CN102263599B - 智能天线阵列的仿真方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能天线阵列的仿真方法及装置。其中，该智能天线阵列的仿真方法包括：设置智能天线阵列的各个天线单元的到达角，使相邻两个天线单元的到达角之间的差值为固定值；根据各个天线单元的预设属性参数，分别仿真各个天线单元的无线信道的冲击响应，其中，预设属性参数包括：上述到达角；将输入的发送信号分别与仿真得到的各个天线单元的无线信道的冲击响应进行卷积，生成各个天线单元的接收信号；将各个天线单元的接收信号进行叠加，得到智能天线阵列的接收信号。通过本发明，可以保证仿真的精确性。

Description

智能天线阵列的仿真方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种智能天线阵列的仿真方法及装置。

背景技术

不同于传统的单根天线，时分同步码分多址接入(TimeDivision-Synchronous Code Division Multiple Access，简称为TD-SCDMA)系统中的智能天线是由8根或者6根天线所组成的天线阵列，并且通过跟踪移动台的上行信号到达角，来对下行的发送信号进行赋形。具体地，即使得下行信号形成窄波束，并且波束的方向指向移动台。从而使得天线与移动台之间的无线链路能量集中，能够有效地抵抗多径衰落，减小下行信号对其它用户的干扰，从而增加了系统容量。

目前，相关技术提供了一种基于SCM模型的仿真技术，对智能天线的建模，其方案是简单地将SCM模型扩展到8根或者6根天线，即将阵列视为一个整体，对每根天线模拟其上行信号的到达角、散射角和路径衰落的变化。

发明人发现，这种方案的缺点是实现的复杂度较高，运算量较大。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种智能天线阵列的仿真方法及装置，以至少解决上述问题之一。

根据本发明的一个方面，提供了一种智能天线阵列的仿真方法，包括：设置智能天线阵列的各个天线单元的到达角，使相邻两个天线单元的到达角之间的差值为固定值；根据各个天线单元的预设属性参数，分别仿真各个天线单元的无线信道的冲击响应，其中，预设属性参数包括：上述到达角；将输入的发送信号分别与仿真得到的各个天线单元的无线信道的冲击响应进行卷积，生成各个天线单元的接收信号；将各个天线单元的接收信号进行叠加，得到智能天线阵列的接收信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种智能天线阵列的仿真装置，包括：与智能天线阵列的各个天线单元分别对应的无线信道生成模块，各个无线信道生成模块分别用于根据其对应的天线单元的预设属性参数仿真该天线单元的无线信道的冲击响应，其中，该预设属性参数包括：到达角，且相邻两个天线单元对应的两个无线信道生成模块使用的到达角的差值为固定值；与智能天线阵列的各个天线单元分别对应的单天线仿真器，各个单天线仿真器分别用于将与其对应的天线单元对应的无线信道生成模块输出的冲击响应与输入的发送信号进行卷积，生成该天线单元的接收信号；以及混合器，用于将各个单天线仿真器输出的接收信号进行叠加。

通过本发明，通过将相邻两个天线单元的到达角之间的差值设置为固定值，简化了仿真时各个天线单元的到达角生成方式，从而降低了智能天线阵列仿真的复杂度，减少了仿真过程中的运算量，并且在本发明中，各个天线单元的到达角相互关联，从而保证了仿真的精确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的智能天线阵列的仿真装置的结构示意图；

图2是根据本发明优选实施例的智能天线阵列的仿真装置的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的无线信道生成模块的结构示意图；以及

图4是根据本发明实施例的智能天线阵列的仿真方法的流程图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1为根据本发明实施例的智能天线阵列的仿真装置的结构示意图，包括：N个无线信道生成模块10、N个单天线仿真器20和混合器30。其中，每个无线信道生成模块10分别与智能天线阵列的一个天线单元对应，各个无线信道生成模块10分别用于根据其对应的天线单元的预设属性参数仿真该天线单元的无线信道的冲击响应，其中，N为仿真的智能天线阵列的天线单元的总数，该预设属性参数包括：到达角，在本发明实施例中，智能天线阵列中相邻的两个天线单元对应的两个无线信道生成模块10使用的到达角的差值为固定值；每个单天线仿真器20分别与智能天线阵列的一个天线单元对应，每个单天线仿真器20分别与一个无线信道生成模块10相耦合，各个单天线仿真器20用于将与其对应的天线单元对应的无线信道生成模块10输出的冲击响应与输入的发送信号进行卷积，生成该天线单元的接收信号；混合器30与各个单天线仿真器20相耦合，用于将各个单天线仿真器20输出的接收信号进行叠加。

对于TD-SCDMA系统的智能天线阵列而言，上述N＝6或8。

通过本发明实施例的上述智能天线阵列的仿真装置，各个无线信道生成模块10仿真无线信道的冲击响应时，相邻两个天线单元对应的无线信道生成模块10使用的到达角的差值为固定值，从而使得仿真的各个天线单元之间具有相互作用，可以保证仿真的精确度，同时还可以减少仿真的复杂度和计算量。

在本发明优选实施例中，对于各个天线单元对应的单天线仿真器20输入的上述发送信号均相同，可以根据每次仿真需要而产生并输入，例如，发送信号可以是随机序列，模拟产生某TD-SCDMA用户的基带信号等。

在本发明优选实施例中，如图2所示，各个天线单元对应的无线信道生成模块10和单天线仿真器20可以合一设置，即将无线信道生成模块10的功能集成在单天线仿真器20中实现，每个单天线仿真器20包括两个功能模块：仿真模块200和运算模块202，其中，仿真模块200相当于图2中的无线信道生成模块10，用于仿真天线单元的无线信道的冲击响应，运算模块202相当于图3中的单天线仿真器20，用于通过将发送信号与仿真模块200输出的冲击响应作卷积，产生其对应的天线单元的接收信号，即：

$R_i\left(t\right)=S\left(t\right)\⊗{\mathrm{ch}}_i\left(t\right)$

其中，R_i(t)表示天线单元i上的接收信号，S(t)表示发送信号，ch_i(t)表示天线单元i所对应的无线信道的冲击响应。

在实际应用中，发送信号S(t)对于仿真所有的天线单元的单天线仿真器20都相同，具体可以根据单次仿真需要而产生并输入，例如，发送信号可以是随机序列，模拟产生的某TD用户的基带信号等；

而每个天线单元所对应的无线信道ch_i(t)的冲击响应可以该天线单元的预设属性参数在该单天线仿真器20中仿真产生。各个单天线仿真器20仿真得到的各单个天线单元上的接收信号传送至混合器30进行叠加，例如，可以采用时域叠加：

R(t)＝∑R_i(t)

由此，获得智能天线阵列总的接收信号R(t)。

图3为根据本发明优选实施例的各个无线信道生成模块10的结构示意图，如图3所示，在本发明优选实施例中采用多tap模型模拟天线单元的无线信道。在图3中，“径”所指的即tap，即在本发明优选实施例中，天线单元的无线信道由为L个径组成，在实际应用中，L的具体取值可以根据每次具体仿真实现来确定。优选地，在本发明优选实施例中，各个无线信道生成模块10所包含的径的数量相同。

可选地，在本发明优选实施例，各个无线信道生成模块10还可以包含直达径，通过直达径可以仿真天线和接收机之间存在有直接到达的无线电波。

在图3所示的无线信道生成模块10中，在仿真天线单元的无线信道的冲击响应时，各个径根据该天线单元的发射角参数θ_AOD和及预先设定的到达角参数θ_AOD生成初始信道序列，并根据预先设置的该天线单元的功率放大系数将初始信道序列经功率放大器放大；然后再根据该天线单元的时延系数进行时延，最后，各个初始信道序列根据该天线单元的高斯噪声的功率谱密度，叠加高斯噪声，从而得到该天线单元的无线信道的冲击响应。

其中，每个天线单元上各径的发射角参数θ_AOD相同，但相邻天线单元对应径之间的到达角参数θ_AOD相差一个固定值。同一天线不同径的达角参数θ_AOD是预先给定的，其取值可以相同也可以不同。

在本发明优选实施例中，各个天线单元对应的无线信道生成模块10使用的发射角参数θ_AOD、功率放大系数、时延系数和高斯噪声的功率谱密度均相同，实际应用中可以根据每次仿真生成。而各个天线单元对应的无线信道生成模块10使用的到达角参数θ_AOD满足下面关系：相邻天线单元对应的无线信道生成模块10使用的到达角参数θ_AOD的差值为固定值。

优选地，各个无线信道生成模块10使用的到达角参数θ_AOD各不相同。

优选地，上述固定值为常数，即该仿真装置在每次仿真时该固定值相同；或者，该固定值也可以是仿真的智能天线阵列的接收用户信号的个数的函数，具体地，可以通过下式确定该固定值C：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{AS}}=\sqrt{\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(A_n-A_1)}^2{P}_n}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n}}$

其中，n表示用户个数，A₁＝A，P₁＝1A_j＝A+(j-1)C，σ_AS为预定的角度扩展参数，在仿真初始时给定的一个常数值，例如，σ_AS＝5；P_j为预定的第j径上的信号功率，在仿真初始化时预先给定，例如，P₁＝1，A为智能天线阵列中中心天线单元对应的无线信道生成模块10使用的到达角。

图4为根据本发明实施例的智能天线阵列的仿真方法的流程图，包括以下步骤(步骤S402-步骤S408)：

步骤S402，设置智能天线阵列的各个天线单元的到达角，使相邻两个天线单元的到达角之间的差值为固定值；

例如，该固定值可以为常数，也可以为智能天线阵列接收用户信号的个数的函数。

步骤S404，根据各个天线单元的预设属性参数，分别仿真各个天线单元的无线信道的冲击响应，其中，预设属性参数包括：到达角；

例如，可以采用多tap模型仿真各个天线单元的无线信道的冲击响应。

步骤S406，将输入的发送信号分别与仿真得到的各个天线单元的无线信道的冲击响应进行卷积，生成各个天线单元的接收信号；

例如，天线单元i的接收信号为：

$R_i\left(t\right)=S\left(t\right)\⊗{\mathrm{ch}}_i\left(t\right)$

其中，R_i(t)表示天线单元i上的接收信号，S(t)表示发送信号，ch_i(t)表示天线单元i所对应的无线信道的冲击响应。

步骤S408，将各个天线单元的接收信号进行叠加，得到智能天线阵列的接收信号。

例如，智能天线阵列的接收信号R(t)为：

R(t)＝∑R_i(t)。

通过本发明实施例提供的上述智能天线阵列的仿真方法，可以通过设置各天线单元的到达角间相差固定值的方式设置仿真时各天线单元的到达角，既可以保证仿真的精度，同时还可以减少仿真的复杂度。

在本发明优选实施例中，设置的各个天线单元的到达角互不相同，从而可以进一步保证仿真的精度。

在本发明优选实施例中，可以按照以下步骤设置各个天线单元的到达角：

步骤1，设置各个天线单元中中心天线单元的到达角为A；

在实际应用中，可以每次仿真可以随机生成参数A。

步骤2，设置中心天线单元右侧的第n个天线单元的到达角为A+nC，设置中心天线单元左侧的第n个天线单元的到达角为A-nC，其中，n＝N/2或N/2-1，N为智能天线阵列包含的天线总数，C为上述固定值。

通过上述方式设置各个天线单元的到达角，可以进一步保证各个天线单元的到达角的相关性，并且，可以将智能天线阵列中各个天线单元的到达角均匀分布随机生成的某一个值左右，进一步保证了仿真的精度。

在实际应用中，仿真各个天线单元的无线信道的冲击响应时使用的参数(即上述预设属性参数)还可以包括：组成无线信道的径的个数L、发射角、功率放大系数P₁......P_L、时延参数Delay₁......Delay_L以及高斯噪声的功率谱密度σ。在本发明优选实施例中，为各个天线单元设置相同的径的数量L、相同的发射角、相同的功率放大系数P₁......P_L、相同的时延参数Delay₁......Delay_L以及相同的高斯噪声的功率谱密度σ，从而可以进一步减少仿真计算的复杂度。

在本发明优选实施例中，上述固定值可以为常数，即每次仿真时该固定值相同，或者，每次仿真时该固定值也可以不同，即该固定值可以为智能天线阵列上接收用户信号的个数的函数。下面分别对采用这两种方式设置各天线单元的到达角进行说明。

方式一、各天线单元的到达角参数θ_AOD间采用常数加减，例如，可以按照以下步骤设置：

步骤1，首先设定中心天线单元的到达角参数θ_AOD＝A，具体的A值由每次仿真实现中随机产生；

步骤2，中心天线单元右侧的第一个天线单元到达角参数θ_AOD＝A+C，第一个左侧的天线单元到达角参数θ_AOD＝A-C，这里的C值是一个常数，在仿真初始时设定，例如，C＝5°。

步骤3，依此类推，中心天线单元右侧的第二个天线单元到达角参数θ_AOD＝A+2C，第一个左侧的天线单元到达角参数θ_AOD＝A-2C，右侧的第三个天线单元到达角参数θ_AOD＝A+3C，第三个左侧的天线单元到达角参数θ_AOD＝A-3C，......，直至设置所有的天线单元的到达角参数。

采用该方式设置天线单元的到达角，由于相邻两个天线单元的到达角的差值为常数，对于每次仿真都相同，从而可以进一步降低仿真的复杂度。

方式二、各天线单元的到达角参数θ_AOD间采用固定值加减，但该固定值是用户数的函数，例如，可以按照以下步骤设置：

步骤1，首先设定中心天线单元的到达角参数θ_AOD＝A，具体的A值由每次仿真实现中随机产生；

步骤2，计算各天线单元的到达角之间的固定差值B，B值是该天线上接收用户信号的个数的函数，计算公式为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{AS}}=\sqrt{\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(A_n-A_1)}^2{P}_n}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n}}$

其中，n表示用户个数，例如，如果n＝2，则可以设置A₁＝A，P₁＝1；A₂＝A+B，σ_AS＝5(度)。

步骤3，设置中心天线单元右侧的第一个天线单元的到达角参数θ_AOD＝A+B，第一个左侧的天线单元到达角参数θ_AOD＝A-B；

步骤4，依此类推，中心天线单元右侧的第二个天线单元到达角参数θ_AOD＝A+2C，第一个左侧的天线单元到达角参数θ_AOD＝A-2C，右侧的第三个天线单元到达角参数θ_AOD＝A+3C，第三个左侧的天线单元到达角参数θ_AOD＝A-3C，......，直至设置完所有的天线单元的到达角参数。

采用这种方式设置各个天线单元的到达角，将相邻两个天线单元的到达角之差设置为天线接收用户信息个数的函数，从而可以进一步提高仿真的精度。

从以上的描述中，可以看出，在本发明实施例中，通过将相邻两个天线单元的到达角之间的差值设置为固定值，简化了仿真时各个天线单元的到达角生成方式，从而降低了智能天线阵列仿真的复杂度，减少了仿真过程中的运算量，并且在本发明中，各个天线单元的到达角相互关联，从而保证了仿真的精确性。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种智能天线阵列的仿真方法，其特征在于，包括：

设置智能天线阵列的各个天线单元的到达角，使相邻两个天线单元的到达角之间的差值为固定值；

根据所述各个天线单元的预设属性参数，分别仿真所述各个天线单元的无线信道的冲击响应，其中，所述预设属性参数包括：所述到达角；

将输入的发送信号分别与仿真得到的所述各个天线单元的无线信道的冲击响应进行卷积，生成所述各个天线单元的接收信号；

将所述各个天线单元的接收信号进行叠加，得到所述智能天线阵列的接收信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各个天线单元的到达角互不相同。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述设置所述各个天线单元的到达角包括：

设置所述各个天线单元中中心天线单元的到达角为A；

设置所述中心天线单元右侧的第n个天线单元的到达角为A+nC，设置所述中心天线单元左侧的第n个天线单元的到达角为A-nC，其中，n＝N/2或N/2-1，N为所述智能天线阵列包含的天线总数，C为所述固定值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述固定值为常数。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，按照下式确定所述固定值C：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{AS}}=\sqrt{\frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(A_j-A_1)}^2{P}_j}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j}},$

其中，M为所述智能天线阵列上接收用户信号的总数，A₁＝A，A_j＝A+(j-1)C，σ_AS为预定的角度扩展参数，P_j为预定的第j径上的信号功率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设属性参数还包括：组成天线单元的无线信道的径的数量、发射角、功率放大系数、时延以及高斯噪声的功率谱密度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在仿真所述各个天线单元的天线信道的冲击响应之前，所述方法还包括：为所述各个天线单元设置相同的径的数量、相同的发射角、相同的功率放大系数、相同的时延以及相同的高斯噪声的功率谱密度。

8.一种智能天线阵列的仿真装置，其特征在于，包括：

与智能天线阵列的各个天线单元分别对应的无线信道生成模块，各个无线信道生成模块分别用于根据其对应的天线单元的预设属性参数仿真该天线单元的无线信道的冲击响应，其中，所述预设属性参数包括：到达角，且相邻两个天线单元对应的两个无线信道生成模块使用的到达角的差值为固定值；

与智能天线阵列的各个天线单元分别对应的单天线仿真器，各个单天线仿真器分别用于将与其对应的天线单元对应的无线信道生成模块输出的冲击响应与输入的发送信号进行卷积，生成该天线单元的接收信号；以及

混合器，用于将所述各个单天线仿真器输出的接收信号进行叠加。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述固定值为常数或按照下式确定所述固定值C：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{AS}}=\sqrt{\frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(A_j-A_1)}^2{P}_j}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j}},$

其中，M为所述智能天线阵列上接收用户信号的总数，A_j＝A+(j-1)C，A为所述智能天线阵列中中心天线单元对应的无线信道生成模块使用的到达角，σ_AS为预定的角度扩展参数，P_j为预定的第j径上的信号功率。