CN103297988A - 适用于三维传播信道的建模方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于三维传播信道的建模方法及装置，为解决现有的三维传播信道建模中忽略了垂直方向上的角度问题而设计。所述建模方法包括以下步骤：步骤1：获取基站端与移动通信端的直射连线方向并根据基站端与移动通信端天线的高度差及水平距离得出视距传播角度θ_LoS；步骤2：分别构建基站端与移动通信端的中心角θ_mean；步骤3：将随机生成的所述三维传播信道的零均值俯仰功率角度谱平移到中心角上，以分别获得基站端与移动通信端的非零均值俯仰功率角度谱。本发明具有实现简单易行、实用性强、弥补了现有技术在俯仰角度上建模的缺失。

Description

适用于三维传播信道的建模方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种适用于三维传播信道的建模方法及装置

背景技术

为了提高频带利用率以及增加通信网络的覆盖率，将原来的蜂窝小区的半径进一步缩小了。当蜂窝小区的半径变得小了，移动通信终端与小区内基站之间在垂直方向上的俯仰角变大了，而在现有通信中是忽略了俯仰角度的，尤其是在室内环境。

于此同时，为了提高现有网络性能，引入了波束赋形技术与三维多入多出（3D-MIMO）技术。而3D-MIMO技术借由在俯仰和水平维度动态的调节天线阵元的权值来实现，3D-MIMO技术同时也可以成为3D波束赋形技术，该技术是由基站在三维空间上将不同的波束发送给不同的移动通信终端，故如在传播信道中引入俯仰角相关参数的必要性是很显然的。

然而，现有的标准化2D和3D信道模型中均并没有明确给出俯仰角度的建模方法，并且缺乏对俯仰维度角度的随机特性的了解和分析。

发明内容

（一）发明目的

针对上述问题，本发明旨在提供一种充分考通信基站与移动通信终端在垂直方向上俯仰角度相关特性的适用于三维传播信道的建模方法及装置。

（二）技术方案

为达上述目的，本发明适用于三维传播信道的建模方法，包括以下步骤：

步骤1：获取基站端与移动通信端的直射连线方向并根据基站端与移动通信端天线的高度差及水平距离得出视距传播角度θ_LoS；

步骤2：通过下列公式分别构建基站端与移动通信端的中心角θ_mean；

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mean}}=\left\{\begin{array}{c}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{off}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ran}},\left(\mathrm{BS}\right)\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{off}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ran}},\left(\mathrm{MS}\right)\end{array}\right.$

θ_off为根据预设方法构建的垂直方向上的偏移角度；θ_ran为所述三维传播信道随机波动角，BS为基站端，MS为移动通信端；

步骤3：将随机生成的所述三维传播信道的零均值俯仰功率角度谱平移到中心角上，以分别获得基站端与移动通信端的非零均值俯仰功率角度谱。

进一步地，所述视距传播角度θ_LoS通过下列公式求取；

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δh}}{d}\right)$

Δh为基站端与移动通信端天线高度差；d为基站端与移动通信端水平距离。

进一步地，所述偏移角度为一固定值A或通过公式θ_off=F(d,Δh)构建；

其中，所述公式F(d,Δh)为以Δh与d因变量的函数。

进一步地，其特征在于，

当所述三维传播信道为非视距传输信道时，所述步骤3通过公式

进行零均值俯仰功率角度谱平移；

当所述三维传播信道为视距传输信道时，所述步骤3通过公式

进行零均值俯仰功率角度谱平移；

其中，θ_n为非零均值俯仰功率角度谱的第n条传播路径的俯仰角度，

为零均值俯仰功率角度谱的第n条传播路径的俯仰角度，X_n为第n条传播路径的服从均匀分布的离散集合{-1,1}，

为零均值俯仰功率角度谱的第1条传播路径的俯仰角度，X₁为第1条传播路径的服从均匀分布的离散集合{-1,1}。

为达上述目的，本发明适用于三维传播信道的建模装置，包括：

直射角度构建单元，用以获取基站端与移动通信端的视距方向并根据基站端与移动通信端天线的高度差及水平距离得出视距传播角度θ_LoS；

中心角构建单元，通过下列公式分别构建基站端与移动通信端的中心角θ_mean；

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mean}}=\left\{\begin{array}{c}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{off}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ran}},\left(\mathrm{BS}\right)\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{off}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ran}},\left(\mathrm{MS}\right)\end{array}\right.$

θ_off为根据预设方法构建的垂直方向上的偏移角度；θ_ran为所述三维传播信道随机波动角，BS为基站端，MS为移动通信端；

平移单元，用以将随机生成的所述三维传播信道的零均值俯仰功率角度谱平移到中心角上，以分别获得基站端与移动通信端的非零均值俯仰功率角度谱。

优选地，所述视距传播角度θ_LoS通过下列公式求取；

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δh}}{d}\right)$

Δh为基站端与移动通信端天线高度差；d为基站端与移动通信端水平距离。

优选地，所述偏移角度为一固定值A或通过公式θ_off=F(d,Δh)构建；

其中，所述公式F(d,Δh)为以Δh与d因变量的函数。

优选地，

当所述三维传播信道为非视距传输信道时，所述平移单元通过公式

进行零均值俯仰功率角度谱平移；

当所述三维传播信道为视距传输信道时，所述平移单元通过公式

进行零均值俯仰功率角度谱平移；

其中，θ_n为非零均值俯仰功率角度谱的第n条传播路径的俯仰角度，

为零均值俯仰功率角度谱的第n条传播路径的俯仰角度，X_n为第n条传播路径的服从均匀分布的离散集合{-1,1}，

为零均值俯仰功率角度谱的第1条传播路径的俯仰角度，X₁为第1条传播路径的服从均匀分布的离散集合{-1,1}。

（三）本发明的有益效果

本发明适用于三维传播信道的建模方法及装置，在现有的2D信道建模的方法上，引入了垂直方向上的俯仰角、通过偏移角以及随机波动角，充分的考虑了传播信道的三维特性，填补了现有3D传播信道建模的对于俯仰角建模方法的缺失，实现简单、对现有的信道建模方法及装置变更小，此外由于本发明所述的建模方法及装置提取实地信道测量参数进行建模，从而与实际信道的有很高的切合度，从而具有建模效果好的优点。

附图说明

图1为本发明实施例一所述的适用于三维传播信道的建模方法的流程图；

图2为本发明实施例三所述的三维传播信道示意图；

图3为图2中所述的传播信道为非视距传播时，本发明实施例方法的建模示意图；

图4为图2中所述的传播信道为视距传播时，本发明实施例方法的建模示意图；

图5为本发明实施例四所述的适用于三维传播信道的建模装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及实施例对本发明适用于三维传播信道的建模方法及装置做进一步的说明。

实施例一：

如图1所示，本实施例适用于三维传播信道的建模方法，包括以下步骤：

步骤1：获取基站端与移动通信端的直射连线方向并根据基站端与移动通信端天线的高度差及水平距离得出视距传播角度θ_LoS；于此同时可以根据实际测量以及大尺度参数的计算方法得到为视距传输的概率、路损、时沿扩展、水平角度扩展值、俯仰角度扩展值等相关的大尺寸参数，用于后续的建模；

步骤2：通过下列公式分别构建基站端与移动通信端的中心角θ_mean；

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mean}}=\left\{\begin{array}{c}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{off}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ran}},\left(\mathrm{BS}\right)\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{off}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ran}},\left(\mathrm{MS}\right)\end{array}\right.$

θ_off为根据预设方法构建的垂直方向上的偏移角度；θ_ran为所述三维传播信道随机波动角，BS为基站端，MS为移动通信端；在此步骤中，基站侧在求取其对应的中心角时是减去视距传播角度的，而对应的移动通信端则是加上视距传播角度的；θ_ran为零均值高斯随机变量，保证了俯仰中心角度在视距角度和偏移角度上的随机性。

步骤3：将随机生成的所述三维传播信道的零均值俯仰功率角度谱平移到中心角上，以分别获得基站端与移动通信端的非零均值俯仰功率角度谱。

通过本实施例所述方法得到的非零均值俯仰功率角度谱，结合已经有的三维天线阵列响应函数等现有的计算方法，得到多径分量在三维角度上的天线增益，在进行后续的三维信道的构建。

本实施例所述的适用于三维传播信道的建模方法，相对于现有的3D三维传播信道建模方法，僵硬的移植2D信道建模方法，简单的套用，根据三维传播信道的特点，引入俯仰维度上的视距俯仰角、偏移角、随机波动角等角度构成中心角，再将随机生成的零均值俯仰功率角度平移到中心角上，获取用于后续进一步构建三维信道的非零均值俯仰功率角度谱，具有充分考虑了三维信道在垂直方向上的特性，且结合了传统的2D信道建模方法，从而具有实现简便的特点，且由于是根据实际测量的参量为基础，从而与实际应用的吻合度高，从而具有实际应用价值大，应用效果佳。

作为本实施例的进一步的改进，所述视距传播角度θ_LoS通过下列公式求取；

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δh}}{d}\right)$

Δh为基站端与移动通信端天线高度差；d为基站端与移动通信端水平距离。

在步骤1中通过上述方法计算视距传播角，具有实现简便、快捷，求解精确的优点。

实施例二：

本实施例在上一实施例的基础上，进一步的提出了偏移角度的确定方法，其中，所述偏移角度为一固定值A或通过如下公式θ_off=F(d,Δh)构建；

其中，所述公式F(d,Δh)为以Δh与d因变量的函数。其表达形式可以参考如下：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{off}}=\left\{\begin{array}{c}A\\ a\·\exp (b\·\sqrt{d^2}+\mathrm{\Δ}{h}^2)\\ c\·\arctan \left(\sqrt{d^2+\mathrm{\Δ}{h}^2}\right)-d\end{array}\right.$

当偏移角度为一固定值A时（即为常数），表示的是在实际功率角度谱中心方向与视距方向的夹角为一定值；特定情况下可以选择偏移角度为零及A=0，表示为实际功率角度谱中心方向与视距方向重合。

当偏移角度由θ_off=F(d,Δh)求取时，表示的是实际功率角度谱中心方向与视距方向的夹角随着基站端与移动通信端两端的相对高度差以及两端的水平距离的变化而变化。其中a，b，c，d为建模系数，根据场景（室内、微蜂窝、宏蜂窝）的不同采取不同的常数进行偏移角的建模。

由本实施例所述的适用于三维传播信道的建模方法可知，平移角度可以是预设的经验值，也可是利用测量的参数根据一定的计算方法得到的更加精确的计算值，不管是通过哪种方法获取的偏移角度均是基于考虑基站端与移动通信端在垂直方向上的特性的，且实现简单易行。

实施例三：

本实施适用于三维传播信道的建模方法，在上述实施例的基础上，进一步的提出了中心角计算的优选方法，具体如下：

当所述三维传播信道为非视距传输信道时，所述步骤3通过公式

进行零均值俯仰功率角度谱平移；

当所述三维传播信道为视距传输信道时，所述步骤3通过公式

进行零均值俯仰功率角度谱平移；

其中，θ_n为非零均值俯仰功率角度谱，

为零均值俯仰功率角度谱，X_n为服从均匀分布的离散集合{-1,1}n表示第n条传播路径，且多径分量的排列顺序依其对应的功率的大小排列，故，当n=1时，该路径上的多径分量能量最强。

如图2所示表示的为本实施例所述的适用于三维传播信道建模方法所用于的三维信道示意图；如包括基站端BS以及移动通信端MS；基站端以及移动通信端均以各自天线所在点建立了一个三维坐标系，包括x轴，y轴以及z轴，其中A、B、C、D表示的传播路径，其中位于基站端与移动通信端之间的两个小球体表示的传播路径上的障碍物；故在具体的应用的时候存在视距传播路径以及被障碍物遮挡后的非视距传播路径。

故而本实施例针对上述情况，提出了所述三维传播信道分别为视距传输信道或非视距传输信道时，零均值俯仰功率角度谱的平移方法。

图3为图2所述的通信系统为非视距通信时，采用本实施例所述方法建模的示意图；

图4为图2所述的通信系统为视距通信时，采用本实施例所述建模方法的示意图。

综合上述实施例一至实施三，本发明所述的适用于三维传播信道的建模方法，与现有技术相比充分的考虑了通信两端在垂直方向上的俯仰角的问题，从而根据本方法建立的通信信道更具有实用性，通信效果以及通信性能更加，且由于通过提取实地信道测量参数进行建模，从而与实际信道的吻合度高，故在应用波束赋形技术以及3D-MIMO技术时实用效果佳。

实施例四：

如图5所示，本实施例所述的适用于三维传播信道的建模装置，包括：

直射角度构建单元，用以获取基站端与移动通信端的直射连线方向并根据基站端与移动通信端天线的高度差及水平距离得出视距传播角度θ_LoS；于此同时可以根据实际测量以及大尺度参数的计算方法得到为视距传输的概率、路损、时延扩展、水平角度扩展值、俯仰角度扩展值等相关的大尺寸参数，用于后续的建模；

中心角构建单元，用以通过下列公式分别构建基站端与移动通信端的中心角θ_mean；

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mean}}=\left\{\begin{array}{c}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{off}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ran}},\left(\mathrm{BS}\right)\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{off}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ran}},\left(\mathrm{MS}\right)\end{array}\right.$

θ_off为根据预设方法构建的垂直方向上的偏移角度；θ_ran为所述三维传播信道随机波动角，BS为基站端，MS为移动通信端；随机波动角θ_ran的取值根据预设函数求取的，也可是根据经验值设置的固定值；

平移单元，用以将实际测量的所述三维传播信道的零均值俯仰功率角度谱搬移到中心角上，以分别获得基站端与移动通信端的非零均值俯仰功率角度谱。

当计算出非零均值俯仰功率角度谱之后，结合现有的三维天线阵列响应函数，得到多径分量，从而得到三维角度域上的天线增益，用于构建信道，用于波束赋形以及MIMO通信技术的应用。

进一步地，所述视距传播角度θ_LoS通过下列公式求取；

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δh}}{d}\right)$

Δh为基站端与移动通信端天线高度差；d为基站端与移动通信端水平距离。采用反三角函数求求时间传播角度具有实现简便易行的特点。

进一步地，所述偏移角度为一固定值A或通过如下公式θ_off=F(d,Δh)构建；

其中，所述公式F(d,Δh)为以Δh与d因变量的函数。

进一步地，

当所述三维传播信道为非视距传输信道时，所述平移单元通过公式

进行零均值俯仰功率角度谱平移；

当所述三维传播信道为视距传输信道时，所述平移单元通过公式

进行零均值俯仰功率角度谱平移；

其中，θ_n为非零均值俯仰功率角度谱的第n条传播路径的俯仰角度，

为零均值俯仰功率角度谱的第n条传播路径的俯仰角度，X_n为第n条传播路径的服从均匀分布的离散集合{-1,1}，

为零均值俯仰功率角度谱的第1条传播路径的俯仰角度，X₁为第1条传播路径的服从均匀分布的离散集合{-1,1}。

本发明适用于三维传播信道的建模装置，在现有的2D信道建模的装置上，引入了垂直方向上的俯仰角、通过偏移角以及随机波动角，充分的考虑了传播信道的三维特性，填补了现有3D传播信道建模的对于俯仰角建模方法的缺失，实现简单、对现有的信道建模方法及装置变更小，此外由于本发明所述的建模方法及装置提取实地信道测量参数进行建模，从而与实际信道的有很高的切合度，从而具有建模效果好的优点。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种适用于三维传播信道的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取基站端与移动通信端的直射连线方向并根据基站端与移动通信端天线的高度差及水平距离得出视距传播角度θ_LoS；

步骤2：通过下列公式分别构建基站端与移动通信端的中心角θ_mean；

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mean}}=\left\{\begin{array}{c}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{off}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ran}},\left(\mathrm{BS}\right)\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{off}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ran}},\left(\mathrm{MS}\right)\end{array}\right.$

θ_off为根据预设方法构建的垂直方向上的偏移角度；θ_ran为所述三维传播信道随机波动角，BS为基站端，MS为移动通信端；

步骤3：将随机生成的所述三维传播信道的零均值俯仰功率角度谱平移到中心角上，以分别获得基站端与移动通信端的非零均值俯仰功率角度谱。

2.根据权利要求1所述的适用于三维传播信道的建模方法，其特征在于，所述视距传播角度θ_LoS通过下列公式求取；

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δh}}{d}\right)$

Δh为基站端与移动通信端天线高度差；d为基站端与移动通信端水平距离。

3.根据权利要求1所述的适用于三维传播信道的建模方法，其特征在于，所述偏移角度为一固定值A或通过公式θ_off=F(d,Δh)构建；

其中，所述公式F(d,Δh)为以Δh与d因变量的函数。

4.根据权利要求1、2或3所述的适用于三维传播信道的建模方法，其特征在于，

当所述三维传播信道为非视距传输信道时，所述步骤3通过公式

进行非零均值俯仰功率角度谱平移；

当所述三维传播信道为视距传输信道时，所述步骤3通过公式

进行零均值俯仰功率角度谱平移；

其中，θ_n为非零均值俯仰功率角度谱的第n条传播路径的俯仰角度，

为零均值俯仰功率角度谱的第n条传播路径的俯仰角度，X_n为第n条传播路径的服从均匀分布的离散集合{-1,1}，

为零均值俯仰功率角度谱的第1条传播路径的俯仰角度，X₁为第1条传播路径的服从均匀分布的离散集合{-1,1}。

5.一种适用于三维传播信道的建模装置，其特征在于，包括：

直射角度构建单元，用以获取基站端与移动通信端的直射连线方向并根据基站端与移动通信端天线的高度差及水平距离得出视距传播角度θ_LoS；

中心角构建单元，用以通过下列公式分别构建基站端与移动通信端的中心角θ_mean；

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mean}}=\left\{\begin{array}{c}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{off}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ran}},\left(\mathrm{BS}\right)\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{off}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ran}},\left(\mathrm{MS}\right)\end{array}\right.$

θ_off为根据预设方法构建的垂直方向上的偏移角度；θ_ran为所述三维传播信道随机波动角，BS为基站端，MS为移动通信端；

平移单元，用以将随机生成的所述三维传播信道的零均值俯仰功率角度谱平移到中心角上，以分别获得基站端与移动通信端的非零均值俯仰功率角度谱。

6.根据权利要求5所述的适用于三维传播信道的建模装置，其特征在于，所述视距传播角度θ_LoS通过下列公式求取；

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LoS}}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δh}}{d}\right)$

Δh为基站端与移动通信端天线高度差；d为基站端与移动通信端水平距离。

7.根据权利要求5所述的适用于三维传播信道的建模装置，其特征在于，所述偏移角度为一固定值A或通过公式θ_off=F(d,Δh)构建；

其中，所述公式F(d,Δh)为以Δh与d因变量的函数。

8.根据权利要求5、6或7所述的适用于三维传播信道的建模方法，其特征在于，

当所述三维传播信道为非视距传输信道时，所述平移单元通过公式进行零均值俯仰功率角度谱平移；

当所述三维传播信道为视距传输信道时，所述平移单元通过公式

进行零均值俯仰功率角度谱平移；

其中，θ_n为非零均值俯仰功率角度谱的第n条传播路径的俯仰角度，

为零均值俯仰功率角度谱的第n条传播路径的俯仰角度，X_n为第n条传播路径的服从均匀分布的离散集合{-1,1}，为零均值俯仰功率角度谱的第1条传播路径的俯仰角度，X₁为第1条传播路径的服从均匀分布的离散集合{-1,1}。

Images