3D-MIMO信道模型的MATLAB模拟与仿真

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1.算法仿真效果

matlab2022a仿真结果如下(完整代码运行后无水印):

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2.算法涉及理论知识概要

        3D-MIMO(三维大规模多输入多输出)技术是第五代移动通信(5G)及未来无线通信系统的关键技术之一,它通过在三维空间中部署天线阵列,显著增加了空间自由度,从而提升了系统容量和覆盖范围。3D-MIMO信道模型旨在描述信号在复杂城市环境中传播的物理过程,包括城市宏小区(UMa)、城市微小区(UMi)、农村宏小区(RMa)场景,以及视线(LOS)和非视线(NLOS)传播条件。

 

2.1 信道模型基础

      3D-MIMO信道模型通常基于几何绕射理论(GSCM)或统计模型构建,其中包含了路径损耗、阴影衰落、多径效应、以及空间相关性等关键要素。

 

2.2 场景划分

城市宏小区(UMa):适用于高楼林立的城市中心区域,天线高度较高,建筑物密集。

 

城市微小区(UMi):适用于城市街道、商业区等,天线高度较低,建筑物较矮,用户设备靠近地面。

 

农村宏小区(RMa):对应开阔乡村或郊区环境,天线高度较高,障碍物较少。

 

2.3 视线与非视线传播

LOS(Line-of-Sight):指信号直接从发射端到接收端的无遮挡传播路径。

 

NLOS(Non-Line-of-Sight):信号传播过程中遭遇建筑物或其他障碍物遮挡,导致信号反射、折射或衍射。

 

2.4 路径损耗模型

 

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2.5 多径效应

多径效应通过瑞利或多径莱斯衰落模型描述,以莱斯因子K定义的莱斯衰落为例:

 

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2.6 空间相关性

空间相关性通过天线阵列的互相关函数表示,对于均匀线性阵列,空间相关系数可以表示为:

 

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2.7 UMa, UMi, RMa特定模型差异

UMa场景通常具有更高的建筑物导致的阴影衰落和多径效应,LOS路径较多,路径损耗模型中的n值相对较小。

 

UMi场景因建筑物较低,NLOS情况更多,路径损耗较高,阴影衰落和多径效应更为复杂。

 

RMa场景由于开阔,LOS路径为主,路径损耗模型中考虑更多的是自由空间损耗和大气衰减。

 

3.MATLAB核心程序 `% 绘制UMa场景的LOS概率曲线

plot(dists, P_uma, 'r-', 'LineWidth', 2) % 红色线表示

hold on % 保持图形以便叠加其他曲线

 

%% 城区微小区(UMi)场景

% 获取UMi场景的信道参数

Y_umi = func_3DMIMO_Channel('UMi');

% 初始化LOS概率数组

P_umi = zeros(size(dists));

% 计算每个距离对应的LOS概率(注意:此处未使用h_UT_m,可能需根据实际函数需求调整)

for k=1:length(P_umi)

    P_umi(k) = Y_umi.Pr_LOS(dists(k));

end

% 绘制UMi场景的LOS概率曲线

plot(dists, P_umi, 'b-', 'LineWidth', 2) % 蓝色线表示

 

%% 宏小区农村(RMa)场景

% 获取RMa场景的信道参数

Y_rma = func_3DMIMO_Channel('RMa');

% 初始化LOS概率数组

P_rma = zeros(size(dists));

% 计算每个距离对应的LOS概率(同样未使用h_UT_m,需确认函数接口)

for k=1:length(P_rma)

    P_rma(k) = Y_rma.Pr_LOS(dists(k));

end

% 绘制RMa场景的LOS概率曲线

plot(dists, P_rma, 'g-', 'LineWidth', 2) % 绿色线表示

 

% 添加图形元素

xlabel("距离(m)") % 设置横坐标标签及字体大小

ylabel("LOS概率")   % 设置纵坐标标签及字体大小

grid on % 显示网格

legend('UMa场景的LOS概率', 'UMi场景的LOS概率', 'RMa场景的LOS概率') % 图例,标明各线条代表的场景

title('用户终端高度为35米');

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