概述

在通信系统设计中,需要通过仿真来分析系统的性能，通过信道模拟来预测电波传播特性。移动通信信道的建模是通信系统仿真中必不可少的一环。所以不同无线传播环境下的信道建模方法就尤为重要了。

信道建模方法

无线信道的复杂多变性表现为无线电波以不同的方式（例如直射、反射和散射等）到达接收机，这就导致了接收信号与发射信号并不相同。因此，精确还原无线信道传播特征，也就是进行信道建模就变的十分必要了。信道建模方法是使用数学对信道模型提取的信道参数进行信道还原的过程。一般信道建模方法分为三种：统计建模方法、半确定性建模方法和确定性建模方法。

统计建模方法

统计信道建模以大量的实际测试为基础，结合概率统计理论对信道模型进行归纳总结。其不需要随机生成无线环境的几何信息，仅根据相应的概率密度函数以随机的方法描述无线传播径。该建模方法计算简单，普适性较强，可以充分描述信道特征参数，其缺点是和外场实际测试的一致性较差。

统计建模描衰落信道时，主要考虑终端移动速度的影响，其典型特点是信道增益随时间的变化而变化。信道增益的时变特性依赖于移动台的速度，并且受多普勒的影响。多普勒决定了信道增益的时域相关性。

假设移动台周围的散射分量是均匀分布的，且每一个分量的功率都相等。如下图所示，有两个分支，一个是实部，另一个是虚部。在每个分支中，首先在频域产生一个复高斯噪声；然后通过一个多普勒滤波器，这样频域分量就符合多普勒频移；最后将这个经过多普勒频移后的高斯噪声通过IFFT模块变换为时域信号。

图1 统计信道建模框图

图2 MIMO信道示意图

如果通信系统为MIMO的系统，如上图所示，得到发射端的相关矩阵RTx和终端移动台的相关矩阵，则整个MIMO系统的空间相关矩阵可以表示为：

其中，表示Kronocker积。由于R为非奇异矩阵，可以用Cholesky分解为对称映射矩阵C，根据公式

把多个不相关信道转换成了相关性的MIMO信道。

KSW的GSCM信道建模软件提供统计建模的方式，如下图所示：

图3 KSW GSCM信道建模软件提供统计建模方法

图4 KSW GSCM统计建模方法界面

在KSW GSCM软件提供的统计建模方法中，用户可以配置基站天线个数和终端天线个数进行MIMO信道建模生成。软件预置5G、4G和3G等通信中常用的信道模型，支持用户自定义信道模型和自定义信道冲击响应导入；支持速度配置、支持相关系数低、中和高三档相关选择及用户自定义；支持大尺度衰落、传播时延的计算和仿真；支持生成的信道冲击响应和时延查看等功能以满足用户多样化的测试需求。

图5 KSW GSCM软件冲击响应查看界面

半确定性建模方法

半确定性建模方法最常用的是基于几何的统计模型（Geometry-based Stochastic Channel Models，GSCM）。其确定性表现在以发射端、接收端的几何位置来确定二者之间角度信息；其不确定性在于随机选择的散射体和某种固定的概率分布定义的信道模型参数，例如角度功率谱、多径的初相等。散射体几何信息是根据一定的概率分布函数随机生成的。该模型可以通过对由各散射体带来的多径分量进行加权来生成小尺度衰落，而且特别适用于建模随着收发两端或者散射的移动所造成的径的生灭。该建模方法可以严格的描述收发两端的几何关系相对变化对信道模型的影响，在波束赋形、测向等对位置关系要求高的场合应用广泛。缺点是相对于统计建模计算量较大，需要通过“簇”的概念来描述周围环境对收发通信的影响，需要通过信道模型来区分通信场景。

图6 3D几何信道建模示意图

在3GPP-38901协议中，基于几何的建模公式如下所示：

其中表示非直视径，表示直视径，为莱斯K因子，代表了LOS径在所有径中的比重。每条非直视径是由20条子径叠加而成。和的建模方法如下：

其中：

u表示接收天线的天线索引；

s表示发射天线的天线索引；

n表示簇索引；

m表示子径索引；

Pn表示归一化的簇功率；

M表示子径个数；

θ表示俯仰角；

φ表示方位角

表示接收天线垂直方向的方向图；

表示接收天线水平方向的方向图；

Κ表示交叉极化比；

Φ表示随机相位；

表示接收终端在球面坐标系中的坐标；

表示发射基站在球面坐标系中的坐标；

表示第u根接收天线的坐标矢量；

表示第s根发射天线的坐标矢量；

λ0表示波长；

υ表示终端的速度矢量；

建模过程中，通过建立坐标系对收发两端的几何位置进行描述，结合指定的信道模型按照上述公式即可得到基于几何建模的无线信道冲击响应。

在KSW GSCM软件提供几何建模的方法，如下图所示：

图7 KSW GSCM信道建模软件提供基于几何的建模方法

图8 KSW GSCM信道建模软件高铁测试场景

GSCM基于几何的信道建模方法需要用户输入基站天线面板配置、终端天线面板配置、终端运行轨迹、信道模型等参数进行信道冲击响应制作。为了方便用户使用，GSCM软件提供正交建模、常量建模方法以满足用户使用需求；提供天线方向图导入导出功能、信道模型自定义功能、信道冲击响应导入辅助模块、终端变速功能、多径生灭制作、天线方向图预览、大尺度衰落预览、信道冲击响应预览等功能，可以极大地满足用户多样性的测试需求与问题定位。

确定性建模方法

确定性建模方法是利用传播环境的具体信息并依据电磁波传播理论或者光学射线理论来分析并预测无线传播模型。确定性模型以完全确定的方式来决定物理参数，例如射线追踪、传播图论和存储式测量。该建模方法的优点是不再以信道模型去区分通信场景，而是考虑在通信场景中所有物体对通信的影响，包括建筑物、植被等，通过电磁波的传播理论去计算电波传播过程中遇到的物体对通信的影响，计算的结果比较符合外场实际情况。缺点是计算量巨大，对于测试场景较多的用户，测试效率低。

射线追踪的主要想法是假设源辐射能量的波前沿着无穷小的圆锥形管道传播，即射线。因此这些射线是等效的波前沿着直线传播的轨迹。射线与传播环境相互作用有三种主要的机制：穿透障碍物、障碍物的表面反射和障碍物边缘的绕射。透射和反射通过几何光学来建模，绕射一般使用一致性绕射理论（UTD）来建模。基于射线的方法遵从费马原理和Snell-Descartes法则。在光学中，费马原理生成两点之间（即一个发射一个接收）的射线轨迹是传输时间最短的路线。当提及波束穿过两种各向同性但不同的物质特性（介电常数、磁导率和导电性）的媒介交界处时，如空气和混凝土，用派生出的Snell-Descartes法则来描述入射角与透射（或折射）角的关系。

基于射线方法的首要目标时跟踪由源端发送到接收端电磁波的轨迹。在数字化表示的环境中，波束到达接收端之前被建模的“障碍物”（户外建筑，室内家具）改变其射线过程产生多种不同的路线。因此，射线追踪阶数是对两个通信端在电磁波场景LOS和NLOS场景下的多径直接建模。

KSW提供Wireless InSite软件来实现射线追踪建模。Wireless InSite软件中的传播分析模块是根据不同的应用环境，采用相应的传播分析模型，来计算和分析无线电波的传播特性。

图9  Wireless InSite软件三维仿真结果

图10  Wireless InSite软件办公室仿真结果

本文介绍了目前比较成熟的已经得到广泛应用的三种信道建模方法并分析了各自的优缺点。坤恒顺维可以提供上述三种完整的信道建模软件。优异的信道模型对于准确预测无线电波的传播特性，支持无线通信系统的架构设计极其重要，好的信道建模方法对于用户方便高效的测试验证通信系统的性能更是不言而喻。因此在具体实际应用中，应综合考虑具体环境、条件以及要求，有针对性的选择最符合实际测试的方法以提高测试效率。