CN102064864B - 三维传播环境中的极化多天线信道模型的构建方法 - Google Patents

三维传播环境中的极化多天线信道模型的构建方法 Download PDF

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CN102064864B CN2010105961539A CN201010596153A CN102064864B CN 102064864 B CN102064864 B CN 102064864B CN 2010105961539 A CN2010105961539 A CN 2010105961539A CN 201010596153 A CN201010596153 A CN 201010596153A CN 102064864 B CN102064864 B CN 102064864B
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Abstract

本发明公开了一种三维传播环境中极化多天线信道模型的构建方法，主要解决现有的一些三维多天线信道模型复杂度较高，不适于进行数学分析，不易获得极化信道特性的问题。此模型通过坐标系旋转计算得到任意角度的天线激励的任意出射角度的电磁波场矢量，投影到与传播方向相垂直的和方向上；按新定义的极化鉴别率计算散射后的和方向上的场强；再旋转坐标系计算得到任意角度的接收天线上的场强；依据经验分布生成每个散射体所对应的三维到达角、离开角和随机相移。对于每对收发天线，将所有散射体的散射系数与天线阵固定相移项相乘后叠加，得到信道矩阵。本发明具有计算简单，使用灵活，对物理传播过程描述全面的优点，可用于理论分析或系统链路仿真。

Description

三维传播环境中的极化多天线信道模型的构建方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及三维传播环境中的极化多天线通信信道，可用于对极化多天线通信系统的研究。
背景技术
为了适应未来移动通信系统高速率数据传输和节省无线资源的需要，多天线输入多天线输出 (MIMO) 技术近年来得到广泛研究和应用。为了降低MIMO系统中天线间的相关性，或在有限的尺寸内放置更多的天线，可以利用天线极化方式的不同来实现MIMO天线阵列中天线间的隔离。精确的极化MIMO信道模型是极化MIMO系统研究的基础和关键。
    现有的应用较为广泛的包含天线极化特性的MIMO信道模型有3GPP SCM模型与WINNER组织提出的WIM信道模型等。在SCM模型中只考虑了电磁波在二维水平面上的传播，而没有考虑三维的传播过程对信道特性的影响；在WIM模型中虽然加入了对三维传播环境的描述，但该模型结构复杂，不适合用于进行理论分析。
发明内容
技术问题：  本发明的目的在于克服以上已有极化MIMO信道模型的不足，提出一种三维传播环境中极化MIMO信道模型的构建方法，使其既适用于仿真分析，又适用于理论分析。
技术方案：  本发明具体实现步骤包括如下：
1.  一种三维传播环境中极化多天线信道模型的构建方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1）定义两组坐标系，发送端原始坐标系                                                
Figure 294198DEST_PATH_IMAGE001
和基于发送天线的坐标系
Figure 837175DEST_PATH_IMAGE002
，所有的离开角以及发送天线的放置角度定义是在
Figure 129616DEST_PATH_IMAGE001
中的，而
Figure 986713DEST_PATH_IMAGE002
为用于计算电磁波极化方向的辅助坐标系；对于以任意角度放置的发送天线，通过坐标系旋转的方法,使坐标系
Figure 743317DEST_PATH_IMAGE002
中的
Figure 394878DEST_PATH_IMAGE003
轴与该发送天线的轴向一致，在坐标系
Figure 493722DEST_PATH_IMAGE002
中计算得到电磁波的场矢量后，再通过坐标系旋转的逆过程计算得到场矢量在原始坐标系中的矢量表示，从而得到以任意角度摆放的天线所激励的在任意出射角度下的电磁波
Figure 500041DEST_PATH_IMAGE004
的场矢量，并将该电磁波的场强在垂直于电磁波传播方向的平面中投影到
Figure 588083DEST_PATH_IMAGE001
的子午平面的
Figure 917433DEST_PATH_IMAGE005
方向和赤道平面的方向上；
2）按重新定义的
Figure 519633DEST_PATH_IMAGE005
方向到接收端原始坐标系
Figure 840893DEST_PATH_IMAGE007
赤道平面的
Figure 595222DEST_PATH_IMAGE008
方向的极化鉴别率
Figure 394551DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 917936DEST_PATH_IMAGE006
方向到接收端原始坐标系
Figure 410097DEST_PATH_IMAGE007
子午平面的
Figure 386144DEST_PATH_IMAGE010
方向的极化鉴别率
Figure 926847DEST_PATH_IMAGE011
，按矢量投影分解得到发生散射后的电磁波
Figure 632634DEST_PATH_IMAGE012
在新的
Figure 967801DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 759039DEST_PATH_IMAGE008
两个方向上的场强；
3）定义两组坐标系，接收端原始坐标系和基于接收天线的坐标系
Figure 401078DEST_PATH_IMAGE013
，所有的到达角以及接收天线的放置角度是定义在
Figure 907145DEST_PATH_IMAGE007
中的，而为用于计算电磁波极化方向的辅助坐标系；通过与步骤1）中相同的坐标系旋转的方法，计算得到以任意角度放置的接收天线上接收到的散射后电磁波
Figure 68185DEST_PATH_IMAGE012
的场强；
4）依据来自文献或实测得到的经验概率分布，生成每一个散射体所对应的三维到达角、离开角，依照构建步骤1）～步骤3）得到其对应的接收场强，由接收场强得到基于每个散射体的散射系数的模值；
5）依据经验概率分布生成基于每一个散射体的散射和传播过程引入的随机相移，得到基于每个散射体的散射系数的相位；
6）对于每一收发天线对，将所有散射体所对应的散射系数与天线阵列间距引入的固定相移项相乘后叠加，得到极化多天线系统的信道矩阵；
至此就得到了极化多天线系统的信道矩阵，完成了极化多天线信道模型的构建。 
在信道模型的构建步骤1）和步骤3）中分别定义了两组坐标系，原始坐标系
Figure 420669DEST_PATH_IMAGE001
、和基于天线的坐标系
Figure 863469DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 346403DEST_PATH_IMAGE013
；在原始坐标系
Figure 818973DEST_PATH_IMAGE001
中，轴方向为大地平面的法向方向，
Figure 654390DEST_PATH_IMAGE015
轴方向为发送天线阵列宽边方向，
Figure 941015DEST_PATH_IMAGE016
轴方向为按照右手系准则通过
Figure 268091DEST_PATH_IMAGE015
轴和
Figure 552442DEST_PATH_IMAGE014
轴所确定的方向；在原始坐标系
Figure 27286DEST_PATH_IMAGE007
中，轴方向为大地平面的法向方向，
Figure 33605DEST_PATH_IMAGE018
轴方向为接收天线阵列宽边方向，
Figure 488857DEST_PATH_IMAGE019
轴方向为按照右手系准则通过
Figure 453927DEST_PATH_IMAGE018
轴和
Figure 20037DEST_PATH_IMAGE017
轴所确定的方向；在基于天线的坐标系
Figure 56126DEST_PATH_IMAGE002
中，
Figure 744597DEST_PATH_IMAGE003
轴为发送天线轴向方向，
Figure 131716DEST_PATH_IMAGE020
轴为发送天线轴向在水平面内的投影在该投影面内向下旋转
Figure 298255DEST_PATH_IMAGE021
角度后所处的方向，
Figure 454430DEST_PATH_IMAGE021
为发送天线轴向与坐标系
Figure 313801DEST_PATH_IMAGE001
中
Figure 922637DEST_PATH_IMAGE014
轴方向的夹角，轴方向为按照右手系准则通过
Figure 169128DEST_PATH_IMAGE020
轴和
Figure 137084DEST_PATH_IMAGE003
轴所确定的方向；在基于天线的坐标系
Figure 295533DEST_PATH_IMAGE013
中，
Figure 741557DEST_PATH_IMAGE023
轴为接收天线轴向方向，
Figure 934641DEST_PATH_IMAGE024
轴为接收天线轴向在水平面内的投影在该投影面内向下旋转
Figure 73499DEST_PATH_IMAGE025
角度后所处的方向，为接收天线轴向与坐标系中轴方向的夹角，
Figure 329238DEST_PATH_IMAGE026
轴方向为按照右手系准则通过
Figure 399962DEST_PATH_IMAGE024
轴和轴所确定的方向。
构建步骤1）和构建步骤3）中所述的坐标系旋转方法为：在构建步骤1）中，首先，将原始坐标系中的坐标轴
Figure 898443DEST_PATH_IMAGE027
绕其
Figure 190884DEST_PATH_IMAGE014
轴方向旋转角度
Figure 110298DEST_PATH_IMAGE028
，得到一组中间坐标轴
Figure 804585DEST_PATH_IMAGE029
；然后将此中间坐标轴
Figure 456146DEST_PATH_IMAGE029
绕其
Figure 563779DEST_PATH_IMAGE022
轴旋转角度
Figure 958988DEST_PATH_IMAGE021
得到坐标系中的坐标轴
Figure 720457DEST_PATH_IMAGE030
；其中
Figure 49807DEST_PATH_IMAGE031
为天线在坐标系
Figure 983128DEST_PATH_IMAGE001
中的角度表示，
Figure 728972DEST_PATH_IMAGE021
为发送天线轴向与坐标系
Figure 987915DEST_PATH_IMAGE001
中
Figure 538982DEST_PATH_IMAGE014
轴方向的夹角，
Figure 541573DEST_PATH_IMAGE028
为发送天线轴向与坐标系
Figure 64959DEST_PATH_IMAGE001
中
Figure 291541DEST_PATH_IMAGE015
轴方向的夹角；在构建步骤3）中，首先，将原始坐标系
Figure 533166DEST_PATH_IMAGE007
中的坐标轴
Figure 136186DEST_PATH_IMAGE032
绕其
Figure 514077DEST_PATH_IMAGE033
轴方向旋转角度
Figure 177140DEST_PATH_IMAGE034
，得到一组中间坐标轴；然后将此中间坐标轴
Figure 984876DEST_PATH_IMAGE035
绕其
Figure 545170DEST_PATH_IMAGE026
轴旋转角度
Figure 51238DEST_PATH_IMAGE036
得到坐标系
Figure 329773DEST_PATH_IMAGE013
中的坐标轴
Figure 212278DEST_PATH_IMAGE037
；其中
Figure 627079DEST_PATH_IMAGE038
为接收天线在坐标系
Figure 304048DEST_PATH_IMAGE007
中的角度表示，
Figure 741982DEST_PATH_IMAGE036
为接收天线轴向与坐标系
Figure 493425DEST_PATH_IMAGE007
中轴方向的夹角，为接收天线轴向与坐标系
Figure 801413DEST_PATH_IMAGE007
中
Figure 88037DEST_PATH_IMAGE018
轴方向的夹角。
构建步骤2）中定义了
Figure 415114DEST_PATH_IMAGE005
方向到
Figure 699464DEST_PATH_IMAGE008
方向的极化鉴别率
Figure 908729DEST_PATH_IMAGE009
和方向到
Figure 180627DEST_PATH_IMAGE010
方向的极化鉴别率
Figure 635879DEST_PATH_IMAGE011
，该定义由以下两式表示：
Figure 535702DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 164130DEST_PATH_IMAGE040
；其中
Figure 200219DEST_PATH_IMAGE041
表示由散射前
Figure 888689DEST_PATH_IMAGE042
方向转换到散射后的方向上的电磁能量，其中为
Figure 598522DEST_PATH_IMAGE005
或
Figure 395577DEST_PATH_IMAGE006
，为
Figure 977572DEST_PATH_IMAGE010
或
Figure 50571DEST_PATH_IMAGE008
。
对所有收发天线对重复上述过程后，完成信道模型的构建；本过程可采用一种紧凑的矩阵形式表示。
有益效果：
(1)   本发明通过坐标系旋转的方法，可以方便地得到在三维传播空间中任意入射或出射方向上的电磁波在以任意角度摆放的天线上的场强投影。
(2)   本发明对极化电磁波在三维空间中的传播进行了建模。通过将极化鉴别率重新定义为
Figure 18527DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 176976DEST_PATH_IMAGE011
的形式，使得利用本模型对极化MIMO信道进行数学分析变得简便可行。
(3)   本发明中的信道模型可写为紧凑的矩阵形式，使其既适用于仿真分析，也适用于理论分析。
附图说明
图1为本发明中信道模型构建流程图；
图2为本发明中坐标轴旋转方式示意图；
图3为本发明中对极化电磁波在三维空间中的传播描述示意图。
具体实施方式
    参考图1，本发明构建三维传播环境中的极化MIMO信道模型步骤如下：
（1）通过坐标系旋转的方法，计算得到以任意角度摆放的天线所激励的在任意出射角度下的电磁波（用表示）的场矢量，并将该电磁波的场强在垂直于电磁波传播方向的平面中投影到相互垂直的
Figure 19347DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 220521DEST_PATH_IMAGE006
两个方向上；
坐标系旋转方法描述如下：
首先，将原始坐标系中的坐标轴
Figure 115982DEST_PATH_IMAGE027
绕其
Figure 101255DEST_PATH_IMAGE014
轴方向旋转角度，得到一组中间坐标轴；然后将此中间坐标轴
Figure 331882DEST_PATH_IMAGE029
绕其
Figure 233979DEST_PATH_IMAGE022
轴旋转角度
Figure 714639DEST_PATH_IMAGE021
得到坐标系
Figure 334976DEST_PATH_IMAGE002
中的坐标轴
Figure 926495DEST_PATH_IMAGE030
。其中
Figure 951607DEST_PATH_IMAGE031
为天线在坐标系
Figure 603168DEST_PATH_IMAGE001
中的角度表示。旋转过程如图2所示。
两组坐标系下坐标变换方法如下：
Figure 445222DEST_PATH_IMAGE044
其中
Figure 840431DEST_PATH_IMAGE045
和分别表示某矢量在坐标系
Figure 539583DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 806616DEST_PATH_IMAGE001
下的坐标，
Figure 67833DEST_PATH_IMAGE047
表示两坐标系之间的坐标变换矩阵。
（2）按重新定义的极化鉴别率
Figure 736712DEST_PATH_IMAGE009
和计算得到此电磁波在发生散射后（用
Figure 546722DEST_PATH_IMAGE012
表示）在新的
Figure 549313DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 135015DEST_PATH_IMAGE008
两个方向上的场强；
极化鉴别率和
Figure 603223DEST_PATH_IMAGE011
定义如下：
Figure 143926DEST_PATH_IMAGE048
其中
Figure 584134DEST_PATH_IMAGE049
表示电磁波由散射前的
Figure 184880DEST_PATH_IMAGE050
方向上向散射后的
Figure 701750DEST_PATH_IMAGE051
所转化的能量。
Figure 46144DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 278542DEST_PATH_IMAGE053
和
Figure 112506DEST_PATH_IMAGE054
的定义与之类似。电磁波传播和能量转化的过程如图3所示。
（3）通过坐标系旋转的方法计算得到以任意角度放置的接收天线上接收到该散射后电磁波的场强；该步骤中用到的坐标系旋转及坐标转换的方法与步骤（1）中相同。
（4）依据经验概率分布（可实测得到或来自文献）生成每一个散射体所对应的三维到达角、离开角，依照构建步骤（1）-(3）得到其对应的接收场强，由接收场强得到基于每个散射体的散射系数的模值。
（5）依据经验概率分布生成基于每一个散射体的散射和传播过程引入的随机相移，得到基于每个散射体的散射系数的相位。
（6）对于每一收发天线对，将所有散射体所对应的散射系数与天线阵列间距引入的固定相移项相乘后叠加，得到极化MIMO信道矩阵。
以平坦衰落信道为例，该信道模型可用一种矩阵相乘的紧凑形式表示如下：
Figure 7967DEST_PATH_IMAGE055
其中
Figure 360450DEST_PATH_IMAGE056
表示散射体的标号，
Figure 365316DEST_PATH_IMAGE057
表示总的散射体个数，
Figure 803250DEST_PATH_IMAGE058
表示每一个散射体所对应的能量转换和随机相移矩阵。其中
Figure 489446DEST_PATH_IMAGE059
中
Figure 758754DEST_PATH_IMAGE060
的定义如步骤（2）中所述，且矩阵
Figure 872203DEST_PATH_IMAGE059
对于所有散射体都相同；
Figure 859751DEST_PATH_IMAGE061
用于产生步骤（5）中所描述的随机相移，且对于不同的散射体互不相同。
另外，以接收天线阵列为例，其对于来自散射体
Figure 473452DEST_PATH_IMAGE056
方向的电磁波的天线阵列舵矢量(Array Steering Vector)可表示为如下的矩阵形式（为描述简便，省略下标
Figure 492223DEST_PATH_IMAGE056
）：
Figure 967067DEST_PATH_IMAGE062
其中左侧矩阵用于产生步骤（6）中所描述的固定相移，右侧矩阵中的
Figure 995066DEST_PATH_IMAGE063
为图3中所示
Figure 176649DEST_PATH_IMAGE064
与
Figure 697147DEST_PATH_IMAGE065
方向的夹角，该夹角可由步骤（3）得到。另外，步骤（3）中所描述的接收场强计算以及步骤（6）中所描述的各散射体所对应的电磁波的叠加均可通过该矩阵紧凑形式实现。

Claims (3)

1.一种三维传播环境中极化多天线信道模型的构建方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1）定义两组坐标系，发送端原始坐标系和基于发送天线的坐标系
Figure FDA00002770836500012
所有的离开角以及发送天线的放置角度定义是在
Figure FDA00002770836500013
中的，而
Figure FDA00002770836500014
为用于计算电磁波极化方向的辅助坐标系；对于以任意角度放置的发送天线，通过坐标系旋转的方法,使坐标系
Figure FDA00002770836500015
中的z′TX轴与该发送天线的轴向一致，在坐标系中计算得到电磁波的场矢量后，再通过坐标系旋转的逆过程计算得到所述电磁波的场矢量在原始坐标系
Figure FDA00002770836500017
中的矢量表示，从而得到以任意角度摆放的天线所激励的在任意出射角度下的电磁波s(t)的场矢量，并将该电磁波的场强在垂直于电磁波传播方向的平面中投影到
Figure FDA00002770836500018
的子午平面的θ方向和赤道平面的
Figure FDA00002770836500019
方向上；
2）按重新定义的θ方向到接收端原始坐标系赤道平面的
Figure FDA000027708365000111
方向的极化鉴别率
Figure FDA000027708365000112
和
Figure FDA000027708365000113
方向到接收端原始坐标系
Figure FDA000027708365000114
子午平面的θ′方向的极化鉴别率
Figure FDA000027708365000115
按矢量投影分解得到发生散射后的电磁波s′(t)在新的θ′和两个方向上的场强；其中，定义了θ方向到
Figure FDA000027708365000117
方向的极化鉴别率
Figure FDA000027708365000118
和方向到θ′方向的极化鉴别率
Figure FDA000027708365000120
该定义由以下两式表示：
Figure FDA000027708365000121
Figure FDA000027708365000122
其中PAB表示由散射前A方向转换到散射后的B方向上的电磁能量，其中A为θ或B为θ′或
Figure FDA000027708365000124
3）定义两组坐标系，接收端原始坐标系和基于接收天线的坐标系
Figure FDA000027708365000126
所有的到达角以及接收天线的放置角度是定义在
Figure FDA000027708365000127
中的，而
Figure FDA000027708365000128
为用于计算电磁波极化方向的辅助坐标系；通过与步骤1）中相同的坐标系旋转的方法，计算得到以任意角度放置的接收天线上接收到的散射后电磁波s′(t)的场强；
4）依据来自文献或实测得到的经验概率分布，生成每一个散射体所对应的三维到达角、离开角，依照构建步骤1）～步骤3）得到其对应的接收场强，由接收场强得到基于每个散射体的散射系数的模值；
5）依据经验概率分布生成基于每一个散射体的散射和传播过程引入的随机相移，得到基于每个散射体的散射系数的相位；
6）对于每一收发天线对，将所有散射体所对应的散射系数与天线阵列间距引入的固定相移项相乘后叠加，得到极化多天线系统的信道矩阵；
至此就得到了极化多天线系统的信道矩阵，完成了极化多天线信道模型的构建。
2.根据权利要求1所述的三维传播环境中的极化多天线信道模型的构建方法，其特征在于在信道模型的构建步骤1）和步骤3）中分别定义了两组坐标系，原始坐标系
Figure FDA00002770836500021
和基于天线的坐标系
Figure FDA00002770836500022
在原始坐标系
Figure FDA00002770836500023
中，zTX轴方向为大地平面的法向方向，xTX轴方向为发送天线阵列宽边方向，yTX轴方向为按照右手系准则通过xTX轴和zTX轴所确定的方向；在原始坐标系中，zRX轴方向为大地平面的法向方向，xRX轴方向为接收天线阵列宽边方向，yRX轴方向为按照右手系准则通过xRX轴和zRX轴所确定的方向；在基于天线的坐标系
Figure FDA00002770836500025
中，z′TX轴为发送天线轴向方向，x′TX轴为发送天线轴向在水平面内的投影在该投影面内向下旋转θantTX角度后所处的方向，
θantTX为发送天线轴向与坐标系
Figure FDA00002770836500026
中zTX轴方向的夹角，y′TX轴方向为按照右手系准则通过x′TX轴和z′TX轴所确定的方向；在基于天线的坐标系
Figure FDA00002770836500027
中，z′RX轴为接收天线轴向方向，x′RX轴为接收天线轴向在水平面内的投影在该投影面内向下旋转θantRX角度后所处的方向，θantRX为接收天线轴向与坐标系中zRX轴方向的夹角，y′RX轴方向为按照右手系准则通过x′RX轴和z′RX轴所确定的方向。
3.根据权利要求1所述的三维传播环境中的极化多天线信道模型的构建方法，其特征在于构建步骤1）和构建步骤3）中所述的坐标系旋转方法为：在构建步骤1）中，首先，将原始坐标系
Figure FDA00002770836500029
中的坐标轴xTXyTXzTX绕其zTX轴方向旋转角度
Figure FDA000027708365000210
得到一组中间坐标轴x″TXy′TXzTX；然后将此中间坐标轴x″TXy′TXzTX绕其y′TX轴旋转角度θantTX得到坐标系
Figure FDA000027708365000211
中的坐标轴x′TXy′TXz′TX；其中
Figure FDA000027708365000212
为天线在坐标系中的角度表示，θantTX为发送天线轴向与坐标系
Figure FDA000027708365000214
中zTX轴方向的夹角，
Figure FDA000027708365000215
为发送天线轴向与坐标系
Figure FDA000027708365000216
中xTX轴方向的夹角；在构建步骤3）中，首先，将原始坐标系
Figure FDA000027708365000217
中的坐标轴xRXyRXzRX绕其z轴方向旋转角度
Figure FDA00002770836500031
得到一组中间坐标轴x″RXy′RXzRX；然后将此中间坐标轴x″RXy′RXzRX绕其y′RX轴旋转角度θantRX得到坐标系中的坐标轴
x′RXy′RXz′RX；其中为接收天线在坐标系
Figure FDA00002770836500034
中的角度表示，θantRX为接收天线轴向与坐标系
Figure FDA00002770836500035
中zRX轴方向的夹角，
Figure FDA00002770836500036
为接收天线轴向与坐标系
Figure FDA00002770836500037
中xRX轴方向的夹角。
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