第3章
大规模天线无线信道建模
| 3.6 大尺度信道建模 |
3.6.3 路径损耗计算模型
在无线通信系统中，发射端发出的无线信号会经过信道中不同物体的多径反射，不同路径的信号相互作用会引起多径衰落，所以接收端接收到的信号会 有一定程度的损耗。这种无线信道信号的衰减用路径损耗（PL，Path Loss）表 示，单位为 dB，取正值。路径损耗的定义是，有效发射功率和平均接收功率之 间的差值，其中，发射机和接收机的天线增益为 0dBi。它影响接收信号的功率 及性能，是衡量无线信道大尺度衰落的重要指标。在信道建模过程中，路径损 耗与 UE 距离、天线高度、信道场景等参数有关。
本小节介绍 3D 信道的路损模型，是以 ITU 信道为基础拓展得到的。由于需要考虑用户在垂直维度的分布，3D信道的路损模型中增加了UE高度相关性， 并且修改了一些高度参数，包括 UE 高度范围、楼层范围以及环境高度参数。 这些修改是基于实测数据得到的。表 3.4 中定义了各种场景下路损的计算公式 及阴影衰落标准差（Shadow Fading Std）。由于直射径与非直射径传播时产生 的空间损耗不同，所以在每种信道场景下，又分为基于 LOS 和 NLOS 两种用户 位置定义的路径损耗，如表 3.4 所示。
对比表 3.4 与 ITU 信道中路损公式可知，3D 信道的路损公式沿用了大部分 2D 信道的定义，只在涉及 UE 高度时添加了相应的计算因子。3D 信道路损公 式沿用 2D 信道的参数及改进 2D 信道的参数总结如表 3.5 所示。
如前文所述，以上参数的修改是基于实测数据的。此外由表 3.5 可知，在 计算 UMa 场景 LOS 用户的分界点距离 d'BP时，会用到环境高度 hE，根据分析， 在 UMa 场景下需要讨论两类 LOS 用户，即需要分别讨论两类 LOS 用户对应的 环境高度 hE 的取值。
① 类型 1 LOS 用户为基站周围建筑中的用户，基站与 UE 间没有障碍物， 信号的空间多径经过地面反射（Ground Bouncing），环境高度为地面的反射高 度，取 1m。这种用户是 2D 信道中讨论的 LOS 用户，1m的定义是沿用 ITU 信 道中的定义。
② 而类型 2 LOS 用户为距离基站较远的建筑中的高层用户，基站与 UE 间虽然有障碍物，但基站较高，障碍物对高层用户起不到遮挡作用，这类用户 信号的空间多径是通过障碍物屋顶反射（Roof-top Bouncing），其环境高度为 反射屋顶到地面的距离，即基站与 UE 间障碍物建筑的高度。由于 UMa 场景中 定义的建筑物楼层数分布在[4，8]层范围内、每层楼高为 3m，又考虑到障碍物 的高度不会高于 UE 高度，所以规定类型 2 LOS 用户的环境高度取［12，15，…， (hUT–1.5)］范围内的均匀分布。
3.6.4 穿透损耗计算模型
无线信号由架设于室外的基站传输至室内或者车辆内的终端时会经历额 外的衰减，称为穿透损耗。考虑了穿透损耗的室外到室内的路损模型可以表示为：
其中，PLb 是按照 3.6.3 节计算出来的基本室外传播损耗，通过将 d3D替换 为 d3D-out+d3D-in计算得到。PLtw是无线信号穿过建筑物的外墙壁所带来的损耗， PLin无线信号在室内传播所带来的额外损耗，取决于接收端在建筑物内的深度， σP 为穿透损耗的标准差。
PLtw可以表示为：
PLnpi 是非垂直入射外墙壁所带来的额外损耗，Lmaterial_i=amaterial_i+bmaterial_if 是第 i 种材料所带来的穿透损耗，pi 是第 i 种材料在墙体材料中所占的比例，N 是材料的种类数。表 3.6 给出了一些常见材料的穿透损耗。
表 3.7 给出了两类 O2I（Outdoor-to-Indoor）穿透损耗的模型的 PLtw、PLin、 和 σP 取值。
对于 UMa 和 UMi 场景，d2D-in=min(a，b)，其中 a 和 b 是独立生成的[0，25] 内均匀分布的随机数。对于 RMa 场景，d2D-in=min(a，b)，其中 a 和 b 是独立生 成的[0，10]内均匀分布的随机数。高穿透损耗和低穿透损耗模型都可以应用于 UMa 和 UMi 场景，只有低穿透损耗模型可以应用于 RMa 场景。
如果频点在 6GHz 以下，UMa 和 UMi 的穿透损耗则用表 3.8 计算。
对于室外用户，考虑车体穿透损耗后的路损模型为：
其中，PLb 是按照 3.6.3 节计算出来的基本室外传播损耗，μ=9，σP=5。仿 真中，须为每个室外用户独立地生成车体穿透损耗。