CN101997623B - 多天线信道模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种多天线信道模拟系统及方法，该多天线信道模拟系统包括：多天线模拟单元，用于根据从输入设备输入的相关参数建立一个多天线系统三维模型，模拟出多天线三维系统的远场场形，以及获取各天线在水平面上的远场场形；天线相关度计算单元，用于根据各天线在水平面上的远场场形产生各天线的水平角能量分布频谱，以及根据各天线的水平角能量分布频谱计算各天线之间的相关度；天线信道产生单元，用于根据各天线的远场场形以及各天线之间的相关度产生多天线输入输出的系统信道。实施本发明，能够模拟出复杂的多天线输入输出系统信道以及节约模拟多天线信道系统的成本，并能够提供具有稳定效能的信道模拟结果。

Description

多天线信道模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及一种天线输入输出系统，特别是关于一种多天线信道模拟系统及方法。

背景技术

在如今的无线通讯时代，由于无线网通产品日趋重要导致无线网通产品的需求快速地成长。有关无线网通产品的通讯质量中，最重要的一环即为高频天线的设计。此外，由于日益增加的数据传输质量以及数据量的增加需求，多天线输入输出(MIMO)系统亦在此番规格竞赛中脱颖而出。各种通讯规格的MIMO系统都将应用于高度多路径散射的环境中，使得MIMO系统更能受益于通讯质量的提升。

MIMO系统提供了增加系统效能以及容量的可能性，因此测试MIMO系统组件需要提供一个能正确且高效率展现无线通道的仿真平台。然而，提供一个在真实信道环境下的MIMO系统常常是困难重重，其主要原因是MIMO系统需要许多的传送/接收信道组合。以一般常见的2X2MIMO系统为例，由于该系统本身含有四个信道，如果仅仅利用两个单独无相关性的通道，并无法仿真出多通道效应。

一般常见的通道测试仿真方式有两种：真实信道量测纪录方法以及硬件型信道仿真器的测试方式。其中，真实信道量测纪录方法对于正处设计或验证阶段的无线产品并不是一种有效率的方法，其主要原因是由于通道的敏感性而不可掌控通道特性，以及由于通道的不稳定性因而需要进行不同环境的多次量测。硬件型信道仿真器的测试方法需要采用特殊硬件加速装置制作的信道仿真器，其具有实时的优异运算效益，使得能够提供真实的通道效应。然而，由于信道仿真器的硬件扩充性的限制而无法实现太复杂的MIMO系统，以及由于信道仿真器的成本价格较高而不能成为大众化的测试方式。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种多天线信道模拟系统，能够模拟出复杂的多天线输入输出系统信道以及提供具有稳定效能的信道模拟结果。

此外，还有必要提供一种多天线信道模拟方法，能够模拟出复杂的多天线输入输出系统信道以及提供具有稳定效能的信道模拟结果。

一种多天线信道模拟系统包括：多天线模拟单元、天线相关度计算单元以及天线信道产生单元。所述的多天线模拟单元用于根据从输入设备输入的相关参数建立一个多天线系统三维模型，模拟出多天线三维系统的远场场形，以及获取各天线在水平面上的远场场形。所述的天线相关度计算单元用于根据各天线在水平面上的远场场形产生各天线的水平角能量分布频谱，以及根据各天线的水平角能量分布频谱计算各天线之间的相关度。所述的天线信道产生单元用于根据各天线的远场场形以及各天线之间的相关度产生多天线输入输出的系统信道。此外，该多天线信道模拟系统还包括天线信道分析单元，用于将输入信号进行信号编码以及信号调变，将调变信号输入系统信道中进行信道模拟传输，将经系统信道输出的调变信号进行信号解码以及信号逆调变，以及根据逆调变信号分析传输信号的误码率。

一种多天线信道模拟方法，该方法包括如下步骤：根据输入的信道模拟参数建立一个多天线系统三维模型；根据所述的信道模拟参数模拟出多天线三维系统的远场场形；获取各天线在水平面上的远场场形；根据各天线在水平面上的远场场形产生各天线的水平角能量分布频谱；根据各天线的水平角能量分布频谱计算各天线之间的相关度；以及根据各天线的远场场形以及各天线之间的相关度产生一个天线输入输出系统信道。此外，该多天线信道模拟方法还包括如下步骤：将输入信号进行信号编码以及信号调变；将调变信号输入系统信道中进行信道模拟传输；将经系统信道输出的调变信号进行信号解码以及信号逆调变；以及根据逆调变信号分析传输信号的误码率。

相较于现有技术，所述的多天线信道模拟系统及方法能够模拟出复杂的多天线输入输出的信道系统，节约了模拟多天线信道系统的成本，以及提供具有稳定效能的信道模拟结果。

附图说明

图1是本发明多天线信道模拟系统较佳实施例的架构图。

图2是本发明多天线信道模拟方法较佳实施例的流程图。

图3A-3B是由两条天线构成的双天线三维系统模型的示意图。

图4A-4B是各种机率模型的水平角能量分布频谱图。

图5是对信号进行时空编码以及信号调变的示意图。

图6是对信号进行信号解码以及信号逆调变的示意图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明多天线信道模拟系统2较佳实施例的架构图。该多天线信道模拟系统2连接有输入设备1以及显示设备3。所述的输入设备1用于输入建立一个多天线系统三维模型的信道模拟参数，所述的信道模拟参数包括需要建立的天线数量、各天线的电磁场能量强度以及各天线之间的相关系数。所述的显示设备3用于显示建立的多天线系统三维模型。所述的多天线信道模拟系统2包括多天线模拟单元21、天线相关度计算单元22、天线信道产生单元23以及天线信道分析单元24。

所述的多天线模拟单元21用于根据从输入设备1输入的信道模拟参数建立一个多天线系统三维模型，根据输入的电磁场能量强度模拟出多天线三维系统的远场场形，以及获取各天线在水平面上的远场场形。所述的远场场形是指多天线三维系统中的各天线(如图3A-3B所示的天线1和天线2)周围电磁场能量分布情况，当进行天线模拟时，各天线须分别处于激发状态，以得到每一条天线的远场场形。

所述的天线相关度计算单元22用于根据各天线在水平面上的远场场形产生各天线的水平角能量分布频谱，以及根据各天线的水平角能量分布频谱计算各天线之间的相关度。所述的水平角能量分布频谱是一种描述天线接收入射信号的表示方式，通常以机率方法模型表示。在本实施例中，可采用的机率方法模型可以为均匀分布、高斯分布以及拉式分布。

所述的天线信道产生单元23用于根据各天线的远场场形以及各天线之间的相关度产生一个天线输入输出(Multiple-Input Multiple-Output，以下简称“MIMO”)系统信道。本实施例中，一般而言，无线通讯的系统信道以雷利氏分布(Rayleigh distribution)的随机变量来进行模拟，所谓的雷利氏分布是指由二维不相关常态分布的随机变数组成的数字分布。

所述的天线信道分析单元24用于将输入信号进行时空编码，并将编码信号进行数字信号调变产生调变信号，并将上述调变信号输入MIMO系统信道中进行信道模拟传输。在本实施例中，使用的多天线编码系统为一种Alamouti时空编码器(Alamouti Space-Time BlockEncoder)。

所述的天线信道分析单元24还用于将经MIMO系统信道输出的调变信号进行解码，并将解码信号进行数字信号逆调变。当天线信道分析单元24将调变信号送入MIMO系统信道后，即立刻需在天线接收端解调分析输出的调变信号，解码后的信号再依据数字信号调变方式进行逆调变，进行逆调变的动作，从而还原出原来的输入信号。

所述的天线信道分析单元24还用于根据逆调变信号分析出传输信号的误码率。在本实施例中，当天线信道分析单元24完成信号逆调变之后，便能进行信号的误码率分析，以便验证经过MIMO系统信道传输后的信号质量。

如图2所示，是本发明多天线信道模拟方法较佳实施例的流程图。步骤S20，从输入设备1输入信道模拟参数，多天线模拟单元21根据输入的信道模拟参数建立一个多天线系统三维模型。所述的信道模拟参数包括需要建立的天线数量、各天线的电磁场能量强度以及各天线之间的相关系数。本实施例中，以建立一个双天线三维系统模型为例，当输入天线数量为2时，多天线模拟单元21则建立一个双天线三维系统模型10。如图3A 3B所示，双天线三维系统模型10包括天线1以及天线2，图3A为天线1和天线2平行摆置的双天线三维系统模型，图3B为天线1和天线2垂直相交摆置的双天线三维系统模型。

步骤S21，多天线模拟单元21根据输入的电磁场能量强度模拟出多天线三维系统的远场场形，所述的远场场形是指多天线三维系统中的各天线(例如天线1和天线2)周围电磁场能量分布情况，当进行天线模拟时，各天线须分别处于激发状态，以得到每一条天线的原场场形。步骤S22，多天线模拟单元21获取各天线在水平面上的远场场形，如图3A-3B所示，多天线模拟单元21沿x方向以及y方向获取每一条天线的E_θ向量分量以及E_ψ向量分量，其中，“E”为电磁场能量，“θ”以及“ψ”为偏移x方向和y方向的角度。

步骤S23，天线相关度计算单元22根据各天线在水平面上的远场场形产生各天线的水平角能量分布频谱(Power Azimuth Spectrum，以下简称为“PAS”)。所述的水平角能量分布频谱是一种描述天线接收入射信号的表示方式，通常以机率方法表示。在本实施例中，可采用的机率模型可以为均匀分布、高斯分布以及拉式分布。如图4A所示，是各种机率模型的水平角能量分布频谱图。天线相关度计算单元22可以产生一种均匀分布的水平角能量分布频谱a，一种高斯分布的水平角能量分布频谱b，以及一种拉式分布的水平角能量分布频谱c。当天线多个方向的能量重叠时，天线相关度计算单元22也可以产生如图4B所示的多丛集水平角能量分布频谱图，以符合处于多散射环境下的电磁场能量分布情形。

步骤S24，天线相关度计算单元22根据各天线的水平角能量分布频谱计算各天线之间的相关度。本实施例中，假设PAS(ψ)＝PAS_θ(ψ)＝PAS_ψ(ψ)，天线相关度计算单元22采用如下公式计算天线之间的相关度(采用“ρ₁₂”表示)：

${\mathrm{\ρ}}_{12}=\frac{R_{12}}{\sqrt{{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\σ}}_2^2}},$ 其中，

$R_{12}={\∫}_{-x}^x[E_{\mathrm{\θ}1}\left(\mathrm{\φ}\right)\·E_{\mathrm{\θ}2}\left(\mathrm{\φ}\right)\·{\mathrm{PAS}}_{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{\φ}\right)+E_{\mathrm{\φ}1}\left(\mathrm{\φ}\right)\·E_{\mathrm{\φ}2}\left(\mathrm{\φ}\right)\·{\mathrm{PAS}}_{\mathrm{\φ}}\left(\mathrm{\φ}\right)]\mathrm{d\φ};$ 以及

${\mathrm{\σ}}_i^2={\∫}_{-x}^x[{\left|E_{\mathrm{\θi}}\left(\mathrm{\φ}\right)\right|}^2\·{\mathrm{PAS}}_{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{\φ}\right)+{\left|E_{\mathrm{\φ}1}\left(\mathrm{\φ}\right)\right|}^2\·{\mathrm{PAS}}_{\mathrm{\φ}}\left(\mathrm{\φ}\right)]\mathrm{d\φ}.$

步骤S25，天线信道产生单元23根据各天线的远场场形以及各天线之间的相关度产生一个天线输入输出(Multiple-Input Multiple-Output，以下简称“MIMO”)系统信道。本实施例中，一般而言，无线通讯的系统信道以雷利氏分布(Rayleigh distribution)的随机变量(Random Variable，以下简称“RV”)来进行模拟，所谓的雷利氏分布，即由二维不相关常态分布((normal distribution)的随机变数组成。在本实施例中，以程序语言表达如下式：(normal distribution RV(N，M)+j*normal distribution RV(N，M)/√2。其中，N与M为天线的数量，而式中最后除以√2则是为模拟的系统信道做规一化的动作。

步骤S26，天线信道分析单元24将输入信号进行时空编码，并将编码信号进行数字信号调变产生调变信号。在本实施例中，使用的多天线编码系统为一种Alamouti时空编码器(Alamouti Space-Time Block Encoder)，其编码方式如下：将输入的信号流(如s0，s1，s2，…..)依次序分配给多个发射天线，然后利用编码法则进行编码后，再进行信号传输。以两只发射天线为例，其传输模式如图5所示，例如天线1上传输的信号为s0，-s1*，…..，以及天线2上传输的信号为s1，s0*，…..。当输入信号进行完时空编码后，便要进行数字信号调变，而一般的数字信号调变方式非常多，例如BPSK、QPSK、16-QAM以及64-QAM等，其各有运用优势，本实施例可依需求采用上述不同的数字信号调变方式。

步骤S27，天线信道分析单元24将上述调变信号输入MIMO系统信道中进行信道模拟传输。步骤S28，天线信道分析单元24将经MIMO系统信道输出的调变信号进行解码，并将解码信号进行数字信号逆调变。当天线信道分析单元24将调变信号送入MIMO系统信道后，即立刻需在天线接收端解调分析输出的调变信号。在本实施例中，采用的是估测通道(例如图6中h11，h12，h21，h22)未知特性的解调方式对调变信号进行解码，解码后的信号再依据步骤S26所使用的数字信号调变方式进行逆调变，进行逆调变的动作，从而还原成原来的输入信号(如s0，s1，s2，…..)。

步骤S29，天线信道分析单元24根据逆调变信号分析出传输信号时的误码率。在本实施例中，当天线信道分析单元24完成信号逆调变之后，便能进行信号的误码率分析，以便验证经过MIMO系统信道传输后的信号质量。

本实施例提供一个双天线系统的模拟范例，参考图3A所示，为天线1和天线2平行摆置的双天线系统，图3B为天线1和天线2垂直相交摆置的双天线系统。此外，本次模拟范例采用均匀分布的机率模型来产生天线的水平角能量分布频谱，如图4A所示的水平角能量分布频谱a。在信号编码调变方面，使用Alamouti时空编码的BPSK数字信号调变方式，并通过信道估测进行译码解调动作。经过本发明模拟出的双天线系统，当天线垂直相交摆置时(如图3B)，由于天线1和天线2之间之相关系数降低，使得系统信道相关性降低，因此该双天线系统不论是低信杂比或低信杂比的环境条件中，都能有效降低误码率，从而提升了该双天线系统的信号传输质量。

Claims (8)

1.一种多天线信道模拟系统，该多天线信道模拟系统连接有输入设备以及显示设备，其特征在于，该多天线信道模拟系统包括：

多天线模拟单元，用于根据从输入设备输入的信道模拟参数建立一个多天线系统三维模型，模拟出多天线三维系统的远场场形，以及获取各天线在水平面上的远场场形；

天线相关度计算单元，用于根据各天线在水平面上的远场场形产生各天线的水平角能量分布频谱，以及根据各天线的水平角能量分布频谱计算各天线之间的相关度；

天线信道产生单元，用于根据各天线的远场场形以及各天线之间的相关度产生多天线输入输出的系统信道；以及

天线信道分析单元，用于将输入信号进行信号编码以及信号调变，将调变信号输入系统信道中进行信道模拟传输，将经系统信道输出的调变信号进行信号解码以及信号逆调变，以及根据逆调变信号分析传输信号时的误码率。

2.如权利要求1所述的多天线信道模拟系统，其特征在于，所述的天线信道分析单元使用时空编码器对信号进行信号编码。

3.如权利要求1所述的多天线信道模拟系统，其特征在于，所述的信道模拟参数包括需要建立的天线数量、各天线的电磁场能量强度以及各天线之间的相关系数。

4.如权利要求1所述的多天线信道模拟系统，其特征在于，所述的水平角能量分布频谱是一种描述天线接收发射信号的表示方式，其采用的机率方法模型包括均匀分布模型、高斯分布模型以及拉式分布模型。

5.一种多天线信道模拟方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

根据输入的信道模拟参数建立一个多天线系统三维模型；

根据所述的信道模拟参数模拟出多天线三维系统的远场场形；

获取各天线在水平面上的远场场形；

根据各天线在水平面上的远场场形产生各天线的水平角能量分布频谱；

根据各天线的水平角能量分布频谱计算各天线之间的相关度；

根据各天线的远场场形以及各天线之间的相关度产生一个天线输入输出系统信道；

将输入信号进行信号编码以及信号调变；

将调变信号输入系统信道中进行信道模拟传输；

将经系统信道输出的调变信号进行信号解码以及信号逆调变；以及

根据逆调变信号分析传输信号时的误码率。

6.如权利要求5所述的多天线信道模拟方法，其特征在于，所述的对输入信号进行信号编码是采用时空编码器。

7.如权利要求5所述的多天线信道模拟方法，其特征在于，所述的信道模拟参数包括需要建立的天线数量、各天线的电磁场能量强度以及各天线之间的相关系数。

8.如权利要求5所述的多天线信道模拟方法，其特征在于，所述的水平角能量分布频谱是一种描述天线接收发射信号的表示方式，其采用的机率方法模型包括均匀分布模型、高斯分布模型以及拉式分布模型。

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