簡(jiǎn)介3GPP TR 38.901-e30 是面向5G NR研究與標(biāo)準(zhǔn)制定人員的信道模型技術(shù)報(bào)告聚焦0.5至100 GHz頻段內(nèi)信號(hào)傳播特性的建模方法為無(wú)線通信系統(tǒng)仿真、鏈路預(yù)算與設(shè)備研發(fā)提供統(tǒng)一參考框架。報(bào)告系統(tǒng)梳理了城市、郊區(qū)、農(nóng)村及室內(nèi)外等場(chǎng)景下的信道分類(lèi)并深入討論多徑傳播、空間衰落、多普勒效應(yīng)與信道狀態(tài)信息獲取等關(guān)鍵議題同時(shí)給出測(cè)量與仿真驗(yàn)證方法適合通信工程師、標(biāo)準(zhǔn)研究者及高校相關(guān)方向師生查閱。資源包共1個(gè)doc文件約5.88MB內(nèi)容為報(bào)告正文文檔便于離線閱讀與檢索。目前已有1613人學(xué)習(xí)下載可作為理解5G毫米波信道特性、開(kāi)展系統(tǒng)級(jí)仿真與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)齊的實(shí)用參考資料。1. 一份“不應(yīng)被用于實(shí)施”的報(bào)告為什么成了 5G 物理層仿真的地基翻開(kāi) 3GPP TR 38.901 的扉頁(yè)有一句讓不少人心里打鼓的話本報(bào)告未經(jīng)組織伙伴正式批準(zhǔn)不應(yīng)被用于實(shí)施?？涩F(xiàn)實(shí)是幾乎所有做 5G NR 鏈路級(jí)仿真的團(tuán)隊(duì)第一件事就是把它打印出來(lái)或者塞進(jìn)閱讀器。這份文檔覆蓋 0.5 到 100 GHz 的信道模型把毫米波頻段里信號(hào)怎么衰減、怎么反射、怎么被人體和車(chē)輛擋住全部寫(xiě)成了可復(fù)現(xiàn)的數(shù)學(xué)流程。它解決的不是“標(biāo)準(zhǔn)怎么規(guī)定”而是“在標(biāo)準(zhǔn)落地之前我們?cè)趺从靡惶坠J(rèn)的模型去比較不同物理層方案的優(yōu)劣”。搞懂它的底層機(jī)制你才能明白仿真里那些看起來(lái)玄學(xué)的參數(shù)到底從哪來(lái)也才能在結(jié)果翻車(chē)時(shí)知道該去查哪一節(jié)。2. 從坐標(biāo)系到天線端口信道模型的第一層抽象2.1 為什么先講坐標(biāo)系而不是先講路徑損耗很多人拿到這份報(bào)告直接翻到路徑損耗那一節(jié)抄幾個(gè)公式就開(kāi)始跑仿真結(jié)果天線陣列的方向圖怎么都對(duì)不上。問(wèn)題往往出在最前面坐標(biāo)系沒(méi)統(tǒng)一。TR 38.901 在第 7.1 節(jié)花了大量篇幅定義全局坐標(biāo)系GCS和局部坐標(biāo)系LCS以及兩者之間的變換。這不是數(shù)學(xué)潔癖而是因?yàn)樾诺滥Ｐ屠锏慕嵌葏?shù)——方位角、俯仰角——必須有一個(gè)共同的參考系否則基站和終端各自算出來(lái)的到達(dá)角根本不在一個(gè)空間里。常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)思路是每個(gè)天線陣列先在自己的 LCS 里定義陣元位置和極化方向然后通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣變換到 GCS。報(bào)告里給出的變換包括僅俯仰角傾斜的情況這對(duì)應(yīng)實(shí)際部署中天線 downtilt 的調(diào)整。如果你在仿真里忽略了這一步天線增益的方向性就會(huì)錯(cuò)位MIMO 容量曲線會(huì)莫名其妙地偏低。我一般會(huì)這么理解坐標(biāo)系變換是信道模型的“地基”地基歪了上面蓋的簇、射線、多普勒全是歪的。2.2 天線建模端口映射與極化決定了 MIMO 仿真的自由度第 7.3 節(jié)把天線建模拆成兩塊天線端口映射和極化天線建模。端口映射解決的是“邏輯端口到物理陣元”的對(duì)應(yīng)關(guān)系極化建模解決的是“兩個(gè)正交極化分量怎么合成”。在 NR 里基站側(cè)常用雙極化天線陣列每個(gè)極化方向?qū)?yīng)一組端口。報(bào)告給出的極化模型用一個(gè)角度參數(shù)描述兩個(gè)極化分支之間的功率分配和相位關(guān)系這個(gè)參數(shù)直接影響了交叉極化比。為什么這件事值得單獨(dú)拎出來(lái)說(shuō)因?yàn)楹芏喾抡娲a把天線簡(jiǎn)化為全向輻射然后抱怨信道模型跑出來(lái)的空間相關(guān)性不對(duì)。實(shí)際上TR 38.901 的 fast fading 模型里簇的出發(fā)角和到達(dá)角是跟天線陣列幾何強(qiáng)耦合的。你用什么極化、陣元間距多少、downtilt 幾度都會(huì)改變最終合成的信道矩陣。報(bào)告沒(méi)有規(guī)定你必須用哪種天線但它給了你一套描述方法讓你在比較不同天線配置時(shí)有一個(gè)共同的基準(zhǔn)。這就是“模型”和“實(shí)現(xiàn)”的區(qū)別模型定義描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)決定具體參數(shù)。2.3 路徑損耗與穿透損耗分段建模背后的工程妥協(xié)第 7.4 節(jié)是整份報(bào)告里被引用最多的部分之一。路徑損耗模型按場(chǎng)景分成了 UMa、UMi、RMa、Indoor 等幾類(lèi)每一類(lèi)又區(qū)分 LOS 和 NLOS。頻率范圍從 0.5 GHz 一直延伸到 100 GHz公式里出現(xiàn)了頻率項(xiàng)的冪次修正。這里有一個(gè)容易被忽略的設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī)高頻段的大氣吸收和穿透損耗不能用低頻段的經(jīng)驗(yàn)公式外推所以報(bào)告單獨(dú)定義了 O2I室外到室內(nèi)的建筑穿透損耗和車(chē)輛穿透損耗。建筑穿透損耗模型把墻體損耗和室內(nèi)損耗分開(kāi)還引入了入射角的影響。車(chē)輛穿透損耗則考慮了車(chē)窗和車(chē)體的不同衰減。這些分段不是拍腦袋而是基于測(cè)量數(shù)據(jù)的擬合。常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)思路是先根據(jù)場(chǎng)景選對(duì)應(yīng)的路徑損耗公式再疊加陰影衰落對(duì)數(shù)正態(tài)分布最后根據(jù)是否 O2I 決定要不要加穿透損耗。如果你在仿真里把 O2I 損耗當(dāng)成一個(gè)常數(shù)加進(jìn)去忽略了角度依賴(lài)性那么在高頻段、大入射角的情況下你的鏈路預(yù)算會(huì)偏樂(lè)觀。血淚經(jīng)驗(yàn)是路徑損耗這一節(jié)一定要對(duì)著場(chǎng)景表逐項(xiàng)核對(duì)別拿一個(gè)公式套所有情況。3. Fast fading 模型簇、射線與空間一致性怎么串起來(lái)3.1 簇和射線從統(tǒng)計(jì)信道到確定性幾何的折中第 7.5 節(jié)的 fast fading 模型是整個(gè)報(bào)告的核心。它的基本結(jié)構(gòu)是信道由若干個(gè)簇cluster組成每個(gè)簇里又包含若干條射線ray每條射線有自己的時(shí)延、功率、出發(fā)角和到達(dá)角。簇的數(shù)量、時(shí)延擴(kuò)展、角度擴(kuò)展都是按場(chǎng)景統(tǒng)計(jì)出來(lái)的隨機(jī)變量。這種“簇-射線”結(jié)構(gòu)是一種折中純統(tǒng)計(jì)模型比如相關(guān)矩陣模型計(jì)算量小但缺乏空間分辨率純射線追蹤模型精度高但計(jì)算量大且依賴(lài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。TR 38.901 選擇在兩者之間取一個(gè)平衡點(diǎn)用統(tǒng)計(jì)方法生成簇和射線的參數(shù)再用幾何方法合成信道沖激響應(yīng)。報(bào)告里給出了詳細(xì)的生成流程先根據(jù)場(chǎng)景確定 LOS/NLOS 狀態(tài)再生成路徑損耗和大尺度參數(shù)然后生成簇的時(shí)延和功率接著生成每個(gè)簇內(nèi)射線的角度最后合成信道系數(shù)。這個(gè)流程里每一步都有對(duì)應(yīng)的隨機(jī)變量和分布假設(shè)。如果你只抄了最后的合成公式跳過(guò)了前面的隨機(jī)過(guò)程跑出來(lái)的信道會(huì)缺乏真實(shí)的統(tǒng)計(jì)特性。我一般會(huì)這么理解fast fading 模型的精髓不在那個(gè)求和公式而在前面那一串隨機(jī)變量的生成順序和相關(guān)性。3.2 空間一致性為什么相鄰位置的信道不能獨(dú)立生成第 7.6.3 節(jié)的空間一致性是這份報(bào)告里比較容易被低估的部分。簡(jiǎn)單說(shuō)它要求信道在空間上是連續(xù)的兩個(gè)靠得很近的終端它們的信道參數(shù)不應(yīng)該完全獨(dú)立而應(yīng)該有一定的相關(guān)性。這個(gè)特性在仿真里很重要因?yàn)楹芏辔锢韺蛹夹g(shù)比如大規(guī)模 MIMO 的預(yù)編碼、移動(dòng)性管理依賴(lài)于信道在時(shí)間和空間上的平滑變化。如果每個(gè) drop 都獨(dú)立生成信道仿真結(jié)果會(huì)過(guò)于樂(lè)觀或過(guò)于悲觀。報(bào)告給出的空間一致性流程包括定義一致性區(qū)域、在區(qū)域內(nèi)生成相關(guān)的簇參數(shù)、處理 LOS/NLOS 狀態(tài)和 O2I 參數(shù)的平滑過(guò)渡。常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)思路是用一個(gè)相關(guān)距離來(lái)控制參數(shù)的插值。這里有一個(gè)坑空間一致性不是簡(jiǎn)單地對(duì)最終信道矩陣做濾波而是要對(duì)生成信道的隨機(jī)變量做相關(guān)處理。如果你在信道系數(shù)層面做平滑可能會(huì)破壞功率歸一化。踩坑記錄里經(jīng)?？吹降默F(xiàn)象是加了空間一致性之后平均接收功率偏離了路徑損耗模型的預(yù)期值原因就是平滑操作沒(méi)有保持功率守恒。3.3 阻塞模型人體和車(chē)輛遮擋的兩種建模思路第 7.6.4 節(jié)給出了兩種阻塞模型。模型 A 基于隨機(jī)幾何用一組隨機(jī)分布的阻塞物比如人體、車(chē)輛來(lái)計(jì)算遮擋概率和衰減。模型 B 則更簡(jiǎn)化用統(tǒng)計(jì)方法直接給出阻塞導(dǎo)致的額外損耗。兩種模型的選擇取決于仿真精度和計(jì)算量的權(quán)衡。模型 A 適合需要精細(xì)空間一致性的場(chǎng)景模型 B 適合大規(guī)模系統(tǒng)級(jí)仿真。這里的設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī)很實(shí)際在毫米波頻段人體和車(chē)輛遮擋是鏈路中斷的主要原因之一。如果仿真里不考慮阻塞你會(huì)高估覆蓋范圍。但精確建模每個(gè)阻塞物的位置和運(yùn)動(dòng)又太貴。報(bào)告給出兩種模型實(shí)際上是給了你一個(gè)旋鈕往左擰是精度往右擰是速度。我一般會(huì)這么理解阻塞模型的選擇應(yīng)該跟你的仿真目標(biāo)匹配做鏈路級(jí)評(píng)估用模型 A做系統(tǒng)級(jí)覆蓋分析用模型 B別拿一個(gè)模型打天下。4. CDL 與 TDL鏈路級(jí)仿真的輕量級(jí)入口4.1 為什么需要 CDL 和 TDL而不是直接用 fast fading 模型第 7.7 節(jié)給出了 clustered delay lineCDL和 tapped delay lineTDL模型。這兩個(gè)模型可以理解為 fast fading 模型的“降維版本”。CDL 預(yù)設(shè)了若干組固定的簇參數(shù)時(shí)延、功率、角度你直接拿來(lái)用就行不需要每次生成隨機(jī)簇。TDL 則進(jìn)一步簡(jiǎn)化只保留時(shí)延和功率不包含角度信息。為什么需要它們因?yàn)殒溌芳?jí)仿真往往要跑成千上萬(wàn)次每次都用完整的 fast fading 生成流程太慢。CDL 和 TDL 提供了一種可復(fù)現(xiàn)、計(jì)算量小的替代方案適合做算法性能的快速對(duì)比。報(bào)告里給出了 CDL-A 到 CDL-E 以及 TDL-A 到 TDL-E 的具體參數(shù)表。這些字母代號(hào)對(duì)應(yīng)不同的時(shí)延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展組合。常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)思路是先用 CDL 做初步驗(yàn)證確認(rèn)算法在典型信道下的性能再用完整的 fast fading 模型做精細(xì)評(píng)估。如果你直接用 CDL 的結(jié)論去推斷實(shí)際部署性能可能會(huì)忽略空間一致性、阻塞等效應(yīng)。CDL 是入口不是終點(diǎn)。4.2 角度縮放與相關(guān)矩陣CDL/TDL 的擴(kuò)展用法第 7.7.5 節(jié)給出了 CDL 和 TDL 的擴(kuò)展方法。CDL 擴(kuò)展是角度縮放通過(guò)一個(gè)縮放因子調(diào)整簇的角度擴(kuò)展用來(lái)匹配不同的天線配置。TDL 擴(kuò)展是施加相關(guān)矩陣把空間相關(guān)性注入到原本沒(méi)有角度信息的 TDL 模型里。這兩個(gè)擴(kuò)展的設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī)是CDL 和 TDL 本身是“固定”的但實(shí)際仿真需要一定的靈活性。角度縮放讓你在不改變簇結(jié)構(gòu)的前提下調(diào)整空間特性相關(guān)矩陣讓你在 TDL 上模擬 MIMO 效果。這里有一個(gè)參數(shù)說(shuō)明值得注意角度縮放因子不是越大越好?？s放過(guò)度會(huì)導(dǎo)致角度擴(kuò)展超出物理合理范圍合成信道的空間相關(guān)性會(huì)失真。我一般會(huì)這么理解CDL/TDL 的擴(kuò)展是“調(diào)味料”不是“主菜”。主菜還是第 7.5 節(jié)的完整模型擴(kuò)展只是讓你在快速仿真時(shí)有一點(diǎn)調(diào)整空間。5. 避坑與排查信道模型仿真里最容易翻車(chē)的幾件事5.1 現(xiàn)象仿真得到的路徑損耗比鏈路預(yù)算低很多原因場(chǎng)景選錯(cuò)了或者 LOS/NLOS 狀態(tài)判斷邏輯有誤。TR 38.901 的路徑損耗公式對(duì)場(chǎng)景和 LOS 狀態(tài)非常敏感UMa 的 LOS 和 NLOS 公式差異很大。另外O2I 穿透損耗如果漏加室內(nèi)用戶(hù)的接收功率會(huì)虛高。解決先打印出每次 drop 的場(chǎng)景標(biāo)簽和 LOS 狀態(tài)跟報(bào)告第 7.4 節(jié)的場(chǎng)景表逐項(xiàng)核對(duì)。O2I 場(chǎng)景要確認(rèn)穿透損耗是否按入射角計(jì)算而不是用一個(gè)常數(shù)。5.2 現(xiàn)象MIMO 容量曲線在高頻段異常偏高原因天線極化建模被簡(jiǎn)化成了全向輻射或者交叉極化比參數(shù)沒(méi)設(shè)對(duì)。高頻段的天線陣列通常尺寸小、陣元多極化效應(yīng)對(duì)空間相關(guān)性影響很大。忽略極化會(huì)導(dǎo)致信道矩陣的條件數(shù)偏小容量被高估。解決檢查天線端口映射和極化模型是否按第 7.3 節(jié)實(shí)現(xiàn)。確認(rèn)交叉極化比參數(shù)與你的天線配置匹配。如果用的是 CDL 模型檢查角度縮放因子是否合理。5.3 現(xiàn)象加了空間一致性之后接收功率不守恒原因在信道系數(shù)層面做平滑而不是在隨機(jī)變量層面做相關(guān)處理。平滑操作改變了信道系數(shù)的幅度分布導(dǎo)致平均功率偏離路徑損耗模型的預(yù)期。解決按第 7.6.3 節(jié)的流程在簇參數(shù)生成階段引入空間相關(guān)性而不是對(duì)最終信道矩陣做濾波。平滑前后要檢查功率歸一化確保每個(gè) drop 的總功率與路徑損耗一致。5.4 現(xiàn)象阻塞模型跑出來(lái)的中斷概率跟實(shí)測(cè)對(duì)不上原因阻塞物的密度或尺寸參數(shù)設(shè)置不合理或者模型 A 和模型 B 混用。模型 A 的阻塞物分布是隨機(jī)的參數(shù)需要根據(jù)場(chǎng)景校準(zhǔn)。模型 B 的統(tǒng)計(jì)參數(shù)也有適用范圍。解決先確認(rèn)你的仿真目標(biāo)適合哪種模型。鏈路級(jí)評(píng)估用模型 A系統(tǒng)級(jí)用模型 B。參數(shù)校準(zhǔn)要參考報(bào)告給出的典型值不要隨意放大或縮小阻塞物密度。5.5 現(xiàn)象CDL 模型的仿真結(jié)果跟完整模型差異很大原因CDL 是固定簇參數(shù)缺乏隨機(jī)性和空間一致性。如果你的算法依賴(lài)信道的隨機(jī)變化或空間平滑性CDL 會(huì)給出誤導(dǎo)性的結(jié)論。解決把 CDL 當(dāng)作快速驗(yàn)證工具最終結(jié)論要用第 7.5 節(jié)的完整 fast fading 模型確認(rèn)。如果必須用 CDL至少用角度縮放和相關(guān)矩陣擴(kuò)展來(lái)增加一點(diǎn)靈活性并在結(jié)論里注明模型限制。6. 設(shè)計(jì)取舍為什么這份報(bào)告選擇“統(tǒng)計(jì)幾何”的混合路線走到這里可以回頭看看 TR 38.901 的整體設(shè)計(jì)哲學(xué)。它沒(méi)有選擇純射線追蹤因?yàn)樯渚€追蹤需要精確的環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)而 3GPP 的評(píng)估場(chǎng)景是統(tǒng)計(jì)意義上的典型環(huán)境不是某個(gè)具體城市。它也沒(méi)有選擇純統(tǒng)計(jì)模型因?yàn)榧兘y(tǒng)計(jì)模型無(wú)法描述大規(guī)模 MIMO 和毫米波頻段的空間特性。最終它選擇了一條混合路線用統(tǒng)計(jì)方法生成簇和射線的參數(shù)用幾何方法合成信道。這個(gè)取舍的代價(jià)是模型復(fù)雜度高、參數(shù)多但換來(lái)的是在廣泛場(chǎng)景下的可復(fù)現(xiàn)性和可比性。一個(gè)值得思考的驗(yàn)證方法是拿同一組參數(shù)分別跑 CDL 和完整 fast fading 模型比較兩者的二階統(tǒng)計(jì)量時(shí)延擴(kuò)展、角度擴(kuò)展、空間相關(guān)性。如果差異在可接受范圍內(nèi)說(shuō)明你的完整模型實(shí)現(xiàn)沒(méi)有大問(wèn)題。另一個(gè)方法是做鏈路預(yù)算的閉環(huán)驗(yàn)證用路徑損耗模型算出的平均接收功率應(yīng)該跟 fast fading 模型跑出來(lái)的長(zhǎng)時(shí)間平均功率吻合。如果不吻合大概率是功率歸一化或穿透損耗出了問(wèn)題。我自己的習(xí)慣是每次搭一個(gè)新的仿真鏈路先跑一遍第 7.4 節(jié)的路徑損耗和陰影衰落確認(rèn)大尺度特性對(duì)得上再往上疊 fast fading 和天線模型。這個(gè)順序不能反反了就會(huì)在細(xì)節(jié)里迷失。從那以后我每次改信道模型參數(shù)都強(qiáng)制走一遍“路徑損耗→LOS 狀態(tài)→簇參數(shù)→天線合成”的檢查鏈少一步都可能埋雷。希望幫到你。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取