一种地空3D-Massive﹢MIMO信道模型.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSlnicaMar252017VOl38NO3SSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：∥hkxb．buaaedu．cnhkxb@buaaedu．cnDoI：10．7527／S1000一6893．2016．0288一种地空3D—MassiVeMIMo信道模型王鑫1’*，张晓林1，曹晏波21-北京航空航天大学电子信息工程学院，北京1000832．大唐电信科技产业集团，北京100191摘要：为了研究地空3nMassiveMIM0系统信道特性，提出一种基于三维单跳同心圆环散

2、射体的地空3nMassiveMIM0信道模型。相比传统地空3DMIM0信道模型有两方面改进，首先是建立了基于单跳圆环散射体3D几何精确位置关系的球面波天线阵元相位偏移模型，其次采用生灭过程对MassiveMIM0阵列上的非平稳特性进行建模。推导了该模型的信道统计特征函数，通过对特征函数理论推导值与蒙特卡洛统计值进行仿真对比，验证了理论推导正确性。此外，对所提信道模型与基于平面波的传统地空3DMIM0信道模型的空间相关性进行了分析及仿真对比，结果表明：在远场环境下，两者基本一致；在近场环境下，传统平面波模型不再适用，两者存在差异。最后，对若干组表征

3、信道特征的仿真结果与公开文献中地空信道实际测试数据进行对比分析。表明本模型作为普遍适用性模型，可以根据信道的测试条件、测试环境和测试结果来优化参数配置以趋近于实际信道，以对特定信道进行精确建模。关键词：信道模型；MassiveMIMo；信道统计特征函数；非平稳特性；同心圆环散射体；远场模型中图分类号：V243．1；TN911文献标识码：A文章编号：1000一6893(2017)03—320484一16由于MassiveMIMo[11技术极大的增加了频谱利用率，因此在工业界和学术界均获得了高度的关注，现已成为5G系统的MIMO增强技术。Massiv

4、eMIMo技术是指放置远多于现今系统中所使用的天线数量的一种天线架设模式，比如使用几十或者上百根基站天线来同时服务一定数量的用户终端。相对于传统的MIMO系统，大规模MIMO系统呈现出一些全新的特性。在大规模MIMO系统中，原本随机分布的信道矩阵渐趋确定，小尺度衰落效应被有效平均。根据大数定理，当发射天线数远远大于终端用户数时，不同用户间的信道向量呈现渐近正交的特性[2_3]。将MassiveMIMO应用于地空通信中，可将能量高度集中在飞机用户方向从而提升信号接收灵敏度，提高抗干扰能力。此外，相比于传统MI—MO，具备更大的空问自由度，使得地空信

5、道容量得到成倍提升[4]。为了设计和评估地空MassiveMIMO系统方案以及性能，必须对小尺度衰落信道进行建模。关于MIMO信道模型，基于几何的物理信道模型(GeometrybasedStochasticChannelModel，GSCM)被广泛采用，比如单环、双环、椭圆模型[5

6、，以及SCM[⋯，WINNERⅡ‘71以及IMT—Ad—vanced[81等。对于航空通信的传统3DMIMO信道，文献[9]建立了地空下行单跳同心椭圆环MI—MO模型，并对机载MIMO天线间隔以及圆阵、线阵布局方式的信道容量进行了分析。文献[10一12]建立了航空信道

7、下的三维单跳同心圆环散射(Geometrically—BasedSingle—BounceCon—centric—CylindersScattering，GBSBCCS)模型，认收稿日期：2016—05—31；退修日期：2016—10—17；录用日期：2016—11—04；网络出版时间：2016—11—1014：18网络出版地址：wwwcnkinet／kcms／detail门11929V201611101418005．htmI*通讯作者E．mai

8、：sportxm一558@163com引用格武：王鑫，张晓转，菅晏波．一种地空3D—Mass{veM

9、

10、Mo信道模型￡如．航空学报，2017。38(3)：320484WANGX，ZHANGXL．cAoYB．A3D—Mass

11、veM

12、Moground—a．rchanne

13、modeI￡JjActaAeronauticaetAStronauticaslnica，2017．38(3)：320484航空掌报为飞机远高于地面站，地面站通常处于较开阔建模，认为散射体在相邻阵元间是否可见满足生地带，高山、建筑等散射体以地面站为中心呈四灭过程，文献[16]采用了球体模型建模，当散射体周分布，地面站的高度要远低于散射体的高度，与目标阵元的距离小于球体半径时才认为可见

14、。建立一跳圆环模型是合理的且与实测结果相本文建立了基于单跳圆环散射体的地空3n吻合‘啪。MassiveMIM0模型。相比传统地空3DMI