CN103984836B - 一种3d‑mimo天线极化增益的联合存储方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及3D天线极化增益的计算和3D信道估计技术。本发明根据半波偶极天线的共同特性，发明一种联合存储计划增益的方法，该方法对3D‑MIMO中天线系统的三维极化增益的存储数据进行了分类和简化，不仅节省了大量的存储空间，解决了巨大的三维极化增益数据的存储难题，又能加快波束离开或到达天线时的三维极化增益的计算，还减小了天线在调整姿态时所需要更新的动态数据，有利于天线对准技术的实施。

Description

一种3D-MIMO天线极化增益的联合存储方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及3D天线极化增益的计算和3D信道估计技术。

背景技术

随着无线通信的发展，多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术被越来越深入地研究，由于无线信道的多径特性，使得MIMO技术在不改变发射功率和带宽的情况下，相对单天线系统有很大的容量提升，因此，MIMO已经成为许多天线通信系统的关键应用技术，比如第四代无线通信技术LTE(3GPP Long Term Evolution)。

以往的无线通信技术所涉及的MIMO技术均是指二维的多输入多输出(Two-Dimensional Multiple Input and Multiple Output System，2D-MIMO)技术，即基站到用户的传输电磁波是在平面内进行传输的，从基站(Base Station，BS)到用户(MobileStation，MS)各条多径的离开角和到达角均限制在水平面的二维平面内，波束的到达角只考虑水平到达角(Angle Of Arrival，AOA)，波束的离开角只考虑水平离开角(Angle OfDeparture，AOD)，而把垂直到达角(Elevation Angle Of Arrival，EOA)和垂直离开角(Elevation Angle Of Departure，EOD)都默认设为了90度。三维的多输入多输出(Three-Dimensional Multiple Input and Multiple Output System，3D-MIMO)系统是在传统2D-MIMO中增加了仰角的维度，即EOA和EOD不能简单的都设为90度，而是会根据系统不同的场景中基站用户不同的分布而确定的值，代表的是电磁波在传播过程中，在垂直方向上偏离的角度大小，因此，比2D-MIMO多了一个仰角维度。目前尚属于较新的前沿技术领域。

在传统的2D-MIMO中，因此，天线的极化增益仅存在于水平面，是一个数据量不大的2维数组。传统的2D-MIMO天线系统架构大部分均为每根天线拥有独立的一个储存器，用来存储自身的极化增益，当传播波束到达时，每根天线根据该到达波束的方位角确定一对上下限点，使该方位角位于上下限点之间，然后从自身的存储器中读取出方位角范围上限点和下限点的极化增益值，利用一维插值，可以快速计算出该波束的极化增益。传统的2D-MIMO天线的设计框图如图1所示，拥有多个存储器、计算模块、信道控制模块和天线下倾角调整模块等。当波束到达时，每根天线从与之相连的极化增益存储器中，取出两个与到达波束角度最接近的两个点，传输给计算模块，计算模块根据一维插值方法，可以快速计算出该到达波束的天线极化增益，传输给信道控制模块，以便用于后续的信道检测和波束赋形等运用，也传输给天线下倾角调整模块，用于动态调整每根天线的极化增益存储器的值。

显然，传统的2D-MIMO明显不符合实际中波束的传输情况，实际通信环境中，由于散射体的高度和天线的高度，电磁波要经过绕射、折射等方式传输到用户端，是一个三维的传输场景，除了水平到达角和离开角外，还有垂直维的角度，EOA和EOD不总是为90度，因此，考虑加入EOA和EOD的影响，会给信道增加一个仰角方位的变化维度，进而会增加信道的传输容量，因此，3D-MIMO会带来更好的信道增益等优点，是今后信道设计和仿真的一个发展趋势之一。目前，对于3D-MIMO的建模，主要集中在WINNERⅡ(Wireless World InitiativeNew Radio Ⅱ，WINNERⅡ)信道的基础上，进行仰角维度的扩展，完成对3D-MIMO信道建模和仿真验证。

由于3D-MIMO需要考虑仰角的影响，因此需要把天线的场分布从简单的2维扩展到复杂的3维的立体空间，此时的极化增益的特性变得复杂，因此，3D-MIMO需要储存的极化增益数组将是一个数据量巨大的三维数据，即使采用了一定的压缩算法，需要存储的场分布仍然是一个数据量巨大的三维数组，传统的2D-MIMO天线存储计划增益的方式会带来巨大的存储开销，而且当电磁波波束到达时，计算计划增益时需要读取的数据多，导致效率低，耗时长，给信道计算带来的延时大，不利于信道传输的实时性。并且，当采用适当的波束成形，根据用户的方位分布而调整天线的排放位置，调整波束覆盖范围以便使接收到的信号最佳时，天线需要更新储存器中的计划增益的数据量也较大，不利于天线的对准技术的实现。而目前对于以上所述问题，并没有相关文献或资料提出过很好的解决方案。对于三维天线计划增益的存储问题依然困扰着对3D-MIMO进行研究的技术人员。

而目前大部分天线使用的是半波偶极天线，以竖直倾斜角为γ的和竖直倾斜角-γ的两根天线为一个天线单元组的形式，均匀排布在一条直线上或一个平面上或一个椭球面上。因此，可以把天线分成竖直倾斜角为γ的和竖直倾斜角-γ两类，同一类天线的极化增益具有很多共同特性，而目前很少有文献对该特性加以利用。

发明内容

为解决3D-MIMO中巨大的三维极化增益数据的存储难题，本发明根据半波偶极天线的共同特性，发明一种联合存储计划增益的方法，该方法对3D-MIMO中天线系统的三维极化增益的存储数据进行了分类和简化，达到减小存储总量的目的，以减小存储器的开销。

本发明采用的天线为：以一根竖直倾斜角为γ的天线和一根竖直倾斜角-γ的天线组成一个半波偶极天线单元组，多个天线单元组组成一个天线阵列。建立全局坐标系(Global Coordinate System，GCS)，将一个天线的辐射平面竖直面向正东方放置，以正南方为X轴，以正东方为Y轴，垂直于水平面为Z轴，以天线的中心点为原点，其中，GCS代表的物理意义为确定一个全局统一的参考系，用于确定电磁波波束的方位角和仰角，以便于通信系统间的一致性，0°≤γ≤90°，-90°≤-γ＜0°。

本发明的具体步骤如下：

S1、对所有天线组进行分类，具体为：按照天线竖直角度分为第一类天线和第二类天线，其中，第一类天线为竖直倾斜角为γ的天线，第二类天线为竖直倾斜角为-γ的天线；

S2、分别计算两类天线在立体空间中的三维极化增益，所述极化增益包括垂直极化增益和水平极化增益，具体为：

第一类天线的垂直极化增益为

第一类天线的水平极化增益为

第二类天线的垂直极化增益为

第二类天线的水平极化增益为

可以看出第一类天线和第二类天线只是进行的倾斜角的变化，为了描述方便，将第一类天线和第二类天线的垂直极化增益表示为将第一类天线和第二类天线的水平极化增益表示为其中，ξ＝sinθcosφsinγ+cosθcosγ，φ为电磁波波束的方位角，θ为电磁波波束的仰角，方位角φ为电磁波波束在XY平面内的投影和X轴的逆时针夹角，φ取值范围为-180°≤φ≤180°，仰角θ为电磁波波束与Z轴的顺时针夹角，θ取值范围为0°≤θ≤180°；

S3、由S2可得出F^(v)(φ,θ)和F^(h)(φ,θ)都是关于φ的偶函数，因此，在储存天线的三维极化增益时，只需存储0°≤φ≤180°即可，对于-180°≤φ≤0°的情况时，可利用偶函数的性质变换得到，具体为F^(v)(φ,θ)＝F^(v)(|φ|,θ)，F^(h)(φ,θ)＝F^(h)(|φ|,θ)，其中，||表示取绝对值；

S4、等间距计算第一类天线和第二类天线的极化增益:设N为角度采样数，则φ和θ分别在0°≤φ≤180°和0°≤θ≤180°间等间距取N个值，代入S2所述F^(v)(φ,θ)和F^(h)(φ,θ)，得到N×N的矩阵F^(v)，N×N的矩阵F^(h)，其中，N＝180a,a∈[1,20]且a是自然数，F^(v)代表的是天线的垂直极化增益，F^(h)代表的是天线的水平极化增益；

S5、根据S4所述F^(v)和F^(h)构造一个维度为2×N×N的三维数组其中，符号[]表示矩阵的展开形式，用FP_γ表示竖直倾斜角为γ的天线对应的极化增益，用FP_-γ表示竖直倾斜角为-γ的天线对应的极化增益；

S6、根据已经确定的天线和用户的布局和已经确定的天线的配置，对整个天线阵列相对于正南方的旋转角度和每个天线单元组相对于所述天线单元组所在的天线阵列的旋转角度进行定义，具体如下：

S61、在GCS中确定电磁波波束的方位角φ和仰角θ，其中，-180°≤φ≤180°，0°≤θ≤180°；

S62、建立阵列坐标系(Array Coordinate System，ACS)，以目标天线阵列中心点为原点，垂直于目标天线阵列的辐射面为X′轴，在X′轴与竖直方向确定的平面内找到与X′轴垂直的方向向上的Z′轴，根据右手坐标系的规则，确定Y′轴，ACS用于区分不同天线阵列辐射方向覆盖范围的不同性，ACS可以通过GCS中的X、Y、Z轴旋转得到，所述旋转角度记作Rot_array；

S63、建立阵子元素坐标系(Element Coordinate System，ECS)，以目标天线单元组中心点为原点，垂直于所述天线单元组的辐射面为X″轴，在X″轴与竖直方向确定的平面内找到与X″轴垂直的，方向向上的Z″轴，根据右手坐标系的规则，确定Y″轴，ECS用于区分不同天线单元组相对于所处的天线阵列中的拜访位置和排列方式的不同，ECS可以通过ACS中的X′、Y′、Z′轴旋转得到，所述旋转角度记作Rot_element；

S64、用φ_GCS表示电磁波波束在GCS中的方位角，用θ_GCS表示电磁波波束在GCS中的仰角，用φ_ECS表示电磁波波束在ECS中的方位角，用θ_ECS表示电磁波波束在ECS中的仰角；

S7、在3D-MIMO系统中进行电磁波波束的垂直极化增益和水平极化增益计算：

S71、当一束电磁波波束在GCS中以方位角为φ_GCS，仰角为θ_GCS对一根天线进行辐射时，计算模块首先在与天线相连的动态存储器中读取Rot值，然后将GCS中的方位角φ_GCS和仰角θ_GCS旋转到ECS中的方位角φ_ECS和仰角θ_ECS，所述动态存储器连接天线和计算模块，并与天线下倾角调整模块相连，所述动态存储器用来存储变量Rot，其中，Rot包括S6所述Rot_array和Rot_element；

S72、计算模块将S71所述天线的竖直倾斜角和S71所述电磁波波束方位角为φ_GCS，仰角为θ_GCS传输给判决器，所述判决器根据接收到的天线的竖直倾斜角进行判定，若竖直倾斜角为γ则对应静态存储器FP_γ，若竖直倾斜角为-γ则对应静态存储器FP_-γ，所述静态存储器FP_γ用来存储S5所述的竖直倾斜角为γ的天线对应的极化增益，所述静态存储器FP_-γ用来存储S5所述的竖直倾斜角为-γ的天线对应的极化增益，其中，静态存储器FP_γ和静态存储器FP_-γ统一称作静态存储器，判决器位于计算模块的输出端之后和两个静态存储器的输入端之前；

S73、判决器根据接收的φ_ECS进行判决，若φ_ECS∈[0°,180°]，则保持φ_ECS不变，若则更新φ_ECS＝|φ_ECS|mod180°，其中，符号||表示取绝对值，mod表示取余数；

S74、根据S73所得φ_ECS和S72所述θ_GCS，选出S4中等间距产生的N个方位角角度中与φ_ECS最接近的两个方位角φ₁和φ₂，选出S4中等间距产生的N个仰角角度中与θ_GCS最接近的两个仰角θ₁和θ₂；

S75、将S74所述φ₁、φ₂、θ₁和θ₂进行两两配对确定4个点，即φ₁、θ₁，φ₁、θ₂，φ₂、θ₁和φ₂、θ₂，在对应的静态存储器中读出这4个点对应的垂直极化增益和水平极化增益，连同这4个点的方位角和仰角，一并传输到计算模块；

S76、计算模块对S75所述4个点对应的垂直极化增益和水平极化增益，4个点的方位角和仰角进行二维插值，计算出所述电磁波波束的垂直极化增益和水平极化增益；

S8、计算出对天线进行辐射的第n条电磁波传播径的垂直极化增益和水平极化增益，这里采用的是WINNERⅡ的系统模型，每个天线和它服务的用户之间有N条传播径，每条径由M条电磁波射线组成，正整数N的取值和选择的场景有关，通过累加求和，得出信道估计矩阵H，

其中，u表示用户接收端天线数目，s表示基站发射端天线数目，n表示电磁波波束数目，P_n表示第n条电磁波波束的功率，m是第n条传播径的第m条射线编号，rx表示用户的接收天线端，tx表示基站的发射天线端，F_rx,u,V(φ_n,m,θ_n,m)和F_rx,u,H(φ_n,m,θ_n,m)是根据第n条多径的第m条子径在第u根接收端天线的方位角φ_n,m和仰角θ_n,m计算出来的天线垂直极化增益和水平极化增益，同样地， 是根据第n条多径的第m条子径在第s根发射端天线的方位角和仰角计算出来的天线垂直极化增益和水平极化增益，κ_n,m为第n个波束的第m个子径的交叉极化率，exp代表自然底数的指数，j代表单位纯虚数，j²＝1，表示电磁波波束在发射端发射时的垂直极化分量到接收端接收时的垂直极化分量的相位延迟，表示电磁波波束在发射端发射时的垂直极化分量到接收端接收时的水平极化分量的相位延迟，表示电磁波波束在发射端发射时的水平极化分量到接收端接收时的水平极化分量的相位延迟，表示电磁波波束在发射端发射时的水平极化分量到接收端接收时的垂直极化分量的相位延迟，是第s根发送天线的位置矢量，是第n条多径的第m个子径的归一化离开角度矢量，是第u根接收天线的位置矢量，是第n条多径的第m个子径的归一化到达角度矢量，表示载波波长的倒数，v_n,m为多普勒频移因子，与用户的速度有关，t表示时间采样，1≤n≤N，M＝20，1≤m≤M，6≤N≤20,且N为整数；

S9、信道估计模块根据S8所述信道估计矩阵H得出H的统计特性，将所述H的统计特性传输给后续的信道检测、波束赋形等运用，用于对信号的发射和接收，将所述H的统计特性传输给天线下倾角调整模块，用于对天线自动对准技术对天线的位置和排列进行调整。

进一步地，S2所述三维极化增益具体为：一束电磁波波束对天线进行辐射，所述电磁波波束的方位角为φ，倾角为θ，其中，电磁波波束的方位角和电磁波波束的仰角的确定方法为：在所述电磁波波束上选取一点P，确定点P在空间直角坐标系中的极化坐标为P(r,φ,θ)，r为到原点的距离。

进一步地，S71所述将GCS中的方位角φ_GCS和仰角θ_GCS旋转到ECS中的方位角φ_ECS和仰角θ_ECS具体过程如下:根据Rot中的Rot_array，把GCS旋转变化为ACS，然后再根据Rot中的Rot_element把ACS旋转为ECS，之后读出电磁波波束在ECS中的方位角φ_ECS和仰角θ_ECS。

进一步地，对于非视距传输的城市微小区场景，S8所述正整数N的取值为16。

进一步地，天线阵列采用的是均匀平面型分布，则电磁波波束在所述均匀平面型天线阵列中的每个天线单元组中的ECS方位角φ_ECS和仰角θ_ECS都相同，每个天线阵列只需要存储一个动态存储器的值。

本发明的有益效果是：

本发明有效地对庞大的三维极化增益的数据进行分类和压缩，不仅节省了大量的存储空间，解决了巨大的三维极化增益数据的存储难题，又能加快波束离开或到达天线时的三维极化增益的计算，还减小了天线在调整姿态时所需要更新的动态数据，有利于天线对准技术的实施。

附图说明

图1为传统2D-MIMO天线的系统架构图。

图2为波束到达或离开竖直倾斜角为γ的天线几何示意图。

图3为GCS、ACS、ECS几何关系示意图。

图4为联合存储天线系统架构图。

图5为均匀平面型分布的天线阵列的联合存储系统架构图。

图6为仿真和实测的信道矩阵H的特征值比较图。

图7为3D MIMO仿真和实测的信道容量对比图。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明的具体实施方式：

本次发射端使用的32根天线为：以竖直倾斜角为45°的和竖直倾斜角-45°的两根半波偶极天线为一个天线单元组，一共为16个天线单元组组成的一个均匀平面型天线阵列，天线单元组间距为半个波长；用户接收端使用的56根天线为：以竖直倾斜角为45°的和竖直倾斜角-45°的两根半波偶极天线为一个天线单元组，一共为28个天线单元组组成的一个均匀球形天线阵列，天线单元组间距为半个波长。

步骤1、把所有天线进行分类：第一类为竖直倾斜角度为45°的天线，第二类为竖直倾斜角-45°的天线；因此，每个天线单元组包含的两根天线：一根为第一类天线，另一根第二类天线。

步骤2、等间距的计算每一类天线的极化增益：角度采样数为180，φ和θ分别在0°≤φ≤180°和0°≤θ≤180°间均匀取180个值，即每隔一度取一个值，带入到公式1中计算，每一类天线得到两个180×180的矩阵，分别为F^(v)和F^(h)，代表的是天线的垂直极化增益和水平极化增益。用一个维度为2×180×180的三维数组FP来储存，FP的构造方式为如公式2所示，因此，竖直倾斜角为45°的和竖直倾斜角-45°的两类天线对应的极化增益分别为FP_45°和FP_-45°，分别存储在两个静态存储器中。

步骤3、对发射天线和接收天线进行布局，具体为发射天线为竖直放置，天线阵列的辐射方向为正东方，高度为20米，以发射天线所处的地面为坐标原点，以竖直方向为Z轴，南极方向为X轴，正东方为Y轴，建立坐标系，单位为米，因此，发射天线的坐标为(0,0,20)。接收端天线也为竖直放置，与发射端水平间距为100米，高度为5米，辐射方向为正南方，但由于接收端为均匀球形分布，是个高度对称的几何体，所以只要其中一个天线单元组面向正南方即可。接收端的坐标为(0，100，5)，发射端和接收端之间为非视距传输，即没有波束能从发射端不经过反射而直接到达接收端。因此，发射端采用的天线架构为图5所示的均匀平面型分布的天线阵列的联合存储系统架构，动态存储器中存储的值为Rot_array＝(0,0,90°)，Rot_element＝(0,0,0)，接收端采用的是图4所示的联合存储天线系统架构，每根天线相连的动态存储器中的值为Rot_array＝(0,0,0)，Rot_element会根据每个天线单元组在球面上分布的位置不同而不同，可用过ACS到ECS的旋转过程来确定，如第一个天线单元组的Rot_element＝(0,0,0)。

步骤4、因为对天线来说，波束的离开和到达的极化增益计算是完全相同的过程，此处以波束离开为例，讲解实施过程。当一束波束在GCS中以方位角为φ_GCS＝120.7°和仰角为θ_GCS＝60.4°离开竖直倾斜角度为45°的发射天线时：

步骤41、计算模块首先在与发射天线阵列相连的动态存储器中读取Rot的值，然后，把GCS中的方位角φ_GCS＝120.7°和仰角θ_GCS＝60.4°旋转到ECS中的方位角为φ_ECS＝30.7°和仰角为θ_ECS＝60.4°，传递给判决器。

步骤42、判决器首先判断φ_ECS＝30.7°是在0°≤φ_ECS≤180°中，因此，φ_ECS保持不变，不用经过公式3计算，若不在0°≤φ_ECS≤180°中，则通过公式3更新φ_ECS的值。然后判决器选出与该角度最接近的4个点，方位角和仰角组成的坐标为(φ_ECS,θ_ECS)＝(30°,60°)；(31°,60°)；(30°,61°)；(31°,61°)，从静态存储器FP_45°中取出这4个点对应的天线极化增益值，传输给计算模块。

步骤43、计算模块得到静态存储器传输来的垂直极化增益和水平极化增益，以及其对应的4个点的方位角和仰角，通过二维插值，快速计算出该波束的垂直极化增益和水平极化增益，用于下一步信道矩阵H的计算。

到达波束的天线极化增益的计算过程和上述步骤4过程一样。

步骤5、利用步骤4中得到的天线极化增益，带入到公式4中，计算模块计算得到信道矩阵H，传输给信道控制模块。信道控制模块根据信道估计得到信道矩阵H的统计特性值，为了获得整个系统的最佳传输状态，通过天线下倾角调整模块，动态调整天线的辐射姿态，如这里发射天线辐射方向调整为东偏南10°，因此，与发射天线阵列相连的动态存储器中的Rot_array＝(0,0,80°)，Rot_element＝(0,0,0)。接收端的天线调整过程与之相同。

信道矩阵H的特征值(eigenvalue)最能反映信道的特性，波束赋形可根据信道H做特征值分解，分解成多个平行的数据流，相互间正交，传输时彼此独立，以达到同时传输多个流的目的；因此本次仿真检验通过对计算模块得到的信道矩阵H进行特征值分解，取出最大的5个特征值，与实际测量得到的H的最大的5个特征值做对比，得到的仿真结果和实际测量结果的对比图为图6所示，信道容量的对比图如图7所示。从图6和图7中可得出的结论为：本次发明仿真得到的结果和无线通信信道的真实情况十分吻合，天线联合存储不仅能节省存储器的开销，而且能加快波束极化增益的计算，并且更能利于天线对准技术的实现，对真实场景中天线系统的设计，具有很强的指导意义。

Claims (5)

1.一种3D-MIMO天线极化增益的联合存储方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对所有天线组进行分类，具体为：按照天线竖直角度分为第一类天线和第二类天线，其中，第一类天线为竖直倾斜角为γ的天线，第二类天线为竖直倾斜角为-γ的天线；

S2、分别计算两类天线在立体空间中的三维极化增益，所述极化增益包括垂直极化增益和水平极化增益，具体为：

第一类天线的垂直极化增益为

第一类天线的水平极化增益为

第二类天线的垂直极化增益为

${F_2}^{\left(v\right)}(\mathrm{\φ},\mathrm{\θ})=\left|\left(\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\sin \right(-\mathrm{\γ})-\sin \mathrm{\θ}\cos (-\mathrm{\γ}\left)\right)\frac{\cos (\mathrm{\π}\mathrm{\ξ}/2)}{1-{\mathrm{\ξ}}^2}\right|,$

第二类天线的水平极化增益为

可以看出第一类天线和第二类天线只是进行的倾斜角的变化，为了描述方便，将第一类天线和第二类天线的垂直极化增益表示为将第一类天线和第二类天线的水平极化增益表示为其中，ξ＝sinθcosφsinγ+cosθcosγ，φ为电磁波波束的方位角，θ为电磁波波束的仰角，方位角φ为电磁波波束在XY平面内的投影和X轴的逆时针夹角，φ取值范围为-180°≤φ≤180°，仰角θ为电磁波波束与Z轴的顺时针夹角，θ取值范围为0°≤θ≤180°；

S3、由S2可得出F^(v)(φ,θ)和F^(h)(φ,θ)都是关于φ的偶函数，因此，在储存天线的三维极化增益时，只需存储0°≤φ≤180°即可，对于-180°≤φ≤0°的情况时，可利用偶函数的性质变换得到，具体为F^(v)(φ,θ)＝F^(v)(|φ|,θ)，F^(h)(φ,θ)＝F^(h)(|φ|,θ)，其中，| |表示取绝对值；

S4、等间距计算第一类天线和第二类天线的极化增益:设N为角度采样数，则φ和θ分别在0°≤φ≤180°和0°≤θ≤180°间等间距取N个值，代入S2所述F^(v)(φ,θ)和F^(h)(φ,θ)，得到N×N的矩阵F^(v)，N×N的矩阵F^(h)，其中，N＝180a,a∈[1,20]且a是自然数，F^(v)代表的是天线的垂直极化增益，F^(h)代表的是天线的水平极化增益；

S5、根据S4所述F^(v)和F^(h)构造一个维度为2×N×N的三维数组其中，符号[]表示矩阵的展开形式，用FP_γ表示竖直倾斜角为γ的天线对应的极化增益，用FP_-γ表示竖直倾斜角为-γ的天线对应的极化增益；

S6、根据已经确定的天线和用户的布局和已经确定的天线的配置，对整个天线阵列相对于正南方的旋转角度和每个天线单元组相对于所述天线单元组所在的天线阵列的旋转角度进行定义，具体如下：

S61、在GCS中确定电磁波波束的方位角φ和仰角θ，其中，-180°≤φ≤180°，0°≤θ≤180°，GCS代表的物理意义为确定一个全局统一的参考系，用于确定电磁波波束的方位角和仰角，以便于通信系统间的一致性；

S62、建立阵列坐标系(Array Coordinate System，ACS)，以目标天线阵列中心点为原点，垂直于目标天线阵列的辐射面为X′轴，在X′轴与竖直方向确定的平面内找到与X′轴垂直的方向向上的Z′轴，根据右手坐标系的规则，确定Y′轴，ACS用于区分不同天线阵列辐射方向覆盖范围的不同性，ACS可以通过GCS中的X、Y、Z轴旋转得到，所述旋转角度记作Rot_array；

S63、建立阵子元素坐标系(Element Coordinate System，ECS)，以目标天线单元组中心点为原点，垂直于所述天线单元组的辐射面为X″轴，在X″轴与竖直方向确定的平面内找到与X″轴垂直的，方向向上的Z″轴，根据右手坐标系的规则，确定Y″轴，ECS用于区分不同天线单元组相对于所处的天线阵列中的拜访位置和排列方式的不同，ECS可以通过ACS中的X′、Y′、Z′轴旋转得到，所述旋转角度记作Rot_element；

S64、用φ_GCS表示电磁波波束在GCS中的方位角，用θ_GCS表示电磁波波束在GCS中的仰角，用φ_ECS表示电磁波波束在ECS中的方位角，用θ_ECS表示电磁波波束在ECS中的仰角；

S7、在3D-MIMO系统中进行电磁波波束的垂直极化增益和水平极化增益计算：

S71、当一束电磁波波束在GCS中以方位角为φ_GCS，仰角为θ_GCS对一根天线进行辐射时，计算模块首先在与天线相连的动态存储器中读取Rot值，然后将GCS中的方位角φ_GCS和仰角θ_GCS旋转到ECS中的方位角φ_ECS和仰角θ_ECS，所述动态存储器连接天线和计算模块，并与天线下倾角调整模块相连，所述动态存储器用来存储变量Rot，其中，Rot包括S6所述Rot_array和Rot_element；

S72、计算模块将S71所述天线的竖直倾斜角和S71所述电磁波波束方位角为φ_GCS，仰角为θ_GCS传输给判决器，所述判决器根据接收到的天线的竖直倾斜角进行判定，若竖直倾斜角为γ则对应静态存储器FP_γ，若竖直倾斜角为-γ则对应静态存储器FP_-γ，所述静态存储器FP_γ用来存储S5所述的竖直倾斜角为γ的天线对应的极化增益，所述静态存储器FP_-γ用来存储S5所述的竖直倾斜角为-γ的天线对应的极化增益，其中，静态存储器FP_γ和静态存储器FP_-γ统一称作静态存储器，判决器位于计算模块的输出端之后和两个静态存储器的输入端之前；

S73、判决器根据接收的φ_ECS进行判决，若φ_ECS∈[0°,180°]，则保持φ_ECS不变，若则更新φ_ECS＝φ_ECS|mod180°，其中，符号| |表示取绝对值，mod表示取余数；

S74、根据S73所得φ_ECS和S72所述θ_GCS，选出S4中等间距产生的N个方位角角度中与φ_ECS最接近的两个方位角φ₁和φ₂，选出S4中等间距产生的N个仰角角度中与θ_GCS最接近的两个仰角θ₁和θ₂；

S75、将S74所述φ₁、φ₂、θ₁和θ₂进行两两配对确定4个点，即φ₁、θ₁，φ₁、θ₂，φ₂、θ₁和φ₂、θ₂，在对应的静态存储器中读出这4个点对应的垂直极化增益和水平极化增益，连同这4个点的方位角和仰角，一并传输到计算模块；

S76、计算模块对S75所述4个点对应的垂直极化增益和水平极化增益，4个点的方位角和仰角进行二维插值，计算出所述电磁波波束的垂直极化增益和水平极化增益；

S8、计算出对天线进行辐射的第n条电磁波传播径的垂直极化增益和水平极化增益，这里采用的是WINNERⅡ的系统模型，每个天线和它服务的用户之间有N条传播径，每条径由M条电磁波射线组成，正整数N的取值和选择的场景有关，通过累加求和，得出信道估计矩阵H，

其中，u表示用户接收端天线数目，s表示基站发射端天线数目，n表示电磁波波束数目，P_n表示第n条电磁波波束的功率，m是第n条传播径的第m条射线编号，rx表示用户的接收天线端，tx表示基站的发射天线端，F_rx,u,V(φ_n,m,θ_n,m)和F_rx,u,H(φ_n,m,θ_n,m)是根据第n条多径的第m条子径在第u根接收端天线的方位角φ_n,m和仰角θ_n,m计算出来的天线垂直极化增益和水平极化增益，同样地，和是根据第n条多径的第m条子径在第s根发射端天线的方位角和仰角计算出来的天线垂直极化增益和水平极化增益，κ_n,m为第n个波束的第m个子径的交叉极化率，exp代表自然底数的指数，j代表单位纯虚数，j²＝1，表示电磁波波束在发射端发射时的垂直极化分量到接收端接收时的垂直极化分量的相位延迟，表示电磁波波束在发射端发射时的垂直极化分量到接收端接收时的水平极化分量的相位延迟，表示电磁波波束在发射端发射时的水平极化分量到接收端接收时的水平极化分量的相位延迟，表示电磁波波束在发射端发射时的水平极化分量到接收端接收时的垂直极化分量的相位延迟，是第s根发送天线的位置矢量，是第n条多径的第m个子径的归一化离开角度矢量，是第u根接收天线的位置矢量，是第n条多径的第m个子径的归一化到达角度矢量，表示载波波长的倒数，v_n,m为多普勒频移因子，与用户的速度有关，t表示时间采样，1≤n≤N，M＝20，1≤m≤M，6≤N≤20,且N为整数；

S9、信道估计模块根据S8所述信道估计矩阵H得出H的统计特性，将所述H的统计特性传输给后续的信道检测、波束赋形运用，用于对信号的发射和接收，将所述H的统计特性传输给天线下倾角调整模块，用于对天线自动对准技术对天线的位置和排列进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种3D-MIMO天线极化增益的联合存储方法，其特征在于：S2所述三维极化增益具体为：一束电磁波波束对天线进行辐射，所述电磁波波束的方位角为φ，仰角为θ，其中，电磁波波束的方位角和电磁波波束的仰角的确定方法为：在所述电磁波波束上选取一点P，确定点P在空间直角坐标系中的极化坐标为P(r,φ,θ)，r为到原点的距离。

3.根据权利要求1所述的一种3D-MIMO天线极化增益的联合存储方法，其特征在于：S71所述将GCS中的方位角φ_GCS和仰角θ_GCS旋转到ECS中的方位角φ_ECS和仰角θ_ECS具体过程如下:根据Rot中的Rot_array，把GCS旋转变化为ACS，然后再根据Rot中的Rot_element把ACS旋转为ECS，之后读出电磁波波束在ECS中的方位角φ_ECS和仰角θ_ECS。

4.根据权利要求1所述的一种3D-MIMO天线极化增益的联合存储方法，其特征在于：对于非视距传输的城市微小区场景，S8所述正整数N的取值为16。

5.根据权利要求1所述的一种3D-MIMO天线极化增益的联合存储方法，其特征在于：天线阵列采用的是均匀平面型分布，则电磁波波束在所述均匀平面型天线阵列中的每个天线单元组中的ECS方位角φ_ECS和仰角θ_ECS都相同，每个天线阵列只需要存储一个动态存储器的值。