CN101087165A

CN101087165A - 一种多输入多输出系统中产生多径衰落信号的方法

Info

Publication number: CN101087165A
Application number: CNA2006100831227A
Authority: CN
Inventors: 王衍文; 李斌; 王强
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2006-06-05
Filing date: 2006-06-05
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2026-06-05
Also published as: CN101087165B

Abstract

本发明提出一种多输入多输出系统中产生多径衰落信号的方法，包括：设置入射角度、角度扩展和功率角度谱及阵列中天线间距等信道初始参数；根据设置的信道初始参数，得到基站和移动台两端的相关矩阵；对基站和移动台两端的相关矩阵做直积，得到整体空间相关矩阵；对整体空间相关矩阵进行矩阵分解，得到独立衰落信道响应；根据功率角度谱及信道散射模型，估计信道的多普勒功率延迟谱；根据得到的多普勒功率延迟谱，估计信道的时间延迟谱；根据得到的多普勒功率延迟谱和时间延迟谱，构造FIR滤波器；产生多径衰落信号。所述方法，能产生用于被测试通信系统所需的多输入多输出多径衰落信道，且能达到信道数据相关性以及概率密度分布、功率谱等要求。

Description

一种多输入多输出系统中产生多径衰落信号的方法

技术领域

本发明涉及无线移动通信系统中的信号产生技术，尤其涉及多输入多输出(MIMO，Multi-Input Multi-Output)系统中的多径衰落信号产生方法。

背景技术

通常在多输入多输出无线通信系统中，从基站多天线发射的无线信号，由于自然障碍物或人工建筑物等物体的阻挡和反射，到达移动终端的信号已经不是单一的直达径，而是从不同方向来的多条路径。在通信系统设备的研制、调试和生产中，为了确定系统在各种复杂多径传输环境中的通信质量，需要提供一种测试方法来模拟信号在空中的传播，以对多输入多输出无线通信系统性能进行检验。

对于多输入多输出无线通信系统的检验和测试，提供测试信道是必要的。该信道需要模拟信号在空中的传播特性，包括多径特性、衰落特性、噪声特性和多普勒频移特性等，要完整的模拟信号在空中的传播特性是非常困难的，通常采用一种理论或经验公式来模拟信号在空中的传播特性。

在专利申请CN02112500“一种分集衰落产生及应用方法”中给出了一种分集衰落的产生方法。在该专利申请中，分集衰落可以产生任意相关系数的衰落数据，直接应用于检测分集算法仿真，可应用到2G、3G中所有分集信道的仿真中。但是该方法只能适用于单输入单输出系统，无法应用于MIMO系统的信道建模。

也可以采用信道模拟器这样的装置来模拟空中信道，但是这类仪器一般比较大且笨重，移动携带不很方便，不易随时随地与待测系统构成一体进行测试检验。而且信道模拟器价格昂贵，其中的信道模型产生方法已经固化，不能满足特定系统的测试需求。加之目前的信道模拟器多是单入单出的，无法用于MIMO系统的性能测试和验证。

此外，目前的多输入多输出衰落模型多采用3GPP推荐的空间信道模型(SCM，SpatialChannel Model)模型，该模型运算量较大，且所产生信道的相关性不直观，不易考察信道相关性对系统性能的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种多输入多输出系统中产生多径衰落信号的方法，使其能产生用于被测试通信系统所需的多输入多输出多径衰落信道，利用此方法可以给出具有一定相关特征的数据，达到多输入多输出信道的数据相关性以及概率密度分布、功率谱等要求。

本发明具体是这样实现的：

一种多输入多输出系统中产生多径衰落信号的方法，包括如下步骤：

第一步，设置入射角度、角度扩展和功率角度谱及阵列中天线间距等信道初始参数；

第二步，根据设置的信道初始参数，得到基站端的相关矩阵；

第三步，根据设置的信道初始参数，得到移动台端的相关矩阵；

第四步，对基站和移动台两端的相关矩阵做直积，得到整体空间相关矩阵；

第五步，对整体空间相关矩阵进行矩阵分解，得到独立衰落信道响应；

第六步，根据功率角度谱及信道散射模型，估计信道的多普勒功率延迟谱；

第七步，根据得到的多普勒功率延迟谱，估计信道的时间延迟谱；

第八步，根据得到的多普勒功率延迟谱和时间延迟谱，构造FIR滤波器；

第九步，产生多径衰落信号。

所述基站和移动台两端的天线阵列具有相同的极化和发射方式。

所述第四步中：

在上行链路方式时，整体空间相关矩阵是移动台端的相关矩阵与基站端的相关矩阵的直积；

在下行链路方式时，整体空间相关矩阵是基站端的相关矩阵与移动台端的相关矩阵的直积。

所述第五步具体是这样实现的：

先对整体空间相关矩阵进行矩阵分解，得到初始信道响应矩阵，并使矩阵中系数在一定的时间点上进行时域采样，从而得到多维独立衰落信道响应。

所述第八步中FIR滤波器的模型为：

h (t, τ) = Σ_{i = 1}^{K} P_{i} (t) \cdot δ (τ - τ_{i}),

其中K表示散射体的个数，P_i和τ_i分别为单个散射体所对应的功率和时间延迟。

所述第九步中多径衰落信号是通过如下模型产生，所述模型为基站端相关矩阵的开、多输入多输出系统的信道模型和移动台端相关矩阵的开方三者之间的乘积。

本发明采用的基于空间相关性产生多径衰落信号的方法具有如下特点：

(1)相对3GPP SCM方法而言较为简单，且所产生信道的相关性直观；

(2)根据给定的初始参数，采用数值方法产生多输入多输出多径衰落，多径数据幅度随时间动态变化，可以满足不同场景的测试需求；

(3)可以直接用于检测多输入多输出算法和多输入多输出通信系统设备的性能效果，在一定程度上避免了实测，降低了开发成本；

(4)本发明的方法可以独立应用于多径衰落信号产生中，也可以作为待检测设备的一个部分，应用到各种不同的系统中，并根据不同需求对各种场景进行模拟，从而对多输入多输出系统设备进行测试和问题分析定位，在工程应用中灵活便利、实用有效。

附图说明

图1是本发明所述的MIMO系统中产生多径衰落信号的流程图；

图2是本发明所述的空中信道多径时延示意图。

具体实施方式

图1是本发明所述的MIMO系统中产生多径衰落信号的流程图，包括以下步骤：

步骤100，设置入射角度AOA、角度扩展AS和功率角度谱PAS及阵列中天线矩阵等初始参数。

步骤101，根据设置的信道初始参数，得到基站端的相关矩阵。

MIMO信道模型一般写成如下形式：

其中h_mn代表从移动端的天线n到接收端的天线m之间的复传输系数。h_mn可根据移动端和基站端的参数：如入射角度(AOA)、方位角扩展(AS)、功率角度谱(PAS)以及阵列中天线间距等计算得到。

由上述信道系数可得基站端相关矩阵R_BS，假设发射接收两端的天线阵列具有相同的极化和发射方式，则基站端两天线m₁，m₂间的空间复相关系数为：

ρ_{m_{1}, m_{2}}^{BS} = < h_{m_{1} n,} h_{m_{2} n} >

其中<a，b>表示a和b间相关系数的计算，表示为：

ρ = < a, b > = \frac{E [ab] - E [a] E [b]}{\sqrt{(E [a^{2}] - {E [a]}^{2}) (E [b^{2}] - E {[b]}^{2})}}

由此可以得到基站端的相关矩阵

步骤102，根据信道初始参数，利用与步骤101中同样的方法得到移动台端相关矩阵R_MS。

其中

ρ_{n_{1}, n_{2}}^{MS} = < h_{{mn}_{1},} h_{{mn}_{2}} > .

步骤103，对收发两侧的相关矩阵做直(Kroneckor)积，得到整体空间相关矩阵R_MIMO；

对于上行链路方式，即移动台发射，基站接收时，有R_MIMO＝R_MSR_BS；

对于下行链路方式，即移动台接收，基站发射时，有R_MIMO＝R_BSR_MS，其中表示Kroneckor积。

步骤104，对整体空间相关矩阵R_MIMO进行矩阵分解，得到初始信道响应矩阵，并使矩阵中系数在L个时间点上进行时域采样，从而得到L×M×N三维独立衰落信道响应。

在估计中假定接收天线的远区场只存在很少的强反射体，一个强反射体的发射信号代表一个可分辨径，此可分辨径同样是由大量的入射波合成的，这些入射波的相对时延很小，不能为接收机所分辨。并且假定接收机所能分辨的可分辨径数目为L，即多径数目为L，平均P个不可分辨径合成一个可分辨的主径。

步骤105，根据收发两端的功率角度谱以及信道散射模型计算得到多普勒功率谱。

步骤106，利用上一步骤中计算得到的多普勒功率延迟谱计算出相对应的时间延迟谱。

步骤107，根据步骤105和步骤106分别估计出的多普勒功率谱和时间延迟谱，构造FIR滤波器。

此滤波器的模型为：

h (t, τ) = Σ_{i = 1}^{K} P_{i} (t) \cdot δ (τ - τ_{i}),

其中K表示散射体的个数，P_i和τ_i分别为单个散射体所对应的功率和时间延迟，其中空中信道多径时延的产生方式参见图2说明，然后与步骤104中得到的三维独立衰落信道响应进行相乘，得到滤波器。

步骤108，根据下述模型产生信道：

\tilde{H} = sqrt (R_{BS}) \cdot H \cdot sqrt (R_{MS}),

其中sqrt()表示开方运算。

图2是本发明所述的空中信道多径时延示意图。

空中信道会导致多径效应，各径延时不尽相同，每条径都会受到来自其它径的符号间干扰。为便于说明，设空中信道的冲激相应为：h(t)＝δ(t)+δ(t-τ)。

当SymbNum＝0时，

发射端发送的符号为S0，空中信道把输入的S0分成两径，第一径为S0，第二径被延时τ，由于延时的影响，第二径被分成两部分，s0n1和s0n2，其中s0p1和第S0被同时发出，用以模拟两径间的符号间干扰，s0n2则被缓存在信道中用以仿真下一个符号的符号间干扰；

在接收端，接收端收到的是S0和s0n1叠加后的信号，s0n2由于被缓存在信道中，接收端无法知道s0n2的信息。

当SymbNum＝1时，

符号S1被发射端发送，与第一个符号相同，空中信道仍会把S1分成两径，第二径相对第一径延时为τ，加上S0缓存在信道中的部分s0n2，第二径由s0n2、s1n1和s1n2三部分组成，其中s0n2、s1n1和S1同时发出，s1n2则被缓存在空中信道中用以模拟下一个符号的符号间干扰；

在接收端，接收端收到的是S1、s0n2和和s1n1叠加后的信号，s1n2部分由于被缓存在信道中，接收端无法知道s1n2的信息。

当SymbNum＝2时，符号S2被发射端发出，其处理过程和符号S1完全相同，如此往复。

值得关注的是：由于延时的影响，接收端的信号常常是不完整的，如当SymbNum＝0时，s0n2没有收到；当SymbNum＝1时，s1n2没有收到。

此外，在某些情况下，接收端可能需要没有收到的部分，如当SymbNum＝0时为s0n2；当SymbNum＝1时为s1n2，这时接收端可以采用缓存以前接收的数据方式，如当SymbNum＝1时，接收端可能还缓存着当SymbNum＝0时收到的数据。

Claims

1、一种多输入多输出系统中产生多径衰落信号的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第九步，产生多径衰落信号。

2、如权利要求1所述的多输入多输出系统中产生多径衰落信号的方法，其特征在于：

3、如权利要求1所述的多输入多输出系统中产生多径衰落信号的方法，其特征在于：

所述第四步中：

4、如权利要求1所述的多输入多输出系统中产生多径衰落信号的方法，其特征在于：

所述第五步具体是这样实现的：

5、如权利要求1所述的多输入多输出系统中产生多径衰落信号的方法，其特征在于：

所述第八步中FIR滤波器的模型为：

h (t, τ) = Σ_{i = 1}^{K} P_{i} (t) \cdot δ (τ - τ_{i}),

6、如权利要求1所述的多输入多输出系统中产生多径衰落信号的方法，其特征在于：所述第九步中多径衰落信号是通过如下模型产生，

所述模型为基站端相关矩阵的开方值、多输入多输出系统的信道模型和移动台端相关矩阵的开方值三者之间的乘积。