三維坐標(biāo)中的放置,下面給出 UPA 放置在Y-Z平面 和 X-Y平面的兩種情形。 - Y-Z平面放置IRS的情形
- X-Y平面放置IRS的情形
UAV 端的 UPA 天線陣列的歸一化響應(yīng)向量 [5] 可以表示為:
aULA(?k,?n,θk,?n)=1MENA[1,?,ej2πλ[mdxsin?(θk,?n)cos?(?k,?n)+ndysin?(θk,?n)sin?(?k,?n)],?,ej2πλ[(NA?1)dxsin?(θk,?n)cos?(?k,?n)+(ME?1)dysin?(θk,?n)sin?(?k,?n)]]T\mathbf{a}_{ULA}(\phi_{k,\ell}^n, \theta_{k,\ell}^n) = \sqrt{\frac{1}{M_EN_A}}[1 ,\cdots, e^{j\frac{2\pi}{\lambda}[m d_x \sin(\theta_{k,\ell}^n)\cos(\phi_{k,\ell}^n)+n d_y \sin(\theta_{k,\ell}^n)\sin(\phi_{k,\ell}^n)]},\cdots, \\ e^{j\frac{2\pi}{\lambda}[(N_A-1)d_x\sin(\theta_{k,\ell}^n)\cos(\phi_{k,\ell}^n)+(M_E-1)d_y\sin(\theta_{k,\ell}^n)\sin(\phi_{k,\ell}^n)]} ]^TaULA?(?k,?n?,θk,?n?)=ME?NA?1??[1,?,ejλ2π?[mdx?sin(θk,?n?)cos(?k,?n?)+ndy?sin(θk,?n?)sin(?k,?n?)],?,ejλ2π?[(NA??1)dx?sin(θk,?n?)cos(?k,?n?)+(ME??1)dy?sin(θk,?n?)sin(?k,?n?)]]T
dxd_xdx? 和 dyd_ydy? 分別表示X和Y軸上的天線之間的間距,一般取 d=λ2d = \frac{\lambda}{2}d=2λ? 。
?k,?n\phi_{k,\ell}^n?k,?n? 和 θk,?n\theta_{k,\ell}^nθk,?n? 分別表示方向角和方位角, 定義如圖 Fig.2 所示。我們定義第 nnn 個(gè) UAV 的位置為 (xn,yx,zn)(x_n,y_x,z_n)(xn?,yx?,zn?),面向第 kkk 個(gè) UE 的第 ?\ell? 條徑的散射體的位置為 (xk?,yk?,0)(x_k^{\ell},y_k^{\ell},0)(xk??,yk??,0),那么 ?k,?n\phi_{k,\ell}^n?k,?n? 和 θk,?n\theta_{k,\ell}^nθk,?n? 表達(dá)式如下:
θk,?n=arctan?((xk??xn)2+yk??yn)2zn)?k,?n=arctan?(yk??ynxk??xn)?πmin?(sign(xk??xn),0)\theta_{k,\ell}^n = \arctan \left(\frac{\sqrt{(x_k^{\ell}-x_n)^2+y_k^{\ell}-y_n)^2}}{z_n}\right) \\ \phi_{k,\ell}^n = \arctan \left(\frac{y_k^{\ell}-y_n}{x_k^{\ell}-x_n}\right) -\pi\min(\mathrm{sign} (x_k^{\ell}-x_n),0)θk,?n?=arctan???zn?(xk???xn?)2+yk???yn?)2??????k,?n?=arctan(xk???xn?yk???yn??)?πmin(sign(xk???xn?),0)
其中,sign\mathrm{sign}sign為符號(hào)函數(shù): x>0x>0x>0, sign(x)=1\mathrm{sign}(x)=1sign(x)=1; x=0x=0x=0, sign(x)=0\mathrm{sign}(x)=0sign(x)=0; x<0x<0x<0, sign(x)=?1\mathrm{sign}(x)=-1sign(x)=?1。
- 注意,這里的 NrayN_{ray}Nray? 條傳播路徑包含 1條 LoS 路徑,以及 (Nray?1)(N_{ray}-1)(Nray??1) 條 NLoS 路徑。在 UAV-UE 之間不存在遮擋的情形,只有一條 LoS 徑,沒有簇和散射徑,將 Nr=1,Ncl=1,Nray=1N_r=1, N_{cl}=1, N_{ray}=1Nr?=1,Ncl?=1,Nray?=1 帶入 HHH 得到:
hkn=Ntαknat(θkn,?kn)h_k^n = \sqrt{N_t} \alpha_k^n \mathbf{a}_{t}(\theta^n_k, \phi^n_k)hkn?=Nt??αkn?at?(θkn?,?kn?)
αkn\alpha_k^nαkn? 為第 nnn 個(gè) UAV 和第 kkk 個(gè) UE 之間的LoS徑的信道增益系數(shù)。非遮擋情況(即 LoS 徑)的概率是關(guān)于仰角 ξkn=arctan?(znDk)\xi_k^n = \arctan(\frac{z_n}{D_k})ξkn?=arctan(Dk?zn??) 的一個(gè)函數(shù),DkD_kDk? 為第 nnn 個(gè) UAV 和第 kkk 個(gè) UE 之間的距離;該概率會(huì)隨著仰角的增大而增大,當(dāng) znz_nzn? 足夠大時(shí),LoS 徑的概率趨于1。該概率表達(dá)式為:
PNo?blockage=11+ae(?b(ξkn?a))P_{No-blockage}=\frac{1}{1+ae^{(-b(\xi_k^n-a))}}PNo?blockage?=1+ae(?b(ξkn??a))1?
ξkn=arctan?(znDk)\xi_k^n = \arctan(\frac{z_n}{D_k})ξkn?=arctan(Dk?zn??)是仰角;a,ba, ba,b 是取決于信道環(huán)境(e.g., rural, urban, or dense urban)的正的模型參數(shù)。遮擋概率為 PBlockage=1?PNo?blockageP_{Blockage}=1-P_{No-blockage}PBlockage?=1?PNo?blockage?.
存在 IRS 的情況
- 當(dāng)在發(fā)射端和接收端存在 IRS 時(shí),就看假設(shè) IRS 搭載的是 ULA 還是 UPA,然后帶入相應(yīng)的 steering vector 計(jì)算窄帶毫米波信道增益即可。
S-V 毫米波信道仿真
仿真參數(shù)
在論文仿真中一般假設(shè) αi?\alpha_{i\ell}αi?? 信道增益系數(shù)服從0均值的復(fù)高斯隨機(jī)分布,對(duì)于存在blockage和不存在blockage的場(chǎng)景,方差的設(shè)定不同,可以參考文獻(xiàn)仿真部分的參數(shù)設(shè)定,比如:
- αi?~CN(0,10?0.1PL)\alpha_{i\ell}\sim \mathcal{CN}(0,10^{-0.1\mathrm {P_L}})αi??~CN(0,10?0.1PL?), where the distance-dependent path loss is modeled as PL(d?)=α+10βlog?10(d?)+ξ?\mathrm {P_L(d_{\ell})}=\alpha+10\beta\log_{10}(d_{\ell})+ \xi_{\ell}PL?(d??)=α+10βlog10?(d??)+ξ??
d?d_{\ell}d??為第?\ell?條徑的收發(fā)端距離,α,β\alpha, \betaα,β 為常數(shù),ξ?~N(0,σ2)\xi_{\ell} \sim \mathcal{N}(0,\sigma^2)ξ??~N(0,σ2)。
對(duì) H?H_{\ell}H?? 的 LoS 徑 (non-blockage),α=61.4,β=2,σ=5.8\alpha=61.4, \beta=2, \sigma=5.8α=61.4,β=2,σ=5.8 dB;
對(duì) H?H_{\ell}H?? 的 NLoS 徑 (blockage),α=72.0,β=2.92,σ=8.7\alpha=72.0, \beta=2.92, \sigma=8.7α=72.0,β=2.92,σ=8.7 dB [5, 6] 。 - 毫米波載波頻率設(shè)為 28 GHz [5-ref 36/37],帶寬 251.1886 MHz [4]。
- 信道環(huán)境參數(shù) (計(jì)算 LoS 概率) a=11.95,b=0.14a = 11.95, b = 0.14a=11.95,b=0.14。 [5-ref36]
- 天線間距 d=λ2d=\frac{\lambda}{2}d=2λ?。
- 噪聲功率 σ2=?91\sigma^2=-91σ2=?91 dBm [6] 或 σ2=?174+10log?10B=?90\sigma^2=-174+10\log_{10}B=-90σ2=?174+10log10?B=?90 dBm [4]。
仿真實(shí)例
System Model
- IRS系統(tǒng)可以分為三個(gè)信道:
- steering vector
Matlab Codes
- 實(shí)現(xiàn)單側(cè)UPA的天線響應(yīng)向量的仿真函數(shù)
- BS-IRS 信道生成函數(shù) (IRS - UE的信道生成同理)
- Note: 需要指出實(shí)際中方位角和仰角的變化范圍應(yīng)該不同,仰角的變化范圍會(huì)偏小, 因此更合理的仿真應(yīng)該進(jìn)一步限制其生成范圍。 但就像上面所說(shuō),如果只是為了隨機(jī)生成智能反射面信道用于仿真,不用糾結(jié)的那么細(xì)。
- alpha 代表的是信道的衰落系數(shù), 為了區(qū)別LOS徑和NLOS徑,我們默認(rèn)第一徑是LOS徑,給了歸一化的能量為1。 而NLOS徑的能量則是高斯變量, 并且為了體現(xiàn)出與LOS徑的能量差, 給了一個(gè)衰減系數(shù)。
- 關(guān)于該場(chǎng)景 BS-UE 的信道, 有幾種不同的建模:
來(lái)自作者的 Remark
alpha在改變。一般認(rèn)為衰減系數(shù)決定于NLOS所經(jīng)過(guò)的反射體的衰減,這個(gè)應(yīng)該不會(huì)隨距離變化。如果認(rèn)為是開闊空間的話,直接按衰落與距離平方成反比,來(lái)模擬就行。
相比于信號(hào)周期,各徑延時(shí)可以忽略不計(jì),等效看作時(shí)同時(shí)到達(dá),這就是窄帶模型。寬帶模型因?yàn)樾盘?hào)周期短,因此要考慮時(shí)延,但UPA的響應(yīng)及智能反射面的響應(yīng)等公式依舊是通用的。考慮的是窄帶情形,寬帶情形的話是需要考慮時(shí)延的,一般按ofdm進(jìn)行仿真。
Userful code links
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code reproduction of an paper
total IRS related code transfer
IRS 綜述
reference link
參考文獻(xiàn)
[1] Ayach O E , Rajagopal S , Abu-Surra S , et al. Spatially Sparse Precoding in Millimeter Wave MIMO Systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2013, 13(3):1499-1513.
[2] Akdeniz M R , Liu Y , Samimi M K , et al. Millimeter Wave Channel Modeling and Cellular Capacity Evaluation[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2014, 32(6):1164-1179.
[3] Yu X , Shen J C , Zhang J , et al. Alternating Minimization Algorithms for Hybrid Precoding in Millimeter Wave MIMO Systems[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 2016, 10(3):485-500.
[4] Wang P , Fang J , Dai L , et al. Joint Transceiver and Large Intelligent Surface Design for Massive MIMO MmWave Systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2020, PP(99):1-1.
[5] Jiang L , H Jafarkhani. Reconfigurable Intelligent Surface-Assisted mmWave multi-UAV Wireless Cellular Networks[J]. 2021.
[6] Hong S H , Park J , Kim S J , et al. Hybrid Beamforming for Intelligent Reflecting Surface Aided Millimeter Wave MIMO Systems[J]. 2021.
總結(jié)
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