CN103338094B - 一种多输入多输出系统信道的建模方法 - Google Patents

Abstract

一种多输入多输出系统信道的建模方法，涉及无线通信。在基站端和移动终端天线均采用水平-垂直极化的双极化天线阵列，在室内环境下，大量散射体存在，极化天线的性能可以发挥的更加出色，且在室内环境下，基站端和移动终端的角域特性等是分离的，结合不同建模技术的利弊，用不同的建模技术分别捕获基站端和移动终端的特性。在移动终端采用波形叠加法捕获移动终端的空时特性，在基站端采用相关矩阵建模法捕获基站端的空间特性，然后进行耦合，推导出信道矩阵，这种基于相关矩阵和波形叠加结合的室内系统信道建模方法实现了复杂度和精确度的折衷。

Description

一种多输入多输出系统信道的建模方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是涉及一种多输入多输出系统信道的建模方法。

背景技术

随着移动通信业务的发展,人们在诸如商务楼、超市或会议厅等场所传送大量的语音和数据，因此室内通信质量受到越来越多的关注。多输入多输出（MIMO）通信系统是在通信系统基站端和移动终端同时使用多个天线，充分利用无线多径信道的空间自由度提高信道容量和传输速率，以增加系统的复杂程度为代价换取更高的频谱利用率，是在丰富的多径环境中满足不断增长的容量需求强有力的解决方案。

MIMO技术由于开发了空间维度，能提供较大的信道容量，传统的MIMO通信系统中，基站端往往利用间距很大的多天线阵列实现空间分集，其中天线单元结构为单线天线结构，随着MIMO技术的不断发展，制约了系统性能的提高。近来交极化天线受到了广泛的关注，是由于其相对于共极化天线能够在相同的间隔内提供双倍的天线数量，多极化天线利用位于同一位置的多个天线单元，充分利用电磁波的多个场分量的信息，极大幅度的提高有限空间内的自由度，获得与空间MIMO天线类似的增益，从而减小对到达角度以及靠增大的天线距离减小天线相关性的依赖性。

目前用于MIMO信道建模的方法主要有两类：一类是确定性衰落信道建模方法，这类方法包括基于对信道冲激响应测量数据的建模方法([1]Stridh,R.;KaiYu;Ottersten,B.;Karlsson,P.,“MIMOchannelcapacityandmodelingissuesonameasuredindoorradiochannelat5.8GHz,”WirelessCommunications,IEEETransactionson(Volume:4,Issue:3),pp.895–903,May2005;[2]Molina-Garcia-Pardo;J.-M.Rodríguez,J.-V.;Juan-Llacer,L.,”PolarizedIndoorMIMOChannelMeasurementsat2.45GHz,”AntennasandPropagation,IEEETransactionson(Volume:56,Issue:12),pp.3818–3828,Dec.2008)和基于射线跟踪的建模方法([3]JiangangLv;YinghuaLu;YeqiuWang;HongtaoZhao,“AntennaspacingeffectonindoorMIMOchannelcapacity,“MicrowaveConferenceProceedings,Asia-PacificConferenceProceedings(Volume:3),Dec.2005;[4]ShihuaWang;XiaodongChen;Parini,C.,”WLANMIMOchannelmodelinaray-tracingsimulator,”AntennasandPropagationConference(LAPC),Loughborough,pp.417-420,Nov.2010)；另一类是基于统计特征的建模方法。与确定性建模方法相比，这类方法利用统计平均的方法重新产生MIMO信道衰落的现象，具体可分为基于地理特征的建模方法([5]ShuangquanWang;Raghukumar,K.;Abdi,A.;Wallace,Jon,”IndoorMIMOchannels:aparametriccorrelationmodelandexperimentalresults,”AdvancesinWiredandWirelessCommunication,2004IEEE/SarnoffSymposiumon,pp.1–5)、参数化统计的建模方法([6]Shafi,M.;MinZhang;Moustakas,A.L.;Smith,P.J.,“PolarizedMIMOChannelsin3-D:Models,MeasurementsandMutualInformation,”SelectedAreasinCommunications,IEEEJournalon(Volume:24,Issue:3),pp.514–527,March2006;[7]SuKhiongYong;Thompson,J.S.,”Three-dimensionalspatialfadingcorrelationmodelsforcompactMIMOreceivers,”WirelessCommunications,IEEETransactionson(Volume:4,Issue:6),pp.2856–2869,Nov.2005;[8Zwick,T.;Fischer,C.;Wiesbeck,W.”AStochasticMultipathChannelModelIncludingPathDirectionsforIndoorEnvironments,”SelectedAreasinCommunications,IEEEJournalon(Volume:20,Issue:6),pp.1178–1192,Aug2002;[9]Quitin,F.;Oestges,C.;Horlin,F.;DeDoncker,P.,”APolarizedClusteredChannelModelforIndoorMultiantennaSystemsat3.6GHz,”VehicularTechnology,IEEETransactionson(Volume:59,Issue:8),pp.3685–3693,Oct.2010;[10]Poutanen,J.;Haneda,K.;LingfengLiu;Oestges,C.,”ParameterizationoftheCOST2100MIMOChannelModelinIndoorScenarios,”AntennasandPropagation(EUCAP),Proceedingsofthe5thEuropeanConferenceon,pp.3606–3610,April2011)和基于收发衰落的相关特征([11]YanZhang;XinweiHu;YuanzhiJia;ShidongZhou,”ANovelCoupling-BasedModelforWidebandMIMOChannel,”GlobalTelecommunicationsConference,2009,pp.1-6;[12]KaiYu;Bengtsson,M.;Ottersten,B.;McNamara,D.,”SecondOrderStatisticsofNLOSIndoorMIMOChannelsBasedon5.2GHzMeasurements,”GlobalTelecommunicationsConference,2001.GLOBECOM'01.IEEE(Volume:1),pp.56-160;[13]McNamara,D.P.;Beach,M.A.;Fletcher,P.N.,”SpatialcorrelationinindoorMIMOchannels,”Personal,IndoorandMobileRadioCommunications,2002.The13thIEEEInternationalSymposiumon(Volume:1),pp.290–294)的3种建模方法。其中，基于收发衰落的相关特征的建模方法，其强行假设到达角（AOA）和离开角（AOD）的联合分布函数是可分离的，即要求其相互独立，从而无法反映AOA和AOD之间的内在联系，而对于实际中的单跳散射而言，AOA和AOD间显然是有一定关系的，但是基站端和移动终端可分离的假设使得设计者们可以独立的考虑收发端各自的阵列设计，这样的简化正是基于收发衰落的相关特征的建模方法受到广泛应用的原因。在基于“簇”的波形叠加的建模方式中，通过描述每条路径的传输特性，将各条路径叠加起来，则可以反映信道的衰落等特性，特别当移动终端的位置不断变化时，用此建模方法能够不断捕获空时衰落特性，但此建模方式需要大量的计算复杂度。

另外值得一提的是，在散射丰富条件下，极化天线可以为信道带来更大的自由度，而室内环境下大量散射体的存在可以使极化天线的的性能发挥的更加出色。但是极化特性没有很好的到建模的原因主要在于极化特性十分的复杂。在考虑极化特性时，每条传播路径均需要考虑两个正交的极化状态，经过信道后，由于反射，衍射，散射等带来的去极化效果将会导致原来的输入信道的两种极化状态转化四种输出极化状态。另一个对极化信道进行建模的难点是如何选择坐标系（以传播环境建为基点建立、以发送天线阵列为基点建立、以接收天线阵列为基点建立），不同的坐标系将会导致不同的建模复杂度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多输入多输出系统信道的建模方法。

本发明包括以下步骤：

1）将基站端发射的信号通过多输入多输出通信传播信道传送到移动终端，其中多输入多输出通信信道为V-H(Vertical-Horizontal)极化的双极化天线信道；

2）采用波形叠加法获取移动终端的复响应；

3）基于相关矩阵法获取基站端的复响应；

4）耦合基站端的复响应和移动终端的复响应，获取并导出多输入多输出系统的信道矩阵。

在步骤2）中，所述获取移动终端的复响应的方法可为：设定基站端和移动终端均为线性天线阵列（ULA），信号的传播路径为非视距（NLOS）传播，也即基站端与移动终端之间没有直射的强功率信号，获取第s根发射天线与第u根接收天线之间基于第n个“簇”的信道冲h_u,s,n(t)；进一步获取第s根发射天线与第u根接收天线之间基于第n个“簇”的仅包含移动端的相关特性的信道系数则可得出仅表明移动终端特性的矩阵H^Mobi，其中t表示时间，反映信道的时变特性。

在步骤3)中，所述基站端的相关特性仅与天线的几何阵列和角功率谱密度有关，用R^Base表示基站端的相关矩阵，矩阵的每个元素用表示，即：

其中N_t为发射天线的数目，且元素可表示为：

$r_d\left(\stackrel{\→}{d}\right)=\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}\exp \{-j\stackrel{\→}{k}\stackrel{\→}{d}\}F\left(\mathrm{\φ}\right)P(\mathrm{\φ},\mathrm{\θ})\mathrm{d\θd\φ}$

其中F(φ)表示天线的场方向图；反映天线的阵列结构；表示反映离开角特性的单位波矢量;P(φ,θ)表示角功率谱密度,其中φ,θ分别表示接收信号的到达角和仰角。

在步骤4）中，所述多输入多输出系统的信道矩阵为：

$H=H^{\mathrm{Mobi}}\sqrt{R^{\mathrm{Base}}}$

其中，为均方差矩阵。

本发明以建立以MIMO通信系统的信道矩阵为主的模型，供优化研究使用。本发明提出的一种适用于链路级的MIMO信道模型，其联合了相关矩阵法以及波形叠加法，在基站端运用相关矩阵法捕获空间衰落，在移动终端利用波形叠加法捕获空时衰落特性。由于基站端往往是静止的，所以基站端的空间相关矩阵不会经历小尺度衰落特性，从而本发明实现精确度与效率的折衷。

附图说明

图1为以传播环境为基点建立的三维空间坐标系，在图1中未画入仰角。

图2为室内非视距（NLOS）传播示意图。

图3为同时考虑仰角和方位角的室内环境下双极化天线的接收信号。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明做进一步的说明。

（1）信道建模方法示意图如图1所示，以传播环境为基点建立三维空间坐标系，图中暂没画入仰角，传输媒介对波束的影响包括幅度衰落，相移，方向改变，时延，一般情况下关于波束方向改变的建模需要知道到达角（AOA）和离开角（AOD）的联合统计特性，比如AOA和AOD的联合功率谱密度，这些信息往往需要通过信道的双向测量才能获得，复杂度很大，但是在室内传播环境下，存在大量散射体，此时AOA和AOD之间是不相关的，这样基于对各种不同建模方式利弊的分析，用不同的建模技术分别捕获基站端，移动终端的特性，且可以将已知数据实时的运用到模型中去，本发明利用波形叠加的方式捕获移动终端的空时特性，利用相关矩阵的建模方式捕获基站端的空间特性，实现复杂度与精确度的折衷。图1的对应符号数据包括:φ^B和分别表示离开角AOD和到达角AOA；和分别表示离开角AOD和到达角AOA的单位矢量；分别表示发射天线和接收天线在坐标系中的位置矢量；v表示移动端的速度矢量；N_t，N_r分别表示基站端，移动终端天线数目。

（2）图2反映了本发明的研究环境指定为室内非视距传播信道，即假定在基站端（BS），移动终端(MS)之间不存在强的直射功率信号。

（3）图3反映了本发明所利用的V-H双极化天线，在实际运用时，由于极化天线特性的不理想，即基站端，移动终端的V极化天线与H极化天线存在相关性，实际信道容量往往与理论信道容量存在一定误差。另外，以前建模方案很少考虑仰角的问题，虽然系统的性能相对于仰角扩展更加依赖于方位角度扩展，但从建模的精确度考虑，本发明的建模方案将同时考虑方位角和仰角对MIMO通信系统的影响。图3给出的是移动终端的天线，在三维坐标系中，加黑部分表示极化天线，θ_n,m表示第n个簇的第m条子径的仰角，表示第n个簇的第m条子径的到达角。

（4）本发明提出的在基站端利用相关矩阵法，在移动终端利用波形叠加法，通过一定的方式进行耦合得出双极化天线信道的信道矩阵，具体包括如下步骤：

步骤1）将基站端发射的信号通过MIMO通信传播信道传送到移动终端，其中MIMO通信信道为V-H极化的双极化天线信道。

步骤2）采用波形叠加法获取移动终端的复响应，具体步骤如下：

假定基站端和移动终端均为线性天线阵列（ULA），信号的传播路径为非视距（NLOS）传播，也即基站端和移动终端之间不存在强的直射功率信号，同时考虑方位角和仰角，第s根发射天线与第u根接收天线之间基于第n个“簇”的信道冲击响应为：

其中，t表示时间，反映信道的时变特性；M为特性“簇”所包含的子径数目；F_rx,u,V和F_rx,u,H分别表示垂直极化和水平极化时接收天线元素u的场方向图；F_tx,s,V和F_tx,s,H分别表示垂直极化和水平极化时发射天线元素s的场方向图；λ₀表示载波波长；φ_n,m和分别表示第n,m个波束的离开角AOD和到达角AOA；θ_n,m,s(u)表示第n,m个波束的位于基站端（移动终端）的仰角；和分别表示离开角AOD和到达角AOA的单位矢量；其中，

$\stackrel{\→}{k_{n,m,s}}={2\mathrm{\π\λ}}_0^{-1}[\cos {\mathrm{\φ}}_{n,m},\sin {\mathrm{\φ}}_{n,m},0]$

v_n,m表示第n,m个波束的多普勒频移分量；P_n为归一化功率:

$P_n=\frac{P_n^{\′}}{{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{P}_n^{\′}}$

其中，P'_n为每个“簇”分量的功率，其往往是时延的指数函数；其中，XPD表示交极化因子，是由极化天线特性的不理想以及散射体的去极化效应所造成的，此处我们假定{vh,hv}两种组合的交极化因子数值大小一样：

$\mathrm{XPD}=\frac{E\left\{{\left|h_{v,v}\right|}^2\right\}}{E\left\{{\left|h_{h,v}\right|}^2\right\}}=\frac{E\left\{{\left|h_{h,h}\right|}^2\right\}}{E\left\{{\left|h_{v,h}\right|}^2\right\}}$

其中，h_x,y表示一个理想的y极化的发送天线，与一个理想的x极化的接收天线之间的信道响应值；分别为四种不同极化组合{vv,vh,hv,hh}的初始相位，它们的密度函数为Uni(-π,π)，即：

x_s，y_s，z_s分别表示发射天线的位置矢量在图1所示的三维坐标系上中的坐标值分量，x_u，y_u，z_u有类似的定义，在此为了方便起见，我们假定移动终端仅在水平面内运动，则

$v_{n,m}=\frac{\left|v\right|\cos {\mathrm{\θ}}_v\sin {\mathrm{\θ}}_{n,m,u}\cos {\mathrm{\φ}}_{n,m}+\left|v\right|\sin {\mathrm{\θ}}_v\sin {\mathrm{\θ}}_{n,m,u}\sin {\mathrm{\φ}}_{n,m}}{{\mathrm{\λ}}_0}$

第s根发射天线与第u根接收天线之间基于第n个“簇”的仅包含移动终端的相关特性的信道冲击响应为：

由上式可以得出仅表明移动终端特性的信道矩阵H^Mobi:

步骤3）用相关矩阵法获取基站端的复响应，具体步骤如下：

基站端的相关特性仅与天线的几何阵列和角功率谱密度有关，用R^Base表示基站端的相关矩阵，矩阵的每个元素用表示，即：

其中N_t为发射天线的数目，且元素可表示为：

$r_d\left(\stackrel{\→}{d}\right)=\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}\exp \{-j\stackrel{\→}{k}\stackrel{\→}{d}\}F\left(\mathrm{\φ}\right)P(\mathrm{\φ},\mathrm{\θ})\mathrm{d\θd\φ}$

其中F(θ)表示天线的场方向图特性；P(φ,θ)表示角功率谱密度，包含离开角和仰角的角功率谱密度；表示天线的阵列结构；表示反映离开角特性的单位波矢量。

步骤4）将基站端和移动终端复响应进行相关耦合，即可得到MIMO系统的信息矩阵：

$H=H^{\mathrm{Mobi}}\sqrt{R^{\mathrm{Base}}}$

其中为均方差矩阵。

至此，本流程结束。

Claims (2)

1.一种多输入多输出系统信道的建模方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将基站端发射的信号通过多输入多输出通信传播信道传送到移动终端，其中多输入多输出通信信道为V-H极化的双极化天线信道；

2)采用波形叠加法获取移动终端的复响应；

所述获取移动终端的复响应的方法为：设定基站端和移动终端均为线性天线阵列，信号的传播路径为非视距传播，也即基站端与移动终端之间没有直射的强功率信号，获取第s根发射天线与第u根接收天线之间基于第n个“簇”的信道冲击响应h_u,s,n(t)；进一步获取第s根发射天线与第u根接收天线之间基于第n个“簇”的仅包含移动端的相关特性的信道系数则得出仅表明移动终端特性的矩阵H^Mobi，其中t表示时间，反映信道的时变特性；

3)基于相关矩阵法获取基站端的复响应；

所述基站端的相关特性仅与天线的几何阵列和角功率谱密度有关，用R^Base表示基站端的相关矩阵，矩阵的每个元素用表示，即：

其中N_t为发射天线的数目，且元素表示为：

$r_d\left(\stackrel{\→}{d}\right)=\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}\exp \{-j\stackrel{\→}{k}\stackrel{\→}{d}\}F\left(\mathrm{\φ}\right)P(\mathrm{\φ},\mathrm{\θ})d\mathrm{\θ}d\mathrm{\φ}$

其中F(φ)表示天线的场方向图；反映天线的阵列结构；表示反映离开角特性的单位波矢量；P(φ,θ)表示角功率谱密度,其中φ,θ分别表示接收信号的到达角和仰角；

4)耦合基站端的复响应和移动终端的复响应，获取并导出多输入多输出系统的信道矩阵。

2.如权利要求1所述一种多输入多输出系统信道的建模方法，其特征在于在步骤4)中，所述多输入多输出系统的信道矩阵为：

$H=H^{Mobi}\sqrt{R^{Base}}$

其中，为均方差矩阵。