时空统计信道模型对室内走廊在14 GHz, 18 GHz, 22 GHz频段

文摘

提出了几种技术来克服挑战会议要求更高的数据速率的无线通信。多样性时空通道的方法,提出利用时空的性质;因此,一个通道的时空性质的综合知识是必需的。本文计量通道模型,考虑延迟和角域的一个室内走廊通道14 GHz, 18 GHz, 22个GHz。非参数高斯核密度估计方法应用的集群识别三个频段。这项工作提出了一种时空模型条件方位空间域上的模型参数。集群建模完成方位平面和一个高斯分布估计安装到经验数据。集群和多路径组件建模和结果都与Saleh-Valenzuela模型参数值。结果表明,集群和多路径组件可以通过概率密度函数估计,按照高斯拉普拉斯算子适合室内走廊环境的空间域,分别。

1。介绍

频谱短缺是可以克服的挑战,建立高效、可靠的无线通信信道模型。上面的频段6 GHz承诺大带宽,因此理想的应用在第五代(5 g)网络和超越1]。最佳的无线通信系统的操作,大规模的多输入多输出(MIMO)技术与功能介绍了利用延迟和角域最大化能力(2]。一个成功的室内环境系统的设计和部署如毫微微接入点,依靠深入知识的广播频道传播的时空信道衰落(3]。

许多研究已经考虑空间和时间相关的属性传播通道(3- - - - - -5]。时空处理技术的性能依赖于高效的空间和时间之间的相关性建模域在特定频段传播。基于通道测量,Saleh-Valenzuela (sv)模型是一种流行和广泛使用的模型描述的随机属性路径到达时间(ToA)和振幅的可分解的多路径组件(mpc)在无线通信系统中。它假定的泊松过程建模mpc和集群的ToA (6]。这个模型被用来作为IEEE 802.15.3a模型的基础,也是用来比较标准化建议无线个人区域网(锅)7]。

sv模型的一个扩展(ES-V)介绍了捕获时间和角度信息(8- - - - - -10低数据速率无线锅。它假定相互独立的空间和时间域。此外,随机的广播频道模型(SRCM)基于测量数据11)是由24个GHz频段在办公室环境下视线外视距(LOS)和仿真结果)场景。然而,这些模型没有地址空间和时间属性的关联的通道,这是时空信号处理中的技术开发的必要条件。在[12),60 GHz的计量双向模型给出了MIMO信道在一个会议室。作者提出了一种时空通道模型。两种方法建模提供了时空属性60 GHz乐队,即随机,文中(semideterministic方法)。

最近,旋转定向天线(RDA)和统一的虚拟阵列(UVA)方法采用调查60 GHz办公室室内无线信道的三维(三维)空间13]。这项研究同时考虑方位和相应的高程域。一般来说,建模是基于ES-V模型与特定的强调角域。然而,这些方法没有结合时空相关性的参数条件的空间域室内走廊环境。其他研究毫米波频道描述中可以找到(14- - - - - -19]。

本文的贡献有三个层面:第一,深入研究统计传播信道特性的14个GHz, 18 GHz, 22个GHz乐队在一个室内环境。特别是,它旨在研究mpc的集群和时空相关性特征的室内走廊通道。第二,提出一个时空模型,其中包括相关性属性在空间域和聚类参数调节。最后,介绍了结构设计的影响,建筑材料,和一般几何室内环境的无线电波传播信道的传播特性在14 GHz, 18 GHz, 22 GHz。intercluster(集群分布)和星团内分布(MPC)信道参数和相关特性进行了分析使用两个联合概率函数(pdf)。

本文的其余部分组织如下:部分2介绍了测量通道设置、环境和集群识别。核密度估计(KDE)方法在这一节中描述。节3,时空模型假定依赖延迟和空间域描述。给出了该模型在描述信道参数的部分4。验证所提出的信道模型和结论部分5和6,分别。

2。信道测量和数据处理

2.1。测量环境

测量运动在室内走廊环境的表现地板纪律的电气、电子和计算机工程建筑,Kwa-Zulu纳塔尔大学、南非。走廊的结构和建筑材料是由水泥和砖块砌成的墙壁,瓷砖地板,石膏板吊顶、木门办公室如图1。终止走廊两端的木门,一卷 米³。进行了测量,没有运动的人在走廊里和门保持关闭。走廊里充当了波导的波浪传播从Tx Rx通过直接路径和反映或引导路径。几个散射(即。,walls, floor, ceiling, lumps, doors, etc.) were in the vicinity of the Tx and the Rx that generated MPCs. The spatiotemporal correlation was analyzed in terms of the intercluster and intracluster parameters. The correlation between the spatial and temporal aspects of the propagation indoor corridor channel was modeled with the parameter values conditioned on the spatial domain for all the studied frequency bands.

2.2。测量设置

信道测量是使用无线电频率信号发生器(100年罗德与施瓦茨SMF)和信号分析仪的频率范围从20 Hz 40 GHz分析带宽和最大的120 MHz(罗德与施瓦茨FSIQ 40) Tx和处方,分别。一个触发信号被用来同步Tx和Rx在测量系统。一条宽带垂直偏振(V-V)方向角与dBi天线增益为19.5,半功率波束宽度19.2°海拔,18.4°方位14 GHz如图2。18 GHz频段的天线增益,半功率波束宽度高度,dBi和方位是20.95,15.6°,和15.4°,分别;在22个GHz,天线增益为22.1 dBi半功率波束宽度在海拔和15°13°方位(20.]。

Tx是走廊的一端固定而Rx在1米,4米、8米,12米分色Tx的所有测量在每个频带在洛杉矶场景如图1。Tx和Rx天线固定在1.6米以上的地板测量所有的频段。接收喇叭天线在方位平面旋转步骤30°从0°(孔径角)。因此,直接和反射的光线被抓获在空间和时间域描述传播渠道的特点。Tx和Rx的仰角天线是保持在0°角的测量分。高度方向Tx和Rx天线和几何测量环境的实现非常低的信号水平反映了从天花板和地板在这个研究。天花板和地板的距离进一步从发射和接收天线与侧墙。

2.3。集群识别

测量进行了在时域内的Rx天线旋转方位平面上的捕获通道的空间域的属性。集群是本文定义为mpc具有类似特征的空间和时间域。一些研究人员报道不同集群的定义(21- - - - - -23]。mpc是由于反射的散射传播渠道,这一现象此前报道(6]。的k - means等参数提出了集群技术和模糊c均值聚类方法(13,24,25]。然而,我们使用KDE技术是一种非参数密度估计过程(26]。这种技术被用于识别集群的测量数据。KDE技术是有吸引力的,因为它是完全基于样本,因此避免了错误的参数规格家庭尽可能多的参数方法(27]。

延迟和角聚类方法如KDE已经使用在3)识别的多路径集群更现实的和实用的。最近,作者在28)提出了一种新的聚类算法基于KDE的测量数据。本文提出了一种高斯KDE估计mpc集群在一个室内环境。我们使用定制的频道测深仪进行了测量和估算方法相当集群应用mpc在时间和角域。我们测量的数据集有两个组件:空间和时间域。我们应用二维(2 d)内核直接分析,因为它通常是更容易想象在二维密度(26]。KDE的二维数据集可以表示为(1): 在哪里和 ,和和是带宽和内核函数的空间和时间域,分别和观察测量数据的数量吗 。我们应用高斯KDE技术在二维的数据集,因为它的鲁棒性,简单,方便3,29日)表达(2)和(3)时间和角域,分别为:

下最优带宽自动选择之间没有妥协,或者oversmoothing [26]。数据3,4,5等高线图显示了时空的mpc三频段的测量数据。从情节,显然可见,MPC集群存在于空间和时间域。例如,一个散点图如图622 GHz mpc在走廊里收到指示的位置在空间和时间估计集群所在的位置。二维高斯KDE处理后,集群被目视检查点名。其他作品,采用目视检查来确定集群(3,6,10]。

3所示。时空的统计模型

报道在sv模型、多路径组件到达接收机在集群延迟到达时间和衰减振幅6]。mpc反映射线散射作为图像来源沿传播路径。在一个室内走廊环境中,这些散射通常内部一面墙壁,地板,天花板,楼梯,灯,门和窗户。测量数据因此被用来统计描述和模型等室内传播渠道的sv模型。

模型提供参数,可用于模拟通道的深入的了解室内走廊环境的传播现象。ES-V模型广泛应用和基于集群获得信道的脉冲响应参数(4)[12]: 在哪里通道响应和吗的复振幅是吗th MPC的集群。和ToA和到达角(AoA)的th集群,分别;和ToA和AoA的吗th射线(即。,MPC) in theth集群,分别;是每个MPC的阶段;和狄拉克δ函数。假设随机和均匀变化[0,2 )。平均平方的力量th射线的th集群是由(5)和(6)[12),图中所示7: 集群和射线ToA衰变常数代表吗和 ,分别。是第一线的平均功率第一集群(10]。集群和射线到达时间可以被描述为两个泊松过程如果延迟和角独立属性建模。集群的interarrival时间可以以一个指数概率密度函数呈现在图818 GHz的乐队。此外,雷interarrival乘以每个集群内可以独立地以同样的方式描述为直方图绘制在图所示9。因此,每个集群的到达时间估计分布的随机变量,衰减指数和条件在到来之前的集群。集群和射线到达率的分布,认为独立,可以表示为(7)和(8),分别12]: 在哪里集群interarrival率和吗射线到达率(见图7)。

值得注意的是,ES-V模型假定时间和角参数可以独立建模。然而这项工作共同模型使用条件angular-delay延迟和空间域特征分布函数(3,12]。

4所示。通道的特征参数

在本节中,我们描述的传播渠道intercluster和星团内参数。这些参数的统计特征的行为可能是由拟合测量数据对提出的理论分布。intercluster和星团内参数估计结果提出并与sv模型值中讨论部分3。如前所述,三个频段(即被认为是在室内走廊环境。,14个GHz,18 GHz,22个GHz)in LOS scenario and the average number of clusters for the 14 GHz band on the angular domain represented by the histogram plot of Figure10。

4.1。Intercluster参数

时间和角域之间的相关性是指出来生成一个基于集群模型的联合分布。联合概率分布函数(pdf)的集群 是由(9): 在哪里是有条件的集群和AoA pdf吗集群是边际ToA pdf。我们考虑所有可能的aoa的接收到的反射室内走廊经验确定联合pdf。不同频段被认为与Tx系统放置在走廊的一端Rx虽然先后从Tx放置在四个不同的地点,所有可能的aoa被俘。接收到的mpc联合建模的AoA每个频带的pdf文档。数据3,4,5显示联合pdf, 14个GHz, 18个GHz,分别和22个GHz病例。图6显示了估计集群mpc的散点图22 GHz。集群技术表明,有五个集群的mpc室内走廊到达Rx。

角轴的乐队跨度-180°和180°范围形成了360°完整的空间方位。我们提到显著差异的统计分析通道的时空领域以不同的频率。mpc,到达Rx短期和长期延误14 GHz(图3)有一个更广泛的角度范围和统一的振幅与三个不同的集群。三个集群将直接路径和反映mpc侧墙。18 GHz乐队路径限制角范围短延迟而有高度衰减时间延迟路径相对宽角范围。四个集群观察如图4。这可能归因于走廊几何和结构设计的影响,从而导致相消干涉。此外,表面粗糙度可以导致更高的畸变和衰减在这个特定的频段。这种现象需要进一步调查,考虑不同测量环境。22个GHz乐队,五个集群被观察到。集群与短延迟路径更广泛的角度范围比长延迟见图5。同样值得注意的是,信号不衰减比18 GHz尽管集群数目增加。收到了mpc在Rx短延迟是由直接洛路径和/或反射结构附近的Rx。Rx放置在走廊里周围都是墙壁,门,地板,天花板,因此,反映来自大角范围。

在图4例如,到达路径和相对较短的延迟范围较大的角范围,观察到走廊的墙壁被反射。到达路径延迟较大主要是由于反射从走廊尽头墙上或走廊内的多次反射无线电波被引导的waveguide-like走廊。这些路径当然出现较高的衰减比早到,因为长路径的旅行和多次反射。这个特征的无线电传播渠道是由于测量环境(图的总体结构1)。正如预期的那样,一个观察到不同的频段有不同的传播特性相同的环境。路径到达的概率是最高的在0°和更短的延迟在所有频带范围。此外,较大的延迟路径有很高的概率为180°由于走廊墙壁反射如图3,4,5。路径到达从一边墙产生概率最小和最弱。这部分是由于几何、结构设计、建筑材料的走廊。集群ToA已建模的泊松过程,假设独立移民(6,10]。然而,在一个常规的结构设计,如室内走廊,这种独立性不持有(3]。本文的非参数估计使用pdf模型基于测量数据的到达。这是一个更一般的方法没有假设集群泊松过程满意的到达时间。

集群实证AoA直方图密度14 GHz如图10。14 GHz 22 GHz频段有类似通道集群行为。边际ToA估计一个集群的pdf是由积累的所有农产品协定的, 呈现在图18 GHz8。估计pdf和虚线和策划建模是一个指数pdf表示为(10): 在哪里是意味着ToA。

集群联合AoA pdf 14 GHz, 18 GHz, 22个GHz估计使用这项新技术。特点是一个经验分布与数据的吻合程度。我们考虑方位空间范围从-180°- 180°。集群联合AoA pdf进一步估计使用高斯pdf的平均值和标准偏差值确定。我们观察到的低概率密度值集群到达路径较长的延迟。数据11,12,13显示块经验分布函数和估计高斯pdf文档。从图表,可以看出一个高斯pdf可以密切估计集群AoA在室内走廊在14 GHz, 18 GHz, 22 GHz频段。拟议中的高斯pdf模型的通道(11): 在哪里是在标准偏差条件 。然而,经验分布的尾部14 GHz 22 GHz之间有明显的集群出现90°和180°和-90°和-180°。这可能是由于存在强烈的mpc收到反射,散射和绕射和侧墙。近似错误在这些空间范围内可接受的利润率,在大多数情况下出现的概率小于0.08。18 GHz,经验值近似收到更好的弱和更少的货币政策委员会从后面和侧面墙壁。这可能是由于结构设计的影响和建筑材料的走廊在这个传播波长。

4.2。星团内参数

mpc的ToA建模的泊松过程。在这种方法中,每个集群由一个mpc的数量。识别个体射线组成一个集群,实验测量都应在空间和时间域(30.]。提出了非参数的投影pdf的扩展集群基于到达时间的测量数据采用。货币政策委员会边际ToA pdf ,估计使用累积mpc的aoa, 。图9显示了MPC边际ToA直方图概率密度22 GHz, MPC的数量估计一个指数pdf绘制虚线。观察到的结果一致与3,31日]。联合mpc位置每个集群 可以表示为(12):

在哪里是MPC方位AoA pdf,表达为一个零均值的拉普拉斯算子的pdf (13) 在哪里是空间域上的标准差条件 。图14显示了一个散点图mpc的AoA对ToA同时考虑mpc的归一化的力量。结果表明,有一个AoA与ToA之间的相关性对权力。最短的路径延迟到达0°和最高权力。路径延迟较大范围更广泛的空间和更低的功率Rx。延迟mpc是减毒的一面墙壁走廊沿着走廊。这意味着MPC的概率密度的AoA联合分布的时间和到达角,表明(12)。

先前的研究已经报道,可以采用拉普拉斯算子分布估计MPC的AoA pdf (3,10,11]。然而,没有正当理由是这个选择,除了它是针对测量数据拟合好。在[3),地方和遥远的散射的影响分布的MPC的AoA Rx。我们可以看到在图15分散在附近的Rx可以导致大空间范围,和拉普拉斯算子的pdf整齐估计经验分布。走廊、侧墙、门、天花板和地板可以生成大量的反思空间范围广。这些路径延迟和虚弱。然而,遥远的散射会产生反射在一个狭窄的空间范围。遥远的散射的影响建立了空间范围的-30°30°。相同数量的地方和遥远的假设每个生成相同数量的mpc散射,会有更高的密度和较低的另一个方向。这给了一个分布类似于拉普拉斯算子中心高密度和低密度的空间领域。

5。验证所提出的信道模型

验证该pdf室内走廊通道估计在14 GHz, 18个GHz, 22个GHz频段,信道参数与sv模型。估计模型和sv模型通道参数表中列出1。(使用的建筑6)进行测量几乎是类似于我们的测量环境。我们提取模型参数根据洛杉矶场景的所有频段。时间参数估计使用方法[6),通常大于sv模型参数。最大的差异是在的价值的估计因为更多的集群观察(3 - 5个集群)室内走廊比1 - 2 (6]。这是由于结构设计,建筑材料,和一般的几何走廊。此外,该频段认为在sv模型比这高得多。我们能够及时识别重叠的集群,但在空间域分离。这显然分开集群将被认定为一个组只在时间域。sv模型没有空间参数值。这两个和观察非常类似于18 GHz sv模型,为其他频段略高。

6。结论

通道被抓获的时空特征和这些信息被用于mpc集群使用一个二维高斯KDE技术。此外,intercluster和星团内参数提取和时间之间的相关性和角域聚类确定使用该通道模型。14 GHz,观察三个集群,集群的主要是-30°和30°之间。集群新兴的尾分布的走廊侧壁反射特别是14 GHz和22 GHz频段。18 GHz乐队有一个顺畅的尾巴,因为疲软的货币政策委员会收到和侧墙。集群的分布建模基于空间域无关的到达时间的变化意味着角的测量。较短的射线延误由-90°和90°之间的集群的所有频段。mpc的分布在一个集群与拉普拉斯算子近似pdf,与标准差3.0°到3.3°三频段进行了研究。

提出了模型的应用在室内走廊和Tx天线固定在高度封闭的环境和典型的Rx天线高度是描述。为任意Tx和Rx天线之间的距离,通道可以很容易地模拟基于给定的参数表1。通道可以实现通过模拟mpc的拉普拉斯算子的分布,然后mpc的集群可以确定为高斯分布。模拟通道可以有效地应用于信号处理技术,设计和部署网络协议,大规模的分布式天线室内和封闭的环境。

这个工作的新颖性是引入联合pdf估计的随机属性描述空间域上的通道,通道的参数条件。此外,它描述了intercluster的相关性和星团内通道的时空特征。提取的信道参数启用复制信道的计算机模拟。这项工作的结果是适用于任何室内走廊或封闭环境waveguide-like结构设计和混凝土和木质材料在墙上(门),例如,行人隧道,隧道连接建筑,地下通道,穿越走廊在购物中心。走廊里可以拥有任意横截面尺寸和长度。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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