3GPP LTE空间信道模型SCM仿真及信道系数生成系统

资 源 简 介

本项目完整实现了符合3GPP TR 25.996标准的空间信道模型（SCM），专门用于LTE无线通信系统的链路级仿真。系统能够模拟郊区宏小区（Suburban Macro）、城市宏小区（Urban Macro）和城市微小区（Urban Micro）等多种典型地理环境。其核心功能在于基于统计概率分布生成复杂的MIMO信道矩阵，涵盖了多径时延、路径损耗、阴影衰落以及精细的角度参数设置。通过对每个簇内的子径进行矢量叠加，精确重构空间相关性、极化特性以及多普勒扩展。该仿真器能够灵活配置基站（eNodeB）和用户终

详 情 说 明

3GPP LTE 空间信道模型（SCM）仿真与信道系数生成系统

项目介绍

本项目是一个基于 MATLAB 开发的无线通信仿真平台，完整实现了 3GPP TR 25.996 标准定义的空间信道模型（SCM）。该系统专门用于 LTE 链路级仿真中的多天线（MIMO）信道生成，能够模拟真实的电波传播环境。通过对时延扩展、角度扩展、多普勒频移以及天线阵列几何结构的精确建模，系统能够产生成对时间内连续变化的复数信道增益矩阵，为物理层算法开发（如波束成形、均衡、自适应调制编码）提供可靠的测试基准。

功能特性

• 多场景环境模拟：支持郊区宏小区（Suburban Macro）、城市宏小区（Urban Macro）及城市微小区（Urban Micro）三种标准定义的地理场景，每种场景均配有特定的时延扩展和角度扩展参数。
• 标准簇模型实现：采用 6 路径（Cluster）架构，每条路径由 20 个子径（Subpath）通过矢量叠加而成，严格遵循 3GPP 标准的微结构定义。
• 灵活的 MIMO 配置：支持基站（eNodeB）与用户终端（UE）任意数量的线阵（ULA）配置，允许自定义天线间距。
• 动态衰落模拟：集成多普勒扩展计算，能够模拟不同移动速度下（km/h）的随时间连贯演变的小尺度衰落特性。
• 统计验证工具：内置信道分析模块，可实时生成功率时延谱（PDP）、衰落包络、多普勒功率谱密度以及 MIMO 矩阵的特征值分布图。

使用方法

1. 在仿真配置单元修改场景选项（如选择 'Urban_Macro'）及系统基本参数（如载波频率、采样率、移动速度等）。
2. 设置基站和终端的天线数量及间距（以波长为单位）。
3. 运行仿真脚本，系统将自动计算空间参数并进入时变信道迭代生成的循环。
4. 运行结束后，系统将弹出两个可视化窗口，分别展示信道的小尺度衰落特性、宏观统计特性以及三维时变冲激响应图。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 硬件环境：建议 8GB RAM 以上，以支持高采样数下的矩阵运算。

系统实现逻辑与步骤

仿真系统的核心逻辑分为以下五个阶段：

1. 参数初始化与配置：定义仿真物理量，包括 2.1GHz 载波、20MHz 带宽等。计算关键衍生参数，如最大多普勒频移（fd）和采样时间间隔（ts）。
2. 标准场景参数映射：调用内部场景函数，根据选择的场景（如穿越郊区或城市中心）提取标准建议的时延扩展（DS）和角度扩展（AS）基准值。
3. 空间信道参数生成：

* 时延与功率：采用随机生成并排序的方式确定 6 条路径的时延，并根据指数衰减模型分配各路径功率，最后进行功率归一化。 * 角度参数：为每个簇随机分配平均离开角（AoD）和平均到达角（AoA），并应用标准定义的 20 个固定偏移值生成各子径的精细角度。

1. 信道系数核心迭代：

* 系统通过三重循环（路径、子径、时间点）构建递归计算框架。 * 转向矢量计算：利用正弦空间几何关系，计算基站端（Transmit）和终端（Receive）的相位响应向量。 * 相位与多普勒叠加：为每个子径分配随机初始相位，并结合时间向量、多普勒频移（由移动速度和角度共同决定）进行矢量合并。

1. 结果统计分析：将生成的四维张量（接收天线 x 发射天线 x 路径 x 时间）进行切片分析，提取单一链路的衰落包络，并通过空间相关矩阵的特征分解评估空间独立性。

关键函数与算法说明

• 场景参数加载模块：该功能作为属性映射表，根据输入的场景字符串返回对应的 DS 和 AS 物理参数。这是保证仿真符合 3GPP 标准的前提。
• 子径偏置算法：使用了 TR 25.996 规定的 20 个特定偏移常量，这些常量能够模拟出符合拉普拉斯或高斯分布的角度功率谱，确保空间相关性的准确性。
• MIMO 合成算法：核心采用了 $mathbf{H} = sum sqrt{P} cdot alpha cdot mathbf{a}_r cdot mathbf{a}_t^H cdot e^{j phi} cdot e^{j 2 pi f_d t}$ 的物理模型。其中 $mathbf{a}_r$ 和 $mathbf{a}_t$ 分别为接收和发送端的阵列流型向量。
• 多普勒功率谱密度分析：利用周期图法（Periodogram）对生成的时域序列进行频谱估计，能够直观观察到多普勒扩展后的频谱展宽现象。
• 三维冲激响应演变（CIR）：通过将多径信息投影到采样网格上，构建了随时间变化的时延轴图像，能够清晰地展示信道在时延域和时间域的双重选择性衰落。