CN103179585A

CN103179585A - 一种针对放大转发中继系统的快速信道模拟方法及装置

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Publication number: CN103179585A
Application number: CN2013100748215A
Authority: CN
Inventors: 刘元安; 刘昌兴; 谢刚; 胡铨; 高锦春; 刘凯明; 刘芳
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2013-06-26

Abstract

本发明公开了一种针对放大转发中继系统的快速信道模拟方法及装置。本发明能够对放大转发中继系统进行信道模拟，在获得发送端、中继端、接收端天线数目及其相关系数和独立瑞利信道均值、方差后就可以快速生成由发送端到接收端的总模拟信道。首先根据发送机到中继和中继到接收机分别建立相关性信道，然后根据发送端、中继端、接收端天线相关系数计算总模拟信道的相关矩阵，最后根据总信道的相关矩阵建立信道模型。本发明的优点为：所建立的模型充分考虑了基站端、中继端、接收端的相关性，对收发链路相关性做了充分的考虑，使该模型能够真实准确的模拟出整个链路；对于相关系数的计算严格遵循定义，使之准确合理；能够对发送机到接收机的整条链路进行模拟，达到方便简洁的效果。

Description

一种针对放大转发中继系统的快速信道模拟方法及装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及信道建模及协作通信信道建模。

背景技术

无线通信中MIMO技术已经被视为是实现信息高速传输的关键技术之一，MIMO技术对提高无线通信系统容量做出了关键性的贡献。MIMO（多入多出技术），通过增加收发端收发天线的数量实现数据多路传输，最终达到提高信息传输速率，提高通信系统容量的效果。

由于传统的蜂窝网的容量受限，而未来通信系统要求高速率大容量的信息传输，中继技术作为改善原有蜂窝网、提高蜂窝网的容量的一种关键技术被人们关注，并被学者们热衷研究着。放大转发中继(AF)在中继端对接收到的信号进行放大然后向后传输，其与译码转发中继(DF)构成了中继的两种主要形式。放大转发中继由于其处理复杂度小，处理时延小的优点被视为是用在小区死角、广阔农村、郊区场景下的主要中继手段。

放大转发中继在进行信道估计是，通常是采用将发送端、中继端、接收端一同组成的串联链路作为等效信道的方法进行信道估计，这样建立一种符合实际传输情况的串联链路信道模型尤为重要。由于天线的互耦特性和信号的相关衰落特性，MIMO（多入多出技术）在进行通信时，收发信息会受到信道相关性的影响，因此构建一个具有相关性的信道模型来仿真实际通信是非常必要的。

近年来关于信道仿真器及仿真方法被国内外组织关注，日本松下电器产业株式会社，清华大学，中兴通讯股份有限公司都在信道仿真器领域做了很多的研究。但是一种针对放大转发中继系统的信道建模方法及其装置并没有被提出。

基于上述问题，本发明提出一种针对放大转发中继系统的快速信道模拟方法及装置。本发明是根据收发端信道的相关性可分离的特点来构建信道模型的，首先根据发送天线、中继天线、接收天线信道的相关系数建立从发送端到中继和从中继端到接收端的分段相关信道，再根据分段信道的相关矩阵构建总模拟信道的相关矩阵，然后对总模拟信道的相关矩阵进行Cholesky分解，最后将分解得到的矩阵和独立瑞丽信道进行乘积就得到了基于AF中继模式下的具有相关性的信道模型。

发明内容

本发明能够对具有放大转发中继系统进行信道模拟，根据3GPPTS36.101所提出的Kronecker模型，在获得发送端、中继端、接收端天线数目及其相关系数和独立瑞丽信道均值、方差后就可以快速生成由发送端到接收端的总模拟信道：

vec(H)=R_C ^1/2(vec(H_D))

具体步骤为：

步骤一：建立M_T×M_R个独立的瑞利衰落信道，M_T为发送机发送天线数目，M_R为接收机接收天线数目。该独立多径信道冲击响应为

步骤二：求解总信道的相关矩阵，其分步骤为：

一、建立具有相关性的分段信道模型，H_W为独立的瑞利衰落信道传输矩阵，其均值为μ、方差为σ²，发送端到中继和中继到接收端的信道增益分别为：

其中R为中继天线的数目，vec(H_BR)=R_BR ^1/2(vec(H_w)),vec(H_RM)=R_RM ^1/2(vec(H_w)),

R_T、、R_RR_M分别为发送端中继端接收端的天线自相关矩阵。

二、求解总模拟信道的相关矩阵，

其中R_Cji为第c₁+1根发射天线到第k₁根接收天线信道与第c₂+1跟发送天线到第k₂根天线信道的相关系数，i=c₁*M_R+k₁;j=c₂M_T+k₂。且信道N₁-M₁与N₂-M₂相关系数为

ρ_{N_{2} M_{2}}^{N_{1} M_{1}} = \frac{E (Q_{1} Q_{2})}{\sqrt{(E (Q_{1}^{2}) - {(E (Q_{1}))}^{2}) (E (Q_{2}^{2}) - {(E (Q_{2}))}^{2})}}

其中，

为链路N₁-R_i-M₁链路的信道增益，对于链路N₁-M₁与N₂-M₂，N₁-M₁分解为从N₁-R₁-M₁到N₁-R_R-M₁共R条链路，对于N₂-M₂也是一样有从N₂-R₁-M₂到N₂-R_R-M₂共R条链路。

E (Q_{1}) = μ^{2} Σ_{i = 1}^{R} Σ ({R^{{BR}^{1 / 2}}}_{(N_{1} - 1) R_{R} + i}) Σ R_{(i - 1) M_{R} + M_{1}}^{RM} = R μ^{2} Σ (R_{(N_{1} - 1) R_{R} + i}^{{BR}^{1 / 2}}) Σ R_{(i - 1) M_{R} + M_{1}}^{{RM}^{1 / 2}}

E (Q_{2}) = μ^{2} Σ_{i = 1}^{R} Σ ({R^{{BR}^{1 / 2}}}_{(N_{2} - 1) R_{R} + i}) Σ R_{(i - 1) M_{R} + M_{2}}^{RM} = R μ^{2} Σ (R_{(N_{2} - 1) R_{R} + i}^{{BR}^{1 / 2}}) Σ R_{(i - 1) M_{R} + M_{2}}^{{RM}^{1 / 2}}

E (Q_{1} Q_{2}) = Σ_{i = 1}^{R} (\begin{matrix} E (H_{N_{1} i} H_{N_{2} 1}) E (H_{i M_{1}} H_{1 M_{2}}) + E (H_{N_{1} i} H_{N_{2} 2}) E (H_{i M_{1}} H_{2 M_{2}}) + \\ \cdot \cdot \cdot + E (H_{N_{1} i} H_{N_{2} R}) E (H_{i M_{1}} H_{R M_{2}}) \end{matrix})

E ({Q_{1}}^{2}) = Σ_{i = 1}^{R} (\begin{matrix} E (H_{N_{1} i} H_{N_{1} 1}) E (H_{i M_{1}} H_{1 M_{1}}) + E (H_{N_{1} i} H_{N_{1} 2}) E (H_{i M_{1}} H_{2 M_{1}}) + \\ \cdot \cdot \cdot + E (H_{N_{1} i} H_{N_{1} R}) E (H_{i M_{1}} H_{R M_{1}}) \end{matrix})

E ({Q_{2}}^{2}) = Σ_{i = 1}^{R} (\begin{matrix} E (H_{N_{2} i} H_{N_{2} 1}) E (H_{i M_{2}} H_{1 M_{2}}) + E (H_{N_{2} i} H_{N_{2} 2}) E (H_{i M_{2}} H_{2 M_{2}}) + \\ \cdot \cdot \cdot + E (H_{N_{2} i} H_{N_{2} R}) E (H_{i M_{2}} H_{R M_{2}}) \end{matrix})

求解如上，其中公式中

表示BR相关矩阵的Cholesky分解后的矩阵中第(N₁-1)R_R+i行所有元素的和，

表示

元素平方再相加。

E (H_{N_{q} i} H_{N_{qj}}) = ρ_{ij}^{MS} \sqrt{(E ({h_{N_{q} i}}^{2}) - {(E (h_{N_{q} i}))}^{2}) (E ({h_{N_{q} j}}^{2}) - {(E (h_{N_{q} j}))}^{2})}

其中

E (h_{N_{i} j}) = E (R_{(N_{i} - 1) M_{R} + j}^{{RM}^{1 / 2}} vec (H_{W})) = μΣ R_{(N_{i} - 1) M_{R} + j}^{{RM}^{1 / 2}}

三、生成基于AF中继模式下的具有相关性的信道模型，对总模拟信道相关矩阵进行Cholesky分解并乘以一中所生成独立瑞利信道即为该信道模型：vec(H)=R_C ^1/2(vec(H_D))

本发明所提出的针对放大转发中继系统的快速信道建模方法及装置模拟了AF中继模式下从发送端到接收端的整条链路的信道特性，且充分考虑了信道之间的相关性，该模型主要有以下的优点：

(1)、所建立的模型充分考虑了基站端、中继端、接收端的相关性，对收发链路相关性做了充分的考虑,使该模型能够真实准确的模拟出整个链路。

(2)、能够对发送机到接收机的整条链路进行模拟，达到方便简洁的效果，为信道估计做了铺垫，为基于AF中继模式下的具有相关性的信道估计构造了很好的模型。

(3)、对于相关系数的计算严格遵循定义，使之准确合理。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1是本发明一个实施例的装置示意图。

图2是本发明一个实施例的具体流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明进行详细阐述。

图1是本发明一个实施例的装置示意图。

独立瑞利信道生成器用来生成所需要个数的独立的瑞利信道。其特点为，当输入所需独立瑞利信道的均值方差和个数，就可以快速生成所需要个数的独立的瑞利信道。

信道相关矩阵生成器1用来生成分段信道相关矩阵。其特点为，根据获得的发送端、中继端、接收端的相关系数，快速生成从发送端到中继端和中继端到接收端的信道相关矩阵。

信道相关矩阵生成器2用来生成总模拟信道的信道相关矩阵。其特点为，根据信道相关矩阵生成器1生成的分段信道相关矩阵作为输入，并根据独立瑞利信道的方差和均值快速生成总模拟信道的信道相关矩阵。

Cholesky分解器用来实现对总模拟信道相关矩阵的Cholesky分解。

矩阵乘法器实现总模拟信道相关矩阵的Cholesky分解后的矩阵和生成的多路瑞利信道的乘积，生成总模拟信道。

图2为本发明一个实施例的具体算法流程，主要包括以下步骤。

在步骤201中，获得发送端、中继端、接收端的相关系数。注意，该相关系数是天线本身具有的特性，跟其天线间距、极化方式等因素有关。

在步骤202中，建立分段信道模型。根据步骤101获得的天线相关系数建立具有相关性的信道模型。注意，构建分段信道时基于发送端到中继端信道相关性的可分离特性。

在步骤203中，计算分段信道矩阵。步骤102建立的分段模型的相关矩阵是根据发送端和中继端的自相关矩阵的Kronecker乘积获得的。注意，构建的分段信道是由相关矩阵的Cholesky分解和独立瑞利信道乘积获得的。

在步骤204中，建立总模拟信道模型，注意，总模拟信道模型的建立是基于总相关矩阵的。

在步骤205中，根据分段信道的相关系数计算总模拟信道的相关矩阵。注意，在总模拟信道的相关矩阵是受生成相关矩阵的基本独立瑞利信道的方差和均值影响，并且还受到总模拟信道相关矩阵影响。

在步骤206中，对步骤105计算得到的总体相关矩阵进行Cholesky分解并且乘以M_T×M_R个独立的瑞利衰落信道，最终得到总模拟信道。注意，在生成独立的瑞利衰落信道时，其个数为M_T×M_R个。

在步骤207中，信道建立成功，由步骤106生成的即为基于AF中继模式下的具有相关性的信道模型。

Claims

1.一种针对放大转发中继系统的快速信道建模方法，其特征在于：

在获得发送端、中继端、接收端天线数目及其相关系数和独立瑞利信道均值、方差后就可以快速生成由发送端到接收端的总模拟信道。首先根据发送端、中继端、接收端天线相关系数构建分段相关信道。假设系统有M_T根发射天线M_R根中继天线和M_M根接收天线，发送端到中继和中继到接收端的分段信道增益分别为：

由发送端到中继端分段信道增益为：

vec(H_BR)=R_BR ^1/2(vec(H_w))

中继端到接收端分段信道增益为：

vec(H_RM)=R_RM ^1/2(vec(H_w))

其中

R_T、、R_RR_M分别为发送端中继端接收端的天线自相关矩阵。

然后根据已构建的分段信道相关系数计算出总模拟信道的相关矩阵：

其中R_Cji为第c₁+1根发射天线到第k₁根接收天线信道与第c₂+1跟发送天线到第k₂根天线信道的相关系数，i=c₁*M_R+k₁;j=c₂M_T+k₂。

矩阵元素

ρ_{N_{2} M_{2}}^{N_{1} M_{1}} = \frac{E (Q_{1} Q_{2})}{\sqrt{(E (Q_{1}^{2}) - {(E (Q_{1}))}^{2}) (E (Q_{2}^{2}) - {(E (Q_{2}))}^{2})}}

其中，

E (Q_{1}) = μ^{2} Σ_{i = 1}^{R} Σ ({R^{{BR}^{1 / 2}}}_{(N_{1} - 1) R_{R} + i}) Σ R_{(i - 1) M_{R} + M_{1}}^{RM} = R μ^{2} Σ (R_{(N_{1} - 1) R_{R} + i}^{{BR}^{1 / 2}}) Σ R_{(i - 1) M_{R} + M_{1}}^{{RM}^{1 / 2}}

E (Q_{2}) = μ^{2} Σ_{i = 1}^{R} Σ ({R^{{BR}^{1 / 2}}}_{(N_{2} - 1) R_{R} + i}) Σ R_{(i - 1) M_{R} + M_{2}}^{RM} = R μ^{2} Σ (R_{(N_{2} - 1) R_{R} + i}^{{BR}^{1 / 2}}) Σ R_{(i - 1) M_{R} + M_{2}}^{{RM}^{1 / 2}}

E (Q_{1} Q_{2}) = Σ_{i = 1}^{R} (\begin{matrix} E (H_{N_{1} i} H_{N_{2} 1}) E (H_{i M_{1}} H_{1 M_{2}}) + E (H_{N_{1} i} H_{N_{2} 2}) E (H_{i M_{1}} H_{2 M_{2}}) + \\ \cdot \cdot \cdot + E (H_{N_{1} i} H_{N_{2} R}) E (H_{i M_{1}} H_{R M_{2}}) \end{matrix})

E ({Q_{1}}^{2}) = Σ_{i = 1}^{R} (\begin{matrix} E (H_{N_{1} i} H_{N_{1} 1}) E (H_{i M_{1}} H_{1 M_{1}}) + E (H_{N_{1} i} H_{N_{1} 2}) E (H_{i M_{1}} H_{2 M_{1}}) + \\ \cdot \cdot \cdot + E (H_{N_{1} i} H_{N_{1} R}) E (H_{i M_{1}} H_{R M_{1}}) \end{matrix})

E ({Q_{2}}^{2}) = Σ_{i = 1}^{R} (\begin{matrix} E (H_{N_{2} i} H_{N_{2} 1}) E (H_{i M_{2}} H_{1 M_{2}}) + E (H_{N_{2} i} H_{N_{2} 2}) E (H_{i M_{2}} H_{2 M_{2}}) + \\ \cdot \cdot \cdot + E (H_{N_{2} i} H_{N_{2} R}) E (H_{i M_{2}} H_{R M_{2}}) \end{matrix})

求解如上，其中公式中

表示BR相关矩阵的Cholesky分解后的矩阵中第(N₁-1)R_R+i行所有元素的和，表示

元素平方再相加。

E (H_{N_{q} i} H_{N_{qj}}) = ρ_{ij}^{MS} \sqrt{(E ({h_{N_{q} i}}^{2}) - {(E (h_{N_{q} i}))}^{2}) (E ({h_{N_{q} j}}^{2}) - {(E (h_{N_{q} j}))}^{2})}

其中

E (h_{N_{i} j}) = E (R_{(N_{i} - 1) M_{R} + j}^{{RM}^{1 / 2}} vec (H_{W})) = μΣ R_{(N_{i} - 1) M_{R} + j}^{{RM}^{1 / 2}}

最后根据总信道的相关矩阵的Cholesky分解与独立的瑞利信道相乘生成基于放大转发中继系统下的信道模型：vec(H)=R_C ^1/2(vec(H_D))。

2.根据权利要求1所述的分段信道的相关系数，其特征在于，针对于每一段的分信道，其发送机和接收机的天线信道相关性是可分离的，即两条信道的相关系数可以分离为发送端信道相关系数和接收端信道相关系数的乘积。

3.根据权利要求1所述的分段信道其特征在于，分段信道是由分段收发天线信道自相关矩阵的kronecker乘积得到相关矩阵，再将该相关矩阵进行Cholesky分解并和独立的瑞利信道乘积来生成的。

4.根据权利要求1所述的每条总信道的子链路，其特征在于，每条子链路是由中继两侧的两条分子链路组成，每条分子链路是由该分子链路所在相关信道的相关矩阵的Cholesky分解与独立的瑞利信道相乘生成，因此该分子链路的方差和均值是由该分子链路所在相关信道的相关矩阵和瑞利信道的均值、方差决定的。

5.根据权利要求1所述的快速信道模拟装置，其特征在于，主要由信道相关矩阵生成器1，信道相关矩阵生成器2，独立瑞利信道生成器，矩阵乘法器，Cholesky分解器五个装置组成。独立瑞利信道生成器用来生成所需要个数的独立的瑞利信道。信道相关矩阵生成器1用来生成由发送端到中继端和中继端到接收端的分段信道相关矩阵。信道相关矩阵生成器2用来生成总模拟信道的信道相关矩阵。Cholesky分解器用来实现对总模拟信道相关矩阵的Cholesky分解。矩阵乘法器实现总模拟信道相关矩阵的Cholesky分解后的矩阵和生成的多路瑞利信道的乘积，生成总模拟信道。