[论文解读] A Generalized Fading Model with Multiple Specular Components

Young Jin Chun|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 48被引用 7

一句话总结

本文提出了多波广义散射衰落（MWGD）与波动多径（FMR）衰落模型，以捕捉具有多个镜像波成分和簇状扩散散射的5G无线信道。通过采用广义伽马分布建模扩散分量，并推导出信号包络的概率密度函数（PDF）与累积分布函数（CDF）的闭式表达式，该模型在保持解析可解性的同时，能准确表征多样化的传播环境，从而实现对容量、中断概率和误比特率等关键性能指标在真实5G条件下的性能分析。

ABSTRACT

The wireless channel of 5G communications will have unique characteristics that can not be fully apprehended by the traditional fading models. For instance, the wireless channel may often be dominated by a finite number of specular components, the conventional Gaussian assumption may not be applied to the diffuse scattered waves and the point scatterers may be inhomogeneously distributed. These physical attributes were incorporated into the state-of-the-art fading models, such as the kappa-mu shadowed fading model, the generalized two-ray fading model, and the fluctuating two ray fading model. Unfortunately, much of the existing published work commonly imposed arbitrary assumptions on the channel parameters to achieve theoretical tractability, thereby limiting their application to represent a diverse range of propagation environments. This motivates us to find a more general fading model that incorporates multiple specular components with clusterized diffuse scattered waves, but achieves analytical tractability at the same time. To this end, we introduced the Multiple-Waves with Generalized Diffuse Scatter (MWGD) and Fluctuating Multiple-Ray (FMR) model that allow an arbitrary number of specular components and assume generalized diffuse scattered model. We derive the distribution functions of the signal envelop in closed form and calculate second order statistics of the proposed fading model. Furthermore, we evaluate the performance metrics of wireless communications systems, such as the capacity, outage probability, and average bit error rate. Through numerical simulations, we obtain important new insights into the link performance of the 5G communications while considering a diverse range of fading conditions and channel characteristics.

研究动机与目标

• 为解决传统衰落模型在表征以有限镜像波成分主导且扩散散射非高斯的5G信道时的局限性。
• 开发一种广义衰落模型，能够同时包含多个镜像波与簇状扩散波，同时保持解析可解性。
• 推导信号包络PDF与CDF的闭式表达式，以支持5G系统中实际性能评估。
• 在多样化衰落条件下，评估系统级关键性能指标——容量、中断概率与平均误比特率。

提出的方法

• 提出MWGD模型，包含N个镜像波成分，其扩散分量通过伽马分布建模。
• 引入FMR模型，其中每个镜像波成分的功率服从伽马分布，从而实现幅度的波动性。
• 利用包含修正贝塞尔函数与合流超几何函数的积分表达式，推导出包络PDF与CDF。
• 采用广义拉盖尔多项式级数展开表达PDF与CDF，支持基于矩的近似方法。
• 利用矩生成函数与递推公式，计算信号包络的偶数阶矩。
• 应用广义伽马分布对扩散分量进行建模，以实现非瑞利行为，并捕捉簇状效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何构建一种广义衰落模型，以表征具有多个主导镜像波成分和非均匀分布散射体的5G信道？
• RQ2 包含多个镜像波与广义扩散分量的衰落模型，其包络PDF与CDF的闭式表达式是什么？
• RQ3 与TWDP和GTR等现有模型相比，所提模型在拟合真实5G测量数据与解析可解性方面表现如何？
• RQ4 簇状扩散散射与非均匀相位分布对系统级性能指标（如中断概率与误比特率）有何影响？
• RQ5 所推导的模型能否在包括毫米波与大规模MIMO场景在内的多样化传播环境中，支持5G系统性能评估的准确性？

主要发现

• MWGD与FMR模型提供了包络PDF与CDF的闭式表达式，支持无需数值积分的精确性能分析。
• FMR模型中镜像波成分功率采用伽马分布，可实现幅度波动建模，相比固定幅度模型更具现实性。
• 推导出的PDF与CDF采用合流超几何函数与广义拉盖尔多项式表达，支持基于矩的近似与高效计算。
• 模型能准确捕捉簇状扩散散射效应，其中由于散射体数量有限或存在相关性，中心极限定理不再适用。
• 数值结果表明，所提模型为5G系统提供了显著的性能洞察，尤其在以主导镜像波成分为主的高频段中表现突出。
• 与传统模型（如TWDP与瑞利衰落）相比，该模型在具有强视 Line-of-Sight 与簇状多径的环境中展现出更优的实测数据拟合效果。